（机械电子工程专业论文）聚四氟乙烯薄膜压延机厚度精密控制技术的研究.pdf

上海大学工学硕士学位论文 摘要 本文主要从辊距调节机构、薄膜厚度测量，以及薄膜厚度控制方法三方 面阐述有关聚四氟乙烯薄膜压延机厚度精密控制技术的研究。除此之外，还 对压延机周边设备、p l c 和触摸屏程序构建加以介绍。辊筒调距机构采用 了交流伺服电机驱动滚珠丝杠加楔形滑块的形式，滑块上端面与滑动轴承的 下端面以小角度楔形面配合，滑块以水平运动带动滑动轴承在垂直方向运 动，起到调节辊距的作用。薄膜厚度测量有非接触性测量、精度要求高的特 点，因而使用了分辨率1f 拼的激光位移传感器，芳用定点采样的方法解决 了测厚辊筒精度影响测量精度的问题。薄膜厚度的模糊p i 混合控制方法使 用p l c 实现，控制量由模糊控制部分输出与p i 部分输出求和得到，模糊控 制部分采用在线查表的形式，而p i 部分由p l c 自身的p i d 指令模块构成， p i 部分采用增量式输出。 关键词聚四氟乙烯压延机楔形非接触测量模糊p i p l c ：誊銮兰三兰罂圭兰鳖兰三 a b s t r a c t t h i sp a p e l p r e s e n t st h er e s e a r c ho ft h ep r e c i s ec o n t r o lo ft h et h i c k n e s so fp t f e f i l mo nac a l e n d e r , m a i n l yf r o m3a s p e c t s ，t h em e c h a n i s mt oa d j u s tt h ed i s t a n c e o ft h er o l l e r s ，t h em e a s u r e m e n to ft h ef i l mt h i c k n e s s ，a n dt h em e t h o d so ft h ef i l m t h i c k n e s sc o n t r 0 1 b e s i d e st h i sm a i np a r t i ti n t r o d u c e ss o m e t h i n ga b o u tt h e p e r i p h e r a ld e v i c e so f 蜘ec a l e n d e r , t h es t r u c t u r eo ft h ep l cp r o g r a m a n dt h e h m ip r o g r a m t h ed i s t a n c ea d j u s t i n gm e c h a n i s mi si nt h ef o r mo fa na cs e r v o m o t o rd r i v i n gas c r e ws h a f ta n das l i d eb l o c kt h a ti sf | x e dt ot h en u t t h eu p s i d e f a c eo ft h es l i d eb l o c ka n dt h ed o w n s i d ef a c eo ft h ef r i c t i o nb e a d n 2a l eb o t h w e d g e - s h a p e d 试mav e r ys m a l la n g l et ot h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n 1 1 1 es l i d e t r a v e l sh o r i z o n t a l l y , a n da c c o r d i n g l yt h ef r i c t i o nb e a r i n gm o v e sv e r t i c a l l y s o ，t h e d i s t a n c eb e t w e e nt h et w om i l e r sc h a n g e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i l m t h i c k n e s sm e a s u r e m e n ta r et h er e q u i r e m e n t so fn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n ta n d h i g l lp r e c i s i o n w bu s et h el a rd i s p l a c e m e n ts e n s o rt om e a s u r et h et l l i c k n e s s ， a n dt 1 1 er e s o l u t i o no f 也es e n s o ri slp 聊n l ep r o b l e mo ft h em e a s u r i n gr o l l e r