陈涛-恒张力技术在电容器薄膜分切设备中的应用(审稿人已审阅)

1GJ2011-069收稿日期:2011-07-07恒张力技术在电容器薄膜分切设备中的应用陈涛马李蕾（西安捷盛电子技术有限责任公司，西安710119）摘要：张力技术在卷材的分切、卷绕、复合等设备中应用非常广泛。本文以电容器薄膜分切机为对象,对其张力形成过程和张力控制及使用方法进行了详细地分析,建立起分切机在工作过程中张力变化的数学模型,并给出了定量计算.同时也研究了在整个分切过程中由于薄膜材料直径的变化而引起的张力变化及恒张力解决策略。关键词：电容器;分切设备;恒张力;磁粉制动器;伺服电机ApplicationofConstantTensionTechnologyinEquipmentforCapacitorFilmSlittingCHENTaoMALi-leiAbstract：Thetensiontechnologyiswidelyusedinthewindingequipmentforslitting,rewindingandcompounding.Inthisarticle,wetakefilmslittingdeviceincapacitorasourresearchobjecttoanalyzetheformationoftensionandhowtomanipulatetension.Todemonstrateourtheory,amathematicmodelwithdataanalysisisbuiltfortheslittingprocess.Moreover，wediscussthetensiontransformationforthechangeofthematerialdiameterinthewholeslittingprocessandprovidesolutionstokeepthetensionconstant.Keywords:capacitor;slittingequipment;constanttension;magneticbrakeservomotor引言电容器是电子整机和电力无功补偿设备必不可少的基础元件，有着广泛的应用领域。随着我国电子以及电力工业的高速发展，对电容器的需求量越来越大，对产品的品质也是要求越来越高，这就对电容器生产设备提出了更高的要求。电容器薄膜分切机是用来把成卷的各类电容器薄膜（主要是OPP、PET等镀铝、镀锌、镀铝锌合金箔膜、电极绝缘隔膜以及电力电容器专用聚丙烯膜等）按电容器制造的设计要求分切成所需的宽度，并收成符合一定技术标准的膜卷。在电容器薄膜分切机中，张力技术是设备的关键技术之一，控制精度要求非常高。设备在运行的过程中，收、放卷料的外径是动态变化的，这就引起了材料张力的变化，要保证成品卷能够达到所需要的的分切精度和平整度要求，又要保证材料不受任何机械损伤，这就要求材料在分切和收卷中保持恒定的张力进给，因此对系统张力控制提出了很高的要求。本文就是分析设备运行中各个环节张力的形成过程，并给出具体的解决策略。1电容器材料分切工艺简介电容器薄膜分切机是用来把成卷的各类卷材按电容器制造的工艺要求分切成一定的宽度，并收成符合一定技术标准的膜卷。电容器薄膜分切机一般采用的是放卷→分切→收卷的结构模式。如图1所示，箭头代表放料方向，电容器薄膜按照一定的速度放出，经过放卷张力控制、纠偏系统的调整以及一系列的工艺处理，包括赋能、静电消除等工艺，最后再经过收卷恒张力控制将薄膜收至收卷辊。2图1电容器薄膜分切机工作示意图Fig.1Capacitorfilmslittingmachineworksketchmap2张力产生的原因在薄膜的进给过程中，要保证薄膜料面平整无皱褶，就要在进给过程中给薄膜加一定的张力，并保证张力动态恒定。下面以原料卷放卷装置张力产生过程为例来讨论张力产生的具体原因。