不管是印刷設(shè)備，還是印后包裝設(shè)備，自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用是其可否滿足功能需求的保障。機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化、控制技術(shù)的自動(dòng)化這是印刷包裝設(shè)備的發(fā)展大趨勢(shì)。在下面的內(nèi)容中，我就從張力控制的角度探討控制技術(shù)在印刷包裝設(shè)備中的發(fā)展和應(yīng)用。我們所重點(diǎn)探討的是帶材類印刷機(jī)、復(fù)合機(jī)、涂布機(jī)和分切機(jī)，對(duì)單張材料的印刷包裝不作介紹。

 

      一個(gè)要求張力控制高精度的系統(tǒng)，需要考慮的因素很多，比如：力矩補(bǔ)償、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的補(bǔ)償、錐度的控制、升降速?gòu)埩ρa(bǔ)償、軸切換控制等等。下面就針對(duì)我公司的產(chǎn)品，在張力控制方面所采取的措施加以說(shuō)明：

      在擺輥檢測(cè)裝置中，擺輥的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠存儲(chǔ)料膜，它的作用就好比是一個(gè)蓄力器、緩沖器，吸收或隔離了張力的擾動(dòng)。擺輥調(diào)節(jié)的目的是通過(guò)調(diào)整擺輥位置而間接控制料膜表面張力，這個(gè)過(guò)程需要使用擺輥反饋信號(hào)，反饋信號(hào)是擺輥的位置偏差，該位置偏差對(duì)應(yīng)的反映張力的波動(dòng)量。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，擺輥?zhàn)匀幌麓?，擺輥氣缸上的推力與料膜上的張力處于平衡；當(dāng)系統(tǒng)張力產(chǎn)生了波動(dòng)，克服機(jī)械摩擦阻力，這種平衡被打破，擺輥位置發(fā)生了偏移，擺輥的自重在水平方向產(chǎn)生分力，該分力疊加到料膜張力上，使系統(tǒng)張力產(chǎn)生更大的波動(dòng)。機(jī)械摩擦阻力包括氣缸、擺輥機(jī)械裝置等的摩擦力，系統(tǒng)在工作時(shí)是一個(gè)不斷的動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程，機(jī)械摩擦阻力對(duì)信號(hào)檢測(cè)精度有很大的影響。以上分析可得，減輕擺輥裝置的自重以及減小機(jī)械摩擦阻力是提高信號(hào)檢測(cè)精度的關(guān)鍵。另外擺輥反饋信號(hào)應(yīng)調(diào)整到最高分辨率，過(guò)低的分辨率將降低張力調(diào)節(jié)的總體性能。目前，我公司機(jī)組式凹版印刷機(jī)中、高檔機(jī)型中該部件的設(shè)計(jì)都是遵循以上原則。

 

      對(duì)檢測(cè)信號(hào)的抗干擾措施如下：在硬件上選擇優(yōu)良的器件，配備完善的接地網(wǎng)，單點(diǎn)接地，分隔走線及布線，所有信號(hào)線均采用屏蔽線；在軟件上，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波，消除錯(cuò)誤的檢測(cè)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊。

      驅(qū)動(dòng)部件表面速度與線速度之間的速度匹配對(duì)于張力調(diào)節(jié)和PLC內(nèi)部的計(jì)算精度非常重要，速度匹配保證了料膜能夠按照整條生產(chǎn)線的同一速率運(yùn)行，使張力控制器或擺輥控制器控制料膜表面張力的修正量更小，精度更高。另外機(jī)械負(fù)載的波動(dòng)對(duì)電機(jī)速度也會(huì)產(chǎn)生影響。我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中，選擇矢量變頻+矢量電機(jī)，工作在帶PG矢量控制，可進(jìn)行高精度的速度控制、力矩控制，速度控制范圍：1：1000，控制精度：±0.02％，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：150％，充分保證了速度精度及機(jī)械硬度。

      張力控制都一般采用PID控制。PID控制效果的好壞主要在于采樣時(shí)間、增益、積分、微分等PID參數(shù)的調(diào)節(jié)。

 

