Технологии, которые выбирают
профессионалы

Перемотка и продольная резка рулонных материалов

Перемотка и резка полотен бумаги, пленки, фольги или нетканых материалов требуется для компактного хранения, удобства перевозки, последующей переработки и использования материалов.

Для намотки рулонов используют перемоточно-резательные станки, которые наматывают полотно слой за слоем на гильзу или прямо на вал. Привод станка при намотке натягивает полотно и это натяжение создает внутри рулона давление, направленное по радиусу к центру рулона и пропорциональное натяжению, выраженному в единицах силы на ширину полотна, и обратно пропорциональное радиусу. Это давление в свою очередь удерживает слои вместе и обеспечивает трение между ними. Трение между слоями будет пропорционально площади соприкосновения и коэффициенту трения материала. Именно оно передает момент вращения от вала (гильзы) на верхние слои рулона и создает натяжение в полотне при намотке. Трение предохраняет слои от проскальзывания и, тем самым, удерживает форму рулона во время транспортировки и хранения.

Натяжение полотна

В каждом полотне есть неравномерности в поперечном или продольном направлениях, визуально полотно при этом выглядит «мешковатым». Прилагая натяжение к полотну мы его напрягаем и удаляем эти неравномерности и полотно становиться более ровным. Потом, под натяжением полотно становится более жестким и это помогает устранить провисание, например, между валами. Наконец, натяжение создает трение между слоями после намотки и помогает выяснить сколько метров намотали за определнный период времени (зная скорость, толщину и ширину материала).

Рисунок 1. Основные параметры станков продольной резки

Как определить правильное натяжение полотна? Согласно практике, оно устанавливается как максимальное натяжение равное 15-20% от величины, соответствующей разрывному усилию материала. Для 90% случаев допустимое натяжение лежит в пределах 50-550 Н/м , а в 95% случаев в пределах: 20 до 2000 Н/м. Можно соглашаться или нет с приведенными количественными оценками, но такова практика, и это поможет при выборе привода станка.

Как предотвратить проскальзывание ?

Материалы с низким коэффициентом трения нуждаются в большем усилии для предотвращения проскальзывания. Слои около гильзы имеют более ограниченную площадь соприкосновения, чем слои на верхней части рулона. А узкие рулоны будут иметь меньшую площадь соприкосновения между слоями, чем широкие и потребуют большего натяжения.

Что такое Buildup фактор?

Buildup фактор - это отношение внешнего диаметра гильзы к конечному диаметру рулона.

Для полотен с относительно хорошей сжимаемостью в поперечном направлении и высоким коэффициентом трения можно легко достичь величины этого отношения порядка 10-ти. Т.е. на гильзе 152мм можно намотать рулон диаметром 1520мм без труда и практически на любом станке. А вот для материалов с плохой комбинацией низкого модуля в продольном направлении, высокой радиальной жесткостью, низким коэффициентом трения и плохой плоскостностью трудности начнутся уже при величине отношения равной 3-4. Это одна из объективных трудностей намотки на гильзы 76.2мм рулонов больших диаметров. Если поменять валы намотки на большие по диаметру, будет легче работать.

Что такое коэффициент Пуассона?

Когда мы прилагаем натяжение к полотну в одном направлении, то оно меняет свою форму и стремится стать тоньше в двух других направлениях. Соотношение Пуассона – это параметр, характеризующий эти изменения.

Закон утверждает, что для большинства материалов соотношение находится в пределах 0.3%. Например, полотно ПЭТ 1200мм по ширине под натяжением растягивается на 1% вдоль. Пуассон утверждает, что при этом это полотно станет уже на 0.3% по ширине, что составит примерно 3.6мм. Это важно, если требуется нарезать точную ширину.

Модуль Юнга

Модуль Юнга - это тангенс угла наклона кривой зависимости удлинения образца от приложенного напряжения. 

Знать модуль Юнга наматываемых матеиалов важно, если Вы сталкиваетесь в работе с различными материалами, выбираете новый станок или хотите решить возникшую проблему. Каждый материал обладает своей величиной модуля Юнга и этот параметр определяет поведение материала на станке для перемотки и резки, а также подходит ли станок для данного материала или нет. 

