（通信与信息系统专业论文）干式复合机张力控制系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 目前印刷包装行业发展迅猛，干式复合机属于软包装印后加工设备。当前 只有少数几家软包装企业采用了先进的数字化工艺流程，大部分的高档干式复 合机还是要依赖进口。在这种现状下，透彻研究干式复合机的结构文档及相关 技术，对于软包装印刷加工企业提高机器的设计水平及机械加工质量具有重要 的意义。 在干式复合机控制系统中，张力控制是极其重要的一个环节，高精度的张 力控制是保证产品质量的关键性能指标，而张力和线速度又相互耦合，因此如 何对物料张力和线速度进行独立的控制，一直是我们关注的焦点问题。 本文以干式复合机为研究对象，干式复合机张力控制系统是由放卷、涂胶、 复合和收卷四个子系统组成。放卷子系统的执行机构是磁粉制动器，其余子系 统的执行机构都是变频器及其驱动装置，放卷和收卷子系统的检测装置是测压 张力传感器，涂胶复合子系统的检测装置是浮动调节辊。论文分析了在卷绕过 程中传统p i 控制律下系统各参量的变化，说明了仅p i 控制律显然不能满足高精 度张力控制的要求，我们必须对其进行改进。 本文以单片机( p i c l 8 f 6 6 j 1 0 ) 作为主m c u ，扩展多路模拟量( 电压和电流) 输入输出、数字量输入输出、信号量通信等端口，组成现场总线控制系统的t f b 模块，控制多电机的干式复合机，完成张力的控制，实现真正的速度联动。系 统采用张力传感器来进行张力反馈，反馈信号经过主m c u 运算后，输出控制信 号到变频器，用变频器来驱动变频电机使之与主电机速度同步。置于t f b 模块 内部的控制程序能够自动计算出收卷的卷径，实现锥度张力的控制等，使各部 分速度达到一致，从而提高干式复合机收卷的质量。 关键词：p i e l 8 f 6 6 j 1 0 微控制器；张力控制；干式复合机； 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，p r i n t i n g a n dp a c k a g i n gi n d u s t r yi sd e v e l o p i n gr a p i d l y ；d r y c o m p o u n dm a c h i n ei saf l e x i b l ep a c k a g ef i n i s h i n gd e v i c e a tp r e s e n to n l yaf e w f l e x i b l ep a c k a g ee n t e r p r i s e sa d o p tt oa d v a n c e dd i g i t a lp r o c e s s ，w h i l em o s to ft h e o t h e r sr e l yo ni m p o r t s u n d e rt h i ss i t u a t i o n , at h o r o u g hs t u d yo ft h es t r u c t u r eo ft h e d r yc o m p o u n dm a c h i n ea n dt h er e l a t e dt e c h n i q u e s ，f o rt h ef l e x i b l ep a c k a g ea n d p r i n t i n ge n t e r p r i s e st oi m p r o v et h el e v e lo ft h em a c h i n e sd e s i g na n dm a c h i n i n g q u a l i t yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t e n s i o nc o n t r o li sav e r yi m p o r t a n tp a r ti nt h ed r y c o m p o u n dm a c h i n es y s t e m h i g hp r e c i s i o n s t e n s i o nc o n t r o li st h ek e yp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so fk e e p i n g p r o d u c t s h i g h 删i 锣o u rm a i nc o n c e r ni sa l w a y sf o c u s i n go nh o w t oc o n t r o l t e n s i o na n dl i n e a rs p e e di n d e p e n d e n t l yi ns p i t eo ft h e i rs t r o n gc o u p l i n g t h el a m i n a t o ri st h em a i nr e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e r , w h i c hi n c