薄膜设备张力问题及控制方法

薄膜设备张力问题及控制方法
 

薄膜张力，是指在塑料薄膜在牵引、收卷过程中被拉紧的力。张力控制是薄膜在生产和加工过程中应用最广泛的技术，如流延生产、双向拉伸、纵向拉伸、薄膜的分切、复卷、薄膜涂布复合等工艺中，都涉及到张力控制问题。张力控制的好坏，直接影响关系到产品的生产效率的高低和质量的优劣，若张力不足，薄膜在运行中产生漂移，会出现收卷后成品起皱现象；若张力过大，薄膜又易变形甚至被拉断。本文将为用户介绍张力控制产生的原因及控制方式供参考。

薄膜张力控制波动及原因

在薄膜生产加工过程中，张力产生波动和变化的因素往往比较复杂，其主要影响因素大致有如下几个方面：

①  薄膜加工设备的主要构件如底座、墙板、牵引辊、导辊等的制造精度和装配精度存在偏差。例如底座组装的平面度和直线度，墙板与底座组装的垂直度以及各版辊。导辊组装的水平度和它们相互之间的平行度，都有十分严格要求，但由于各种原因，实际上总存在不同程度的误差。加之各辊各自的跳动量偏差，质量动静平衡偏差等，运行时，会造成薄膜上的张力就会随之发生微小变化。最终就会反映到整条生产线上，导致张力产生无规律变化。

②  传动系统中的各齿轮、减速箱因为无法做到无间隙精密传动，其各辊的动力驱动及控制系统由于规格、尺寸、型号的不同，会引起传动同步误差，这些会使生产线各段的张力产生变化。

③  收卷过程中，收卷直径是不断变化的，直径的变化必然引起薄膜张力的变化。收卷时，如果收卷力矩不变时，随着收卷直径增大，张力将减少。

④  薄膜原料自身的性能。如薄膜弹性模量的波动，材料厚度、宽度、长度方向变化等也会影响张力变化。

⑤  在薄膜加工中存在不停机自动换卷过程中，翻卷和断膜都会使整机原已稳定的张力突然产生干扰变化。设备运行速度越高，干扰就越大。

⑥  薄膜周边环境，如生产环境温度、温度变化，空气湿度，都会对整机的张力波动产生微妙的影响。

张力控制的方法

由此可见，要获得好的收卷效果，必须对张力进行有效控制，而目前在机械设计中，常见的张力控制方法及其特点如下：

• 磁粉制动器/磁粉离合器张力控制

工作原理是采用磁粉离合器控制输入收卷辊的转动力矩，即由张力检测器来直接测定卷料的张力，然后把张力数据经过处理后再去自动调整磁粉离合器或制动器的激磁电流来控制收卷的张力。

这种设备简单，价格便宜，可以正反转，适用于张力精度要求不高的场合。但在这种控制形式存在以下问题：

①  调节速度不快，难以在高速流延机上应用；

②  张力控制精度不高，线性不够好，控制的卷径变化范围不大；

③  流延生产线上各张力段彼此独立，难以实现自动控制；

④  磁粉离合器存在发热和磨损问题，维修困难。

• 浮动辊式张力控制方式

浮动辊式张力控制方式由主要由张力控制器、气压控制及气缸、摆杆。浮辊电位器、浮动辊、牵引电机及调速器、制动器和离合器构成。它是一种间接的张力检测方式，实际上是一种位置控制。工作原理是当张力稳定时，薄膜上的张力与气缸作用力保持平衡，使浮辊处于中央位置。当张力发生变化时，张力与气缸作用力的平衡被破坏，浮辊位置会上升或下降，此时摆杆将绕气缸轴顶部的销轴转动并带动浮辊电位器一起转动。这样，浮辊电位器准确地检测出浮辊位置的变化，它将以位置信号反馈给张力控制器，控制器经过计算并输出控制信号，控制牵引电机驱动系统进行纠偏。然后浮辊恢复到原来的平衡位置。

由于浮辊式张力检测装置本身是一种储能结构，利用其自身的升降作用，对大范围的张力跳变有良好的吸收缓冲作用，同时也能减弱料卷的偏心（椭圆）以及速度变化对张力的影响。由于受浮动辊自重及结构的影响，它不能用于低张力及变张力的控制。浮辊型张力控制方案是一种传动静电的张力控制方案，由于其成本较低，容易制作，因此在国内被应用比较广泛。但浮辊式型张力控制方案也存在着一些弱点，如浮辊式的张力设定是靠调节气压来实现的，实用中易受气源气压、浮辊自重、调节人的认为因素等影响。而且在小张力情况下（如小于1KG张力的PE薄膜）及张力等情况下使用效果不佳。

• 张力传感器测控方式

张力传感器安装在张力检测辊的轴承下面，将检测到的薄膜张力转换成电信号，送到张力调节器中，与原设定的张力信号比较后，进行PID计算，然后输入收卷电机控制器，达到控制收卷辊转速的目的。

一般收卷辊的线速度设定为牵引机输出速度的105%～110%，实际上，由于薄膜的弹性及张力力矩的影响，收卷辊的线速度不会超过牵引机的输出速度。这种方案的优点是控制精度高，检测范围宽，响应速度快，线性好。缺点是不能吸收张力的峰值，机械的加速度难以处理，不容易实现高速切换卷等。因为，当处于平衡状态的张力控制系统受到较强的干扰时，系统瞬间来不及做出反应，薄膜上张力变化的幅度值会较大，对张力控制尽快重新进入平衡状态不利。

• 具有张力控制的变频器系统

该系统的特点是取消了张力控制器，将张力控制器的各项功能及参数，如卷径的计算功能，卷径输出，系统在加速、减速、停车时为克服系统的惯量，要进行相应的转矩静态及动态转矩补偿；断膜报警功能；系统急停时有效地防止系统“飞车”功能等。全部内置于变频器种，用变频器做张力控制器，使得整个过程的张力很稳定。

• 全自动张力伺服控制系统

目前在国内外制造和销售的中、高档薄膜生产线张力控制系统中，由于更高的生产速度及生产工艺对张力控制提出了更高的要求，使得磁粉离合器已不能胜任该类系统的执行单元。因此在现在流延机、高速分切机、高速涂布复合机中已被交、直流伺服电机执行单元所取代，实现了更加先进的张力伺服控制。该系统由PLC可编程控制器对整机张力进行控制，采用LCD彩色大屏幕触摸屏进行人机界面通信。可对张力控制的速度、张力、卷径等参数进行设定、显示、修改。系统控制精度高，反应快，稳定性好。操作人员可在机器的任何部位进行启动、加速、减速或停止操作，操作非常便利。在放卷、收卷墙板上除装有张力控制操作箱外，还装有整台机器启动、停止及紧急停止开关。由于采用交流伺服电机牵引、收卷，控制的速度范围较宽，无论在低速还是高速都具有良好的性能，可实现锥度张力控制，精度高，效果好。另外还包括高速不停机全自动接料及断膜，收、放卷预驱动，安全自动报警及长度自动技术和显示控制功能等。

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