2022年陈涛-恒张力技术在电容器薄膜分切设备中的应用.doc

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1、GJ2011-069 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、复合等设备中应用特别广泛。本文以电容器薄膜分切机为对象, 对其张力构成过程和张力操纵及使用方法进展了详细地分析, 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处理策略。关键词：电容器; 分切设备; 恒张力; 磁粉制动器; 伺服电机Application of Constant Tension Technolo

2、gy in Equipment for Capacitor Film SlittingCHEN Tao MA Li-leiAbstract：The tension technology is widely used in the winding equipment for slitting, rewinding and compounding. In this article, we take film slitting device in capacitor as our research object to analyze the formation of tension and how

3、to manipulate tension. To demonstrate our theory, a mathematic model with data analysis is built for the slitting process. Moreover， we discuss the tension transformation for the change of the material diameter in the whole slitting process and provide solutions to keep the tension constant.Keywords

4、: capacitor;slitting equipment;constant tension; magnetic brake servomotor引言电容器是电子整机和电力无功补偿设备必不可少的根底元件，有着广泛的应用领域。随着我国电子以及电力工业的高速开展，对电容器的需求量越来越大，对产品的质量也是要求越来越高，这就对电容器消费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

5、的关键技术之一，操纵精度要求特别高。设备在运转的过程中，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，要保证成品卷能够到达所需要的的分切精度和平坦度要求，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，因而对系统张力操纵提出了特别高的要求。本文确实是分析设备运转中各个环节张力的构成过程，并给出详细的处理策略。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纳的是放卷分切收卷的构造方式。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，通过

6、放卷张力操纵、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，最后再通过收卷恒张力操纵将薄膜收至收卷辊。 图 1 电容器薄膜分切机工作示意图Fig.1 Capacitor film slitting machine work sketch map2 张力产生的缘故在薄膜的进给过程中，要保证薄膜料面平坦无皱褶，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详细缘故。如下列图 图2 放卷示意图 Drawing of roll-releasing所示，设原料从放卷轴放出时的线速度为 ，经拖动辊后线速度变为，放卷辊与拖动辊之间

7、料长为，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= （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）能够看出：张力产生的根本缘故是由于原料在前进过程中前后存在着速度差。因而，想要保证原料前进过程中张力的恒定，就要操纵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同意的稳定范围内。1放卷轴 the roll-releasing shaft 2张力传感器 the tension transducer 3.电机 servomotor图 2 放卷示意图 Fig.2 Drawin

8、g of roll-releasing3 恒张力操纵原理 分切机的放、收卷是随着料卷的变化非线性变化系统，假设不对张力进展操纵，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，严峻的会导致涌料、断料，拉伸变形等，从而直截了当妨碍到收卷膜的质量。 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，公式通过变换可写成如下方式：F=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转，原料卷的半径R逐步减小，假如要保持张力F恒定不变，依照公式(2),则M值也应该按

9、照一样比例逐步减小。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遭到薄膜带料的压力，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操纵系统，操纵系统将变化的电流信号与预设的参数进展比照，依照比照值调理操纵电流信号，进而操纵执行机构（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 磁粉制动器张力操纵原理 磁粉制动器是一种新型的扭矩调理执行元件，现以日本三菱公司消费的某一型号的磁粉制动器为例，在其公称扭矩大约10至12

10、0的变化范围内其扭矩和励磁电流成正比，因而能够看作是一种线性调理设备。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。本文讲述的是张力操纵系统中使用的制动器，属于第二种情况。带料半径的张力操纵如图3所示，首先在张力操纵器中设置一个张力数值，以电流方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，与设定的值进展比拟，通过比拟动态调理电流强度，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理。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

11、特性Fig.3 Working drawing of brake Fig.4 Torque characteristic of brake3.2 伺服电机张力操纵原理伺服电机通过在扭矩方式下运转，可实现收卷张力操纵，设置伺服电机为扭矩操纵方式，可操纵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纳伺服电机转矩操纵方式进展张力操纵，电机工作在转矩操纵状态下，接近开关测得收卷圈数，PLC张力操纵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操纵系统依照所测的圈数，逐步线性的减少或增加伺服操纵器脉冲频率，假如通过PLC操纵系统的编程，还

