Lenze 产品自动化控制系统在壁纸印刷机上的应用

1  前言

壁纸是目前市场上应用十分广泛的室内墙面装饰材料，以色彩丰富、肌理质感强、图案丰富、 绿色环保、装饰效果高贵典雅优越而越来越受到人们的青睐。壁纸又是一种具有绿色环保理念的高 科技产品，讲究环保，采用多种材质，具有不同的艺术效果，消费者可根据个人喜好选择自己喜欢 的款式。随着我国经济和社会的不断发展，人民生活水平的不断提高，壁纸的用途也越来越广泛， 用量也越来越大，壁纸市场异常火爆。

2  壁纸印刷机的设备结构及工艺

壁纸的印刷主要分凹版印刷和圆网印刷两大类，两种工艺各有千秋。凹版印刷壁纸的特点是着 墨均匀，层次感强，印刷精度高；圆网印刷的特点是上浆量大，它将不同颜色和配方的 PVC 浆料印 到纸基上以后，经过烘箱发泡，让这些浆料发泡成高低不一、立体感强、手感柔软的产品。目前市 面上的凹版印刷机或圆网印刷机已无法满足生产的需求，开始被日益成熟的圆网凹印一体壁纸印刷 机逐渐取代。

圆网凹印一体壁纸印刷机设备的工艺大致为：双工位放卷→烫平机构→印刷组单元（圆网与凹 印）→（卧室烘箱→压花机）或双工位收卷，如图 1 所示。

图 1 圆网凹印一体壁纸印刷机设备工艺

注：目前市面上的圆凹一体壁纸印刷机一般在有压花机的情况下，其后面不再会有双工位收卷， 而由收大卷或者收小卷取代；在没有压花机的情况下，才会有双工位收卷，因为规模较大的印刷厂， 一般会有单独的压花生产线，规模较小的印刷厂才会在壁纸生产线上安装压花机。

1．双工位放卷：由双工位放料架和输入牵引部分组成，放料轴采用气涨轴和磁粉制动器，配有 磁粉张力检测及张力控制器，控制放卷张力，并具备不停机接纸功能。

2．烫平机构：由内部充满滚热油脂的三个内部空心的钢辊组成，这三个钢辊的直径拥有一定的 差值，其主要作用是在张力作用下，纸张贴紧烫平辊，在滚油的热力作用下使纸张变得平整。

3．印刷组单元：印刷组单元包括凹版辊，圆网辊立式烘箱和冷水辊。凹版辊一般采用激光电雕 法在钢辊上雕刻而成，凹版印刷是一种直接的印刷方法，它将凹版凹坑中所含的油墨直接压印到承 印物上。圆网由镍金属制造，又称镍网，呈六边形网孔，圆网印刷是利用刮刀使圆网内的色浆在压 力的驱使下印制到织物上去的一种印刷方式。立式烘箱由烘箱箱体、轴流风机和燃烧器组成。当天 然气进入燃烧器后，烘箱箱体内的空气会被加热，在轴流风机的动作下，热空气会被均匀吹散在立 式烘箱内，这样壁纸就会被很匀称地烘干。冷水辊中充满循环冷凝水的内部为空心的钢辊，其作用 是经过立式烘箱烘干的壁纸迅速冷却下来以进入下一色组印刷。

卧式烘箱：其构成与立式烘箱相同，但是其较立式烘箱更矮更长一点，作用是供圆网印刷发 泡使用。

压花机：由压花辊和四缸冷却机构成，其作用是使壁纸印刷图案在卧烘内经高温发泡以后， 可形成凹凸不平图案的立体壁纸。压花机的作用是利用压花辊在凸出来的花纹上按压使其更具有立 体感。

双工位收卷：收卷部采用双工位回转收料架，气涨轴收料，配备摆辊式全闭环张力控制系统， 控制收卷张力，张力的调节由精密调压阀设定，低摩擦气缸执行。

壁纸生产工序流程：

原纸发送→涂布→干燥（胶化）→冷却→印刷→版间干燥→加热软化→压花→冷却→裁边→储 料、检验→卷取→装箱→入库。

3  Lenze 解决方案

Lenze 提出以中央运动控制器 3200C 为核心的自动化控制系统方案。在显示层采用独立的 HMI P300 控制器，在控制层采用 I/O 1000 和 3200C 的完美组合可执行所有逻辑控制。在驱动层

采用具有紧凑性和高灵活性的创新型伺服驱动器 i700 以及结构紧凑、动态响应性好且采用可插拔链 接设计的 MCS 和 MCA 电机，更可靠地实现高精度运动控制功能。

基于运动控制器的 3200C 运动控制系统可以为更复杂、更精密的设备提供更完美的控制，在很 大程度上能提高设备的控制性能，逻辑控制和运动控制不在分家，而是由同一套编程软件 PLC De-signer 来完成，不再为运动控制和逻辑控制的配合而担忧。控制系统采用板载的高性能实时总线系 统 EtherCAT，其协议处理完全在硬件中进行，通过总线可以形成超高速控制回路，使网络性能达到 了一个新境界，实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。

