（机械电子工程专业论文）高精度卷绕真空镀膜设备张力控制技术研究.pdf

上海大学工学博士学位论文 摘要 张力控制是镀膜、i c 制造、印刷、纤维缠绕等工业设备中具有共性的 基础技术之一。随着现代卷绕设备向高速、高精度方向发展，张力控制技 术极其重要。由于大型机电张力设备结构复杂、影响因素众多，在不同工 况下系统参数存在着较强的耦合性、非线性、时变性和不确定性；在基础 理论、检测技术和控制策略等方面都还有许多问题尚需解决，因此，机电 系统张力控制问题是摆在工程技术人员面前急需解决的重大研究课题之 真空镀膜设备主要用于在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，该金属膜可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。本文研究 的目标是通过对锌铝复合超薄电容膜设备张力控制技术的研究，推导卷绕 装置的张力控制数学模型，在高速、低张力等极端情况下，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。 真空镀膜机张力控制难点：张力和薄膜的传递速度应该保持在一个恒 定的值，一但速度产生波动，蒸发产生的锌铝复合物在薄膜上的厚度就会 不一致。另一方面，不合适的张力会使薄膜产生皱纹，甚至导致薄膜断裂。 并且薄膜的张力对卷辊而言太小的话会导致薄膜打滑。所以薄膜张力控制 系统要保证在同一时间控制速度和张力。 由于薄膜卷绕系统由很多卷辊的子系统组成，子系统之间互相影响导 致薄膜张力控制系统相当复杂。某一个区域的张力值变化会导致相邻部分 张力变化随后导致速度波动等问题。 作者分析了薄膜张力控制系统并且提出了建立数学模型的方法，提出 了张力控制系统的数学模型。由于系统的不确定性包括薄膜材料变动对工 艺的影响，本文提出了应用自适应模糊控制器处理鲁棒性。模糊控制器的 比例因子能够在线调整来实现自适应的功能。 v 上海大学工学博士学位论文 论文以“高精度卷绕真空镀膜设备张力控制技术研究”为题，分析了 卷绕系统内各子系统间动态耦合关系；研究了基于模糊控制p i d 控制算法； 研制了基于p l c 和现场总线技术的张力控制系统和实验样机，并通过实验 对所研究内容进行验证。论文主要工作如下： 在对数学模型分析的基础上，本文实现了以可编程控制器为控制核心、 伺服电机为张力执行元件、张力传感器实时反馈薄膜张力变化、带有补偿 技术的闭环张力控制系统。通过采用卷径演算器补偿由于半径变化所带来 的张力变化，采用加速度补偿来解决由于卷绕速度变化而引起的张力变化 问题，而采用惯性补偿解决了收膜辊、放膜辊惯性变动引起的问题。由于 卷绕系统是一个复杂的控制对象，尤其是在收放膜过程中，收放料装置的 动态特性发生很大的变化，采用普通的p i d 控制器很难保证卷绕过程的动 态性能，很难保证在各种使用状态下的动态特性稳定，需要采用适应性更 强的控制算法。基于以上原因，本文提出了以模糊自适应p i d 控制算法作 为卷绕系统的张力控制策略。仿真结果表明，本文提出的自适应模糊p i d 控制策略比常规p i e ) 控制策略控制效果好，适应性强。 关键词：真空镀膜机张力控制卷绕系统p l c c c l i n k a b s l k a c l t e n s i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yi so n eo ft h ec o m m o nt e c h n o l o g i e se x c l u s i v e l y u s e di nt h ee n g i n e e r i n gi n d u s t r ys u c ha sc o a t i n g ，i cm a n u f a c t u r e ，p r i n t i n g e q u i p m e n t ，f i b r ew i n da n de c t a l o n gw i t ht h em o d e r nw i n d m a c h i n ed e v e l o p i n g t o h i g h e rs p e e da n dp r e c i s i o n ，t e n s i o n c o n u o lt e c h n o l o g yb e c o m e sm o r e i m p o r t a n t d u et ot h ef a c tt h a tt e n s i o ns y s t e m c a nb ea f f e c t e db ym a n yf a c t sa n d i t ss t r u c t u r e sa r ec o m p l e x ，a sw e l la si t sd e e pc o u p l i n g ，n o n l i n e a r i t y , t i m e v a r i a b i l i t y , a n di n d e t e r m