s l o wp r e c i s i o ni ss o l v e db yt h em e t h o do ff i x e d - p o i n ts a m p l i n g t h ef u z z yp i h y b r i dc o n t r o lm e t h o di sr e a l i z e db yp l c ，a n dt h e1 a s tc o n t r o lo u t p u ti sg o t t e nb y a d d i n gt h et w oo u t p u t s ，f u z z ya n dp i t h ep ip a r ti sa ni n c r e m e n t a la l g o r i t h m k e y w o r d sp t f e ；c a l e n d e r ；w e d g e s h a p e d ；n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t ； f u z z yp i ；p l c i i - 原创性声明 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。 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。 本论文使用授权说明 期j ! 堕二! j 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：翌垫垫导师签名至瞰日期：、三：! ：! ：艺 1 1 课题背景 1 1 1 压延 第1 章绪论 压延是将热塑性塑料通过一系列加热的压辊，而使其在挤压和延展作用下 连结成为薄膜或片材的一种成型方法。压延产品有薄膜、片材、人造革和其它 涂层制品等。压延成型所采用的原材料主要是聚氯乙烯、纤维素、改性聚苯乙 烯、聚四氟乙烯等川。 1 1 2 聚四氟乙烯简介 聚四氟乙烯是一种白色半透明到不透明的固体，可以高度结晶，具有 3 2 7 0 c 的结晶温度，氟含量为7 6 ( 重量) ，具有稳定的化学性质。它耐高温、 耐腐蚀，当温度高于3 9 0 0c 才发生分解，在强酸、强碱、浓氢氧化钠溶液及原 子能工业用强腐蚀剂五氟化铀中都不会腐蚀，即使加热也不会溶于任何溶剂 中，此外不受氧和紫外光的作用，不吸水，耐气候性极好，具有不燃性”：其 力学强度、刚度、硬度等较其他塑料差，弯曲和压缩强度较低，虽具有趣好的 韧性和延展性，但冲击强度低；耐高压、耐寒，电绝缘性不受温度影响：有非 常小的摩擦系数：还具有低粘性、自润滑性、憎水性。 聚四氟乙烯可以制成薄膜、管材、板材、棒材、轴承、阀门、垫圈等各种 型材及零件，成功应用于既要耐高温，又要有良好的介电性能和稳定的化学性 能的场合。聚四氟乙烯薄膜可以用于制造电容器，无线电绝缘材料和衬垫，电 缆绝缘，仪器中间的绝缘层，马达或变压器的绝缘材料”1 。 1 1 3 压延机简介 二十世纪三十年代，由于聚氯乙烯大量投产，美国和德国都曾试用加工橡 胶的压延机来压延聚氯乙烯，但是鉴于这些压延橡胶的机器受到原来设计所 限，在某些方面还不能完全符合塑料的加工要求，例如，要想获得厚度公差更 为准确的薄膜，除了要求压延辊筒有更高的精度以外，还要有一套比压延橡胶 上海大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 压延 第1 章绪论 压延是将热塑性塑料通过一系列加热的压辊，而使其在挤压和延展作用下 连结成为薄膜或片材的一种成型方法。压延产品有薄膜、片材、人造革和其它 涂层制品等。压延成型所采用的原材料主要是聚氯己烯、纤维素、改性聚苯乙 烯、聚四氟乙烯等。1 。 1 1 2 聚四 乙烯简介 聚四氟乙烯是一种白色半透明到不透明的固体，可以高度结晶，具有 3 2 7 。c 的结晶温度，氟含量为7 6 ( 重量) ，具有稳定的化学性质。它耐高温、 耐腐蚀，当温度高于3 9 0 0 c 才发生分解，在强酸、强碱、浓氢氧化钠溶液及原 子能工业用强腐蚀剂五氟化铀中都不会腐蚀，即使加热也不会溶于任何溶剂 中，此外不受氧和紫外光的作用，不吸水，耐气候性极好，具有不燃性”：其 力学强度、刚度、硬度等较其他塑料差，弯曲和压缩强度较低，虽具有良好的 韧性和延展性，但冲击强度低；耐高压、耐寒，电绝缘性不受温度影响：有非 常小的摩擦系数；还具有低粘性、自润滑性、憎水性。 聚四氟乙烯可以制成薄膜、管材、板材、棒材、轴承、阀门、垫圈等各种 型材及零件，成功应用于既要耐高温，叉要有良好的介电性能和稳定的化学性 能的场台。聚四氟乙烯薄膜可阻用于制造电容器，无线电绝缘材料和衬垫，电 缆绝缘，仪器中间的绝缘层，马达或变压器的绝缘材料”1 。 1 1 3 压延机简介 二十世纪三十年代，由于聚氯乙烯大量投产，美国和德国都曾试用加工橡 胶的压延机来压延聚氯乙烯，但是鉴于这些压延橡胶的机器受到原来设计所 限，在某些方面还不能完全符合塑料的加工要求，例如，要想获得厚度公差更 为准确的薄膜，除了要求压延辊筒有更高的精度以外，还要有一套比压延橡胶 为准确的薄膜，除了要求压延辊筒有更高的精度以外，还要有一套比压延橡胶 温度高得多和便于控制的辊筒加热系统，以及补偿辊筒分离力影响的装置。