印刷機張力控制系統探討

孫林

（西安航天華陽機電裝備有限公司，陜西 西安 710100）

作為文字、圖像的傳播中樞，印刷機的發展歷程映襯著學術文明的進展。在印刷業的“最后一公里”（卷繞環節），卷繞力度太大容易導致材料外形扭曲，而卷繞力度太小則會導致材料過于松散、疏離，因而合理控制卷繞力度決定著印刷成品的品質。張力控制就是控制電機的輸出，而張力控制系統是集張力控制器與張力傳感器于一身的控制系統，廣泛應用于印刷、紡織與冶金等行業領域，可產生恒定且持續的張力，實現均勻收、放卷以及輥間的同步。在印刷作業過程中，印刷工藝既要保證材料外形如初，又要保證材料的緊湊度，這就啟發我們將張力控制系統考慮到印刷機當中，從而控制并保證恒定的材料張力。印刷行業向高效益趨近的同時也對張力控制系統提出了空前的高標準性能要求。張力控制系統結構復雜，其分類原則也不盡相同。以環路為分類指標，張力控制系統可分為自由環、閉環以及開環控制系統；以監測形式為分類標準，張力控制系統又可以分為跟蹤臂式、浮輥式以及超聲波式張力控制系統。

1 卷筒紙印刷機基本結構

顧名思義，卷筒紙印刷機就是以卷筒紙為原材料的印刷機械裝置。雖然不同型號卷紙印刷機結構迥然相異，但其大體組成結構基本相仿。卷筒紙印刷機大體上是由開卷、收卷、張力檢測系統、張力控制系統以及印刷單元所構成的。后續將對張力控制系統作詳細闡述。印刷機結構如圖1。

圖1 卷筒紙印刷機結構圖解

2 印刷機中張力控制系統的重要作用

放料部、放料牽引部、主機、收料牽引部以及收料部是張力控制系統的主要組成部分。其中，主機作為張力控制系統的核心變頻器，在整個系統裝置中充當著速度參考機械的地位。其他四部分依據主機速度以及自身PID 補償操縱量來達到同步速度，見圖2。

圖2 張力控制系統基本結構

卷筒紙印刷機在進行印刷作業時，紙帶的緊繃程度與印刷狀態緊密相連。印刷機飛速運作時，每小時可達到3～8w轉，要在如此高速運轉的狀態下，完成印刷作業絕非易事，這就需要印刷機械裝置與紙帶運轉速度不能有一絲的差別，否則，細微波動也會使印刷效果大打折扣。紙帶力度太大容易導致材料外形扭曲、撕裂、變形，但力度太小也會導致材料過于松散、漂移、疏離，因此，在卷筒式印刷機作業過程中，紙帶張力力度的操作控制效果要求恒常不變且大小得當，以保證印刷機高效益生產。若要控制紙帶張力力度大小恒常不變，就需要探究紙帶張力的影響因素。通過查閱資料及實踐操作，可知紙帶張力受各方面因素影響較多，現總結歸納出以下幾點：（1）工作環境（空氣中溫度、濕度、風力等影響因素）。（2）紙帶厚度。（3）工作裝置狀態（馬達不穩等）。（4）紙帶與印刷機機械裝置接觸面的光滑度。由此可知，在實際作業中，由于不可控、不確定因素的雜亂無章，我們必須加入紙帶制動器，以便隨時調整紙帶張力，使印刷機械裝置可以平穩接收紙帶。

3 紙帶張力的控制方法

通過前兩章的分析，我們已經充分認識到控制紙帶張力對印刷流程的重要作用。在現代技術的支撐下，紙帶張力主要采用以下幾種方式進行張力控制：電磁式張力控制方式、氣動式張力控制方式、變頻電機控制方式以及電子式張力控制方式等。而在幾種方式中，變頻電機控制方式的應用效果獨樹一幟。變頻電機張力控制在實際中應用廣泛主要有以下原因：（1）可設置并控制張力大小，張力控制操作人性化并且簡便，成本低廉。（2）張力控制算法較為先進。（3）實時計算卷徑，收、放卷電機轉矩有著極好的平滑性能。（4）應變能力強，可以實現對突發狀況的自我調節。

以下，我們將對變頻電機控制原理以及控制方法作詳細闡述。

3.1 控制原理

在印刷作業中，紙帶需要在制動裝置與驅動裝置的相互配合下才能按預定穩定運行。一般情況下，在紙卷的軸心位置施以制動力，在紙帶位置施以制動約束力。對張力的變頻電機控制實質上是對閉環矢量的控制。在收、放卷過程中，其紙卷卷徑在時刻發生變化，這就需要補償轉矩，對電機的轉矩實時變化能力提出了較高要求，在極大程度上保證了收、放卷過程中的穩定運行。

3.2 控制方法

根據控制原理的分析結果，我們可知要保證紙帶張力的恒定，就要及時對轉矩進行合適的補償。在激活瞬間，需要實現對靜摩擦轉矩的控制，靜摩擦轉矩大小的判斷依據電機轉矩大小以及一定的百分比；在運行過程中，需要實現對不同運動速度下的滑動摩擦轉矩的控制，滑動摩擦轉矩大小的判斷依據電機額定轉矩以及運行速率。轉矩控制因素不僅與運行狀態相關，也與車速、負載密不可分。在加速過程中，系統要求增加加速轉矩；在減速過程中，系統要求減少減速轉矩。因此，紙帶張力的控制過程就是控制電機變頻的過程，而電機變頻又依賴轉矩大小。總而言之，電機轉矩是靜摩擦轉矩、滑動摩擦轉矩與負載轉矩相互作用的綜合結果。

4 影響控制系統精度因素分析

只有明晰張力控制系統裝置影響因素，才能更精準地對系統張力實現有效控制?；趯I資料與實際操作經驗可知，紙帶質量、空氣溫度、空氣濕度與裝置控制規律等都會對控制系統的精度造成污染。其中，作為可控因素，裝置控制規律主導著控制系統的反應速度、起調量、誤差精度以及系統穩定特性，因而其在精度影響因素方面占有無可比擬的地位。由于檢測裝置的中樞地位，若要滿足較高標準的印刷成品，則要在單閉環控制的基礎上選擇精密的檢測裝置，并擇取相應的控制規律。若紙帶張力控制仍未滿足張力控制標準，則要在第一套張力控制系統的基礎上再建立一套張力控制系統，即二次張力穩定器。

5 結語

張力控制系統裝置對于控制印刷成品向著高品質、高效能軌道穩步發展意義非凡，因而日漸成為眾多開發者的關注要點。張力控制系統結構復雜，精度影響因素眾多，開發之路漫長。隨著張力控制系統的日益改進，相信其定會在印刷業發揮出巨大作用。