如下图图2放卷示意图Drawingofroll-releasing所示，设原料从放卷轴放出时的线速度为0v，经拖动辊后线速度变为tv，放卷辊与拖动辊之间料长为l，原料的弹性模量为，原料的截面积为A，则由胡克定律可知，原料所产生的张力为F=dtvvlAttt)(210（1）式中：t1为原料从放卷轴放出的时刻；t2为原料到达拖动轴的时刻；t2-t1为原料从放卷轴传送到拖动轴所需的时间。由公式（1）可以看出：张力产生的根本原因是由于原料在前进过程中前后存在着速度差。因此，想要保证原料前进过程中张力的恒定，就要控制原料前进过程中的速度差，保证原料在前进过程中速度差在一个允许的稳定范围内。1．放卷轴theroll-releasingshaft2．张力传感器thetensiontransducer3.电机servomotor图2放卷示意图Fig.2Drawingofroll-releasing3恒张力控制原理分切机的放、收卷是随着料卷的变化非线性变化系统，若不对张力进行控制，放卷张力会越来越大，收卷张力会随着卷径变大而变小，最终导致薄膜传输的不稳定、断面跳动，严重的会导致涌料、断料，拉伸变形等，从而直接影响到收卷膜的质量。在物理学上刚体的传动力矩公式为M=F*L,其中M代表力矩,L代表转轴的力臂,F代表刚体所受的作用力，公式经过变换可写成如下形式：3F=M/R(2)以传统的电容器材料分切机的放卷为例,R即为带料的卷料半径，随着电容器薄膜分切机的运行，原料卷的半径R逐渐减小，如果要保持张力F恒定不变，根据公式(2),则M值也应该按照相同比例逐渐减小。在安装了恒张力传感器的情况下，随着收、放卷轴半径连续变化，卷材带料张力也发生连续变化，通过机械传动机构使恒张力传感器受到薄膜带料的压力，由于传感器受压力的连续变化，使得恒张力传感器的电阻值也发生连续变化，从而引起电流信号的变化，变化的电流信号传到恒张力控制系统，控制系统将变化的电流信号与预设的参数进行对比，根据对比值调节控制电流信号，进而控制执行机构（磁粉制动器、磁粉离合器、扭矩电机、伺服电机等），使其输出按一定规律变化的扭矩。3.1磁粉制动器张力控制原理磁粉制动器是一种新型的扭矩调节执行元件，现以日本三菱公司生产的某一型号的磁粉制动器为例，在其公称扭矩大约10％至120％的变化范围内其扭矩和励磁电流成正比，因此可以看作是一种线性调节设备。磁粉制动器有两种使用方式:第一，供制动用的制动器；第二，在连续滑差状态下用作加载装置使用的制动器。本文讲述的是张力控制系统中使用的制动器，属于第二种情况。带料半径的张力控制如图3所示，首先在张力控制器中设置一个张力数值，以电流形式作用到磁粉制动器，磁粉制动器输出一定的扭矩，被分切和收卷的薄膜材料产生一定的张力，张力作用到张力检测器上，与设定的值进行比较，通过比较动态调节电流强度，使得张力传感器检测到的张力值无限接近设定值。从而实现了对扭矩的自动调节。其电流与扭矩的关系如图4。图3磁粉制动器工作示意图图4磁粉制动器扭矩特性Fig.3WorkingdrawingofbrakeFig.4Torquecharacteristicofbrake3.2伺服电机张力控制原理伺服电机通过在扭矩模式下运转，可实现收卷张力控制，设置伺服电机为扭矩控制模式，可控制其得到与输入成比例的扭矩。本文讲述的电容器薄膜分切机收卷采用伺服电机转矩控制方式进行张力控制，电机工作在转矩控制状态下，接近开关测得收卷圈数，PLC张力控制器在明确力矩与材料卷半径的关系后只需在料筒上安装一个用作接近开关的随轴转动的金属感应装置，PLC控制系统根据所测的圈数，逐步线性的减少或增加伺服控制器脉冲频率，如果通过PLC控制系统的编程，还可以根据圈数计算出收料或放料的累计厚度并即时显示出来，这时传感器反馈回来的信号既不是张力，也不是半径，而是料卷的圈数。以收料为例，随着收料轴圈数的增加，收料半径相应增加，收料张力就会减小，PLC控制系统经过运算或查表，其结果将使DA转换器的输出电压增加，通过伺服放大器放大，作用到伺服电机，以控制电机的输出扭矩。