王軍濤, 技術(shù)支持工程師, 倫茨（上海）傳動系統(tǒng)有限公司
摘要：簡要介紹了當(dāng)前壁紙的市場情況，結(jié)合壁紙機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)以及工藝，推出 Lenze 自動化控制系統(tǒng)在圓網(wǎng)凹印一體壁紙印刷機(jī)上的解決方案及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對圓網(wǎng)凹印一體壁紙印刷機(jī)和Lenze 自動化控制系統(tǒng)提出展望。
關(guān)鍵字：凹版 圓網(wǎng) 收放卷 壓花 虛軸 位置同步 張力控制
1 前言
壁紙是目前市場上應(yīng)用十分廣泛的室內(nèi)墻面裝飾材料，以色彩豐富、肌理質(zhì)感強(qiáng)、圖案豐富、綠色環(huán)保、裝飾效果高貴典雅優(yōu)越而越來越受到人們的青睞。壁紙又是一種具有綠色環(huán)保理念的高科技產(chǎn)品，講究環(huán)保，采用多種材質(zhì)，具有不同的藝術(shù)效果，消費(fèi)者可根據(jù)個(gè)人喜好選擇自己喜歡的款式。隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，壁紙的用途也越來越廣泛，用量也越來越大，壁紙市場異?；鸨?。
2 壁紙印刷機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝
壁紙的印刷主要分凹版印刷和圓網(wǎng)印刷兩大類，兩種工藝各有千秋。凹版印刷壁紙的特點(diǎn)是著墨均勻，層次感強(qiáng)，印刷精度高；圓網(wǎng)印刷的特點(diǎn)是上漿量大，它將不同顏色和配方的 PVC 漿料印到紙基上以后，經(jīng)過烘箱發(fā)泡，讓這些漿料發(fā)泡成高低不一、立體感強(qiáng)、手感柔軟的產(chǎn)品。目前市面上的凹版印刷機(jī)或圓網(wǎng)印刷機(jī)已無法滿足生產(chǎn)的需求，開始被日益成熟的圓網(wǎng)凹印一體壁紙印刷機(jī)逐漸取代。
圓網(wǎng)凹印一體壁紙印刷機(jī)設(shè)備的工藝大致為：雙工位放卷→燙平機(jī)構(gòu)→印刷組單元（圓網(wǎng)與凹印）→（臥室烘箱→壓花機(jī)）或雙工位收卷，如圖 1 所示。
圖 1 圓網(wǎng)凹印一體壁紙印刷機(jī)設(shè)備工藝
注：目前市面上的圓凹一體壁紙印刷機(jī)一般在有壓花機(jī)的情況下，其后面不再會有雙工位收卷，而由收大卷或者收小卷取代；在沒有壓花機(jī)的情況下，才會有雙工位收卷，因?yàn)橐?guī)模較大的印刷廠，一般會有單獨(dú)的壓花生產(chǎn)線，規(guī)模較小的印刷廠才會在壁紙生產(chǎn)線上安裝壓花機(jī)。
1．雙工位放卷：由雙工位放料架和輸入牽引部分組成，放料軸采用氣漲軸和磁粉制動器，配有磁粉張力檢測及張力控制器，控制放卷張力，并具備不停機(jī)接紙功能。
2．燙平機(jī)構(gòu)：由內(nèi)部充滿滾熱油脂的三個(gè)內(nèi)部空心的鋼輥組成，這三個(gè)鋼輥的直徑擁有一定的差值，其主要作用是在張力作用下，紙張貼緊燙平輥，在滾油的熱力作用下使紙張變得平整。
3．印刷組單元：印刷組單元包括凹版輥，圓網(wǎng)輥立式烘箱和冷水輥。凹版輥一般采用激光電雕法在鋼輥上雕刻而成，凹版印刷是一種直接的印刷方法，它將凹版凹坑中所含的油墨直接壓印到承印物上。圓網(wǎng)由鎳金屬制造，又稱鎳網(wǎng)，呈六邊形網(wǎng)孔，圓網(wǎng)印刷是利用刮刀使圓網(wǎng)內(nèi)的色漿在壓力的驅(qū)使下印制到織物上去的一種印刷方式。立式烘箱由烘箱箱體、軸流風(fēng)機(jī)和燃燒器組成。當(dāng)天然氣進(jìn)入燃燒器后，烘箱箱體內(nèi)的空氣會被加熱，在軸流風(fēng)機(jī)的動作下，熱空氣會被均勻吹散在立式烘箱內(nèi)，這樣壁紙就會被很勻稱地烘干。冷水輥中充滿循環(huán)冷凝水的內(nèi)部為空心的鋼輥，其作用是經(jīng)過立式烘箱烘干的壁紙迅速冷卻下來以進(jìn)入下一色組印刷。
4 臥式烘箱：其構(gòu)成與立式烘箱相同，但是其較立式烘箱更矮更長一點(diǎn)，作用是供圓網(wǎng)印刷發(fā)泡使用。
5 壓花機(jī)：由壓花輥和四缸冷卻機(jī)構(gòu)成，其作用是使壁紙印刷圖案在臥烘內(nèi)經(jīng)高溫發(fā)泡以后，可形成凹凸不平圖案的立體壁紙。壓花機(jī)的作用是利用壓花輥在凸出來的花紋上按壓使其更具有立體感。
