★佛山华韩卫生材料有限责任公司何大海

关键词：双工位收卷机；换卷效率；张力控制；废品率优化；自动化控制

全自动收卷机作为薄膜生产线的核心关键设备，其换卷效率直接影响着生产连续性与产品质量。传统收卷系统在进行换卷过程中存在时间长与废品率高等问题，这严重制约了整体生产效率。双工位收卷机依靠两个独立工位进行交替工作，可实现连续不间断的收卷操作，但换卷过程中的张力控制与时序调节以及质量保证仍面临技术挑战。因为换卷时序控制不当会导致大量材料浪费，张力波动会引起一系列产品缺陷，切换精度不足则会影响最终成品质量，因此收卷机的张力控制系统与卷径计算精度等关键技术参数需要进行优化。废品产生机理涉及张力不连续与应力分布不均等诸多因素，通过系统性技术改进来提升换卷效率并降低废品率，成为推动收卷设备向高效化发展的迫切需求。

1　双工位收卷系统分析

双工位自动收卷机集成了PLC控制器与触摸屏人机界面以及锥度控制系统，以此构建了一个完整的智能化收卷作业平台，其核心是两个独立工位协调运行机制。系统采用中心电机、间隙电机、电子尺以及比例调压阀等核心执行元件，配合升降式切刀装置来实现精确的材料切换控制。当一个工位在进行正常收卷作业的时候，另一个工位会同步完成预备工序，包含新卷轴定位与张力预调以及切刀预备等关键动作（如图1所示）。换卷流程涉及表面收卷、表面+中心+间隙收卷以及中心+间隙收卷三种不同模式的智能切换，系统会依据材料特性与工艺要求自动选择最适宜的收卷方式。控制要素涵盖张力锥度实时调节、收卷速度动态匹配以及工位切换时序精确控制，这些要素通过PLC程序逻辑运算与触摸屏参数设置实现统一协调，确保了换卷过程中的张力传递连续性与产品质量稳定性，提升了收卷机的功能性、稳定性以及操作灵活性^[1]。

图1双工位收卷机整体结构示意图

2　效率优化与废品控制技术

2.1　张力控制算法改进

张力控制算法采用基于RBF神经网络的系统辨识技术与传统PID控制相结合的复合控制策略，有效解决了薄膜收卷过程中张力波动与响应滞后的问题。该算法拥有自学习与自调整能力，可以根据收卷过程中的材料特性变化以及环境干扰自动优化控制参数，控制系统构建动态张力补偿模型。依据收卷张力控制方程进行实时计算，如式（1）所示：

式中：T为收卷张力，N；M为驱动转矩，N·m；R为实时收卷半径，m；Mf为摩擦力矩，N·m；J为等效转动惯量，kg·m²；ω为角速度，rad/s；t为时间，s。

该算法集成了张力锥度控制功能，能根据不同材料的物理特性自动调整内外层张力分布，以实现内紧外松的理想收卷效果。通过采用速度式PID算法与摆辊张力检测技术，系统的响应速度得到了显著提升且张力控制精度达到了±1.5%^[2]。

2.2　卷径计算精度提升

卷径计算精度的提升采用厚度累积法与实时补偿结合计算策略，借助精确追踪材料层数变化来实现卷径动态监测。系统把电机编码器脉冲信号当作触发源，每转一圈就执行一次卷径计算程序（如图2所示）。依据材料厚度与内外半径等基础参数建立数学模型，如式（2）、式（3）所示：

式中：n为材料层数；R为外半径，mm；r为内半径，mm；h为材料厚度，mm；surplusR为剩余半径，mm；surpluslayer为剩余层数。

该算法引入多点校正技术并在收卷关键节点进行实际测量，动态修正了计算参数且考虑材料压缩系数、温度影响与张力对厚度的作用。同时，该算法建立了环境参数数据库，可根据不同工况条件自动调用相应的修正系数，进一步提高了计算准确性，将卷径计算误差控制在0.08%以内，为精确换卷时机判断与张力控制提供了高精度数据支撑^[3]。

图2卷径计算精度提升结构示意图

2.3　换卷时序智能调节

换卷时序智能调节系统依靠多传感器融合与预测控制理论，达成了换卷过程各执行机构的最优协调控制。该系统集成了位置传感器与速度反馈装置以及压力检测元件等多种传感器，可实时监测收卷状态与设备运行相关参数。它建立了涵盖预备、切换以及稳定这三个阶段的时序控制模型，智能调节算法依据当前收卷速度、目标卷径以及材料特性等多维参数，可提前算出最佳换卷启动时机，保证了在前一卷完成收卷瞬间后一卷已完成所有预备动作。该系统还具备自适应调节功能，可以根据不同材料规格与生产工艺要求自动调整换卷时序参数，包括切刀动作时机等关键控制量。通过优化时序控制逻辑，换卷切换时间缩短了35%，明显降低了换卷过程中的材料浪费与质量缺陷^[4]。

