凹印机张力控制系统的配置与应用

凹印机张力控制系统的配置与应用
（作者：刘飞，单位：佛山市飞友自动化技术有限公司）
凹版印刷是最常见图文印刷方法之一，它不但印刷速度快，版筒耐印率高，特别适合大批量印刷，而且印刷品墨色厚实、层次丰富、立体感强，可获得浓淡有致、色彩鲜丽的图文信息变化。

其产品品类十分广泛：有用纸张印刷的书刊、报、杂志等出版物以及钞票、证卷、邮票等；有用厚卡纸印刷的纸器、包装盒；有用塑料薄膜印刷的食品、医药等软包装袋及墙壁贴纸等等。

因此，它在图文出版和包装印刷领域内一直占据着非常重要的地位。

目前，计算机技术和光纤传感及其他现代科学技术在凹印机上已得到广泛应用，使凹印机的智能化自动控制更加完善，印刷速度和印刷精度愈来愈高，简易凹印机印刷速度一般为20~50m/min，套准精度±0.4~0.5mm，中、高档电脑套色凹印机印刷速度已达250~300m/min，套准精度为±0.1mm。

随着知识经济时代的到来，新技术的突飞猛进和产业化，必将对我国印刷工业和设备器材工业带来革命性的变革。

一、张力控制的重要意义和作用
凹印机的张力控制可以说是整机的核心。

只要张力控制稳定，张力变化小，凹印机的套准精度和废品率就很容易控制。

张力的波动和变化对套准精度影响很大，尤其是设备的印刷速度越高，张力控制就显得越重要。

因此，要想确保凹印机生产的印刷品品质、效率及可靠性，必须配备功能完善的张力控制系统。

在印刷过程中使凹印机张力产生波动和变化的因素比较复杂，如果不及时准确地进行有效控制，诸因素的综合影响将形成整机各部位的张力出现一种无规律的变化模式。

现将其主要影响因素简扼分析如下：
1．料卷在收、放卷过程中，收卷和放卷的直径是不断变化的，直径的变化必然会引起料带张力的变化。

放卷在制动力矩不变的情况下，直径减小，张力将随之增大；而收卷则相反，如果收卷力矩不变时，随着直径增大，张力将减小。

而且料卷越重，速度变化越快，料带张力的变化也就越大。

这是凹印机的固有特性所决定的。

也是引起料带张力变化的主要因素之一。

2．凹印机各主要构件的制造精度和装配精度产生超差，往往也是引起张力波动的重要因素。

如底座组装的平面度和直线度，墙板与底座的垂直度以及各版辊的水平度和它们相互之间的平行度等等。

各版辊与众多的导向辊不但严格要求相互之间平行，在其转动时它们的园跳动量偏差和质量动、静平衡偏差也应保证在规定值的范围内。

否则它们各自每转动一周，料带上的张力就会随之发生相应微小变化，最终综合反映到整机上，将导致张力产生无规律变化。

另外，凹印机的主传动系统应做到无间隙、精密传动，确保各印刷单元同步运转。

如果印刷过程中引起传动同步误差，也势必使各单元的张力产生变化。

因此，可以说归根到底机器本身的精度标准是张力实施有效控制的基本保证。

精度等级较高，质量优良、张力控制很容易稳定；反之，精度等级太差，粗制滥造，既使配备最先进的张力控制系统，恐怕也会事与愿违，难于获得令人满意的张力稳定效果。

3．凹印机在不停机自动裁接工序过程中，接料和断料都会使整机原已稳定的张力产生突然的干扰变化。

机器运行速度愈高，扰动就愈大。

设备配置的张力
控制系统应能够迅速地根据料带张力扰动情况自动地随机进行调整，使张力及时地恢复到原来的稳定状态。

4．料带内在材质的不均匀性（如弹性模量的波动，厚度沿长、宽方向变化，料卷质量偏心等）以及生产环境的温度、湿度变化，都会对整机的张力波动带来微妙的影响。

二、张力控制系统的分类原则
近几年来，国产的全自动电脑套色凹印机发展十分迅速，高精度、可重复的张力控制技术已得到广泛的应用。

虽然凹印机所配备的张力控制系统各有所长，型式多样，但归纳起来，基本上可按如下原则进行分类：
(一）张力控制系统分类
1．按张力控制器类型分：
1）手动张力控制器
2）半自动张力控制器（开环式）
3）全自动张力控制器（闭环式）
2．按张力检测方式分：
1）张力传感器检测装置
2）浮辊式张力检测装置
3）浮辊/反馈复合式张力检测装置
3．按系统配置型式分：
1）二段闭环式张力控制（一级张力控制）
2）三段闭环式张力控制
3）四段闭环式张力控制（二级张力控制）
三、张力控制器和张力检测装置
目前，国内市场上可供选择的张力控制器基本上分手动控制、半自动控制及全自动控制三大类。