      張力控制時(shí)，PID參數(shù)低速到高速時(shí)可能不適合，或者不同卷徑段的PID參數(shù)可能不通用，因此PID參數(shù)的線性化、分段處理是解決該問(wèn)題的首選。收放料在正常工作時(shí)，料卷直徑在不斷的變化，其卷徑的變化是引起不穩(wěn)定的最大因素，在程序中對(duì)收放料依據(jù)內(nèi)部計(jì)算直徑進(jìn)行分段PID控制。收放料牽引不存在卷徑的變化，相對(duì)比較穩(wěn)定，線速度的變化是引起不穩(wěn)定的最大因素，在程序中對(duì)牽引PID按線速度的變化進(jìn)行線性化，使低、中、高各段速度下的系統(tǒng)響應(yīng)都達(dá)到最佳。

      系統(tǒng)在升降速過(guò)程中，多臺(tái)電機(jī)聯(lián)動(dòng)，使整條生產(chǎn)線的線速度發(fā)生了變化，由于各個(gè)執(zhí)行電機(jī)的負(fù)載慣量是不同的，引起各電機(jī)的升降速曲線不重合，此時(shí)的張力控制特性與穩(wěn)態(tài)時(shí)是有所區(qū)別的，控制參數(shù)要作相應(yīng)的調(diào)整，加入升降速PID控制，單獨(dú)控制升降速時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，與穩(wěn)態(tài)比較，張力擾動(dòng)大，要求響應(yīng)快速，這時(shí)比例、積分、微分作用都要求比較強(qiáng)，只要系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩即可。

 

      在軸切換時(shí)，通過(guò)以下幾點(diǎn)來(lái)改善換軸時(shí)的張力控制性能。自動(dòng)裁切時(shí)預(yù)驅(qū)動(dòng)的線速度與當(dāng)前線速度相匹配：我公司中、高檔機(jī)型收放料自動(dòng)裁切時(shí)，都配有預(yù)驅(qū)動(dòng)功能，要求預(yù)驅(qū)軸表面的線速度與當(dāng)前線速度要相等或接近，盡量減小因?yàn)閾Q軸線速的差別而帶來(lái)的張力波動(dòng)；軸切換PID：在自動(dòng)裁切時(shí)，加入一套單獨(dú)的軸切換PID控制，改善換軸時(shí)的動(dòng)態(tài)性能；軸切換時(shí)的力矩提升：在自動(dòng)裁切過(guò)程中，當(dāng)切刀動(dòng)作時(shí)，對(duì)放料提升其制動(dòng)力矩，對(duì)收料提升其主動(dòng)力矩，力矩的增加將引起料膜張力的增加，料膜張力的增加使得切斷和軸轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)潔、容易；尾長(zhǎng)控制：裁切時(shí)，尾長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，引起張力波動(dòng)增加、走料不暢、印刷跑版等問(wèn)題。調(diào)整糊面位置可有效的減小尾長(zhǎng)；還有一種定長(zhǎng)控制，根據(jù)線速度、卷徑來(lái)計(jì)算，通過(guò)程序內(nèi)部延時(shí)或檢測(cè)，把裁切尾長(zhǎng)控制在一定范圍內(nèi)；糊面檢測(cè)：提高了裁切的可靠性，減少因停機(jī)而產(chǎn)生的廢品。以上方法都為一個(gè)目的：平穩(wěn)過(guò)度、克服張力擾動(dòng)、減少接料廢品率。

      在速度控制模式下，通過(guò)改變實(shí)際速度并調(diào)整轉(zhuǎn)矩輸出來(lái)考慮慣性的要求。當(dāng)工作在轉(zhuǎn)矩控制模式下，需要精確的估算慣性力矩分量，來(lái)保持料膜的張力控制符合要求。慣性補(bǔ)償是用來(lái)補(bǔ)償由于物體速度的變化而產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩要求，這個(gè)附加轉(zhuǎn)矩分量的大小取決于物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度。在速度模式下進(jìn)行慣性補(bǔ)償，可有效提高控制的動(dòng)態(tài)特性。

