一种用于印刷机的压力自动气动控制系统

张世强，李海彬

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

气动技术是指气压传动的技术，是以压缩空气为工作介质传递动力和控制信号的系统。气动元件具有可靠性和使用寿命长的特点，气动控制系统具有节能和低功耗且可以与控制系统直接相连；气体介质无油、无味、无菌，能够防火、防爆、防电磁干扰、没有环境污染。由于气动系统具有以上优点，在印刷领域中各种印刷机也越来越多地使用气动控制技术。

印刷头是印刷机的关键部件，其作用是通过精密的印刷压力控制将浆料压入丝网中。印刷压力是指油墨转移过程中压印体在压印面上所承受的压力，即沿压印面的法向，指向压印面的力。印刷压力是印刷机设计和油墨向承印物表面转移的基础，它不仅是实现印刷过程的根本保证，而且在很大程度上决定着印刷的质量。丝网印刷中，合适而均匀的印刷压力是获得高质量丝网印刷品的重要保证。印刷压力过小，丝网就接触不到承印物而无法实施印刷，导致印刷图形不完整，油墨厚度不均匀等现象；印刷压力过大时，会导致丝网变形过大，印刷图形模糊，丝网和刮墨刀磨损严重等印刷故障。如果印刷压力不均匀，则导致印刷厚度不一致。因此，印刷压力控制对印刷质量起到重要作用。

1 印刷压力控制气路构成及原理

本印刷机的印刷压力气路中包含印刷部分和涂墨部分。刮板压力控制气路如图1所示，是由气源1、过滤减压阀2、电气比例阀3、精密减压阀4、气控电磁阀6和7、刮板气缸10等组成；涂墨压力控制气路由气源1、过滤减压阀2、电气比例阀5、精密减压阀3、气控电磁阀8和9、涂墨气缸11等组成。两部分都由气源出来的气体经电磁阀控制接入气缸的两端实现对气缸的控制，带动相应气缸往复运动实现印刷及涂墨部件上下运动和压力调整功能。

图1 印刷压力控制气路图

工作原理：在整机未通电时，从气源出来的气体，经过过滤减压阀2（压力设定为0.6 MPa）处理后通过接头连接到气控电磁阀6和8的长通口，并通过节流阀直接进入气缸10和11的缸杆一侧；而在气缸10和11缸底一侧，气路通过消音器通入大气，通过气缸两端的压力差使缸杆缩回，带动刮刀和涂墨刀运动到上限位置。这个时候如果总气源压力下降到0.2 MPa以下，电磁阀则因没有外部先导气源也无法打开，起到安全保护的作用。

当需要印刷时，气控电磁阀6换向，在气缸缸杆底一侧，由精密减压阀出来的气源经过电磁阀6进入气缸的缸杆一侧，气缸的缸杆将缩回；由于刮板部件有自身质量，通过调节精密减压阀压力大小，使气缸缩回的拉力与刮板部件的自身质量平衡，在这种状态下缸杆在行程范围内任意位置都达到平衡状态，相当于气缸在垂直方向零负载；这时电气比例阀3打开，在气缸缸底一侧气路经过电气比例阀3进入，通过气控电磁阀7换向，气源进入气缸的底部将气缸杆推出；推出压力大小由电气比例阀控制，通过气缸施加在刮刀上的输出压力即为印刷压力，印刷压力的精度由电气比例阀的输出压力精度决定。涂墨气缸的动作原理与印刷气缸完全一致，在动作顺序上与印刷正好相反，即印刷刮刀下降时涂墨刮刀上升。

