[ 摘 要 ] MDO(Machine  Direction  Orientation)是薄膜機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)的薄膜進行拉伸，然后對其進行熱處理，之后將其再冷卻至室溫。這一過程既可以在線進行，也可以離線操作，部分廠房MDO流水線及其主動力設計如圖 1所示。

圖1 MDO流水線及其主動力設計

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)時上位機給每軸伺服不同轉(zhuǎn)速信號，流水線每次開機時，需要改變各軸轉(zhuǎn)速給定，來調(diào)試設備生產(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準的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軸應用，CANopen在全電動注塑機項目中已經(jīng)完成6臺通訊應用。在這個方案中用到的也是CANopen，不過這次從站數(shù)目達到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，廣泛應用于包裝、電子電器、農(nóng)業(yè)、建筑裝飾及日用品等領域，其產(chǎn)量約占塑料制品總產(chǎn)量的20%。從應用領域來看，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注。沿機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行機器方向拉伸，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）機械性能如剛度顯著提高，拉伸強度是未拉伸薄膜的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?。?/p>

（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。此類拉伸薄膜應用之廣、污染之低以及對森林自然資源的保護，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)展得比較快的應用領域為用于提高隔水汽、隔氧和隔味的阻隔膜。同時，標簽及薄膜的應用亦將日趨普遍，如圖 2所示。

圖 2 常見包裝應用的MDO薄膜

2  MDO工藝介紹

      塑料薄膜縱向拉伸技術的基本原理是高聚物原料通過擠出機被加熱熔融擠出后，在玻璃化溫度以上、熔點以下的適當溫度范圍內(nèi)（高彈態(tài)下），通過外力逐級縱拉，進行一定倍數(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行取向而有序排列，然后在拉緊狀態(tài)下進行熱定型，使取向的大分子結(jié)構固定，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)線由多種設備組成的連續(xù)生產(chǎn)線，包括放卷機、冷拉、預熱拉伸、熱拉、定型拉伸、牽引收卷機等。其生產(chǎn)流程較長，工藝也比較復雜。機械設計如圖 3所示。

圖 3 MDO機械設計

      MDO的工藝參數(shù)很多，包括預熱輥的數(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。具體的說有預熱輥、拉伸輥、冷卻輥、張力輥和橡膠壓輥、紅外加熱管、加熱機組以及驅(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?？v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齒輪傳動和S行同步輪傳動，保證了較高機械傳動效率，設計如圖 5所示。

圖 5 輥輪傳動機械設計

調(diào)研發(fā)現(xiàn)一般MDO的輥輪配置如下：

（1）           預熱輥：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定的產(chǎn)率，輥越多，產(chǎn)量越高。盡管預熱輥直徑可以大至750mm，但常用的一般為300mm、450mm和600mm?？梢詫⒈∧だ煲淮位蚨啻危g歇加熱或冷卻，達到不同的效果。拉伸既可以在加熱狀態(tài)下進行，也可以在冷卻狀態(tài)下進行。
      拉伸比較直接?？炖佉钥煊诼佉?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定、張力衰減及張力補償?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構成上位機，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，相關配置參考《附件1. PB-CANopen總線橋配置應用的操作說明》。

匯川伺服CANopen通訊參數(shù)設置，參考《附件2. IS500-110#之CANopen非標主要參數(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功能，如通訊非標，能做到服務更加專業(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、方案優(yōu)化、客戶新設備個性化的需求以及完整高效的售前售后服務體系。