手动张力控制器是一种比较简易的张力控制器，往往使用在低速凹印机上。

它是根据放卷或收卷卷径的变化，由操作者分阶段调整制动器或离合器的激磁电流，从而获得一致的张力。

半自动张力控制器又称开环式张力控制器。

它是靠安装在收卷或放卷轴上的门信号发生器发出的信号，计算出料卷的直径、相应卷径的变化输出控制信号，从而调整料带的张力。

全自动张力控制器是由张力传感器（即张力检测器）直接测定料带的实际张力值，然后把张力数据变成张力信号传回张力控制器，此信号与控制器预先设定的张力值相比较，计算出控制信号，从而自动调整离合器或制动器的激磁电流来控制料带上的张力，使实际张力值与预设张力值相等。

它具有高精度、高重复性的特点，是一种较为先进的张力控制器。

所以，国产的6色以上电脑套色凹印机大多选用此种张力控制器。

如日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI）的LE-40MTA（B）全自动张力控制器，美国蒙特福（MONTALVO）公司的X-3000、S-3000全自动张力控制器以及欧洲瑞士的MCS-2000CTDA全自动张力控制等等。

张力检测装置基本上有三种：一是用张力传感器（即张力检测器）对张力进行检测，通常两个张力传感器配对使用，将它们装在检测辊的两端（如图1A 所示），料带通过检测辊施加负载，使张力传感器敏感元件产生位移或变形，
从而检测出实际张力值，并将此实际张力信号送到全自动张力控制器，最终实现张力闭环控制。

目前，张力传感器有板簧式微位移张力检测器（日本三菱LX-TD 型），应变电阻片张力检测器（美国蒙特福T系列）和压磁式张力检测器（中国ABB枕式系列）等等。

其优点是检测范围宽，响应速度快、线性好。

二是采用浮辊式张力检测装置（如图1B所示），当张力稳定时，料带上的张力与气缸作用力保持平衡，使浮辊处在中央位置。

当张力发生变化时，张力与气缸作用力的平衡被破坏，浮辊位置会上升或者下降，此时摆杆将绕M点转动并带动浮辊电位器一起旋转。

这样，浮辊电位器准确地检测出浮辊位置的变化，它将此位置信号反馈给张力控制器，控制器经过计算并输出控制信号，控制磁粉制动器或离合器，以调节浮辊位置，使其始终处于中央位置。

图1 张力检测方式示意图
浮辊控制的特点是：它具有良好的惯性补偿作用，可以吸收或缓冲张力跳变对系统的影响，同时也能减弱由于导辊的园跳动偏差、速度变化或其他影响张力稳定输出的因素而造成的张力不稳。

三是采用浮辊/反馈复合式张力检测装置，它可同时检测由浮辊电位器输出的浮辊位置信号和由张力检测器输出的张力信号，从而可向系统提供更高精度的张力控制。

其特点是：它不但具有浮辊控制对大范围张力跳变的吸收或缓冲功能，而且还具有张力检测器闭环控制高精度、高重复性的特点。

例如美国蒙特福公司的 X/D-3000型浮辊/反馈复合式张力控制装置就属于该种类型。

四、张力控制系统的配置型式
凹印机张力控制系统的配置型式大致有三种。

第一种是二段闭环式张力控制系统，它由放卷部张力控制和收卷部张力控制两部分组成（如图2所示），其基本元件主要包括全自动张力控制器、张力检测器、磁粉制动器、磁粉离合器及交流电机等。

在放卷部，张力控制器和张力检测器安装在进料立架上。

由于料带进入印刷装置的拉力系由印刷版辊产生，因而在放卷装料轴上设置了制动器。

如果张力一旦发生变化，张力检测器就会把张力信号送给控制器，从而自动调整制动器的激磁电流来控制料带的张力。

这样，就保证了进料料带的张力恒定，且大小适当。

在收卷部，收卷装料轴上安装了磁粉离合器和交流电机，全自动张力控制器和张力检测器均设置在出料立架上。

交流电机在卷取过程中，如果张力产生波动，张力检测器把检测到张力数据变成张力信号传回控制器，控制磁粉离合器的激磁电流，改变离合器的转差转矩，使出料料带上的张力保持稳定。