2.4　废品产生机理与控制策略

废品产生的根本原因是换卷时张力不连续、材料应力分布不均以及切换时序控制不当等多重因素的耦合作用。当收卷张力超过材料弹性极限就会导致永久变形或者断裂，而张力不足则会造成收卷松散与表面出现褶皱，这种张力失衡在换卷瞬间表现得特别突出。依据薄膜收卷的力学分析可知，膜卷内部存在复杂的径向与环向应力分布，外层材料对内层产生的压缩应力会随收卷进程逐渐累积，当内部残余张力降为负值时必然引发褶皱缺陷。控制策略围绕张力平滑过渡、应力均匀分布以及过程实时监控这三个核心环节构建，通过建立张力锥度控制模型实现收卷过程中张力的梯度分布。系统设置了多级预警机制，当检测到张力异常与速度波动或位置偏差时会立即启动应急处理程序，以此最大限度减少废品产生与材料损失^[5]。

3　性能验证与技术评价

3.1　实验测试与数据分析

为了验证系统优化所产生的效果，我们专门选择三种不同规格的薄膜材料开展对比实验，以此测试优化前后换卷效率与废品率的变化情况。此次实验涵盖不同厚度与宽度规格的薄膜材料，通过连续48小时的生产测试获取了可靠的对比数据，如表1所示。

表1不同规格薄膜材料优化前后性能对比

表1的实验数据表明，系统优化之后换卷效率有了显著提升，平均换卷时间缩短了33.3%且废品率降低了68.1%。不同规格材料的优化效果存在一定差异，薄规格材料的效率提升表现得更为明显，这主要是因为薄材料对张力控制精度要求更高。优化后的控制算法在处理薄材料时呈现出更优的性能，废品率的大幅降低不但减少了原材料的浪费，还显著提高了生产线的整体经济效益。

3.2　系统稳定性评估

系统稳定性评估通过长期运行测试与关键参数监控相结合的方式进行，重点考察优化后系统在不同工况条件下的可靠性与一致性表现。测试周期为连续30天，涵盖了不同环境温度与材料批次变化以及生产负荷调整等多种工况条件，通过监测张力波动系数、换卷成功率以及设备故障频次等关键指标评价系统稳定性。结果显示，优化后系统的张力控制稳定性提高了42%，张力波动范围从±5.2%降低至±3.0%，换卷成功率达到99.7%，较优化前提升了2.1个百分点。设备非计划停机时间减少了58%，主要故障类型从张力失控与换卷失败转变为偶发性传感器漂移，故障处理时间平均缩短了35分钟（如图3所示）。长期稳定性测试证明，系统在持续运行过程中保持了良好的控制精度与响应特性，为工业化应用提供了可靠的技术保障。

图3系统优化前后稳定性对比折线图

3.3　技术改进效果

技术改进效果综合评估表明，通过优化张力控制算法、提升卷径计算精度、智能调节换卷时序以及系统性改进废品控制策略，全自动收卷机整体性能实现了质的飞跃。换卷效率显著提升，不仅缩短了生产周期，还减少了设备空转时间，直接提高了生产线产能利用率，废品率大幅降低从根本上改善了材料利用效率，降低了生产成本，同时提高了产品质量一致性与稳定性。系统稳定性增强体现在故障率降低、维护周期延长以及操作简便性提高等多方面，减少了人工干预需求，提高了自动化水平。技术改进带来了显著经济效益，按年产量1000吨计算，废品率降低可节约原料成本约15万元，换卷效率提升可增加产能约8%，设备稳定性改善可减少维护成本约6万元，综合经济效益增长显著。

4　结语

双工位自动收卷机的换卷效率提升与废品率优化是收卷设备技术发展的重要方向。本研究分析了收卷系统的结构特点，明确了影响换卷效率的核心技术要素，提出了系统性优化方案。本研究中，张力控制算法的改进有效解决了收卷过程中张力波动的问题，卷径计算精度的提升为精确判断换卷时机提供了数据支撑，智能时序调节实现了换卷过程的最优控制，废品控制策略从根本上减少了材料浪费，系统稳定性增强保证了设备长期可靠运行。该技术改进成果提高了设备自动化水平并带来了显著经济效益。随着收卷技术朝着高速化与智能化方向发展，持续技术优化将为实现更高效收卷生产提供重要保障。

作者简介：

何大海（1984-），男，四川武胜人，初级工程师，学士，现就职于佛山华韩卫生材料有限责任公司，研究方向为设备自动化（改造、升级与维护）。

参考文献：

[1]衣志强.SINAMICSV90在滴灌带自动收卷机上的应用[J].电机技术,2022,(03):27-29.

[2]刘冠华,肖威.薄膜收卷机收卷张力分析[J].制造业自动化,2021,43(05):116-120.

[3]张帆,陈奕良.薄膜分切机的废边收卷机实用控制应用[J].橡塑技术与装备,2021,47(10):46-48.

[4]林洁波,林德坡,郑武胜.PLC、触摸屏和锥度控制在吹膜收卷机的应用[J].橡塑技术与装备,2024,50(07):30-35.

[5]于志宏.全自动恒张力橡胶止水条收卷机的研究[J].科学技术创新,2021,(12):183-184.

摘自《自动化博览》2025年11月刊