速度可調薄膜收卷機裁切裝置的開發

孫昊

（上海箴宇控制技術有限公司，上海 200949）

速度可調薄膜收卷機裁切裝置的開發

孫昊

（上海箴宇控制技術有限公司，上海 200949）

本裝置主要適用于全自動薄膜收卷機，在分析提高現有生產工藝要求基礎上，研發了一種全新的速度可調式薄膜裁切裝置，有效的避免了人工裁切帶來的危險性，解決了厚膜、多層膜不能快速準確裁斷的現象。實現了薄膜收卷機在滿卷換卷時無需人工干預能夠瞬間準確地劃斷薄膜，提高了整機工作效率和產品質量，降低了人工成本。

裁切裝置；薄膜；收卷機；電缸；伺服電機；剪切

薄膜收卷機主要用于連接吹塑機、流延線或雙拉線等薄膜生產線，把生產出來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。前一卷薄膜收卷完成需及時快速裁斷，裁斷的薄膜接頭黏接到新收卷紙芯上繼續收卷，依次循環連續收卷。而裁切裝置作為薄膜收卷機的關鍵部件之一，裁刀的安全性、快速有效性決定著整條薄膜產線的效率和質量。

1 目前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

（1）手工裁切薄膜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）鋸齒刀打斷適合于厚度比較薄的單層薄膜以及收卷張力達1 000 N以上的復合紙等脆性材料。大棚膜、土工膜單層厚度達150 μm左右且最高可疊加8層，收卷張力普遍較小約100 N/m左右。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，裁切的難度也越高，鋸齒刀很難打斷。

（3）無桿氣缸驅動切刀裁切，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，如果空氣雜質比較多的話，可能要定期保養或者換密封圈。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，高速運動的時候容易脫磁，負載質量比較大的時候一般選用機械式的較多，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。

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

在線裁切換卷處理不好會帶來膜卷不能順利換接、起皺等影響收卷質量的問題，嚴重的會導致薄膜無序纏繞積壓帶來大量浪費，直接影響后續薄膜的正常收卷，甚至大量薄膜雜亂的堆積在輥筒之間迫使主機停機。

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作分工合理的安排，主要包括：直線驅動打斷刀系統、兩側板、兩中心軸、兩打斷氣缸、氣缸底座等，如圖1所示。

圖1 速度可調薄膜裁切裝置結構原理圖

收卷機的主體結構由支撐梁和兩墻板固定連接，直線驅動打斷刀系統通過兩中心軸和兩打斷氣缸的氣缸底座分別橫向和豎向地與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，兩打斷氣缸與主體結構的支撐梁連接。打斷氣缸的一端設置耳環與氣缸底座鉸接，另一端設置活塞桿連接關節軸承，并通過銷軸與兩側板連接；兩側板一端與直線驅動打斷刀系統固定連接，另一端與兩中心軸鉸接。

為了合理利用空間，設置F是裁切裝置工作位，F′是裁切裝置非工作位，薄膜由導輥經壓輥、卸卷導輥連接到卸料卷上。當系統正常收卷時，裁刀氣缸處于回縮狀態，直線驅動打斷刀系統整體抬起處于F′位置；當收卷完成后成品膜卷翻轉到收卷機外側時，打斷氣缸無桿腔充氣驅動直線驅動打斷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穿過上、下圓刀的相切點，由定位螺栓調整后鎖定。剪刀組件由設定的程序控制電缸驅動，沿薄膜的橫向一側直線快速的飛到另一側，完成薄膜的在線打斷。

3 裁切裝置主要部件的功能實現

3.1 直線驅動打斷刀系統

直線驅動打斷刀系統是速度可調薄膜裁切裝置的關鍵部件，由剪刀組件、電缸組件、動梁等構成。電缸固定安裝在動梁上，電缸設置有速度可調的驅動器和電缸滑塊；電缸滑塊通過驅動器沿電缸的缸體作直線運動；剪刀組件固定設置在電缸滑塊上隨滑塊同步運動完成在線裁切。電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收卷線速度的要求。

薄膜收卷機的幅寬通常會有很多不同規格，比較窄的有1 m，寬的達5 m甚至更寬。如圖2所示，2紙芯是收卷中心，O點是裁切起始位，P點是裁切終止位，β是裁切角，W是主機幅寬，G是壓輥到裁刀起始位距離，由壓輥到裁刀的設計距離決定（以下簡稱起始距離），L是壓輥到裁刀終點位距離（以下簡稱終止距離），L′是裁切縱向位移。設T是裁切過程所需時間，V是主機線速度，V′是裁切速度。在裁切過程中剪刀以β角為導向在O、P兩點之間滑動，同時壓輥將薄膜壓緊在收卷紙芯上，邊裁切邊收卷，中間不得停頓。