该种型形式往往又称为放卷或收卷一级张力控
制，可以说它是凹印机张力控制的一种基本型式。

它已不能适应7色以上的中、高档电脑套色凹印机所提出的高精度和可重复的张力控制要求
图2 二段闭环式张力控制系统图
第二种是三段闭环式张力控制系统，它就是以上述基本型式为基础，在放卷张力控制之后，再增加一级进料张力控制，或者在收卷张力控制之前，另配置一级出料张力控制。

不过新增的该段张力控制必须设置主动牵引辊和磁粉离合器。

换句话说，所谓三段闭环式张力控制实质上就是放卷为二级张力控制、收卷为一级张力控制。

反之，放卷为一级张力控制，收卷则为二级张力控制。

该种配置型式进一步提高了设备的张力控制精度和可靠性，并能有效地减弱其他各种偶然因素给张力带来的不利影响。

第三种是四段闭环式张力控制系统，不言而喻，它是在上述基本型式的基础上，将进料张力控制和出料张力控制同时配置到系统中，使放卷和收卷均为二级张力控制。

例如：放卷张力采用日本三菱LE-40MTA-E全自动恒张力放料；进料张力采用浮辊式交流伺服牵引自动恒张力控制；出料张力采用主传动轴输入牵引，日本三菱LE-40MTA-E全自动恒张力控制；收卷采用直流电机卷取，日本三菱LE-40MTA-E全自动恒张力控制。

目前，四段闭环式张力控制已被国产高档凹印机广泛采用，它不但控制精度高、稳定性好，而且也是功能最完善的一种恒张力控制系统。

另外，在我国制造和销售的中、高档印刷机张力控制系统中，由于更高的印刷速度及生产工艺对张力控制提出了更高的要求，使得磁粉离合器已不能胜任该类系统的执行单元。

因此在现代凹印机、高速分切机、高速涂布复合机中已被交、直流伺服电机执行单元所取代，实现了更加先进的张力伺服控制。

总之，用户在使用过程中，应根据凹印机的使用要求及用途配置相应的张力控制系统，使印品质量达到客户的要求。

以上各项因素对卷筒印刷基材张力的影响有些是有规律的，如收放卷直径的变化，加减速时的变化；有些是无规律的，如卷料特性不一致，各色组印刷状态不一致。

至于机器精度变化引起的张力波动，在机器崭新的时候很难预测。

因此，机组式无齿轮柔性版印刷机的张力系统在计算机控制上一般采用P.I.D模糊算
法，这是因为以上各项因素的影响体现在每一台机器上，体现在每一件产品的印制过程，其表现的数值是不可能完全一样的，系统只能是大致的、概括的。

若各项变量在计算机的精确控制之内，系统是稳定的，若其中的某一项或某几项超出了控制范围，那么系统就可能不稳定，建立在该系统上的套印伺服控制也就会承担相应的风险。

判断系统张力是否稳定，我们常用印刷时能否套准来裁定，即观察伺服套准机构能否跟得上。

殊不知，我们所观察到的套印不准包含了两个因素，既有可能是张力稳定性方面的问题，也有可能是伺服套准机构的问题。

用一个标准来衡量两个问题，系统的稳定性和快速性就存在很大的风险。

伺服套准是建立在稳定的张力控制系统之上的，若系统稳定，伺服套准系统的作用是锦上添花，损耗大幅度减少；若系统不稳定，伺服套准系统就要不断地校准，而动态校准的特点是矫枉过正，即从反方向调节，这样便会形成震荡，即使是减幅震荡，所造成的损失却是客观存在的。

28.卫星式柔性版印刷机的伺服驱动同机组式柔性版印刷机的伺服驱动有
什么区别？
彻底废除了机械长轴和齿轮传动的卫星式无齿轮柔性版印刷机，同机组式无齿轮柔性版印刷机在伺服驱动方面最大的区别在于印刷单元的张力控制。

