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涂布机（coating machine）用于在纸张、铝箔、塑料薄膜等基材上施涂某种具有特定性质（密封性、化学惰性等）的热塑性材料，并使涂在基材上的材料经干燥硬化。涂布的目的是使基材的性能，如密封性、阻隔性、抗反射、绝缘性、强度等，得以改善。涂布机的涂布次数通常为1或2次。涂布机所用的基材通常以卷筒材料的形式供给，完成涂布及烘干后再复卷起来。涂布工艺还经常与复合工艺（将两种以上的材料或经涂布的材料粘合在一起，使复合后的新材料具备多种不同材料的优良特性）结合使用，所以涂布机通常与复合机配合使用。经涂布和复合的材料具有多种不同的用途，其中一个重要的应用是将其作为食品或药品的包装材料。如用于鲜牛奶包装盒（tetra-pack）的材料是在纸板上涂一层聚酯薄膜以增强其密闭性，再将其与铝箔复合在一起形成的，这样的材料不易与牛奶发生化学反应。图3-1所示为一台涂布机的外形。
图3-1 涂布机（西安航天华阳机电装备有限公司产品，照片由该公司提供）
涂布机的工作速度与其施涂的材料等因素有关，从每分钟几十米到数百米不等。一般基材的宽度可达2m左右。涂布机可使用不同的涂布方法（或者说选用不同型式的涂布头），如凹版涂布、刮刀涂布、挤出涂布、计量棒涂布、狭缝式涂布、喷雾式涂布等。
传统的涂布机在生产过程中会产生多种成分的废气，且烘干过程中能耗较大。随着社会的不断发展进步，消费者或行业协会等组织会要求在日常生活、工业、医药等领域使用新型的包装材料；政府对包装材料自身和其生产过程中的绿色环保要求日益提高，促使涂布机的制造和使用过程中要采取适当的措施，做到更加节能、环保。这就要求涂布机采用无溶剂型和高固体成分的涂层配方，并对易挥发的涂层材料进行更好的控制；对涂布机排放的有机废气进行收集和处理后，方可经排气筒排出机外；对涂布机的烘干通道做保温处理，尽可能减少热量损失；在涂布机上尽可能采用变频器和节能电动机以减少电能消耗。
为提高生产率，涂布机应具有快速更换其所生产产品的能力，并且易于使用、清洁和保养，要有较高的可靠性、安全性和自动化水平。
（1）涂布工艺过程 图3-2所示为涂布机二次涂布的工艺过程。有些机型只进行一次涂布，其工艺过程与该图所示类似，只是少了第二次涂布和第二次烘干。
图3-2 涂布机二次涂布的工艺过程
基材以卷筒的形式装在放卷部分的支架上，由放卷机构以一定的速度和张力将基材放出。基材进入涂布机构之前先经过进料牵引单元，以消除基材在放卷时可能产生的张力波动。基材在第一次涂布机构内完成某种涂布工艺。第一次涂布后的材料进入烘箱，使基材上的涂布材料干燥并硬化。经过烘箱后的材料经冷却辊降温后进入第二次涂布机构再次涂布。二次涂布完成后，材料再次进入烘箱完成第二次干燥，使第二次涂布的材料干燥和硬化，然后再经过第二次冷却使材料成为成品。成品被送入复卷机构前先经过收料牵引单元，在此消除前面各段工艺可能对材料产生的张力波动。复卷机构将完成涂布工艺的成品复卷起来。
为提高工作效率，有些涂布机的收、放卷机构各配备两个卷筒架，当其中一个材料卷筒处于工作状态时，可对另一材料卷筒进行换筒的准备工作，这样就减少了更换卷筒所需的时间。收、放卷机构还可配备自动接料机构，实现不停机更换料卷。
（2）张力控制 在涂布机的产品生产过程中，基材要经过放卷、涂布、烘干、复卷等加工环节。为满足涂布效果均匀、基材不受损等要求，在上述多重加工环节中，基材必须保持速度和张力的稳定，且在机器的起动和停止过程中，要求基材的速度能够平滑过渡，保持张力稳定。基材在被加工过程中保持稳定的张力和速度，是涂布机能够高质量生产的重要条件。
一般来说，在实现收卷、放卷、进料牵引、出料牵引等部分张力控制的自动化与驱动解决方案中，应包括控制和驱动装置、料带卷直径和张力检测传感器等部件。收、放卷控制的作用就是以设定的张力和速度将料带卷起或放出。在收卷或放卷过程中，料带卷的直径会逐步增加或减小。控制器应根据多种不同的参数，采用某种方法来计算料带卷的当前直径，并可通过控制电动机速度的方法使料带张力保持恒定。为达到上述要求，需要利用传感器来获取料带的当前速度和张力、料带卷筒的当前直径和转速等参数。因此，为实现高质量的张力控制性能和控制精度，自动化和驱动系统方案中都会用到测量张力的传感器。目前，在收、放卷等张力控制中最常见的传感器是浮动辊或压力传感器。浮动辊实际上是用于位置测量的装置，如图3-3所示。
图3-3 用浮动辊测量张力示意图