l u d e sf o u r s u b s y s t e m s ：u n w i n d i n g ，j o i n t i n g ，a d h e s i v ea n dr e w i n d i n g u n w i n d i n gs u b s y s t e m t a k e sm a g n e t i cp a r t i c l eb r a k ea si t sa c t u a t o r ，a n da l lt h eo t h e r st a k ei n v e r t e ra n d i n v e r t e rd r i v e sa st h e i ra c t u a t o r s b o t ht h eu n w i n d i n ga n dr e w i n d i n gs u b s y s t e m st a k e l o a dc e l l sa st h e i rm e a s u r i n gd e v i c e s ，b u tj o i n t i n g a d h e s i v es u b s y s t e ma d o p t sd a n c e r r o l l i nt h i ss y s t e m ，t h et r a d i t i o n a lp ic o n t r o lc a n n o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft h e p r e c i s i o no f t e n s i o nc o n t r o la n dt h es t a b i l i t yo fc o n t r o ls y s t e m s ow eh a v et om o d i f y t h ec o n t r o ls t r a t e g yt om e e tt h en e e d s p i c l8 f 6 6 j10i se m p l o y e da sm c ui nt h i sp a p e r , a n dw ee x t e n dm u l t i p l ya n a l o g s i g n a li n p u ta n do u t p u t ，d i g i t a ls i g n a li n p u ta n do u t p u t , c o m m u n i c a t i o np o r ta n d s oo n ； t h e s ep a r t sc o n s t i t u t et h ef i e l db u sc o n t r o ls y s t e mt f b ，a n dc o n t r o ld r y - c o m p o u n d m a c h i n ec o n t r o ls y s t e mw h i c hu s e sm u l t i p l ye l e c t r o m o t o r , c o m p l e t e l ys a t i s f yt h e c o n t r o lo ft e n s i o na n ds p e e do ft r u el i n k a g e t h es y s t e ma d o p t st h et e n s i o ns e n s o rt o f e e d b a c kt h et e n s i o n a f t e rt h ep r o c e s so fo p e r a t i o no ft h em a i nm c u ，o u t p u t st h e c o n t r o ls i g n a lt oi n v e r t e rf r e q u e n c y ，t h ef e e d b a c ks i g n a lm a k e si t s e l fc o m et ot h e s y n c h r o n o u ss p e e da st h em a i nm o t o rb yu s i n gt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nt od r i v et h e 武汉理工大学硕士学位论文 c o n v e r t e rm o t o r t h ei n t e r n a lc o n t r o lp r o c e d u r ei nt h et f bm o d u l ec a n a u t o m a t i c a l l yc a l c u l a t et h ec o i ld i a m e t e ro fr e w i n d i n gt e n s i o nc o n t r o l ，r e a l i z et h e c o n t r o lo ft h et a p e r i n gt e n s i o na n dm a k e st h es p e e do fe a c hp a r tc o m et ot