步進電機在拉伸薄膜實驗設備中的應用

趙琦，廖均禎，雷宏，馬茗茗，戴展鵬

（桂林格萊斯科技有限公司，廣西 桂林 541000）

0 引言

目前薄膜產業是我國產量最大、品種最多的高分子材料產業之一。隨著國民經濟的高速發展，塑料薄膜產業需求和產量也逐年增加，年均增長速度在15%以上[1]，各種類型的塑料薄膜在各行各業得到大量的應用。薄膜成型工藝較為復雜，通常采用壓延法、流延法、吹塑法、拉伸法等，而其中拉伸法生成的薄膜由于其拉伸強度大、光學性能高、厚度均勻、穩定性高以及生產速度快等特點，使得拉伸法應用最為廣泛[2]。而在對薄膜進行拉伸過程中，多少度的溫度場下以多少的速率進行拉伸將會直接影響薄膜生產性的性能。如果拉伸速度過快容易造成薄膜的破裂，如果過慢會延長生產效率，所以必須通過拉伸薄膜實驗設備獲取不同配比的薄膜最佳的溫度場和拉伸速度的關系[3-8]。這就要求拉伸薄膜實驗設備具有可以較為精準調速的拉伸設備，以配合不同的溫度場進行實驗，從而獲得最佳的溫度場和拉伸速度的關系。

1 拉伸薄膜實驗設備原理概述

因為生產不同類型的薄膜需要不同的生產工藝，所以需要簡易、高效、低成本的試驗設備來實現對各種薄膜工藝的探索。其中薄膜的拉伸需要對溫度、速度進行控制，然后在各種不同溫度和速度下對薄膜進行拉伸實驗，通過實驗數據來檢驗工藝參數。為了滿足這一需求，設計了拉伸薄膜實驗設備，其是通過溫控表來控制溫度，一般溫度控制在±1℃左右。不同薄膜的拉伸溫度是不一樣的，拉伸溫度一般是100℃～300℃。除此之外，還需要對模型以不同的速率進行拉伸，測試不同溫度場下，不同速率拉伸時候的張力大小和拉伸質量，這就要求以較高的精度來進行。

實驗設備使用歐姆龍CP1H系列的PLC來做步進電機的控制器，通過控制PLC的脈沖頻率和脈沖輸出通道來實現對步進電機速度和位置的控制[9]，控制X軸和Y軸的步進電機來實現夾體在X軸和Y軸來回運動，從而實現對薄膜進行拉伸或回縮的工藝步驟。薄膜在靜態拉伸設備中拉伸時通過改變溫度，拉伸速度，拉伸倍數，風量等參數來改變薄膜的形態，最終通過不斷的測試得到理想的工藝數據[10-11]。

2 步進電機控制原理和應用

步進電機的工作方式與電機的結構和種類密切相關。步進電機的分類主要有以下幾種分類方式，按照力矩產生的原理分類：激磁式、反應式、混合式；按照定子數目分類：單定子、雙定子、多定子；按照定子勵磁相數分類：三相、四項、五相、六相；按照各項繞組的分布規律分類：徑向分相、軸向分類相。不同的步進電機在控制方式上基本一致，在實際應用中反應式步進電機比較常用，步進電機直接由數字信號進行控制，其基本控制包括方向控制和速度控制。

在控制過程中一定要注意步進電機的換向動作，一定要等電機停止或者降到突跳頻率范圍之內時才能進行換向動作，其目的是避免電機在換向時產生較大的沖擊而損壞電機。換向信號一定要在前一個方向的脈沖結束以后，然后等到下一個方向的脈沖發出之前進行換向。步進電機的速度控制要根據具體設備的構造和特點來控制。PLC輸出的脈沖頻率高則步進電機加速，輸出的脈沖頻率低了則減速。步進電機的加速和減速過程要符合設備的構造和特點[12]。

比如步進電機帶較大慣性的負載時就需要慢加速，慢減速的控制，此時脈沖頻率變化不能太快。所以需要調試出一個比較符合設備的升降速脈沖頻率，這樣才能充分的利用步進電機有效轉矩，而且可以在現有的設備上實現快速響應，縮短了升降速的時間，并且可防止失步和過沖現象。通常在定位過程中需要為了實現最優的定位控制，需要計算出一個最優的加減速時間，然后經過實際測試調整加減速時間來實現精確定位，尤其對于開環控制的步進電機，速度脈沖頻率就可以按照加減速時間來輸出。

該設備的控制系統包括PLC，步進電機驅動器，步進電機。由PLC發出信號脈沖給步進電機驅動器，而步進電機驅動器把接收到信號脈沖轉化為電脈沖，驅動步進電機轉動，控制器每發出一個信號脈沖，步進電機就旋轉一個角度，這個角度即為步距角。它的旋轉角度是以固定的角度運行的。控制器可以通過控制脈沖數量來控制步進電機的旋轉角度，從而準確定位。

步進電機在控制過程中可能會發生低頻振動，這時候我們就要利用步進電機驅動器的細分功能來減弱或消除步進電機在運行過程中的低頻振動現象，而且細分數不是越高越好，在不同的應用場合下應合理選擇步進驅動器的細分數。例如對轉速要求較高，且對精度和平穩性要求不高的場合，不必選高細分。在實際使用時，如果轉速很低情況下，應該選大細分，確保平滑，減少振動和噪音。步進電機的旋轉速度是脈沖頻率來控制的，而不受電源電壓、負載大小等條件影響，脈沖頻率越高步進電機的轉速就越高，但轉速高帶來的問題是步進電機輸出力矩會下降，所以在實際使用過程中要結合實際情況來使用步進電機。

