Kunst und Wissenschaft der Spannungsregelung: Das Kerngeheimnis für einen stabilen Betrieb einer Folienschneidemaschine

In der Folienverarbeitungsindustrie ist die Schneidemaschine ein zentrales Gerät zum Schneiden von Mastercoils mit großer Breite und großem Spulendurchmesser in mehrere Rollen mit schmalen und kleinen Spulendurchmessern. Die Qualität ihrer Funktion bestimmt direkt den Endwert des Produkts. Unter allen Kerntechnologien dieser Präzisionsmaschine ist die Spannungsregelung zweifellos ihre Seele. Sie ist sowohl eine anspruchsvolle Wissenschaft, die genaue Berechnungen und Reaktionen erfordert, als auch eine heikle Kunst, die viel Erfahrung und Fingerspitzengefühl erfordert. Wer ihr Kerngeheimnis beherrscht, kennt den Schlüssel zum stabilen Betrieb der Schneidemaschine.

1. Wissenschaft: Die starre Grundlage der Spannungsregelung

Die „Wissenschaft“ der Spannungsregelung spiegelt sich in ihren quantifizierbaren, modellierbaren und automatisierbaren Eigenschaften wider. Sie ist die physikalische Garantie für den stabilen Betrieb des Systems.

1. Kernprinzipien: Hookesches Gesetz und Trägheitsmoment

Spannung ist im Wesentlichen eine elastische Kraft. Folien folgen beim Dehnen dem Hookeschen Gesetz (F = k·x), ihr Verhalten ist jedoch komplexer und hängt von Faktoren wie Elastizitätsmodul, Breite und Dicke des Materials ab. Gleichzeitig besitzt jede Walze und Rolle der Schneidemaschine ein Trägheitsmoment (I). Beim Anfahren, Beschleunigen, Abbremsen und Anhalten beeinträchtigen Trägheitskräfte die Spannung erheblich. Der Kern der wissenschaftlichen Steuerung besteht darin, diese physikalischen Störungen durch Echtzeitberechnung und -kompensation zu überwinden, sodass die Spannung (F) der Folie jederzeit konstant bleibt.

2. Systemzusammensetzung: Wahrnehmung, Entscheidungsfindung, Ausführung

Ein klassisches geschlossenes Spannungsregelsystem besteht aus drei Teilen:

• Sensoreinheit (Spannungserkennung): normalerweise ein Spannungssensor (piezomagnetisch oder Dehnungsmessstreifentyp) oder ein Potentiometer mit schwimmender Rolle. Ersterer misst den tatsächlichen Spannungswert direkt und genau; Letzterer spiegelt die Spannungsänderung indirekt wider, indem er die Position der schwimmenden Rolle erkennt, die selbst eine gewisse Puffer- und Dämpfungswirkung hat.

• Entscheidungseinheit (Steuergerät): Ihr Herzstück ist eine SPS oder ein dedizierter Spannungsregler. Sie empfängt ein Rückkopplungssignal von der Sensoreinheit, vergleicht es mit einem voreingestellten Spannungssollwert und berechnet anschließend den Korrekturbetrag basierend auf dem integrierten PID-Regelalgorithmus (Proportional-Integral-Differential). Die Feinabstimmung der PID-Parameter (P, I, D) ist die Essenz der Wissenschaft und erfordert eine präzise Abstimmung zwischen den Materialeigenschaften und der Reaktionsgeschwindigkeit mechanischer Systeme.

• Aktuator (Nebenantrieb): Normalerweise treibt ein Frequenzumrichter einen Wechselstrommotor an, ein Servoantrieb einen Servomotor oder eine Partikel-/Hysteresebremse/-kupplung. Sie erhalten Befehle vom Controller, um das Bremsmoment der Abwickelwelle, das Antriebsmoment der Aufwickelwelle oder die Lineargeschwindigkeit der Antriebsrolle präzise zu steuern und so die Spannung optimal anzupassen.