所 以后来就设计了专门压延塑料的压延机。压延设备包括压延机和其它辅机如挤 出机、收卷装置等。压延机通常以辊筒数目及其排列方式分类。根据辊筒数目 不同，压延机有双辊、三辊、四辊、五辊、甚至六辊，以三辊或四辊压延机用 得最多。为了避免相邻压延辊筒的横压力对薄膜厚度引起不良影响，原来直式 的压延机逐渐改为l 型和倒l 型。1 9 5 0 年以后，美国和西德先后设计z 型和 斜z 型四辊压延机”“”。两辊压延机主要仍为直立式，这种辊简排列结构 形式使得设备结构简单，制造容易，生产制造费用较低，占地面积小，重 量较轻，电机功率利用较经济。 目前，我国在塑料、橡胶、造纸等行业中设备相对落后，尤其是压 延设备。大部分没有配置对加工产品的厚度自动测量和厚度自动控制系 统，像两辊压延机这种相对小型的设备更是如此，主要采用人工测厚、 手动调距，这不仅影响了产品的质量，而且浪费了加工原材料。 1 2 国内外研究现状 现有压延机厚度精密控制技术主要分为机械结构、厚度检测方法、控制软 件等几个方面。目前，在机械结构方面，主要有辊筒挠度补偿机构、调距机构 以及消除调距间隙装置等，其中挠度补偿方法主要有中高度法、轴交叉法、反 弯曲法等，而消除调距间隙装置主要有预载荷装置和零问距装置等。目前国外 常见的厚度精密控制系统有美国m e a s u r e x 公司的2 0 0 2 型厚度检测与控制系 统，采用x 射线原理制作成的感应器与接收器，并提供一个具有多系统管理软 件( m s m ) 的操作者控制中心( o c c ) ，能够完成系统的测控、显示、报告、 通讯等工作；还有美国n d c 红外技术公司的厚度连续测量与自动反馈控制系 统，控制算法使用专用型微处理器实现，如n d c 公司的6 1 0 0 t c 测厚系统， 通过y 射线测厚，测厚系统配备单探头扫描架”“。国内进口的压延机设备多 配套以上两公司产品，造价较昂贵。国内的化工部自动化研究所与大连橡胶塑 料机械厂、北京航空航天大学、清华大学等也致力于厚度精密控制技术的研 究，与国外差距主要集中在电气控制系统上，在检测手段上采用了一些国内的 自主技术，方法与国外类似”“”。但以上提到的厚度精密控制系统多用于较大 型压延机，机械结构与控制系统较为复杂，成本较高，不适于小型两辊压延 机，国内现有的小型两辊压延机多为手动调距，自动化程度较低。软件控制方 法上，增量式p i d 算法较为常见。 上海大学工学硕士学位论文 1 3 课题任务 压延过程是生产聚四氟乙烯生料带的个主要环节。生料带薄膜的生产过 程包括原料的搅拌、预压、挤出、压延、拉伸、分切、分卷等。厂方提出的要 求是：将原料搅拌后预压成直径2 0 0 毫米、长4 0 0 毫米的料块，然后将料块放 入挤压缸，挤出直径为1 8 5 毫米的棒料。再送给压延机，压出厚约0 1 3 毫 米、宽约2 5 0 毫米的薄膜，之后拉伸成厚0 ，0 7 毫米的生料带，再分切成宽1 3 毫米的长带并绕成大卷，最后分成小卷，每卷1 0 米。 本论文所涉及的两辊压延机是上海市机电一体工程公司的科研项目，主要 用于聚四氟乙烯薄膜的压延，薄膜厚度要求为0 1 3 r a m 5 a n 。本论文主要从调 距机构、薄膜厚度测量方法、薄膜厚度控制方法等角度出发，研究薄膜厚度的 精密控制技术，使薄膜厚度达到要求。压延主机结构如图1 1 所示。 手动阔姬 机构 图1 1 压延机主视圈 上海大学工学硕士学位论文 第2 章辊距调节机构 2 1 常用的辊距调节机构 调距装置的结构形式根据其调距原理可分为机械调距与液压调距两类，其 中以机械调距应用广泛。机械调距装置的工作原理多为以嫘旋传动经轴承体迫 使辊筒平移而改变辊筒间距，螺旋传动动力形式分为电机驱动与人力手动；从 传动方式不同还可分为单独传动调节与集中传动调节两种。1 。 2 1 1 集中传动调距装置 圈2 1 集中传动调距装置 集中传动调距装置又称整体式调距装置，即压延杌各部位的调距机构仅以 一套传动系统( 电机、减速器) 予以调整，其结构如图2 1 所示。这种传动方式 可以电动( 粗调) 或手动( 微调) ，根据需要任意选用。集中传动调距装置的 调距动力装置单一，制造简便，但总体结构杂乱、操纵不便，不利于实施自动 调距。 上海大学= r = 学硕士学位论文 2 1 2 单独传动调距装置 图2 2 单独传动调距装置 单独传动调距装置即在每个可移动辊筒两端的调距装置都单独配一套传动 系统来驱动调距的执行机构。这是目前压延机普遍使用的一种调距装置，其中 采用螺旋机构调距的装置，就其结构形式分为调距螺杆转动和调距螺母转动两 种。这种传动装置结构紧凑，一般使用双向双速电机驱动，电机的快速、慢速 分别实现粗调、精调。 1 调距螺杆转动的单独传动调距装置 如图2 j 3 所示，调距电机1 0 为双向双速异步电机，可实现辊筒进退的快速 粗调和低速微调。辊筒两端轴承体可自行单调，也可同步调节。调距的量值由 调距刻度盘6 显示。