毕业设计（论文）卷筒纸胶印机印刷技术研究.doc

1 绪 论11.1 课题研究的目的和意义11.2 卷筒纸印刷机的发明和发展趋势21.2.1 卷筒纸印刷机的发明21.2.2 卷筒纸印刷机的发展趋势31.3 国内外卷筒纸印刷机的特点41.4 卷筒纸印刷机科技成果51.5 卷筒纸印刷机的分类61.5.1 按用途分类61.5.2 按印刷部分结构分类71.5.3 按纸带宽度分类81.5.4 按裁切长度分类82 影响张力的因素92.1 纸速102. 2 主动辊表面速度102. 3 纸张性质112.4 纸的含水量122.5 印刷速度及操作水平123 卷筒纸张力控制的研究133.1 卷筒纸纸印刷机张力控制的重要性143.2 卷筒纸张力的控制153.2.1 张力控制方法153.2.2 张力控制系统的数学模型163.2.3 气动张力控制173.3 磁粉制动器控制张力183.3.1 系统的构成193.3.2 磁粉制动器的特性及选择193.3.3 磁粉制动器张力调节原理203. 4 张力控制系统中的补偿技术213.5 张力控制系统的深入研究233.5.1 卷筒纸张力控制系统的原理233.5.2 张力控制系统243.6 影响控制系统精度印刷分析和结论26参考文献271 绪 论1.1 课题研究的目的和意义首届中国(广东)国际印刷技术展览会(Print China 2007)于2007年4月1014日在广东现代国际展览中心举办。其中数国际印刷设备制造三巨头的产品最引人注目。他们都带来了各自的新产品、新技术和适合不同客户、不同印刷的解决方案。显而易见，单张纸胶印机正向着高速度、高度自动化、高精度印刷质量、高水平的维护性的方向发展1。然而卷筒纸胶印机印刷技术也正处在高速发展的阶段，相对于单张纸胶印机，卷筒纸之所以能快速的发展，在市场上有着很多的占有率，主要原因是卷筒纸胶印机有着自己独特的优势。例如：首先，它可以储存大量纸张，减少换纸和停机次数，提高其利用率；其次，卷筒纸比单张纸便宜，可降低5%25%的纸张成本，若是涂覆的纸板或薄膜，用卷材还可获得更高的经济效益；第三，纸张裁切长度可无级调整，使用方便，不会产生单张纸印刷前天头等原因造成的纸张浪费；第四，可以使用单张纸胶印机不能使用的薄纸、薄塑料进行印刷；第五，彻底解决双张或多张进纸故障；第六，操作人员无需堆纸，降低劳动强度。但是单张纸胶印机如今增添了在机直接制版技术、墨色预置和闭环检测反馈控制、套准棱测反馈控制、纸张尺寸自动预置、流线型的造型设计等功能技术，使得印刷的辅助时间明显减少，机器的可操作性明显提高。对环境和操作人员的能力要求大幅度降低，一系列的改变使之变得更加功能化、人性化了。然而这对于卷筒纸胶印机形成了一定的威胁1。想要改变这种局面,我们只有对卷筒纸胶印印刷机中不完善的部分加以完善,通过阅读大量文献,对卷筒纸印刷机进行充分的了解,发现卷筒纸的走纸张力是影响卷筒纸印刷机性能的一项重要指标,因此本次课题对卷筒纸胶印机走纸张力进行研究,主要是针对卷筒纸印刷机走纸张力进行理论的计算,考虑在实际生产中的影响因素,得出实际生产中,从进纸到出纸的过程中走纸张力的改变规律。本课题通过对卷筒纸印刷机走纸张力的研究，平衡走纸张力，保证纸带匀速、平稳地进入印刷装置，达到走纸平稳、张力恒定并大小适中的目的。