圆网凹印一体壁纸印刷机网络拓扑如下图 2 所示。

图 2 系统拓扑图

该系统以 3200C 运动控制器为核心，囊括了若干台驱动 i700，一台 9400，若干台 MCS 电机， 一台 MCA 电机和四台异步电机，其中跟随虚轴做位置同步的 MCS 和 MCA 电机分别实现圆网印刷， 凹版印刷，压花和冷水辊张力调整，跟随虚轴做速度同步 MCS 电机的实现烫平机全闭环张力控制， 紧以虚轴作为速度来源，独立控制的四台异步电机分别实现收卷和放卷。

由于 Lenze 控制系统出色的表现以及与客户机械的完美配合，该圆网凹印一体壁纸印刷机生产 速度凹版可达 100m/min，圆网可达 80m/min，无套准情况下套印精度可达 0.15mm。

4  实现的主要功能

（1） 采用虚拟电子轴控制，来实现多轴位置的同步印刷：采用虚拟轴作为主轴，使其它各印刷轴 同步于虚轴，采用虚轴可以减少干扰和波动，提高印刷精度。

（2） 双工位收放卷和不停机接料：采用 L_TT1P_WinderDancerCtrlHigh 来控制的收放卷只需要 键入初始卷径，摆杆左右限位等关键参数，便可轻松实现基于初始卷径的自动卷径计算，自动绷料 等收放卷控制，操作简单，通俗易懂。收卷还带有锥度张力功能，无需额外增加设备即可实现内紧 外松收卷的完美控制。

任意速度的双工位放卷和收卷不停机接料，避免了由于停机带来的耗材损耗和生产耽误，节约 了生产成本，提高了生产效率。

（3）  进牵引闭环张力控制，全色组张力监控和间接控制：

壁纸机张力的控制程度直接关系到壁纸的印刷精度，因此壁纸印刷的关键就是对张力的控制。 在烫平机和一色印刷单元，每相邻两个印刷单元之间均装有张力传感器来实时控制或监测机组单元 当前的张力状况。烫平机伺服轴需要做全闭环张力控制，对送料做精准控制，张力控制在设定值 2% 左右。每相邻两个印刷单元之间因张力的调整需要平缓，故通过调节冷水辊伺服轴的电子齿轮来微 量改变其线速度，间接、缓慢地改变印刷单元之间的张力，以实现张力的平衡。

（4）  预对花以及追花功能：

预对花功能，即保留原来生产印刷某一时刻各个印刷轴当前位置的功能。在下一次印刷前，让 各个印刷轴移动到上次印刷时所记忆的位置。预对花功能的引入大大降低了机器在印刷准备阶段的 废料，为企业节省了大量的原材料。

追花功能，即调整两色印刷或某几色印刷轴之间的相位差来实现高精度的印刷。

（5）  独立压花功能

经过压花后的壁纸更具有立体逼真感。然而并非每一种壁纸都适合压花，且壁纸在压花前还对 温度有一定的要求。在这种情况下，独立压花系统应运而生。在需要压花时采用电气压花系统投入， 不需要压花时进行压花系统切除。同时压花系统也可以进行预对花和追花，确保最大限度地节省原 材料。

5  技术关键点

i700 具有安装体积小，通过直流母排供电，通过控制系统自动下载参数/固件，可插拔连接技术 等特点，可为客户节省许多电柜安装空间，提高电源使用效率，更轻松地实现参数修改和固件

升级，为替换和维护带来更多的便捷。

控制系统板载 EtherCAT，使控制网络性能达到了新的高度，很大程度上提高了设备的性能。

搭载 Intel® Atom™ 1.6 GHz 高性能的 3231C 处理器，免电池无风扇设计，确保设备无需维护。 此外，设备采用可插拔式存储卡设计，便于更换。

基于 PLC Designer 的 L_TT1A_TechnologyModules 针对特定的应用开发专用的功能块，例 如针对收放卷有摆辊控制收放卷技术模块（Dancer-Controlled Winder technology module） 或者张力控制收放卷技术模块（Tension-Controlled Winder technology module）；针对凸 轮控制有电子凸轮技术模块（FlexCAM technology module）等，Lenze 将多年的行业应用经 验融入其中，让特定控制变得更加专业，同时操作更加简单，大大地减少了编程的工作量。

使用基于 PLC Designer 编程软件的技术模块 Application Template PackML 模板编程。

花 20%的时间便可完成 80%的工作，为客户机器上市节省了大量的时间。

6  展望

壁纸印刷机在发展初期为凹版机械通轴，印刷产量低，精度差。后来发展为凹版电子轴和圆网 电子轴，虽然精度和产量都有所提高，但其生产的产品仍较单一，而当前新兴的圆网凹印一体壁纸 印刷机克服了以上所有缺点，不仅生产效率高、产品精度高，而且在工艺方面还取得了很大的突破， 可实现圆网打底、凹版套印，还能开发出更多品质优美的产品。相信随着壁纸市场的蓬勃发展和人 们对壁纸品质要求的进一步提高，圆网凹印一体壁纸印刷机势必会成为行业的领军者。

工业 4.0 的战火已经燃起，而工业自动化控制更是核心，相信 Lenze 将以其卓越的运动控制器， 完美的驱动，无与伦比的减速机打造出性能更加出色的自动化控制系统，为第四次工业革命增砖添 瓦。