王景良 ,徐海黎,朱天成

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)電氣與智能工程學(xué)院,江蘇 南京 211199)

(2.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南通 226019)

(3.南通潤川自動(dòng)化科技有限公司,江蘇 南通 226019)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,印刷產(chǎn)品越來越精美,對(duì)印刷設(shè)備提出了更高的要求。印刷機(jī)的張力控制直接影響印刷產(chǎn)品的質(zhì)量和精度,印刷過程中印刷軸運(yùn)動(dòng)不同步、印刷速度變化、機(jī)械振動(dòng)、紙卷外圓不規(guī)則等因素都會(huì)導(dǎo)致張力發(fā)生改變,使印刷機(jī)械張力控制變得復(fù)雜。為提高印刷過程中張力控制精度,現(xiàn)代印刷機(jī)多采用以運(yùn)動(dòng)控制器為控制核心的張力控制系統(tǒng),通過獨(dú)立的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),使各機(jī)組之間更加同步,從而使印刷精度更高[1]。德國、日本等國伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展比較突出,處于世界領(lǐng)先水平。我國近年來也加大了對(duì)張力控制系統(tǒng)的研究力度,西安理工大學(xué)的邵明月等[2]提出了收卷張力系統(tǒng)在速度模式下的非線性PID控制策略,為機(jī)組式凹版印刷機(jī)張力穩(wěn)定控制提供了理論依據(jù);北京印刷學(xué)院穆明[3]搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)論證了張力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,對(duì)我國印刷機(jī)械的發(fā)展有很大的幫助。但目前國內(nèi)印刷設(shè)備張力控制系統(tǒng)主要采用國外的成套硬件設(shè)備,價(jià)格昂貴,維修成本較高,對(duì)印刷工操作要求高,制約了我國印刷機(jī)械的發(fā)展。為解決以上問題,本文開發(fā)了基于匯川AC810運(yùn)動(dòng)控制器的張力控制系統(tǒng),并成功應(yīng)用在輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)上,取得了良好的印刷效果和經(jīng)濟(jì)效益。

1 輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)工作原理

輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)主要用于印刷書刊、報(bào)紙、票據(jù)、薄膜印刷品等,其承印材料以卷材形式存在。如圖1所示,放卷單元的承印材料被牽引輥1牽引,在中間印刷單元進(jìn)行印刷,印刷后產(chǎn)品由收卷單元完成收卷。由于各傳動(dòng)輥在印刷過程中存在線速度差,因而產(chǎn)生張力。為保持張力控制的穩(wěn)定性,將輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)分為放卷單元、牽引單元(輸入牽引、輸出牽引)、印刷單元和收卷單元(裁切單元)分別進(jìn)行控制。收、放卷電機(jī)由MD330矢量變頻器控制,采用帶擺桿的張力閉環(huán)速度控制,收卷單元增加錐度控制;輸入、輸出牽引均由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)中間印刷單元進(jìn)、出料的牽引,確保穩(wěn)定的張力;中間印刷單元可進(jìn)行單面四色印刷和雙面兩色印刷,各印刷單元的伺服電機(jī)與虛主軸采用電子齒輪耦合實(shí)現(xiàn)對(duì)各印刷軸的同步控制,完成承印材料在印刷單元的恒張力印刷。

圖1 輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)張力控制

2 卷材張力分析

卷材收、放卷過程非常相似,兩個(gè)系統(tǒng)可以采用一種控制模式。放卷時(shí)由輸入牽引輥1牽引卷材,放卷輥制動(dòng),產(chǎn)生張力;收卷時(shí)由收卷輥牽引卷材,從動(dòng)輥制動(dòng)。以放卷為例,如圖2所示,v1、v2分別為輸入牽引輥1和放卷輥的線速度,L為兩輥軸中心距離。

圖2 卷材放卷示意圖

假設(shè)卷材在運(yùn)動(dòng)過程中與輥軸之間不產(chǎn)生滑動(dòng),放卷輥的速度v2小于牽引輥1的速度v1,此時(shí)卷材處于繃緊狀態(tài),產(chǎn)生牽引張力,若兩者速度相差過大,卷材可能會(huì)斷裂;相反,如果放卷輥速度v2大于牽引輥1速度v1,卷材將會(huì)松弛,卷材張力也相應(yīng)減小。由胡克定律F=Kx可知,卷材受到的張力T可由式(1)計(jì)算得到:

(1)

式中:E為卷材的彈性模量,Pa;S為卷材的橫截面積,m2;t為卷材從放卷輥到輸入牽引輥所需時(shí)間,s。

由式(1)可知,卷材張力的調(diào)節(jié)過程就是兩輥線速度差的積分環(huán)節(jié),控制卷材的張力實(shí)際上就是控制兩輥的線速度差[4]。當(dāng)(v1-v2)恒定時(shí),卷材所受張力為定值。因此,在實(shí)際控制過程中,膠印機(jī)啟動(dòng)時(shí)應(yīng)控制v1>v2,以使卷材產(chǎn)生張力,當(dāng)輸入牽引輥1和放卷輥之間的擺桿穩(wěn)定后,再保持卷材以此速度穩(wěn)定運(yùn)行。

