薄膜拉伸用的靜電吸附裝置控制系統(tǒng)研究

張宏展 楊洋 樊銳

摘要：介紹了靜電吸附裝置在薄膜拉伸領(lǐng)域的應(yīng)用，靜電吸附系統(tǒng)的原理和重要性。重點(diǎn)介紹了靜電吸附控制系統(tǒng)的組成，控制系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)方法。通過改進(jìn)，讓靜電吸附裝置在薄膜拉伸領(lǐng)域穩(wěn)定的應(yīng)用起來。

關(guān)鍵詞：靜電吸附裝置;薄膜拉伸;控制系統(tǒng)

2、靜電吸附裝置在薄膜拉伸領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1、靜電吸附裝置的優(yōu)點(diǎn)

靜電吸附裝置在薄膜拉伸領(lǐng)域中有很大的作用，主要適用于生產(chǎn)BOPET和BOPA等材料的拉伸工藝。其主要作用就是在擠出系統(tǒng)和鑄片系統(tǒng)工作的時(shí)候，保證鑄片和冷卻輥很好的帖附不分離，防止在冷卻輥快速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候進(jìn)入空氣，防止因?yàn)檫M(jìn)入空氣影響傳熱、冷卻的效果。靜電吸附裝置的工作原理主要是利用靜電絲或者靜電帶的兩個(gè)電極和高電壓產(chǎn)生靜電磁場，根據(jù)不同磁極相互吸引的原理，讓薄膜能夠和冷卻輥緊密貼合在一起，有效排除薄膜中的空氣，讓其均勻冷卻。

2.2 吸附系統(tǒng)的工作原理和重要性

靜電吸附系統(tǒng)依據(jù)庫倫定律（兩個(gè)靜止的帶電粒子間的相互作用力）和洛倫茲定律（運(yùn)動(dòng)的電和在磁場中受的力），利用電磁力從而實(shí)現(xiàn)對物體有效地吸附。

靜電吸附控制主機(jī)通過將直流電壓經(jīng)過增壓、濾波及倍壓處理，轉(zhuǎn)化為高壓靜電，靜電高壓經(jīng)過靜電吸附單元（以單極或雙電極輸入模式）形成靜電磁場，從而對物體（導(dǎo)體或非導(dǎo)體機(jī)制）進(jìn)行靜電吸附。

① 靜電絲兩側(cè)施加高壓電源，接近它時(shí)會(huì)形成電暈式的放電.

② 發(fā)生的（+） 電離子向 陰極的薄膜側(cè)移動(dòng)（放電）使薄膜表面得到吸附.

③ 冷卻輪端要進(jìn)行良好接地，負(fù)（-）電荷被與設(shè)備大地相連，兩者間以庫侖（Coulomb）效應(yīng)為依據(jù)，將薄膜緊緊地貼附在冷卻輪上.

靜電吸附系統(tǒng)的重要性體現(xiàn)在：

靜電吸附系統(tǒng)使得薄膜和冷輥之間的吸附能力加強(qiáng)，薄膜表面外觀和產(chǎn)品品質(zhì)得到改善，厚度均勻性好，橫向拉伸時(shí)薄膜破膜次數(shù)減少，同時(shí)冷卻輪回轉(zhuǎn)速度可到達(dá)130m/min，大大提高生產(chǎn)線產(chǎn)量。

對于靜電吸附裝置來說，為了不讓電極絲在薄膜生產(chǎn)的過程中吸附原材料，所以需要將靜電絲變成按一定速度運(yùn)動(dòng)的電極絲，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新。靜電吸附裝置主要包括了電極絲、高壓傳輸器、調(diào)節(jié)器和控制系統(tǒng)等元件。

3、靜電吸附裝置控制系統(tǒng)的簡介

靜電吸附控制系統(tǒng)主要由收絲系統(tǒng)、放絲系統(tǒng)、滑臺(tái)移動(dòng)系統(tǒng)和觸摸屏等組成。該系統(tǒng)可以通過高壓直流電源使靜電絲帶電并產(chǎn)生離子，使得膜片均勻地貼附在鑄片輥表面。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D：

3.1本系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)基本結(jié)構(gòu)

操作面板：該部分供操作者控制各項(xiàng)功能并監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)。