调距螺杆的端头制成球形，可保持调距过程中的自动对中 调心及支承面的良好接触。这种调距装置结构简单、调节灵活方便。但调距螺 杆头部为滑动摩擦支撑面，摩擦阻力较大。球头接触面易磨损，影响到调距的 准确性。 上海大学工学硕士学位论文 图2 3 调距螺杆转动的单独传动调距装置( 两级蜗轮蜗杆减速) 2 调距螺母转动的单独传动调距装置 图2 4 表示的是调距螺杆固定而调距螺母转动的调距装置。该调距装置中 的调距螺母8 与减速蜗轮1 0 固接在一起，在电机1 2 的驱动下，随蜗轮l o 一 起转动。因此螺杆7 只是在调距螺母8 内平动并带动轴承l 实现调距。 螺母转动式的调距装置可以消除因螺杆转动在其端头处产生的摩擦阻力 矩，改善了调距装置的受力状况。但由于不可自动调心对中。所以应使辊筒两 端同时调距，以避免调距过程中憋劲、不顺畅现象的出现。 6 土耋銮兰三兰璧i 老兰竺兰三 l _ _ _ _ _ _ _ _ 一 图2 4 调距螺母转动的单独调距机构( 减速器、蜗轮蜗杆减速) 2 1 3 传统调距机构特点 以上提到的几种调距机构，集中调距和单独调距，有以下几个特点： i 传动链一般使用蜗轮蜗杆机构实现大的减速比； i i 传动链终端一般以螺旋机构作用于辊简轴承； h i 粗、精调使用一套传动机构： 调距装置的动作一般都需手动操作，不能实现自动控制。 上海大学工学硕士学位论文 2 2 本方案调距机构及其计算 图2 5 调距机构结构圈 2 2 1 本方案调距机构及其特点 本调距机构采用的方案是手动粗调与自动精调相结合。如图2 5 所示，粗 调使用手轮带动的螺旋机构，精调使用伺服电机驱动丝杠螺母与楔形机构组成 的传动链。精调方砸，滑动轴承的下端面和滑块的上端面均为小角度楔面，楔 面倾角约0 5 度，螺母与楔形滑块紧固在一起，当丝杠转动时，滑块随着螺母 水平移动，滑动轴承就自然带动辊筒在垂直方向移动。 该调距机构与以往的调距机构相比较特点在于： i 结构简单，体积小，减速比大。楔形机构实现的减速比大于1 0 0 ，而 传统使用的蜗轮蜗杆机构体积较大，最大减速比一般不超过8 0 ”1 ； i i 传动链终端使用楔形机构直接作用于辊筒轴承，传动较平稳； i i i 粗调和精调有各自独立的传动链； i v 糖调过程由于采用了有反馈控制的伺服系统，可以实现辊距精调的完 全自动控制，工作效率高；同时保留了手动粗调功能。 2 2 2 传动链及其精度计算 根据精调调距机构尺寸，可以计算得精调理论上可以最大可调距范围约为 1 4 8 3 6 m m ，足以满足精调要求。 1 伺服电机每转滑动轴承( 也即辊筒) 的位移量 a s = d x f t a n o = 5 二t a n o 5 。7 3 9 6 1 0 4 m m 陀v = o 7 3 9 6 n n ，口v 5 9 ( 2 - 1 ) a s l2 d x i t a n b = 5 x 丽1 t a l l 0 4 5 。6 6 5 6 x 1 0 - 4 f r e r e v = 0 6 6 5 6 z , n 7 r e v ( 2 - 2 ) a s 2 = d x f t a l l 岛= 5 。丽1 x t a n o 5 5 + 8 1 3 5 x t 0 “r a m ，r e v = 0 ，8 1 3 5 1 a n r e v ( 2 - 3 ) i ：伺服电机减速器传动比( 初选为1 5 9 ) ： 0 ：楔面倾角，楔面加工精度目= 0 5 o 0 5 。 由上可得，伺服电机每转一圈滑块加工精度引起的定位误差约为一0 0 7 4 0 。0 7 4 m r e v 。 当伺服电机最小调距距离为lt z m 时，由楔面角度误差引起的定位误差为 土螋：业堡。o 1 n n 2 脉冲当量 反馈脉冲当量 f ：a s ：7 3 9 5 6 5 x 1 0 - 4 。5 6 4 l o - g m m p b 。5 6 4 x l o - 6 l n n p l s ( 2 - 4 ) p ， 1 3 1 0 7 2 上海大学工学硕士学位论文 p r ：编码器每转反馈脉冲数。 当选取指令脉冲当量a 8 = o o o l1 2 8 o n p l s 时， 电子齿轮 c m x ：笠：! ：! ! ! ! ! ! ：型 c d va l5 6 4 1 0 6l ( 2 5 ) 似y 和c d v 分别对应伺服放大器的参数p r n o 3 和p r n o 4 ，设定范围为 土( 旦燮 = 2 1 0 6 x 0 2 x0 2 5 x 0 2 7 ( 击一去) x 1 0 3 ( 2 - 1 6 ) = 2 8 4 6 5 3 f n ) = = 越塑娑趱k 。 孽一ten3溅萎燕04067n5571n 丽 昼寸竺球墨铸铁密度岛( 7 5 9 ) 菇砉并薹凳：茗+ 量磐苎譬蛰， p ，辊筒自重约为 。在内占。毒显i 04 三笔：鬯罗为空的情况 g 32 ，。单个下滑动轴承的质量 ”旧帆i 、孺衙重约 滑； n r 、 百 f d 1 rj g 1 圈2 6 伺服电机反转时滑块受力囝 冀蘸露麓黧辫盖嚣蠡姜篓黧盏淼嚣主 善纂? 菇雾署囊雾麓耄警等赢嚣蠡曩霎黧盏蒜嚣主 乏，：篓攀02 豢。