四輥壓延機厚度控制及測量探討

張占興，張傳照

(1.北京沃華創新科技有限公司，北京 100085；2.安徽佳通輪胎有限公司，安徽 合肥 230601)

四輥壓延機厚度控制及測量探討

Thickness control and detecting of four roll calender

張占興1，張傳照2

(1.北京沃華創新科技有限公司，北京 100085；2.安徽佳通輪胎有限公司，安徽 合肥 230601)

介紹兩用壓延機的基本構成和壓延厚度控制的原理，具體闡述膠片和簾布厚度測量的主流方法，通過厚度控制策略，實現輥距和軸交叉的調節，確保簾布厚度均勻穩定，提高壓延裝置的使用效率，節省天然膠用量。

兩用壓延；控制策略；厚度均勻

1 四輥壓延機介紹

壓延機是對混煉好的橡膠進行壓實、延展的機器，在橡膠塑料機械中壓延機屬于重型高精度機械。橡塑加工在1880年就開始應用S型四輥壓延機了。在輪胎生產過程中，纖維或鋼絲壓延機是關鍵設備之一。因為兩用壓延機具有規格大、輥速快、半制品精度高、自動化水平高的優勢，所以近年來橡塑行業應用比較多，從而有力地促進了該類設備的發展。

2 壓延厚度控制及影響因素

四輥壓延機從上往下編號為：1#輥、2#輥、3#輥、4#輥，其中1#輥和2#輥壓出上膠片，3#輥和4#輥壓出下膠片，2#輥和3#輥將上下膠片壓貼為簾布，中間夾層為纖維或鋼絲。3#輥為定軸轉動，其它三個輥筒為軸心可動，輥筒兩端帶有調距傳動裝置。

橡膠制品厚度由三種方式來調整：

（1）調距裝置為機械傳動，利用蝸輪蝸桿和絲杠絲母調整各輥筒間隙，是控制壓延制品厚度的最主要的機構；

（2）軸交叉裝置為機械傳動，采用蝸輪蝸桿、絲杠絲母和液壓油缸，用于精調（或微調）；

（3）預彎曲（反彎曲）裝置為液壓傳動，用于精調（或微調）。

2.1 厚度控制原理

生產過程中如果膠片的厚度超出上下限或出現楔形（一端厚一端薄），優先手動調整調距裝置。分別啟動1#、2#、4#輥兩端的調距電機，壓延機調距裝置結構形式如圖1所示。

圖1 壓延機調距裝置

生產過程中如果出現膠片中間厚兩端薄，則調整軸交叉裝置和預彎曲裝置。軸交叉裝置安裝在1#與4#輥筒軸承體上，當輥筒因負載而產生變形，膠片出現兩端薄中間厚時，調節交叉裝置來進行一定補償。預彎曲裝置是在輥筒兩端的主軸承外側增加額外的輔助軸承，由油缸提供一個外力使輥筒產生少量的彎曲變形，以補償輥筒在工作載荷作用下產生的撓度。

2.2 厚度影響因素及控制方法

實際生產過程中影響厚度的因素主要有以下幾種：

（1） 由于調距裝置和軸交叉裝置均采用機械傳動，裝置控制中存在反向間隙；

（2） 生產過程中輥筒偏心、軸承磨損、輥筒溫度變化和輥筒磨損；

（3） 生產過程中膠料配方的變化（黏度的變化）、預熱工序的溫度變化率、簾線品種規格的變化、喂料擺膠的變化和生產線速度的變化等。

壓延機厚度2#輥和3#輥壓出貼出簾布（中間夾層為鋼絲或簾子布），簾布表面為凹凸不平，測量厚度須經過濾波平均算法才能得出厚度趨勢曲線，通過控制2#輥（微調）的調距裝置實現簾布厚度穩定。軸交叉和預彎曲裝置不要經常調節，這兩裝置存在機械間隙的反動慣量，變化的形狀為不規則弧形，兩套裝置一般為操作主手人為控制，設備使用2～3個月或大修開機后手動調節，如果控制系統自動調節，產生不合格品會非常多。

