（机械电子工程专业论文）真空镀膜设备卷绕系统张力控制技术研究.pdf

摘要 真空镀膜设备主要用于p e t 、o p p 、b o p p 等塑料薄膜上连续蒸 镀单面金属膜，主要用于生产电容金属化膜和包装膜，在电子、包装、 烟草等行业广泛应用。 卷绕张力控制技术是真空镀膜机中的关键技术，卷绕张力控制的 精度、稳定性直接影响真空镀膜机对原料膜的适应能力和产品的质 量。此次设计的目标是通过对锌铝复合超薄电容膜设备的研制，对高 速、低张力等极端情况下张力控制的分析研究，找到一套适合的张力 控制模式，设计出一套用于高档电容金属化膜生产的卷绕张力控制系 统。 本次真空镀膜机卷绕系统控制方案：放卷和收卷均采用全自动闭 环式直接张力控制方式及主辊速度控制模式，在控制中采用p i d 调 节。 卷绕系统张力控制实现的方式：采用p l c 加开放式现场总线 c c l i n k 的方式予以实现。 最后对设备调试过程中产生的问题进行分析，并给出相应的解决 方案。 关键词：真空镀膜机张力控制卷绕系统p l cc c l i n k a b s t r a c t h i g h v a c u u mf i l mc o a t i n gm a c h i n ei sd e s i g n e df o rt h eo n e s i d ec o a t i n go f f l e x i b l ef i l mm a t e r i a l ss u c ha sp e t ，o p p ，b o p pw i t hm e t a l l i cl a y e r s t h e m e t a l l i s e df i l m sa r eu s e df o rt h ep r o d u c t i o no fd i e l e c t r i cf i l mc a p a c i t o r s a n dp a c k a g i n g ，a p p l i e dw i d e l yi ni n d u s t r yo fe l e c t r o n i c ，p a c k a g i n g ，a n d t o b a c c o t e n s i o nc o n t r o li nw i n d i n g u n w i n d i n gs y s t e mi st h ek e yt e c h n o l o g y ，t h e p r e c i s i o na n ds t a b i l i t yo f t e n s i o nc o n t r o lc a nm a k ead i r e c ti m p a c to nt h e f i n a lq u a l i t ya n dt h es u i t a b i l i t yt or a wf i l m f o rt h ep u r p o s eo ft h i sd e s i g n ， t h em a i nt a s ki sd e s i g nw i n d i n g u n w i n d i n gt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mt os u i t t h ep r o d u c t i o no fm e t a l l i s e df i l mf o rh i 曲q u a l i t yc a p a c i t o r t h i st e n s i o n c o n t r o lm o d ei sw e l ls u i t a b l ef o rt h ee x t r e m ec o n d i t i o no f h i g hs p e e da n d l o wt e n s i o nw h e n c o a t i n ga l u m i n u m z i n c o ne x t r at h i nf i l m t h ec o n t r o lw a yi st h ea u t o m a t i cc l o s e d l o o pc o n t r o lm o d ei nu n w i n d i n g f i l ma n dw i n d i n gf i l ms y s t e m ，b u tc o a t i n gd r u mi ss p e e dc o n t r o lm o d e p i dc o n t r o l l e ri se m p l o y e d p l ca n dc o n t r o l & c o m m u n i c a t i o nl i n kr c c l i n k ) a r ea v a i l a b l et o r e a l i z et h et e n s i o nc o n t r o li nw i n d i n g u n w i n d i n g s y s t e m t h el a s ts e c t i o nw ea