用薄膜包绕负载的方法和机器与流程

本发明涉及用塑料薄膜或片材、特别是可冷拉伸的薄膜或片材包绕负载的机器和方法。具体地，本发明涉及一种用于控制和调节在包绕机中薄膜围绕负载包绕的方法，并且涉及一种实现该包绕方法的包绕机。

背景技术：

已知的包绕机包括解卷设备，该解卷设备支撑卷轴，薄膜从该卷轴解卷以便以如此的方式围绕负载包绕，以至于由于在解卷设备和负载之间的相对线性运动以及旋转运动的组合而形成具有螺旋布置的一系列条或带，负载通常由一种或多种产品形成，例如这些产品分组在隔板或板子上。

在设置有用于支撑负载的旋转台的包绕机中，旋转台围绕竖直的包绕轴线旋转，而解卷设备以往复运动的方式沿机器的固定柱竖直运动。

在设置有水平旋转环或旋转臂的包绕机中，在包绕过程中负载保持固定，而解卷设备通过围绕竖直包绕轴线的旋转和在越过竖直包绕轴线的平行方向上的运动两者而相对于负载运动。为此目的，解卷设备固定到由机器的框架可旋转地支撑的环形结构或臂，从而围绕负载旋转。具体地，在水平环式包绕机中，解卷设备固定到环形结构或旋转环，环形结构或旋转环由运动框架或托架可旋转地支撑，从而围绕竖直的包绕轴线旋转。该运动托架又可滑动地安装在包绕机的固定框架上，以便平行于竖直的包绕轴线运动。在具有旋转臂的包绕机中，包绕设备以如此的方式可滑动地固定到臂上，以至于平行于包绕轴线沿着臂线性运动。在这种情况下，在两种类型的机器中，薄膜解卷设备都可沿着包绕轴线并围绕包绕轴线运动，同时要被包绕的负载保持固定。在立式环式包绕机中，负载通过旋转环水平地运动，而解卷设备与旋转环一起围绕水平包绕轴线旋转。在这种情况下，旋转环由固定到包绕机的主框架可旋转地支撑。

解卷设备通常设置有一对预拉伸辊，其包括相对于薄膜的运动分别在上游和下游的慢速辊和快速辊，以拉伸和解卷可拉伸薄膜，以及设置有一个或多个转向辊或返回辊，以便在解卷过程中将薄膜转向负载。

通过适当地调节在两个预拉伸辊的旋转速度之间的差，可以在薄膜围绕负载包绕之前根据确定的预拉伸或伸长百分比将从解卷设备输出的薄膜拉伸或伸长一定量，以充分利用可用的薄膜，并且改变薄膜本身材料的机械特性，这涉及要被包绕的产品。通过调节预拉伸辊的旋转速度，还可以改变薄膜从卷轴的解卷速度或薄膜离开解卷设备的速度。

解卷设备通常包括电动马达，该电动马达能够使得两个预拉伸辊中的用作驱动辊(主动辊)(通常是快速辊)的一个预拉伸辊旋转，并通过机械传动组来致动用作从动辊(随动辊)(通常是慢速辊)的另一个预拉伸辊。以这种方式，基于必须施加到薄膜上的预拉伸或伸长，传动比在快速辊和慢速辊之间固定。

还已知有设置有一对电动马达的解卷设备，该对电动马达布置成分别且独立地操作两个预拉伸辊，从而甚至在包绕负载的过程中也有可能改变薄膜的伸长，即预拉伸或伸长的百分比。

在包绕机的操作中，已知在包绕过程中难以保持薄膜围绕负载的恒定力或包绕张力，保持薄膜围绕负载的恒定力或包绕张力以确保所述包绕力的值适合并适合于要被包绕的负载类型。还已知为了避免薄膜破裂而需要控制和限制包绕力。

实际上，对于包绕的每个转动(eachrotation)，包绕力相对于要被包绕的负载的尺寸、形状或横截面、其相对于包绕轴线的位置(即负载和解卷设备之间的相对角度位置)而变化。包绕力的变化也可特别明显，特别是在具有狭窄且长截面或宽且短截面的负载的情况下。