6 雙工位收卷：收卷部采用雙工位回轉(zhuǎn)收料架，氣漲軸收料，配備擺輥式全閉環(huán)張力控制系統(tǒng)，控制收卷張力，張力的調(diào)節(jié)由精密調(diào)壓閥設(shè)定，低摩擦氣缸執(zhí)行。壁紙生產(chǎn)工序流程：原紙發(fā)送→涂布→干燥（膠化）→冷卻→印刷→版間干燥→加熱軟化→壓花→冷卻→裁邊→儲料、檢驗(yàn)→卷取→裝箱→入庫。
3 Lenze 解決方案
Lenze 提出以中央運(yùn)動控制器 3200C 為核心的自動化控制系統(tǒng)方案。在顯示層采用獨(dú)立的HMI P300 控制器，在控制層采用 I/O 1000 和 3200C 的完美組合可執(zhí)行所有邏輯控制。在驅(qū)動層采用具有緊湊性和高靈活性的創(chuàng)新型伺服驅(qū)動器 i700 以及結(jié)構(gòu)緊湊、動態(tài)響應(yīng)性好且采用可插拔鏈接設(shè)計(jì)的 MCS 和 MCA 電機(jī)，更可靠地實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動控制功能。
基于運(yùn)動控制器的 3200C 運(yùn)動控制系統(tǒng)可以為更復(fù)雜、更精密的設(shè)備提供更完美的控制，在很大程度上能提高設(shè)備的控制性能，邏輯控制和運(yùn)動控制不在分家，而是由同一套編程軟件 PLC De-signer 來完成，不再為運(yùn)動控制和邏輯控制的配合而擔(dān)憂?？刂葡到y(tǒng)采用板載的高性能實(shí)時(shí)總線系統(tǒng) EtherCAT，其協(xié)議處理完全在硬件中進(jìn)行，通過總線可以形成超高速控制回路，使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到了一個(gè)新境界，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)無法迄及的控制理念。圓網(wǎng)凹印一體壁紙印刷機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦聢D 2 所示。
圖 2 系統(tǒng)拓?fù)鋱D
該系統(tǒng)以 3200C 運(yùn)動控制器為核心，囊括了若干臺驅(qū)動 i700，一臺 9400，若干臺 MCS 電機(jī)，一臺 MCA 電機(jī)和四臺異步電機(jī)，其中跟隨虛軸做位置同步的 MCS 和 MCA 電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)圓網(wǎng)印刷，凹版印刷，壓花和冷水輥張力調(diào)整，跟隨虛軸做速度同步 MCS 電機(jī)的實(shí)現(xiàn)燙平機(jī)全閉環(huán)張力控制，緊以虛軸作為速度來源，獨(dú)立控制的四臺異步電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)收卷和放卷。
由于 Lenze 控制系統(tǒng)出色的表現(xiàn)以及與客戶機(jī)械的完美配合，該圓網(wǎng)凹印一體壁紙印刷機(jī)生產(chǎn)速度凹版可達(dá) 100m/min，圓網(wǎng)可達(dá) 80m/min，無套準(zhǔn)情況下套印精度可達(dá) 0.15mm。
4 實(shí)現(xiàn)的主要功能
（1） 采用虛擬電子軸控制，來實(shí)現(xiàn)多軸位置的同步印刷：采用虛擬軸作為主軸，使其它各印刷軸同步于虛軸，采用虛軸可以減少干擾和波動，提高印刷精度。
（2） 雙工位收放卷和不停機(jī)接料：采用 L_TT1P_WinderDancerCtrlHigh 來控制的收放卷只需要鍵入初始卷徑，擺桿左右限位等關(guān)鍵參數(shù)，便可輕松實(shí)現(xiàn)基于初始卷徑的自動卷徑計(jì)算，自動繃料等收放卷控制，操作簡單，通俗易懂。收卷還帶有錐度張力功能，無需額外增加設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)緊外松收卷的完美控制。任意速度的雙工位放卷和收卷不停機(jī)接料，避免了由于停機(jī)帶來的耗材損耗和生產(chǎn)耽誤，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。
（3） 進(jìn)牽引閉環(huán)張力控制，全色組張力監(jiān)控和間接控制：
壁紙機(jī)張力的控制程度直接關(guān)系到壁紙的印刷精度，因此壁紙印刷的關(guān)鍵就是對張力的控制。在燙平機(jī)和一色印刷單元，每相鄰兩個(gè)印刷單元之間均裝有張力傳感器來實(shí)時(shí)控制或監(jiān)測機(jī)組單元當(dāng)前的張力狀況。燙平機(jī)伺服軸需要做全閉環(huán)張力控制，對送料做精準(zhǔn)控制，張力控制在設(shè)定值 2%左右。每相鄰兩個(gè)印刷單元之間因張力的調(diào)整需要平緩，故通過調(diào)節(jié)冷水輥伺服軸的電子齒輪來微量改變其線速度，間接、緩慢地改變印刷單元之間的張力，以實(shí)現(xiàn)張力的平衡。