i n a c yo fi t sp a r a m e t e r s ，t h e r e a r es t i l lm a n y p r o b l e m so ni t sb a s i ct h e o r e t i c s ，c h e c k i n ga n dm e a s u r i n gt e c h n o l o g ya n d c o n t r o l t e c h n o l o g yt ob es o l v e d i ti so n eo ft h ep r o b l e m so fs i g n i f i c a n c er e s e a r c hf o r t h et e c h n i c i a nt os t u d y h i g hv 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 es 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 d f 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 sa n d p 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 dt 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 s t 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 ft e n s i o nc o n t r o lc a nm a k ea d i r e c ti m p a c to nt h ef i n a l q 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 e o fs t u d y , t h em a i nt a s ki s d e s i g nw i n d i n g u n w i n d i n g t e n s i o nc o n t r o ls y s t e mt os u i tt h ep r o d u c t i o no f m e t a l l i s e df i l mf o rh i g hq u a l i t yc a p a c i t o r t h i st e n s i o nc o n t r o lm o d ei s w e l l s 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 fh i g hs p e e da n dl o wt e n s i o nw h e nc o a t i n g a 1 u m i n u m z i n co ne x t r at h i nf i l m t h et e n s i o na n dt h es p e e do ff i l ms h o u l db em a i n t a i n e da tar e f e r e n c ev a l u e i ft h ed e l i v e r ys p e e df l u c t u a t e s ，t h e n t h et r e a t m e n to nt h ef i l mb e c o m e s n o n u n i f o r m o nt h eo t h e rh a n di n a p p r o p r i a t et e n s i o nm a yc a u s ew r i n k l e so r e v e naw e bb r e a k a n di ft h et e n s i o ni sn o ts u f f i c i e n tf o rt h ed r i v er o l lt oc a p t u r e t h ew e b ，t h ed r i v er o l ll o s e sc o n t r o lo ft h ew e b ，l e a d i n gt ow e bs l i p a c c o r d i n g l y t h ew e bt e n s i o nc o n t r o ls y s t e ms h o u l dh a v ee n o u g hc o n t r o lp e r f o r m a n c ef o r b o t ho fs p e e da n dt e n s i o na tt h es a m et i m e i th a si ng e n e r a lad e c e n t r a l i z e di n f o r m a t i o ns t r u c t u r e ，w h i c hi sc o m p o s e do f a s m a