h es a m ea n d f i n a l l yi m p r o v e st h eq u a l i t yo f t h ew i n d i n go ft h ed r y c o m p o u n dm a c h i n e k e yw o r d s ：p i c l8 f 6 6 j1 0m i c r oc o n t r o lu n i t ；t e n s i o nc o n t r o l ； d r y - c o m p o u n dm a c h i n e ； i h 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的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： 丞园知日期：丛 ! ! 妄：垄l 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 黜( ：趣嗍靳( ：叶编嗍嘶 z 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 目前印刷包装行业发展迅猛，而昂贵的机器设备和不能令人满意的产品质 量成为行业发展的制约因素。干式复合机属于软包装印后加工设备。一台运行 性能可靠的于式复合机要求有先进的设计思想、精密的加工质量、严格的检验 要求、高水准的装配精度，而且电器自动控制等配件的性能也要好。而现在， 在我国这种设备的品种规格不够齐全，设备自动化和智能化水平也不够高，机 器运行时的性能可靠性较差，缺乏市场竞争力，而且，当前只有少数几家软包 装企业采用了先进的数字化工艺流程，大部分的高档干式复合机还是要依赖进 口。在这种现状下，透彻研究干式复合机的结构文档及相关技术，对于软包装 印刷加工企业提高机器的设计水平及机械加工质量具有重要的意义。 干式复合机是一种集机、电、气于一体的高科技产品，这种设备通过采用 可编程控制器，配合收、放卷张力控制系统，从而达到恒张力控制和变频调速 传动，使得张力控制精度高，升降速时也不会影响张力i l 】。在干式复合机的工作 过程中，物料的张力及温度采用分段自动控制、检测与设定；一般采用断带自 动停车，机组速度、物料干湿度和长度的自动控制及显示等技术。 张力是一个影响干式复合机设备好坏的主要参数。由于收、放卷辊的卷筒 半径在传动过程中是不断变化的，随着卷材收卷卷径越来越大，而放卷卷径越 来越小，这对于张力的控制具有一定的难度，因此好的张力控制是干式复合机 生产中一个极为关键的环节。张力过大可能使物料撕裂或者过薄，影响复合膜 的质量，而过小则可能引起物料起皱和材质的不均匀，降低其质量。在干式复 合机生产过程中，干式复合机张力控制系统的放卷和收卷是两道关键的工序， 在此过程中由于卷筒的半径在随时变化，不同半径时对张力的要求也不一样， 要求内紧外松，这给干式复合机在收放卷过程中的张力控制增添了很大的难度 【2 训。干式复合机张力的自动控制是印刷包装过程、印刷再加工( 浸渍、涂布、复 合、轧花、套色印刷等) 和印刷包装品的整饰过程( 复卷、分切、超轧等) 中必不 可少的电气自动化配备装置。近年来我国的印刷包装工业迅猛发展，印刷包装 武汉理工大学硕士学位论文 设备向高速、高质量、高效益发展。为了适应现代工业发展的需要，一些单位 引进了国外的很多先进技术和设备，在这些先进的设备上都配备了物料张力的 自动控制装置1 5 j 。张力自动控制可以称为近代先进印刷包装设备的特征之一。干 式复合机的张力自动控制直接影响着设备的效率，再加工物料的质量；能减少 损料，增加产量；能进行合理的收卷放卷；提高包装的成品率及设备的实际运 行效率。特别是在当前印刷包装市场竞争非常激烈，要提高设备的速度，提高 生产力，使用物料张力自动控制装置可在原来的物料设备情况下提高干式复合 机的效益。在高速干式复合机上，张力自动控制的作用就更为明显了【6 】。 在干式复合机的工作过程中，张力控制系统的稳定性是影响包装产品质量 的重要因素，在干式复合机工作时，由于卷筒的外径随时变化，同时还有卷筒 不圆、卷筒重心不与旋转轴重合，或者更换卷筒，改变机器的工作速度等原因， 都可能引起物料的张力变化，造成复合不稳，包装皱褶、重影，甚至发生包装 物料断裂或者堵塞等严重问题。特别是对于高速卷筒复合机，张力的波动和变 化对复合套准精度影响更大。所以如何使物料在复合过程中保持张力恒定，是 设计人员的重要课题。 干式复合机的张力控制可以从三方面入手：涂胶部分张力控制、复合部分 张力控制和收、放卷张力控制。张力控制是干式复合机生产中一个极其关键的 环节，为了保持生产的品质、效率及可靠性，一套功能完备的控制系统是必需 的条件阴。 1 2 国内外研究水平和发展趋势 欧洲、日本的印刷包装行业早已迅速获得成功，大多数主要传动制造商现 在均可为印刷包装设备提供交流传动装置，国内印刷包装行业大部分使用西门 子等公司的成套复卷机交流传动系统。例如西门子公司的6 s e 7 0 系列调速装置， 其调速性能已全面达到甚至超出了直流调速性能而成为传动的首选方案。而国 内复卷机交流传动大约始于2 0 世纪7 0 年代中后期，由于厂家对复卷机的交流 传动系统得了解和研究不太深入，很少有较成熟的成套设备推向市场【8 - 9 1 。 