印刷機(jī)張力控制系統(tǒng)探討

孫林

（西安航天華陽機(jī)電裝備有限公司，陜西 西安 710100）

作為文字、圖像的傳播中樞，印刷機(jī)的發(fā)展歷程映襯著學(xué)術(shù)文明的進(jìn)展。在印刷業(yè)的“最后一公里”（卷繞環(huán)節(jié)），卷繞力度太大容易導(dǎo)致材料外形扭曲，而卷繞力度太小則會(huì)導(dǎo)致材料過于松散、疏離，因而合理控制卷繞力度決定著印刷成品的品質(zhì)。張力控制就是控制電機(jī)的輸出，而張力控制系統(tǒng)是集張力控制器與張力傳感器于一身的控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于印刷、紡織與冶金等行業(yè)領(lǐng)域，可產(chǎn)生恒定且持續(xù)的張力，實(shí)現(xiàn)均勻收、放卷以及輥間的同步。在印刷作業(yè)過程中，印刷工藝既要保證材料外形如初，又要保證材料的緊湊度，這就啟發(fā)我們將張力控制系統(tǒng)考慮到印刷機(jī)當(dāng)中，從而控制并保證恒定的材料張力。印刷行業(yè)向高效益趨近的同時(shí)也對(duì)張力控制系統(tǒng)提出了空前的高標(biāo)準(zhǔn)性能要求。張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其分類原則也不盡相同。以環(huán)路為分類指標(biāo)，張力控制系統(tǒng)可分為自由環(huán)、閉環(huán)以及開環(huán)控制系統(tǒng)；以監(jiān)測形式為分類標(biāo)準(zhǔn)，張力控制系統(tǒng)又可以分為跟蹤臂式、浮輥式以及超聲波式張力控制系統(tǒng)。

1 卷筒紙印刷機(jī)基本結(jié)構(gòu)

顧名思義，卷筒紙印刷機(jī)就是以卷筒紙為原材料的印刷機(jī)械裝置。雖然不同型號(hào)卷紙印刷機(jī)結(jié)構(gòu)迥然相異，但其大體組成結(jié)構(gòu)基本相仿。卷筒紙印刷機(jī)大體上是由開卷、收卷、張力檢測系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)以及印刷單元所構(gòu)成的。后續(xù)將對(duì)張力控制系統(tǒng)作詳細(xì)闡述。印刷機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 卷筒紙印刷機(jī)結(jié)構(gòu)圖解

2 印刷機(jī)中張力控制系統(tǒng)的重要作用

放料部、放料牽引部、主機(jī)、收料牽引部以及收料部是張力控制系統(tǒng)的主要組成部分。其中，主機(jī)作為張力控制系統(tǒng)的核心變頻器，在整個(gè)系統(tǒng)裝置中充當(dāng)著速度參考機(jī)械的地位。其他四部分依據(jù)主機(jī)速度以及自身PID 補(bǔ)償操縱量來達(dá)到同步速度，見圖2。

圖2 張力控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

卷筒紙印刷機(jī)在進(jìn)行印刷作業(yè)時(shí)，紙帶的緊繃程度與印刷狀態(tài)緊密相連。印刷機(jī)飛速運(yùn)作時(shí)，每小時(shí)可達(dá)到3～8w轉(zhuǎn)，要在如此高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，完成印刷作業(yè)絕非易事，這就需要印刷機(jī)械裝置與紙帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度不能有一絲的差別，否則，細(xì)微波動(dòng)也會(huì)使印刷效果大打折扣。紙帶力度太大容易導(dǎo)致材料外形扭曲、撕裂、變形，但力度太小也會(huì)導(dǎo)致材料過于松散、漂移、疏離，因此，在卷筒式印刷機(jī)作業(yè)過程中，紙帶張力力度的操作控制效果要求恒常不變且大小得當(dāng)，以保證印刷機(jī)高效益生產(chǎn)。若要控制紙帶張力力度大小恒常不變，就需要探究紙帶張力的影響因素。通過查閱資料及實(shí)踐操作，可知紙帶張力受各方面因素影響較多，現(xiàn)總結(jié)歸納出以下幾點(diǎn)：（1）工作環(huán)境（空氣中溫度、濕度、風(fēng)力等影響因素）。（2）紙帶厚度。（3）工作裝置狀態(tài)（馬達(dá)不穩(wěn)等）。（4）紙帶與印刷機(jī)機(jī)械裝置接觸面的光滑度。由此可知，在實(shí)際作業(yè)中，由于不可控、不確定因素的雜亂無章，我們必須加入紙帶制動(dòng)器，以便隨時(shí)調(diào)整紙帶張力，使印刷機(jī)械裝置可以平穩(wěn)接收紙帶。

