步进电机在拉伸薄膜实验设备中的应用

赵琦，廖均祯，雷宏，马茗茗，戴展鹏

（桂林格莱斯科技有限公司，广西 桂林 541000）

0 引言

目前薄膜产业是我国产量最大、品种最多的高分子材料产业之一。随着国民经济的高速发展，塑料薄膜产业需求和产量也逐年增加，年均增长速度在15%以上[1]，各种类型的塑料薄膜在各行各业得到大量的应用。薄膜成型工艺较为复杂，通常采用压延法、流延法、吹塑法、拉伸法等，而其中拉伸法生成的薄膜由于其拉伸强度大、光学性能高、厚度均匀、稳定性高以及生产速度快等特点，使得拉伸法应用最为广泛[2]。而在对薄膜进行拉伸过程中，多少度的温度场下以多少的速率进行拉伸将会直接影响薄膜生产性的性能。如果拉伸速度过快容易造成薄膜的破裂，如果过慢会延长生产效率，所以必须通过拉伸薄膜实验设备获取不同配比的薄膜最佳的温度场和拉伸速度的关系[3-8]。这就要求拉伸薄膜实验设备具有可以较为精准调速的拉伸设备，以配合不同的温度场进行实验，从而获得最佳的温度场和拉伸速度的关系。

1 拉伸薄膜实验设备原理概述

因为生产不同类型的薄膜需要不同的生产工艺，所以需要简易、高效、低成本的试验设备来实现对各种薄膜工艺的探索。其中薄膜的拉伸需要对温度、速度进行控制，然后在各种不同温度和速度下对薄膜进行拉伸实验，通过实验数据来检验工艺参数。为了满足这一需求，设计了拉伸薄膜实验设备，其是通过温控表来控制温度，一般温度控制在±1℃左右。不同薄膜的拉伸温度是不一样的，拉伸温度一般是100℃～300℃。除此之外，还需要对模型以不同的速率进行拉伸，测试不同温度场下，不同速率拉伸时候的张力大小和拉伸质量，这就要求以较高的精度来进行。

实验设备使用欧姆龙CP1H系列的PLC来做步进电机的控制器，通过控制PLC的脉冲频率和脉冲输出通道来实现对步进电机速度和位置的控制[9]，控制X轴和Y轴的步进电机来实现夹体在X轴和Y轴来回运动，从而实现对薄膜进行拉伸或回缩的工艺步骤。薄膜在静态拉伸设备中拉伸时通过改变温度，拉伸速度，拉伸倍数，风量等参数来改变薄膜的形态，最终通过不断的测试得到理想的工艺数据[10-11]。

2 步进电机控制原理和应用

步进电机的工作方式与电机的结构和种类密切相关。步进电机的分类主要有以下几种分类方式，按照力矩产生的原理分类：激磁式、反应式、混合式；按照定子数目分类：单定子、双定子、多定子；按照定子励磁相数分类：三相、四项、五相、六相；按照各项绕组的分布规律分类：径向分相、轴向分类相。不同的步进电机在控制方式上基本一致，在实际应用中反应式步进电机比较常用，步进电机直接由数字信号进行控制，其基本控制包括方向控制和速度控制。

在控制过程中一定要注意步进电机的换向动作，一定要等电机停止或者降到突跳频率范围之内时才能进行换向动作，其目的是避免电机在换向时产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的脉冲结束以后，然后等到下一个方向的脉冲发出之前进行换向。步进电机的速度控制要根据具体设备的构造和特点来控制。PLC输出的脉冲频率高则步进电机加速，输出的脉冲频率低了则减速。步进电机的加速和减速过程要符合设备的构造和特点[12]。

比如步进电机带较大惯性的负载时就需要慢加速，慢减速的控制，此时脉冲频率变化不能太快。所以需要调试出一个比较符合设备的升降速脉冲频率，这样才能充分的利用步进电机有效转矩，而且可以在现有的设备上实现快速响应，缩短了升降速的时间，并且可防止失步和过冲现象。通常在定位过程中需要为了实现最优的定位控制，需要计算出一个最优的加减速时间，然后经过实际测试调整加减速时间来实现精确定位，尤其对于开环控制的步进电机，速度脉冲频率就可以按照加减速时间来输出。

该设备的控制系统包括PLC，步进电机驱动器，步进电机。由PLC发出信号脉冲给步进电机驱动器，而步进电机驱动器把接收到信号脉冲转化为电脉冲，驱动步进电机转动，控制器每发出一个信号脉冲，步进电机就旋转一个角度，这个角度即为步距角。它的旋转角度是以固定的角度运行的。控制器可以通过控制脉冲数量来控制步进电机的旋转角度，从而准确定位。

步进电机在控制过程中可能会发生低频振动，这时候我们就要利用步进电机驱动器的细分功能来减弱或消除步进电机在运行过程中的低频振动现象，而且细分数不是越高越好，在不同的应用场合下应合理选择步进驱动器的细分数。例如对转速要求较高，且对精度和平稳性要求不高的场合，不必选高细分。在实际使用时，如果转速很低情况下，应该选大细分，确保平滑，减少振动和噪音。步进电机的旋转速度是脉冲频率来控制的，而不受电源电压、负载大小等条件影响，脉冲频率越高步进电机的转速就越高，但转速高带来的问题是步进电机输出力矩会下降，所以在实际使用过程中要结合实际情况来使用步进电机。