圖2 裁刀軌跡展開圖

首先分析以上參數之間的關系，由圖不難看出：

裁切縱向位移L′與主機線速度V成正比，即

L′=V×T；

裁切距離OP與裁切速度V′成正比，即OP=V×T；

裁切縱向位移L′裁切距離OP所需時間均為T。

由此推出：L′/V=OP/V′也就是

L′×V′=OP×V

裁切時間T和主機線速度V可以在HMI上設定，在T和V設定的前提下，L′和OP主要由V′決定。

設OP×V等于常數，則L′和V′成反比，V′越大L′越小，反之L′越大。

裁切角度：

β=arctan（L′/W） 或

β=arctan［（L-G）/W］

由上述公式可知L′越大，β角越大，反之L′越小，β角越小。而L′又由V′決定。

由以上分析可知，L′越小越有利在線裁切換卷，歸納控制方案分以下三種方式：

時間模式：在HMI上設置主機幅寬W和裁切時間T，裁切速度V′由程序運算控制；

速度模式：在HMI上設置裁切速度V′，裁切時間T由程序控制；

位移模式：在HMI上設置裁切縱向位移L′，也就是不論主機幅寬W和主機線速度V是多少，都由程序控制保證L′是恒定數值。

由于不同材質的薄膜幅寬和運行的主機線速度不同，主機線速度越快對直線驅動打斷刀系統的響應速度要求越高，反之則要求越低。如裁切速度V′相對主機線速度V滯后很多則薄膜還未完全裁斷就已經被卷到收卷軸上，導致薄膜撕扯和起皺。

直線驅動打斷刀系統采用西門子S7—300系列PLC完成程序運算和運動控制功能，伺服驅動器驅動伺服電機作用于電缸組件完成裁切速度的控制，結構簡單而緊湊。如圖3所示。

電缸組件優勢分析，電缸組件的柔韌性遠遠優越于無桿氣缸，PLC和伺服驅動器可以對伺服電機的轉速、定位和正反轉都能夠實現精確控制，在一定程度上，電缸組件可以根據需要隨意進行運動；而氣體的可壓縮性和運動時帶來的慣性，即使換向閥與磁性開關之間配合地再好也不能做到無桿氣缸的準確定位。電缸的定位數量多可達幾百個位置以上，且控制精度高可達±0.05 mm，完全能滿足不同寬幅的薄膜需求。

3.2 剪切組件

圖3 直線驅動打斷刀系統電控圖

從力學角度分析，上、下兩個刀刃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。因此設計剪切組件包括剪刀底座、剪刀銷軸、墊片、卡簧、下圓刀、上圓刀、固定板、轉架、刀軸、小圓螺母、軸承、刀座和壓板；下圓刀和上圓刀緊密貼合設置，形成剪刀咬合狀態，達到快速剪斷薄膜的效果。經現場試驗，剪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。剪刀組件的轉架沿剪刀銷軸偏轉能夠改變剪刀組件相對薄膜的刃口位置。剪刀底座上設有限位桿以約束轉架的極限轉動范圍。

4 結束語

新裁切裝置結構簡單，速度穩定可控，克服了手動裁切慢而危險，鋸齒刀無法裁切多層膜以及無桿氣缸高速易脫磁且密封性能差會產生外漏等缺陷。裁切范圍廣泛，即能裁切厚度較薄的單層膜，也能裁切較厚的多層膜，甚至是克重500 m2的多層復合紙等。操作方便可以設置裁切的β角由程序根據主機線速度快慢自動匹配裁切速度；也可以設置裁切所需的時間和薄膜的幅寬由程序自動控制裁切速度。整個工作過程無需人工干預，是薄膜收卷機實現全自動化的重要組成部分。

Development ofspeed adjustable cutting device of f lm windingmachine

Development ofspeed adjustable cutting device of f lm windingmachine

Sun Hao
（Shanghai Zhenyu Control Technology Co.， Ltd.， Baoshan 200949， Shanghai， China）

This device is mainly used for automatic film winding machine.On the basis of improving existing production process requirements， this paper introduces a new speed-adjustable f lm cutting device， which effectively avoids dangers of hand-cut， and solves the phenomenon that thick or multilayer f lms cannot be cutquickly and accurately. This device can draw off the filminstantly and accurately when the roll is full without manual intervention， improves overall eff ciency and product quality， and reduces labor costs.

cutting device； film； winding machine； electrical cylinder； servo motor； cutting；circular knife

TQ320.66

1009-797X （2015） 16-0076-04

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.16.024

孫昊（1978-），男，工程師，畢業于青島科技大學機械設計及其自動化專業，主要從事高速分切機及吹塑流延裝備的開發研究工作。

2015-05-15