滑臺(tái)平臺(tái)：可以進(jìn)行前后方向移動(dòng)，前后方向行程位1000mm。通過增量式編碼器實(shí)現(xiàn)絕對位置控制。

收絲系統(tǒng)：收絲電機(jī)緩慢運(yùn)行，將靜電絲纏繞在收絲盤上。內(nèi)置的張力傳感器實(shí)時(shí)反饋張力，實(shí)現(xiàn)按設(shè)定的張力值恒張力收絲。裝置通過計(jì)算收絲電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)的圈電。

3.2 靜電吸附控制系統(tǒng)配置

控制系統(tǒng)組成：控制器CPU 1212C ， PS 24V DC 型號(hào)6ES7212-1AE40-0XB0;

模擬量輸出模塊Analog output 2 AO; 14-bit 型號(hào)6ES7954-8LE03-0AA0;

觸摸屏 KTP700 Basic 型號(hào)6AV2123-2GB03-0AX0;數(shù)，計(jì)算出已使用的靜電絲長度。

放絲系統(tǒng)：釋放靜電絲，配合收絲系統(tǒng)調(diào)節(jié)張力。內(nèi)置的長度測量——護(hù)管伸縮裝置。通過齒輪齒條結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)護(hù)管伸出長度，確保靜電絲不會(huì)與鑄片輥邊緣部分產(chǎn)生放

電源SITOP PSU100L， 1-phase， 24 V DC/5 A 型號(hào)6EP1333-1LB00。

放絲部分：采用HB型磁滯制動(dòng)器。磁滯制動(dòng)器涵蓋了很大范圍的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率量測范圍，可以在任一轉(zhuǎn)速點(diǎn)，包括低轉(zhuǎn)速和零轉(zhuǎn)速時(shí)提供扭矩輸出。

滑臺(tái)橫移：電機(jī)選用西門子V90驅(qū)動(dòng)器，單相200v（0.4kw），6SL3210-5FB10-4UF1。電機(jī)扭矩2.4NM ，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000RPM，安裝尺寸80mm，電機(jī)型號(hào)：1FL6034-2AF21-1AA1。

收絲電機(jī)：選用V90驅(qū)動(dòng)器，單相200v（0.4kw），電機(jī)扭矩0.16NM，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000RPM。減速機(jī)選用PS40-32，安裝尺寸40mm，輸出扭矩達(dá)到8NM，采用速度控制方式，電機(jī)型號(hào)：1FL6024-2AF21-1AA1。

4靜電吸附系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)

4.1放絲系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

裝置中靜電絲正常工作時(shí)要保持一定的張力，讓鑄片和靜電絲的位置保持固定不變。靜電絲正常情況下應(yīng)該處于恒張力控制，不能因張力過大或者過小影響靜電吸附效果，因此靜電絲的松緊程度非常重要。在經(jīng)典放絲系統(tǒng)中使用伺服電機(jī)進(jìn)行放絲，采用力矩控制。由于實(shí)際工作中電機(jī)速度很低、在低頻下工作，避免不了電機(jī)波動(dòng)的情況，會(huì)造成靜電絲的張力控制穩(wěn)定難度很大。根據(jù)這種情況，采用了自動(dòng)化的調(diào)節(jié)設(shè)備—磁滯自動(dòng)張力阻尼器這個(gè)設(shè)備免去了張力波動(dòng)的因素，只需要設(shè)定好張力的大小，就會(huì)通過電流的大小來進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。改阻尼裝置能夠保證靜電絲正常運(yùn)行，還能夠保持工作中平穩(wěn)的張力。

磁滯制動(dòng)器是一種優(yōu)越的扭矩、張力控制部件。它利用磁滯原理，通過控制輸入的勵(lì)磁電流，產(chǎn)生一定的扭矩?？刂齐娏骱洼敵雠ぞ赜休^好的線性關(guān)系。它能提供光滑、無級(jí)可調(diào)、與轉(zhuǎn)速無關(guān)的轉(zhuǎn)矩控制。除了軸承以外，系統(tǒng)內(nèi)無其他摩擦，具有穩(wěn)定可靠、使用轉(zhuǎn)速高噪音小、使用壽命長，維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

