印刷机张力控制系统探讨

孙林

（西安航天华阳机电装备有限公司，陕西 西安 710100）

作为文字、图像的传播中枢，印刷机的发展历程映衬着学术文明的进展。在印刷业的“最后一公里”（卷绕环节），卷绕力度太大容易导致材料外形扭曲，而卷绕力度太小则会导致材料过于松散、疏离，因而合理控制卷绕力度决定着印刷成品的品质。张力控制就是控制电机的输出，而张力控制系统是集张力控制器与张力传感器于一身的控制系统，广泛应用于印刷、纺织与冶金等行业领域，可产生恒定且持续的张力，实现均匀收、放卷以及辊间的同步。在印刷作业过程中，印刷工艺既要保证材料外形如初，又要保证材料的紧凑度，这就启发我们将张力控制系统考虑到印刷机当中，从而控制并保证恒定的材料张力。印刷行业向高效益趋近的同时也对张力控制系统提出了空前的高标准性能要求。张力控制系统结构复杂，其分类原则也不尽相同。以环路为分类指标，张力控制系统可分为自由环、闭环以及开环控制系统；以监测形式为分类标准，张力控制系统又可以分为跟踪臂式、浮辊式以及超声波式张力控制系统。

1 卷筒纸印刷机基本结构

顾名思义，卷筒纸印刷机就是以卷筒纸为原材料的印刷机械装置。虽然不同型号卷纸印刷机结构迥然相异，但其大体组成结构基本相仿。卷筒纸印刷机大体上是由开卷、收卷、张力检测系统、张力控制系统以及印刷单元所构成的。后续将对张力控制系统作详细阐述。印刷机结构如图1。

图1 卷筒纸印刷机结构图解

2 印刷机中张力控制系统的重要作用

放料部、放料牵引部、主机、收料牵引部以及收料部是张力控制系统的主要组成部分。其中，主机作为张力控制系统的核心变频器，在整个系统装置中充当着速度参考机械的地位。其他四部分依据主机速度以及自身PID 补偿操纵量来达到同步速度，见图2。

图2 张力控制系统基本结构

卷筒纸印刷机在进行印刷作业时，纸带的紧绷程度与印刷状态紧密相连。印刷机飞速运作时，每小时可达到3～8w转，要在如此高速运转的状态下，完成印刷作业绝非易事，这就需要印刷机械装置与纸带运转速度不能有一丝的差别，否则，细微波动也会使印刷效果大打折扣。纸带力度太大容易导致材料外形扭曲、撕裂、变形，但力度太小也会导致材料过于松散、漂移、疏离，因此，在卷筒式印刷机作业过程中，纸带张力力度的操作控制效果要求恒常不变且大小得当，以保证印刷机高效益生产。若要控制纸带张力力度大小恒常不变，就需要探究纸带张力的影响因素。通过查阅资料及实践操作，可知纸带张力受各方面因素影响较多，现总结归纳出以下几点：（1）工作环境（空气中温度、湿度、风力等影响因素）。（2）纸带厚度。（3）工作装置状态（马达不稳等）。（4）纸带与印刷机机械装置接触面的光滑度。由此可知，在实际作业中，由于不可控、不确定因素的杂乱无章，我们必须加入纸带制动器，以便随时调整纸带张力，使印刷机械装置可以平稳接收纸带。

3 纸带张力的控制方法

通过前两章的分析，我们已经充分认识到控制纸带张力对印刷流程的重要作用。在现代技术的支撑下，纸带张力主要采用以下几种方式进行张力控制：电磁式张力控制方式、气动式张力控制方式、变频电机控制方式以及电子式张力控制方式等。而在几种方式中，变频电机控制方式的应用效果独树一帜。变频电机张力控制在实际中应用广泛主要有以下原因：（1）可设置并控制张力大小，张力控制操作人性化并且简便，成本低廉。（2）张力控制算法较为先进。（3）实时计算卷径，收、放卷电机转矩有着极好的平滑性能。（4）应变能力强，可以实现对突发状况的自我调节。

以下，我们将对变频电机控制原理以及控制方法作详细阐述。

3.1 控制原理

在印刷作业中，纸带需要在制动装置与驱动装置的相互配合下才能按预定稳定运行。一般情况下，在纸卷的轴心位置施以制动力，在纸带位置施以制动约束力。对张力的变频电机控制实质上是对闭环矢量的控制。在收、放卷过程中，其纸卷卷径在时刻发生变化，这就需要补偿转矩，对电机的转矩实时变化能力提出了较高要求，在极大程度上保证了收、放卷过程中的稳定运行。

3.2 控制方法

根据控制原理的分析结果，我们可知要保证纸带张力的恒定，就要及时对转矩进行合适的补偿。在激活瞬间，需要实现对静摩擦转矩的控制，静摩擦转矩大小的判断依据电机转矩大小以及一定的百分比；在运行过程中，需要实现对不同运动速度下的滑动摩擦转矩的控制，滑动摩擦转矩大小的判断依据电机额定转矩以及运行速率。转矩控制因素不仅与运行状态相关，也与车速、负载密不可分。在加速过程中，系统要求增加加速转矩；在减速过程中，系统要求减少减速转矩。因此，纸带张力的控制过程就是控制电机变频的过程，而电机变频又依赖转矩大小。总而言之，电机转矩是静摩擦转矩、滑动摩擦转矩与负载转矩相互作用的综合结果。

4 影响控制系统精度因素分析

只有明晰张力控制系统装置影响因素，才能更精准地对系统张力实现有效控制。基于专业资料与实际操作经验可知，纸带质量、空气温度、空气湿度与装置控制规律等都会对控制系统的精度造成污染。其中，作为可控因素，装置控制规律主导着控制系统的反应速度、起调量、误差精度以及系统稳定特性，因而其在精度影响因素方面占有无可比拟的地位。由于检测装置的中枢地位，若要满足较高标准的印刷成品，则要在单闭环控制的基础上选择精密的检测装置，并择取相应的控制规律。若纸带张力控制仍未满足张力控制标准，则要在第一套张力控制系统的基础上再建立一套张力控制系统，即二次张力稳定器。

5 结语

张力控制系统装置对于控制印刷成品向着高品质、高效能轨道稳步发展意义非凡，因而日渐成为众多开发者的关注要点。张力控制系统结构复杂，精度影响因素众多，开发之路漫长。随着张力控制系统的日益改进，相信其定会在印刷业发挥出巨大作用。