从而提高印刷生产效率、减少废品的产生，并使系统控制平稳、动作迅速、印品质量控制均衡。通过计算得出理论上的走纸张力，从而研究出一套较完整的适用于各种印刷方式的张力控制理论和方法，使设计的控制结构具有良好的可靠性能，对提高国产卷筒纸印刷机张力控制系统的精度具有重要意义。1.2 卷筒纸印刷机的发明和发展趋势1.2.1 卷筒纸印刷机的发明据有关史料记载，1905年美国人威廉罗倍尔(WRubel)和他的助手操作一台直接印刷的平版印刷机，为了提高印刷质量，他们在压印滚筒上包了一块橡皮布。在一次印刷中，他的助手没有把纸续进印刷机，机器空转了一转，印版上的图文直接印在了橡皮布上。此时，他接着又续了一张纸，于是这张纸的两面全都印上了图文。结果，罗倍尔发现从橡皮布上间接印刷的图文比直接从印版上印刷的图文质量好。根据这一无意发现，罗倍尔把机器进行改装，在直接印刷的两个滚筒之间增加了一个包橡皮布的滚筒。最初的胶印机就这样发明了。罗倍尔发明胶印机及胶印工艺后，当时在美国哈里斯公司工作的德籍美国人卡斯帕赫尔曼(CaspaHermann)把这个重要发明带回德国。于1906-1907年在德国制造成功了第一台3滚筒的胶印机。又于1907年设计生产了第一台卷筒纸胶印机并在1908年获得了专利权。1.2.2 卷筒纸印刷机的发展趋势虽然卷筒纸胶印机与单张纸胶印机几乎同时发明，但由于卷筒纸胶印机涉及更多的技术问题一直发展缓慢。至到上世纪60年代后才有了突飞猛进的发展，其印刷质量与单张纸胶印机并驾齐驱。这主要是技术的进步和社会发展的结果6。1. 技术进步促进了卷筒纸胶印机的发展(1)制版工艺不断改进和完善。上世纪60年代后，制版工艺由热排向冷排转变。自动照排机和电子分色机的发明和推广应用，不但提高了胶印制版的质量，更重要的是大大缩短了胶印制版周期。使胶印制版简单、便捷、成本低。制版工艺的变革，由“铅与火”向“光与电”的发展和推广，促使印刷方式向胶印方向发展，胶印市场迅速扩大。到了上世纪90年代，胶印印版的计算机直接制版(CTP)的发明，更巩固了胶印印刷的地位。(2)研制成功了耐印力高的多层合金版、予涂感光版(PS版)及为计算机直接制版配套的专用CTP版材和涂感光版(PS版)的CTcP制版设备。为高速印刷和进一步改进、发展制版工艺，提高效率创造了条件。(3)数字印刷的发展，在机制版的有版数字印刷机，首推的也是数字胶印机。无版的数字印刷机中采用胶印方式间接印刷也是重要发展方向之一。(4)研制成功了各种各样的适应高速印刷的油墨。胶印水性油墨、无水印刷油墨、胶印用UV油墨等的研制和逐步推广，都将进一步促进胶印的发展。(5)造纸工，艺的改进，提高了纸张质量。纸张的抗拉强度和印刷适性的不断提高，为胶印高速印刷，特别是卷筒纸胶印机的发展创造了条件。(6)高新技术的应用使胶印机逐步尽善尽美。计算机技术、微电子技术、光纤通信技术、互联网技术、现代制造技术等高新技术的发展及在卷筒纸胶印机上的应用，大大地提高了卷筒纸胶印机的精度、质量和自动化、智能化水平。2. 社会的发展促进了卷筒纸胶印机的发展。技术问题的解决为胶印机特别是卷筒纸胶印机的迅速发展创造了客观条件。社会的发展，人们日益增长的物质、文化需求，彩色电视、互联网、多媒体出版的出现和发展，对传统印刷提出了严峻的挑战。