存在已知的包绕机和方法，其设想通过适当地改变薄膜的解卷速度、即通过预拉伸辊的旋转速度的反馈控制使薄膜从解卷设备的输出速度，来使包绕力几乎保持恒定。

为此目的提供了一些传感器(例如，与跳动辊相关联的角位置传感器，安装在返回辊上的编码器，安装在马达上的扭矩传感器)，它们能够直接或间接地测量薄膜的力并将信号发送到包绕机的控制单元，所述控制单元能够干预预拉伸辊的一个或多个电动马达以增加或减小其旋转速度。

除了昂贵以及难以调节和微调外，这些反馈控制系统不能始终确保精确的调节和精确的包绕力。实际上，在预拉伸辊的速度的反馈控制中，这些控制系统通常不考虑在围绕竖直包绕轴线的负载和解卷设备之间的相对旋转速度。然而，解卷设备的旋转速度也显著影响包绕过程中薄膜的张力。

另外，在高性能包绕机的情况下，由于解卷设备的高旋转速度，已知的控制系统不允许相关于薄膜包绕的张力或力的变化有效且及时地反馈调节薄膜从卷轴的解卷速度。

在具有一个或多个马达的环式包绕机的情况下，该缺点甚至更加明显和显而易见，马达致动安装在框架上而不是安装在解卷设备上的预拉伸辊。在这种情况下，将马达连接到其中一个预拉伸辊所需的运动传递装置由于其长度和复杂性而在预拉伸辊的反馈控制中产生进一步的延迟，从而使系统不适合在环式和解卷设备的高的旋转速度下操作。

存在已知的包绕机和方法，它们设想控制解卷设备围绕负载每个转动的薄膜的解卷速度和/或要解卷的薄膜量，以及反之亦然，这取决于负载的尺寸。

美国专利5123230描述了一种立式环式包绕机，其中设想一种用于使薄膜解卷的辊的旋转速度的调节和控制，以便基于由机器的控制单元从负载本身的尺寸开始计算的一系列值而保持薄膜围绕负载的期望的包绕张力。

然而，对于解卷设备围绕负载的任何旋转速度，这些包绕机和相关的包绕方法都不能确保在薄膜的包绕中令人满意的质量。具体地，它们不能保证在任何旋转速度下薄膜围绕负载的恒定包绕张力。此外，当针对每个转动解卷预定量的薄膜时，在在负载的中央部分中以螺旋运动包绕的一个或多个薄膜带和在负载的上端和下端的部分中以圆周运动包绕的一个或多个薄膜带之间检测到包绕张力的变化。为了稳定负载并巩固包绕，实际上已知的是用多个重叠薄膜带包绕所述端部部分。

如果预定量的薄膜能够确保在端部部分中的薄膜的正确张力，则在中央部分中的包绕张力会是高的，并且会导致薄膜的高度过度收缩，从而导致薄膜的消耗增加。反之亦然，如果中央部分的包绕张力正确，则在端部部分中的包绕张力可能不足，从而导致带松动。

另外，为了正确地包绕负载，必须精确地获知形状和尺寸，并且要对其进行调节(即不存在突起)并相对于包绕轴线居中。

技术实现要素：

本发明的目的是改进在包绕机中用塑料材料薄膜包绕负载的已知方法。

另一个目的是提供一种包绕方法，即使对于薄膜解卷设备相对于负载的高旋转速度和/或独立于负载的尺寸和形状及其在机器内部的位置，也可以监测并保持围绕负载包绕的薄膜的包绕力基本恒定。