以日本三菱公司某一型号伺服电机为例，其模拟量扭矩指令（TC）的输入电压和伺服电机输出转矩关系图如图6所示。4图5伺服电机收卷工作示意图图6伺服电机转矩特性Fig.5WorkingdrawingofservomotorFig.6Torquecharacteristicofservomotor4张力系统控制构成本文所提到的电容器薄膜分切机是分段式张力控制，即分为放卷部分和收卷部分。其张力系统简图如下图：图7张力系统简图Fig.7Drawingoftensionsystem现分别就放卷段和收卷段来介绍张力系统控制构成。4.1放卷部分张力控制系统构成放卷系统工作情况如图3所示。放卷段的张力控制执行部件用的是磁粉制动器，磁粉制动器根据电磁原理，利用磁粉来传递扭矩，制动扭矩Mz与励磁电流在一定范围内成正比例，可以看做是一种接近线性的调节装置。将之安装在放卷轴上，可以产生一个反向阻力矩来缓冲放卷轴在高速运行中产生的惯性，因此可以通过控制制动器的阻力矩(即控制电流)来调节放卷部分的张力大小。如图3所示，设放卷轴固有的摩擦力矩为Md，磁粉制动器的制动力矩为Mz，原料张力为F，放卷辊筒转动惯量为J,角速度为，直径为2R，建立放卷辊筒力矩平衡方程式dtJdMMFRzd)(（3）由式(3)可知：放卷时张力F是主动力，若原料进给速度恒定，由于放卷轴的卷径和转动惯量随时间而减小，而放卷轴的角速度逐渐增大，张力就会增大,因此要保证张力恒定,就必须引入张力反馈，由PLC系统控制制动力矩，使张力稳定在设定值允许的范围内。放卷张力系统原理图如图8所示。具体实现过程如下：通过触摸屏设定张力，通过张力传感器来检测张力构成张力控制闭环系统，再经过张力放大板送到PLC控制系统的模拟量输人口，进行变换后与设定值进行比较，其偏差经过PID运算由PLC控制系统的模拟量输出口输出控制电压U1，由U1控制稳流驱动板的输出电流I1，由I1控制磁粉制动器作用在放卷轴上的阻力矩，从而达到调节扭矩实现张力控制的目的。5图8放卷控制系统原理图Fig.8Drawingoftheroll-releasingcontrolsystem4.2收卷段张力控制系统构成收卷系统如图5，收卷段张力执行部件是伺服电机，伺服电机以扭矩控制方式进行张力控制，接近开关检测收卷轴旋转圈数，针对接近开关发生的脉冲数进行计算，根据该累计数N和初始半径D0/2，材料厚度t（μm），收卷轴每转一圈接近开关发生的脉冲数n，按下式自动计算当前的半径D/2（mm）。)(102230mmtnNDD（4）由（4）式和（2）及R=D/2得)102(30'tnNDFMz（5）在收卷段，张力F是作为阻力存在的，要保证F恒定，电机的扭矩就要随接近开关发生的脉冲数的增加按照一定的锥度率增大。单片机根据所测的圈数，按一定的关系逐步线性的增加伺服控制器脉冲频率。收卷张力系统控制原理图如图9所示。具体实现过程如下：通过触摸屏设定张力，通过接近开关来检测收卷轴的卷径，再经过计数器送到PLC的数字量输人口，进行计算后由PLC输出口输出电压信号U2，由U2控伺服放大器的输出电流I2，I2驱动伺服电机，从而达到调节张力的目的。图9收卷控制系统原理图Fig.9Drawingoftake-uprollcontrolsystem5结束语恒张力控制技术是在卷材分切设备中广泛应用的重要技术，是电容器薄膜分切设备中的一项关键技术,其应用的好坏直接影响到电容器薄膜的分切质量。本文所讲述的张力应用技术是根据一个已完成的项目—电容器薄膜分切机中张力技术的应用情况。另外需要说明的是：本文中的原理示意图以及简化的工程图都是电容器薄膜分切机的简化，其目的在于说明原理；还有，通过在电容器薄膜分切机中合理的应用,我个人认为对于类似于这一类放卷、收卷结构的装置也可以借鉴。经过设备近两年的运行表明，张力系统运行稳定可靠、控制精度也比较高,得到用户的一致肯定。可以推广使用。参考文献：[1]禹恒洲.复合机恒张力控制系统．电气传动2007年第3期第37卷6YUh