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1、 上海大学博士学位论文高精度卷绕真空镀膜设备张力控制技术研究姓名：宋晓峰申请学位级别：博士专业：机械电子工程指导教师：谈士力20070601 上海大学工学博士学位论文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。 论文以“高精度卷绕真空镀膜设备张力控制技术研究”为题，分析了对所研究内容进行验证。论文主要工作如下： 琣痷 ， 瑆甌 瓵啊 ， 琍，痷， 当今
2、世界各类工业设备已发展成为多物理过程、多模块结构、多功能特性的机电系统，如高速、高精密的镀膜设备，制造设备、印刷设备、纤维缠绕设备等，它们为能源、化工、冶金、材料、机械、运输等重大支柱产业生产制造出各类高性能产品。然而在这类机电设备稳定、高效运行的背后，无不有高精度的张力控制系统支撑。机电系统张力控制技术，足这类工业设各的共性基础技术之一。由于大型机电张力系统结构复杂、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、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需要解决，因此，机电系统的张力控制问题严重阻碍了我国相关装备的技术进步，是我国工程技术人员急需解决的重大研
3、究难题。真空镀膜技术是利用物理、化学手段在固体表面涂覆一层特殊性能的镀膜，从而使固体表面具有耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、防辐射、导电、导磁、绝缘和装饰等许多优于固体材料本身的优越性能，达到提高产品质量、延长产品寿命、节约能源和获得显著技术经济效益的作用。因此真空镀膜技术被誉为最有发展前途的重要技术之一，井己在高技术产业化的发展中展现出诱人的市场前景。这种新兴的真空镀膜技术已在圜民经济各个领域得到应用，如航空、航天、电容器是最广泛应用于电气及电子产品的主要部件之一，真空金属镀膜在数十年来已成为电容器制造的重要环节，在过去数年问，作为电容器介质的金属化 上海大学工学博士学位论文形成蒸气流，入射
4、到固体莆3牡谆蚧表面，凝结形成固态薄膜的方法。蒸发源是蒸发装置的关键部件，根据蒸发源不同，真空蒸发镀膜法可以分为以下几种：电子束蒸发源蒸镀法、电阻蒸发源蒸镀法、高频感应蒸发源蒸镀法、激光束蒸发源蒸镀法畔】。其中利用电阻加热器加热蒸发的镀膜设备构造简单、造价便宜、使用可靠，可用于熔点不太高的材料的蒸发镀膜，由于电容金属化膜所采用的镀膜材料一般为铝和锌，两者的熔点都不高，因此，在此次设计中我们采用的蒸镀方法为电阻蒸发源蒸镀法。它的整体工艺过程包括薄膜从放膜辊放出，经过张力辊、展平辊和其它一些过渡辊，在主辊上完成蒸镀，最后经过展平辊和张力辊回到收膜辊上。国内外发展现状 上海大学工学博士学位论文铝锌铝
5、方欧、锌铝合金方欧烧结陶瓷、电阻加热方式黄胀舴高蒸发率欧元 铝脚罚浚粱芙方敞烧纠沾伞纾篺加热方式公司系列镀膜机 上海大学工学博士学位论文控制策略虳出变增益的嘲艨刂疲怪园刖侗浠嘲粜愿浚捎肔控制策略从上面的分析可以看出，可供查阅的文献中绝大部分提出的方法是针对纸带传送系统而言的，普通纸带相对于厚度在腜、塑料薄膜而言，其伸缩变形要小，对张力变动的敏感度也要小，对于这些塑料薄膜，我们就需要更加精密的张力控制系统。近年来，我国生产的真空镀膜机已有一定的基础，国内已有不少单位开展了卷绕式真空镀膜机的研究，并生产了一些规格的真空镀膜设备，如上海曙光机械制造厂的系列高真空卷绕式镀膜设备，广东新会兆业科技有限公
