★佛山華韓衛生材料有限責任公司何大海

關鍵詞：雙工位收卷機；換卷效率；張力控制；廢品率優化；自動化控制

全自動收卷機作為薄膜生產線的核心關鍵設備，其換卷效率直接影響著生產連續性與產品質量。傳統收卷系統在進行換卷過程中存在時間長與廢品率高等問題，這嚴重制約了整體生產效率。雙工位收卷機依靠兩個獨立工位進行交替工作，可實現連續不間斷的收卷操作，但換卷過程中的張力控制與時序調節以及質量保證仍面臨技術挑戰。因為換卷時序控制不當會導致大量材料浪費，張力波動會引起一系列產品缺陷，切換精度不足則會影響最終成品質量，因此收卷機的張力控制系統與卷徑計算精度等關鍵技術參數需要進行優化。廢品產生機理涉及張力不連續與應力分布不均等諸多因素，通過系統性技術改進來提升換卷效率并降低廢品率，成為推動收卷設備向高效化發展的迫切需求。

1　雙工位收卷系統分析

雙工位自動收卷機集成了PLC控制器與觸摸屏人機界面以及錐度控制系統，以此構建了一個完整的智能化收卷作業平臺，其核心是兩個獨立工位協調運行機制。系統采用中心電機、間隙電機、電子尺以及比例調壓閥等核心執行元件，配合升降式切刀裝置來實現精確的材料切換控制。當一個工位在進行正常收卷作業的時候，另一個工位會同步完成預備工序，包含新卷軸定位與張力預調以及切刀預備等關鍵動作（如圖1所示）。換卷流程涉及表面收卷、表面+中心+間隙收卷以及中心+間隙收卷三種不同模式的智能切換，系統會依據材料特性與工藝要求自動選擇最適宜的收卷方式。控制要素涵蓋張力錐度實時調節、收卷速度動態匹配以及工位切換時序精確控制，這些要素通過PLC程序邏輯運算與觸摸屏參數設置實現統一協調，確保了換卷過程中的張力傳遞連續性與產品質量穩定性，提升了收卷機的功能性、穩定性以及操作靈活性^[1]。

圖1雙工位收卷機整體結構示意圖

2　效率優化與廢品控制技術

2.1　張力控制算法改進

張力控制算法采用基于RBF神經網絡的系統辨識技術與傳統PID控制相結合的復合控制策略，有效解決了薄膜收卷過程中張力波動與響應滯后的問題。該算法擁有自學習與自調整能力，可以根據收卷過程中的材料特性變化以及環境干擾自動優化控制參數，控制系統構建動態張力補償模型。依據收卷張力控制方程進行實時計算，如式（1）所示：

式中：T為收卷張力，N；M為驅動轉矩，N·m；R為實時收卷半徑，m；Mf為摩擦力矩，N·m；J為等效轉動慣量，kg·m2；ω為角速度，rad/s；t為時間，s。

該算法集成了張力錐度控制功能，能根據不同材料的物理特性自動調整內外層張力分布，以實現內緊外松的理想收卷效果。通過采用速度式PID算法與擺輥張力檢測技術，系統的響應速度得到了顯著提升且張力控制精度達到了±1.5%^[2]。

2.2　卷徑計算精度提升

卷徑計算精度的提升采用厚度累積法與實時補償結合計算策略，借助精確追蹤材料層數變化來實現卷徑動態監測。系統把電機編碼器脈沖信號當作觸發源，每轉一圈就執行一次卷徑計算程序（如圖2所示）。依據材料厚度與內外半徑等基礎參數建立數學模型，如式（2）、式（3）所示：

式中：n為材料層數；R為外半徑，mm；r為內半徑，mm；h為材料厚度，mm；surplusR為剩余半徑，mm；surpluslayer為剩余層數。

該算法引入多點校正技術并在收卷關鍵節點進行實際測量，動態修正了計算參數且考慮材料壓縮系數、溫度影響與張力對厚度的作用。同時，該算法建立了環境參數數據庫，可根據不同工況條件自動調用相應的修正系數，進一步提高了計算準確性，將卷徑計算誤差控制在0.08%以內，為精確換卷時機判斷與張力控制提供了高精度數據支撐^[3]。

圖2卷徑計算精度提升結構示意圖

2.3　換卷時序智能調節

換卷時序智能調節系統依靠多傳感器融合與預測控制理論，達成了換卷過程各執行機構的最優協調控制。該系統集成了位置傳感器與速度反饋裝置以及壓力檢測元件等多種傳感器，可實時監測收卷狀態與設備運行相關參數。它建立了涵蓋預備、切換以及穩定這三個階段的時序控制模型，智能調節算法依據當前收卷速度、目標卷徑以及材料特性等多維參數，可提前算出最佳換卷啟動時機，保證了在前一卷完成收卷瞬間后一卷已完成所有預備動作。該系統還具備自適應調節功能，可以根據不同材料規格與生產工藝要求自動調整換卷時序參數，包括切刀動作時機等關鍵控制量。通過優化時序控制邏輯，換卷切換時間縮短了35%，明顯降低了換卷過程中的材料浪費與質量缺陷^[4]。

