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摘要：本文以實際凹版印刷機調試為實例，介紹臺達VE系列變頻器在凹版印刷機上的應用。

關鍵詞：變頻器 凹版印刷機 恒張力

概述

     凹版印刷是印刷工藝中的一種，它與平版印刷、凸版印刷、絲網印刷一起被稱為四大印刷方式。凹版印刷是一種直接的印刷方式，印刷版上的凹槽就是印刷文字和圖案，印刷時先在凹槽中盛滿油墨，將印刷版上多余的油墨(非印刷面上的油墨)用刮墨刀刮凈，然后通過壓印膠輥給印刷版加以適當的壓力，把油墨從印刷版凹面內擠壓到被印刷物上，而達到印刷的目的。

     凹版印刷的承印物選擇多樣、印刷質量穩定性好，印刷品在層次表現上、圖像質量上都屬上乘，在歐美是將以大批量生產為目標的出版印刷作為主體而發展的，在日本則是以包裝凹印為中心而普及的。

     根據使用的凹版種類和印刷方式，凹版印刷又可劃分為：手工雕刻凹版印刷、化學腐蝕凹版印刷、電子雕刻凹版印刷和間接凹版印刷四大類。凹版印刷機則可分為機組式和衛星式；單張紙凹印機和卷筒紙凹印機；單色凹印機和多色凹印機等。

凹版印刷機的結構和系統

      凹版印刷機的基本結構為：給紙裝置，印刷裝置，輸墨裝置，以及收紙裝置。結構示意圖如下圖1。

圖1 印刷機結構示意圖
 

     印刷機的控制系統非常復雜，一般來說可分為幾部分：張力控制系統，套色控制系統以及烘干系統。今天我們主要分析一下其中的張力控制系統。

     張力控制系統的目的就是為了保證印刷材料的張力恒定，或者符合客戶要求。一般來說，目前市場上最常見的7電機4張力控制系統，示意圖如下圖2。
 

圖2 七電機張力控制系統示意圖
 

     張力控制系統中，常用的方式有以下三種：

     1. 力矩電機張力控制系統
     2. 磁粉制動器（磁粉離合器）張力控制系統
     3. 變頻器張力控制系統

     力矩電機控制系統的優點是結構簡單，張力穩定，缺點是可調范圍窄，線性度不好，適用于張力精度要求不高的場合，例如線纜等。磁粉制動器控制系統的優點是張力穩定性好，缺點是線性度不好，可控制的卷徑范圍不大，長期工作存在發熱問題，需要配置外部散熱系統。變頻器控制系統的優點是張力控制穩定且系統反應快，結構簡單，速度可調范圍廣，通過特殊算法的支持，能夠很好的支持卷徑變化大的場合；通過共直流母線的方式，在持續放卷場合能夠起到一定的節能作用。隨著半導體芯片技術的發展，變頻器驅動技術性能得到很大的提升，但價格呈現下降的趨勢，表現出良好的性價比，得到了廣大用戶的認可。

臺達變頻器在凹版印刷機上的實際應用案例

1．基本介紹

     本案例中調試的凹版印刷機為機組式印刷機，主要用于80~400g/m2紙箱預印，煙包、紙盒等紙類印刷，印刷色組為兩色。最高線速度為100m/min，收卷最大卷徑為1500m。

     由于本設備放卷張力采用張力控制器+磁粉制動+張力傳感器的方式，而收卷張力采用變頻器來控制，所以設備的難點在于收卷張力的控制，張力大小要合適：張力太小，收卷時會松弛；張力太大，收卷時材料易起皺。另外，由于收卷時紙張的直徑不斷變大，如果收卷軸的轉速保持恒定，則紙張的收卷線速度會越來越大，這樣容易出現拉斷紙張的問題。