黧宇鬻淼鬻釜 “2 ，= 1 。”l h j * 琢承最邵是 滑块向左运动时受到的水平方向阻力约为 上海大学工学硕士学位论文 f = l 七 l 七h s i nb = l ( g + ) + p 2 n + ns i n 卢 f 2 1 9 1 = 0 1 2 ( 1 8 9 8 + 1 8 9 2 7 8 4 ) + 0 1 2 1 8 9 2 7 8 4 + 1 8 9 2 7 ，8 4 s i n 0 5 。 “4 7 2 9 ( n ) 换算到电机轴上的等效负载转矩 帆：熹冬：丝筹。008(n删(2-20)102 。 2 册 3 z 0 8 1 0 3 此处取伺服电机减速器和丝杠螺母组成的传动链的传动效率为r = 0 8 。 6 伺服电机选择 伺服电机转动惯量与负载等效转动惯量之比对于不同伺服电机有不同要 求，一般选电机转动惯量j 。= ( 1 3 1 ) j l ，而电机转矩一般取 m ，= ( 2 3 ) m ，。但为了确保系统可靠运行，选取了相对以上负载等效转动惯 量与负载转矩计算值来说容量较大的电机。初选伺服电机三菱h c s f s 8 l ，额 定输出o 8 5 k w ，额定扭矩8 1 2 n m ，最大扭矩2 4 4 n m ，额定速度1 0 0 0 r r a i n ， 最大速度1 5 0 0 r r a i n ，电机转动惯量2 0 x 1 0 。蛔- m 2 ，允许瞬时速度 1 7 2 5 r m i n ，额定电流5 i a ，最大电流1 5 3 a 。 7 加减速时间与指令脉冲频率 定位过程的速度时间关系如图2 7 所示，以下是各个符号的含义。 ，、，：加、减速时间； ，。：稳态运动时间； f ：调整时间i t o ：一次定位操作时间： u ：定为速度； 以：指令脉冲频率。 上海大学工学硕士学位论文 n 设加、减速时间相等， 铲r ，_ 毕， 1 f - 2 f ，v ， 而t 。= j 一 图2 7 定位过程速度时间关系 由图2 7 可知 ( 2 2 1 ) 整理得f ，：，：f 。一f ：一一i ( 2 2 2 ) 。 v 5 辊筒最小定位距离设为l 掣m ，最大定位距离为2 0 m ，相应的滑块水平 移动距离分别约为z b = o 5 r a m 和，。= 2 3 r a m 。 取电机实际最高转速1 2 0 0 r m i n ，对应滑块线速度大约k 。= 1 6 r a m s ， 令，。= 8 t ，；t 。“( 0 5 2 ，= t ， f ，= f 。一r ：一一 v s ，：8 t ，一，一一l ，一k、， 避 i i f 此因 圭耋查耋三耋翌：兰堡篓吝 ， 铲瓦(2-23) 为使最小定位操作有足够的加减速时间，而最大定位操作定位时间不至于 过长，定位速度取下式形式。 k = o 3 + v s 。一o 3 ) 去 j - 0 3 + ( 1 如0 3 ) 去 ：o 3 + 1 。3 上 2 3 相应的加减速时间和指令脉冲频率分别如以下两式所示， 下两式设定高速脉冲输出指令p l s r 的参数。 ， 铲，。瓦 ， 6 ( 2 3 + 6 0 指令脉冲频率 1 ，； ：鲤 “a i g c t g o 5 2 卫 l x 一 6 ( 2 3 + 6 1 ) 6 0 0 0 0 1 1 2 8 x 1 0 一c t g o 5 。 3 1 2 5 0 6 6 7 i 5 。4 2 3 ( 2 3 + 6 1 ) ( 2 - 2 4 ) 程序中可依据以 f 2 2 5 ) r 2 2 6 ) 经计算，辊筒最小定位距离为1 一m ，及最大定位距离2 0 l a m 时，相应的 定位时间t o 的最小和最大值分别约为0 5 3 s 和2 s ，加速时间，的最小和最大值 分别约为0 0 7 s 和0 2 5 s 滑块定位速度的最小和壤大值v t 分别约为0 3 8 m m s 0 上 ，j+ f 筋 r 吲l 上海大学工学硕士学位论文 和1 6 m m s 伺服电机转速月最小和最大值约2 6 9 r r a i n 和1 2 0 0 r t m i n 。 8 加、减速转矩验算 由上面定位速度与加速时间的计算可知，定位距离最大时加速转矩最大， 只需验算此种情况。设加、减速转矩相等，则加速转矩 m 。= 施 = 饥q ) 。器 亿：，、 = 1 0 x l o - * + 2 0 x 1 0 - * ) x 篆罢 a 1 5 i ( n m 、 电机要承受的最大转矩 m 。o = m 寸mo = 0 0 8 + 1 5 l ( 2 2 8 ) = 1 5 9 ( n m 1 1 0 v x 而1 ，也就是说a d 转换模块的分辨率大于传感器的分 辨率，所以适合搭配使用。 