比较卫星式柔性版印刷机同机组式柔性版印刷机印刷单元的张力控制系统，我们可以很清楚地看到两者伺服控制系统在稳定性方面的区别。

我们时常听到机组式无齿轮柔性版印刷机用户抱怨系统不稳定，原材料损耗大，有时甚至比不使用伺服套准损耗还大，从而对整个伺服控制技术持怀疑态度。

笔者认为，机组式无齿轮柔性版印刷机伺服系统曾经遭遇的尴尬，对卫星式无齿轮柔性版印刷机而言是不存在的，因为它的张力系统不同，它的伺服系统服务的目标也不同。

对于机组式无齿轮柔性版印刷机的伺服驱动系统，笔者主张应在保证张力系统稳定的前提下，对有可能造成张力不稳定的各项因素加以定量限制。

比如：不使用不符合质量要求的原材料；对于印刷过程中可能会发生变化的原材料，应该在工艺上用其他解决办法来加以限制，如薄膜受热后会变形，应降低烘干热量，纸张吸水、受热也会变形，安排色序时要将受水量大的几个色版放在相邻色组，不宜间隔太长。

至于机器本身的机械误差，笔者主张应相应地进行解决而不要把问题统统推到伺服驱动系统上,希望让伺服驱动系统来个一揽子解决，结果往往是适得其反。

23.为什么无齿轮传动系统往往采用交流伺服电机？它有什么优点？
伺服电机又称为执行电动机，在自动控制系统中用做执行元件，作用是把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

伺服电机有直流和交流两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

伺服电机内部的转子采用的是永磁铁，驱动器控制的U、V、W三相电形成电磁场，转子在此磁场作用下转动；同时电机自带的编码器反馈信号传送给驱动器，驱动器将反馈值与目标值进行比较，根据比较结果调整转子转动的角度。

伺服电机的精度决定于编码器的精度。

交流伺服电机受正弦波控制，转矩脉动小，它的主要优点表现在以下几方面。

（1）无电刷和换向器，工作可靠，对维护和保养的要求低。

（2）定子绕组散热比较方便。

（3）惯量小，易于提高系统的快速反应能力。

（4）适用于高速大力矩状态。

（5）同功率下有较小的体积和重量。

24.伺服驱动的基本概念是什么？
伺服驱动是以采用计算机控制技术的电子齿轮和电子凸轮代替笨重的机械齿轮，电子齿轮起传动作用，电子凸轮起调节作用。

根据主轴与从动轴之间的位置对应关系，计算机列出算法y1(x)=a1+b1，最高至6次函数，6阶的多项式仿型曲线。

在传统的柔性版印刷机传动模式中，通常都配置一个大型电机，加上皮带轮和皮带、动力轴、变速箱、印版滚筒齿轮、压印滚筒齿轮、网纹辊齿轮。

在卫星式柔性版印刷机上，压印滚筒齿轮的直径要达2～3m，由于动力轴和齿隙的扭转状态不稳，往往会影响到套准精度，特别是在加、减速的不稳定状态下，更会使套准精度受到影响。

动力轴越长，齿轮数越多，误差也就越大。

更为不利的是，随着齿轮和其他机械部件在正常作业情况下开始逐渐磨损，误差会越来越大，套准精度随之下降，直至将这种误差显现在印刷品上。

电子齿轮和电子凸轮正是针对这种不足展开攻势。

电子齿轮的特点是高精度，高速，无冲击切换，可保证速度与加速度平稳过渡的二阶补偿。

用于代替传统的机械齿轮，电子齿轮可称为真正的无缝隙机械。

伺服电机作为电子齿轮和电子凸轮的执行机构，它的传动精度由编码器保证。

最先进的编码器分辨力在每秒400万脉冲以上，极大地提高了套印精度和印刷质量。

伺服和矢量传动系统精度极高，可进行非常准确的位置控制、比例控制与速度控制。

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印刷秘籍推荐
目前烟包印刷存在的一个突出矛盾是：一方面，由于市场的压力，厂家为了提高
产品的市场竞争力，增强品牌的知名度，不可避免地趋向采用更多特殊工艺来增强烟包
的表面整饰效果和防伪力度；另一方面，由于国家烟草专卖局的政策和企业间竞争的需求，
又要求严格控制烟包成本。