12、能够依照圈数计算出收料或放料的累计厚度并即时显示出来，这时传感器反应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操纵系统通过运算或查表，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，以操纵电机的输出扭矩。以日本三菱公司某一型号伺服电机为例，其模仿量扭矩指令（TC）的输入电压和伺服电机输出转矩关系图如图6所示。 图 5 伺服电机收卷工作示意图 图 6 伺服电机转矩特性 Fig.5 Working drawing of servomotor Fig.6 Torque characteris

13、tic of servomotor 4 张力系统操纵构成 本文所提到的电容器薄膜分切机是分段式张力操纵，即分为放卷部分和收卷部分。其张力系统简图如下列图：图7 张力系统简图 Fig.7 Drawing of tension system现分别就放卷段和收卷段来介绍张力系统操纵构成。 4.1 放卷部分张力操纵系统构成放卷系统工作情况如图3所示。放卷段的张力操纵执行部件用的是磁粉制动器，磁粉制动器依照电磁原理，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，能够看做是一种接近线性的调理装置。将之安装在放卷轴上，能够产生一个反向阻力矩来缓冲放卷轴在高速运转中产生的惯性，因而能够通过操

14、纵制动器的阻力矩(即操纵电流)来调理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 （3）由式(3)可知：放卷时张力F是主动力，假设原料进给速度恒定，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步增大，张力就会增大,因而要保证张力恒定,就必须引入张力反应，由PLC系统操纵制动力矩，使张力稳定在设定值同意的范围内。放卷张力系统原理图如图8所示。详细实现过程如下：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操纵闭环系统，再通过张力放大板送到PLC操纵

15、系统的模仿量输人口，进展变换后与设定值进展比拟，其偏向通过PID运算由PLC操纵系统的模仿量输出口输出操纵电压U1 ，由 U1操纵稳流驱动板的输出电流I1 ，由I1操纵磁粉制动器作用在放卷轴上的阻力矩，从而到达调理扭矩实现张力操纵的目的。 图8 放卷操纵系统原理图 Fig.8 Drawing of the roll-releasing control system4.2 收卷段张力操纵系统构成 收卷系统如图5，收卷段张力执行部件是伺服电机，伺服电机以扭矩操纵方式进展张力操纵，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展计算，依照该累计数N和初始半径D0/2，材料厚度t（m），收卷轴

16、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）。 （4）由（4）式和（2）及R=D/2得 （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。单片机依照所测的圈数，按一定的关系逐步线性的增加伺服操纵器脉冲频率。收卷张力系统操纵原理图如图9所示。详细实现过程如下：通过触摸屏设定张力，通过接近开关来检测收卷轴的卷径，再通过计数器送到PLC的数字量输人口，进展计算后由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，从而到达调理张力的目的。 图 9 收卷操纵系统原理图 Fig.

17、9 Drawing of take-up roll control system5 完毕语恒张力操纵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,其应用的好坏直截了当妨碍到电容器薄膜的分切质量。本文所讲述的张力应用技术是依照一个已完成的工程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,我个人认为关于类似于这一类放卷、收卷构造的装置也能够借鉴。通过设备近两年的运转说明，张力系统运转稳定可靠、操纵精度也比拟高,得到用户的一致确信。能

18、够推行使用。参考文献：1禹恒洲 .复合机恒张力操纵系统电气传动 2007年 第3期第37卷 YU heng-zhou. Compound Device Constant Tension Control System. Electric Transmission. 2007年,37 (3)2刘鸿文 主编，材料力学，2004.1（第4版） LIU hong-wen. Mechanics of Materials, 2004.1（4）3魏海滨 .JR-28薄膜电容器自动卷绕机的设计电子工艺技术 2005年4月第26卷 第6期4冷护基 . 机械张力操纵机构的张力分析电子工业专业设备 1996年 第1期5杜君宪 .妨碍铝箔分切质量的要素分析机械设计与制造 2008年4月 第4期6邸长明. BOPP薄膜分切收卷里紧外松现象的处理方法塑料包装 1999年 第9卷 第3期作者简介：陈 涛（1983-），男，陕西商洛人，助理工程师，主要从事电子专用设备的设计工作。联络方式：陈涛 ：029-88887060转8302 ：13468651820通讯地址：陕西省西安高新技术开发区新型工业园创汇路25号：710119Email：chentao163mail163