a d 转换过程是模拟量转换为计算机可以识别的数字量的过程，也即输入 定标过程，厚度尺寸与数字量的对应关系为 卫l 1 6 0 0 _ _ _ _ 0 0 ：1 6 0 0 m m 1 0 m m1 0 y 0 1 3 m m 的控制目标值用数字量表示为： s v ：0 1 3 m m x 里l 1 6 0 0 0 ：2 0 8( 3 _ 3 ) l o m m1 0 v 允许的误差变动量5 m n ，用数字量表示为： 0 0 0 5 m m 卫l 1 6 0 0 0 ：8( 3 4 ) 1 0 m ml o y 传感器测量头放置在距离测厚辊筒约3 0 m m 处，而且，由于p l c 开机启 动后，在没有薄膜经过测厚辊筒的情况下，当遇到厚度采样信号时，给传感器 控制器的7 号输入端a u t oz e r oi n p u t 一个确定测量零点位置的脉冲信号， 所以理论上a d 模块输出量的范围约为0 8 0 0 0 ，而实际经过手动调节后薄膜 厚度决定的数字量一般不会超过1 0 0 0 。 3 4 本章小结 本章首先介绍了常用的薄膜厚度测量方法和本压延机采用的厚度测量方 法，然后说明了如何消除测厚辊筒径向跳动给测量精度带来的影响，最后介绍 传感器的工作原理、传感器与a d 模块的匹配问题以及输入定标等。经过分析 对比说明厚度测量方法实际可行，且采用的厚度测量装置相对其它装置具有一 定优越性。 第4 章薄膜厚度控制方法 4 1 控制系统构成 4 1 1 薄膜厚度控制系统构成 电机轴 反馈酥冲 翌豫i p l ci 孚鑫 薪一8 “。 。2 ”一8 。m 1l：!：rj；i酉五ioiati 位移传感器2l l - 一“。l _ i 伺服电机2 图4 1 控制系统框图 如图4 1 所示，厚度控制系统由左右两路完全相同的控制系统构成，位移 传感器l k 0 3 l 检测到的薄膜厚度经模数转换单元取2 n 8 a d 转换成数字量， p l c 从f x 2 n ，8 a d 读取该信息，将其与参考量比较后作为模糊p i 控制环节输 入量，控制环节输出控制量以高速指令脉冲的形式发送给伺服放大器m r j 2 s 1 0 0 a 驱动电机转动，电机轴的位置信息由轴端的绝对式光电编码器检测并反 馈给伺服放大器，伺服放大器在系统中一方面起到功率放大作用，另方面起到 伺服控制器的作用，使得电机能够准确地执行p l c 发出的定位指令。 4 1 2 位置伺服系统结构形式 位置伺服系统一般可分为以下几种形式“： 1 ) 开环 伺服机构根据指令装置发出的位置指令驱动机械动作，没有位置反馈，位 置控制精度完全由传动链的精度决定，对传动链的误差无法补偿。早期被用于 上湃大学工学硕士学位论文 简易型数控机床的进给系统，以步进电机为主要部件，精度在o 0 t m m 左右。 2 ) 半闭环 位置检测器和伺服电机同轴连接，直接测出电动机的角位移，进而可以推 算出执行机构的实际位置。由于位置检测器不是直接装在执行机构上，位置闭 环只能控制到电机轴为止，所以称为半闭环。可采用节距误差补偿和间隙误差 补偿的方法提高控制精度。在它的闭环中非线性因素少，容易整定，通用性 强。根据机械惯量和负载情况可以分为不同的等级，可以独立对电气部分进行 通用化设计，因此，也是目前应用最为广泛的一种形式。 3 1 全闭环 在全闭环伺服系统中，传动的间隙、摩擦特性的非线性、传动链的刚性都 会影响系统的稳定，易产生机电共振、低速爬行。 负载变化也会对系统的摩擦特性、机械惯量等产生影响，不易整定。不同 的机器包含在位置闭环中的传动链就不同，而位置控制器的设计不得不考虑这 部分机械的传输特性，使得位置控制器的设计无法进行通用性设计。 4 1 混合闭环 混合闭环伺服系统中，半闭环起主要作用，由于半闭环中电气与执行机构 相对独立，可采用较高的位首增益，使系统容易整定，而且响应快、跟踪误差 小。全闭环只用于稳态误差补偿，位置增益可以较低，从而保持系统稳定性。 但是由于同时具有两个闭环，控制系统较复杂，参数不易整定。 4 1 3 伺服放大器 m r - j 2 s 1 0 0 a ”是三菱公司生产的伺服放大器，这种伺服放大器实际是伺 服控制器与功率驱动单元的结合，是和三菱p l c 配套使用的伺服系统。m r j 2 s - 1 0 0 a 是典型的半闭环位置伺服系统的伺服控制器，是位置伺服系统电气部 分通用化设计的产物，在其闭环中非线性因素少，易整定”“”。 伺服系统中的位置指令输入形式可以分为三种：脉冲序列、并行数据、串 行数据1 。 三菱的m r - j 2 s 1 0 0 a 伺服放大器接收脉冲序列信号，脉冲信号由f x 2 n 8 0 m t 的y 1 、y 2 这两个高速输出口发出。每个脉冲对应伺服电动机一个角位 移增量，以及进给系统的一个位移增量；脉冲序列的频率对应进给速度。脉冲 序列最高频率由光电编码器的每转脉冲数和伺服电机的最高转速决定。 并行数据形式，就是通过并行接口由上位计算机向伺服系统传送位置指 圭耋銮：三兰罂老兰竺兰吝 令，数据传送速度快，但由于数据线多，不适合远距离传输。串行数据格式， 伺服系统通过串行接口从上位机获得位置指令信息，伺服系统的反馈信息也可 以通过该接口传送给上位机，易于实现远程控制。 伺服控制器的控制作用主要由以下三个控制环组成： 1 ) 电流环控制 交流伺服系统要求电流环控制具有输出电流谐波分量小、响应速度快的特 点。在使用三相永磁同步伺服电机的伺服系统中，必须满足内环控制所需要的 控制响应速度，能精确控制随转速变化的交流电流频率。