磁滯制動(dòng)器由轉(zhuǎn)子和定子磁極兩大部分組成。轉(zhuǎn)子由特殊的磁滯材質(zhì)制成，定子磁極中有一定的間隙，轉(zhuǎn)子在間隙中轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)線圈通電時(shí)，間隙中產(chǎn)生磁場，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁滯效應(yīng)。當(dāng)磁滯轉(zhuǎn)子在外力作用下克服磁滯力轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生額定的扭矩。扭矩僅與激磁電流大小有關(guān)，與轉(zhuǎn)速無關(guān)，實(shí)現(xiàn)非接觸的扭矩傳輸。

下圖所示的是磁滯制動(dòng)器的典型結(jié)構(gòu)圖。

扭矩和勵(lì)磁電流的關(guān)系幾乎成正比，所以通過調(diào)整電流就能很容易的調(diào)整扭矩。

4.2加熱控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在制造雙向拉伸薄膜（比如BOPA，BOPET）的時(shí)候，在模唇位置往往容易出現(xiàn)低聚物的累積。為防止產(chǎn)生的低聚物對薄膜質(zhì)量產(chǎn)生影響，為用模頭排風(fēng)風(fēng)機(jī)及時(shí)把周圍的空氣往上方排出。此時(shí)揮發(fā)的低聚物會(huì)對靜電絲造成污染，進(jìn)而影響靜電吸附和冷輥的貼附效果。為解決這一問題，我們開發(fā)了一款帶加熱功能的靜電吸附裝置，通過耐20KV的隔離變壓器對交直流電源進(jìn)行隔離。工作中靜電吸附產(chǎn)生的電壓采用0-15KV直流電，靜電絲加熱采用110V交流電。改裝置可以輸出高壓和靜電絲加熱同時(shí)進(jìn)行，互不影響。靜電絲通過加熱，表面有了一定的溫度，可以保證吸附在靜電絲表面的低聚物能夠及時(shí)揮發(fā)掉，保證靜電絲始終處于潔凈狀態(tài)，同時(shí)增加靜電絲的使用壽命。

靜電絲加熱采用法國Celudc品牌的SO465620固態(tài)繼電器。采用PWM輸入信號(hào)控制改固態(tài)繼電器的相位角，輸入控制信號(hào)為4-20ma，輸出負(fù)載電壓0-110VAC可調(diào)。

4.3 恒張力控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

對于靜電絲來說，不僅要對靜電進(jìn)行釋放，同時(shí)靜電絲還得不斷運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)使用新的靜電絲工作。由于長期對靜電絲進(jìn)行纏繞，需要對靜電絲的排線和恒張力控制功能提出更高要求。否則很容易造成靜電絲放電不穩(wěn)定，擊穿薄膜。為保證靜電絲在收絲輪上能夠排列整齊，實(shí)現(xiàn)靜電絲的張力穩(wěn)定，我們采用西門子博圖軟件自帶的對具有比例作用的執(zhí)行器進(jìn)行集成調(diào)節(jié)的 PID 控制器。

PID_Compact是一種具有抗積分飽和功能并且能夠?qū)Ρ壤饔煤臀⒎肿饔眠M(jìn)行加權(quán)的 PIDT1 控制器。 PID 算法根據(jù)以下公式工作：

PID方框圖：

給系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)目標(biāo)張力，根據(jù)內(nèi)置的張力傳感器反饋出張力實(shí)際值，通過PID計(jì)算實(shí)時(shí)調(diào)整磁滯制動(dòng)器的勵(lì)磁電流，改勵(lì)磁電流疊加到磁滯制動(dòng)器的初始電流上，共同實(shí)現(xiàn)按設(shè)定的張力值進(jìn)行恒張力收絲。

4、結(jié)束語

對于薄膜拉伸工藝來說，靜電吸附裝置起到了首當(dāng)其沖的作用。本文作者根據(jù)自身的工作經(jīng)驗(yàn)和雙向拉伸工藝要求設(shè)計(jì)了靜電吸附控制系統(tǒng)，同時(shí)又針對靜電吸附裝置主要控制功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了主要介紹。作者希望通過這篇文章給相關(guān)的工程師們一些參考，在今后對拉伸生產(chǎn)線中的靜電吸附裝置改造能夠有所借鑒，保證靜電吸附系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡介：張宏展（1981-），男（漢族），河南南陽鄧州人，電氣工程師，從事雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)的研究。