6、司方箱式锌铝复合膜真空卷绕镀膜机。表列出了系列高真空卷绕式镀膜设备的主要技术参数： 上海大学工学博士学位论文“；畉直接张力检测，自动控制方式直接张力检测，自动控制方式件蒸发系统基体材料所列数据为国际、国内著名基材生产厂家所生产的专用于真空镀铝的基材。但这些设备与国外设备相比，差距仍然比较大，在全自动卷绕机的开发和生产上尚属空白。现有设备多为国外年代产品或根据国外年代产品仿制的半自动卷绕机，其张力自动跟踪系统不完善，没有接触压辊和避震系统的设计，故在卷制过程中无法保持恒张力，无法避免膜层间空隙和皱纹的产生，无法达到生产金属化薄膜高压并联电容器、高频脉冲电容器、直流高压电容器所必需具备的条件，且存
7、在卷绕速度低，收放卷的张力控制和调偏装置性能差，自动化程度低，电阻加热式蒸发源的坩埚寿命短等问题，急待改进。这些国产设备主要用来生产基材膜厚度较大、镀膜要求低的包装膜，在高精度电子行业中主要依靠国外引进设备进行生产，生产价格高，缺乏竞争力。当基材厚度较小时，容易发生基材由于张力过大而断裂的现象。因此，进行高精度卷绕真空设备的国产化研究就显得非常重要，它不仅可以提高我国在这一领域的国际竞争力，而且具有很大的市场空间。 上海大学工学博士学位论文镀膜机向工艺方法复合化方向发展。张力控制系统的发展状况张力控制系统的好坏直接影响镀膜质量，材料张力小，则材料和辊轴间摩擦力小，容易发生滑动，且材料可能会产生
8、皱纹；张力大，则材料会在拉伸的状态下镀膜。无论是在有皱纹的情况下镀膜，还是在拉伸的状态下镀膜都会影响镀膜质量，若材料张力不合适且经常变动的话那么镀膜精度会大大降低。因此张力控制的目的： 上海大学工学博士学位论文 上海大学工学博士学位论文该装置为手动式张力控制卷绕机可实现廉价的张力控制。线速度：痬争霪簪。禽葶一盘并 桌悸磠 尽；一赢。“甜一” 上海大学工学博士学位论文【控制系统卷绕张力控制系统的特点卷绕机械张力控制系统有其自身的特点。主要体现为动力模型变化大，随着卷绕的进行，料辊的半径不断发生变化，从而系统惯量不断增加或者减小，从卷绕开始到结束，往往可以达到几十倍的变化，而与此相矛盾的是控制参数
9、只能在某些工作点上整定，这样控制器在某些工作区域内就面临性能降低甚至失败的命运。 广泛的应用，同样适用于张力控制领域。但是张力控制系统毕竟是一个模型不确随着控制理论的迅速发展，在工业过程控制中先后出现了许多先进的控制算 上海大学工学博士学位论文振荡等问题【俊】。目刂破鳎揖哂欣嗨芇易于使用的特点，无论在理论还是实践上都将具 上海大学工学博士学位论文本课题来源于一家专业生产电容金属化膜的生产厂家，其生产金属化电容膜的设备多为进口设备，与这些设备配套的零部件价格昂贵，根据其生产过程的实际需求，我们研究的目的就是研制出一套价格适中，能够生产高质量电容金属化膜的卷绕真空镀膜设备，在此基础上对卷绕机构动态
10、系统进行研究，找出影响镀膜质量的原因，提出解决的办法，并深入分析研究卷绕张力实时检测技术、张力控制技术和锥形张力控制技术，找到一套适合的张力控制模式，使国产真空镀膜设备的水平达到一个新的高度。其研究的主要性能指标如下：原料膜宽度：最大卷径：卷绕速度： 上海大学工学博士学位论文的全局耦合模型。刂扑惴筒呗浴岢隽艘阅：允视控制算法作为卷绕系统的张力控本章小结 上海大学工学博士学位论文引言卷绕真空镀膜机整体机构的组成该设备主要包括以下四个部分：蒸发系统：由蒸发器、蒸发舟、送丝单元构成。主要作用：产生锌铝蒸气，并能控制蒸发的量，以保证电容膜的电阻率达到所需要求。屏蔽机构：在薄膜长度方向产生非蒸镀区，由屏