n a l y z es o m ep r o b l e mi nt h ep r o c e d u r eo ft e s ta n d t a k e a p p r o p r i a t em e a s u r e s t os o l v e k e yw o r d s ：h i g h v a c u u mf i l m c o a t i n gm a c h i n e t e n s i o nc o n t r o lp l c w i n d i n g u n w i n d i n gs y s t e m c c l i n k 原创性声明 本人声明：所呈交的沦文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名日期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 晦大学硕j ：学位论文 第一章综述 1 1 真空镀膜机国内外研究现状 真空镀膜设备主要用于p e t 、o p p 、b o p p 等塑料薄膜上连续蒸镀单面金属 膜，主要用于生产电容金属化膜和包装膜，在电子、包装、烟草等行业广泛应用。 目前用于生产高档电容膜( 铝膜、锌铝复合膜) 的真空镀膜设备大部分依赖 进口产品，国际上较有代表性的厂商是德国莱宝公司、德国k o n t e x t e c h n o l o g i e sg m b h 公司和意大利g a l i l e o v a c u u mt e c 公司。莱宝公司生 产的l h 6 5 0 真空镀膜机可生产膜厚16ui 1 1 _ 、膜宽6 3 0 m m 的电容膜，生产线速 度达1 5 m s ，卷绕精度o 0 5 。德国k o n t e xt e c h n o l o g i e sg m b h 公司生产的 c a p ，m 系列真空镀膜机可以生产膜宽6 7 0 m m ，膜厚1 5 1 2 i j m a 的p e t 膜、膜厚 3 5 2 0 p m 的o p p 膜、膜厚2 , 0 9 p m 的p c 膜，生产线速度可达2 0 m s 。具体数 据如下表所示： 1 2 】 1 4 1 【2 4 】 设备体积1 1 0 0 0 m m ( 长) 6 5 0 0 m m ( 宽) 3 9 0 0 m m ( 高) 工作室抽真空 小于5 分钟 时间 工作真空 4 10 - a m b a r ( 1 5 5 um ) p e t 、( 3 5 2 0um ) o p p 、( 2 0 9 1 j m ) 基材 p c 蒸镀幅宽4 3 0 m m 一6 7 0m m 卷绕系统 基材直径6 0 0 m m 数据 基材卷芯内 曲7 6 m m 、审1 5 2 m m 径 蒸镀线速度1 2 0 m s 铝蒸发材料9 9 9 8 铝膊 镀层厚度铝1 5 1 0 方欧、锌铝合金2 0 3 0 方欧 蒸发系统 镀膜均匀度 7 数据蒸发舟材料烧结陶瓷、电阻加热方式 蒸发舟数量8 只普通蒸发率1 0 m m x 3 0 m m x l 3 0 m m 及尺寸高蒸发率1 0 m m x 4 0 m m x l 3 0 m m 镀膜主鼓温度最低一3 0 c ，工作时温度偏差1 ! ：查查兰婴兰些堡兰一 意大利g a l i l e o v a c u u m t e c 公司生产的m l 6 5 5 0 系列镀膜机可以生产 膜宽6 5 0 m m ，膜厚5 - 1 0 9 m 的p e t 膜、膜厚5 - 1 5 p m 的o p p 膜、生产线速度可 达1 8 m s 。具体数据如下表所示： 设备体积1 4 f t ( 长) x 4 5 f t ( 宽) 3 4 f t ( 高) 工作室抽真空 小于6 分钟 时间 工作真空 1 5 1 0 4 m b a r 基材 ( 5 1 5 hm ) p e t 、( 5 1 0 pm ) 0 p p 蒸镀幅宽3 0 0 m m 一6 5 0m m 卷绕系统 基材直径5 0 0 m m 数据 基材卷芯内 0 1 5 0 m m 径 蒸镀线速度1 1 8 m s 或更高 铝蒸发材料9 9 9 8 铝锌 镀层厚度铝1 1 0 方欧、锌铝合金1 0 1 0 0 方欧 蒸发系统 镀膜均匀度 十7 一 数据蒸发舟材料烧结陶瓷、电阻加热方式 蒸发舟数量8 只尺寸1 0 m m x 2 4 m m x l 0 5 m m 及尺寸 镀膜主鼓温度最低一3 5 * ( 2 ，工作时温度偏差0 5 p l c 自动控制西门子s 7 1 5 5 系列 控制系统 总价1 2 0 0 0 0 0 0 0 欧元 目前我国广东新会兆业科技有限公司也可生产电容膜( 铝膜、锌铝复合膜) 的真空镀膜设备，但其蒸镀线速度最高只能达到1 2 m s ，在镀锌铝复合材料时， 一2 一 h 潍大学硕十学位论文 若线速度不够就不能达到镀儿丛精度要求。所以该没备目f l 主要用于蕉镀精铝材 料其具体数据如下表所示： 真空箱体方箱1 4 0 0 m m 1 4 0 0 m m x 1 8 0 0 m m 上室8 x 1 0 2 p a 极限真空度( 空载、清洁) 下室 6 5 x 1 0 。