不仅要求印刷多色化、高质量的印品，而且要求周期短、价格低，有很强的时效性。卷筒纸胶印机的发展恰恰可以满足这些要求。所以得到了快速发展。商业卷筒纸印刷机市场需求呈增长趋势已经成为现实。该种机型市场需求不断增长有三种原因：首先是商业卷筒纸印刷机有高的生产率，因为是双面印刷，印刷速度是单张纸四色印刷机的23倍，生产效率是单张纸四色印刷机46倍以上，从缩短高档印刷品的印刷周期，降低印刷品的加工成本的角度，受到印刷企业的垂青。其次是由于商业卷筒纸印刷机在技术上已经取得突破，铜板纸的印刷质量已经接近单张纸印刷机的印刷质量。商业卷筒纸印刷机的印刷质量和高速度的技术保障，诸如零速自动接纸、高速自动接纸、二次张力控制、烘干装置、冷却系统、上光装置等机构已经成为成功技术。最后是印刷市场的需求增长，如彩色杂志印品的不断增加，报纸彩色铜板纸插页的增加，彩色商品广告及彩色课本、图书、电话簿类书籍的增加，使商业卷筒纸印刷机市场不断扩展，从而形成商业卷筒纸印刷机进口的高峰2。1.3 国内外卷筒纸印刷机的特点卷筒纸胶印机是以纸带的形式连续供纸，连续不断的高速完成印刷、折页、收帖等过程的印刷机。它是现代新闻出版、商业印刷、书刊杂志印刷最重要的高效印刷设备。其特点如下：1. 效率高生产效率特别高是卷筒纸胶印机的一个突出优点。仅仅这一点，就使卷筒纸胶印机在与其他印刷机的竞争中占据了优势。2. 印品质量好随着现代技术的发展，高新技术在卷筒纸胶印机上的广泛应用，如数字技术、无轴传动、自动套印、水墨自动控制、闭环色彩控制系统、在线印刷质量自动检测和控制等，使得卷筒纸胶印机的印刷质量完全可以达到单张纸胶印机的质量水平。3. 适应性强(1)卷筒纸胶印机使用的纸张范围较宽，可用新闻纸、胶版纸、凸版纸、字典纸灯，许多纸张都可以印刷出符合要求的印刷品。(2)各种批量的印件均可适应。由于卷筒纸胶印机效率高、换版快及其他自动化、智能化控制的应用，卷筒纸胶印机印刷辅助时间大大缩短，废品率大大降低。(3)可变尺寸印刷。无轴传动技术的应用，无缝滚筒的出现，为解决卷筒纸胶印机印刷尺寸不能变化这一问题创造了条件。(4)折页开本多样化。(5)多功能配置。4. 经济效益好由于卷筒纸胶印机效益高、质量好、适应性强，而且有折页机构，在印刷的同时，将印刷品按要求折好，打大大缩短了印刷周期，满足了用户周期短、高质量的要求；由于印刷周期缩短，资金周转快，减少了资金的占用，提高了资金利用率；由于卷筒纸胶印机印刷折页一体化，减少了单张纸折页机的数量和投资；由于效率高，减少了印刷设备的台数，效益好3。1.4 卷筒纸印刷机科技成果随着科技的高速发展，很多科技成果已经在卷筒纸印刷机中进行了应用，应用的主要科技成果有以下四个方面：1. 四无技术无轴技术：商业卷筒纸印刷机高科技含量体现在各功能机组采用独立传动技术，使印刷机的传动结构大大简化，使操作脱离传统的手工作业，使设备智能化。无水胶印：为解决水墨平衡问题，采用网纹辊定量输墨技术，可以使输墨系统简化。这种印刷起源于柔性版印刷技术，应用前景较好。无缝滚筒：胶版印刷机由于滚筒存在上版版口，在印刷过程中容易产生振动影响印刷质量。采用没有版口的无缝滚筒，就要求版的形状是圆筒状，印刷机的结构可以实现直接从一端将圆筒状的印版轴向装入。无扎针折页：卷筒纸印刷机经过多组印刷以后进入三角板进行对折，折叠以后再进入滚筒进行裁切、一折、二折。