3. Steuermodus:

• Drehmomentregelung mit offenem Regelkreis: Berechnet und regelt das Ausgangsdrehmoment des Motors (T = F × R) entsprechend der Änderung des Spulendurchmessers. Die Berechnung ist einfach, aber es gibt keine Rückmeldung, die Entstörungsfähigkeit ist schlecht und die Genauigkeit gering.

• Direkte Spannungsregelung mit geschlossenem Regelkreis: Echtzeitanpassung durch direkte Rückmeldung des Spannungssensors. Höchste Regelgenauigkeit ist bei High-End-Schneidemaschinen Standard.

• Indirekte Spannungsregelung mit geschlossenem Regelkreis (Floating-Roller-Regelung): Stabilisiert die Spannung indirekt durch Regelung der Floating-Roller-Position. Sie ist kostengünstig, bietet eine gute Stabilität und eignet sich für die meisten herkömmlichen Schneidszenarien.

2. Kunst: Die flexible Weisheit der Spannungskontrolle

Wenn die Wissenschaft das Skelett ist, dann ist die Kunst Fleisch und Blut. Die „Kunst“ der Spannungskontrolle spiegelt sich im empirischen Verständnis und den subtilen Kompromissen unzähliger Variablen wider.

1. Interpretation des „Charakters“ des Materials:

Verschiedene Folienmaterialien haben sehr unterschiedliche „Eigenschaften“. PET (Mylar) hat eine hohe Festigkeit und eine geringe Duktilität und erfordert daher eine stabilere und präzisere Spannung. PE (Polyethylen) und PP (Polypropylen) haben eine hohe Duktilität, und übermäßige Spannung kann leicht zu Zugverformungen führen. CPP (gegossenes Polypropylen), Aluminiumfolie usw. sind stark knitterig und erfordern eine geringe und extrem gleichmäßige Spannung. Experten können anhand des „Gefühls“ und „Klangs“ des Materials – einem über lange Zeit gesammelten Gefühl – vorab beurteilen, ob die Spannung angemessen ist.

2. Die Verwendung von Taper-Spannung:

Dies ist die größte „Kunst“ des Wickelprozesses. Mit zunehmendem Wickeldurchmesser (R) steigt der Druck auf den Kern dramatisch an, wenn die konstante Spannung (F) aufrechterhalten wird (P = F / (2πR²)), was zu folgendem Ergebnis führt:

• Innen eng und außen locker: Der Kern wird stark zusammengedrückt, wodurch „chrysanthemenförmige“ oder „sternförmige“ Falten entstehen.

• Rollen: Die Kanten der Folienrolle sind uneben.

• Abwickeln nicht möglich: Die Folienrolle ist steinhart und zerdrückt sogar den Kern.

Die Steuerung der Konusspannung ist die künstlerische Lösung für dieses Problem. Sie ermöglicht es, die Wicklungsspannung mit zunehmendem Spulendurchmesser gemäß einer bestimmten Kurve (linear, quadratisch usw.) allmählich abzunehmen. Die Kunst liegt in der Wahl der Konuskurven und der Start-/Endpunkte:

• Einstellung der Verjüngungsrate: 10 %–50 % ist der übliche Bereich. Je weicher und verformungsanfälliger (z. B. PE), desto größer die Verjüngungsrate. Je härter das Material (z. B. PET), desto kleiner die Verjüngungsrate.

• Erfahrung und Experimente: Es gibt keine allgemeingültige Formel. Die beste Verjüngungskurve muss durch mehrere Tests ermittelt werden, indem die Filmspule geschnitten wird, um die inneren Zwischenschichtbedingungen zu beobachten, und indem die ideale Wickelform „außen eng und innen locker“ angestrebt wird.

3. Feinabstimmung dynamischer Prozesse:

• Beschleunigungskompensation: Während der Start- und Hochlaufphase kann die Trägheit des Systems einen plötzlichen Spannungsanstieg verursachen. Die Kunst besteht darin, diesen Schock vorherzusehen und im Voraus eine umgekehrte Kompensation anzuwenden (z. B. dem Abwickelmotor einen kurzen Schub zu geben), um den Übergang zu glätten.

