一種速度可調節塑料薄膜收卷機裁切裝置的研制

孫昊

(上海箴宇控制技術有限公司，上海 200949）

塑料薄膜廣泛應用于食品、醫藥、化工等領域產品的包裝，主要有PE、PET、BOPP、CPP等品種，以下簡稱薄膜。而薄膜收卷機主要與連接吹塑機、流延線或雙拉線等薄膜產線配套，其功能是把薄膜產線生產的薄膜整齊有序的纏繞成膜卷。目前薄膜產線都是高速連續運行，在線接膜換卷、卸卷，前一卷膜收卷完成后需及時快速橫向裁斷，裁斷的薄膜新接頭粘接到新收卷紙芯上繼續收卷，依次連續循環工作。而裁切裝置作為薄膜收卷機的關鍵部件之一，其安全性、快速有效性決定著整條薄膜產線的效率和質量。

1 薄膜收卷機在線裁切現狀及開發速度可調裁切裝置的意義

1.1 目前薄膜收卷機在線裁切問題現狀

國內薄膜收卷機結構原理各不相同，總體而言通常都采用下面三種方式解決在線裁切問題。

（1）采用手工在線裁切薄膜。此方法對工人操作技巧熟練程度要求較高，僅適用于產線速度較慢、幅寬較窄的工況。線速度較快或幅寬較大則工人動作無法協調同步，而且存在操作工人手臂容易被劃傷、夾傷以及衣服被卷進機器的安全隱患。

（2）采用鋸齒刀在線打斷薄膜。但此方式僅僅適合于厚度比較薄的單層膜以及收卷張力達1 000 N以上的復合紙等脆性材料。像大棚膜、土工膜等單層厚度達150 μm左右且最高可疊加8層，而薄膜張力又普遍較小約100 N/m左右的薄膜就很難在線瞬間打斷。因為單層薄膜越厚疊加的層數越多，薄膜本身強度和韌性也相應越大，使用鋸齒刀打斷的難度也就越高。

（3）使用無桿氣缸驅動切刀裁切。在幅寬比較窄的收卷機上此方法可以實現薄膜在線裁切要求，但無桿氣缸對空氣質量要求比較高，需要用戶配備專業空壓站，如空氣雜質比較多，則需要定期保養或者更換密封圈。無桿氣缸又分磁偶式和機械接觸式。磁偶式無桿氣缸，因為它是內部高強磁鐵連接外部磁塊運動，高速運動時容易脫磁，負載質量較大時一般選用機械式較多，但機械式無桿氣缸密封性能差，容易產生外漏。在使用三位閥時必須選用中壓式；承載能力小，負載較大時必須增加導向機械，而且不能實現多點準確定位要求[1]。

比較以上三種方式，手動裁切將來逐步淘汰，其他兩種方式各有缺陷，都不能很好地解決同一條薄膜產線存在不同幅寬，不同厚度以及不同層數薄膜的在線裁切。

1.2 開發速度可調裁切裝置的意義

在線換卷裁切處理不當會帶來成品膜卷不能順利換接、新卷芯收卷起皺等影響產品質量的問題，嚴重的會導致薄膜無序纏繞積壓，直接影響后續薄膜的正常收卷。

2 速度可調薄膜裁切裝置的結構原理

針對當前國內此領域的廣闊市場前景。為了低成本，高效率的解決多層折疊膜不易裁斷的問題，根據用戶實際需求結合具體生產工藝，全新研發了一套結構簡潔、實用、高效安全的薄膜在線裁切裝置。

考慮到整機結構布局合理緊湊，需要對速度可調薄膜裁切裝置的總體機構合理設計，主要包括：直線驅動裁刀系統、兩側板、兩中心軸、兩裁切氣缸、氣缸底座、導輥等，如圖1所示。

直線驅動裁刀系統通過兩中心軸和兩裁切氣缸的氣缸底座分別橫向和豎向地與由支撐梁和兩墻板組成的收卷機的主體結構連接，即兩中心軸與主體結構的兩墻板連接，兩裁切氣缸與主體結構的支撐梁連接。裁切氣缸的一端通過耳環與氣缸底座鉸接，另一端通過活塞桿連接關節軸承與兩側板連接；兩側板一端與直線驅動裁刀系統固定連接，另一端與兩中心軸鉸接。

圖1 速度可調塑料薄膜裁切裝置結構圖

從合理利用空間的角度考慮，設計F是裁切裝置工作位，F′是裁切裝置非工作位，詳見圖1，薄膜由導輥經壓輥、卸卷導輥連接到成品膜卷上。當系統正常收卷時，裁刀氣缸 處于回縮狀態，直線驅動裁刀系統整體抬起處于F′位置；收卷完成后成品膜卷翻轉到收卷機外側，裁切氣缸活塞桿伸出推動直線驅動裁刀系統以兩中心軸為中心旋轉到F位置，F位置的定位基準是薄膜經過時穿過上、下圓刀的相切點，由定位螺栓調整后鎖定。裁刀組件由設定的程序控制電動缸驅動，沿薄膜橫向一側直線快速的滑移到另一側，完成薄膜的在線裁切。

3 裁切裝置主要部件的功能實現

3.1 直線驅動裁刀系統

直線驅動裁刀系統是速度可調薄膜裁切裝置的關鍵部件，由裁刀組件、電動缸組件、動梁等構成。電動缸固定安裝在動梁上，電動缸設置有速度可調的驅動器和電動缸滑塊，電動缸滑塊通過驅動器沿電動缸的缸體作直線運動；裁刀組件固定設置在電動缸滑塊上可隨其同步運動完成在線裁切。電動缸的驅動器可實現運動速度調節和多點定位功能，以適應不同幅寬和不同主機線速度的要求。

