Технология регулирования натяжения для пленочных резательных машин: от принципа до реализации.

Аннотация: Управление натяжением является ключевой технологией оборудования для нарезки пленок, напрямую влияющей на качество продукции и эффективность производства. Начиная с физических механизмов создания натяжения, в данной статье систематически анализируются ключевые моменты управления натяжением на трех этапах: размотке, натяжении и намотке, с акцентом на применение моделей конусного натяжения, ПИД-регулирования и их усовершенствованных алгоритмов в инженерной практике, а также подробно рассматриваются ключевые технологии, такие как обнаружение натяжения и исполнительные механизмы.

1. Введение

Машина для продольной резки пленки — это ключевое устройство для нарезки широких рулонов пленки на несколько узких рулонов меньшего диаметра. Качество продукции отражается не только в визуальных показателях, таких как отсутствие складок и аккуратные торцы, но, что более важно, в величине остаточного напряжения внутри изделия, которое напрямую влияет на точность последующих процессов, таких как печать и совмещение. В основе этого качества лежит технология контроля натяжения, которая используется на протяжении всего процесса продольной резки.

Контроль натяжения подразумевает точную регулировку силы натяжения, действующей на пленку во время транспортировки и намотки, чтобы поддерживать ее в требуемом диапазоне. Слишком слабое натяжение может привести к ослаблению пленки, ее отклонению или неравномерной намотке; чрезмерное натяжение может вызвать растяжение и деформацию пленки, увеличить скорость усадки и даже образование складок. Для высококачественных материалов, таких как сверхтонкие сепараторы толщиной всего 10–25 мкм, требования к точности контроля натяжения особенно строгие.

2. Физические основы и архитектура зонирования для контроля натяжения

Натяжение по сути представляет собой взаимное усилие, возникающее внутри пленки под действием растягивающей силы. С точки зрения зон управления, управление натяжением в машине для продольной резки пленки можно разделить на три независимых, но взаимосвязанных участка:

Участок размотки является отправной точкой для контроля натяжения. Внутри исходного рулона пленки, полученного в предыдущем процессе, уже присутствует остаточное напряжение, и из-за процесса отверждения и других причин неизбежна эксцентричность, вызывающая периодические колебания натяжения во время размотки. Нестабильное натяжение во время намотки будет «передаваться» на последующие участки, в конечном итоге влияя на качество готового продукта.

Тяговый участок соединяет размотку и намотку. Из-за разницы скоростей между роликами пленка создает натяжение за счет упругой деформации. В настоящее время широко распространены решения, использующие независимые двигатели для каждого ролика и цифровое управление скоростью для устранения нарушений натяжения, вызванных разницей скоростей.

Участок намотки является конечной точкой контроля натяжения, а также наиболее сложным этапом. По мере постепенного увеличения диаметра намотки поддержание постоянного натяжения приводит к чрезмерному натяжению в сердечнике и недостаточному натяжению во внешних слоях, что вызывает проблемы с качеством, такие как проскальзывание между слоями, образование складок и неровности на торцевой поверхности.

3. Основные стратегии и алгоритмы управления

1. Модель конусного натяжения

Для решения проблем, связанных с изменением диаметра во время намотки, в машиностроении широко применяется стратегия управления натяжением при конусности. Основная идея заключается в следующем: по мере увеличения диаметра рулона натяжение намотки постепенно уменьшается в соответствии с заданной «кривой конусности», что обеспечивает более равномерное распределение нагрузки между внутренним и внешним слоями пленки, предотвращая смятие внутреннего слоя или его проскальзывание между слоями.

Модель сегментированного конусного натяжения представляет собой усовершенствованное решение, разделяющее весь процесс намотки на несколько участков, каждый из которых использует различные кривые натяжения. Этот метод обеспечивает начальное натяжение намотки, эффективно подавляя при этом распространенные проблемы, такие как растяжение пленки и увеличение коэффициента трения при намотке с постоянным крутящим моментом.

2. ПИД-регулирование и его усовершенствования

Традиционные ПИД-регуляторы широко используются благодаря своей простой конструкции и высокой надежности. В типичном решении датчик натяжения в реальном времени определяет натяжение мембраны, сравнивает его с заданным значением для получения сигнала отклонения, и после вычисления дискретным ПИД-регулятором управляет исполнительным механизмом для регулирования крутящего момента двигателя.

Однако система управления машиной для резки пленки демонстрирует явные нелинейные и изменяющиеся во времени характеристики. При изменении динамических характеристик системы ПИД-регуляторы с фиксированными параметрами с трудом поддерживают оптимальную производительность. Для решения этой проблемы исследователи предложили схему нечеткого ПИД-регулирования: использование нечеткой логики для автоматической онлайн-настройки параметров ПИД-регулятора и адаптивной компенсации изменений натяжения. Результаты моделирования подтверждают превосходство этой схемы.

3. Расчет диаметра валка в режиме реального времени.

Точные значения диаметра валков являются необходимым условием для контроля натяжения. Распространенный в технике метод расчета соотношения: на основе отношения линейной скорости к угловой скорости диаметр в реальном времени рассчитывается с помощью импульсных сигналов скорости тягового вала и намоточного вала. Для повышения точности можно использовать алгоритмы интегрирования для плавной оптимизации результатов расчета, исключая влияние механических ошибок и переходных возмущений.

4. Ключевые методы выполнения и тестирования

На стороне размотки обычно используется магнитопороховый тормоз для регулирования крутящего момента разматывающего вала, который используется для поддержания постоянного натяжения размотки путем регулировки тормозного момента. Магнитопороховые тормоза отличаются быстрым откликом и высокой точностью управления, что делает их подходящими для условий работы, требующих частых регулировок.

На стороне обмотки управление крутящим моментом двигателя обмотки осуществляется с помощью сервопривода. В качестве примера рассмотрим запатентованное решение: контроллер выдает значение компенсации частоты импульсов на сервопривод на основе сигнала отклонения натяжения, который затем регулирует крутящий момент двигателя для формирования замкнутого контура управления.

Механизм плавающих роликов является важным механическим средством стабилизации натяжения во время размотки. Он поглощает колебания скорости, вызванные эксцентриситетом основного ролика, за счет качающихся плавающих роликов. Кроме того, технология тандемной установки двух плавающих роликов позволяет снизить колебания натяжения в четыре раза по сравнению с технологией одного плавающего ролика, что делает ее особенно подходящей для сценариев работы с низким натяжением и высокой скоростью.

5. Заключение

Технология управления натяжением для машин для продольной резки тонких пленок включает в себя междисциплинарную интеграцию теории управления, механического проектирования и механики материалов. От моделей конусного натяжения до нечеткого ПИД-регулятора с адаптивным управлением, от магнитопорошковых тормозов до сервоприводов, технологическая эволюция всегда вращалась вокруг одной основной цели: обеспечить «натяжение и расслабление» каждого сантиметра пленки во время резки. Поскольку требования к точности резки таких ценных материалов, как сепараторы для литиевых батарей и оптические пленки, продолжают расти, технология управления натяжением будет и дальше развиваться в направлении повышения точности и большей адаптивности.