另一个目的是提供一种包绕机和包绕方法，该包绕机和包绕方法确保在薄膜围绕产品包绕中的高质量。

在本发明的第一方面中，设想一种根据权利要求1所述的用于利用包绕机来包绕负载的方法。

在本发明的第二方面中，设想一种根据权利要求11的包绕机，其使用第一方面的方法。

附图说明

参考通过非限制性示例示出实施例的附图，可以更好地理解和实施本发明，其中：

-图1是根据本发明的且与要被包装的负载相关联的包绕机的立体图；

-图2是图1中的包绕机的薄膜解卷设备的示意性平面视图；

-图3是说明图1中包绕机部件的框图；

-图4是说明本发明的用于控制由图1的包绕机执行的解卷过程的方法的框图。

具体实施方式

参考图1，示意性地示出根据本发明的包绕机1，其布置成用塑料薄膜50、特别是可冷拉伸的塑料薄膜包绕产品或负载100。

在通过非限制性示例示出的实施例中，包绕机1包括水平旋转环11，该水平旋转环11适于围绕基本竖直的包绕轴线w旋转并且由支撑托架12可旋转地支撑，该支撑托架12可沿基本上平行于包绕轴线w的运动方向t线性运动。支撑托架12被可滑动地支撑，例如由一对立柱或柱13可滑动地支撑。

包绕机100设置有薄膜50的解卷设备10，解卷设备10固定在旋转环11上并包括：薄膜50的卷轴51；用于将薄膜50解卷和拉伸的一对预拉伸辊4、5；至少一个返回辊8，其布置成将薄膜50转向负载100；以及至少一个力传感器9，其与返回辊8相关联，并且布置成检测接合在所述返回辊8中并围绕负载100包绕的薄膜50的包绕力。

旋转环11围绕负载100和包绕轴线w以旋转速度ω旋转，同时支撑托架12以线性运动速度vt沿着运动方向t运动。以这种方式，解卷设备10使其可以包绕负载100并形成具有螺旋布置的薄膜50的一系列的带。

解卷设备10包括：支撑板22，其固定在旋转环11上并被布置成可旋转地支撑薄膜50的卷轴51；第一预拉伸辊4和第二预拉伸辊5，它们协作以解卷和预拉伸薄膜50；第一马达6和第二马达7，它们分别联接到第一预拉伸辊4和第二预拉伸辊5，并意旨使第一预拉伸辊4和第二预拉伸辊5分别围绕相应的纵向轴线旋转。第一预拉伸辊4即所谓的快速辊相对于薄膜50的运动被置于第二预拉伸辊5即所谓的慢速辊的下游，第一预拉伸辊4比第二预拉伸辊5更快地旋转，以允许薄膜50被拉伸或伸长限定量或百分比。第一预拉伸辊4通过第一马达6旋转，例如借助于在与第一预拉伸辊4的支撑轴和第一马达6连接的皮带轮上成环闭合的相应皮带旋转。类似地，第二预拉伸辊5通过第二马达7旋转，例如借助于在与第二预拉伸辊5的相应支撑轴和第二马达7连接的皮带轮上成环闭合的相应皮带旋转。

可替代地，预拉伸辊4和5可以通过链条、齿轮组和用于传递运动的等效系统由相应的马达6、7致动或旋转。

另外，两个马达6、7可以安装在支撑托架12上，并通过传动装置来致动相应的预拉伸辊4、5，该传动装置包括例如挠性元件，诸如皮带或链条。

在另一替代方案中，解卷设备10可以包括单个马达，该马达安装在解卷设备10本身或安装在支撑托架12上，并且致动两个预拉伸辊中的一个，例如第一预拉伸快速辊4，其又通过运动传递/减速组驱动另一个预拉伸辊。解卷设备10的支撑板22可旋转地支撑多个返回辊8，例如三个，这些返回辊8布置成将从卷轴51解卷的薄膜50转向预拉伸辊4、5和负载100。

返回辊8之一，例如相对于薄膜50的解卷方向紧接在第一预拉伸辊4下游的一个返回辊8，通过插入力传感器9而安装在支撑板22上，该力传感器9因此能够在包绕负载100的过程中测量薄膜50的包绕力或张力。用于无线传输数据的传输模块15安装在解卷设备10上，并连接到力传感器9，以从其接收与测得的有效包绕力fm相关的相同信号，并将其发送到包绕机1的控制单元16的接收模块18。

力传感器9包括例如至少一个设置有应变仪或压电敏感元件(piezoelectricsensitiveelements)的测力传感器(loadcell)，或电阻型力传感器，或能够检测和测量由薄膜50施加在返回辊8上的力的其他等效传感器和装置。