膠片的厚度偏差有短期影響因素和長期影響因素，短期因素有不可控特質，一般在設備開機預熱或更換規格時發生，包括輥筒溫度的劇烈變化、短期速度變化率大和輥筒跳動等因素，一般為3 min左右。長期因素為可控因素，在壓延設備運行穩定后，速度的小幅度變化、簾線規格的變化、環境變化、溫度的微調和壓延機的動力裝置的變化，壓延機運行期間長期因素一直存在。有效的厚度控制系統必須在壓延主機運行穩定后再投入自動運行，避免在不可控期間運行自動策略，減少不合格品的數量。通過自動調整壓延機輥筒調距裝置，可以控制長期因素，修正左右兩個點的厚度偏差；通過手動控制軸交叉裝置和預彎曲裝置，可以實現膠片橫向厚度偏差，確保中間點和左右兩點的厚度相同。

厚度控制系統的目標是保證膠片的厚度穩定均勻，必須準確表達設備當前的運行狀態。厚度控制系統提供輥筒溫度、線速度、膠片厚度、簾布寬度和簾布的長度等工藝數據，提供良好的可視界面，操作人員依據工藝數據可以正確的做出在線質量控制決定，使操作人員成為質量管理者。厚度控制系統采用滑動平均法計算制品的厚度，采用自動目標優化策略實現膠片厚度的自動控制。自動目標優化策略通過控制調距裝置，對輥筒間隙、凸度、交叉度進行微調，確保膠片厚度落在目標區間內。

3 厚度測量類型及特點

目前壓延機配套的測厚裝置，其工作原理不外空氣法、β射線、渦流激光三種方式。常用的空氣法和β射線測厚裝置為國際品牌，一般與壓延機配套生產；渦流激光測厚裝置為國內自主研發，以壓延測厚改造為主，2014年已經成功配套科米尼奧壓延機（新安裝）使用，整體設計與設備控制中均已達到國內外先進水平。

3.1 空氣法測厚

空氣法測厚由兩部分組成——電磁測量和空氣測量。電磁可以測出傳感器到金屬表面的距離，空氣測量出到非金屬的膠片之間距離，二者之差就是被測的膠片厚度。空氣為8 kg動力風，在被測物厚度尺寸發生變化時引起氣體噴頭前的氣隙變化，使得氣隙傳感器的內部壓力變化，由氣電轉換傳感器感應其變化，并將其轉換為相應的電壓或電流信號值，反饋到控制系統中，經二次計算得出實際測量值。傳感器在測量物表面通過步進電機拖動來回掃描，電磁探頭和空氣探頭實時測量。

空氣法測厚測量精度高，測厚誤差僅為0.005 mm，在同類產品中精度最高。測厚探頭每40 min回基點自動校準一次，減少人工操作。測厚系統控制算法可以自學習，用戶可將一段時期內的控制流程下載到系統中，系統自動記錄用戶的控制策略，形成自適應的控制邏輯，自動執行控制流程。空氣法測厚裝置使用動力壓縮空氣測量厚度，壓延機產生的膠煙和高溫對測量精度沒有影響。

空氣測厚為非接觸掃描測量，只能控制左右兩個輥距電機，保證左右兩邊的厚度，如果控制軸交叉裝置，簾布厚度超標非常多，不合格品長度無法保證。空氣測厚需要清潔純凈的壓縮空氣，必須經常清理空氣裝置探頭，設備使用和保養要求較高。空氣測厚系統中多為意大利原產的控制板和高精度機加工件，設備一旦發生故障，設備維修周期長，目前在國內沒有固定的售后維修機構，需要意大利原廠工程師赴現場解決，費用較高。

3.2 β射線測厚

射線測厚利用β射線在穿透物質時能量被吸收的原理進行測量。射源與探測器位于被測物同一邊，射線穿過被測物經輥筒反射后再被探測器（電離室）接收，射線進入電離室內，電離室內氣體被電離，輸出電離電流經過放大器放大，轉變為電信號，由控制系統接收，二次運算得出被測物厚度。