目前，在国内印刷包装行业中复卷机的传动控制系统正在逐步由全数字直 流传动控制系统向交流变频传动控制系统发展。同时，由于系统的结构简化， 设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系 统的工作可靠性【l 1 1 。此外，现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力， 2 武汉理工大学硕士学位论文 并通过数字通信将相关的设备运行信息和诊断维护信息送入人机界面，用户可 以监控所有设备的运行状况，查询故障原因，并可以根据复卷机工艺的不同要 求，设定和修改工艺参数例如张力 1 2 - 1 3 j 。 随着变频器技术和现场总线控制技术在复卷机中应用的不断推广以及计算 机技术和通信技术的结合，复卷机的设计车速可以达到3 0 0 m r a i n ，工作车速则 可以达到2 5 0 0 m m i n ，复卷机中的许多人工操作实现了自动化，使手工操作大量 减少，其印刷包装设备的自动化程度和控制精度、控制速度和系统的稳定性提 高到了一个新的水平例。 随着生产技术的发展，张力控制系统的发展大致经历了机械式张力控制器、 电控式张力控制器、计算机式张力控制器三个发展时期。 ( 1 ) 机械式张力控制器：所谓机械式张力控制器就是通过机械结构来实现对 张力的控制。如早期的“c t c ( c o m p e n s a t i v et e n s i o nc o n t r o l l e r ) ，如图1 1 所 示。这是一种平衡式自动补偿的张力控制器，它的制动力矩是靠刹车带与制动 轮之间的摩擦产生的，制动阻力矩的调节则通过调节刹车弹簧的变形量来实现 【1 3 】。若原来力矩为m ，则张力t = m r ，当物料卷卷径r 增大使物料张力r 减 小时，刹车弹簧的拉伸变形将会由于曲柄顺时针方向的转动而增大，使张力矩 增大，从而保证了恒张力生产。这种机械式张力控制器的特点就是结构简单和 制造容易。但是张力值不能自动设置，而且控制精度低。 图1 1 机械式张力控制器 ( 2 ) 电控式张力控制器：自2 0 世纪7 0 年代以来，就出现了电控式张力控制 器，如图1 2 所示【l 钔。它的控制器是由电子元件组成的模拟电子系统。这种张力 控制器通常使用应变来实时检测物料张力，再反馈给控制器，然后控制器将物 料张力设定值与反馈值进行比较、校正后，输出控制信号，经过放大后驱动电 机或电磁离合器，使物料张力保持在一定的范围内。这种电控式张力控制器的 3 武汉理工大学硕士学位论文 控制能力比较强，能自动调节张力，控制精度比机械式张力控制器有所提高。 但是这种控制器所在的外界环境对模拟电路的干扰物料张力很容易产生波动。 张力传感嚣 图1 2电控式张力控制器 ( 3 ) 计算机式张力控制器：随着电子技术的高速发展，还有高性能价格比的 微处理器的出现，使得计算机式张力控制器达到了实用阶段【1 5 d 6 】。采用计算机 及数字电路控制器具有传统控制器无法比拟的优点，这种计算机张力控制器将 微处理器作为成为控制系统的核心，减少了电子控制系统那样的大量硬件电路， 使系统大大简化，提高了可靠性，同时还可以采用各种先进的控制算法，使控 制器更趋向于智能化。 目前常用的数字控制器主要有工控机、单片机以及p l c 等几种。微机张力 控制器既可以单独工作，又可采用不同的组态，如设计成上、下位机的形式， 而且物料的张力可以被记录、显示和自动设定，因而，这种控制方案得到了广 泛的引用1 1 7 1 8 1 。 早期，由于受到技术水平及装置设备的限制，大多数张力控制系统采用模 拟量控制，而控制方法也多采用电流电势复合控制。通过这种方式实现的控制 系统，由于使用模拟器件，系统的可靠性较差，在进行实时运算时的计算精度 很低，使系统的控制精度低，动态补偿效果差，不能满足产品日益增长的高精 度要求。 随着现代工业控制技术水平的不断提高，特别是微电子技术的迅猛发展， 使得微处理器与可编程控制器等大规模集成电路得到了广泛应用，将它们与传 统工业控制方式结合，加速提高了工业自动化水平【1 9 1 。越来越多的装置设备在 工业控制过程中使用计算机控制技术，并在实时控制方面也取得了很好的效果。 由于客户对产品性能的要求不断提高，企业对加工包装要求也不断提高，使得 传统的控制方式已经很难生产出满足客户要求的产品。很多生产厂商早将计算 机控制技术运用到张力控制系统上。计算机技术使得许多更高级、更智能的控 4 武汉理工大学硕士学位论文 制策略得以运用，进一步推动了控制理论的发展。 另外，随着控制理论的不断发展，一些新的控制思想和控制手段也被引入 到张力控制系统中，如最优控制，自适应控制，鲁棒控制，神经网络控制等， 这使控制系统的精度愈来愈高，控制方式也更加灵活多变【2 0 - 2 2 。 1 3 研究目标和内容 论文介绍了干式复合机的工艺过程，讨论了干式复合机收、放卷系统的动 态过程，指出了传统p i 调节应用于张力控制系统时存在的问题，同时讨论了变 结构p i d 调节相对于纯p i 控制律的优越性。 研究了以现场总线控制系统t f b 模块为控制核心的干式复合机张力控制系 统，控制实际干式复合机复合部、涂胶部、收卷部的工作过程以及输入输出的 量的变化关系，确保各部分张力按要求变化。