轮转胶印机张力控制系统设计

2023-09-19王景良徐海黎朱天成

机械设计与制造工程 2023年8期

王景良 ,徐海黎,朱天成

(1.江苏海事职业技术学院轮机电气与智能工程学院,江苏南京 211199)

(2.南通大学机械工程学院,江苏南通 226019)

(3.南通润川自动化科技有限公司,江苏南通 226019)

随着科学技术的发展,印刷产品越来越精美,对印刷设备提出了更高的要求。印刷机的张力控制直接影响印刷产品的质量和精度,印刷过程中印刷轴运动不同步、印刷速度变化、机械振动、纸卷外圆不规则等因素都会导致张力发生改变,使印刷机械张力控制变得复杂。为提高印刷过程中张力控制精度,现代印刷机多采用以运动控制器为控制核心的张力控制系统,通过独立的伺服电机驱动,使各机组之间更加同步,从而使印刷精度更高[1]。德国、日本等国伺服驱动技术的发展比较突出,处于世界领先水平。我国近年来也加大了对张力控制系统的研究力度,西安理工大学的邵明月等[2]提出了收卷张力系统在速度模式下的非线性PID控制策略,为机组式凹版印刷机张力稳定控制提供了理论依据;北京印刷学院穆明[3]搭建实验平台论证了张力控制系统的数学模型,对我国印刷机械的发展有很大的帮助。但目前国内印刷设备张力控制系统主要采用国外的成套硬件设备,价格昂贵,维修成本较高,对印刷工操作要求高,制约了我国印刷机械的发展。为解决以上问题,本文开发了基于汇川AC810运动控制器的张力控制系统,并成功应用在轮转胶印机上,取得了良好的印刷效果和经济效益。

1 轮转胶印机工作原理

轮转胶印机主要用于印刷书刊、报纸、票据、薄膜印刷品等,其承印材料以卷材形式存在。如图1所示,放卷单元的承印材料被牵引辊1牵引,在中间印刷单元进行印刷,印刷后产品由收卷单元完成收卷。由于各传动辊在印刷过程中存在线速度差,因而产生张力。为保持张力控制的稳定性,将轮转胶印机分为放卷单元、牵引单元(输入牵引、输出牵引)、印刷单元和收卷单元(裁切单元)分别进行控制。收、放卷电机由MD330矢量变频器控制,采用带摆杆的张力闭环速度控制,收卷单元增加锥度控制;输入、输出牵引均由伺服电机驱动,实现中间印刷单元进、出料的牵引,确保稳定的张力;中间印刷单元可进行单面四色印刷和双面两色印刷,各印刷单元的伺服电机与虚主轴采用电子齿轮耦合实现对各印刷轴的同步控制,完成承印材料在印刷单元的恒张力印刷。

图1 轮转胶印机张力控制

2 卷材张力分析

卷材收、放卷过程非常相似,两个系统可以采用一种控制模式。放卷时由输入牵引辊1牵引卷材,放卷辊制动,产生张力;收卷时由收卷辊牵引卷材,从动辊制动。以放卷为例,如图2所示,v1、v2分别为输入牵引辊1和放卷辊的线速度,L为两辊轴中心距离。

图2 卷材放卷示意图

假设卷材在运动过程中与辊轴之间不产生滑动,放卷辊的速度v2小于牵引辊1的速度v1,此时卷材处于绷紧状态,产生牵引张力,若两者速度相差过大,卷材可能会断裂;相反,如果放卷辊速度v2大于牵引辊1速度v1,卷材将会松弛,卷材张力也相应减小。由胡克定律F=Kx可知,卷材受到的张力T可由式(1)计算得到:

(1)

式中:E为卷材的弹性模量,Pa;S为卷材的横截面积,m2;t为卷材从放卷辊到输入牵引辊所需时间,s。

由式(1)可知,卷材张力的调节过程就是两辊线速度差的积分环节,控制卷材的张力实际上就是控制两辊的线速度差[4]。当(v1-v2)恒定时,卷材所受张力为定值。因此,在实际控制过程中,胶印机启动时应控制v1>v2,以使卷材产生张力,当输入牵引辊1和放卷辊之间的摆杆稳定后,再保持卷材以此速度稳定运行。

3 收、放卷控制策略

3.1 放卷控制策略

稳定的放卷控制是实现高品质印刷的前提。为避免放卷不均匀,生产中对线速度变化的响应要迅速。放卷控制是通过矢量变频器控制放卷电机转速,对放卷辊线速度进行控制。放卷单元采用二级张力控制,在放卷单元和输入牵引辊1之间加入摆杆机构,并与角位移传感器配合,用于对一级张力的控制。当放卷张力突然发生变化时,若角位移变化在许可范围内,则摆杆系统通过来回摆动抵消张力变化,以确保放卷过程中卷材的张力恒定。当张力过大,超出摆杆调整范围时,通过闭环反馈控制调节张力。角位移传感器安装在摆杆处可间接测量卷材张力,摆杆在卷材张力作用下产生摆动后带动其上的旋转电位器产生一定角度的改变,将张力变化转化为电信号反馈到控制器,控制器驱动变频器等执行机构,改变放卷辊的转速,对张力进行预补偿。

二级张力控制即在卷材进入第一印刷单元前增加张力,传感器检测卷材张力,与预先设定值进行比较后将反馈信号传给控制器,独立控制输入牵引伺服电机,修正导纸辊与输入牵引辊1的速度差,实现第二闭环系统对张力的补偿,确保卷材运行张力恒定,使卷材以恒张力进入印刷单元印刷。放卷过程二级闭环张力控制原理如图3所示。