p a 工作室抽真空时间从大气( 清洁、干燥) 至5 1 0 - 2 p a ，1 0 m i n 工作真空5 x 1 0 2 p a 基材( 3 5 1 5u ) p e t 、( 4 5 1 5u ) o p p 有效蒸镀幅 6 7 0 m m 宽 卷绕系统 基材直径6 0 0 m m 数据 基材卷芯内 由7 5 m m 、引5 0 m m 径 蒸镀线速度 1 2 m s 铝蒸发材料由1 5m m ( 9 9 9 ) 精铝 铝蒸发器氮化硼蒸发舟( 1 0 k w 只) 7 蒸发系统 送铝丝速度3 m ，m i n 数据 锌蒸发材料蒸发用锌条 锌蒸发器锌坩埚( 2 0 k w ) 镀膜主鼓温度室温至一3 0 。c 可调 方阻范围1 5q ，口 抽真空控制p l c 自动控制 采用该公司专有技术和工艺软件，配合西门子数控 张力检测、卷绕控制 系统 电力消耗1 5 0 k w 目前国产镀膜设备主要是生产膜厚较厚、镀膜要求低的包装膜。经过调研国 产设备的技术瓶颈在于卷绕张力控制系统上。卷绕张力控制技术是真空镀膜设备 - 3 一 海夫学硕卜学位跄义 。 i 的关键技术，孩技术一直是制约国产真空铍麒设备向精密化、高档化发展的技 术瓶颈。卷绕张力控制的精度、响应速度、抗：f ：扰能力和稳定性直接影响真空镀 膜机对原料膜的适应能力。国外山于经过多年的丌发、运用已经形成一套成熟的 控制系统，但由于是技术秘密，其对控制方式与方法都严格保密。 本课题正是试图通过在镀膜机设备制造过程中，深入分析研究卷绕张力实时 检测技术、张力控制技术和锥形张力控制技术，设计制造一套适合于生产高质量 电容金属化膜的卷绕张力控制系统，使国产真空镀膜设备的水平达到一个新的高 度。 目前进口一套莱宝l h 6 5 0 真空镀膜设备需1 2 0 万美元，进口德国k o n t e x t e c h n o l o g i e sg m b h 公司和意大利g a l i l e o v a c u u mt e c 公司相似真空镀膜 设备也需1 2 0 万欧元。而我们自己自行自主开发一套同档次设备仅仅需要2 2 0 万人民币，随着我国电子工业、包装行业的快速发展，国内对高档真空镀膜机的 需求会越来越大。此项目的研究开发具有很大的市场空闻。 1 2 张力控制的运用 张力控制不仅在真空镀膜机中要使用，在纸张、电线、胶带、皮革和钢带生 产中均广泛使用，以下就是张力控制的一些实用例子。f 4 】 该装罱为手动式张力控制卷绕机 可实现廉价的张力控制。 线速度：v 3 4 0 m m i n 张力：f = 2 0 0 3 0 0 n 卷径：d = i1 0 9 0 0 m m 材料：纸张 该设备自动张力控制卷绕机 为了降低磁粉离合器的滑转 速度，使用变频器控制收卷 转速与材料线速度同步。 线速度：v = 5 2 0 0 m m i n 张力：f = 3 0 - 1 0 0 n 卷径：d = 10 0 5 0 0 m m 材料：薄膜 4 海大学顾 一学位论文 曰妊 嘲；。 ，凸： 该设备为分切机，采用多轴收卷 对各轴同时进行张力控制。 线速度：v 0 2 0 0 m m i n 张力：f 口1 0 0 n 卷径：d = i1 0 - - 4 0 0 m m 材料：薄膜 。 ， ：_ 茸0 1 ， 、n j 1 毋、，l ：溉矗 4 ：晕爨i k 一争 j w _ 。 j 1 二：黑 ? j ，- _ ” 兽 ： 一 融j 壁 该设备为层压装置，通过保持层 压部的张力恒定，防止凹凸不平 多种材料的最适用张力值通过p l c 由电脑设定。 线速度：v = 2 0 - 1 5 0 m m i n 张力：f = 1 0 0 3 0 0 n 卷径：d = 9 2 - - 6 0 0 m m 材料：薄膜 此设备是一台皮革涂敷机，由于在涂敷前材料迸给的张力有变动的话 会影响到涂敷质量，产生涂敷不均的现象，因此必须进行张力控制。 线速度：v = 5 5 0 m m i n 张力：f = 1 0 0 3 0 0 n 材料：合成皮革 5 海大学硕：卜学位论义 1 3真镀膜机的总体构成 此次设计的真空镀膜机是在p e t 、o p p 、b o p p 等塑料薄膜的一面上镀上金 属层，金属层可以是单铝，也可以是锌铝复合材料。盒属化薄膜用作薄膜电容 器的生产介质。镀膜是从卷到卷连续进行蒸镀的，真空镀膜机是基于两个室原则 进行设计的，一个是卷绕真空室，一个是镀膜真空室。两个室分别由一个罗茨泵 或扩散泵与前一级的一个机械泵组连接以达到必要的真空压力。当工作压力达到 后，蒸发系统打开，被蒸镀的薄膜以可调的速度从放卷侧移到收卷侧，在镀膜过 程中，薄膜介质与由机器制冷的镀膜主辊紧密贴合，进而维持一个较低的介质温 度。 机器主要包括以下四个部分： 1 ) 高精度卷绕系统：由放卷系统、镀膜主辊、收卷系统及附加机构构成。主要 作用是保持在整个镀膜过程中，保持张力恒定以使膜的拉伸一致，保证镀膜 精度，并使生产好后的电容膜卷能正常分切。 2 ) 蒸发系统：由蒸发器、蒸发舟、送丝单元构成。主要作用：产生锌铝蒸气， 并能控制蒸发的量，以保证电容膜的电阻率达到所需要求。 3 ) 屏蔽机构：在薄膜长度方向产生非蒸镀区，由屏蔽带、主辊遮板、挡板构成。 