（4） 預(yù)對花以及追花功能：
預(yù)對花功能，即保留原來生產(chǎn)印刷某一時(shí)刻各個(gè)印刷軸當(dāng)前位置的功能。在下一次印刷前，讓各個(gè)印刷軸移動到上次印刷時(shí)所記憶的位置。預(yù)對花功能的引入大大降低了機(jī)器在印刷準(zhǔn)備階段的廢料，為企業(yè)節(jié)省了大量的原材料。追花功能，即調(diào)整兩色印刷或某幾色印刷軸之間的相位差來實(shí)現(xiàn)高精度的印刷。
（5） 獨(dú)立壓花功能
經(jīng)過壓花后的壁紙更具有立體逼真感。然而并非每一種壁紙都適合壓花，且壁紙?jiān)趬夯ㄇ斑€對溫度有一定的要求。在這種情況下，獨(dú)立壓花系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。在需要壓花時(shí)采用電氣壓花系統(tǒng)投入，不需要壓花時(shí)進(jìn)行壓花系統(tǒng)切除。同時(shí)壓花系統(tǒng)也可以進(jìn)行預(yù)對花和追花，確保最大限度地節(jié)省原材料。
5 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)
1) i700 具有安裝體積小，通過直流母排供電，通過控制系統(tǒng)自動下載參數(shù)/固件，可插拔連接技術(shù)等特點(diǎn)，可為客戶節(jié)省許多電柜安裝空間，提高電源使用效率，更輕松地實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改和固件升級，為替換和維護(hù)帶來更多的便捷。
2) 控制系統(tǒng)板載 EtherCAT，使控制網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到了新的高度，很大程度上提高了設(shè)備的性能。
3) 搭載 Intel® Atom? 1.6 GHz 高性能的 3231C 處理器，免電池?zé)o風(fēng)扇設(shè)計(jì)，確保設(shè)備無需維護(hù)。此外，設(shè)備采用可插拔式存儲卡設(shè)計(jì)，便于更換。
4) 基于 PLC Designer 的 L_TT1A_TechnologyModules 針對特定的應(yīng)用開發(fā)專用的功能塊，例如針對收放卷有擺輥控制收放卷技術(shù)模塊（Dancer-Controlled Winder technology module）或者張力控制收放卷技術(shù)模塊（Tension-Controlled Winder technology module）；針對凸輪控制有電子凸輪技術(shù)模塊（FlexCAM technology module）等，Lenze 將多年的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)融入其中，讓特定控制變得更加專業(yè)，同時(shí)操作更加簡單，大大地減少了編程的工作量。
5) 使用基于 PLC Designer 編程軟件的技術(shù)模塊 Application Template PackML 模板編程。
6) 花 20%的時(shí)間便可完成 80%的工作，為客戶機(jī)器上市節(jié)省了大量的時(shí)間。
6 展望
壁紙印刷機(jī)在發(fā)展初期為凹版機(jī)械通軸，印刷產(chǎn)量低，精度差。后來發(fā)展為凹版電子軸和圓網(wǎng)電子軸，雖然精度和產(chǎn)量都有所提高，但其生產(chǎn)的產(chǎn)品仍較單一，而當(dāng)前新興的圓網(wǎng)凹印一體壁紙印刷機(jī)克服了以上所有缺點(diǎn)，不僅生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品精度高，而且在工藝方面還取得了很大的突破，可實(shí)現(xiàn)圓網(wǎng)打底、凹版套印，還能開發(fā)出更多品質(zhì)優(yōu)美的產(chǎn)品。相信隨著壁紙市場的蓬勃發(fā)展和人們對壁紙品質(zhì)要求的進(jìn)一步提高，圓網(wǎng)凹印一體壁紙印刷機(jī)勢必會成為行業(yè)的領(lǐng)軍者。
工業(yè) 4.0 的戰(zhàn)火已經(jīng)燃起，而工業(yè)自動化控制更是核心，相信 Lenze 將以其卓越的運(yùn)動控制器，完美的驅(qū)動，無與倫比的減速機(jī)打造出性能更加出色的自動化控制系統(tǒng)，為第四次工業(yè)革命增磚添瓦。