2.4　廢品產生機理與控制策略

廢品產生的根本原因是換卷時張力不連續、材料應力分布不均以及切換時序控制不當等多重因素的耦合作用。當收卷張力超過材料彈性極限就會導致永久變形或者斷裂，而張力不足則會造成收卷松散與表面出現褶皺，這種張力失衡在換卷瞬間表現得特別突出。依據薄膜收卷的力學分析可知，膜卷內部存在復雜的徑向與環向應力分布，外層材料對內層產生的壓縮應力會隨收卷進程逐漸累積，當內部殘余張力降為負值時必然引發褶皺缺陷。控制策略圍繞張力平滑過渡、應力均勻分布以及過程實時監控這三個核心環節構建，通過建立張力錐度控制模型實現收卷過程中張力的梯度分布。系統設置了多級預警機制，當檢測到張力異常與速度波動或位置偏差時會立即啟動應急處理程序，以此最大限度減少廢品產生與材料損失^[5]。

3　性能驗證與技術評價

3.1　實驗測試與數據分析

為了驗證系統優化所產生的效果，我們專門選擇三種不同規格的薄膜材料開展對比實驗，以此測試優化前后換卷效率與廢品率的變化情況。此次實驗涵蓋不同厚度與寬度規格的薄膜材料，通過連續48小時的生產測試獲取了可靠的對比數據，如表1所示。

表1不同規格薄膜材料優化前后性能對比

表1的實驗數據表明，系統優化之后換卷效率有了顯著提升，平均換卷時間縮短了33.3%且廢品率降低了68.1%。不同規格材料的優化效果存在一定差異，薄規格材料的效率提升表現得更為明顯，這主要是因為薄材料對張力控制精度要求更高。優化后的控制算法在處理薄材料時呈現出更優的性能，廢品率的大幅降低不但減少了原材料的浪費，還顯著提高了生產線的整體經濟效益。

3.2　系統穩定性評估

系統穩定性評估通過長期運行測試與關鍵參數監控相結合的方式進行，重點考察優化后系統在不同工況條件下的可靠性與一致性表現。測試周期為連續30天，涵蓋了不同環境溫度與材料批次變化以及生產負荷調整等多種工況條件，通過監測張力波動系數、換卷成功率以及設備故障頻次等關鍵指標評價系統穩定性。結果顯示，優化后系統的張力控制穩定性提高了42%，張力波動范圍從±5.2%降低至±3.0%，換卷成功率達到99.7%，較優化前提升了2.1個百分點。設備非計劃停機時間減少了58%，主要故障類型從張力失控與換卷失敗轉變為偶發性傳感器漂移，故障處理時間平均縮短了35分鐘（如圖3所示）。長期穩定性測試證明，系統在持續運行過程中保持了良好的控制精度與響應特性，為工業化應用提供了可靠的技術保障。

圖3系統優化前后穩定性對比折線圖

3.3　技術改進效果

技術改進效果綜合評估表明，通過優化張力控制算法、提升卷徑計算精度、智能調節換卷時序以及系統性改進廢品控制策略，全自動收卷機整體性能實現了質的飛躍。換卷效率顯著提升，不僅縮短了生產周期，還減少了設備空轉時間，直接提高了生產線產能利用率，廢品率大幅降低從根本上改善了材料利用效率，降低了生產成本，同時提高了產品質量一致性與穩定性。系統穩定性增強體現在故障率降低、維護周期延長以及操作簡便性提高等多方面，減少了人工干預需求，提高了自動化水平。技術改進帶來了顯著經濟效益，按年產量1000噸計算，廢品率降低可節約原料成本約15萬元，換卷效率提升可增加產能約8%，設備穩定性改善可減少維護成本約6萬元，綜合經濟效益增長顯著。

4　結語

雙工位自動收卷機的換卷效率提升與廢品率優化是收卷設備技術發展的重要方向。本研究分析了收卷系統的結構特點，明確了影響換卷效率的核心技術要素，提出了系統性優化方案。本研究中，張力控制算法的改進有效解決了收卷過程中張力波動的問題，卷徑計算精度的提升為精確判斷換卷時機提供了數據支撐，智能時序調節實現了換卷過程的最優控制，廢品控制策略從根本上減少了材料浪費，系統穩定性增強保證了設備長期可靠運行。該技術改進成果提高了設備自動化水平并帶來了顯著經濟效益。隨著收卷技術朝著高速化與智能化方向發展，持續技術優化將為實現更高效收卷生產提供重要保障。

作者簡介：

何大海（1984-），男，四川武勝人，初級工程師，學士，現就職于佛山華韓衛生材料有限責任公司，研究方向為設備自動化（改造、升級與維護）。

參考文獻：

[1]衣志強.SINAMICSV90在滴灌帶自動收卷機上的應用[J].電機技術,2022,(03):27-29.

[2]劉冠華,肖威.薄膜收卷機收卷張力分析[J].制造業自動化,2021,43(05):116-120.

[3]張帆,陳奕良.薄膜分切機的廢邊收卷機實用控制應用[J].橡塑技術與裝備,2021,47(10):46-48.

[4]林潔波,林德坡,鄭武勝.PLC、觸摸屏和錐度控制在吹膜收卷機的應用[J].橡塑技術與裝備,2024,50(07):30-35.

[5]于志宏.全自動恒張力橡膠止水條收卷機的研究[J].科學技術創新,2021,(12):183-184.

摘自《自動化博覽》2025年11月刊