[ 摘 要 ] MDO(Machine  Direction  Orientation)是薄膜機(jī)器方向拉伸的英文縮寫，即縱向拉伸。一般來說，MDO工藝是在一定溫度和拉伸比下對吹塑薄膜或者是流延薄膜生產(chǎn)線生產(chǎn)的薄膜進(jìn)行拉伸，然后對其進(jìn)行熱處理，之后將其再冷卻至室溫。這一過程既可以在線進(jìn)行，也可以離線操作，部分廠房MDO流水線及其主動力設(shè)計如圖 1所示。

圖1 MDO流水線及其主動力設(shè)計

前言：  針對MDO工藝的需求，歸結(jié)為拉伸速度鏈思想的控制方式，主要是為了保證穩(wěn)定的速度差，完成薄膜平穩(wěn)拉伸。生產(chǎn)時上位機(jī)給每軸伺服不同轉(zhuǎn)速信號，流水線每次開機(jī)時，需要改變各軸轉(zhuǎn)速給定，來調(diào)試設(shè)備生產(chǎn)各環(huán)節(jié)被己加熱薄膜的送料速度，調(diào)試階段生產(chǎn)樣品均做為廢料處理，而正常穩(wěn)定生產(chǎn)時則不再調(diào)節(jié)速度。工藝的關(guān)鍵是保持速度鏈較好的穩(wěn)定性，該薄膜生產(chǎn)線中為了提高速度的響應(yīng)特性和速度鏈精度，主要拉伸環(huán)節(jié)動力全部采用了匯川IS500系列伺服驅(qū)動，共計56臺，方案中使用CANopen總線通訊完成。

      匯川IS500系列伺服除了支持標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU外，還支持CANopen、CAN-LINK等總線通訊協(xié)議，其中CAN-LINK的典型案例為縱切的19軸應(yīng)用，CANopen在全電動注塑機(jī)項目中已經(jīng)完成6臺通訊應(yīng)用。在這個方案中用到的也是CANopen，不過這次從站數(shù)目達(dá)到56臺，且是在配合西門子S7-300的PROFIBUS-DP轉(zhuǎn)成CANopen的模式下完成的，每臺伺服通訊數(shù)據(jù)量達(dá)到20個字節(jié)，通訊速度500K。

1  MDO行業(yè)介紹
       近年來隨著塑料薄膜行業(yè)的快速發(fā)展，目前我國已經(jīng)發(fā)展成為產(chǎn)量最大、品種最多的塑料制品之一，廣泛應(yīng)用于包裝、電子電器、農(nóng)業(yè)、建筑裝飾及日用品等領(lǐng)域，其產(chǎn)量約占塑料制品總產(chǎn)量的20%。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，塑料薄膜使用最廣的是包裝工業(yè)，其次是農(nóng)用塑料薄膜，其余用作電工材料、感光材料等。

      塑料薄膜的成型方法很多，如壓延法、流延法、吹塑法、拉伸法等。其中拉伸法主要有三類縱向、橫向、雙向拉伸近年來頗受關(guān)注。沿機(jī)器方向拉伸薄膜能夠提高薄膜的性能，不是一點點的提高，而是大幅度提高。對吹塑薄膜和流延薄膜進(jìn)行機(jī)器方向拉伸，采用不論是離線還是擠出時在線拉伸生產(chǎn)的薄膜，與未拉伸薄膜相比都具有以下特點：