反映在实际生产中就是：大批量、低成本、高速稳定生产的要求，跟实际生产中为达到特殊效果而采用高档材料及工艺复杂化导致废品率上升、成本过高之间的矛盾。

那么，这个矛盾真的不可调和吗？矛盾恰是技术创新的契机，新技术的产生往往来自解决实际生产中矛盾的需求。

欧米特公司经过市场调查，提出了一些新的设备方案，在此与烟包印刷行业同仁共同探讨。

凹印机是目前国内烟包市场普遍使用的印刷设备，其优点是印品色彩鲜艳、饱和度高、墨层厚实，在金属油墨印刷方面，也优于其他印刷方式。

同时，凹印设备运转稳定，油墨便宜，成本也较低。

不过凹印机在烟包印刷上也有明显的不足之处，就是工艺非常单一，无法实现多工艺组合，满足不了实现特殊效果的要求。

柔性版印刷是目前正在兴起的一种印刷方式，以环保、工艺灵活为特色，有很大的发展空间。

欧米特公司通过柔凹复合生产线的解决方案，使凹印具有了新的发展空间，同时又为柔性版印刷注入新的技术特性。

在欧米特无轴无齿轮传动Varyflex机型上，把凹印和技术灵活性最大的柔性版印刷以模块化平台的方式结合起来，利用凹印在烟包印刷上的固有优势，同时又结合柔性版印刷的多功能组合优势，这样的复合生产线既可以保证大批量烟包的稳定生产，同时又满足多工艺、特殊效果的要求。

有两种配置方案，一是以凹印为主的柔凹复合生产线，在生产线上配置5～7个凹印机组，这些凹印机组可以分为固定机组和可与柔性版印刷单元互换的插入式机组；利用导轨系统，使烘干系统可以移动，根据印品的具体要求，置于机组的前端或中间，形成连续的5～7色凹印印刷段（见图1）。

另一种方案是以柔性版印刷为主、凹印为辅的柔凹复合生产线，根据印品的要求，凹印可用于烟包打底（凹印组置于前端）或金银墨印刷（凹印组置于尾端），并可将凹印机组灵活地互换位置。

柔凹复合生产线在兼容凹印优势的同时，突破了原有凹印机在工艺上的限制，可以将欧米特公司开发的更多联机工艺结合起来，这些联机工艺可以在烟包印刷上实现更多的工艺效果，并且可以进一步降低成本，更符合环保要求。

(1）采用新技术，取消PVC膜，达到环保要求。

使用欧米特联机转移技术，联机转移镭射膜，复合干燥后剥离底膜，此技术有利于降低承印材料的成本，同时更具环保意义。

在镭射层局部转移的基础上还可以进行定位转移和印刷，部分替代烫印技术，复合/转移和印刷的套印精度相同，为烟包的防伪设计带来更宽的思路和空间。

(2）采用新技术降低生产成本。

烟包印刷中由镭射膜版缝原因造成的废品通常为总
材料的17%～36%，由此产生巨大的材料浪费和成本上升。

欧米特公司开发了基于镭射膜
定长拉伸的避版缝技术，在镭射膜放卷部分加装版距检测装置，通过定长拉伸把镭射膜版
距的误差控制在一定范围内，印刷机组实时调整印版滚筒的相位，避免版距误差产生累积，使印版上的版缝和镭射膜上的版缝始终叠合在一起。

在欧米特公司新的柔凹复合生产线上还可根据不同用户的需求，结合凹印的印刷
特点，同时使用柔性版印刷工艺中的所有特殊功能，如全息定位烫印、冷烫印（多条）、全息冷膜压、网印等。

[关键词]：印刷设备，柔凹复合，柔印生产线
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随着柔印红三环水松纸的大批量生产，普通柔印印刷型的水松纸的工艺日趋成熟，公司开始向更高层次的烫金型水松纸进发。

在现有设备的前提下，柔印连线冷烫金水松纸的工艺摆在我们面前，在公司领导的指导和大力支持下，经过多次打样，终于完成了初试、中试，现在已小批量生产，这凝聚着安泰无数人的心血。

冷烫工艺简介
冷烫金是利用UV 转移胶将烫金膜转移到基材上的一种印刷，实际过程是利用一纽带UV 干燥装置的印刷单元作为胶水涂布单元，当承印物经过这一单元时，在需要上胶的部位都涂上一层转移胶，经过烫金膜压，烫金膜就转移到涂胶的部位，再经过固化处理，最后进行剥离。

它的主要材料是冷烫膜和转移胶水，从冷烫膜的结构来讲，跟热烫箔的层数是一样的，但其黏胶层要求在高速、低压的情况下，和固化胶保持良好的黏性；保护层要求有更好的光泽度、高清晰度和易于剥离；剥离层要有很好的剥离性。

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蓝一品水松纸柔印连线冷烫金工艺的难点
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