例如包括plc型工业计算机或个人计算机pc的控制单元16能够管理和控制整个包绕机1的操作，并且特别是执行下面所述的本发明的包绕程序或方法。

包绕机1还包括驱动模块17，驱动模块17连接至控制单元16并由控制单元16控制，并且布置成操作和控制所述机器的各种马达和/或致动器，包括使预拉伸辊4、5旋转的马达6、7。

特别参考图4的图，通过根据本发明的包绕机1用薄膜50包绕负载100的包绕方法提供以下步骤：

-使解卷设备10和负载100以旋转速度ω围绕包绕轴线w相对于彼此旋转，并通过使解卷设备10的预拉伸辊4、5旋转而从卷轴51解卷薄膜50以便用一系列薄膜带包绕负载100(步骤1)；

-通过力传感器9测量薄膜50的有效包绕力fm(步骤2)；

-通过具有第一通带δf的第一滤波器(例如通带)对有效包绕力fm进行滤波以便获得滤波后的包绕力fmf(步骤3)，该第一通带δf是设定的包绕力fd和力传感器9的所建立的最大读取误差err的函数；

-借助于pid控制算法，基于滤波后的包绕力fmf计算解卷设备10或负载100每个转动所要分配的瞬时薄膜长度li(步骤4)；

-借助于具有第二通带δl的第二滤波器(例如通带)对瞬时薄膜长度li进行滤波以便获得瞬时滤波后的薄膜长度lif(步骤5)，该第二通带δl包括要供应的瞬时薄膜长度的允许值的范围；

-基于瞬时滤波后的薄膜长度lif和至少所述旋转速度ω，计算所述一对预拉伸辊中的至少一个预拉伸辊4、5的瞬时旋转速度ω1,ω2(步骤6)；

-以所述瞬时旋转速度ω1,ω2使所述一对预拉伸辊4、5中的至少一个旋转(步骤7)。

该方法设想在负载100的包绕期间以给定的频率或给定的采样间隔(例如每100ms)重复从步骤2到步骤7的步骤序列(其限定检测和计算周期)，以便以快速有效的方式调节预拉伸辊4、5的瞬时旋转速度以及因此调节包绕力。

该方法还设想在步骤1中以线性运动速度vt沿着平行于包绕轴线w的运动方向t使解卷设备10运动，以便包绕负载100并以螺旋布置形成薄膜50的一系列带。在图中所示的示例中，解卷设备10固定在旋转环11上，旋转环11以旋转速度ω围绕包绕轴线w和静止的负载100旋转，并且解卷设备10通过支撑托架12以运动速度vt沿着运动方向t运动。该方法设想确定两个预拉伸辊4、5的两个瞬时旋转速度ω1,ω2，然后以所限定的瞬时旋转速度ω1,ω2使两个预拉伸辊4、5旋转。

建立的最大读取误差err例如等于设定的包绕力fd的±15-35％，后者即设定的包绕力fd由操作人员根据要被包绕的负载100的类型、和/或包绕机1和/或塑料薄膜50的特性来选择。

该方法设想在步骤3中对有效包绕力fm进行滤波，使得有效包绕力fm在其属于第一通带δf时与滤波后的包绕力fmf相关联，或者在其不属于第一通带δf时被舍弃。在后一种情况下，滤波后的包绕力fmf与第一通带δf的力的下限值finf或力的上限值fsup相关联或等于上述值。更精确地，如果有效包绕力fm高于由第一通带δf限定的值，则滤波后的包绕力fmf与第一通带δf的力的上限值fsup相关联。反之亦然，如果有效包绕力fm小于第一通带δf定义的值，则滤波后的包绕力fmf与第一通带δf的力的下限值finf相关联。

第一通带δf包括由以下公式定义的包绕力的允许值范围：

δf＝fd±err(等式1)

以此方式，可以滤波由力传感器9测得的有效包绕力fm，从而舍弃由于包绕机1在运行期间的运动和/或振动、和/或由于所检测到的力的信号中的干扰而导致的力的值，从而避免在控制包绕中的不稳定性。

