纠偏系统在双向拉伸塑料薄膜生产中的应用

李雪明，童帮毅，赖福刚，杨正昊，马茗茗

桂林电器科学研究院有限公司，广西 桂林 541004

0 引 言

双向拉伸塑料薄膜(BOPF)是由双向拉伸(或称双轴取向)所制得塑料薄膜的总称，它需经化学、物理等手段，在低于薄膜熔点且高于其玻璃化温度的情况下对厚膜进行纵、横双向拉伸，最后在张紧状态下进行热定型处理而制得.其常用产品主要有：PP(聚丙烯)、PET(聚酯)、PA(聚酰胺)、PI(聚酰亚胺)、PS(聚苯乙烯)、PE(聚乙烯)等等.随着人们对其优良的物理、化学和机械性能等特性的认识的逐步加深，双向拉伸薄膜近年来已在电子、塑料包装等行业得到飞速的发展[1].

国内已有万吨生产线近百条，且都向着宽幅、高速两方面进行研发，国外已在开发设计速度高达1 000 m/min的生产线[2].由于生产过程复杂，工艺条件要求较高，因此横向拉伸机(TDO)的链铗能否及时夹合住高速运行的薄片是生产的关键性问题.只有当两侧链铗同时同步夹边，夹边均匀且夹持力适中时，膜片才能平整输送[3].为实现理想夹膜则应保证膜片宽度与两侧链铗距离相等，否则就会出现脱夹、褶皱、破膜、波纹抖动等现象，使得生产无法进行，损失较大.为了解决这一问题，横拉机需安装一套纠偏控制系统,也称作边位控制系统(EPC).本文将结合多年来国内外横拉机设计及使用经验，对双向拉伸塑料薄膜EPC控制系统的结构原理及其应用进行归纳和对比，分析其优缺点，以供读者更好的选择使用，促进双向拉伸塑料薄膜的生产.

1 工作原理

EPC装置安装于薄膜生产线的TDO入口，用于准确跟踪膜边的位置，其工作原理可以简化为一个闭环控制环：自动纠偏的出发点是横拉入口薄膜的当前位置，由一个或多个传感器扫描薄膜的当前位置，并将其传输给控制器；控制器对测得的实际位置和设定的位置作比较，如果两者之间存在偏差，控制器将传输一个纠偏信号给驱动器；驱动器快速驱动TDO入口的轨道，使其及时跟踪上膜边.如此循环，EPC系统一直驱动轨道做往复运动，从而不发生脱夹现象.

2 结构及分类

根据EPC系统动力装置的不同，一般可分为机电式、电液压式、气动液压式和磁性式4类.

机电式EPC系统结构原理如图1所示，主要由三大部分组成：传感器、控制器、机电驱动器.

电液压式EPC系统结构原理如图2所示，主要由五大部分组成：传感器、控制器、电液伺服阀、电液压动力装置、液压驱动器.

气动液压式EPC系统结构原理如图3所示，主要由四大部分组成：传感器、气动液压伺服阀、气动液压动力装置、液压驱动器.

图1机电式EPC系统结构原理图

Fig.1 The electromechanical EPC system structure diagram

图2 电液压式EPC系统结构原理图

图3 气动液压式EPC系统结构原理图

磁性式EPC系统尚处在试验阶段，主要是德国布鲁克纳公司在应用[4]，国内尚缺乏相关资料，目前国内外双向拉伸塑料薄膜生产线所使用的主要是以上3种.

这3种控制系统结构大同小异，其中均包含有传感器，它又可以分为红外线传感器、反射式红外线传感器、超声波传感器、数字传感器、气动传感器、激光传感器、摄像式传感器，其中机电式和电液压式主要以红外线传感器和超声波传感器应用最多[5].机电式和电液压式EPC系统还有一个控制器，此类控制器操作简单，功能强大，在薄膜高速生产时，具有极高的动态响应水平和检测精度[6]，不仅能实时监控，还能实现远程控制.