当电流频率较高时， 电流控制所产生的跟踪滞后造成的影响会十分明显，直接关系到电流控制的性 能，所以快速频率响应是电流控制的主要性能指标“”。 2 ) 速度环控制 速度控制是交流伺服系统中极为重要的组成部分之一。速度控制要求高精 度、快响应，具体反映为小的速度波动、快速频率响应、宽的调速范围等 等。为了达到这些控制要求，一般采用高分辨率、响应速度快，而且纹波小 的速度传感器，如高速光电编码器，采用高性能的电流检浏器和高开关频率 的电力电子器件。 交流伺服系统中速度控制环节的性能指标主要有以下三点： i 转速的不均匀度小于6 ； i i 频率响应在1 0 0 h z 以上； i i i 速度控制范围在1 ：1 0 0 0 以上。 3 ) 位置环控制 伺服控制器接收位置指令脉冲序列、方向信号，偏差计数器对指令脉冲计 数与反馈脉冲计数，计数结果作为速度指令送往速度伺服单元，使电机转动。 伺服电机旋转时，与电机轴连接的光电编码器立即产生出与电机转角成比 例的反馈脉冲信号。偏差计数器一边接收指令脉冲进行增计数，一边接收反馈 脉冲进行减计数。当伺服电机尚未加速到指令脉冲之前，反馈脉冲频率低于指 令脉冲频率，计数值增加，电机速度也就跟着增加，电机速度达到指令速度 时，反馈脉冲与指令脉冲频率相等，计数值处于动态平衡，电机匀遽运转。当 指令脉冲发送结束时，反馈脉冲使计数器中计数值逐渐减少，速度指令值变 小，电机减速，直到反馈脉冲使计数值减为零，即指令脉冲与反馈脉冲数相 等，电机停转，完成一次定位过程”。 偏差计数器计数值是当前指令脉冲与反馈脉冲个数的累积差值，代表当前 的位置跟踪误差，只要有位置跟踪误差，就有速度指令输出。 占誊銮：三兰翟土：竺兰兰 4 1 4 位置传感器 本系统中使用的是1 7 位绝对式光电编码器，每转反馈脉冲1 3 1 0 7 2 p j s ，伺 服系统中使用的位置传感器一般有旋转变压器、磁性编码器、光电编码器等。 传感器的位置信息和速度信息反馈给位置控制环节和速度控制环节供控制使 用。传感器一般安装于伺服电机轴端。 光电编码器精度高，没有磨损，寿命长，是使用最为广泛的一种位置反馈 元件，光电编码器可以分为以下几类“2 “： 1 1 增量式光电脉冲编码器 反馈a 、b 、z 兰相脉冲。a 、b 两相相位差为9 0 度，z 相脉冲是电机轴 每转一圈产生一个脉冲，z 相脉冲用于基准点定位，类似于磁性编码器。增量 式编码器主要由圆光栅和指示光栅两部分组成。 圆光栅：圆周上刻有等距条纹，光栅与工作辅起旋转。 指示光栅：与圆光栅平行放置的扇形薄片，固定不动，刻有两条相差9 0 度的狭缝( a 、b 相脉冲) ，可以辨向；还有一条零位狭缝( z 相脉冲) 。 增量式光电编码器相对于下面提到的绝对式编码器输出线少，抗干扰能力 强，可靠性高，适合于长距离( 远至几百米) 传输，但不能输出转轴的绝对位 置。 2 ) 绝对式光电编码器 绝对式光电编码器利用自然二进制或循环二进制编码方式进行光电转换。 码盘上有许多同心圆( 码道) ，它代表某种计数制的一位，每个同心圆上有透 光和不透光的部分，透光部分为“l ”，不透光的部分为“0 ”，沿径向方向，组 成若干图案代表相应的绝对计数值。 精度受二进制位数，也就是码盘最外圆的分段宽度的限制，位数越多，分 段越密，位置反馈精度越高。目前交流伺服系统使用的绝对式码盘精度大都在 1 2 位到2 0 位之问。绝对式光电编码器没有累积误差切断电源后位置信息 不丢失，但同时信号线较多，影响到可靠性。 3 ) 复合式光电编码器 复合式光电编码器是一种带有简单的磁极定位功能的增量式光电编码器， 它输出两组信号，一组用于检测伺服电机磁极位置，用于捡测电机转轴的绝对 位置，另一组完全和增量式光电编码器的输出信号相同。其磁极定位过程是： 电动机启动前，通过输出的u 、v 、w 三路相位相差1 2 0 度的脉冲信号的状态 估算出电动机磁极位置( 绝对信息) ，即现在的角度。一旦电动机转动起来， 占耋銮兰三：璧圭：竺兰兰 光电脉冲编码器的增量部分( a 、b 、z 相脉冲) 则可精确检测出位置值”。 4 ) 多圈式绝对光电编码器 多圈式绝对光电编码器克服了以上三种光电编码器都无记忆功能，停电信 息( 角度、转数) 丢失。多圈式绝对光电编码器综合了各种编码器的特点，有 一个光电码盘和一个磁码盘，两路通道的信号经码盘内部的c p u 、大规模集成 电路和驱动电路串行地输出绝对式位置信息。其优点为： i 体积小； i i 允许转速高，可在4 5 0 0 r m i n 以上运行； i 分辨率高，可达1 7 位； r v 多圈记忆，可以记忆9 9 9 9 9 转转数数据； v 数据存储时间长，使用锂电池可保持4 年以上。 旋转变压器在结构上和两相绕线式异步电机相似，由定子和转子组成，并 且分有刷和无刷两种。当定子加大励磁电压( 频率2 - - , 4 k h z 的交变电压) ，通过 电磁耦合，转子绕组产生感应电势，其输出电压的大小取决于定子和转子两个 绕组轴线在空间的相对位置，以此来获取伺服电机转轴的位置信息。输出两相 正交波形，可以输出转子的绝对位置“。 