系统采用张力传感器来进行张力 反馈，反馈信号经过主m c u 运算后，输出控制信号到变频器，用变频器来驱动 变频电机使之与主电机速度同步。置于t f b 模块内部的控制程序能够自动计算 出收卷的卷径，实现锥度张力的控制等，使各部分速度达到一致，从而提高干 式复合机收卷的质量。 1 4 论文的框架 本论文章节分为六章，每个章节的内容介绍如下： 第1 章绪论部分对课题研究背景及意义、干式复合机张力控制系统国内外 发展状况进行概述，最后揭示了课题意义和研究内容。 第2 章介绍了干式复合机的系统结构和生产工艺，结合干式复合机工作过 程对张力控制系统进行了简要介绍。 第3 章对干式复合机收、放卷系统进行受力分析，介绍了干式复合机张力 控制装置，通过对张力调节器的分析制定张力控制系统的控制策略。 第4 章介绍干式复合机张力控制系统硬件设计。本章首先介绍t f b 模块和 p i c l 8 f 6 6 j 1 0 微控制器，然后介绍硬件外围设计。 第5 章介绍干式复合机张力控制系统的软件设计。本章首先介绍主程序的 设计思想，然后分别对复合部、涂胶部和收卷部进行程序设计。 第6 章对论文进行总结。说明课题的研究成果以及工作。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章干式复合机工艺简介及工作过程 要想设计好干式复合机的张力控制系统就必须对干式复合机的硬件结构，工 艺流程和性能要求都有一个比较清楚的了解。 2 1 干式复合机系统结构 干式复合机( 又称贴合机) 是目前印刷包装行业中一类应用很广泛的设备，系 统主要由机械设备和电气控制设备两大部分组成，包括放卷、涂布、烘干、复 合、冷却、收卷以及其它辅助中间环节。 干式复合机的生产线主要由四类设备组成：原料设备，涂布设备，复合设 备，卷取设备，对应地它有四个操作站：原料座操作箱，涂布、贴合座操作箱， 卷取座操作箱。干式复合生产过程系统结构简图如图2 1 所示。干式复合机系统 的放卷部分，采用磁粉制动器作为控制张力的执行元件 2 3 2 7 1 。在干式复合机系 统的贴合和卷取部分则采用交流调速电机作执行元件来实现张力控制，交流调 速电机由变频器控制，由操作人员给定速度后，变频器按一定的控制规律来控 制交流电机的转速，从而达到调节张力，保证系统稳定运行的目的。该设备采 用放、收卷结构，物料原料以一定的速度从放卷辊放出，中间经过一系列工艺 处理，最后由收卷辊收取，从而进入下一道工序。 擞科瘫控镧籀黏合崖控制疆主电力拴麓箱 簦取座控麟籀 图2 1干式复合生产过程示意图 l 一第l 基材放卷辊；卜第2 基材放卷辊；3 一涂布轮；4 一复合轮；5 一印刷轮；6 烘箱组；7 一收卷辊 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 放卷部分。放卷通常采用气胀轴支撑基材，因为气胀轴操作比较方便， 有利于装卸更换基材纸芯，而且支撑力均匀、定芯准确。基材放卷一般采用磁 粉制动器、张力检测器、张力控制器、传感器等电气元件来实现自动化恒张力 控制。 ( 2 ) 涂布部分。干式复合机一般采用网纹辊上胶涂布，网纹辊可以快速更换， 以便采用不同网穴深度的网纹辊来适应不同的涂胶量需求。压辊采用气动加压， 压力可调。刮刀可进行三方位调节，胶斗上下升降可适应不同直径的涂胶辊。 有些塑料薄膜基材表面黏附胶黏剂的性能较差，为了提高此类基材表面的黏附 能力，要求其表面张力值要达到4 2 - - 5 6 m n m 。这样可以在涂布前对基材的表面 事先进行电晕处理，使其表面起毛，以增强基材表面的黏附能力。 1 3 ) 烘干部分。烘干部分多采用可循环回风的封闭式烘箱，能够充分利用热 能以节约能源。整个烘箱实行多段回风，在整个基材幅面上实现旋风布局，使 基材表面的溶剂充分挥发。整个烘箱内采用负压设计，大部分热风不吹出烘箱 而被循环利用，分段温区可自动进行恒温控制，从而有利于溶剂的挥发。烘箱 内的风速设置由低渐高，前置排风能将初期挥发的溶剂充分排出，大部分废气 不参力n - - 次循环，故而要确保废气顺利排出。为防止烘箱内部温度太高引燃可 燃性溶剂蒸汽，引起烘箱爆炸，可采用双开防爆门结构，并设置相应的报警系 统。烘箱出口处设置了e p c 气液纠偏装置，可以使基材传送不漂移、不褶皱、 不走偏，从而使涂布基材平整传送，并与第二基材平齐复合成成品。 ( 4 ) 复合部分。采用气动复合装置，压合辊离合速度快，复合机构压力可调， 能保证压合力整，幅面均匀，使成品平整。主动式复合辊能保证涂布基材与第 二放卷基材同速，成品不容易起皱。 ( 5 ) 冷却部分。基材经过烘箱干燥后，温度较高，若立即收卷，势必会导致 基材日后收缩变形，所以要在成品收卷前进行冷却。主动冷却辊的表面线速度 与复合辊同速，可避免张力变化导致的复合膜拉伸变形。设计时，可增加成品 在冷却辊上形成的包角，以增加冷却接触面。冷却牵引辊可采用旋转接头与其 连接，用循环冷却水来冷却，效果好，使成品在收卷时能达到室温状态。 ( 6 ) 收卷部分。收卷一般采用气胀轴，以便于装卸纸芯。通过对磁粉离合器、 张力检测器、张力控制器、传感器等电气元件的控制，实现基材的自动化恒张 力卷取。随着基材收卷直径不断增加，造成收卷线速度不断变大，倘若收卷纸芯 转速不变，必使基材的拉力变大，最终对磁粉离合器的作用阻力也相应增大。