11、蔽带、主辊遮板、挡板构成。主要作用：可以调节蒸镀区的宽度；不同宽度的膜在分切以后可以生产不同类型和大小的电容薄膜。结构图如下所示： 上海大学工学博士学位论文在卷绕式真空镀膜机中，卷绕机构是重要组成部分。它应该保证基材在卷绕 上海大学工学博士学位论文展平辊通过一定的运动机理使薄膜展平，消除薄膜在拉伸应力作用下产生的一些纵向皱纹，在下面章节中会有详细的分析。电阻测量辊用来在线对金属层的厚度进行监测。镀膜室有单室、双室和多室等几种。所谓单室就是镀膜和卷绕在同一个室内进行，早期的卷绕式真空镀膜机多属这种类型。单室镀膜机的优点是结构比较简单，真空系统也不太复杂，适于镀聚酯和聚苯乙烯类的塑料薄膜，但不能镀
12、放气量大的基材。因为基材放气量大时，镀膜室要达到预期的真空度，就必须用庞大的真空系统，消耗大量能源，这实际上是不经济也办不到的。双室镀膜机的镀膜和卷绕分别在上、下两个室进行，有两套真空系统。目前，大中型蒸发卷绕镀膜机的真空室都是双室型，即由隔板将其分为上、下两室。以蒸发法为例，一般上室为卷绕室，真空度约为玊，下室为镀膜室，真空度约为。神。上室进出的薄膜基材在下室蒸镀后又回 ：半论女真空系统幽真空系统示意图 上海大学工学博士学位论文至室温，以便打开镀膜室时防止水蒸气在冷却辊表面凝结【删。膜过渡辊饕F鸬枷蜃饔茫拍蛊焦是曲率可调的弧形导辊，确保进入蒸弯辊在卷绕设备中位于主辊和收膜辊的前面，其外形如图
13、所示。 上海大学工学博士学位论文艘擎辊农蕊图薄膜通过弯辊时的情形当然，在不同的条件下，扩展摩擦力未必一样，所产生的展平效果也不尽相同。简化后的薄膜与辊面的接触线见图， 上海大学工学博士学位论文 上海大学工学博士学位论文启示，当弯辊给定以后，可以改变前后导辊的位置，调整口和的值，进而达到影响镀膜质量的几个主要因素 上海大学工学博士学位论文假定抽气时，在出时间内上室的压力降为勿，下室的压力降为和。若主泵对室体的抽气量与室体内的气体流量处于动态平衡时，下述关系式成立 上海大学工学博士学位论文一卜两丽一南一南一志卜亿一：巡望竺置 上海大学工学博士学位论文室的漏气、渗气及零部件的放气起作用了。上述结果说
14、明： 尺：旦式中5继宓牟牧霞拔露染龆牡缱杪剩弧辏珺，琒分别是导体的长 电阻法测厚装置原理图电阻值关系曲线查出膜厚值。该值是蒸发材料在被镀材料幅宽方向的膜层厚度的平均值，可视为除被镀材料的幅宽中心、两侧边缘外之外的坩埚所对应的膜厚。厚萾要大，令厂琭可称为增厚系数。 上海大学工学博士学位论文坩埚数量与基材幅宽的对应关系。在卷绕镀膜机中，作者曾测量了的加热温度、送铝丝速度。由铝的蒸汽压常数，可算得氮化硼坩埚 上海大学工学博士学位论文送丝机构的往复运动。由图某叽纾词可分别计算出坩埚对半径为，的 上海大学工学博士学位论文张力系统的总体设计 上海大学工学博士学位论文 上海大学工学博士学位论文薄膜的拉力下旋
15、转放膜。本系统中薄膜在工作过程中，由于外界因素和薄膜材料的变化导致张力变化 上海大学工学博士学位论文下面是实现恒张力控制的几种方法的比较：比力矩电机广。一般采取伺服电机、矢量变频器驱动电机。电气设备复杂，需要张力控制仪及张力传感器。 上海大学工学博士学位论文交流变频驱动和力矩电机驱动。直流电动机主要优点是调速和启动特性好，堵转转矩大，但电机都有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严重地影响了电机的精度、性能和可靠性，换向器电刷装置又使直流电机结构复杂、噪音大、维护困难。而交流调速电机具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点，故现在广泛采用交流变频调速驱动。就张力控制系统而言，小型分散的张力控制通