 

      由于系統(tǒng)慣性的存在，使得電機(jī)響應(yīng)滯后，所以當(dāng)電機(jī)給定發(fā)生變化時(shí)，控制器估算電機(jī)克服系統(tǒng)慣性所需的附加轉(zhuǎn)矩，以轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)男问絹?lái)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在系統(tǒng)升降速過(guò)程中的慣性補(bǔ)償顯得尤為重要。

      綜合考慮各種因素，要求系統(tǒng)調(diào)整的周期越短越好，響應(yīng)要足夠的快。PLC內(nèi)部程序采用定時(shí)中斷的工作方式，10ms對(duì)模擬輸入、輸出刷新一次，使得檢測(cè)及控制的實(shí)時(shí)性得到保證。變頻器內(nèi)部的加減速時(shí)間設(shè)定為最小0s，保證了其響應(yīng)的快速性。下一步，我們還要把PLC與變頻器通過(guò)工業(yè)總線組成網(wǎng)絡(luò)，把目前的模擬量給定變成數(shù)字量給定，進(jìn)一步縮短變頻器的響應(yīng)時(shí)間。

      收放料卷徑計(jì)算：通過(guò)程序計(jì)算收放料當(dāng)前直徑，并且限制卷徑的變化率，以防止卷徑的突變，引起收放料控制異常。

 

      收料錐度張力控制：隨著收料直徑的遞增，張力遞減，防止收料卷變形。

通過(guò)以上措施的實(shí)施，有效地控制了張力的穩(wěn)定性，保證了印刷套印的精度，明顯改善了整臺(tái)設(shè)備的張力狀況，升降速?gòu)U品率、接換料廢品率大大減小。

 

      張力自動(dòng)化控制技術(shù)已在網(wǎng)絡(luò)中普遍應(yīng)用，特別是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)控制網(wǎng)的應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)總線是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的一種通訊網(wǎng)絡(luò)，能夠適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境，如干擾、沖擊、震動(dòng)、溫度、粉塵等。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)總線易于控制系統(tǒng)由模擬控制向數(shù)字化控制轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)可靠快捷的數(shù)據(jù)信息交互和簡(jiǎn)化控制配線，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)練的遠(yuǎn)程I/O控制，從而大大降低故障點(diǎn)且利于維護(hù)機(jī)器。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線把各個(gè)控制單元聯(lián)網(wǎng)，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，上一層與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接，可用于生產(chǎn)監(jiān)控、報(bào)表輸出的管理功能。

      應(yīng)用多臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)各個(gè)印刷版輥來(lái)代替主傳動(dòng)軸，對(duì)各印刷機(jī)組建立相應(yīng)的模型，當(dāng)套印偏差產(chǎn)生時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)的計(jì)算，同時(shí)輸出并調(diào)整，充分考慮了負(fù)載慣量的影響，響應(yīng)迅速，調(diào)整及時(shí)。該系統(tǒng)印刷速度高，可達(dá)到400米/分，套印精度高，廢品率低，具有極高的應(yīng)用前景。

      隨著張力自動(dòng)化控制技術(shù)的不斷提高，人們會(huì)不斷嘗試新的工藝，實(shí)現(xiàn)更為有效的印刷包裝方式。近年來(lái)，一些應(yīng)用如大克數(shù)紙張的對(duì)接（包括高速滾筒對(duì)接、零速對(duì)接）、聯(lián)機(jī)模切壓痕打孔、聯(lián)機(jī)橫斷等已在國(guó)產(chǎn)印刷包裝設(shè)備上得到成功解決，且已擁有成熟的控制方案。當(dāng)然，對(duì)于適應(yīng)形式多樣的涂布機(jī)控制、特殊要求的復(fù)合工藝等控制技術(shù)和設(shè)備仍有待新的突破。我相信未來(lái)幾年，國(guó)產(chǎn)印刷包裝設(shè)備會(huì)在自動(dòng)化控制技術(shù)上長(zhǎng)足發(fā)展，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍，且在本行業(yè)中會(huì)有更為出色的表現(xiàn)。