糾偏系統在雙向拉伸塑料薄膜生產中的應用

李雪明，童幫毅，賴福剛，楊正昊，馬茗茗

桂林電器科學研究院有限公司，廣西 桂林 541004

0 引 言

雙向拉伸塑料薄膜(BOPF)是由雙向拉伸(或稱雙軸取向)所制得塑料薄膜的總稱，它需經化學、物理等手段，在低于薄膜熔點且高于其玻璃化溫度的情況下對厚膜進行縱、橫雙向拉伸，最后在張緊狀態下進行熱定型處理而制得.其常用產品主要有：PP(聚丙烯)、PET(聚酯)、PA(聚酰胺)、PI(聚酰亞胺)、PS(聚苯乙烯)、PE(聚乙烯)等等.隨著人們對其優良的物理、化學和機械性能等特性的認識的逐步加深，雙向拉伸薄膜近年來已在電子、塑料包裝等行業得到飛速的發展[1].

國內已有萬噸生產線近百條，且都向著寬幅、高速兩方面進行研發，國外已在開發設計速度高達1 000 m/min的生產線[2].由于生產過程復雜，工藝條件要求較高，因此橫向拉伸機(TDO)的鏈鋏能否及時夾合住高速運行的薄片是生產的關鍵性問題.只有當兩側鏈鋏同時同步夾邊，夾邊均勻且夾持力適中時，膜片才能平整輸送[3].為實現理想夾膜則應保證膜片寬度與兩側鏈鋏距離相等，否則就會出現脫夾、褶皺、破膜、波紋抖動等現象，使得生產無法進行，損失較大.為了解決這一問題，橫拉機需安裝一套糾偏控制系統,也稱作邊位控制系統(EPC).本文將結合多年來國內外橫拉機設計及使用經驗，對雙向拉伸塑料薄膜EPC控制系統的結構原理及其應用進行歸納和對比，分析其優缺點，以供讀者更好的選擇使用，促進雙向拉伸塑料薄膜的生產.

1 工作原理

EPC裝置安裝于薄膜生產線的TDO入口，用于準確跟蹤膜邊的位置，其工作原理可以簡化為一個閉環控制環：自動糾偏的出發點是橫拉入口薄膜的當前位置，由一個或多個傳感器掃描薄膜的當前位置，并將其傳輸給控制器；控制器對測得的實際位置和設定的位置作比較，如果兩者之間存在偏差，控制器將傳輸一個糾偏信號給驅動器；驅動器快速驅動TDO入口的軌道，使其及時跟蹤上膜邊.如此循環，EPC系統一直驅動軌道做往復運動，從而不發生脫夾現象.

2 結構及分類

根據EPC系統動力裝置的不同，一般可分為機電式、電液壓式、氣動液壓式和磁性式4類.

機電式EPC系統結構原理如圖1所示，主要由三大部分組成：傳感器、控制器、機電驅動器.

電液壓式EPC系統結構原理如圖2所示，主要由五大部分組成：傳感器、控制器、電液伺服閥、電液壓動力裝置、液壓驅動器.

氣動液壓式EPC系統結構原理如圖3所示，主要由四大部分組成：傳感器、氣動液壓伺服閥、氣動液壓動力裝置、液壓驅動器.

圖1機電式EPC系統結構原理圖

Fig.1 The electromechanical EPC system structure diagram

圖2 電液壓式EPC系統結構原理圖

圖3 氣動液壓式EPC系統結構原理圖

磁性式EPC系統尚處在試驗階段，主要是德國布魯克納公司在應用[4]，國內尚缺乏相關資料，目前國內外雙向拉伸塑料薄膜生產線所使用的主要是以上3種.

這3種控制系統結構大同小異，其中均包含有傳感器，它又可以分為紅外線傳感器、反射式紅外線傳感器、超聲波傳感器、數字傳感器、氣動傳感器、激光傳感器、攝像式傳感器，其中機電式和電液壓式主要以紅外線傳感器和超聲波傳感器應用最多[5].機電式和電液壓式EPC系統還有一個控制器，此類控制器操作簡單，功能強大，在薄膜高速生產時，具有極高的動態響應水平和檢測精度[6]，不僅能實時監控，還能實現遠程控制.

