高速凹版印刷机张力控制系统方案

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一、项目概述

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    随着国内软包装材料的不断发展,其包装的产品品种、质量和数量日益增加,对印刷机械的印刷速度和印刷精度要求也越来越高，凹版印刷机因其适用材料面广（BOPP、PET、PVC、PE、铝箔和卷筒纸等）、运行速度高（最高可达到400m/min）在市场上具有广泛的前景。

    机组式凹版印刷机（以下简称凹印机）是印刷机家族的重要成员，他以精美的印刷质量在软包装领域中占有重要的地位，凹印机一般由放卷、放卷牵引、印刷、收卷牵引及收卷等部分组成,为了保证良好的印刷效果,需要对料膜的四段张力进行精密、稳定的控制,然而传统的张力控制方式制约着高速凹印机的发展,随着交流调速技术的日益完善,用交流电机进行张力控制已成为现实,并为国外大多高速凹印机所应用。

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    为了降低成本，提升产品档次，提高产品竞争力，根据印刷机械对控制系统的运算速度和稳定性要求较高的特点，我司联合日本技术人员, 成功开发了AP系列张力控制系统。以日本三菱PLC或德国SIEMENS PLC为核心技术的全自动控制系统，适用于各种印刷包装机械系统。

    AP-T13C型张力控制系统是针对国内凹印机的发展现状而开发的一种高度、高可靠性的控制系统,它由七台交流矢量电机分别驱动双工位放卷轴、 放卷牵引辊、主电机、收卷牵引辊、及双工位收卷轴进行张力控制，用摆辊进行张力检测， PLC进行中央控制，触摸屏操作并可同时完成自动卷径检测、自动卷径运算、卷径报警、收放卷全自动裁切、锥度控制、计长、收放卷正反向切换、收放卷停机张力保持、故障检测与故障诊断信息技术、凹印机管理技术、远距离技术支持等功能。

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二、系统要求

（1）要保证在各段材料张力恒定、速度同步、响应快；

（2）起停要平稳无冲击，材料不得起皱；

（3）接料时两收卷的表面线速度相等实现快速换卷；

（4）每段张力恒定，摆杠摆动幅度小；

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（5）加减速和运行要平稳，无速度突变；

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（6）低频转矩特性好，速度精度高；

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（7）收放卷换料方便，无张力突变而影响套色；

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（8）要有必要的保护并且操作方便；

（9）主机启动自动运算直径与材料厚度。

三、七电机张力系统基本组成及特点-放卷张力控制

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    系统由双工位放卷、放卷牵引、收卷牵引、双工位收卷张力控制及主电机控制等五部分组成。下面针对这五部分的各自特点分别进行阐述：

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    1放卷张力控制

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     该部分包含张力检测单元、张力运算单元、伺服执行机构、自动卷径检测单元、预驱动控制及自动裁切控制等。

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        （1）张力控制系统中所用的张力检测单元为气压浮动辊式张力检测装置,通过对连接在检测辊浮动摆臂上的气缸气压的调节来检测料膜张力。当气缸气压设定后，摆臂上的气缸推力即为定值，该控制模式的原理是通过材料线速度与实际卷径计算一个匹配频率设定值f1，再通过张力（位置）反馈信号进行PID运算产生一个频率调整值f2，最终频率输出为f=f1+f2。f1可以基本使收（放）卷辊的线速度与材料线速度基本匹配，然后f2部分只需稍微调整即可满足控制需求，很好地解决了闭环控制中响应快速性和控制稳定性地矛盾。处于平衡态的该系统，当发生较强干扰时，如系统瞬间来不及反应，则料膜上的张力波动可暂时由浮动辊吸收。因此浮动辊检测是一种较为优越的检测方式。

