高速凹版印刷机张力控制系统

 

 

   高速凹版印刷机张力控制系统介绍

 

一   概述

 

机组式凹版印刷机（以下简称凹印机）是印刷机家族的重要成员，它以精美的印刷质量在软包装领域中占有重要的地位，凹印机一般由放卷、放卷牵引、印刷、收卷牵引及收卷等部分组成，为了保证良好的印刷效果，需要对料膜的四段张力进行精密、稳定的控制，然而传统的张力控制方式制约着高速凹印机的发展, 随着交流调速技术的日益完善，用交流电机进行张力控制已成为现实，并为国外大多高速凹印机所应用。

目前，国内高速凹印机制造厂家为了保证产品质量及可靠性，通常成套进口张力控制系统，不仅成本昂贵，而且售后服务常常不能保证。为了降低成本，提升产品档次，提高产品竞争力，我们成功开发了张力控制系统。

张力控制系统是针对国内凹印机的发展现状而开发的一种高精度、高可靠性的控制系统，它由七台交流矢量电机分别驱动双工位放卷轴、放卷牵引辊、主电机、收卷牵引辊、及双工位收卷轴进行张力控制，用摆辊进行张力检测，中大规模PLC进行中央控制，触摸屏操作，并可同时完成自动卷径检测、自动卷径运算、卷径报警、预驱动、全自动裁切、锥度控制、计长、故障检测等功能。它的成功开发填补了国内的一项空白，解除了长期制约我国高速凹印机发展的瓶颈，必将推动我国印刷机行业的技术进步。

 

  二   七电机张力系统基本组成及特点

         

系统由双工位放卷、放卷—收卷牵引、双工位收卷张力控制及主电机控制等五部分组成。下面针对这五部分的各自特点分别进行阐述：

       

1             放卷张力控制

 

该部分包含张力检测单元、张力运算单元、伺服执行机构、自动卷径检测单元、预驱动控制及自动裁切控制等。

 

1）    张力控制系统中所用的张力检测单元一般为压力传感器式和气压浮动辊式两种。

 

压力传感器式张力检测装置是通过检测辊将料膜张力以微变形的方式反映到压力传感器上，然后通过应变检出装置检出张力，再将信号经放大后送张力运算单元处理，(如左图)。由于传感器自重及检测辊重量的存在，即使张力为零，传感器的输出也不为零，而随传感器的安装角度、检测辊的重量而变化，因此必须调节传感器的零位。基于此装置是以微变检测张力，因此当处于平衡态的系统受到较强扰动时，系统一般瞬间来不及发生反应，料膜张力的变化幅值较大。因此本系统一般不采用该检测模式。                          

                                      

气压浮动辊式张力检测装置通过对连接在检测辊浮动摆臂上的气缸气压的调节来检测料膜张力（如左图）。当气缸气压设定后，摆臂上的气缸推力F1即为定值，如浮动辊上的料膜拉力2F（F为料膜张力）不能与F1平衡，则摆臂偏离原来位置，而使连接于摆臂端的电位器发生偏转，此偏转即为设定值与实际张力的偏差，通过控制系统纠正后浮动辊应停留在图示的平衡位置，此时摆辊的重力的影响亦自然消除，实际料膜张力与期望值相等。处于平衡态的该系统，当发生较强干扰时，如系统瞬间来不及反应，则料膜上的张力波动可暂时由浮动辊吸收。因此浮动辊检测是一种较为优越的检测方式，这也是我们选择该种方式的原因。

 

2）        我们采用松下公司新型PLC作为张力运算系统的核心，它具有模块化、高速、高精度、抗干扰能力强等特点，非常有利于进行象张力这样复杂、高精度的运算。

PLC技术参数如下：

 

系统输入精度：   1/32767   1/4000

         系统输出精度：   1/4000 或者通讯方式

         内部运算方式：    32位浮点运算    

         基本指令执行时间：0.35微秒

 

       系统运算框图如下

 

 

在该系统的数学模型中，由于采用了特别的算法，在理论上已将升降速及卷径变化引起的张力波动进行了补偿，因此无论是在升降速还是在大小卷径的运行过程中张力都非常稳定，即使在换卷时，张力过渡也非常平稳。 因此该系统已将张力波引起的套色损失减少到最低程度。

           3）     伺服执行机构由两台日本安川智能矢量变频器和两台台湾先马/ABB矢量变频专用电机组成，具有优越的电气性能。

矢量变频器及电机的控制特性如下：

 