n ys u b s y s t e m s a st h ed r i v er o l l s t h es t r o n gi n t e r a c t i o n sa m o n g s u b s y s t e m sm a k et h ec o n t r o l l e rd e s i g nt a s kc o m p l e x ac h a n g ei nt e n s i o nf o r c e v a l u ei n o n es e c t i o nc o u l dc a u s en e i g h b o u f i n gt e n s i o n v a r i a t i o na n d v 上海大学工学博士学位论文 一一 s u b s e q u e n t l yw o u l dm a k et h es p e e df l u c t u a t ea n dv i c ev e r s a 1m s p a p e rl sc o n c e r n e dw i t ht h es y s t e mu n c e r t a i n t yt h a ti n c l u d e sv a r i a t i o n0 f m a t e n a lc o n s t a n t si na p r o c e s s a n dw es t u d yh e r et h ea p p l i c a t i o no ff u z z yl o g i c c o n t r o l l e r ( f l c ) w i t hs e l f - t u n i n gf u n c t i o nt o c o p ew i t ht h er o b u s t n e s s t h e f “。sp a r a m e t e r st h a ta r et u n e do n l i n ea r es c a l i n gf a c t o r sf o rt h e o u t p u ts i g n a l s o ft e n s i o nc o n t r o ls u b s y s t e m s b a s e do nt h em o d e l s ，t h i sp a p e rd e s i g n sa c l o s e dl o o pt e n s i o nc o n t r o ls v s t e m w i t hc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yw i t hp l c a sc o n t r o l l e r , s e r v om o t o r sa sd r i v e r s t e n s l o ns e n s o r sf e e d b a c k i n gf i l mt e n s i o nc h a n g er e a l t i m e l y w e a d o p tr a d i i c a l c u l a t o rt oc o m p e n s a t ef o rt e n s i o nc h a n g ec a u s e d b yr a d i ic h a n g e w ea d o p t a c c e l e r a t i o nc o m p e n s a t i o nt os o l v et e n s i o nc h a n g ec a u s e db yw i n d i n gv e l o c i t v c n a n g e a n dw ea d o p ti n e r t i ac o m p e n s a t i o nt os o l v ei n e r t i ac h a n g ec a u s e db v w l n d i n g u n w i n d i n gr o l l e r b e c a u s ew i n d i n gs y s t e mi sa c o m p l e xc o n t r o lo b e c t ， i t s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fw i n d i n g u n w i n d i n g e q u i p m e n tc h a n g e sal o t e s p e c i a l l yd u r i n gw i n d i n u n w i n d i n gp r o c e s s c o m m o np i dc o n t r 0 1 l e r i s d l f f i c u l tt oa s s u r e d y n a m i cp e r f o r m a c eo fw i n d i n gp r o c e s s a i m e