当 7 武汉理工大学硕士学位论文 拉力达到磁粉离合器所调定的摩擦阻力时，磁粉离合器的输出轴相对输入轴便 开始打滑，从而使磁粉离合器输出轴的转速相对输入轴的转速减小，与之啮合 的收卷轴齿轮的转速相应减小，这样基材的收卷线速度始终保持恒定，实现恒 张力和等速卷取。合适的卷取张力可避免在涂布生产期间基材松弛或起皱，保 证收卷基材的平整度和松紧度【3 0 l 。 2 2 干式复合机的复合工艺 干法复合是一种生产高档复合软包装的工艺，其基材选择的自由度高，产 品应用范围广。干式复合工艺可以根据锁使用胶粘剂的不同分为溶剂型干式复 合和无溶剂型干式复合两种。溶剂型干式复合是经涂胶装置把含有溶剂( 一般为 乙酸乙酷) 的胶粘剂均匀地涂布到一种基材薄膜上，经烘道蒸发溶剂并与另一种 基材薄膜经复合钢辊热压、贴合而形成复合薄膜的方式。本文研究的范围是以 溶剂型干式复合为对象。溶剂型干式复合的基本工艺流程如图2 2 所示。 图2 - 2 干式复合的基本工艺流程图 干法复合的优点有：( 1 ) 可供选择的基材面宽广，可以是塑料同塑料，也 可以是塑料同纸，塑料同金属及织物、无纺布等的复合，甚至没有塑料，纸同 金属也可复合；( 2 ) 复合的牢度比较高，层间剥离力可达1 0 0 0 9 2 5 m m 以上， 可以生产高档的包装制品，如高温蒸煮袋等；( 3 ) 各层的厚度可以自由选择， 精确控制；( 4 ) 可以表面印刷，也可以反面印刷； ( 5 ) 生产速度快，一般操 作速度在1 5 0 1 8 0 m m i n ，最快可达2 0 0 m m i n 以上。 2 3 千式复合机的工作过程 干式复合机张力控制系统主要由现场总线控制系统t f b 模块控制各部分电 机联动协调工作，确保每部分张力大小满足要求。系统采用张力传感器来反馈 张力信号，反馈信号经过主m c u 按程序设计的算法进行运算后，输出控制信号 3 武汉理工大学硕士学位论文 到变频器，再用变频器来驱动电机使之与设定的主电机速度同步。置于t f b 模 块内部的控制程序能够自动计算出收卷的卷径，实现锥度张力的控制，使各部 分速度达到一致和恒张力的实现，从而提高干式复合机的工作质量。用t f b 模 块控制干式复合机张力的控制框图如图2 3 所示。 图2 3 干式复合机张力控制框图 t f b 控制模块主要控制放卷涂胶部、收卷部a 、b 和复合部的四个变频器， 变频器用来控制与之相连的电机。当干式复合机工作时，一放卷部放卷和二放 卷部开始放卷，然后在复合部压合在一起，最后由收卷部进行收卷。当涂胶部 的张力传感器检测到张力变小时，说明涂胶部电机转动比复合部电机转动的快， 这时控制系统就会给收到这样的信号，并给涂胶部的电机一个反馈信号，使它 的转速减慢，反之亦然，从而使烘箱部这一段的线速度保持恒定。而在收卷的 9 武汉理工大学硕士学位论文 过程中，收卷辊每转一圈它的直径就会增加两层复合膜的厚度，在转速不变的 情况下它的线速度就会越来越大，由于复合部电机转速不变，因此收卷部电机 的转速就逐渐比复合部的快，那么收卷部这一段的张力就会逐渐变大，收卷部 张力传感器检测到相应的变化后马上给控制模块一个信号，控制系统则发送给 收卷部电机的变频器一个信号让它的转速减下来，这样使收卷段的线速度保持 恒定，从而控制张力恒定。当收卷辊a 的卷径达到一定程度的时候，收卷部切 刀就会将复合薄膜切断转而用收卷辊b 进行收卷，这两个收卷辊交替工作，提 高干式复合机的工作效率。 i o 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章干式复合机张力控制系统分析 在干式复合机的工作过程中，物料的放卷和收卷是两道关键的工序，在此 过程中由于卷筒的半径在随时变化，不同半径时对张力的要求又不一样，要求 内紧外松，这给物料在收放过程中的张力控制增添了很大的难度。干式复合机 张力控制系统是一个时变、非线性、多干扰并且张力与速度之间存在强耦合的 复杂系统 2 8 - 2 9 。 3 1 干式复合机张力控制系统受力分析 干式复合机卷绕机构对张力控制系统的基本要求就是要保持卷材的张力恒 定，但当收、放卷环节的线速度与复合部分的线速度不同步时，就会使张力产 生变化。这种张力模型的目的就是为了寻求张力变化与线速度差之间的关系模 型，这样才是设计恒张力控制系统的正确途径【3 0 1 。 3 1 1 收卷过程受力分析 如图3 1 所示为收卷系统简图。假设卷材的张力为丁，卷辊的直径为及， 前一单元m 运行中卷材的线速度为k ，卷绕单元必运行的线速度为k 。如果 巧 k 则卷材将被拉伸，卷材张力将增大；如果k k ，使卷材内产生一定的张力，当卷材达 武汉理工大学硕士学位论文 到合适张力后，应该及时调节动力机构使k 稳定，这样，卷材就可以在此张力 下稳定运行。 m 卜一广一 v - ( ) v 2 n 一 ( )厂 fd 2 丘 v 卜、 m 。膨l 图3 - 1 收卷系统简图 在收卷过程中，假定k 不变，则卷绕线速度k = x d , n ：，如果电机鸠的转 速恒定，可知k 将随卷径d 的增大而正比增大，张力丁也成正比增大，卷绕轴 上的卷绕力矩坼= t d 2 2 将以更快的速率增大，这样很容易引起卷绕过程中卷 材因过度拉伸而导致卷材变形甚至断裂。