機電式EPC驅動主要依靠電動推桿，它設備簡單、反沖小、免維護；它是由控制器直接驅動，所以具有最靈敏的動態響應性能，其典型的精度誤差小于0.002 s[7].但是，此類推桿主要是靠皮帶、絲桿或者齒輪傳動，在裝配誤差、長期磨損等情況下，其使用壽命不及氣動液壓式和電液式EPC系統.氣動液壓式EPC系統主要依靠氣動液壓伺服閥控制油缸驅動，最大特點是運行平穩.與機電式EPC驅動不同的是，它是通過氣動傳感器來跟蹤邊膜位置，將探測后氣壓信號直接反饋到氣動液壓伺服閥[8].因為薄膜離氣源口有一段距離，所以動態響應精度不如機電式控制方式.再者，其所使用的液壓油在雜質污染等情況下會堵塞油路，因此維護頻率較高.電液壓式EPC系統則綜合了這兩種控制方式的優點，利用紅外或超聲波傳感器實現精準探測，通過控制器將信號反饋給電液壓伺服閥，實現控制器的精準控制[9].不僅避免了氣動傳感器動態響應水平不夠高的缺點，還保留了氣動液壓式運行平穩的優點,但同樣也存在油路雜質問題.

3 工作模式

糾偏模式的選擇取決于客戶的工藝要求，主要的糾偏模式有以下幾種(見圖4)：

①薄膜定單邊糾偏：使用一個傳感器，根據薄膜的左側或者右側邊緣進行糾偏；

②薄膜定中心線糾偏：使用兩個傳感器，根據物料的中心線進行糾偏，又可以分為固定定中心糾偏和移動定中心糾偏；

③薄膜對比糾偏：使用一個傳感器，依據一條連續或者不連續的線對比進行糾偏.

圖4 糾偏模式

定單邊糾偏只能探測到一側薄膜的邊緣變化，當縱向拉伸機出來的薄膜寬度發生變化時，便不能保證TDO入口處的膜片與兩側的鏈夾距離相等，因而會難以實現理想狀態下夾膜[10].對比糾偏則需要有一條對比線才能準確跟蹤探測，相比另兩種探測方式費時又費力.定中心線糾偏則能始終保持TDO入口處薄膜寬度的穩定性，兩側鏈夾夾點準確、同時同步夾邊，夾邊均勻、夾持力適中，進入TDO的膜片保持輸送平整，利于后續拉伸區的晶粒拉伸取向.因此，大多數雙向拉伸塑料薄膜生產線均采用定中心線糾偏模式.

4 控制方式

EPC系統的控制方式有自動控制和手動控制兩種，一般是兩者兼有.所有薄膜生產線的EPC控制在生產時均采用自動控制方式，手動控制方式主要用于靜態測試系統運行狀況，以便及時發現問題.

以氣動液壓式EPC系統為例，其控制流程如下：其動力系統有一臺一直處于工作狀態的雙軸電機，連接著油壓泵和氣泵，保證控制回路的氣壓和油壓[11].在自動控制方式下，薄膜邊緣正好擋住氣動傳感器氣源口一半時，可使分別由氣動傳感器和自動控制閥加載在氣動液壓伺服閥上的氣壓保持平衡狀態，氣缸處于靜止，TDO入口處的兩側導軌也保持相對靜止，鏈鋏正常夾膜.當薄膜移動時，擋住氣動傳感器氣源超過一半的一側，會使得氣動傳感器加載在氣動液壓伺服閥上的氣壓變大，壓力失衡，自動控制閥氣壓推動氣液伺服閥工作，控制用液壓油的運行方向改變，使得軌道向外側運動，同時通過回路閉鎖閥防止液壓油反流，以保證軌道運動中的穩定，從而保證兩側夾點與膜邊距離相等，實現理想夾膜.而另一側氣動傳感器檢測不到薄膜時，氣液伺服閥會向相反的方向動作，最終使軌道向內側運動.如此重復，實現對邊膜位置的實時跟蹤，保證TDO入口的順利夾膜.

在手動控制方式下，直接通過手動控制閥的氣壓方向，從而推動氣液伺服閥動作，對系統的運行情況進行測試[12].

5 結 語

糾偏控制系統在雙向拉伸塑料薄膜生產線上的應用無疑是成功的.它極大限度的降低了橫拉脫夾、褶皺、破膜、波紋抖動等問題的出現概率，實現了薄膜的高速、高效率生產.現在，市場上生產的糾偏控制系統五花八門，包括了各種結構類型和模式.客戶應根據不同的薄膜工藝、材質以及生產速度，綜合本文列舉的各類系統的優缺點，選擇合適的糾偏控制系統，以便更好的促進雙向拉伸塑料薄膜的生產.

致 謝

感謝武漢工程大學機電工程學院鄭小濤副教授對本文提供的建議與幫助.

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