台达变频器在凹版印刷机上的应用

摘要：本文以实际凹版印刷机调试为实例，介绍台达VE系列变频器在凹版印刷机上的应用。

关键词：变频器 凹版印刷机 恒张力

概述 

      凹版印刷是印刷工艺中的一种，它与平版印刷、凸版印刷、丝网印刷一起被称为四大印刷方式。凹版印刷是一种直接的印刷方式，印刷版上的凹槽就是印刷文字和图案，印刷时先在凹槽中盛满油墨，将印刷版上多余的油墨(非印刷面上的油墨)用刮墨刀刮净，然后通过压印胶辊给印刷版加以适当的压力，把油墨从印刷版凹面内挤压到被印刷物上，而达到印刷的目的。

      凹版印刷的承印物选择多样、印刷质量稳定性好，印刷品在层次表现上、图像质量上都属上乘，在欧美是将以大批量生产为目标的出版印刷作为主体而发展的，在日本则是以包装凹印为中心而普及的。

      根据使用的凹版种类和印刷方式，凹版印刷又可划分为：手工雕刻凹版印刷、化学腐蚀凹版印刷、电子雕刻凹版印刷和间接凹版印刷四大类。凹版印刷机则可分为机组式和卫星式；单张纸凹印机和卷筒纸凹印机；单色凹印机和多色凹印机等。

凹版印刷机的结构和系统 

      凹版印刷机的基本结构为：给纸装置，印刷装置，输墨装置，以及收纸装置。结构示意图如下图1。

图1 印刷机结构示意图

      印刷机的控制系统非常复杂，一般来说可分为几部分：张力控制系统，套色控制系统以及烘干系统。今天我们主要分析一下其中的张力控制系统。

      张力控制系统的目的就是为了保证印刷材料的张力恒定，或者符合客户要求。一般来说，目前市场上最常见的7电机4张力控制系统，示意图如下图2。

图2 七电机张力控制系统示意图

张力控制系统中，常用的方式有以下三种：

1. 力矩电机张力控制系统
2. 磁粉制动器（磁粉离合器）张力控制系统
3. 变频器张力控制系统

      力矩电机控制系统的优点是结构简单，张力稳定，缺点是可调范围窄，线性度不好，适用于张力精度要求不高的场合，例如线缆等。磁粉制动器控制系统的优点是张力稳定性好，缺点是线性度不好，可控制的卷径范围不大，长期工作存在发热问题，需要配置外部散热系统。变频器控制系统的优点是张力控制稳定且系统反应快，结构简单，速度可调范围广，通过特殊算法的支持，能够很好的支持卷径变化大的场合；通过共直流母线的方式，在持续放卷场合能够起到一定的节能作用。随着半导体芯片技术的发展，变频器驱动技术性能得到很大的提升，但价格呈现下降的趋势，表现出良好的性价比，得到了广大用户的认可。

台达变频器在凹版印刷机上的实际应用案例

1．基本介绍

      本案例中调试的凹版印刷机为机组式印刷机，主要用于80~400g/m²纸箱预印，烟包、纸盒等纸类印刷，印刷色组为两色。最高线速度为100m/min，收卷最大卷径为1500m。

      由于本设备放卷张力采用张力控制器+磁粉制动+张力传感器的方式，而收卷张力采用变频器来控制，所以设备的难点在于收卷张力的控制，张力大小要合适：张力太小，收卷时会松弛；张力太大，收卷时材料易起皱。另外，由于收卷时纸张的直径不断变大，如果收卷轴的转速保持恒定，则纸张的收卷线速度会越来越大，这样容易出现拉断纸张的问题。

2．台达变频器应用介绍

      在该印刷机上，使用台达所推出的能够进行恒张力控制的VE系列变频器，通过变频器对电机的控制就能够自动实现印刷机张力恒定的目的。整个应用具有调节方便、性价比高的特点。图3为印刷机张力控制示意图。

图3 印刷机张力控制示意图

恒张力控制的计算公式为：T = ( F * D ) / ( 2 * G )

      其中T为电机输出转矩，F为线材上张力大小，D为收/放卷辊实际大小。恒张力控制的目的就是要控制F的大小恒定，但是变频器只能控制电机的输出转矩T。如果知道了D，我们就可以通过控制T来达到控制F的目的。

      使用台达VE系列变频器就直接提供通过控制转矩来实现恒张力控制的功能：参数8-21=4。

      由于收/放卷辊的实际大小D是随着运行时间的变化而变化的，所以D值的准确性是此方法成功的关键。目前通常有两种方法可以参考：1厚度法；2线速度计算法。

      厚度法的原理是建立在对材料厚度的了解情况下，电机每运转一圈，收卷辊直径会增加两个材料厚度，放卷辊直径会减小两个材料厚度。此方法主要使用在收放卷材料厚度均匀的情况下，优点是计算出来的厚度值准确，缺点是需要使用者在变频器相关参数中输入材料厚度信息。

线速度计算法的公式为：D = ( G * V ) / (π* n )

      其中D为当前卷径，G为机械传动比，V为当前线速度，n为电机转速。当前线速度可通过模拟量或者脉冲的形式采集。线速度计算法可以使用在材料厚度不均匀的场合，不需要对材料厚度值的设置，降低了对操作工的要求；缺点是计算出来的当前卷径值会受线速度采集准确度的影响，如果线速度波动很大，则当前卷径值也会出现很大波动。

      有的卷曲控制，需要材料张力随着卷径增大而相应降低，以防止损伤卷轴和提高产品卷曲质量，此设备就有张力锥度的需要。

    张力锥度的公式多种多样，这里介绍其中一种：F=F0 * [1-K(1-D0/D)]

其中F实际输出张力，F0设定张力，K张力锥度系数，D0最小卷径，D当前卷径。

      由于此台设备为通用设备，不同的纸质要求的张力锥度也不尽相同，所以要求使用模拟量来设定张力锥度。张力锥度示意图见图4。

图4 张力锥度示意图

3．参数设置

    主牵引电机为异步电机（15kW、380V、29.6A、1430r/m、50Hz），牵引辊直径为320mm，由一台15kW的B系列变频器控制。此设备最高线速度为100m/min，收卷电机是一台普通异步电机（380V、58.5A、4极、50Hz/30kW），使用一台300V43A-2变频器（配置EMV-PG01O）来控制，电机带一台512ppr编码器，减速比为6.77：1。收卷最大卷径1500mm。

      依据对客户提出的要求分析，决定采用厚度积分法来计算卷径，收卷变频器采用转矩模式控制，模拟量给定张力以及张力锥度可调。

收卷变频器参数设置见表1。

表1 收卷变频器参数设置表

结论

      本台设备采用台达变频器控制收卷部分，较客户之前使用的方案（张力离合器）能够实现更大的卷径变化（最大卷径从1000mm能够做到1500mm），更快的线速度（最大线速度从60m能够做到100m），且张力稳定，调试方便，设备的价值也有了很大的提升。此方案得到了客户的认可，客户目前也在要求厂家将放卷部分改为台达变频器控制方式。

作者简介：王浩，男，1978年11月出生，2000年毕业于武汉科技大学自动化专业，工程师职称，目前任职于中达电通股份有限公司AMD产品处，负责变频器的售前售后技术工作，主要负责变频器产品在机床/线缆/印刷等方面的应用