图3 闭环张力控制原理

3.2 收卷控制策略

收卷是印刷生产线的最后一道工序,收卷张力的稳定性直接影响收卷质量,与放卷单元保持同步张力控制是关键[5]。在收卷过程中,每收卷一层,随着外部环向应力和卷材半径的增加卷材内部各层张力会下降[6]。即使采用恒张力收卷,也会出现内部残余应力梯度,且随着卷径增加,料卷在恒定张力下产生的由外向内的挤压力不断增加,导致料卷的张力内小外大,料卷褶皱变形甚至挤破,严重影响料卷的质量[7]。在实际控制过程中,为了使料卷内部张力均匀分布,收卷单元需增加锥度张力,使收卷张力随着卷径增加逐渐减小。锥度张力分为直线锥度张力和曲线锥度张力。直线锥度张力采用线性递减方式,虽能实现锥度张力的变化,但张力变化不平缓,收卷时易出现卷芯皱的问题。为了优化对收卷锥度张力的控制,采用一种曲线锥度张力控制方法,其数学模型[8]如式(2)所示:

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

(2)

式中:F为实际输出张力,N;F0为设定的初始张力,N;K为锥度系数(0≤K≤100),%;D0为空心卷径,mm;D为当前卷径,mm。

由式(2)可得收卷锥度张力与收卷卷径的关系为:

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

(3)

图4 F/F0与D/D0关系曲线

由图4可知,锥度系数K值不同,曲线的曲率不同,且K值越小,曲线越趋于平缓,即收卷张力的大小随收卷卷径的变化幅度越小。K=0时,为恒张力控制。因此,可通过设定不同的K值来控制收卷张力的递减程度。在印刷过程中,不同性能的印刷材料对收卷张力的要求不同,要有针对性地选择合适的K值。通常情况下,厚、硬的印刷材料选择的K值小,软性印刷材料选择的K值大[8]。

4 张力控制系统设计

4.1 硬件结构设计

张力控制系统硬件主要由主控制器、输入/输出模块、触摸屏、伺服驱动单元、变频调速单元、检测单元等组成。选用汇川AC810运动控制器作为主控制器,进行逻辑、运动控制和所有数据的集中处理,完成恒张力控制。收卷和放卷均采用单独的交流矢量变频电机,与汇川MD330专用张力矢量变频器构成速度闭环。印刷版辊电机选用汇川ISMG1系列伺服电机,采用汇川EtherCAT通信型IS810N系列伺服驱动器进行控制,并采用电子齿轮同步控制以提高控制精度。检测设备采用张力传感器和超声波传感器,张力传感器对卷材张力进行实时测量,并将检测信号送回控制器,形成张力闭环控制;超声波传感器用来对卷材边缘进行检测,由低速同步电机完成纠偏控制,实现卷材在进入印刷单元之前的位置调节。采用汇川IT6000系列触摸屏完成现场数据的采集、监测、处理和控制,对印刷参数进行设置,对设备运行状态进行监控与处理。

4.2 软件设计

应用InoProShop编程软件,采用ST(结构化文本)编程语言进行模块化程序设计。首先设计出张力控制ST子程序块并进行调试,然后主程序通过调用子程序完成印刷工作流程。AC810主控制器可以循环执行每条程序,并根据传感器信号以及触摸屏输入的参数进行逻辑运算,实现轮转胶印机的恒张力印刷。其控制流程如图5所示。

图5 张力控制程序流程图

5 实验结果与分析

将AC810运动控制器通过以太网接口与PC机连接,对该张力控制系统进行现场在线调试。首先使放卷辊和输入牵引辊1分别匀速运行,放卷辊线速度v2小于输入牵引辊1线速度v1,使卷材产生张力;再以放卷辊线速度作为基准,调节输入牵引辊1的线速度,观察张力摆杆的位置。当张力摆杆位置基本不变时,记录输入牵引辊1的线速度。当设备正常运行放卷辊送料时,抓取放卷辊和输入牵引辊1的速度曲线,尽量保证两个辊的线速度曲线重合,且重合度越高越好。如果所抓取的两个辊的线速度曲线重合度很低,如图6所示,此时会发现张力摆杆摆动幅度很大,上下抖动很严重,说明放卷辊和牵引辊1的线速度不同步,两辊线速度之差不恒定,承印材料张力波动过大,影响印刷效果,需要进行调节。如果所抓取的曲线重合度较高,如图7所示,则说明两辊保持较好的同步性,两辊线速度差恒定,摆杆处于稳定状态。

图6 调试曲线(差)

图7 调试曲线(好)

在放卷控制单元中,采用基于PID的自适应控制策略。当系统稳定运行后,记录卷材线速度、电机转速,并与初始值比较,当数值不一致时,根据偏差对变频器等执行机构进行相应调节,实现张力的自适应调节。放卷电机第一次启动时,应考虑使用小积分参数,以防系统第一次运行时摆杆过冲。

为了验证收卷单元的张力控制精度,以卷筒纸作为承印对象,轮转胶印机以60 m/min的速度稳定运行,利用张力传感器采集收卷过程中的张力值F,通过AC810控制器内部运算单元读取实时卷径D,连续采样20组张力数据。工作开始之前,在触摸屏上设定初始张力值为250 N,锥度系数设为30%,根据式(2)得到理论张力值。绘制理论张力和实际张力的变化曲线,如图8所示。