主要作用：可以调节蒸镀区的宽度；不同宽度的膜在分切以后可以生产不同 类型和大小的电容薄膜。 4 ) 真空系统：由镀膜室真空系统和卷绕室真空系统构成。主要作用：保证真空 室达到适合蒸镀的真空度。 结构图如下所示： 一6 海大学硕l 学位论义 曲e 图1 1 1 4 本课题研究目标、研究内容、技术指标及关键问题 1 、研究目标： 通过对锌铝复合超薄电容膜镀膜机设备的研制，对高速、 低张力等极端情况下张力控制的分析研究，找到套适合 的张力控制模式，设计出一套用于高档电容金属化膜生产 的卷绕张力控制系统。 2 、研究内容： t ) 张力控制模式。 2 ) 张力的实时检测与反馈技术。 3 ) 机械系统的误差( 包括收辊、放辊和过渡辊的跳动和 传动系统动力特性的变化) 对张力控制的影响及其消除 对策。 4 ) 高真空状态下薄膜粘滞对张力的影响及其补偿方式。 5 ) 矢量变频调速系统和交流伺服系统应用于卷绕系统的 可行性分析。 7 海人学顺二卜学位论立 6 ) 张力的稳定性、薄膜起皱和收膜跑偏的关系。 7 ) 锥形张力及锥度大小对收膜质量的影响研究。 3 、技术指标： 原料膜厚度：p e t ( 聚酯) 4 - - - 1 2 u o p p 、b o p p ( 聚丙烯) 6 2 0h 原料膜宽度：4 5 0 - 一6 8 0 m m 最大卷径：中l o o 一中5 5 0 r a m 卷绕速度： 1 1 5 m s 4 、关键技术：高精度、实时张力检测技术和张力闭环控制系统的研究 设计。 1 5 小绍 通过对国内外镀膜生产设备现状的调研发现：目前，我国在真空镀膜机的开 发和研制上还处在较低水平，主要生产的是一些精度要求不高，镀膜厚度较厚的 包装膜，在商精度电子行业中主要依靠外国引进设备进行生产，生产价格高，缺 乏竞争力，现在限制设备国产化的瓶颈就是卷绕张力控制系统。由此提出了本次 设计任务的且标；根据厂方提出的设计要求设计制造一套适合于生产高质量电容 金属化膜的卷绕张力控制系统，并进一步深入研究卷绕张力实时检测技术、张力 控制技术和锥形张力控制技术。并在调试中对发现的问题进一步改进，以期设计 一套适合于生产高质量电容金属化膜的卷绕张力控制系统，使国产真空镀膜设备 的水平达到一个新的高度。 8 坶大学倾j 学位论立 第二章卷绕系统轮系控制部分设计 卷绕系统是真空镀膜机的主要构成音| j 分，也是此次设计的难点所在，该部分 机械结构复杂，对控制精度要求亦很高，此部分设计的好坏直接影响到整台机器 的性能，也是厂家验收的关键部分。卷绕张力控制技术是真空镀膜机中的关键技 术，卷绕张力控制的精度、稳定性直接影响真空镀膜机对原料膜的适应能力和产 品的质量。 2 1 张力 2 1 1 张力控制的必要性 在机器运行过程中自膜行走的稳定性直接影响镀膜质量，要防止横向滑移、 起伏、辊轴间的滑动。材料张力小，则材料和辊轴问摩擦力小，容易发生滑动， 且材料可能会产生皱纹：张力大，则材料会在拉伸的状态下镀膜。无论是在有皱 纹的情况下镀膜，还是在拉伸的状态下镀膜都会影响镀膜质量。若材料张力不合 适且经常变动的话那么镀膜精度会大大降低。1 4 1 u 6 1 f 1 7 】 另外，若镀膜精度问题解决的好，但收膜时张力控制不好亦会使电容膜产生 皱纹、横向错位及间隙。影响收卷紧密度和收卷直径。因此张力控制的目的： 1 ) 保证材料行走的稳定性：防止横向滑动、防止辊轴间的滑动，防止 起伏。 2 ) 防止变形：如皱纹和伸缩。 3 ) 确保尺寸精度：如厚度、宽度等等。 4 ) 确保收卷质量：不产生皱纹、不错位、不产生间隙、确保紧密度和 收卷直径。 2 1 2 张力与转矩、卷径的关系 放卷、收卷时施加与卷轴上的转矩和卷径的关系符合中心卷曲原理： 即中一t l , 卷曲开卷轴的旋转力是加在卷曲或开卷轴的卷筒上，当卷简直径变化 时，为了使材料的表面张力保持不变，必须保证转速与卷径成反比且转矩的变化 与卷径成正比。 转矩( t ) = 张力( f ) x 半径( d 2 ) 张力( f ) = 转矩( t ) 半径( d 2 ) = 三：! 一 d 转矩、张力、卷径的关系图如下： 9 海大学硕 t 学位论史 在一定# 拒1 蓝口时 二二二令 与甚径成反比的张力不断上升 一 1 ， 张女恒定 图2 - 1 转矩、张力、卷径的关系 2 1 3 惯性对张力带来的影响 謇妊( n n ) 另外，张力变动的主要原因除卷径变化外，机械损耗转矩的变动和加速减速 时速度变动的惯性影响也是主要因素。 l 、计算卷简惯性矩： 圈2 - 2 普通卷筒图 - 1 0 海大学硕士学位论文 其l _ i ：m - ：左右法兰盘的质量( k g ) m 2 ：卷简芯的质量( k g ) m ： 材料的质量( k g ) d | ：内径( m ) ( 若材料充实则为零) d 2 ：卷筒芯外径( m ) d f ：卷绕材料直径( m ) d 2 ：法兰盘外径( 1 1 1 ) 惯性矩计算公式： = 华 华华脚2 ) 当满卷时，因为膜卷没有左右法兰 以d l = o ，卷筒芯是纸卷：d 2 = o 1 m ， 6 8 0 m m ，重8 0 k g ，即d 1 - - 0 5 5 m m ， 满卷膜时卷轴的惯性矩：，：丛。 