该方法设想在步骤4中通过包绕的pid控制算法来计算瞬时薄膜长度li，该算法包括以下公式：

其中：

en是作为在采样时刻n时滤波后的包绕力fmf与设定的包绕力fd之间的差值计算出的误差(en＝fmf-fd)；

en-1是在先前的采样时刻n-1处计算出的误差；

kp是比例系数

ki是积分系数(integralcoefficient)；以及

kd是导数系数(derivativecoefficient)。

因此，由pid控制算法在采样时刻n中计算出的值是薄膜的长度或瞬时量li，以米为单位，并涉及包绕设备10或负载100的旋转，其必须被提供以使有效包绕力fm与下一个采样时刻n+1中的设定的包绕力fd一致。

实际上，如已知的那样，为了补偿薄膜的包绕张力或力的增加(即，在包绕过程中由负载对薄膜的更大需求)需要供应更大量(或长度)的薄膜。反之亦然，为了补偿薄膜的包绕张力或力的减小(即由于负载而减少对薄膜的需求)需要供应更少量的薄膜。实际上，每个转动所供应的薄膜的张力和量是相关的。

必须指出的是，由pid控制算法计算出的值与单独采取的解卷设备10(或负载100)围绕包绕轴线w的旋转速度ω或预拉伸辊4、5的旋转速度无关，而是与所述旋转速度ω和所述预拉伸辊的旋转速度之间的比率相关联，即与使解卷设备和预拉伸辊运动的马达的速度上的电轴的比率相关联。以这种方式，pid控制算法可以计算要分配的薄膜量以补偿薄膜的包绕张力或力的变化，而不管预拉伸辊和解卷设备的旋转情况如何。

控制算法的比例系数kp、积分系数ki和导数系数kd是通过已知类型的适当校准程序(例如使用齐格勒-尼科尔斯(ziegler-nichols)法)凭经验计算的参数。

应当指出的是，如果采样时刻n中的误差en等于零，则通过pid控制算法的公式等式2计算出的薄膜的长度或瞬时量li的值由积分分量和导数分量给出：

本发明的方法设想在步骤5中，当瞬时薄膜长度li属于第二通带δl时，通过具有第二通带δl的第二滤波器来滤波瞬时薄膜长度li的值，特别是通过将瞬时薄膜长度li与瞬时滤波后的薄膜长度lif相关联来进行滤波，或者当瞬时薄膜长度li不属于第二通带δl时通过舍弃该瞬时薄膜长度li来进行滤波。在后一种情况下，瞬时滤波后的薄膜长度lif与第二通带δl的薄膜下限值linf或薄膜上限值lsup相关联。更精确地，如果瞬时薄膜长度li大于由第一通带δl限定的值，则瞬时滤波后的薄膜长度lif与第二通带δl的薄膜上限值lsup相关联。反之亦然，如果瞬时薄膜长度li小于由第二通带δf限定的值，则瞬时滤波后的薄膜长度lif与第二通带δf的薄膜下限值linf相关联。第二通带δf包括要供应的瞬时薄膜长度的允许值范围，并由以下公式定义：

δl＝sf±a(等式3)

其中：

sf是解卷设备10或负载100每个转动的初始薄膜长度，其根据负载100的尺寸和/或形状来确定；

a是等于初始薄膜长度的一定百分比的参数。

换句话说，第二通带δl限定要解卷的薄膜长度的下限和上限。

应当指出的是，通过设置该第二通带δl的幅度，可以选择包绕机1的工作模式。

通过减小该间隔δl，获得包绕机的操作，该操作基本上与通过设置要供应的基本恒定的薄膜长度所获得的操作相似。然而，应当指出的是，在包绕负载100期间，该长度相对于实时测量的旋转环11的旋转速度ω和支撑托架12的运动速度vt的有效值而变化。

当包绕具有相同尺寸和/或规则形状的负载或产品并且以旋转环11的高旋转速度包绕负载或产品时，该设置是有利的。

相反，增大要供应的瞬时薄膜长度的允许值范围的幅度，即从第二通带δl起，可以渐增地改变所供应的薄膜长度，因为这种薄膜供应的可变性适用于例如当成批负载或产品在它们之间具有不同的形状和尺寸和/或不规则的负载(例如具有狭窄且细长的截面)时。