2. 自动化技术为减少印刷外的辅助操作时间，排除人为因素对质量的影响，必须提高印刷机自动化水平，通常采用的新技术有以下几种：自动上版、自动洗橡皮布、自动换开本、自动穿纸、自动接纸、自动套准、自动供墨。3. 联线技术印刷机成为名副其实的印刷生产线。主要联机功能有：联机装订、联机堆积打捆、联机加硅上光、联机复卷、联机烫金。4. 辅机设备制造专业化零速自动接纸机：全球市场占有率高达90%，对于中低速接纸机印刷速度可以达到7m/s，高速自动接纸机最高线速度可以达到l3-17m/s。张力控制系统(我国使用日本三菱的技术)。大型烘干箱(我国企业采用MEGTEC的产品)。环保废气处理装置(我国尚没有应用此项技术，MEGIEC已经向美国提供这种产品)。商业卷筒纸印刷机在新技术应用方面还包括变频调速技术、调偏技术、可编程序控制器技术、墨色遥控技术、墨辊控温技术等4。1.5 卷筒纸印刷机的分类卷筒纸主要应用领域有报纸印刷、包装印刷、书刊杂志印刷、画册、宣传广告产品。四色印刷已经被看成是报纸印刷的一般趋势，特别是在印刷半商业印品以填补生产能力的印刷机数量不断增加的情况下。这是相当有关系的，因为报纸印刷机每天只操作大约6个小时。除此之外，更灵活的印刷机领域需要有可变卷筒纸宽度和幅面的更高自动化程度的印刷机，处理也必须更加灵活。如果安装了更多的热固型干燥装置，则从一开始就能与热固型的杂志印刷机进行竞争。从已经推出的这些印刷机所显示出的概念来看是可行的，在经济上也是有意义的5。1.5.1 按用途分类1. 报纸卷筒纸胶印机。主要用途是印刷报纸。目前，报纸卷筒纸胶印机，大部分是采用非热固型油墨，油墨干燥主要是靠纸张吸收，因此，不需要配备烘干装置。但是由于近年来报纸商业广告的增长，特别是高档商业广告，需要用热固性油墨印刷，因此对报纸卷筒纸胶印机进行部分改进，配备烘干装置，形成用于报纸的商业用卷筒纸胶印机。报纸卷筒纸胶印机的主要特点是：大型、高速，只有8开折页，对印刷速度和可靠性要求高。2. 商业卷筒纸胶印机。主要印刷彩色期刊杂志、各种商业广告、画报、商品目录、宣传画、挂历和部分包装等。商业卷筒纸胶印机，一般采用热固性油墨，因此，需要配备烘干装置、冷却装置、加硅装置等。3. 书刊卷筒纸胶印机。这是一种介于报纸卷筒纸胶印机和商业卷筒纸胶印机之间的一种机型。报纸卷筒纸胶印机主要保证高速、高效及时效性。印刷质量相对来说是第二位的。商业卷筒纸胶印机对效率的要求相对来说是处于第二位。书刊卷筒纸胶印机，其质量要求比报纸印刷高，而比商业印刷要求低。在速度和效率上不像报纸卷筒纸要求那样高。在机器精度上又没必要像商业卷筒纸胶印机那样要求严格。书刊卷筒纸胶印机的市场需求量又比较大，从经济和使用的角度出发，便出现了这种介于报纸卷筒纸胶印机和商业卷筒纸胶印机之间的书刊卷筒纸胶印机。4. 书报两用机。由于我国的小开本书刊的印刷幅面和报纸相同，为了一机多用，便出现了书刊和报纸两用的卷筒纸胶印机。这种机器主要是折页部分配备综合折页机，以便适应书刊印刷。1.5.2 按印刷部分结构分类1. B-B型机组单元（a）垂直走纸 （b）Y型印刷机组单元（c）H型机组单元2. 