8 所以m - = o ，安装后内径d l 被涨满，所 m 2 = 2 k g ，满卷自膜直径达5 5 0 m m ，长 m = 8 0 k g 。 0 5 5 2 + 0 1 2 z _ - 一 8 8 0 = 3 1 3 k g m 2 加速、减速时的胁小志9 兰t 等( )。5 6 丌d 、。 若加速、减速时间均为2 0 秒那么启动、停止时的张力可以用上式求得： f ：上一4 5 磐( ) ：3 1 n 9 5 6 z r0 5 5 2 、7 v ：材料运行线速度( m m i n ) t ：加速或减速时间( s ) 最小运行张力( f ) 的估算： f 8 5 ( 与。( w + 0 2 ) r 其中：w ：满卷简质量( t ) 根据生产膜的线速度的不同，最小张力也是变化的，该公式为经验公式，在 实际生产中，一般以类似产品的经验值作为起调张力。 2 1 4 张力控制的几种方式 一、手动张力控制： 传统的放卷张力控制是在放卷材料的表面搭上一个摩擦层并悬挂重物。 根据直径变化，力臂相应改变，从而模拟张力随卷径增大而增大：随卷 径减小而减小。还有就是利用摩擦片、弹簧，靠增大或减小压力来传递 转矩，这种方式张力大小的控制由弹簧的特性决定并依赖于操作者的个 人经验。现在三菱公司采用手动调节离合器或制动器的激励电流来达到 控制张力的目的，但此法依然需要个人经验，且在有大的负载变化或电 海大半瑚 。学位论文 网电压波动时，控制器输 j 电流必受影响。因此要采用即使电源电压发 ! l 波动及线圈阻抗发生变化也能得到稳定的激励电流的恒电流电源装 置。目前较先进的手动张力控制器是恒转矩张力控制器。 二、卷径检测式张力控制 卷径检测方式就是在收卷和放卷时自动检测卷筒直径，控制收卷转矩和 放卷转矩，也称作半自动或开环式张力控制，此方式在作为控制恒定张 力的情况下是根据卷简直径与卷轴转矩的比例关系来控制的，可以不受 外界激励的敏感变化而变化，能实现稳定的张力控制，但是由于受传动 装置的转矩变化、线性变化、机械损耗等因素的影响，张力的绝对精度 较差。它与全自动闭环式张力控制相比，对于不能使用张力检测器的机 械进行控制时或想用简单的锥度张力控制方式时，可以采用该方式。根 据检测卷径的不同方法又可以分为接触式和非接触式：非接触式包括速 度、厚度设定方式、累计厚度检测式和比率计算式。 1 ) 速度、厚度设定方式：在将厚度为t ( “m ) 的材料，以线速度v ( n d m i n ) 进行收、放卷时，其卷径d ( 咖) 有如下关系： 收卷直径：d = 风d 。2 + 4 t v t x 放卷直径：d = d 2 4 t v t x 其中：t 是运转时间( r a i n ) v ( h m i n ) 放卷收卷 图2 3 2 ) 累计厚度检测式：用安装在卷轴处的接近开关检测出卷轴转速与 设定的卷轴直径初始值和材料厚度来累计计算以求得卷径值，这 种方法利用卷轴每转一圈，卷径会发生2 倍于材料厚度的变化， 通过相对于卷径的初始值和材料的累计计算求得当前的卷径。 一1 2 ! ：塑查兰堡! = 兰些堡= ! j ! ；一 如图2 - 4 所示，利用卷轴上设胃的螺栓头作为检测体，计算接 口斗 习 一1 计算器l l 接近开关一 厂弓：一n 脉# # ，r m 近j l 关发出的脉冲数，根据此累f f _ 数n 与初始半径拿，按下面公式 自动训算出实时半径娶( 单位； m m ) ： 呈：鱼盟f 。1 0 一，( 。) 22月 。 图2 4 3 ) 比率计算式：用安装在卷轴处的接近开关检测出卷轴的转速，用 回转式编码器测出输送辊转速，用两者的比率关系进行演算，此 方法是利用卷筒旋转一周的时间随卷径的增加而不断延长，而在 直径固定的输送辊上安装的回转式编码器测出的脉冲数在速度 一定时无变化。通过记录卷轴每转一回对应输送辊的脉冲数值来 计算当前的卷径。因而在没有因材料拉伸而产生材料厚度变化， 且在输送辊与材料之间没有滑动的条件下，能比累计厚度的方式 跟更精确地计算出卷径。 如图2 5 所示，输送辊上设置的计数用回转式编码器每转一圈发 生m 个脉冲。卷轴上设置的基准信号用接近开关，每转圈发生 n 个脉冲。用计数器计算输出量，对应于一次基准脉冲，材料移 动口d n ( m m ) 。另一方面，对于i m m 输送距离则产生肌厅d 个脉 冲。因此，基准脉冲间的计数脉冲量n 符合下列关系式： ：兰。丝：塑j d ：n d n ( m 1 跖d以n d肼 ( 以n = l ，m ；d 作为设计标准) 一1 3 ! ：塑查堂塑：! ：兰些! ! ：! 一一 一、 输送辊 焉 n 删转 图2 5 接触式主要有电位差计方式和差动变压器方式。 三、全自动闭环式张力控制： 全自动闭环式张力控制是使用张力检测器直接测定材料的张力，然 后把张力数据转换成张力信号反馈回控制器，从而自动控制传动装置， 以达到控制恒定张力的目的，由于是闭环控制，与卷径检测式相比，张 力控制精度高。但是由于短时问的外来干扰容易使其发生振荡，必须采 取措施消除。