da tt h e s e p r o b l e m s ，t h ep a p e rp u tf o r w a r dac o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hi s f u z z ys e l f t u n e d p i dc o n t r o l l e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es e l f - a d j u s t e d f u z z yp i dc o n t r o l l e rh a sa b e t t e rp e r f o r m a n c et h a nc o n l i n o np i d c o n t r 0 1 1 e r k e y w o r d s ：h i g hv a c u u mf i l mc o a t i n gm a c h i n e ，t e n s i o nc o n t r 0 1 ，p 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 v 上海大学工学博士学位论文 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。参与同一土作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 洱日期：掣 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：宰蓝4 手一导师签名：址日期： 一7 ? 7 上海大学工学博士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 当今世界各类工业设备已发展成为多物理过程、多模块结构、多功能特性的 机电系统，如高速、高精密的镀膜设备，i c 制造设备、印刷设备、纤维缠绕设 备等，它们为能源、化工、冶金、材料、机械、运输等重大支柱产业生产制造出 各类高性能产品。然而在这类机电设备稳定、高效运行的背后，无不有高精度的 张力控制系统支撑。机电系统张力控制技术，足这类工业设各的共性基础技术之 一。由于大型机电张力系统结构复杂、影响因素众多，在不同工况下系统参数存 在着较强的耦合性、时变性和不确定性：在基础理论、检测技术和控制策略等方 面都还有许多问题需要解决，因此，机电系统的张力控制问题严重阻碍了我国相 关装备的技术进步，是我国工程技术人员急需解决的重大研究难题。 真空镀膜技术是利用物理、化学手段在固体表面涂覆一层特殊性能的镀膜， 从而使固体表面具有耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、防辐射、导电、导磁、 绝缘和装饰等许多优于固体材料本身的优越性能，达到提高产品质量、延长产品 寿命、节约能源和获得显著技术经济效益的作用。因此真空镀膜技术被誉为最有 发展前途的重要技术之一，井己在高技术产业化的发展中展现出诱人的市场前 景。这种新兴的真空镀膜技术已在圜民经济各个领域得到应用，如航空、航天、 电子、信息、机械、石油、化工、环保、军事等领域【4 】。 电容器是最广泛应用于电气及电子产品的主要部件之一，真空金属镀膜在数 十年来已成为电容器制造的重要环节，在过去数年问，作为电容器介质的金属化 薄膜的生产得到大大的发展，经过真空镀膜处理后的聚酯( p e t ) 、双轴向拉伸 聚丙烯( b o p p ) 等塑料薄膜可作为电容器的电极使用，蒸镀薄膜型电容器与金 属箔型电容器相比，不仅具有高工作场强和低介质损耗的特点，而且体积小，容 量大，损耗小，其各项性能和特性大大优于会属箔型电容器，而成为电力行业很 有发展前途的一种节能产品 1 。但是真空镀膜技术的发展必须依赖于机械制造业 为其提供先进的工艺装备，传统的机械设备已经不能满足新材料、新工艺的发展 要求，因此对高性能卷绕镀膜机精密张力控制系统的研究己势在必行。 图1 1 电容器 上海大学工学博士学位论文 1 2 真空镀膜工艺的分类及特点 所谓真空镀膜技术是指在真空条件下将金属、金属化合物和其他镀膜材料沉 积到基材表面上的技术。塑料真空镀膜常用的方法有热蒸发镀膜法和磁控溅射镀 膜法。一般情况下，蒸发法只能蒸发像铝这样的低熔点金属。磁控溅射法则几乎 能镀各种高熔点的金属、合金和化合物，而且镀膜层与基材的结合力较强，还具 有镀膜层致密，均匀等优点。从客户的生产实际需要和技术经济性考虑，本课题 涉及的真空镀膜机将采用蒸发法进行镀膜。真空蒸发镀膜法( 简称真空蒸镀) 是在 真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化， 形成蒸气流，入射到固体( 称为衬底或基片) 表面，凝结形成固态薄膜的方法。蒸 发源是蒸发装置的关键部件，根据蒸发源不同，真空蒸发镀膜法可以分为以下几 种：电子束蒸发源蒸镀法、电阻蒸发源蒸镀法、高频感应蒸发源蒸镀法、激光束 蒸发源蒸镀法畔】。