3 收、放卷控制策略

3.1 放卷控制策略

穩(wěn)定的放卷控制是實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)印刷的前提。為避免放卷不均勻,生產(chǎn)中對(duì)線速度變化的響應(yīng)要迅速。放卷控制是通過矢量變頻器控制放卷電機(jī)轉(zhuǎn)速,對(duì)放卷輥線速度進(jìn)行控制。放卷單元采用二級(jí)張力控制,在放卷單元和輸入牽引輥1之間加入擺桿機(jī)構(gòu),并與角位移傳感器配合,用于對(duì)一級(jí)張力的控制。當(dāng)放卷張力突然發(fā)生變化時(shí),若角位移變化在許可范圍內(nèi),則擺桿系統(tǒng)通過來回?cái)[動(dòng)抵消張力變化,以確保放卷過程中卷材的張力恒定。當(dāng)張力過大,超出擺桿調(diào)整范圍時(shí),通過閉環(huán)反饋控制調(diào)節(jié)張力。角位移傳感器安裝在擺桿處可間接測(cè)量卷材張力,擺桿在卷材張力作用下產(chǎn)生擺動(dòng)后帶動(dòng)其上的旋轉(zhuǎn)電位器產(chǎn)生一定角度的改變,將張力變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)反饋到控制器,控制器驅(qū)動(dòng)變頻器等執(zhí)行機(jī)構(gòu),改變放卷輥的轉(zhuǎn)速,對(duì)張力進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。

二級(jí)張力控制即在卷材進(jìn)入第一印刷單元前增加張力,傳感器檢測(cè)卷材張力,與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較后將反饋信號(hào)傳給控制器,獨(dú)立控制輸入牽引伺服電機(jī),修正導(dǎo)紙輥與輸入牽引輥1的速度差,實(shí)現(xiàn)第二閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)張力的補(bǔ)償,確保卷材運(yùn)行張力恒定,使卷材以恒張力進(jìn)入印刷單元印刷。放卷過程二級(jí)閉環(huán)張力控制原理如圖3所示。

圖3 閉環(huán)張力控制原理

3.2 收卷控制策略

收卷是印刷生產(chǎn)線的最后一道工序,收卷張力的穩(wěn)定性直接影響收卷質(zhì)量,與放卷單元保持同步張力控制是關(guān)鍵[5]。在收卷過程中,每收卷一層,隨著外部環(huán)向應(yīng)力和卷材半徑的增加卷材內(nèi)部各層張力會(huì)下降[6]。即使采用恒張力收卷,也會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部殘余應(yīng)力梯度,且隨著卷徑增加,料卷在恒定張力下產(chǎn)生的由外向內(nèi)的擠壓力不斷增加,導(dǎo)致料卷的張力內(nèi)小外大,料卷褶皺變形甚至擠破,嚴(yán)重影響料卷的質(zhì)量[7]。在實(shí)際控制過程中,為了使料卷內(nèi)部張力均勻分布,收卷單元需增加錐度張力,使收卷張力隨著卷徑增加逐漸減小。錐度張力分為直線錐度張力和曲線錐度張力。直線錐度張力采用線性遞減方式,雖能實(shí)現(xiàn)錐度張力的變化,但張力變化不平緩,收卷時(shí)易出現(xiàn)卷芯皺的問題。為了優(yōu)化對(duì)收卷錐度張力的控制,采用一種曲線錐度張力控制方法,其數(shù)學(xué)模型[8]如式(2)所示:

F=F0[1-K(1-D0/D)]

(2)

式中:F為實(shí)際輸出張力,N;F0為設(shè)定的初始張力,N;K為錐度系數(shù)(0≤K≤100),%;D0為空心卷徑,mm;D為當(dāng)前卷徑,mm。

由式(2)可得收卷錐度張力與收卷卷徑的關(guān)系為:

F/F0=1-K(1-D0/D)

(3)

圖4 F/F0與D/D0關(guān)系曲線

由圖4可知,錐度系數(shù)K值不同,曲線的曲率不同,且K值越小,曲線越趨于平緩,即收卷張力的大小隨收卷卷徑的變化幅度越小。K=0時(shí),為恒張力控制。因此,可通過設(shè)定不同的K值來控制收卷張力的遞減程度。在印刷過程中,不同性能的印刷材料對(duì)收卷張力的要求不同,要有針對(duì)性地選擇合適的K值。通常情況下,厚、硬的印刷材料選擇的K值小,軟性印刷材料選擇的K值大[8]。