（1）機(jī)械性能如剛度顯著提高，拉伸強(qiáng)度是未拉伸薄膜的3～5倍；

（2）阻隔性能提高，對氣體和水汽的滲透性降低；

（3）開孔性、光學(xué)性能、透明度、表面光澤度提高；

（4）耐熱性、耐寒性能得到改善，尺寸穩(wěn)定性好；

（5）厚度均勻性好，厚度偏差小；

（6）實現(xiàn)高自動化程度和高速生產(chǎn)。

      此外，MDO薄膜的平整度高，在后續(xù)加工時運行速度更快，產(chǎn)量更高。此類拉伸薄膜應(yīng)用之廣、污染之低以及對森林自然資源的保護(hù)，使其成為比紙張和聚氯乙烯（PVC）更受人歡迎的包裝材料，廣泛應(yīng)用于食品、糖果、香煙、茶葉、果汁、牛奶、紡織品等的包裝，有“包裝皇后”的美稱。發(fā)展得比較快的應(yīng)用領(lǐng)域為用于提高隔水汽、隔氧和隔味的阻隔膜。同時，標(biāo)簽及薄膜的應(yīng)用亦將日趨普遍，如圖 2所示。

圖 2 常見包裝應(yīng)用的MDO薄膜

2  MDO工藝介紹

      塑料薄膜縱向拉伸技術(shù)的基本原理是高聚物原料通過擠出機(jī)被加熱熔融擠出后，在玻璃化溫度以上、熔點以下的適當(dāng)溫度范圍內(nèi)（高彈態(tài)下），通過外力逐級縱拉，進(jìn)行一定倍數(shù)的拉伸，從而使分子鏈或結(jié)晶面在平行于薄膜平面的方向上進(jìn)行取向而有序排列，然后在拉緊狀態(tài)下進(jìn)行熱定型，使取向的大分子結(jié)構(gòu)固定，最后經(jīng)冷卻及后續(xù)處理便可制得薄膜。

      縱向拉伸薄膜生產(chǎn)線由多種設(shè)備組成的連續(xù)生產(chǎn)線，包括放卷機(jī)、冷拉、預(yù)熱拉伸、熱拉、定型拉伸、牽引收卷機(jī)等。其生產(chǎn)流程較長，工藝也比較復(fù)雜。機(jī)械設(shè)計如圖 3所示。

圖 3 MDO機(jī)械設(shè)計

      MDO的工藝參數(shù)很多，包括預(yù)熱輥的數(shù)量和溫度（2～12個，甚至更多）；輥加熱的形式（水熱、油熱、電熱）；S形纏繞拉伸輥的大?。ㄗ畲?00mm）；薄膜拉伸的倍數(shù)（1～3，甚至更高）；退火溫度和時間；冷卻輥的溫度和數(shù)量等。具體的說有預(yù)熱輥、拉伸輥、冷卻輥、張力輥和橡膠壓輥、紅外加熱管、加熱機(jī)組以及驅(qū)動裝置等組成?？v向拉伸通常為單點拉伸，也有多點拉伸，如兩點或三點拉伸。縱拉比是通過慢拉輥與快拉輥之間的速度差產(chǎn)生的，一般為3.3～4倍。一般動力系統(tǒng)配置如圖 4所示。