3 紙帶張力的控制方法

通過前兩章的分析，我們已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到控制紙帶張力對(duì)印刷流程的重要作用。在現(xiàn)代技術(shù)的支撐下，紙帶張力主要采用以下幾種方式進(jìn)行張力控制：電磁式張力控制方式、氣動(dòng)式張力控制方式、變頻電機(jī)控制方式以及電子式張力控制方式等。而在幾種方式中，變頻電機(jī)控制方式的應(yīng)用效果獨(dú)樹一幟。變頻電機(jī)張力控制在實(shí)際中應(yīng)用廣泛主要有以下原因：（1）可設(shè)置并控制張力大小，張力控制操作人性化并且簡便，成本低廉。（2）張力控制算法較為先進(jìn)。（3）實(shí)時(shí)計(jì)算卷徑，收、放卷電機(jī)轉(zhuǎn)矩有著極好的平滑性能。（4）應(yīng)變能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)狀況的自我調(diào)節(jié)。

以下，我們將對(duì)變頻電機(jī)控制原理以及控制方法作詳細(xì)闡述。

3.1 控制原理

在印刷作業(yè)中，紙帶需要在制動(dòng)裝置與驅(qū)動(dòng)裝置的相互配合下才能按預(yù)定穩(wěn)定運(yùn)行。一般情況下，在紙卷的軸心位置施以制動(dòng)力，在紙帶位置施以制動(dòng)約束力。對(duì)張力的變頻電機(jī)控制實(shí)質(zhì)上是對(duì)閉環(huán)矢量的控制。在收、放卷過程中，其紙卷卷徑在時(shí)刻發(fā)生變化，這就需要補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)變化能力提出了較高要求，在極大程度上保證了收、放卷過程中的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 控制方法

根據(jù)控制原理的分析結(jié)果，我們可知要保證紙帶張力的恒定，就要及時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行合適的補(bǔ)償。在激活瞬間，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)靜摩擦轉(zhuǎn)矩的控制，靜摩擦轉(zhuǎn)矩大小的判斷依據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小以及一定的百分比；在運(yùn)行過程中，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同運(yùn)動(dòng)速度下的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩的控制，滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩大小的判斷依據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩以及運(yùn)行速率。轉(zhuǎn)矩控制因素不僅與運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)，也與車速、負(fù)載密不可分。在加速過程中，系統(tǒng)要求增加加速轉(zhuǎn)矩；在減速過程中，系統(tǒng)要求減少減速轉(zhuǎn)矩。因此，紙帶張力的控制過程就是控制電機(jī)變頻的過程，而電機(jī)變頻又依賴轉(zhuǎn)矩大小。總而言之，電機(jī)轉(zhuǎn)矩是靜摩擦轉(zhuǎn)矩、滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相互作用的綜合結(jié)果。

4 影響控制系統(tǒng)精度因素分析

只有明晰張力控制系統(tǒng)裝置影響因素，才能更精準(zhǔn)地對(duì)系統(tǒng)張力實(shí)現(xiàn)有效控制。基于專業(yè)資料與實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)可知，紙帶質(zhì)量、空氣溫度、空氣濕度與裝置控制規(guī)律等都會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的精度造成污染。其中，作為可控因素，裝置控制規(guī)律主導(dǎo)著控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度、起調(diào)量、誤差精度以及系統(tǒng)穩(wěn)定特性，因而其在精度影響因素方面占有無可比擬的地位。由于檢測裝置的中樞地位，若要滿足較高標(biāo)準(zhǔn)的印刷成品，則要在單閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上選擇精密的檢測裝置，并擇取相應(yīng)的控制規(guī)律。若紙帶張力控制仍未滿足張力控制標(biāo)準(zhǔn)，則要在第一套張力控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再建立一套張力控制系統(tǒng)，即二次張力穩(wěn)定器。

5 結(jié)語

張力控制系統(tǒng)裝置對(duì)于控制印刷成品向著高品質(zhì)、高效能軌道穩(wěn)步發(fā)展意義非凡，因而日漸成為眾多開發(fā)者的關(guān)注要點(diǎn)。張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度影響因素眾多，開發(fā)之路漫長。隨著張力控制系統(tǒng)的日益改進(jìn)，相信其定會(huì)在印刷業(yè)發(fā)揮出巨大作用。