控制方式：       带编码器（PG）的闭环矢量控制

编码器脉冲数：   1024p/r

启动力矩：       零速150%

速度控制范围：   1∶1000

速度控制精度：   ±0.02%

输出频率分辨率：  0.001Hz

过载能力：       额定电流的150%1分钟

 

4）     自动卷径运算单元是将每次新上料卷的直径通过卷径自动检测装置进行自动检测，然后送入PLC进行运算的硬件及软件的总称。该单元采用折线进行卷径模拟运算，克服了进口设备采用单段直线进行卷径模拟偏差较大的缺点，使得预驱动的速度误差更小，进一步减小了自动裁切时的张力扰动。

自动卷径运算单元还设置了最小卷径限制功能，当新上料卷直径小于某一个限制值时，PLC将限制自动裁切动作的继续执行，有利于保护机械结构不被损坏。

 

5）    预驱动控制及自动裁切控制是实现新旧料卷进行平稳切换的关键，该部分动作控制全部由PLC程序自动完成，用户只需操作两个按钮，便可自动完成料架运行、料架定位、裁切大臂抬起、预驱动、裁切胶辊下压、胶带位置检测、裁切、大臂收回、张力切换等一系列动作。

      

2             牵引张力控制

牵引张力控制由两部分组成，分别是放卷牵引张力控制和收卷牵引张力控制，两部分原理及结构类似。该部分包含张力检测单元、张力运算单元及伺服执行机构

1）    张力检测单元采用气压浮动辊式张力检测装置。

2）    伺服执行机构由日本安川智能矢量变频器和台湾先马/ABB矢量变频专用电机组成。

3）    在整个四段张力控制中，牵引张力的控制尤为重要，牵引张力控制的好坏直接关系到套印是否稳定。因此，该系统在处理牵引张力信号时采取了一系列重要措施，使得牵引张力在整个印刷过程中（包含升降速及裁切过程）都非常稳定，气压浮动辊几乎用肉眼观察不到摆动。

张力运算单元采用松下公司新型PLC作为运算系统的核心，PLC技术参数同放卷张力运算单元。系统运算框图如下：

 

 

 

 

 

            4     收卷张力控制

 

该部分包含张力检测单元、张力运算单元、伺服执行机构、预驱动控制及自动裁切控制等。

1）     张力检测单元采用气压浮动辊式张力检测装置。

2）     伺服执行机构由两台日本安川智能矢量变频器和两台台湾先马/ABB矢量变频专用电机组成。

3）     张力运算单元采用采用松下公司新型PLC作为运算系统的核心，PLC技术参数同放卷张力运算单元。系统运算框图如下：，

 

 

 

 

收放卷张力运算单元原理基本相同，同样已将升降速及卷径变化引起的张力波动进行了补偿，因此无论是在升降速还是在大小卷径的运行过程中张力都非常稳定，即使在换卷时，张力过渡也非常平稳。

收卷张力中包含有锥度张力控制，良好的锥度张力控制可以使收卷获得满意的效果，有效的克服菜心等现象。

      该系统在设计锥度控制时充分考虑到各种用户的要求，设置了多种曲线供用户选择，锥度的设置范围从0—100%连续可调。

 

4）     预驱动控制及自动裁切控制是实现新旧料卷进行平稳切换的关键，该部分动作控制全部由PLC程序自动完成，用户只需操作两个按钮，便可自动完成料架运行、料架定位、裁切大臂抬起、预驱动、裁切胶辊下压、裁切、大臂收回、张力切换等一系列动作。

 

5                             主电机控制

 

主电机控制在整个张力系统中占有重要的地位，整个系统的线速度都与主电机所驱动的版辊进行同步，主电机速度的稳定性直接影响套印质量。

本系统中主电机控制由日本安川智能矢量变频器和台湾先马/ABB矢量变频专用电机组成，采用带编码器（PG）的闭环矢量控制，具有优越的电气性能。

本系统中主电机的启动、点动、升速、降速、停止、急停等一系列控制均采用多点操作，极大的方便了用户使用。

 

三         该系统的成功开发是张力控制系统国产化进程中的革命性突破。在开发过程中汲取了国外同类产品的优点，针对我国用户的特点，在可靠性、稳定性及低成本方面作了大量的努力。针对不同用户需求，我们同时开发了以下五种形式的张力系统：

 

● 九电机张力控制系统（主电机、双放、双收、收放牵引＋两组涂布）

● 七电机张力控制系统（主电机、双放、双收、收放牵引）    

● 五电机张力控制系统（主电机、双收、收放牵引）

● 三电机张力控制系统（主电机、双收 或主电机、收放牵引）     

● 复合机张力控制系统        

● 双收双放张力控制系统