机电式EPC驱动主要依靠电动推杆，它设备简单、反冲小、免维护；它是由控制器直接驱动，所以具有最灵敏的动态响应性能，其典型的精度误差小于0.002 s[7].但是，此类推杆主要是靠皮带、丝杆或者齿轮传动，在装配误差、长期磨损等情况下，其使用寿命不及气动液压式和电液式EPC系统.气动液压式EPC系统主要依靠气动液压伺服阀控制油缸驱动，最大特点是运行平稳.与机电式EPC驱动不同的是，它是通过气动传感器来跟踪边膜位置，将探测后气压信号直接反馈到气动液压伺服阀[8].因为薄膜离气源口有一段距离，所以动态响应精度不如机电式控制方式.再者，其所使用的液压油在杂质污染等情况下会堵塞油路，因此维护频率较高.电液压式EPC系统则综合了这两种控制方式的优点，利用红外或超声波传感器实现精准探测，通过控制器将信号反馈给电液压伺服阀，实现控制器的精准控制[9].不仅避免了气动传感器动态响应水平不够高的缺点，还保留了气动液压式运行平稳的优点,但同样也存在油路杂质问题.

3 工作模式

纠偏模式的选择取决于客户的工艺要求，主要的纠偏模式有以下几种(见图4)：

①薄膜定单边纠偏：使用一个传感器，根据薄膜的左侧或者右侧边缘进行纠偏；

②薄膜定中心线纠偏：使用两个传感器，根据物料的中心线进行纠偏，又可以分为固定定中心纠偏和移动定中心纠偏；

③薄膜对比纠偏：使用一个传感器，依据一条连续或者不连续的线对比进行纠偏.

图4 纠偏模式

定单边纠偏只能探测到一侧薄膜的边缘变化，当纵向拉伸机出来的薄膜宽度发生变化时，便不能保证TDO入口处的膜片与两侧的链夹距离相等，因而会难以实现理想状态下夹膜[10].对比纠偏则需要有一条对比线才能准确跟踪探测，相比另两种探测方式费时又费力.定中心线纠偏则能始终保持TDO入口处薄膜宽度的稳定性，两侧链夹夹点准确、同时同步夹边，夹边均匀、夹持力适中，进入TDO的膜片保持输送平整，利于后续拉伸区的晶粒拉伸取向.因此，大多数双向拉伸塑料薄膜生产线均采用定中心线纠偏模式.

4 控制方式

EPC系统的控制方式有自动控制和手动控制两种，一般是两者兼有.所有薄膜生产线的EPC控制在生产时均采用自动控制方式，手动控制方式主要用于静态测试系统运行状况，以便及时发现问题.

以气动液压式EPC系统为例，其控制流程如下：其动力系统有一台一直处于工作状态的双轴电机，连接着油压泵和气泵，保证控制回路的气压和油压[11].在自动控制方式下，薄膜边缘正好挡住气动传感器气源口一半时，可使分别由气动传感器和自动控制阀加载在气动液压伺服阀上的气压保持平衡状态，气缸处于静止，TDO入口处的两侧导轨也保持相对静止，链铗正常夹膜.当薄膜移动时，挡住气动传感器气源超过一半的一侧，会使得气动传感器加载在气动液压伺服阀上的气压变大，压力失衡，自动控制阀气压推动气液伺服阀工作，控制用液压油的运行方向改变，使得轨道向外侧运动，同时通过回路闭锁阀防止液压油反流，以保证轨道运动中的稳定，从而保证两侧夹点与膜边距离相等，实现理想夹膜.而另一侧气动传感器检测不到薄膜时，气液伺服阀会向相反的方向动作，最终使轨道向内侧运动.如此重复，实现对边膜位置的实时跟踪，保证TDO入口的顺利夹膜.

在手动控制方式下，直接通过手动控制阀的气压方向，从而推动气液伺服阀动作，对系统的运行情况进行测试[12].

5 结 语

纠偏控制系统在双向拉伸塑料薄膜生产线上的应用无疑是成功的.它极大限度的降低了横拉脱夹、褶皱、破膜、波纹抖动等问题的出现概率，实现了薄膜的高速、高效率生产.现在，市场上生产的纠偏控制系统五花八门，包括了各种结构类型和模式.客户应根据不同的薄膜工艺、材质以及生产速度，综合本文列举的各类系统的优缺点，选择合适的纠偏控制系统，以便更好的促进双向拉伸塑料薄膜的生产.

致 谢

感谢武汉工程大学机电工程学院郑小涛副教授对本文提供的建议与帮助.

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