卫星型机组单元（a）卫星型机组单元 （b）半卫星型机组单元1.5.3 按纸带宽度分类国内卷筒纸胶印机纸带“幅”品种少，一般只有双幅纸、单幅纸、半幅纸6。国外的规格比较多。目前国内卷筒纸胶印机按纸带宽度可以分为以下三种：1. 双幅卷筒纸胶印机纸带宽为两个标准纸幅宽。目前，我国常用的有1575mm，即两个787mm标准幅宽。主要用于报纸印刷。2. 单幅卷筒纸胶印机纸带宽为一个标准纸幅宽。这是使用最多的卷筒纸胶印机。我国新闻用卷筒纸胶印机和书刊两用机采用的标准宽为787mm，书刊卷筒纸胶印机和商业卷筒纸胶印机采用的标准宽为880mm和890mm。3. 半幅卷筒纸胶印机这种机器使用的比较少。半幅小卷筒机又叫4开卷筒纸胶印机。报纸机和书报两用机采用的标准宽度是394mm，书刊、商业卷筒纸胶印机采用的标准宽是440mm或445mm。1.5.4 按裁切长度分类实际上，卷筒纸胶印机的最主要规格应该是其裁切长度。因为，卷筒纸胶印机的纸幅宽度是可以根据需要改变的，而裁切长度却不能改变。国内常用的裁切长度有546mm、620mm、630mm。国际常用的还有578mm、598mm及根据用户要求确定的裁切长度7。2 影响张力的因素影响张力的主要因素是拉力、纸速及纸的弹性系数，这是三个相互联系的基本因素。三个因素中任何一个因素的变化都会引起其它一个因素或两个因素的变化。三个基本因素本身不仅相当复杂而且还在印刷中受诸多因素的影响，这就决定了张力控制的复杂性和难度。拉力和打滑是张力的决定因素，表面速度和打滑决定了纸速。纸的弹性系数取决于纸的原材料、物理结构并最容易受印刷诸多因素的影响等。在卷筒纸胶印机上影响纸带张力的因素主要有以下几方面8。2.1 纸速纸速应该是纸的“表面速度”。因为纸很薄，其表面速度和速度差不多，可以等同视之。如果忽略纸带和过纸主动辊及纸带和印刷滚筒的打滑，则主动过纸辊或印刷滚筒的表面线速度就可以看作是纸带速度9。这样当转速不变时，增加或减小主动过纸辊或印刷滚筒直径即可改变纸带速度。如增加胶皮滚筒的包衬即可增加胶皮滚筒的表面线速度，从而改变纸带速度。但实际上打滑的情况是经常发生的，如纸带和主动过纸辊、冷却辊表面就容易打滑。打滑直接影响纸带张力，为此在卷简纸胶印机上应尽量减少纸带和主动过纸辊及印刷滚筒表面的打滑。如送纸辊中有一个为橡胶辊，冷却辊上增加压纸胶轮，折页机的紧纸辊两端为滚花螺纹或胶轮，都是为了减少打滑，保证纸带速度。纸速还与纸带经过的主动辊及印刷滚筒的表面状况有关。如主动钢辊带动纸带(如折页机紧纸辊)，加压后因钢辊不变形，在不打滑的情况下，纸带速度就可以认为是钢辊的表面速度。而对于橡胶辊表面则不同，如胶皮滚筒加压以后，橡皮布变形，这样纸带通过其表面时，速度取决于胶皮滚筒的实际速度，而与胶皮滚筒的理论表面速度不同。这种现象在印刷滚筒部分经常发生。2. 2 主动辊表面速度如图2-1所示，图2-1一个纸带在通过两个主动过纸辊之间时，可通过改变任何一端的主动辊的线速度，来改变纸带的张力(假定不打滑)。当B辊的表面速度大于A辊表面速度时，则在纸带上形成一个拉力即张力。减少A辊的表面速度或增加B辊的表面速度，都可以增加纸带张力；反之增加A辊的表面速度或降低B辊的表面速度则可减小张力。如果A辊和B辊的表面速度相同，并且纸的弹性系数不变，则在此跨度内纸带张力将保持不变。2. 3 纸张性质纸张的性质特别是弹性系数，对纸带张力影响很大。