料带的张力对浮动辊的位置产生影响。当浮动辊处于其中心位置时，说明此时料带的张力与所选浮动辊相适应，其张力值与设定值一致。若浮动辊的位置向其中心位置上方移动，说明料带的张力大于设定值；若浮动辊的位置向其中心位置下方移动，说明料带的张力小于设定值。控制系统的目的是确保浮动辊处于其中心位置。不论何种原因，如果料带的张力发生变化，浮动辊的位置就会发生相应的变化。因此可以通过检测浮动辊的当前位置相对其中心位置的偏移值来判断料带的张力偏差，并将其转换为电信号送到控制器。控制器得到料带的张力偏差值，经分析和处理后，发出指令到驱动系统，去调整料带驱动电动机的转速，使料带的张力恢复到正常值。
压力传感器是另一种常用于检测张力的器件，它直接与料带接触，受到料带相应的压力。料带的张力越大，传感器受到的压力就越大，压力传感器由此获得料带的张力值，再将该值变换为电信号传送给控制器，如图3-4所示。
图3-4 用压力传感器测量张力
张力控制系统利用张力的实际测量值与设定值的偏差来进行张力控制。当料带的张力发生变化时，就会产生相应的张力偏差值。控制器根据这个偏差值，可相应地改变驱动电动机的速度或转矩来消除张力的变化。
控制收、放卷的张力有两种常用方法，一种是中心轴控制的方法，另一种是在卷筒表面施加制动力的方法。图3-5所示为中心轴控制收卷示意。
从图3-5中可以看到，料带卷筒在一个中心轴电动机的驱动下转动。采用这种控制方法时，卷筒的当前直径是一个重要的控制参数。这是因为当料带的速度和张力恒定时，卷筒的转速（角速度）与其当前的直径成反比。这就是说，最大的驱动速度由最小的卷筒直径确定；最大的驱动转矩由最大的卷筒直径确定。
卷筒表面压力控制方法，是用一个或多个压辊与料带卷筒直接接触，带动料带卷筒转动，如图3-6所示。压辊的驱动速度和功率大小也取决于料带卷筒的当前直径。
图3-5 中心轴控制收卷示意
图3-6 卷筒表面压力法控制收卷张力示意图
从控制的角度看，采用中心轴控制的方法更复杂；而从机械设计的角度看，卷筒表面压力控制法则更复杂。在现实中，中心轴控制方法的应用更为普遍。常用于收、放卷张力控制的驱动装置有磁粉制动器、变频器、伺服驱动器等。图3-7为一个收卷控制的示意图。
图3-7 收卷控制示意图
在这个示例中，来自收料牵引部分的料带经过浮动辊时，料带的张力使浮动辊的位置发生变化，产生了一个与浮动辊中心位置的偏差值，该值被转变为电信号后送到控制器。控制器根据该值、为料带设定的张力值、当前料带卷径等相关参数，将调整信号发送给驱动系统以调整料带卷筒驱动电动机的转速或转矩，使料带的张力偏差得到补偿，从而使其张力保持恒定。
控制器可采用不同的控制模式，如可借助浮动辊或张力传感器检测到的张力变化值来调整驱动电动机的转速以控制料带的张力；也可以根据料卷的直径变化进行速度控制，使料带的张力保持恒定。为了能够进行收、放卷的张力控制，控制器需要具有料带卷径计算、料带速度点设置、料带卷转动惯量计算、张力梯度特性计算等相关功能。
为使料带在经过机器各加工工艺段时的张力稳定，通常会在相应的驱动辊处设置张力传感器（如输入牵引单元之后、涂布机构之后、烘干箱之前），这些传感器为控制和驱动系统提供当前的实际张力值（或偏差值），控制和驱动系统根据张力实际值与设定值的偏差，对料带驱动辊的速度进行调整，以保持料带在机器各处的张力一致。
因为张力控制和收、放卷的应用非常普遍，许多自动化和驱动系统供货商都为客户提供标准化的软件模块来帮助客户解决此类问题。有的驱动产品供货商在其变频器中集成了相应的张力控制功能，专门用于收、放卷的张力控制。
为实现涂布机各部分之间的速度同步，且达到完美的张力控制效果，需要为涂布机配备完整的自动化与驱动系统。下面给出一个涂布机的自动化与驱动系统参考方案，如图3-8所示。
图3-8 涂布机自动化与驱动系统参考方案示意图
该方案的控制核心是一台运动控制器，它同时具备逻辑控制（PLC功能）和运动控制功能。该方案采用的主要产品都具有PROFINET总线接口，因此其中的运动控制器、多台变频器、伺服驱动器、I/O模块和人机界面等功能部件之间，都可通过PROFINET总线进行通信。
放卷和收卷部分由变频器和异步电动机驱动，配合张力传感器（浮动辊）进行闭环控制，实现收、放卷的速度和张力控制。放卷牵引、收卷牵引和涂布机构均采用伺服驱动和伺服电动机进行控制，以保证涂布机内料带的张力稳定和良好的涂布效果。烘干和冷却部分由多台变频器和异步电动机驱动风机等部件，使烘干和冷却的温度分布均匀并可以按需要进行调节，既可保证烘干和冷却质量，又可节省能源。
输入输出模块分别对应于机器的多个功能部分，可用来采集有关传感器的状态信息，也可向执行机构发出控制信号，使它们按照设定的程序完成特定的动作。
利用现有经过实际运行验证的有关张力控制和收、放卷应用的软件功能模块，用户只需将机器的相关参数输入软件功能模块，而无须从零开始设计和编程，即可方便地完成机器的控制程序。该方案采用模块化软、硬件结构设计，给调试、操作和维护带来极大的方便。
利用人机界面可进行闭环速度控制，设定线速度或执行涂布机的加减速等操作；根据需要，可实现按照料带剩余长度或卷径进行报警、减速和停机等功能。