此次采用的是共阳接线方式，步进脉冲信号正端和方向电平信号正端接一起作为共阳端接控制系统的+24 V，PLC的脉冲信号接入步进脉冲信号负端，PLC的方向信号接入方向电平信号负端。步进控制器接受的信号转化为光耦器件的输入电流以达到信号可靠传输的目的，如果信号源电源电压大于5 V时须在外部另加限流电阻R，以确保驱动器输入光耦高电平时可靠截止，低电平时有足3.0～15.0 mA的驱动电流。

通过控制步进电机来控制薄膜的拉伸速度、拉伸倍数和回缩倍数，通过控制X轴和Y轴的步进电机可以实现同步拉伸和异步拉伸的功能，拉伸倍数可以通过丝杆的节距和齿轮减速比来计算出来，该步进控制器的细分设置是4000步数/转，意思是控制器发送4000个脉冲步进电机转一圈，丝杆的节距是1 mm，减速齿轮比是1∶1，所以控制器发送4000个脉冲，则丝杆旋转一周在轴线方向上前进或者后退的距离是1个节距的距离，比如10个节距对应拉伸倍数是1倍或者回缩倍数是1倍，那如果要对薄膜进行1倍的拉伸，则通过控制器发送40000个脉冲就可以实现拉伸1倍的效果，这样就可以推算出相应的拉伸倍数对应的脉冲数了。

该静态拉伸设备中通过添加限位开关来控制步进电机的位置，限位开关接到PLC上，然后PLC接收到限位开关信号后用指令来关断脉冲。在拉伸控制方面通过操作按钮来调用PLC指令来实现位置控制，点动按钮时用手动的方式来实现位置控制，自动拉伸是通过在控制面板上设置好拉伸倍数和拉伸时间后自动实现拉伸动作。

PLC程序设计主要采用欧姆龙梯形图语言进行编程，程序中调用编写好的逻辑控制程序来实现对电机的速度和位置的控制，然后根据不同的工艺要求在触摸屏上输入控制顺序来完成步进电机的控制。通过PLC程序控制输出脉冲数和脉冲频率到步进控制器中，完成步进电机的位置和速度的控制。对步进电机的控制是通过面板上的操作按钮来实现的，控制方式分为手动控制和自动控制。

在手动控制时，通过按X轴的点动前进按钮、X轴的点动后退按钮、Y轴的点动前进按钮、Y轴的点动后退按钮、归零按钮，这五个按钮来控制对薄膜进行拉伸或是回缩操作。如果切换到自动控制，则在触摸屏上设置好操作步骤，然后按启动按钮后，一切动作就按照设定好的步骤一步一步执行，直到所有步骤执行完成。如果在自动执行时在规定的时间内没有完成所有步骤，则报警蜂鸣器会发出报警声，这是需要及时切换到手动控制模式下进行控制，然后检测和分析为什么没有在规定时间内完成所有步骤，如果发现问题则需要及时处理。

3 拉伸薄膜实验设备工艺流程

（1）同温度条件下异步拉伸工艺流程

试验流程：设置拉伸参数→夹样→进烘箱纵向拉伸→纵向拉伸完成→延时时间等待（横向拉伸前预热）→横向拉伸→拉伸完成出烘箱

（2）不同温度条件下异步拉伸工艺流程

试验流程：设置纵向拉伸参数→夹样→进烘箱纵向拉伸→纵向拉伸完成，铗子出烘箱→设置横向拉伸参数（温度升/降温）→铗子进烘箱横向拉伸

（3）同温度条件下同步拉伸工艺流程

试验流程：设置拉伸参数→夹样→进烘箱预热→同步拉伸完成→拉伸完成出烘箱

（4）热定型试验工艺流程

试验流程：设置拉伸温度→样品进行双向拉伸→样品拉伸完成退出烘箱→设置定型温度→设置定型延时时间参数、回缩速度及回缩比等参数→进入烘箱进行热定型试验→完成热定型试验。

以上是四种基本工艺流程，根据该工艺流程的思路在PLC中编写了控制程序。比如拉伸参数，延时时间，温度参数，拉伸顺序等这些参数都可以通过触摸屏自定义输入。这样就可以根据工艺要求来设定实验参数，且可以通过改变参数来实现各种各样的实验测试，基本可以满足工艺要求。

薄膜通过这些不同工艺条件下的实验，会产生出不同的特性，比如双向拉伸聚丙烯薄膜由于拉伸分子定向，所以这种薄膜的物理稳定性、机械强度、气密性较好，透明度和光泽度较高，坚韧耐磨。所以我们可以通过该设备可以试制各种工艺配方的薄膜，试制成功后可以应用到生产线上，可大大降低试制成本。

4 结语

经过实际使用，步进电机可以完全满足静态拉伸设备的工艺要求，并且步进电机有结构简单，没有累积误差，使用维修方便，制造成本低，步进电动机带动负载惯量的能力大等优点，所以步进电机特别适用于中小型设备和速度精度要求不高的地方。