旋转变压器优点如下： 有铁心和线圈，所以结构坚固，可靠性高，不用维修； v 输出信号大； v i 旋转变压器本身完全不带半导体电子元器件，所以非常适合在较 高温度下以及恶劣的工业环境中工作。 但其缺点是，解码电路复杂，难以得到高绝对角度精度，在分辨率相同的 情况下，其绝对角度精度是光电编码器的l ，6 以下，而且价格昂贵。 磁性编码器分磁鼓型和磁阻型两种。磁鼓型工作原理为：当工作轴转动 时，磁性传感器检测到磁通的变化，通过转换电路输出a 、b 、c 三相方波脉 冲，其中a 、b 两相相位差为9 0 度，这样可以方便地判断转向，z 相脉冲是电 机轴每转动一转产生一个脉冲。 磁性编码器的优点是”； i 结构简单，成本低； i i 不用发光二极管，耗电少； i 外形适合高速旋转； 与光电编码器比较，更适合恶劣的工作环境。 但磁性编码器目前还处于研究阶段，有其缺点，如惯性大，分辨率较低， 上海大学工学硕士学位论文 一般为1 0 2 4 p l s r 。 4 2 模糊p i 混合控制 p i d 控制和模糊控制都是工业领域广泛应用的控制技术。p i d 控制无需建 立系统的精确数学模型，算法简单，参数易于整定，具有较强的鲁棒性，而且 适应性强，可靠性高。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推 理为基础的一种数字控制技术。在模糊控制器中引入积分控制环节用来提高其 稳态精度很早就引起人们的关注“，1 9 7 8 年m ，b r a a e 和d a ，r u t h e r f o r d 采 用了积分形式的模糊控制器，其输入输出端都具有积分作用。但是在消除大的 余差的同时却不能保证消除极限环“。 本压延机的薄膜厚度控制采用闭环模糊p i d 混合控制，使用模糊控制输出 与p i 输出两者求和作为控制输出量的形式。如图4 2 所示，积分控制作用直接 对误差的精确量积分，并乘以比例增益足，后与模糊控制器输出的控制作用叠 加后作为总的控制量。由于误差连续变化，积分的控制作用也跟着连续变化， 因此可以完全消除余差，并能保证不出现极限环振荡“。 p i 部分有位置式和增量式两种形式，由于压延过程的不连续性，随机干 扰以及某些故障情况的发生，当采用位置式算法时，控制量的输出幅值可能剧 烈变化，而位置式算法控制量与机械位置又一一对应，因而必然导致机构的剧 烈运动，严重时可能造成压延机两个辊子相抵触，破坏辊筒和相关机构，造成 事故。 增量式控制的优点”： i 由于控制器输出控制量增量，所以误动作影响小，少数情况下出现的 误动作可以由逻辑判断去除。 手动切换到自动时冲击小，便于实现无扰动切换。 i i i 增量式p i d 算法没有位置式的误差累加项，控制量的增最仅与最近三 次采样值有关。 此外，程序中对总控制量的输出采用了越限赋极值的措施，防止执行机构 过于剧烈的动作。根据实际情况选定执行机构单次定位距离不大于0 0 2 m m ， 如果大于此值，则取该值，同时最小定位距离定为1 j 明，当定位距离小于该 值时，定位值设为0 ，伺服电机不动，即单次定为范围设为1 2 0 口m 。 当指令脉冲当量，= o 0 0 1 1 2 8 a m p b 时， 占耋查兰三兰罂圭兰竺兰兰 最小定位脉冲数量约为 “。= 瓦1 = 蕊1 8 8 7 ( p b )“。瓦2 蕊刚耵 最大定位脉冲数量为 “一= 瓦2 0 = 丽2 0 1 7 7 3 0 ( 加)“一2 瓦。丽刚“3 呲叫刚 ( 4 - 1 ) ( 4 - 2 ) 因此，单次最大定位脉冲数量应定为该值。 整个模糊p i 混合控制程序，主要有以下几个调节参数，k ( 比例增 益) 、一( 积分时间常数) ，k l 、k 2 、k 3 ( 比例因子) 。 4 2 1p i 部分 图4 2 模糊p i 混合控制器框图 p i 控制部分使用p l c 指令系统中的p i d 指令模块，由于模糊控制作用已 经起到改善系统动态性能的作用，为了降低系统复杂程度，减少可调参数数 量，没有使用微分控制环节。以左路p i d 指令说明如下”。 p i dd 2d od 1 0 图4 3p i d 指令 d 2 ：参考值s v 地址( 当改变该值时应先停掉p i d 指令，改变后再恢复执 行，可避免p l c 的控制限制突然停掉p i d 操作) ； d 0 ：当前过程值p r 地址： 一 _ l 心 d 1 0 ：p i d 控制参数存放百地址，p i d 爹数存放于d 1 0 - - d 3 4 ； d 4 6 ：输出值肘e 存放地址。 该p i d 模块采用了增量式p i d 算法。 删喝障域) + 秘+ 见 ； 其中见= i 享毛i c - z 尸一t + 尸+ p 一：) + i 等见“ 当前过程值p ； 参考值s v ； 计算过程值( 一阶延迟滤波，消除来自传感器信号的高频干扰 尸= ，圪+ 口( 尸一，- e v o ) ； 误差e = l p - s v i ； 输出值埘k = 从；( 4 - 7 ) p i d 指令的初始参数设置如下： 采样周期疋= 3 0 m s ；( p l c 程序采用3 0 m s 固定扫描周期) 滤波系数口= 5 0