凹版印刷机张力控制系统的改进

时间：2024-05-20

吴茹石

（无锡机电高等职业技术学校自动化工程系,江苏无锡 214028）

凹版印刷机张力控制系统的改进

吴茹石

（无锡机电高等职业技术学校自动化工程系,江苏无锡 214028）

随着社会经济的发展，人们的生活水平和消费观念都发生了巨大变化，品味不断提高。国内包装市场增长迅速，印刷品的质量和品位也在不断的提高。新材料、新技术的不断出现，也给凹版印刷技术带来广阔的发展前景。本文立足于完善凹版印刷机张力控制系统，提出改进思路，并作为产品改造的技术储备。

凹版印刷；张力控制；技术改进

随着社会经济的发展，人们的生活水平和消费观念都发生了巨大变化，品味不断提高。国内包装市场近年来以每年20%以上的速度增长，其中印刷包装市场的增长更为迅速，印刷质量和印刷品位不断地提高。凹版印刷作为一种重要的印刷方法，其优点突出，在国外一直有着稳定的发展。

1 凹版印刷的优点

近年来，随着新材料和新技术的不断出现，特别是装潢、建材工业和包装业的发展，给凹版印刷技术带来前所未有的发展前景。特别是在软包装的印刷方面，凹版印刷是最好的印刷方式，例如OPP、PET、NY等薄膜、铝箔、纸张和其它多种材料，都能采用凹版印刷的印刷方式，也适合于层压法等后道加工的特性。凹版印刷方式的优点是：（1）使用的油墨适用范围广，可用于多种印刷品；（2）印版的使用寿命长，适用于各种等级的印刷速度要求；（3）凹版印刷的图文层次丰富，色彩鲜艳，清晰度高，印墨层厚实；（4）可用于连续图案的印刷，适用无接缝印版。所以在药品和食品的包装、购物袋以及家电包装等大批量塑料薄膜和纸张制品的印刷中，凹版印刷仍占替代的地位。

2 张力控制的重要作用

凹版印刷机作为包装印刷行业中重要的设备，要求在放卷、印刷、收卷等装置中进行位置控制，以保证印刷品的质量。印刷材料是以料卷的形式向印刷机中输送的，印刷完之后，由收卷系统将料卷重新卷起，以备包装时使用。凹版印刷机的印刷速度快，版筒的耐印率较高，适合批量印刷。凹版印刷机的张力控制是整机的核心系统。只要张力控制系统稳定，张力变化小，凹版印刷机的套准精度就高，同时印刷的废品率也容易控制。当设备在高速运行时，微小的张力波动和变化对套准精度都将产生巨大的影晌，所以张力控制就显得尤为重要。因此，要想确保凹版印刷机的印刷品质量、印刷效率和可靠性，必须要完善印刷机的张力控制系统。江苏通达刷机械有限公司作为一家民营企业，为了不断提高产品的质量，在完善凹版印刷机控制系统方面也不断地进行研究，并进行产品的技术改造。

3 张力控制系统的改进思路

所谓的张力控制，通俗地讲就是要能够控制电机输出多少牛顿的力，即电机轴能控制电机输出多大的转矩。凹版印刷机的张力控制系统是复杂的控制对象。第一，它的各环节之间耦合强，当一个环节张力发生波动时，其他环节的张力也会受到影响；第二，具有时变性，印刷对象随着时间推移不断的变化，在印刷过程中收、放料的卷径时刻在发生变化，给控制器的选择带来了极大的困难；第三是不确定性，机械的安装精度，材料的打滑或偶被挂住变慢，材料的厚度不均及料卷的偏心等等情况。基于以上三种原因，凹版印刷机控制起来非常复杂。江苏通达印刷机械有限公司生产的凹版印刷机使用的是目前国内较为先进的七电机四段张力控制系统，从给料轴到给料牵引辊之间，给料牵引辊到版辊之间，版辊到收料牵引辊之间以及收料牵引辊到收料轴之间的四段张力控制。

本文在公司原有产品的基础上进一步完善凹版印刷机的张力控制系统的数学模型，进一步选择适合的控制方法。通过对张力控制系统的实验和张力控制的几何关系重新推导出浮动辊检测系统模型，进一步完善料卷的转径、转动惯量与实时扰动模型。在原有模型的基础上，考虑生产工艺流程等因素，针对江苏通达印刷机械有限公司目前已在使用的七电机四段张力控制系统，对现有PID控制算法进行有效改进，设计整个系统的控制程序；通信协议是利用PLC与变频器的RS485通信接口进行设计的，避免使用扩展通讯模块而导致系统响应速度变慢的缺点，可以更加快速、稳定地达到张力控制的效果。整机控制采用日本松下FP2-C1系列可编程控制器、台湾HITECH的PWS-1711STN触摸屏、安川矢量变频器和ABB电机等先进电气元件和设备。这些器件和浮动辊上的精密电位器共同组成了闭环控制系统。通过浮动辊位置变化导致精密电位器电阻值变化，转换成电信号后作为张力反馈信号反馈给可编程控制器，可编程控制器根据系统任务要求以及自身程序，计算出相应的输出。可编程控制器在扫描周期内，经过自由口通信读取变频器的工作状态，然后向变频器发出指令，从而保证每个电机工作于同步状态，确保张力的持续稳定，实现精确的闭环控制。如图1为四段张力控制系统示意图。

系统的操作方式和参数设定界面可以通过触摸屏进行人性化地设计，设定的相关信息都是通过RS485电缆和可编程控制器进行通信，从而快捷地完成各种参数调整和操作控制的任务。

从控制形式分，张力控制的系统有间接张力控制和直接张力控制系统之分。直接张力控制应的场合必须有张力传感器，而本论文研究的凹版印刷机采用的是间接张力控制系统，即通过浮动辊来检测与张力有关的量，根据电机转速和力矩的关系，通过控制电机速度来控制力矩，从而达到控制张力的目的。图2为间接张力控制系统简图。

从图中也反应出系统的每段张力控制中，均有浮动辊，它可以吸收张力变化，利用张力前馈补偿实现间接恒张力控制，从而简化模型，提高系统的动态性能，所以首先要建立浮动辊模型，推导出浮动辊摆角和张力的函数关系，从而进一步转化成电位计的检测模型。在给料牵引辊到版辊之间及版辊到收料牵引辊之间（即牵引部分）设有周速同步机构，它与给料情况不同，直径不变化，但由于印刷材料有弹性和塑性，所以张力控制只要根据弹性定律来确定。在收放卷部分，放卷由独立的变频电机完成，收卷部分采用的是中心驱动卷取方式。由于定张力卷取收料时随着料卷的增大相对于内侧的力矩变大，产生打滑或材料被横向挤出而产生所谓“竹笋”现象，因此在收卷部分采用了锥度张力控制，其中卷取终了时的张力取决于收卷时的初始张力，此时减少的程度可以使用10%——50%的锥度。变化比率可以根据材料和机构的性能不同，采用不同的试验曲线。同时，为了吸收机器起动时，作业中、速度改变时或者由静止达到所定速度时，由于料卷的惯性引起的张力变化而进行惯性补偿。

软件方面包括两个大块：熟悉驱动器，内部许多功能运行可以使得一些程序不必编写；PLC控制部分的程序，涉及高速计数、通信、复杂的运算包括线速度、卷径、速度限制等。