因此，在系统启动结束后应该立即保 持圪不变，使卷材张力恒定，由式n 2 = o r o ：) 可知，慢会随卷径q 的增加而 成反比的减小。在收卷过程中，根据动态力矩平衡方程有： 掣= 鸠一t d 2 2 一召，2 ( f ) 哆 ( 3 2 ) a t 其中：m 为作用在收卷辊上的等效拖动力矩；口为收卷卷径；c 0 2 为收卷辊的 角速度；厶为收卷辊的转动惯量( 以= 以x + 厶，以k 为收卷筒上卷材的转动惯 量，厶为收卷辊芯轴的转动惯量) ； b ：( ，) 为阻尼系数。 由于在收卷过程中，收卷辊的转动惯量随时间的变化而变化，即以r 是关于 时间的函数，给这种非线性的时变性系统又增加了控制难度。 对式( 3 2 ) 力1 1 以分析，像薄膜这样的卷材，如果将卷辊看作匀速转动，并且 不考虑阻尼系数的变化，而且在实际工作过程中，卷轴轴心的转动惯量以。通常 要远远大于薄膜这样密度较小的卷材的转动惯量以r ，所以可以将总转动惯量 以。认为是一个恒定值。通过以上的分析可得到卷绕系统的静态力矩平衡方程 为： 下n 鸩= 等+ b r 2 ( ，) 吐 ( 3 - 3 ) 二 由式( 3 3 ) 变化得到张力的表达式为： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 丁：三! 竺二堡! 盟堕 ( 3 4 ) 砬 所以在静态时，只要能控制好鸩一b ，：( f ) 哆，让其跟随卷径d 2 的变化而变 化，就可保证卷材的张力丁恒定，让控制简单方便。 显然，在实际收卷绕卷过程中，总要受到外界因素的干扰，所以，静态卷 绕只是一种最为理想的情况，在实际控制过程中很难实现。根据上文动态力矩 方程，可以看到有很多因素影响力矩平衡，如卷材的质量聊，实时卷径d ，转 动惯量以茁，阻尼系数召，：( r ) ，转速呸等，所以现在进一步的讨论。设薄膜的密 度为p ，宽度为b ，收卷辊轴心直径为砬。，则有： j 2 x = r ( 锄等 = 啪( 万d 2 2 r 1 ：，d 4 。1 = 1 万6 p ( 巧一珑) ( 3 _ 5 ) 将式( 3 2 ) 式代入公式以= 以r + 以。得： 盟：盟：x p b d ；一d d 2 ) 由从式吐= 爱得： 堕：2d ( d 2 ) ：三亟一娶堕 ( 3 7 ) mm d 、d ld ：d l 、 将式( 3 - 5 ) ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) 代入式( 3 2 ) 可得： 鸩= 孚+ 毋：，爱+ 以c 云警一筹争+ 爱c 华警，p 8 ， 显然力矩方程式( 3 - 8 ) 中包含有线速度吃和卷径d 2 的微分，而且这两者之间 有着密切的联系。设薄膜的厚度为仃，卷薄的膜长为工，由面积相等公式可得： 掇：生以：o d l z 可推出： 组：旦比 万马 从而可以得到： 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 堕：堡丝：要砭( 3 - 9 ) 0 = 一一= 一- ， d tz d , d t ，也 将式( 3 9 ) 代入式( 3 8 ) 中，则可得到张力丁的表达式为： r = 警+ 等厶争c r p 4 b ( w d 2 0 ) 4 呼丢卿曙 一等耻) 一盟型产警 一 对于像薄膜这种卷材，由于其厚度很小，所以在收卷过程中，卷径一般不 会变化的很快。因此在一个短的时间内，可以将卷径n 看作是一个常数，同时 在进行动态分析时，可以将摩擦转矩当作一个固定值，那么上式则表明了卷材 张力丁与线速度巧的关系。由于线速度巧有平方项和导数项的存在，所以线速 度k 较小的变化也必将引起卷材张力丁较大的变化，反过来，当卷材张力丁有较 小变化时，线速度k 的变化就不是很明显，就是说两者之间的相互影响力是不 一样的。如果将卷径皿的微小变化因素也考虑在内，由式( 3 1 0 ) 可以看出卷径皿 对于卷材张力，的影响也是比较显著的。 3 1 2 放卷过程受力分析 放卷过程与收卷过程一样，启动时必须保持线速度k k ，这是张力产生的 前提条件。先由放卷电机带动放卷辊转动，放卷卷材将得到拉伸，此时要控制 好制动器件的制动转矩，当张力丁达到一定值时，应能拉动制动器件转动。放卷 系统简图如图3 - 2 所示。 图3 2 放卷系统简图 可见，张力控制系统中的主动力是放卷部分的卷材张力。放卷辊的力矩平 衡方程为： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 了d ( j l e a , ) ：孚一m a - 乃心) q ( 3 - 1 1 ) 政2 ” 其中：鸩为作用在放卷辊上的等效制动力矩；q 为放卷的卷径；q 为放 卷辊的角速度；以为放卷辊的转动惯量( = 以+ 。，以石为放卷辊上卷材的转 动惯量，以。为放卷辊芯轴的转动惯量) ，毋。( f ) 为阻尼系数。 在静态即匀速转动时，放卷过程同收卷过程分析时一样，在认为总转动惯 量恒定和阻尼系数不变的前提下，可以得到静态力矩方程： 孕一心一毋，( r ) q ：o ( 3 - 1 2 ) 由式( 3 1 2 ) 变形可得到张力为： r ：2 ( m d - b f , ( ) c 0 1 ) ( 3 1 3 ) q 所以在静态时，只要控制耽一b ，。