涂布机张力控制系统的研究

涂布机张力控制系统的研究 郑 轩 乐凯胶片股份有限公司新材料事业部 河北 保定 071054 摘要摘要 分析了目前涂布机的两种基本的张力控制方式和原理 并结合实际生产中设备出现 的故障 根据张力系统的原理进行故障的排查和维修从而解决实际问题 在现有两种控制 方式的基础上 对系统的执行部分提出进行改造的设想 使用力矩电机进行替代 做到优 化结构 提高控制精度的目的 关键词关键词 涂布机 张力控制系统 力矩电机 1 1 前言前言 涂布机是一种专用的机械设备 它将涂布液均匀的涂布到运动着的支持体上 使其具 备一些新的用途或达到一些特殊的性能 并能使涂覆产品的涂层厚度 涂层均匀度 涂层 与支持体的粘接牢度等性能以及产品涂布的速度达到设计要求 涂布机的主要结构是通过支持体或者称之为基材在多个导辊上缠绕形成一定的片路 并由设备产生一定的张力将基材张紧来运行的 如下图 1 1 所示 图 1 1 涂布装备主要是指涂布机及其相应的辅助系统 具体包括涂布机 干燥系统 供收卷 等辅助系统三大部分 涂布机 涂布头是其重要部件 它的不同构造或形式决定了不同的涂布方式 干燥装置 涂布工艺与干燥工艺是涂布工程先后连续进行的两个工艺过程 这也组成 了涂布设备的两大部分 涂布速度的快慢往往受干燥能力的限制 而干燥能力的大小又以 涂布机的最高车速为设计依据 当前主要采用空气干燥 即以经过处理的干空气为介质进 行干燥的形式 辅助设备 主要包括供料系统 拖动系统 张力调节装置 静电消除装置 调偏装置 等 在涂布机中使基材运动的源头是设备产生的张力以及张力控制系统 这是涂布设备能 够正常生产和生产出合格产品的主要因素之一 对张力系统的研究越深入 越能保证设备 的良好使用 2 2 张力控制系统原理与分析张力控制系统原理与分析 2 12 1 张力概述张力概述 张力是通过机器设备的动力 它适用于在机器相邻区域二者之间的支持体 这个力的 作用是趋向于拉伸支持体的 多数的支持体被传输通过机器设备是利用张力值来达到的 那个张力值高的足够允许支持体完全通过机器而且使支持体断片低到最小化 张力系统的模型如下图 2 1 所示 它是一个闭环控制系统 输入系统 执行系统 输出系统 检测系统 反馈信号 图 2 1 输入系统包括 触摸屏及其内置的 PLC 程序 执行系统包括 浮动辊 增压阀和气缸 检测系统包括 张力检测器及其校准单元 角度编码器 输出系统包括 触摸屏及其内置的 PLC 程序显示界面 通常操作人员在输入系统中通过触摸屏将要设定达到的张力值进行输入 设备将其转 化为低压控制信号驱动增压阀和气缸 使浮动辊上缠绕的基材达到要求的张力 同时 张 力检测器将实际的张力值检测出来并作为反馈信号进行反馈 如果实际张力值比设定值大 或者小 反馈信号会使执行系统做出调整 调节实际张力值逼近设定值 而调节的幅度和 时间快慢由系统程序中所设定的 PID 参数来决定 操作人员会在触摸屏上实时的看到张力 的变化情况 2 22 2 张力控制系统分类张力控制系统分类 2 2 12 2 1 系统中只含有张力检测器的系统中只含有张力检测器的 如下图 2 2 所示 图 2 2 此系统通过张力检测器的反馈信号使系统判断张力是否达到设定值 并通过协调张力 辊前后伺服电机的运转速度的同步性来保证张力的稳定性 2 2 22 2 2 系统中不只含有张力检测器的系统中不只含有张力检测器的 有一种系统中除了含有张力检测器外 还包括浮动辊 增压阀和气缸等装置 这种系 统可以用图 2 3 所示的的图形来表示 图 2 3 此系统通过张力检测器的反馈信号使系统判断张力是否达到设定值 并通过输出较小 的电压或者电流信号经过放大器放大去控制一个增压阀 从而给气缸充入相应的压缩空气 来平衡张力辊上所加载的张力 达到调节系统张力的目的 同时保证张力的稳定性 其力 学模型如下图 2 4 所示 并根据此模型可以列出其动力学方程 图 2 4 设系统张力为 F 气缸支撑力是 F1 导辊和张力摆杆的转动惯量是 导辊和摆杆转I 动的角速度是 导辊质量是 m1 摆杆质量是 m2 以导辊和摆杆为研究对象 可以得出 其动力学方程为 