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高精度卷绕真空镀膜设备张力控制技术研究

宋晓峰  
【摘要】: 张力控制是镀膜、IC制造、印刷、纤维缠绕等工业设备中具有共性的基础技术之一。随着现代卷绕设备向高速、高精度方向发展,张力控制技术极其重要。由于大型机电张力设备结构复杂、影响因素众多,在不同工况下系统参数存在着较强的耦合性、非线性、时变性和不确定性;在基础理论、检测技术和控制策略等方面都还有许多问题尚需解决,因此,机电系统张力控制问题是摆在工程技术人员面前急需解决的重大研究课题之一。 真空镀膜设备主要用于在PET、OPP、BOPP等塑料薄膜上连续蒸镀单面金属膜,该金属膜可用于生产电容金属化膜和包装膜,在电子、包装、烟草等行业广泛应用。 卷绕张力控制技术是真空镀膜机中的关键技术,卷绕张力控制的精度、稳定性直接影响真空镀膜机对原料膜的适应能力和产品的质量。本文研究的目标是通过对锌铝复合超薄电容膜设备张力控制技术的研究,推导卷绕装置的张力控制数学模型,在高速、低张力等极端情况下,找到一套适合的张力控制模式,设计出一套用于高档电容金属化膜生产的卷绕张力控制系统。 真空镀膜机张力控制难点:张力和薄膜的传递速度应该保持在一个恒定的值,一但速度产生波动,蒸发产生的锌铝复合物在薄膜上的厚度就会不一致。另一方面,不合适的张力会使薄膜产生皱纹,甚至导致薄膜断裂。并且薄膜的张力对卷辊而言太小的话会导致薄膜打滑。所以薄膜张力控制系统要保证在同一时间控制速度和张力。 由于薄膜卷绕系统由很多卷辊的子系统组成,子系统之间互相影响导致薄膜张力控制系统相当复杂。某一个区域的张力值变化会导致相邻部分张力变化随后导致速度波动等问题。 作者分析了薄膜张力控制系统并且提出了建立数学模型的方法,提出了张力控制系统的数学模型。由于系统的不确定性包括薄膜材料变动对工艺的影响,本文提出了应用自适应模糊控制器处理鲁棒性。模糊控制器的比例因子能够在线调整来实现自适应的功能。 论文以“高精度卷绕真空镀膜设备张力控制技术研究”为题,分析了卷绕系统内各子系统间动态耦合关系;研究了基于模糊控制PID控制算法;研制了基于PLC和现场总线技术的张力控制系统和实验样机,并通过实验对所研究内容进行验证。论文主要工作如下: 在对数学模型分析的基础上,本文实现了以可编程控制器为控制核心、伺服电机为张力执行元件、张力传感器实时反馈薄膜张力变化、带有补偿技术的闭环张力控制系统。通过采用卷径演算器补偿由于半径变化所带来的张力变化,采用加速度补偿来解决由于卷绕速度变化而引起的张力变化问题,而采用惯性补偿解决了收膜辊、放膜辊惯性变动引起的问题。由于卷绕系统是一个复杂的控制对象,尤其是在收放膜过程中,收放料装置的动态特性发生很大的变化,采用普通的PID控制器很难保证卷绕过程的动态性能,很难保证在各种使用状态下的动态特性稳定,需要采用适应性更强的控制算法。基于以上原因,本文提出了以模糊自适应PID控制算法作为卷绕系统的张力控制策略。仿真结果表明,本文提出的自适应模糊PID控制策略比常规PID控制策略控制效果好,适应性强。


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