其中利用电阻加热器加热蒸发的镀膜设备构造简单、造价便宜、 使用可靠，可用于熔点不太高的材料的蒸发镀膜，由于电容金属化膜所采用的镀 膜材料一般为铝和锌，两者的熔点都不高，因此，在此次设计中我们采用的蒸镀 方法为电阻蒸发源蒸镀法。它的整体工艺过程包括薄膜从放膜辊放出，经过张力 辊、展平辊和其它一些过渡辊，在主辊上完成蒸镀，最后经过展平辊和张力辊回 到收膜辊上。 1 3 国内外发展现状 1 3 1 国外的发展现状 国外的真空镀膜设备发展相当快，随着生产率的提高，生产费用大大降低， 已经为真空镀膜产品的普及铺平了道路。以卷绕式真空镀膜机为例，刚开发时可 镀的薄膜基材宽度是1 5 0 m m ，而目前德国康大技术有限公司生产的c a p m 6 5 0 半连续卷绕式真空镀膜机( 如图1 2 所示) 可镀的薄膜基材宽度是6 7 0 m m ，基 材卷筒的最大卷经是6 0 0 m m ，最大卷绕速度是2 0 m s ，镀膜周期为5 5 分钟，其 中镀膜时间2 8 分钟，占整个周期的5 1 。辅助操作时间包括换膜卷时间1 0 分钟， 抽真空时间1 0 分钟，加热和进气时间7 分钟，总共2 7 分钟，占整个周期的4 9 。 它可以生产膜厚1 5 1 5 9 m 的p e t 膜、膜厚3 5 2 0 1 t m 的o p p 膜、膜厚2 0 9 9 m 的p c 膜。另外其机械性能也相当不错，启动后2 0 秒钟内到达全速，1 0 秒钟内 可由全速达到完全制动。其卷绕张力由负载传感器及p i d 闭环回路精确控制，各 有运转中基材长度自动记录，断带自动停车并防止松卷，铝丝自动送进，镀膜层 厚度自动测量等设施【4 引。莱宝公司生产的l h 6 5 0 真空镀膜机可生产膜厚1 6 1 x m 、 2 上海大学工学博士学位论文 膜宽6 3 0 m m 的电容膜，生产线速度达1 5 m s 。意大利g a l i l e ov a c u u mt e c 公司生产的m l 6 5 5 0 系列镀膜机( 如图1 3 所示) 可以生产膜宽6 5 0 r a m ，膜厚 5 - 1 0 1 x m 的p e t 膜、膜厚5 - 1 5 9 m 的o p p 膜、生产线速度可达1 8 r n s ，具体性能 数据在表1 1 、1 2 中详细列出。 表1 1k o n t e xc a p m6 5 0 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 真空时间 小于5 分钟 工作真空4 1 0 - 4 m b a r ( 1 5 1 5 um ) p e t 、( 3 5 2 0 um ) o p p 、 基材 ( 2 0 - 9 i j m ) p c 卷绕系统 蒸镀幅宽4 3 0 m m 6 7 0m m 数据 基材直径 6 0 0 m l n 基材卷芯内径7 6 m m 、1 5 2 m n l 蒸镀线速度 1 2 0 m s 铝蒸发材料 9 9 9 8 铝锌 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 x3 0 m m 1 3 0 m m 及尺寸高蒸发率1 0 m m x 4 0 m m 1 3 0 m m 镀膜土鼓温度最低3 0 ，工作时温度偏差+ 1 。c 控制系统p l c 自动控制西门子$ 7 - 4 0 0 系列，p r o f i b u s 分布输入输出模块系统 总价 1 , 2 1 5 0 0 0 0 0 欧元 意大利g a l i l e ov a c u u mt e c 公司生产的m l6 5 5 0 系列镀膜机可以生产 膜宽6 5 0 m m ，膜厚5 - 1 0 t m 的p e t 膜、膜厚5 - 1 5 1 x m 的o p p 膜、生产线速度可 达18 m s 。具体数据如表1 2 所示： 表1 2g a l i l e om l6 5 5 0 设备体积1 4 f t ( 长) 4 5 f l ( 宽) 3 a f t ( 高) 工作室抽 小于6 分钟 真空时间 工作真空 1 - - 5x1 0 4 m b a r 基材 ( 5 1 5um ) p e t 、( 5 1 0um ) o p p 卷绕系统 蒸镀幅宽3 0 0 m m 一6 5 0 m m 基材直径5 0 0m m 数据 基材卷芯内径 1 5 0 i n l n 蒸镀线速度1 1 8 m s 或更高 3 l 癣大学t 学博学位论女 蒸：i 统 钒蒸发材料9 99 8 铝锌 镀层厚度铝i 一1 0 方欧，锌铝卉金1 0 1 0 0 方敞 镀膜均匀度1 7 蒸发内材料烧纠 陶瓷、电：f i 加热方式 蒸发舟数毋 及尺寸 8 只尺- jl o m m x 2 4 m m x l ( j s m m 镀膜主鼓温度 最低一3 5 ，i ：作时温度偏聋+ o5 c 孛制系统 p l c 自动控制两fj 子s 7 1 5 5 系州 总价 1 , 2 0 00 0 00 0 欧元 幽i 2k o n t e xc a p m6 5 0 镀膜机 图1 3g a l i l e o v a c u u m t e c 公司m l6 5 5 0 系列镀膜机 随着计测技术、控制技术的进步和计算机技术的应用，卷绕式真空镀膜机正 向着高自动化和高可靠性的方向发展。 