薄膜收卷機的幅寬和速度通常會根據薄膜厚薄不同而有變化，而寬度、速度不同對裁切路徑及所要求的速度也不相同。如圖2所示，2"紙芯是收卷中心，

圖2 裁刀軌跡示意圖

設t是裁切過程所需時間，u是主機線速度，u′是裁切速度。在裁切過程中裁刀以β角為導向在O、P兩點之間快速滑移，同時壓輥將薄膜壓緊在收卷紙芯上，完成新料卷與成品卷的換接。由于裁切動作是發生在成品塑料薄膜換卷時的橫向在線裁斷，所以薄膜是邊走邊裁切，整個過程不得停頓。

以上參數中主機幅寬W和主機線速度u由主機設定，由圖2分析可知：

薄膜縱向位移： L=u×t；

裁切位移：OP=u′×t

P點是薄膜縱向位移L及裁切位移 OP的共同終點，兩者所需時間t相同，是其共同位移的結果，因此裁刀軌跡必然是斜邊。而裁切斜角β又與薄膜縱向位移L及裁切位移 OP成正比。在主機幅寬W和主機線速度u已設定的工況下裁切速度u′越快，則所用時間t越短，L越小，β角也越小；相反L越大，β角也越大。

同理主機線速度越快，所生產的薄膜越寬對直線驅動裁刀系統的響應速度更加要求越高。如果裁切速度u′相對主機線速度u滯后很多，則L越大，β角也越大，導致薄膜還未裁切完成就已經被轉動的新收卷紙芯纏繞，而同時成品卷也在轉動收卷尾料，但此時同一條薄膜的走向卻有兩個從而會引起薄膜的撕扯及起皺。因此在線裁切的時間t越短，L越小越有利在線裁切換卷。

為操作靈活方便歸納控制方案為以下兩種方式：

（1）時間模式，在HMI上設置裁切時間t，裁切速度u′和裁切縱向位移L由程序運算控制；

（2）位移模式，在HMI上設置裁切縱向位移L，即不論主機幅寬W和主機線速度u大小，均由PLC程序保證L為設定值。

3.2 裁刀系統電控方案及優勢分析

直線驅動裁刀系統采用西門子S7-300系列PLC完成數據運算和運動控制功能；采用伺服電機作用于電動缸組件實現裁切速度和裁切位置的控制，整個結構簡單而緊湊。

電動缸組件優勢分析，電動缸是將伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動，同時將伺服電機的精確轉速、轉數及扭矩控制轉變成電動缸的精確速度、位置及推力控制，閉環伺服控制下其精度可達0.01 mm。在一定程度上，電動缸組件可以根據需要隨意進行運動，完全可以滿足不同寬度規格的薄膜裁切要求。而氣體的可壓縮性和運動時所帶來的慣性，使得無桿氣缸很難做到準確定位[2-3]。

3.3 裁切組件

從力學角度分析，上、下兩個刀片以大小相等方向相反垂直于軸線且作用線很近的兩個力作用于薄膜上迫使薄膜剪切線左右兩部分發生沿剪切線相對錯動的變形，直到被剪斷。因此設計裁切組件包括下圓刀、上圓刀、刀軸、裁刀底座、銷軸、墊片、卡簧、固定板、轉架、小圓螺母、軸承、刀座和壓板；下圓刀和上圓刀緊密貼合設置，形成剪切咬合狀態，達到快速剪斷薄膜的效果。經現場試驗

裁刀組件可以順利剪斷最薄8 μm左右的薄膜，最厚150 μm 疊加32層共計約4.8 mm的薄膜，完全滿足吹塑、流延或雙拉等薄膜產線換卷裁斷薄膜的要求。裁刀組件的轉架沿裁刀銷軸偏轉能夠改變裁刀組件相對薄膜的刃口位置。裁刀底座上設有限位桿以約束轉架的極限轉動范圍[4]。

4 結束語

新裁切裝置控制上采用西門子PLC，電動缸組件驅動采用西門子伺服電機，結構簡單、速度和推力穩定可控、定位精確，避免了無桿氣缸裁切裝置高速易脫磁、無法精確定位、且密封性能差會產生外漏等缺陷。

裁切組件設計合理采用圓刀剪切原理，即能裁切8 μm左右的單層膜，也能裁切150 μm厚的多層膜，甚至是克重500 m2的多層復合紙等，解決了鋸齒刀無法裁切多層厚膜的問題。操作上設計有時間、速度和位移三種控制模式 ，由操作人員根據工藝要求或操作習慣選擇，也可以由程序根據主機線速度和主機幅寬自動匹配操作模式。整個收卷工作過程無需人工干預，是薄膜產線實現全自動化的重要組成部分。

[1]劉鑫傳，劉東輝. 全自動卷取機[J]. 橡塑技術與裝備，2015，41(1)：35～36.

[2]魏麗紅，韓麗潔，許昌. 基于PLC的電動缸伺服控制系統設計 [J]. 電氣傳動，2014，44(10)：60～63.

[3]陳超，趙升噸，崔敏超，蔡后勇，李雪. 電動缸的研究現狀與發展趨勢[J]. 機械傳動，2015，39(3)：181～183.

[4]馬瑞，楊慶山，王曉峰. 基于穩定理論的剪切薄膜屈服分析[J]. 力學學報，2014，46(1)114～115.