16、常用微处理器来控制；而大型度，协调控制。在真空镀膜行业中，大型、集成的张力控制更加常见，所以基于可编程序逻辑控制器以其可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等强大技术优而先进控制策略对于解决这类系统的控制问题，显示出强大的优势。因此把先进 其主要区别在于模糊推理的实现方法不同【。甈硬件模糊控制器赑查表法实现模糊控制和控制信号输出。情况，精度不高。 对象恰恰属于这种情况，因此研制和开发出一套适合卷绕机构的实时模糊张力控现场总线且焕嗷赑系统的现场总线，本课题涉及整个监控系统底层到上位机界面，系统中使用了最新的工业自动个关键因素，为卷绕系统的设计提供理论依据。 上海大学工学博士学位论文引言张力是十分重要的
17、一个生产工艺指标，许多生产过程如镀膜、冶金、化纤、印染中张力控制都是非常重要的内容，张力控制的效果将直接影响到产品的好 认为卷辊具有理想的圆度、圆柱度。忽略系统中所有疍和疉的影响。在实际生产过程中，放料料卷的受力情况比较复杂，它的受力情况和预设镀膜张力、加减速给定斜率有关。当预设镀膜张力较小，或者给定加减速斜率比较大铀俣却的时候，电机处于电动状态，薄膜料卷的受力如图；当预设镀膜张力较大，或者给定加减速斜率比较小铀俣刃的时候，电机处于发电状态，薄膜料卷的受力如图。 上海大学工学博士学位论文电机电动状态时放料料卷受力模型式中，单轴等效传动惯量 上海大学工学博士学位论文，琽十琽十，十角速度国用转速表
18、示：、凰恳环丢蘧，鲁 上海大学工学博士学位论文起，在张力控制时都应该对这些动态转矩进行相应的补偿。图收料料卷受力模型 上海大学工学博士学位论文溃籑，鰎痗三矽驴瓦张力模型通常在控制时，总假定薄膜在传动辊上没有滑动摩擦，只有粘滞摩擦，薄膜的线速度总等于传动辊的线速度，而事实并非如此。为此，考虑两个连续的传动辊，从前一个传动辊的第一接触点到后一个传动辊的第一接触点之间的张力分布，如图所示。需要说明的是，该分析对收卷，放卷乃至收卷牵引和放卷牵引都是适用的。 其中，是摩擦系数。连续性方程 上海大学工学博士学位论文旦：玉一旦、 乞“ 上海大学工学博士学位论文式中为料膜不受拉伸时的原始长度，一 上海大学工学
19、博士学位论文由于科膜张应力起的弹性变形，因此司以忽略，上式简化成：如：堕鲁小或表示成积分形式：比较式褪，可以得到：锥张力控制所用的数学模型可以有多种形式，通用的锥张力数学模型可以描 瓦初始张力厂!J樟暇砭禗的函数下面模型就是一种有效的锥张力模型：式中在卷绕镀膜机中锥张力控制通常不需要这样相对复杂的模型，采用线性锥张【 张力控制补偿策略演算器来计算。惯性补偿以混 上海大学工学博士学位论文与卷径成反比的张力不断上升球惯性矩计算公式： 上海大学工学博士学位论文 上海大学工学博士学位论文引言!猆一放弱酮目日一张力铡明尉图真空镀膜机控制框图 上海大学工学博士学位论文和骰涞木嗬氪笥谥苯佑隤换量无限制。控制
20、系统的设计上面我们已经阐述过，放膜系统必须采用主动放膜的原因，为了使整个系统调速和机械性能好，在放膜和收膜系统中均采用伺服电机，控制原理图如下图放膜卷张力控制框图 上海大学工学博士学位论文晕鬲放卷用伺服电机的选用：尸痢搿羕舞训 上海大学工学博士学位论文据上述计算，由于是小张力、高速度，根据对镀膜主辊系统分析可知：对于差、 上海大学工学博士学位论文卺竿田转炬：痢！罷，蟊；蕊粒瑉张力控制系统框图婵毡枷烈旦础远组口 图放膜系统控制简图集真空设备各阀门及各种真空泵状态信息。 上海大学工学博士学位论文用于输出蒸发系统各个部件的控制信号。魅发电源淙图应变电阻式张力传感器 上海大学工学博士学位论文，一材料对