2FL F1L1 1 I dt d 求得 F 2 2 F1 L L1 L I 2 dt d 由于转动惯量 m1 L2 m2 L2 3 I 3 1 将 3 式代入 2 式 可得出 F 3 m1 m2 L 2 F1 L L1 6 1 dt d 也即 F 3 m1 m2 4 2 F1 L L1 6 1 dt Ld 线速度 L v 方程式 4 可写成 F 3 m1 m2 5 2 F1 L L1 6 1 dt dv 由以上的动力学方程分析可以知道系统张力 F 主要与气缸支撑力 F1和线速度的变化v 率有直接关系 也就是说 如果在设备的额拖动系统下 基材运行时速度不恒定也就 dt dv 是出现变速时 气缸输出的支撑力必须及时进行调整 这样才能保证系统张力 F 的稳定 3 3 实际问题分析实际问题分析 3 13 1 只含张力检测器的系统只含张力检测器的系统 设备在实际运行中 由于系统受到外界张力波动的影响 使得触摸屏实际显示的张力 达不到设定值 偏差在 10N 以上 只需要校准张力检测器 方法是基本上按照片路用吊带在导辊上中心部位将各个导辊缠绕起来 在末端挂好重 物 一般是标准砝码 如下图 3 1 所示 图 3 1 操作过程中 先挂最大质量的 比如 40kg 然后逐渐递减重量 每次挂好后在重物静 止状态下调节张力检测器的校准单元 原则是左右分别校准 其实质是调节电压信号与所 加负载相对应 通过将压力信号转换成电压信号 在经过内部的放大电路将信号进行放大 可以用近似的线性关系来检测和显示实际张力 如下图 3 2 所示 图 3 2 3 23 2 不只含有张力检测器的系统不只含有张力检测器的系统 设备在实际运行过程中 张力显示出现问题后经过校准仍达不到设定值 总是和设定 值有一定的偏差 比如总小 20N 或者 30N 此时不应再考虑张力校准环节 需要检查执行 环节是否有问题 其原理图如下图 3 3 所示 图 3 3 电控增压阀在执行系统中占有比较重要的地位 其输出的气压值以及气压值的调节范 围都会影响着输出到气缸的气压能不能完全平衡基材上的张力 在上述情况中 最后通过检查发现电控增压阀不能输出足够的气压来保证张力的设定 值 此部件的故障限制了整个闭环系统发挥正常作用 而经过仔细研究发现 此增压阀的 开度也是电子可调节的 需要进一步调节就能满足要求 4 4 结果与讨论结果与讨论 4 14 1 系统问题总结系统问题总结 此系统中张力检测器经常会出现问题 由于外界原因造成的系统张力非正常波动 从 而导致张力检测器的零点漂移 另外 增压阀也会有此种问题 所以这两个部件需要经常 关注 4 24 2 系统改进方案系统改进方案 系统中由于有增压阀和气缸等气动元件存在 造成了一定程度的不稳定性 如果将此 部分执行系统用力矩电机进行代替 其安装形式会比较简单 执行系统的可靠性会有较大 提高 可以用以下的简图表示改造后的系统 图 4 1 力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机 这种电机的轴不是以恒功 率输出动力而是以恒力矩输出动力 当负载增加时 电机的转速能自动的随之降低 而 输出力矩增加 保持与负载平衡 另外 此种电机还可以适用于频繁正反转的场合 张 力杆的摆动也正好属于这种应用场合 在这里 通过力矩电机输出的旋转力矩 去平衡来自于浮动辊连接的张力摆杆上产 生的旋转力矩 在实际应用当中会有频繁的正反向力矩的产生 同样可以用电机输出的 正反向力矩来平衡 当然 从电机的输出轴到浮动辊之间需要设计一定的机构进行连接 而且此种电机尾部 轴上可以安装角度编码器 可用来检测张力杆的摆动的角度值 5 5 结论结论 张力系统是涂布设备的关键环节和核心部分 本文对于此系统的研究是基于目前较先 进的涂布机进行的 其中张力系统的配置和技术应该说也是这一领域的主流 但尽管如此 在实际生产过程中也会出现比较难于处理的故障 这就要求技术人员熟悉此系统的构成和 工作原理 仔细观察故障的现象 分析引起故障的原因 按照正确的方法去调校或者维修 才能保证张力系统在整个涂布设备系统中稳定运行 不至于影响成品的质量 另外 在此