( f ) q 随卷径q 的变化而成比例变化，就 可以使卷材张力r 不变，这样控制起来非常简单方便。 放卷过程同收卷过程一样，在实际过程中受外界因素的干扰也很难实现恒 张力的控制。现在分析放卷过程的动态力矩平衡方程，类似以r 的推导过程同样 可以得到： 以足= 去却( 研一珑) ( 3 - 1 4 ) 其中，b 。为放卷辊芯轴的直径，p 为卷材的密度，b 为卷材的宽度。 故可求得： 堕：监：型堕堕 ( 3 1 5 ) = ；= i 一 义 堕：2 d ( k d 1 ) ，：一2 亟一娶堕 ( 3 1 6 ) m斑d 。d ld m 、。 而 攀=去粤=旦k(3-1dtd t - r d 。 7 ) = 一一= 一， ，- 冗d 。 将式( 3 14 ) ( 3 15 ) ( 3 16 ) ( 3 17 ) 代入式( 3 1 1 ) 可得到放卷过程卷材张力丁的表达 式为! 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 卜等+ b i - ( t ，4 _ 一_ v l + 8 0 - z 孽孕c 帮 侉 5 c r p b 2 4 【以o + 础( 研一球) 3 2 a v , 、。 一下1r 一一一。砑一d t 可见，放卷过程同收卷过程一样，卷材张力丁也受到放卷线速度k 和放卷卷 径n 的影响，这一点从前面的公式可以看出。 综合收卷和放卷的讨论可以得出这样的结论：放卷过程的张力与收卷过程 的张力一样，受到卷辊线速度和卷径的影响，而且这种影响程度要远远高于张 力对它们的反作用。所以如果将线速度和卷径看作是张力控制系统中的两个干 扰量，则在设计张力控制系统时应该着重考虑这两个干扰量对系统产生的作用， 要使系统不仅对速度的冲击具有较强的抵抗能力，同时对卷径的变化也要具有 较强的鲁棒性。 3 2 干式复合机张力控制装置 干式复合机的张力控制装置主要包括三部分：检测装置、控制装置、执行 装置。张力系统的控制方法按照工艺要求的不同，可分为间接张力控制和直接 张力控制。前者通过维持张力恒定的传动系统的电参数来实现张力控制，一般 采用最大力矩控制或恒功率控制等方式，通常一般适用于要求不高的场合，可 简单实现一般的张力控制要求。后者则采用微处理器作为控制核心，实现复杂 的控制算法，硬件采用张力传感器构成张力的反馈以实现闭环控制，适用于需 要高精度、高速度的张力控制场合1 3 2 】。由于复合物料时刻处于运动状态之中， 而且要求张力恒定。因此，干式复合机张力控制系统不但要求在稳态运行中保 持恒定，还要求在动态，尤其是加、减速过程中能有效地控制张力，所以本设 计采用第二种控制方式。 3 2 1 检测装置 在采用张力闭环控制系统中，需要实时检测张力以获得反馈的张力信号， 实现闭环控制，某些系统中还有速度检测装置作为辅助信号。张力传感器可根 据不同的场合和控制要求进行选择，一般采用力传感器的形式，较常用的有轴 承式张力传感器、浮动辊式张力传感器以及气缸控制摆辊式张力传感器等，本 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 控制系统中采用轴承式张力传感器作为检测装置，它具有响应速度快、精度高 及位移量小等特点，通过张力传感器检测的信号经过张力变送器放大后传给控 制器，这个环节可以看成是一个简单的比例环节。 系统中采用的轴承式张力传感器由优质弹簧和高精度差动的变压器组成。检 测辊筒和导向辊筒安装时呈三角形分布，如图3 3 所示。传感器把物料加在受压 方向上的压力作为弹簧的变形量检测出来，差动变压器将这种变形量转换为与 之成比例的电信号。物料张力t 与压力g 之间的关系为： g = 2 t e o s ( o 2 ) + t 矿( 3 - 1 9 ) 将式( 3 19 ) 变形得： 丁： 堡二里 ( 3 2 0 ) 2 c o s ( o 2 ) 式中：口一材料夹角； 形一检测辊筒与轴承自重。 其中，形可以通过传感器调零消除，所以： 丁2 丽g ( 3 - 2 1 )2 c o s 旧2 ) 由式( 3 2 1 ) n - 知，张力传感器的理想安装应为q + 岛= 1 2 0 。，岛- - 0 2 = 6 0 。此 时有t = g ，即传感器检测到的值代表物料的实际张力值。 轴承 图3 - 3 张力传感器示意爵 张力传感器在整定以后，基本呈线性关系，因此，张力传感器的传递函数 就是一个系数为k 的纯粹比例环节。 3 2 2 控制装置 控制器是张力控制系统的核心装置，通过对张力速度传感器采集的信号进 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 行处理，按照一定的控制策略进行运算，实时调整控制信号控制执行机构，最 终完成对张力速度的控制。干式复合机的最大特点就是动作复杂、频繁，且有 较多的执行元件。本设计采用现场总线控制模块 r f b 作为张力控制系统的主控 制器，相对点偏激、工控机而言，现场总线系统具有高度集成化，通用性、兼 容性和扩展性强的优势。 3 2 3 执行装置 执行装置又分为收卷装置和放卷装置，两者在有的系统中可以互换。在本 系统中收、放卷系统采用磁粉制动器作为执行装置，控制器输出的控制信号经 过功率放大电路转换、放大后加在磁粉制动器上，达到调节其输出转矩的目的。 该功率放大电路可以看成是一个比例环节，本系统采用的是