2．臺達變頻器應用介紹

     在該印刷機上，使用臺達所推出的能夠進行恒張力控制的VE系列變頻器，通過變頻器對電機的控制就能夠自動實現印刷機張力恒定的目的。整個應用具有調節方便、性價比高的特點。圖3為印刷機張力控制示意圖。
 

圖3 印刷機張力控制示意圖
 

     恒張力控制的計算公式為：T = ( F * D ) / ( 2 * G )

     其中T為電機輸出轉矩，F為線材上張力大小，D為收/放卷輥實際大小。恒張力控制的目的就是要控制F的大小恒定，但是變頻器只能控制電機的輸出轉矩T。如果知道了D，我們就可以通過控制T來達到控制F的目的。

     使用臺達VE系列變頻器就直接提供通過控制轉矩來實現恒張力控制的功能：參數8-21=4。

     由于收/放卷輥的實際大小D是隨著運行時間的變化而變化的，所以D值的準確性是此方法成功的關鍵。目前通常有兩種方法可以參考：1厚度法；2線速度計算法。

     厚度法的原理是建立在對材料厚度的了解情況下，電機每運轉一圈，收卷輥直徑會增加兩個材料厚度，放卷輥直徑會減小兩個材料厚度。此方法主要使用在收放卷材料厚度均勻的情況下，優點是計算出來的厚度值準確，缺點是需要使用者在變頻器相關參數中輸入材料厚度信息。

     線速度計算法的公式為：D = ( G * V ) / (π* n )

     其中D為當前卷徑，G為機械傳動比，V為當前線速度，n為電機轉速。當前線速度可通過模擬量或者脈沖的形式采集。線速度計算法可以使用在材料厚度不均勻的場合，不需要對材料厚度值的設置，降低了對操作工的要求；缺點是計算出來的當前卷徑值會受線速度采集準確度的影響，如果線速度波動很大，則當前卷徑值也會出現很大波動。

     有的卷曲控制，需要材料張力隨著卷徑增大而相應降低，以防止損傷卷軸和提高產品卷曲質量，此設備就有張力錐度的需要。

     張力錐度的公式多種多樣，這里介紹其中一種：F=F0 * [1-K(1-D0/D)]

     其中F實際輸出張力，F0設定張力，K張力錐度系數，D0最小卷徑，D當前卷徑。

     由于此臺設備為通用設備，不同的紙質要求的張力錐度也不盡相同，所以要求使用模擬量來設定張力錐度。張力錐度示意圖見圖4。
 

圖4 張力錐度示意圖
 

3．參數設置

     主牽引電機為異步電機（15kW、380V、29.6A、1430r/m、50Hz），牽引輥直徑為320mm，由一臺15kW的B系列變頻器控制。此設備最高線速度為100m/min，收卷電機是一臺普通異步電機（380V、58.5A、4極、50Hz/30kW），使用一臺300V43A-2變頻器（配置EMV-PG01O）來控制，電機帶一臺512ppr編碼器，減速比為6.77：1。收卷最大卷徑1500mm。

     依據對客戶提出的要求分析，決定采用厚度積分法來計算卷徑，收卷變頻器采用轉矩模式控制，模擬量給定張力以及張力錐度可調。

     收卷變頻器參數設置見表1。

表1 收卷變頻器參數設置表

結論

     本臺設備采用臺達變頻器控制收卷部分，較客戶之前使用的方案（張力離合器）能夠實現更大的卷徑變化（最大卷徑從1000mm能夠做到1500mm），更快的線速度（最大線速度從60m能夠做到100m），且張力穩定，調試方便，設備的價值也有了很大的提升。此方案得到了客戶的認可，客戶目前也在要求廠家將放卷部分改為臺達變頻器控制方式。

作者簡介：王浩，男，1978年11月出生，2000年畢業于武漢科技大學自動化專業，工程師職稱，目前任職于中達電通股份有限公司AMD產品處，負責變頻器的售前售后技術工作，主要負責變頻器產品在機床/線纜/印刷等方面的應用