印刷头主要技术指标：

本印刷机的印刷压力为80 kg，设计压力精度指标为10 N，刮刀及涂墨刀线压力为1.5 N/cm，印刷头负载为18 kg。

2 关键气动件的选型

首先根据气源工作压力选定气缸的型号，计算输出力的大小是否满足印刷压力的要求；再根据压力精度要求计算并选型电气比例阀和精密减压阀。

2.1 印刷头气缸的选型

印刷机供给印刷、涂墨气缸的气体工作最大压力设定为0.5 MPa，缸径为32 mm的气缸缸杆为10 mm，

气缸的受压面积为：

单个气缸的输出压力：

本系统由两个气缸同时工作，气缸工作时缸杆向下运动施加压力，每个气缸有一套直线轴承导柱导向，所以两个气缸压力之和即为印刷压力。

印刷最大压力即为气源压力在0.5 MPa时两气缸的共同压力：

根据上述计算，缸经为32 mm的气缸可满足要求，即根据样本最后选择气缸缸径为32 mm。且印刷头行程为25 mm，最后确定气缸型号为CQ2A32-25D（D表示为双作用气缸）。

2.2 电气比例阀的选型

电气比例阀控制属于连续控制，其特点是输出随输入量（电流值或电压值）的变化而变化，输出量与输入量之间存在一定的比例关系；当输出量与目标值有偏差时进行快速比较修正，直到输出压力与输入信号成一定比例为止，从而得到输出压力与输入信号的变化成比例的变化。通过相应的控制模块实现对比例阀的控制。电气比例阀见图2。

印刷压力设计精度指标为80 kg，设计由两个气缸从刮刀的两端加压，印刷总压力为两个气缸压力之和；已知条件为：

总气源的输出压力为0.5 MPa；

图2 ITV系列电气比例阀

根据样本查得，ITV系列电气比例阀有3种调节压力范围，即：0.005～0.1 MPa、0.005～0.5 MPa、0.005～0.9 MPa。选取与总气源的最大输出压力相同的气压，

即：0.005～0.5 MPa；

印刷基板宽度:600 mm；

印刷头的输出压力精度：

刮刀单位长度的压力：

由以上计算可知压力精度满足工艺要求。所以应选ITVX03X系列，而根据气路气体流量要求，ITV系列电气比例阀应选2000型，其线性度在满量程范围内小于±1%，重复精度在满量程范围内小于±0.5%。

转化为压力的重复精度计算为：

通过上述计算压力精度指标都能达到8 N，即设计的线压力精度指标小于0.15 N/cm；在实际印刷中，如果工艺参数固定下来则重复压力精度可达到4 N，可完全满足印刷压力要求；所以电气比例阀最后选型为ITV2030。

3 精密减压阀的选型

3.1 精密减压阀的功能特点

精密减压阀是采用控制阀体内的启闭件的开度来调节介质的流量，将介质的压力降低，同时借助阀后压力的作用调节启闭件的开度，使阀后压力保持在一定范围内，在进口压力不断变化的情况下，保持出口压力在设定的范围内（见图3）。

图3 精密减压阀外形图

在本印刷机气路中，精密减压阀的作用是使印刷气缸的抬升力与印刷头负载保持平衡，从而使印刷刮刀，擦网刮刀能悬空保持固定。

已知印刷头负载15 kg，

气缸缸径已选定为32 mm，

精密减压阀工作压力为：

通过参考样本，选定了IR2000-02型精密减压阀，其设定压力范围为0.005～0.2 MPa，在气源设定压力范围内，满足工艺要求。

4 结束语

气动控制技术为印刷机的印刷压力控制方式提供了一种简单实用的解决方案，在印刷机上进行广泛应用，极大地提高了设备的自动化程度，降低了生产成本，同时使得印刷机的生产效率和产品的质量也因此得到大大的提高，有很好的推广价值。

[1] 孙玉秋.气动技术在印刷机械中的应用研究[J].液压与气动，2008(4):59-60.

[2] 李 锋.刮板应用技术[J].丝网印刷，1999(1):28-30.

[3] SMC公司.SMC气动元件手册[Z].2013：1.30-1.31.

[4] SMC公司.SMC气动元件手册[Z].2013：1.37-1.39.