（2）我们采用日本三菱PLC或德国SIEMENS PLC作为张力运算系统的核心，它具有模块化、高速、高精度、抗干扰能力强等特点，非常有利于进行张力这样复杂、高精度的运算。在该系统的数学模型中，由于采用了特别的算法，在理论上已将升降速及卷径变化引起的张力波动进行了补偿，因此无论是在升降速还是在大小卷径的运行过程中张力都非常稳定，即使在换卷时，张力过渡也非常平稳。因此该系统已将张力波引起的套色损失减少到低程度。

    （3）自动卷径运算单元是将每次新上料卷的直径通过卷径自动检测装置进行自动检测，然后送入PLC进行运算的硬件及软件的总称。该单元采用双段折线进行卷径模拟运算，克服了进口设备采用单段直线进行卷径模拟偏差较大的缺点，使得预驱动的速度误差更小，进一步减小了自动裁切时的张力扰动。自动卷径运算单元还设置了最小卷径限制功能，当新上料卷直径小于某一个限制值时，PLC将限制自动裁切动作的继续执行，有利于保护机械结构不被损坏。

    （4）预驱动控制及自动裁切控制是实现新旧料卷进行平稳切换的关键，该部分动作控制全部由PLC程序自动完成，用户只需操作两个按钮，便可自动完成料架运行、料架定位、裁切大臂抬起、预驱动、裁切胶辊下压、胶带位置检测、裁切、大臂收回、张力切换等一系列动作。

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三、七电机张力系统基本组成及特点-牵引张力控制

1牵引张力控制

    牵引张力控制由两部分组成，分别是放卷牵引张力控制和收卷牵引张力控制，两部分原理及结构类似。该部分包含张力检测单元、张力运算单元及伺服执行机构

   （1）张力检测单元采用气压浮动辊式张力检测装置

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   （2）伺服执行机构由日本安川矢量变频器和ABB矢量变频专用电机组成。

   （3）在整个四段张力控制中，牵引张力的控制成为重要，牵引张力控制的好坏直接关系到套印是否稳定。因此，该系统在处理牵引张力信号时采取了一系列重要措施，使得牵引张力在整个印刷过程中（包含升降速及裁切过程）都非常稳定，气压浮动辊几乎用肉眼观察不到摆动。

   （4）张力运算单元采用日本三菱PLC或德国SIEMENS PLC作为运算系统的核心。

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2收卷张力控制

       该部分包含张力检测单元、张力运算单元、伺服执行机构、预驱动控制及自动裁切控制等。

  （1） 张力检测单元采用气压浮动辊式张力检测装置

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  （2）伺服执行机构由两台日本安川矢量变频器和两台ABB矢量变频专用电机组成。

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  （3）张力运算单元采用日本三菱PLC或德国SIEMENS PLC作为运算系统的核心，PLC技术参数同放卷张力运算单元。

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  （4）收放卷张力运算单元原理基本相同，同样已将升降速及卷径变化引起的张力波动进行了补偿，因此无论是在升降速还是在大小卷径的运行过程中张力都非常稳定，即使在换卷时，张力过渡也非常平稳。

（5）收卷张力中包含有非线性锥度张力控制，很好的锥度张力控制可以使收卷获得满意的效果，有效的克服菊芯、抽芯等现象。

（6）预驱动控制及自动裁切控制是实现新旧料卷进行平稳切换的关键，该部分动作控制全部由PLC程序自动完成，用户只需操作两个按钮，便可自动完成料架运行、料架定位、裁切大臂抬起、预驱动、裁切胶辊下压、裁切、大臂收回、张力切换等一系列动作。

4主电机控制

     主电机控制在整个张力系统中占有重要的地位，整个系统的线速度都与主电机所驱动的版辊进行同步，主电机速度的稳定性直接影响套印质量。

    （1）本系统中主电机控制由日本安川矢量变频器和ABB矢量变频专用电机组成，采用带编码器（PG）的闭环矢量控制，具有优越的电气性能。

    （2）本系统中主电机的启动、点动、空运转、升降速、停止、急停等一系列控制均采用多点操作，极大的方便了用户使用。