与此同时，国外很多高校和科研机构也在卷绕机构方面也进行了广泛的研 究。从已检索的文献看，他们在很多关键技术问题上提出了解决方法，下面简要 分析相关的研究成果。 由于卷筒的几何误差对纸带传输系统的径向和轴向张力会产生显著的影响， 尤其是卷筒的偏心会对系统产生周期性的干扰，韩国汉城k o n k u k 大学k e e - h y a n ，岛丑一 ，鱼一 雹霉一 黼翻霹 ”曼一 ”_ _ ! 一一誊 上海大学工学博士学位论文 s h i n 等人提出了一种自适应的偏心评估和偏心补偿方法来消除由于卷筒的形状 引起的干扰【2 3 j 。 y h o u 采用一种独特的a d r c ( a c t i v ed i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r 0 1 ) 控制策略 来补偿纸带传动系统中常见的动态变化和不可预知的外部干扰i 嘲。 新加坡南洋理工大学f a n gl i nl u o 提出了用于金属镀膜设备恒张力控制的 b p n n 算法，运用人工神经网络算法的准静态和非线性控制系统，在金属镀膜设 备上取得了预期的速度和张力响应【1 6 】。 低成本和高生产率是纸带传送系统的两大主要目标，低成本的一种途径是利 用观测器技术代替张力传感器，而提高生产率则需要加大生产过程的速度。然而， 当速度变动很大时，系统摩擦和卷筒的惯性会对使用于张力控制的观测器技术产 生影响，鉴于此种情况，台湾昆山科技大学林谷钦提出了带有一种反馈配置的观 测器，它能够排除摩擦和惯性对张力精确控制的影响，仿真和实验的结果表明此 种基于观测器的张力反馈控制器能够达到使用张力反馈控制器的效果【1 7 】。 h a k a nk o c 和d o m i n i q u ek n i t t l e 等人对弹性材料卷绕系统进行了建模并提 出了几种不同的带张力和线速度控制的策略。首先提出了h q o 鲁棒控制策略减少 速度和张力的耦合，并和工业上常用的p i d 分散控制策略进行了比较。其次又提 出变增益的h o o 鲁棒控制，使之对半径变化鲁棒性更强，并采用l p v 控制策略 和先前的方法进行了比较。最后，把l p v 控制策略和先前的变增益鲁棒控制相 结合，消除了速度和半径以及相应惯性变化而产生的干扰对系统的影响，并在实 验装置上得出了理想的结果【l o 】。 从上面的分析可以看出，可供查阅的文献中绝大部分提出的方法是针对纸带 传送系统而言的，普通纸带相对于厚度在3 8u 的p e t 、b o p p 塑料薄膜而言， 其伸缩变形要小，对张力变动的敏感度也要小，对于这些塑料薄膜，我们就需要 更加精密的张力控制系统。 1 3 2 国内发展状况 近年来，我国生产的真空镀膜机已有一定的基础，国内已有不少单位开展了 卷绕式真空镀膜机的研究，并生产了一些规格的真空镀膜设备，如上海曙光机械 制造厂的z z l 8 0 0 k 、z z 2 4 0 0 k 系列高真空卷绕式镀膜设备，广东新会兆业科技 有限公司方箱式锌铝复合膜真空卷绕镀膜机。表1 3 列出了z z l 8 0 0 k 、z z 2 4 0 0 k 系列高真空卷绕式镀膜设备的主要技术参数： 表1 3 5 上海大学工学博士学位论文 规格型号 z z 1 8 0 0 kz z 2 4 0 0 k 基体材料 p e t 1 2 6 0 “；b o p p 2 0 p e t - 1 2 6 0 “；b o p p 2 0 6 0 1 t6 0 p 卷 最大宽幅 1 1 0 0 m m 1 1 0 0 m m 膜最大卷径7 0 0 m m1 0 0 0 m m 条 卷芯直径 巾7 5 m m 、由1 5 2 m m由7 5 m m 、由1 5 2 m m 件 卷绕最大速度 4 5 0 m m i n4 5 0 m m i n 张力控制方式直接张力检测，自动控制方式直接张力检测，自动控制方式 张力控制范围 5 0 - 4 0 0 n2 5 2 5 0 n 真 上室1 3x1 0 。1 p a1 3x1 0 。1 p a 空 极限压力 下室 5x1 0 3 p a 5x1 0 。3 p a 条 从大气至7 xl o 。2 p a ，从大气至7 x1 0 。2 p a ， 件 恢复抽空时间 8 m i n8 m i n 蒸 发 蒸发材料 q 1 5 铝丝( 纯度9 9 9 8 ) q 1 5 铝丝( 纯度9 9 9 8 ) 系 统 蒸发器氮化硼9 x 7 5 k w 只 氮化硼9 x 7 5 k w 只 基体材料所列数据为国际、国内著名基材生产厂家所生产的专用于真空镀铝的基材。 但这些设备与国外设备相比，差距仍然比较大，在全自动卷绕机的开发和生 产上尚属空白。现有设备多为国外8 0 年代产品或根据国外8 0 年代产品仿制的半 自动卷绕机，其张力自动跟踪系统不完善，没有接触压辊和避震系统的设计，故 在卷制过程中无法保持恒张力，无法避免膜层间空隙和皱纹的产生，无法达到生 产金属化薄膜高压并联电容器、高频脉冲电容器、直流高压电容器所必需具备的 条件，且存在卷绕速度低，收放卷的张力控制和调偏装置性能差，自动化程度低， 电阻加热式蒸发源的坩埚寿命短等问题，急待改进。