圖 4 動力系統(tǒng)配置

      主要輥輪之間使用伺服配合減速機(jī)齒輪傳動和S行同步輪傳動，保證了較高機(jī)械傳動效率，設(shè)計如圖 5所示。

圖 5 輥輪傳動機(jī)械設(shè)計

調(diào)研發(fā)現(xiàn)一般MDO的輥輪配置如下：

（1）           預(yù)熱輥：一般有8只，輥筒表面鍍鉻，一字形排列，溫度60℃-80℃；

（2）           拉伸輥：單點拉伸，有一只慢拉輥、一只快拉輥，表面鍍鉻。慢拉輥溫度80℃-85℃，快拉輥溫度30℃；

（3）           冷卻輥：一般有4只，輥筒表面鍍鉻，一字形排列，溫度30℃-50℃；

（4）           張力輥：一般有2只，分別位于第一個預(yù)熱輥和最后的冷拉輥上方；

（5）           縱拉比：一般在3-4倍，它是通過慢拉輥與快拉輥之間的速度差而產(chǎn)生的。

      預(yù)熱輥的數(shù)量不僅取決于所希望的拉伸倍數(shù)，還取決于薄膜所用樹脂和設(shè)定的產(chǎn)率，輥越多，產(chǎn)量越高。盡管預(yù)熱輥直徑可以大至750mm，但常用的一般為300mm、450mm和600mm。可以將薄膜拉伸一次或多次，間歇加熱或冷卻，達(dá)到不同的效果。拉伸既可以在加熱狀態(tài)下進(jìn)行，也可以在冷卻狀態(tài)下進(jìn)行。
      拉伸比較直接。快拉輥以快于慢拉輥規(guī)定倍數(shù)的速度轉(zhuǎn)動，在快拉輥與慢拉輥之間對薄膜進(jìn)行拉伸。必須通過實驗研究確定合適的溫度和拉伸比。
      典型小間隙拉伸距離小于2.5mm，大間隙拉伸在5～50mm，甚至更大，還有“零間隙”拉伸和“壓縮輥”拉伸等。間隙越小，薄膜頸縮越輕。一般來說，頸縮使薄膜縮幅5％～20％。此外，頸縮還會降低薄膜的透氣性，而這一性能對衛(wèi)生性薄膜非常重要。

      退火是最難控制的工藝，因為通過退火輥的加速或減速可以對薄膜進(jìn)行拉伸或收縮。速度或溫度的任何變化都會使所生產(chǎn)的薄膜性能發(fā)生變化。

      薄膜通過張力控制輥、展平輥、跟蹤輥，最后完成收卷工作。收卷張力的控制包括張力的設(shè)定、張力衰減及張力補(bǔ)償?shù)?，對薄膜收卷的質(zhì)量影響很大。

3  匯川IS500伺服中轉(zhuǎn)PB-B-CANopen總線橋與西門子S7-300通訊配置介紹

輕裝MDO方案中整體動力電控配置如下：

其中56臺伺服下掛到7個PB-B-CANopen總線橋從站中，構(gòu)成二級從站，如圖 6所示。

圖 6 MDO電控系統(tǒng)

系統(tǒng)中使用西門子S7-300的CPU，選配若干模塊和SIMATIC HMI構(gòu)成上位機(jī)，除去PLC下掛的DP從站，控制伺服部分分解成7個總線橋的從站101#-107#，每個總線橋下掛8臺伺服1#-8#。。

在本方案中配合S7-300-DP總線，使用了第三方的總線橋轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP到CANopen通訊，相關(guān)配置參考《附件1. PB-CANopen總線橋配置應(yīng)用的操作說明》。

匯川伺服CANopen通訊參數(shù)設(shè)置，參考《附件2. IS500-110#之CANopen非標(biāo)主要參數(shù)說明》。

具體電控箱布局如圖 7所示。

圖 7 MDO電控箱布局

4  匯川IS500伺服CANopen通訊方案優(yōu)點

IS500伺服驅(qū)動器配合S7-300量身固化的通訊參數(shù)，便于查找問題和批量應(yīng)用；

IS500伺服驅(qū)動器配合S7-300實現(xiàn)56臺驅(qū)動器的高效穩(wěn)定的通訊，且每臺通訊數(shù)據(jù)量均在8個字節(jié)以上；

針對工藝需求，增加了控制優(yōu)先級高于使能的馬達(dá)啟動信號，用于急停，確保安全生產(chǎn)；

對于不同拉伸比，兩種速度鏈通訊寫入的實時高效方案，可以應(yīng)用到不同的需求場合；

使用IS500伺服內(nèi)部多段位置和原點回歸功能，實現(xiàn)收卷恒張力卷徑計算的配合；

了解行業(yè)工藝需求，為客戶量身定制非標(biāo)功能，如通訊非標(biāo)，能做到服務(wù)更加專業(yè)與高效；

      匯川做為本土化上市公司，能為客戶提供持續(xù)不斷的產(chǎn)品改進(jìn)、方案優(yōu)化、客戶新設(shè)備個性化的需求以及完整高效的售前售后服務(wù)體系。