21、传感器的作用力；合力作用点在上方， 则： 图蒄盗形V髡镜腃甃系统的构成 上海大学工学博士学位论文为了以后介绍的方便，这里先说明几个在系统中常用的概念：需要一个主站。冻蘄荆航龃硪晕晃5坏氖莸脑冻陶尽用外部设备执行输入冻躺璞刚荆航龃硪晕晃5缓鸵宰治5坏氖莸脑冻陶尽用外部冻掏缒剑嚎梢院陀糜贑甃乃姓远程疧站，远程设备站，以位为单位的信息。用于传感器信号输入的远程疧模块用于故障指示的远程疧模块 上海大学工学博士学位论文总线配置如下：日本三菱电机公司制作的现场总线的远程通信方式距离为。 上海大学工学博士学位论文初始化 褂肍噶罾唇邮毡嬖诨撼宕娲髟冻淌鋁和远程寄絠亍私杏侠趓卜；动数舷链经通信方式示意图主站需设
22、定的参数有：连接模块的数量；传输速度；连接的每个远程站点的 上海大学工学博士学位论文撼宕娲鞑问舳萘碔要写入数据链接启动程序，然后进行输出刷新，使远程输入输出疪、远程 上海大学工学博士学位论文网络通信程序在此次设计中的地址分配如下表所示： 远一远远程痮站 耪一一粥粥远糖远疧耪姻憾 上海大学工学博士学位论文 制器的方法及梯形图设计的原理。 上海大学工学博士学位论文旱趉次与次采样时刻计算机输出之差；翰裳芷冢琙：积分时间常数，乃：微分时间常数。态误差，影响调节精度。模糊控制方法 技术中的模糊逻辑控制。图模糊控制器结构图模糊控制虽有不必知道被控系统的数学模型，算法简单便于实时控制等优点，但是不能实现最优
23、控制，系统参数或外负载变化过大需要修正控制规则，存在系统的上升特性不理想、超调量大、调节时间长甚至产生震荡、抗干扰能力差、稳态误差较大等缺点，并且在设计时存在很大的主观因素。在应用上，模糊控制还远不及常规的刂乒惴海湓蛑痪褪悄：刂撇幌癯鍼控制简单实用而且易于被控制工程师掌握，更主要的是因为模糊控制在实现时往往存在这样或那样的问题。 成了模糊刂破鳎浣峁谷缤所示。“籩嵋即对控制参数的不同要求，而使对象有良好的动、静态性能。 上海大学工学博士学位论文，一籌，；卯，； 上海大学工学博士学位论文涑觥鱇口，珹隶属度函数图隶属度函数曲线和恼嬖蛉绫所示。 输入输出等部分组成。设仿真对象的数学模型为： 上海大学工
24、学博士学位论文 上海大学工学博士学位论文 图仿真结果模糊腜实现在全部程序设计中，模糊控制查询表的查询是最为关键的部分，我们采用基。 上海大学工学博士学位论文图模糊控制算法流程图 上海大学工学博士学位论文 实验设备 上海大学工学博士学位论文本课题所涉及的实验是在如图、图所示的卷绕设备上进行的。表：缛萜饔镁郾实际实际实际 上海大学工学博士学位论文蝝嘘所实际实际实际公式表示：最小张力瓦平均张力 上海大学工学博士学位论文 上海大学工学博士学位论文象建立了数学模型。中，根据经验建立了模糊规则库。 上海大学工学博士学位论文钍涤溃：刂圃诒帕刂葡低持醒芯考坝肹电气传动自动化，甅珼琓瓺：狦琣 琈狢珼琀 琣 我籄甈 瓺 ，执刂乒蘙北京：电子工业刘金琨先进刂萍捌銶抡鎇北京：电子工业出版社， 上海大学工学博士学位论文瓾，隹疘：巴学梅等高速下引纸复卷机的张力控制策略峁担：朱凌云等基于殖芟叩脑冻炭刂葡低砙自动化与仪表，李众等薄膜生产线的殖芟呒刂葡低砙电气传动， ：李敬兆等基于苯硬楸矸绞绞迪值哪：刂破餮芯縖电工技术杂志， 上海大学工学博士学位论文李向明等自校正自调整：刂破鞣抡嫜芯縖武汉理工大学学报， 坊5龋越涣魇炙欧缁V葱屑恼帕刂葡低砙制造业自动化，莆埃釧。盗蠵实现刂芠机械与电子，学位论文琒