一般可采用：【4 】 3 】【1 8 】 1 9 】 2 0 l z l 】 i p i d 控制：它是了早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、 鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，常规p i e ) 控制适 合于可建立精确数学模型的确定性控制系统；随着现代控制理论及智 能控制理论的发展，出现了许多新型p i d 控制器，大大拓展了p i d 控制器的应用领域。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不 到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器 的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用p i d 控制技 术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过 有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用p i d 控制技术。p i d 控 制，实际中也有p i 和p d 控制。p i d 控制器就是根据系统的误差，利 用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 i i 模糊控制：1 9 6 5 年，z a d e h 教授最早提出模糊集合的概念，随着 科技的发展，模糊控制已大量应用于工业与民用领域。与传统控 制不同，基于语言规则的模糊控制理论不需要对象的精确数学模 型，而只需要有关的控制经验和知识来组织控制决策表，鲁棒性 强，适用于非线性、时变、缺乏可用的过程模型的过程控制。 i i i 神经控制：神经网络技术是利用工程技术手段模拟人脑神经网络 的结构和功能的一种技术。上世纪八十年代以来，神经网络理 ，1 4 海人学顺i j 学位论义 论得到了巨人的发展。神经网络与其他控制理论相比有其独特 的优点：神经网络能够充分逼近任意复杂的非线性关系：神经 网络对信息采用分布形式存贮；神经网络对信息的处理具有自 组织、自学习的特点；神经网络对信息的处理及推理的过程具 有并行的特点。用神经网络设计的控制系统，具有高度的自适 应性和鲁棒性，对于非线性和不确定系统可以取得满意的控制 效果。 专家控制：它是使系统的构造和运行都基于控制对象和控制规律 的各种专家知识，而且要以智能的方式来利用这些知识，求得受 控系统尽可能地优化和实用化。它能处理定性的、启发式或不 确定的知识信息，经过各种推理过程达到系统的任务目标。专家 控制系统运行在连续的实时环境之中，使用实时信息处理方式监 控系统的动态性能，并给出适当的控制作用。专家控制系统适合 操作环境频繁或剧烈变化、在有限时间间隔内必须做出决策结 果、需要专家经验代号采用符号逻辑解决问题的场合，或者数学 模型不存在或不充分的、结构不清楚的过程，以及用常规算法实 现需很大计算量和高昂代价的复杂问题。特点：高可靠性及长期 运行的连续性，在线控制的实时性，优良的控制性能及抗干扰性， 使用的灵活性及维护的方便性。 2 1 。5 实现恒张力控制的几种方法比较 一、力矩电机及驱动控制器 力矩电机是经过特殊设计的交流鼠笼式电机，具有伴随转速的上升，输出 转矩减少的下降特性，因此对于卷比( 最大卷径最小卷径) 较小，且在一定 的速度下运转的收卷机构来说，具有可以使用滑动式等简单电压调整器来随意 进行收卷的特点。 1 、性能：张力控制不稳定，线性不好。 2 、经济性：设备简单，价格便宜，可正反转。 3 、适用于张力精度要求不高的场合。如：电线、电缆。 二、磁粉制动器磁粉离合器张力控制 l 、精度差：线性不够好，控制的卷径变化范围不大。( 特别是在大负荷或 高速时张力精度不够) ： 2 、故障率高，维护费用高( 经常要更换磁粉) ，磁粉制动器磁粉离合器的 可靠性差，发热严重功率大的还需水冷等。 3 、性能：张力稳定性比力矩电机稍强，张力及速度可调。适用范围比力矩 电机广。 一1 5 海上学硕i 学位论文 三、舞蹈棍控制器 1 、性能：张力控制平稳，有张力贮能功能、张力调节麻烦a 2 、电气调速单元要求响应快，机械设备较复杂、局限于线材不适合于片材。 如：光纤，光缆。 四、直接张力闭环控制 一般采取a c 伺服电机、矢量变频器驱动电机。 l 、性能：张力控制平稳，电气调速单元要求n 向应快，张力可视，系统容易 振荡。 2 、电气设备复杂，需要张力控制仪及张力传感器。 3 、不适用于大张力控制场合。 2 2p e t 、o p p 、b o p p 膜的性质【2 9 】1 3 0 p e t 、o p p 、b o p p 膜均是由大量小分子单体以化学键的方法结合而成的大 分子化合物，分子量极大，是高聚物。弹性和粘性在高聚物材料上同时呈现且非 常显著。就是在常温和一般加载时间，商聚物材料也往往同时显示有弹性和粘性， 即所谓的粘弹性。用力学模型来分析材料的力学性能可以得到一个定性的概括。 用一个符合虎克定律的弹簧可以很好的描述理想弹性体的力学行为：若有一应 力g 作用在这根弹簧上，它将产生一个应变s = o r g ( 巧应力；g 应变) ，若把应 力a 移走，弹簧马上恢复到起始状态，不产生永久变形，这样的弹簧没有蠕变和 应力松弛现象。