Диапазон изменений величины модуля Юнга в справочной литературе весьма велик. Если Вы работаете с полотном полиэстера при удлинении 0.2%, то изменение диаметра вала на 0.1% при его диаметре 76мм не существенно влияет на процесс, но если при том же изменении диаметра вала Вы будет работать с полотном алюминиевой фольги при растяжении 0.02%, то скорее всего хорошего результата не получится. При намотке ленты на валы или применении расправляющих валов с мягкими поверхностями нужно просчитать допустимый уровень изменения по модулю Юнга материала. Относительно большие изменения диаметра валов могут приводить к проскальзыванию полотна и малой эффективности расправления складок.

Еще один пример по проверке выверки валов. Например, у Вас есть три полотна ПЭ, ПЭТ и алюминиевая фольга с модулями Юнга соответственно 100, 500 и 10000, при одинаковом натяжении полотна дадут удлинения 1, 0.2 и 0,01%. Если ошибка в выверке составляет 0,1мм на плече 1000мм, т.е 0,01%, то для ПЭ это почти не заметно, т.к. получается 1% +-0,005%, а вот для алюминия 0,01%+-0,005% будет заметно и очень. Практика показывает, что выверка валов, приемлемая для большинства материалов, кроме фольги, составляет: 0,15-0,17мм на метр.

Как посчитать длину полотна в рулоне?

Представьте, себе рулон как цилиндр, на который Вы смотрите с торца. Вся площадь торца занята намотанным материалом толщиной Т. Тогда по формуле площади круга у нас получится Пи (Рр2 -Рг2)\Т = Длине. И наоборот, если Вы знаете толщину и длину материала, то радиус или его диаметр можно предсказать. Важно помнить, что размотав полотно, Вы снимите напряжение и полотно станет короче. Тут на помощь придет модуль Юнга, чтобы объясняться с заказчиком - при длине 100м и растяжении 1% заказчик недосчитается целого метра.

Как не ошибиться в весе рулона?

У физиков есть величина, которую они называют плотность или вес единицы объема. Можно забыть на минуту, что у нас есть гильза, а в ней пустота и только потом намотан материал.

Пусть наш рулон это - цилиндр, наполненный водой с плотностью равной 1. Его объем, умноженный на 1 и даст максимальный вес рулона для оценки. Почему максимальный? Потому, что у ПЭ плотность близка, но меньше 1 (0.992-0.996) и у всех других материалов также меньше единицы. Плюс, при намотке в рулоне всегда будут слои воздуха, что сделает его легче. Обычно интересует максимально возможный вес, а его можно быстро определить. Для бумаг и картонов примите плотность равной 0,72-0,76, для мелованных бумаг - 0.76-0,82.

Вес рулона требуется знать оператору для общения со специалистами по приводу. Иначе они могут неправильно оценить момент инерции и начнутся проблемы.

Станки центрального типа перемотки

Станки центрального типа перемотки - это самый распространенный тип станков для перемотки. Он так называется потому, что момент вращения сообщается приводом рулону от центрального вала.

Станки центрального типа должны обеспечить намотку или размотку материала с соблюдением определенных правил или, как говорят, с определенным профилем момента силы. Перемотка идет при постоянной линейной скорости полотна, т.е. формула выглядит следующим образом: вращение мотора в об в мин = линейная скорость полотна в м м мин Х передаточное число и \ Пи, 2 и радиус рулона в м.

При минимальном радиусе скорость вращения должна быть максимальна. С ростом радиуса или диаметра рулона приходится уменьшать скорость вращения, чтобы сохранить постоянство линейной скорости. Если при этом если величина натяжения постоянна, то момент Т = натяжение, умноженное на радиус. С ростом радиуса момент должен расти. Есть станки где нет необходимости поддержания постоянства линейной скорости полотна.

Важно помнить, что намотка и размотка идут при прямым управлением по скорости вала в центре рулона. При намотке скорость уменьшается с ростом радиуса, а при размотке скорость увеличивается с уменьшением радиуса.