• Reaktion auf den Moment des Materialeingangs: Sobald die alte und die neue Trommel verbunden werden, kommt es zu einer enormen Störung des Spannungssystems. Wie die Schwingung schnell beruhigt und die Stabilität wiederhergestellt werden kann, ist eine Herausforderung für den Algorithmus der Steuerung und die Vorhersagefähigkeit des Bedieners.

3. Das Kerngeheimnis: Die Integration von Wissenschaft und Kunst

Um einen absolut stabilen Betrieb der Schneidemaschine zu erreichen, ist eine perfekte Integration von Wissenschaft und Kunst erforderlich.

1. Eine genaue Systemkalibrierung ist Voraussetzung: um sicherzustellen, dass Nullpunkt und Bereich des Spannungssensors, des Geschwindigkeitsgebers und des schwimmenden Walzenzylinders absolut genau sind. Dies ist die Grundlage aller wissenschaftlichen Berechnungen.

2. Parametereinstellung „starr und weich“:

◦ Skala (P): Bestimmt die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems. Ist der P-Wert zu groß, schwingt das System leicht (zu stark), ist er zu klein, reagiert es langsam (zu schwach).

◦ Integration (I): Eliminiert statische Fehler. Ein zu hoher I-Wert führt zu Überschwingungen.

◦ Differential (D): Prognostiziert den Trend und unterdrückt Schwingungen. Ist jedoch empfindlich gegenüber Rauschen.

Die Kunst besteht darin, einen Satz von PID-Parametern zu finden, die schnell reagieren und Störungen für verschiedene Materialien (z. B. Dural vs. flexibel) reibungslos unterdrücken. Dies erfordert oft Ausprobieren und viel Erfahrung.

3. Aktive Kompensation des gesamten Spulendurchmessers: Das fortschrittliche System berechnet die Änderung des Spulendurchmessers in Echtzeit und kompensiert aktiv die Auswirkungen der Änderung des Trägheitsmoments, die durch die Abwickel-/Aufwickelrolle verursacht wird, anstatt zu warten, bis die Spannung schwankt, bevor es korrigiert, um die aktive Kontrolle des „Widerstands gegen den Feind im Ausland“ zu erreichen.

4. Eine gute mechanische Wartung ist der Träger: Egal wie gut das Steuerungssystem ist, es benötigt auch eine solide mechanische Grundlage. Die Parallelität und der Rundlauf der Rollen, die Laufruhe der Lager, das Spiel des Übertragungssystems usw., alle mechanischen Probleme zerstören direkt die Stabilität der Spannung.

Abschluss

Bei der Spannungsregelung der Folienschneidemaschine handelt es sich keineswegs um eine einfache „Spannung“ oder „Entspannung“, sondern um ein dynamisch ausbalanciertes Ökosystem.

• Die Wissenschaft liefert leistungsstarke Werkzeuge: hochpräzise Sensoren, Hochgeschwindigkeits-SPS, fortschrittliche Algorithmusmodelle, die das „Gehirn und die Nerven“ des Systems bilden.

• Die Kunst verleiht dem System seine Seele: Sie ist das tiefe Verständnis des Ingenieurs für die Materialeigenschaften, die Genialität der konischen Spannungskurve und das präzise Verständnis der PID-Parameter.

Das wahre Kerngeheimnis liegt in der Nutzung künstlerischen Denkens und Erfahrung, um auf der Grundlage wissenschaftlicher Werkzeuge und Prinzipien zu harmonisieren und zu optimieren. So können Kaltstahlmaschinen den dünnen Film, so dünn wie Zikadenflügel, sanft und sicher steuern und die magische Verwandlung von Rohstoffen in hochwertige Endprodukte realisieren. Nur durch die Beherrschung dieser Methode können Sie die Schneidemaschine steuern, sie reibungslos und stabil laufen lassen und makellose Filmrollen produzieren.