此次采用的是共陽接線方式，步進脈沖信號正端和方向電平信號正端接一起作為共陽端接控制系統的+24 V，PLC的脈沖信號接入步進脈沖信號負端，PLC的方向信號接入方向電平信號負端。步進控制器接受的信號轉化為光耦器件的輸入電流以達到信號可靠傳輸的目的，如果信號源電源電壓大于5 V時須在外部另加限流電阻R，以確保驅動器輸入光耦高電平時可靠截止，低電平時有足3.0～15.0 mA的驅動電流。

通過控制步進電機來控制薄膜的拉伸速度、拉伸倍數和回縮倍數，通過控制X軸和Y軸的步進電機可以實現同步拉伸和異步拉伸的功能，拉伸倍數可以通過絲桿的節距和齒輪減速比來計算出來，該步進控制器的細分設置是4000步數/轉，意思是控制器發送4000個脈沖步進電機轉一圈，絲桿的節距是1 mm，減速齒輪比是1∶1，所以控制器發送4000個脈沖，則絲桿旋轉一周在軸線方向上前進或者后退的距離是1個節距的距離，比如10個節距對應拉伸倍數是1倍或者回縮倍數是1倍，那如果要對薄膜進行1倍的拉伸，則通過控制器發送40000個脈沖就可以實現拉伸1倍的效果，這樣就可以推算出相應的拉伸倍數對應的脈沖數了。

該靜態拉伸設備中通過添加限位開關來控制步進電機的位置，限位開關接到PLC上，然后PLC接收到限位開關信號后用指令來關斷脈沖。在拉伸控制方面通過操作按鈕來調用PLC指令來實現位置控制，點動按鈕時用手動的方式來實現位置控制，自動拉伸是通過在控制面板上設置好拉伸倍數和拉伸時間后自動實現拉伸動作。

PLC程序設計主要采用歐姆龍梯形圖語言進行編程，程序中調用編寫好的邏輯控制程序來實現對電機的速度和位置的控制，然后根據不同的工藝要求在觸摸屏上輸入控制順序來完成步進電機的控制。通過PLC程序控制輸出脈沖數和脈沖頻率到步進控制器中，完成步進電機的位置和速度的控制。對步進電機的控制是通過面板上的操作按鈕來實現的，控制方式分為手動控制和自動控制。

在手動控制時，通過按X軸的點動前進按鈕、X軸的點動后退按鈕、Y軸的點動前進按鈕、Y軸的點動后退按鈕、歸零按鈕，這五個按鈕來控制對薄膜進行拉伸或是回縮操作。如果切換到自動控制，則在觸摸屏上設置好操作步驟，然后按啟動按鈕后，一切動作就按照設定好的步驟一步一步執行，直到所有步驟執行完成。如果在自動執行時在規定的時間內沒有完成所有步驟，則報警蜂鳴器會發出報警聲，這是需要及時切換到手動控制模式下進行控制，然后檢測和分析為什么沒有在規定時間內完成所有步驟，如果發現問題則需要及時處理。

3 拉伸薄膜實驗設備工藝流程

（1）同溫度條件下異步拉伸工藝流程

試驗流程：設置拉伸參數→夾樣→進烘箱縱向拉伸→縱向拉伸完成→延時時間等待（橫向拉伸前預熱）→橫向拉伸→拉伸完成出烘箱

（2）不同溫度條件下異步拉伸工藝流程

試驗流程：設置縱向拉伸參數→夾樣→進烘箱縱向拉伸→縱向拉伸完成，鋏子出烘箱→設置橫向拉伸參數（溫度升/降溫）→鋏子進烘箱橫向拉伸

（3）同溫度條件下同步拉伸工藝流程

試驗流程：設置拉伸參數→夾樣→進烘箱預熱→同步拉伸完成→拉伸完成出烘箱

（4）熱定型試驗工藝流程

試驗流程：設置拉伸溫度→樣品進行雙向拉伸→樣品拉伸完成退出烘箱→設置定型溫度→設置定型延時時間參數、回縮速度及回縮比等參數→進入烘箱進行熱定型試驗→完成熱定型試驗。

以上是四種基本工藝流程，根據該工藝流程的思路在PLC中編寫了控制程序。比如拉伸參數，延時時間，溫度參數，拉伸順序等這些參數都可以通過觸摸屏自定義輸入。這樣就可以根據工藝要求來設定實驗參數，且可以通過改變參數來實現各種各樣的實驗測試，基本可以滿足工藝要求。

薄膜通過這些不同工藝條件下的實驗，會產生出不同的特性，比如雙向拉伸聚丙烯薄膜由于拉伸分子定向，所以這種薄膜的物理穩定性、機械強度、氣密性較好，透明度和光澤度較高，堅韌耐磨。所以我們可以通過該設備可以試制各種工藝配方的薄膜，試制成功后可以應用到生產線上，可大大降低試制成本。

4 結語

經過實際使用，步進電機可以完全滿足靜態拉伸設備的工藝要求，并且步進電機有結構簡單，沒有累積誤差，使用維修方便，制造成本低，步進電動機帶動負載慣量的能力大等優點，所以步進電機特別適用于中小型設備和速度精度要求不高的地方。