如果是交变应力盯= 曲“，则应变占= ( 厅g ) p “，应力与应变之 间没有任何相位差，因此也没有能量损耗。弹簧的应力应变关系是一条真线。 与拉伸速率无关。而用一个活塞和一个充满黏度为n ，符合牛顿流动定律的液体 小壶( 粘壶) 可以描述理想流体的力学行为：若有一应力a 作用在粘壶上，它将 一直流动下去，象液体一样，流动速率d s d t = c y 玎( 6 一应力；应变) 。如果维持 一定的应变，则由于粘壶中液体的流动，应力可以一直松弛到零。当应力是交变 应力仃：矛p ，应变速率d e 出= ( 子r 1 ) e ，应变g = 一f ( 子r l c o ) e 。应变落后于 应力9 0 。能量没有存储，全部以热的形式损耗掉，粘壶的应力应变关系也十分 简单，但与实验速率有关。图形表示如下： 一1 6 海大学硕卜学位论义 2 z 厶尘让 i 盥力 ( q 牟羹 图2 - 6 弹簧的应力应变关系和粘壶的应力一应变 可以设想，模拟高聚物材料力学行为的力学模型应该是上述弹簧和粘壶的各 种组合。由这样的弹簧和粘壶组合而成的各种模型给出了高聚物粘弹性的微分表 达式： 以0 0 - + a , 鲁乜拿一”b i d s 十6 2 豢+ “ 一个弹簧和一个粘壶的串联模型麦克斯韦尔( m a x w e l l ) 模型，或一个 弹簧和一个粘壶的并联模型伏杰脱开尔文( v o i g t k e l v i n ) 模型，乃至三元 件模型就可以定性说明高聚物的蠕变、应力松弛、动态力学性能。 在我们此次设计的真空镀膜机中，为保证镀膜均匀，达到高精度，势必要保 证镀膜主辊，卷绕辊上膜应变一致。采用m a x w e l l 模型可以解决在交便应力下， 膜的动态力学特性，而由于卷绕速度很快，其蠕变基本不考虑，因此伏杰脱开 尔文( v o i g t k e l v i n ) 模型所解决的动态力学性能不符合此次设计的要求。 m a x w e l l 模型： 它可以描述高聚物的应力松弛，动态力学性能以及应力应变曲线的一般特 征。 弹簧和粘壶的运动方程分别为 0 i = g e ( 2 ) 吒= 7 鲁 n n o i = 0 2 = 仃：g + 6 2 = s 麦氏模型运动微分方程式为： 一1 7 丁5嘲一 海人学硕 学位论文 坐：堕+ 堕：土塑+ 旦 d td td tgd tn ( 4 ) 若保应变e 不变，贝i j 拿a t 玑上式变为：吉鲁+ 詈= o ( 5 ) l ，口f卯 令旦：f j 塑一d t ( 6 ) ( 6 ) 式两边积分揸理后得：盯( f ) = ( t o e l ” ( 7 ) 从量纲分析可知：f = 兰是一个具有时问量纲的量，称为“松弛时间”。它是 粘性系数和弹性系数的比值，说明松弛过程必然同时有粘性和弹性存在。且在固 定不变的应变下应力随时间而递减。 如果模型受交变应力j = 毋矿作用，把d c r d t = i o o & e 。代入( 4 ) 式，同样令 f = 旦g ，并把分母有理化整理后得：s = 否1 ( 1 一砻占e ( 8 ) 复数模量： 6 2 詈2 再占e i w t = g 暑2 g 警矧啪删 其中：g 1 ( 毋) 是储能模量，g ( 国) 是损耗模量。 ) = g 熹( 1 0 )g 2 ( 咖g 最( 1 1 ) 动态粘度为：协= 掣= 去 ( 1 2 ) 它们均是频率的函数，在高频和低频时，损耗模量g 2 ( ) 都接近于零，丽 在中频时能量损耗很大，当口= 1 r 时，损耗能量达到极大。 所以在控制时要考虑当卷绕辊频率达到= 1 r = g 玎时能量损耗达到极大， 要考虑进行孙偿。 2 3 真空镀膜机卷绕系统控制方案确定 此次设计的目标通过对锌铝复合超薄电容膜设备的研制，对高速、低张力等 极端情况下张力控制的分析研究，找到一套适合的张力控制模式，设计出一套用 一1 8 海大学硕i ：学位论义 j i 高档电容余属化膜生产的卷绕张力控制系统。综合分析上述控制方式的优缺点 及联系此次设计的目标，首先确定放卷和收卷均采用全自动闭坏式直接张力控制 方式。该系统包括三大部分：放膜张力控制、主辊速度控制、收膜张力控制。以 下是卷绕系统构成简图( 图2 - 7 ) ： 6 啦雕方阻测量辊7 * 膜强力辊8 啦膜张力测量辊9 腱晨平辊 图2 7 卷绕系统构成简图 5 主辊 1 0 牧膜辊 卷绕系统主要由由放卷系统、镀膜主辊、收卷系统及附加机构构成。放卷系 统由放膜辊l 、放膜过渡辊2 、张力检测辊3 、放膜展平辊4 等组成。半成品白 膜在开始生产前安装在放膜辊1 上，由于白膜直径达5 5 0 r a m ，长6 8 0 m m ，重8 0 k g ， 在开始启动时由于卷筒的惯性加速，且当放卷辊频率达到= 1 r = g 珂能量损 耗达到极大，有必要实施机械损耗的补偿及惯性补偿，因此采用主动放卷，让电 机驱动放卷辊1 。放膜过渡辊2 主要起导向作用，放膜展平辊4 是中心对称分节 式展平辊确保进入蒸镀区的膜段平整，以达到好的镀膜效果。图中主辊5 的速度 决定了整机的镀膜速度，与张力无关，只是张力大的话，马达的输出功率将变大。 