射線測厚可以選擇掃描或固定式測量，測量精度為0.01 mm，需要定期手動標定，可控制上下膠片左右兩邊和中間厚度。控制算法中采用特征控制和自適應控制算法兩種，引入壓延速度做為加減速補償。鋼絲簾布因膠中有鋼絲，射線不易穿透鋼絲，測量不穩定，只能加大射線強度，因此對于防護裝置要求較高。β射線與物質的密度成比例，安裝在簾布卷取前可測量簾布的重量，二次計算后可以得出每卷簾布的覆膠量，對于評估材料的投入產出意義很大。

射線測厚系統投入運行前必須取得當地環評的許可，生產維護人員需要安全培訓，佩戴劑量吸收筆，定期監測射線泄漏劑量，確保安全生產。射源在使用過程中有能量衰減，需要定期標定和能量調節，通過加大電離放大器的高阻阻值，確保測量精度。射源在當地環評備案后，一旦設備需要報廢或拆除，射源的保存必須經環評部門批準，因為射源半衰期內對環境和人體損害很大，需要專業方法處理。

3.3 渦流激光測厚

渦流激光測厚由兩部分組成——電渦流測厚和激光測厚。電渦流傳感器測量上下膠片厚度，電渦流傳感器的體積小、安裝方式簡單，可滿足壓延機壓延輥之間空間有限的現場情況。激光傳感器測量簾布厚度，采用兩只傳感器對射掃描測量。

電渦流傳感器通電工作時產生高頻電流，高頻電流通過繞組線圈所產生的磁場，磁場感受壓延輥筒位置的變化，將變化的位置轉換成電壓或電流。電渦流傳感器定點測量，在生產過程中輥距調節引起輥筒位置變化時，傳感器總成自動調節保證滾輪始終與被測物緊密接觸，傳感器輸出隨被測物厚度的變化成線性輸出，通過零點和實測值二次計算出膠片的厚度。渦流測量不受油、灰塵、油污、高溫影響。傳感器帶有屏蔽，安裝不需要考慮受到金屬電磁干擾。傳感器總成接觸膠片表面，輥輪表面經高精度特殊工藝處理，對于PCR和TCR的膠片均無粘連附著。

激光測厚技術是依據激光傳感器測距原理延伸而來的功能應用。其測量原理是：由伺服電機帶動上下一對相對位置同步的激光傳感器做往復運動，激光傳感器根據被測物表面高度變化，通過幾何計算出測物厚度值。

渦流測厚精度為0.01 mm，激光測厚精度為0.02 mm。渦流測厚校準由標準校準塞尺完成，激光傳感器校準由標準校準塊、標準厚度板完成。激光測厚系統配備標準量塊，每次掃描到末端，系統自動標定，消除機械間隙誤差；同時配備恒溫防膠煙裝置，使傳感器處于正常工作環境中，確保測量精度。

膠片左右兩點厚度可調節，系統自動控制1#、4#輥左右兩個輥距電機，通過PI算法和補償策略保證膠片和簾布厚度縱向均勻。膠片與簾布的厚度橫向穩定通過操作主手人為調節（軸交叉和預彎曲），系統提供厚度實時測量值做為參考依據。渦流激光測厚系統核心傳感器為德國品牌，所有元件均為國內外標準產品，備件易于購買，維修成本低。

4 結束語

隨著壓延生產線制造水平的不斷提高，壓延制品精度滿足工藝要求已不是問題，控制制品厚度在下限區域，節約膠料成本，每年可為用戶創造很大的利潤空間，所以安裝制品厚度在線檢測、控制系統是勢在必行。隨著市場對輪胎品質的要求不斷提高，對半成品的過程檢測和控制也越來越受到生產企業的重視。

(R-01)

TQ330.493

1009-797X(2016)07-0046-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.07.012

張占興（1977-），男，畢業于東北農業大學計算機系，現主要從事輪胎行業自動化系統項目設計與實施工作。

2015-10-30