4 張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張力控制系統(tǒng)硬件主要由主控制器、輸入/輸出模塊、觸摸屏、伺服驅(qū)動(dòng)單元、變頻調(diào)速單元、檢測(cè)單元等組成。選用匯川AC810運(yùn)動(dòng)控制器作為主控制器,進(jìn)行邏輯、運(yùn)動(dòng)控制和所有數(shù)據(jù)的集中處理,完成恒張力控制。收卷和放卷均采用單獨(dú)的交流矢量變頻電機(jī),與匯川MD330專用張力矢量變頻器構(gòu)成速度閉環(huán)。印刷版輥電機(jī)選用匯川ISMG1系列伺服電機(jī),采用匯川EtherCAT通信型IS810N系列伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制,并采用電子齒輪同步控制以提高控制精度。檢測(cè)設(shè)備采用張力傳感器和超聲波傳感器,張力傳感器對(duì)卷材張力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,并將檢測(cè)信號(hào)送回控制器,形成張力閉環(huán)控制;超聲波傳感器用來對(duì)卷材邊緣進(jìn)行檢測(cè),由低速同步電機(jī)完成糾偏控制,實(shí)現(xiàn)卷材在進(jìn)入印刷單元之前的位置調(diào)節(jié)。采用匯川IT6000系列觸摸屏完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測(cè)、處理和控制,對(duì)印刷參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與處理。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用InoProShop編程軟件,采用ST(結(jié)構(gòu)化文本)編程語言進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)。首先設(shè)計(jì)出張力控制ST子程序塊并進(jìn)行調(diào)試,然后主程序通過調(diào)用子程序完成印刷工作流程。AC810主控制器可以循環(huán)執(zhí)行每條程序,并根據(jù)傳感器信號(hào)以及觸摸屏輸入的參數(shù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)的恒張力印刷。其控制流程如圖5所示。

圖5 張力控制程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將AC810運(yùn)動(dòng)控制器通過以太網(wǎng)接口與PC機(jī)連接,對(duì)該張力控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場在線調(diào)試。首先使放卷輥和輸入牽引輥1分別勻速運(yùn)行,放卷輥線速度v2小于輸入牽引輥1線速度v1,使卷材產(chǎn)生張力;再以放卷輥線速度作為基準(zhǔn),調(diào)節(jié)輸入牽引輥1的線速度,觀察張力擺桿的位置。當(dāng)張力擺桿位置基本不變時(shí),記錄輸入牽引輥1的線速度。當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行放卷輥送料時(shí),抓取放卷輥和輸入牽引輥1的速度曲線,盡量保證兩個(gè)輥的線速度曲線重合,且重合度越高越好。如果所抓取的兩個(gè)輥的線速度曲線重合度很低,如圖6所示,此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)張力擺桿擺動(dòng)幅度很大,上下抖動(dòng)很嚴(yán)重,說明放卷輥和牽引輥1的線速度不同步,兩輥線速度之差不恒定,承印材料張力波動(dòng)過大,影響印刷效果,需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果所抓取的曲線重合度較高,如圖7所示,則說明兩輥保持較好的同步性,兩輥線速度差恒定,擺桿處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 調(diào)試曲線(差)

圖7 調(diào)試曲線(好)

在放卷控制單元中,采用基于PID的自適應(yīng)控制策略。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,記錄卷材線速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速,并與初始值比較,當(dāng)數(shù)值不一致時(shí),根據(jù)偏差對(duì)變頻器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)張力的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。放卷電機(jī)第一次啟動(dòng)時(shí),應(yīng)考慮使用小積分參數(shù),以防系統(tǒng)第一次運(yùn)行時(shí)擺桿過沖。

為了驗(yàn)證收卷單元的張力控制精度,以卷筒紙作為承印對(duì)象,輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)以60 m/min的速度穩(wěn)定運(yùn)行,利用張力傳感器采集收卷過程中的張力值F,通過AC810控制器內(nèi)部運(yùn)算單元讀取實(shí)時(shí)卷徑D,連續(xù)采樣20組張力數(shù)據(jù)。工作開始之前,在觸摸屏上設(shè)定初始張力值為250 N,錐度系數(shù)設(shè)為30%,根據(jù)式(2)得到理論張力值。繪制理論張力和實(shí)際張力的變化曲線,如圖8所示。

圖8 收卷張力曲線

由圖可知,膠印機(jī)收卷過程卷材實(shí)際張力曲線與理論張力曲線基本吻合,最大差值小于0.2 N,符合張力控制和套色精度要求。

6 結(jié)束語

本文提出了二級(jí)張力閉環(huán)控制收、放卷策略,基于匯川AC810運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)了錐度張力在輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)上的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用AC810運(yùn)動(dòng)控制器的膠印機(jī)控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性,穩(wěn)速情況下張力控制精度在 0.2 N以內(nèi),提高了膠印機(jī)的印刷精度,對(duì)同類輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)具有一定借鑒意義。