Контроль натяжения

На станках контроль за натяжением организован с помощью контуров обратной связи. Прежде всего нужно определить, что лучше контролировать, скорость или момент. Потом выбрать тип контура: открытый или закрытый. Затем определиться с типом датчика для организации обратной связи в закрытом контуре. Например, это может быть баллеринка или вал с тензодатчиками.

Открытый контур означает, что у нас практически нет обратной связи, а мы просто устанавливаем на некоторый параметр ограничения. Например, на усилие тормоза размотки. Таким образом в открытом контуре никогда не измеряется параметр натяжение. Это дешевый способ, и он применяется, если Вашему процессу важно контролировать постоянство скорости, длину или временные факторы, т.е. измеряемые скалярные параметры.

В закрытых контурах используется так называемый PID регулятор. ПИД регулятор (пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор) - это устройство в управляющем контуре с обратной связью. Используется в системах автоматического управления для формирования управляющего сигнала с целью получения необходимых точности и качества переходного процесса. ПИД-регулятор формирует управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнал рассогласования), второе — интеграл сигнала рассогласования, третье — производная сигнала рассогласования. Но это для автоматчиков. Операторам важно, что станок понимает, что происходит и напрямую измеряет заданный параметр. Часто ошибки возникают из-за сбоев в ПИД регуляторах или их неправильной настройке. Если появляется статическое отклонение, то ищите проблему в интегральной части ПИД, а если нужное значение сильно гуляет вокруг заданного, то в дифференциальной части ПИД.

Векторный или скалярный привод

В обоих случаях речь идет о частотных преобразователях, хотя термины "векторный" и "скалярный" являются неточными применительно к их характеристике. Речь идет о параметре переменного тока, а значит использование термина "скалярный" вообще недопустимо.

Из курса элементарной физики известно, что скалярная величина - это такая величина, каждое значение которой (в отличие от вектора) может быть выражено одним (действительным) числом, вследствие чего совокупность значений скаляра можно изобразить на линейной шкале (scale - отсюда и название). При скалярном (частотном) управлении формируются гармонические токи фаз двигателя, что означает что управление поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей. Скалярный способ управления позволяет осуществлять легкую регулировку, даже при использовании заводских настроек.

Векторное управление — метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формированием гармонических токов (напряжения) фаз, но и обеспечением управления магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя). Векторное управление применяется в случае, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты, это позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя. Такие системы управления более современные и более дорогие. Они характерны для высококлассных перемоточных станков.

Как меряется скорость полотна?

В большинстве случаев используется принцип измерения числа оборотов вала с нулевым проскальзыванием и известной длинной окружности. Скорость = 2 Пи РПМ Радиус. Длина при этом просто пределяется умножением скорости на время. На дорогих станках ставят приводные валы, тахометры или линейные энкодеры для измерения скорости вращения валов, а также магнитные, индукционные и/или оптические датчики на более дешевых моделях. В любом случае важно обеспечить натяжение полотна и его сцепление в валом. Помните, то измерения на натянутом и на ненатянутом полотнах дадут разницу пропорциональную степени удлинения под натяжением.

Какой угол охвата полотном вала тензодатчиков должен быть?

Рекомендованные производителями углы охвата всегда большие, т.е. более 45 градусов. Но все относительно. Полотно под большим натяжением и легкий вал могут работать и при малых углах охвата, которые будут менее 45 градусов. Но при работе с полотнами при малых натяжениях угол охвата должен быть как можно больше. И еще проверьте, чтобы вектор направления измерения был перпендикулярен силе гравитации.

Какая баллеринка правильная?

Прежде всего, чтобы вал назывался баллеринкой он должен танцевать легко, т.е. практически летать и ему ничего не должно мешать. Уменьшите инерциальность вала, его вес, трение где можно, компенсируйте влияние гравитации и пневматики, используйте преимущественно горизонтальные системы, усиливайте сигнал от вала, обеспечьте охват полотном на 180 градусов и достаточную длину плечей полотна до и после вала. Проверьте все это на своем станке. Баллеринка чувствительна к складкам полотна, ее трудно настроить правильно, что приводит к изменениям натяжения полотна, плохо реагирует на быстрые изменения натяжения, на измеряет натяжение напрямую.