这些国产设备主要用来生产 基材膜厚度较大、镀膜要求低的包装膜，在高精度电子行业中主要依靠国外引进 设备进行生产，生产价格高，缺乏竞争力。当基材厚度较小时，容易发生基材由 于张力过大而断裂的现象。因此，进行高精度卷绕真空设备的国产化研究就显得 非常重要，它不仅可以提高我国在这一领域的国际竞争力，而且具有很大的市场 空间。 国内也有不少研究单位开展了卷绕张力控制系统方面的研究，但是从已有的 文献检索来看很多是针对e r j 届f j 机、卷染机等卷绕设备的研究，如浙江大学对凹印 机做过研究工作，他们提出了变结构的p i d 控制来减少过程中阻尼比的变化幅 度，提高稳定性【删。东北大学在原有p i d 张力控制器的基础上提出一种自适应 算法一模糊自适应p i d 张力控制器，仿真结果表明该控制器对卷径变化的适应性 比积分分离p i 控制器更强【4 5 】。哈尔滨工业大学王春香等人将一种带有反向传播 训练算法的人工神经网络用于数控纤维缠绕机精密张力控制系统，该方法有效的 6 上海大学工学博士学位论文 减弱了张力控制系统中速度和张力之间的耦合作用【5 1 。对于电容金属化膜的卷绕 真空设备张力控制系统进行深入分析方面，国内没有相关的文献。而张力控制技 术又是真空卷绕镀膜设备中的关键技术，该技术一直是制约国产真空镀膜设备向 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、抗干扰能力 和稳定性直接影响真空镀膜机对原料膜的适应能力，因此，研究高精密的张力控 制系统就显得非常重要。 1 3 3 真空镀膜机的发展趋势 目前，虽然卷绕镀膜机在技术和功能上日趋成熟，但它仍在不断飞速发展， 概括起来说，有以下几大发展趋势【4 】： 给镀膜机配备高性能的精密张力控制系统：卷绕过程中，如果薄膜张力 不稳定，很容易出现断裂的情况。因此张力控制器是卷绕镀膜机的关键 装置，是随着卷绕镀膜机一同发展的。 镀膜机向高生产率方向发展：为提高镀膜生产率，卷绕镀膜机主要在以 下三个方面发展：宽幅化、高速化、自动化。 镀膜机向工艺方法复合化方向发展。 l 4 张力控制系统的发展状况 1 4 1 控制薄膜张力的重要性 张力控制系统的好坏直接影响镀膜质量，材料张力小，则材料和辊轴间摩擦 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。因此张力控 制的目的： 1 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。 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。 1 4 2 张力控制器的发展状况 张力控制器的发展大致经历了三个发展时期，即机械式张力控制器、电控式 张力控制器和计算机控制张力控制器。 7 上海大学工学博士学位论文 1 机械式张力控制器：机械式张力器是通过机械结构来实现张力控制的。 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 ) ，是一种力平衡式自动补 偿张力器，其制动阻力矩是靠刹车带与制动轮的摩擦产生，制动阻力矩的调节由 调节刹车弹簧的变形来实现。机械式张力器的缺点主要是张力值不能自动设置， 控制精度低。 2 电控式张力控制器：随着电子技术的发展，7 0 年代后期出现了电控式张 力器。这类张力器通常使用应变传感器感知张力，然后反馈给控制器，控制器将 张力设定值与反馈值比较、校正后，输出控制信号，经放大后驱动电机或电磁离 合器，使张力保持在一定范围内。这种张力器可自动调节张力，控制精度比机械 式张力器有所提高，且每个张力器可单独控制和标定。但由于外界环境对模拟电 路的干扰，张力容易产生波动。 图1 4 电控式张力器 3 计算机式张力控制器：随着高性能价格比的微处理器的出现，张力器的 控制器也由模拟式转向数字式，出现了由计算机控制的张力器。由于计算机的高 计算速度、高精度与可靠性，减少了电子控制系统复杂的硬件电路，使系统大大 简化，可靠性更高，同时也为使用各种先进的控制提供了前提条件。目前已进入 实际应用阶段的计算机控制式张力器多以磁粉离合器、力矩电机为执行元件；微 机控制张力器既可单独工作，又可同主机连接通信，张力值可以被记录、显示和 自动设定。因而，这种控制得到了广泛的应用。 当然，在以上的几种张力控制中也存在不少问题，在采用力矩电机为执行件 的控制方案中，虽然具有结构简单、紧凑的特点，但当卷绕速度发生剧烈变化时， 张力控制的精度不能满足要求；而且无法实现小转矩时高转速或者大转矩时低转 速的工作要求。而采用磁粉离合器为执行元件的张力控制系统中，磁粉离合器的 滞后问题较严重，控制精度和响应速度不高。 1 4 3 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。 