同样在这种情况下，通过进一步限制要解卷的薄膜长度的允许值，可以滤波和消除可能不会从预拉伸辊4、5立即供应的过量的薄膜长度值，从而防止控制包绕时不稳定。

该方法还设想，还基于解卷设备10沿着运动方向t的运动速度vt，计算至少一个预拉伸辊4、5(均在所示的示例中)的瞬时旋转速度ω1,ω2。

解卷设备10的线性运动速度vt由以下公式计算：

vt＝(hb-sr)·ω(等式4)

其中：

hb是所述薄膜卷轴51的高度(mm)；

sr是由薄膜带所需的重叠(mm)；

ω是解卷设备10或负载100围绕包绕轴线w的旋转速度(rad/s)。

旋转预拉伸辊4、5尤其包括控制和操作至少一个马达6、7，该马达6、7布置成以相对瞬时旋转速度ω1,ω2旋转至少一个相应的预拉伸辊4、5。

包绕机1的所示实施例设想分别地且独立地控制和操作使第一预拉伸辊4旋转的第一马达6和使第二预拉伸辊5旋转的第二马达7。因此，由于本发明的包绕方法，还对于解卷设备10或负载100的高旋转速度ω而言和/或无论负载100的尺寸和形状及其在包绕机1内部的位置，都可以控制和维持围绕负载100包绕的薄膜50的基本恒定的包绕张力或力。

基于由与解卷设备10的返回辊8之一相关联的力传感器9实时测得的有效包绕力fm，实际上可以使用pid控制算法计算所要提供的薄膜的瞬时长度li，其与单独采取的解卷设备10的旋转速度ω或预拉伸辊4、5的旋转速度无关，而是与在所述旋转速度ω和所述预拉伸辊的旋转速度之间的比率相关联。基于如此计算出的瞬时薄膜长度li并随后滤波的lif，以及解卷设备10(或负载100)的旋转速度ω以及可能的后者的运动速度vt，随后确定预拉伸辊4、5的瞬时旋转速度ω1,ω2，并且适当地致动和控制电动马达6、7，这导致所述预拉伸辊4、5的旋转。

以此方式，通过由力传感器9测得的有效包绕力的每个变化，并且更具体地，根据作为在滤波后的包绕力fmf与设定的包绕力fd之间的差值计算的误差，包绕机1的控制单元16能够基于解卷设置10(或负载100)的旋转速度ω以及可能的运动速度vt来改变预拉伸辊4、5的瞬时旋转速度ω1,ω2，以便供应一定长度或所需量的薄膜(瞬时滤波后的长度lif)，从而恢复设定的包绕力fd。

该反馈控制甚至对于高旋转速度ω有效，因为基于第一通带δl(设定的包绕力fd和已建立的力传感器9的最大读取误差err的函数)滤波了有效包绕力fm，使得可以消除由力传感器9检测到的异常和/或非指示性的力值，因为它们是由于包绕机1在运行期间的运动和/或振动、和/或还由于检测到的力信号的干扰而引起的。这种布置可以避免控制包绕中的不稳定性，并快速地和有效地校正薄膜50的供应，从而使包绕力基本保持恒定。

还应当指出的是，控制方法的稳定性还通过基于第二通带δl对解卷设备10或负载100的每个转动要供应的薄膜的瞬时长度li进行滤波来确保，即限制要解卷的薄膜的长度的允许值，并消除可能无法立即从预拉伸辊4、5供应的多余薄膜的长度值。

此外，可以有利地设置第二通带δl的幅度以选择包绕机1的工作模式。通过减小该第二通带δl，获得包绕机1的操作，该操作基本上与可通过设置基本恒定的薄膜长度而获得的操作类似，同时增加第二通带δl的幅度可以进一步改变所供应的薄膜长度，特别是当成批负载或产品具有彼此不同的形状和尺寸、和/或负载不规则例如具有狭窄和细长的部分时。因此，本发明的包绕机和包绕方法确保以高质量、有效的方式将薄膜围绕负载包绕，而无论负载的尺寸和形状如何，并且以解卷设备10的高旋转速度进行包绕。