为了保证镀膜精度，该速度应尽可能保持稳定，为此，采用伺服电机保证主辊的 恒定速度。电机与主辊之间通过齿轮系进行运动传递，以便实现减速和增大力矩 的目的。收膜系统由收膜辊1 0 、收膜展平辊9 、收膜张力测量辊8 、收膜张力辊 7 、收膜方阻测量辊6 等组成。一般来说，放膜辊收膜辊的控制包括两个部分： 张力控制和速度控制，电容膜收卷时随着母卷直径增大，如果收卷辊的转速依然 不变，因为镀膜主辊转速不变所以电容膜送入速度是不变的，这就必然引起收卷 张力的递增，会造成膜卷内松外紧，外层电容膜把里层电容膜压皱，而且分切时 增加复卷难度，影响分切质量，因此，收卷辊的收卷转速必须随着电容膜母卷直 径的增大而减小；反之放膜辊的放卷转速必须随着电容膜母卷直径的减小而增 1 9 海人学硕士学位论文 人。未镀j 膜母卷安装在放膜辊l 上 膜方式，在主辊5 底部位置【= 镀膜 一、镀膜主辊控制设讨： 母卷最大商径5 5 0 m m ，经过如图所示的穿 最终l “收卷辊1 0 收成成品电容膜卷。 镀膜主辊的作用就是使基膜牢牢帖附在它上面，并以一定的线速度保证镀膜 的厚度，在镀膜过程中使高温铝或锌铝蒸汽迅速冷却将膜金属化。 镀膜主辊机械结构如f 所示： 图2 - 8 主辊结构图 由于该镀膜主辊的速度也是决定镀膜的厚度的关键因素( 另一个决定镀膜厚 度的是送丝速度和加热温度，由蒸镀室控制) ，其运行必须平稳，所以在这里我 们为了保证镀膜质量，采用交流伺服电机驱动，交流伺服电机虽然价格较贵，但 具有非常硬的机械特性和较宽的调速范围，并且由于交流伺服电机本身已经安装 了光电编码器，用于电机控制速度与位置反馈，是一种半闭环控制方式，可以使 系统平稳启动，在低速运行及加、减速时都能保持平稳运行而不会产生失步现象。 交流伺服电机功率计算： p = f v = 1 2 0 x 1 5 = 1 8 0 0 ( w ) 镀膜主辊转矩： 乇= f x 等= 1 2 0 x 0 2 = 2 4 ( n m ) 镀膜主辊最大转速n = 老= 煮= 7 1 6 6 ( r p 肌) 镀膜主辊惯性矩： 厶= pd r = 2 0 2 x 华锕半棚半= 7 6 9 ( k g m 2 ) 镀膜主辊的惯性矩相当大，而且在实际生产过程中还要求它能在断膜时急 停，这就要求控制电机的功率要大，虽然在正常生产状态下所需功率并不是太大， 最终经过综合考虑选取7 k w ，2 0 0 0 r p m 的a c 伺服电机。 2 0 潍火学硕卜学位论文 加、减速变化张力值： a f = 丽2等等( ) 。f ：土x 4 5 x 娑f 1 ：3 1 n 9 5 6 x0 5 5 2、。 设熊批一每2 兰竽2 景引 考虑到镀膜主辊惯性矩较大，而电机转动惯量较小，所以选择传动比为2 。 电机转速：n = n i = 7 1 6 6 x 2 = 1 4 3 3 ( r p m l 2 0 0 0 r p m 可行 最终选定伺服电机型号为三菱公司的h c s f s 7 0 2 ( b ) 型交流伺服电机。 额定功率：7 k w ，额定转矩：3 3 ，4 n m ，最大转矩：1 0 0 n m ，惯性矩j 1 7 0 x 1 0 4 k g m 2 。伺服电机轴惯性矩应该小于或等于额定惯性矩的1 5 倍， 主辊的控制原理如图2 。9 所示： 1 1 【2 】 伺服电机 、 _ 、 图2 - 9 主辊控制的原理 图中伺服电机的转矩m 。主辊转矩m l 齿轮l 转矩m 1 齿轮2 转矩m 2 ， 齿轮1 和齿轮2 转速、齿数、粘性摩擦系数和转动惯量分别用( o 】，z l ，f 1 ，j 1 和 c a ) 2 ，2 2 ，丘，j 2 表示，在齿轮啮合中，若忽略损耗则速度v 相同，传递功率p 也 相同，即v = l = ，p = m l ，= m 2 0 9 2 ，4 专；4 j l l i = 互：三l r 22 2 c 0 22 3 ， m 、= l m 用力学中定轴转动的动静法分别写出齿轮1 和齿轮2 的运动方程 齿轮1 ：j 。d 出c 0 1 + 彳珊l + 。= 帆 2 1 海人学预 j 学位沦文 齿她上等+ 触+ m 。也 消去中问变量：，m 。，m ： 可得主辊系统微分方程式： m 斗。倒五z 倒小倒m 。 令 j = 以+ ( 1 ) 2 以，埘：= ( 丑) 2 m l ( 3 ) 其中、，、m ：分别是折合到齿轮1 上的等效转动惯量、等效粘性摩擦系数及 等效负载转矩。显然。折算的等效值与齿轮系的速比有关，i 越大，折算的等效 值越小，如果齿轮系速比足够大，则后级齿轮及负载的影响可以不予考虑。在镀 膜主辊中，当速度达到稳定值后就不在改变，所以在正常运行过程中j 项的影响 可以消除，电机转矩主要受厂、m ：的影响。 二、放膜系统控制设计： 上面我们已经阐述过，放膜系统必须采用主动放膜的原因，为了使整个系统 调速和机械性能好，在放膜和收膜系统中均采用a c 伺服电机，控制原理图如下： f 4 1 f 5 1 f 6 1 f 7 1 l 一4 0 m t b 一 张力控制器 h i t s u b i s h i 伺服放大器 l x t d 张力检测器 h i t s u b i s h i