8 上海大学工学博士学位论文 艇t 该装置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 _ 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 2 0 0 m m i n 张力：f o ) ，上、下真空室内的气体压力是不相同的。若使用 不同放气速率的被镀材料，在每次镀膜时，真空室内所能获得的真空度也不相同； ( 2 ) 影响上、下室压力的主要因素是q 、s 、q l 、& 和u 。应该尽量减少q 和q l ( 方 法有：被镀材料的展开长度，尤其是在下室中的长度应尽可能短；如果需要时， 镀前可对被镀材料进行干燥) ，增大s 和墨，可使真空室内的气体压力下降得快， 有利于缩短抽气时间。至于增大u ，可使p 减小，但使p 。增大，则不利于镀膜 操作，因此应设法减小u 。而v 、巧的大小，对抽气过程刚开始时的压力变化有 影响，如式( 2 9 ) 、( 2 1 1 ) 所列，当抽气时间较长时，对真空室的压力变化就不起 作用了；( 3 ) 由式( 2 - 1 2 ) 、( 2 1 3 ) n - 矢n ，下室的q l ，墨对上室的真空度没有影响， 而上室的q 、s 对下室的真空度有影响。当s 、墨都远远大于【厂时，式( 2 - 1 2 ) 、 ( 2 1 3 ) 分别成为p = 詈= 要。 2 3 2 真空抽气系统 由于真空系统的气体负载常常比泵内的气体负载高几个数量级。因此，真空 室内的压力不可能达到泵的极限压力。此外，泵与真空室之间的管道流导也会影 响真空室的极限压力。 降低真空室的压力、减小抽气时间的途径有：增大对容器的抽速，减小基材 的放气速率。在给定压力下，真空抽气系统的抽气能力通常比极限压力更重要， 真空室的有效抽速比主泵的名义抽速更有意义。文献【1 2 7 】指出：单位被抽空间的 c - 抽速值兰越大，真空室的抽气曲线p t 的下降就越迅速，同时也可获得更低一 v 些的气体压力，这和镀膜操作过程的结果是一致的，式( 2 9 ) ，( 2 1 1 ) 从理论上也 证明了这一点。 关于被镀材料，如各种塑料薄膜和纸在真空中展开时的放气量，文献【1 2 8 】己 有介绍。由于蒸发卷绕镀膜时的卷绕速度很快，被镀材料在上、下真空室中暴露 的时间都很短，因此，它们在上室和下室的放气速率可以视作相同。另外，可以 观察到，在镀膜过程中，当铝蒸发以后，下室内的气体压力较铝蒸发前时有所降 低，这是由于铝沉积在真空室内各表而上对气体产生吸附作用的结果。文献【1 2 9 】 上海大学工学博士学位论文 介绍室温下的铝膜对d 的吸附能力为1 0 7 0 - - 4 8 0 0 p a l s 。在卷绕镀膜机的操作 条件下，真空室内温度较室温高，铝膜的吸气能力要降低。但是，若蒸发的铝多， 沉积面积大，它们的吸气能力还是很大的。 实践证明，依据上述考虑设计的卷绕镀膜机的抽气系统是能够在预定的时间 内达到预期的工作压力的。如果按照前面所提到的，由所用主泵抽速与真空室容 积的比值来估算，对下室，主泵为抽扩散泵时，比值是l o 左右，大些更好；对 上室，比值当然要小些，不同种类的泵，比值也各不相同。实际上，这只是一种 简易且粗略的方法，只能作为参考，不能做为选择真空抽气系统的准确依据。 另外，有的卷绕镀膜机的下室所配置的主泵是增扩泵( 油扩散泵的一种) ，其 特点是极限压力虽不及后者低，但其抽速范围却比后者在高压力方向延伸半个数 量级到一个数量级。这突出的优点，正是卷绕镀膜过程所需要的。 2 3 3 卷绕速度、送铝丝速度和铝膜沉积厚度的关系 在蒸发卷绕镀膜机中，铝是最常用的蒸发材料。目前，我国生产的卷绕镀膜 机有的配有利用电阻法来测量铝膜厚度的装置，其测厚装置原理如图2 - 9 所示。 对于由一定材料制成的横截面均匀的导体，其电阻值尺可由下式表示 肛p 昙邓云( 2 - 1 4 ) 若：b ，得 尺：旦 t 所以 f = 等 ( 2 1 5 ) r 、7 式中p 为导体的材料及温度决定的电阻率；，b ，t ，s 分别是导体的长 度( 两个电极c 、d 之间的距离) 、宽度、厚度和横截而积，s = b t 。正方形平板 状电阻件沿着其边的方向的电阻值与正方形的大小无关，把这个电阻值称做方块 电阻，记为q 口。方块电阻是经常使用的，它随膜厚的增加而急剧减小。由于在 镀层薄膜的内部含有密度比整块材料大的缺陷和杂质，所以其电性质与整块材料 并不一样，测量不同薄膜厚度时的电阻值，得到某种材料薄膜的膜厚一电阻值的 关系曲线。 上海大学工学博士学位论文 图2 8电阻法测厚装置原理图 当按图2 8 测定r 后，根据式( 2 1 5 ) 可计算出金属薄膜的厚度t ，或由膜厚一 电阻值关系曲线查出膜厚值。该值是蒸发材料在被镀材料幅宽方向的膜层厚度的 平均值，可视为除被镀材料的幅宽中心、两侧边缘外之外的坩埚所对应的膜厚。 设单个坩埚正对其上方的冷却辊筒上的膜厚为t 。对多个坩埚来说，由于相 邻坩埚所蒸发的材料的交叉沉积，对辊筒上各处的膜厚有增大作用，因此实际膜 厚t 比t 要大，令厂= 之，f 可称为增厚系数。