纸张也和其他弹性体一样，在拉力作用下伸长，当这个力去掉以后，又要复原。但纸不能完全恢复原状，只能恢复一部分，另一部分将成为永久变形10。实验证明，最大的永久变形发生在第一次拉力作用下。从第三次拉力开始，每次变形量不变，其弹性恢复也总是相等的。图2-2为纸受力和变形的试验结果。第一次拉伸力约为28磅英寸(5k巧cm)，永久变形约为0.45。在第二次拉力作用下永久变形约为0.05，第三次受力后变量和恢复量相等。这试验虽然是在水平张力作用下进行的，而且用的拉力比印刷时用的张力大得多，但和印刷中产生的永久变形结果相似。图2-2纸的弹性系数主要取决于纸的成分及物理结构。纸的厚薄、纸纤维的长短、纸纤维的种类、造纸时添加材料以及纸的湿度，都将影响纸的弹性系数。这些因素有些在造纸过程中已经确定下来，有些在印刷过程中还要变化(如印刷用水改变湿度)，这就使纸张张力控制变得复杂了。卷筒纸胶印机纸卷是在造纸厂用一定的张力多次缠绕的大量纸带，相当于在上机之前就已经给纸带施加了一定的张力。当纸带依次送到印刷机组时，将产生较大的弹性恢复，这对卷筒纸胶印印刷是非常不利的，不像单张纸胶印机那样，事先晾纸进行处理，上机后变形很少。为了克服卷筒纸胶印机这个不利条件，在卷筒纸给纸机上，一般都使纸带经过尽量多的过纸辊，使纸多次受力和恢复变形。从这个意义上说，卷筒纸给纸机的纸路应尽量长，而且要受比印刷张力大的拉力，使纸受力变形尽量发生在进入印刷机组之前，这样将有利于卷筒纸胶印机的印刷和套准。2.4 纸的含水量纸的含水量大小，直接影响纸的弹性系数。在卷筒纸胶印机中，除无水胶印外，印刷时必须要用水，水量大小的控制将对张力产生直接影响。同时热固型卷筒纸胶印机，纸带经过多色印刷之后要进行烘干。纸带经过烘干后，其中部分水分在烘干中被蒸发，纸带失水而收缩，弹性系数马上增大。结果同样的拉力作用下由于纸带烘干收缩而使纸带张力加大。纸带的含水量对弹性系数有多大影响，目前还难确定一个准确的比例关系。不同的纸张不同的含水量将有不同的结果，只能分别试验。图2-3为不同含水量的不同新闻纸的弹性系数，图中曲线所标数值是纸张含水量的百分数。由图可以看出，在同样拉力下，含水量大的变形也大，也就是说，含水量大的弹性系数小。图2-32.5 印刷速度及操作水平除了上述因素之外，印刷速度、工艺、操作水平也是很重要的影响因素。即使是用同样性质的纸张，同样的印刷品，在不同的工厂、不同的机器上印刷，印刷工艺可能不同。由于操作者水平不同，使用的实际参数(如水量、压力)可能不同，因此，其结果也各不相同。试验结果表明，印刷过程中决定纸张变形的最主要因素是印刷速度、速度变化量、印刷用水量、烘干温度及张力大小的选择。而纸张上机前的含水量并非最主要的因素。这就要求印刷操作者不断地总结经验，掌握规律，在较差的条件下印出好的印刷品来。3 卷筒纸张力控制的研究卷筒纸印刷机是以卷料形式供应承印材料的印刷机。卷筒纸印刷机已经非常广泛的应用在报纸、书刊、精美产品的印刷中卷筒纸印刷生产主要是应用在报纸、画册、图书等印刷工作中11。中国目前使用的卷筒纸印刷设备大多数是进口产品,无论是商业卷筒纸还是报纸卷筒纸的印刷生产一般都是采用各种品牌的国外先进印刷机实现。其中主要有瑞士维发(W I2FAG) 、德国曼·罗兰(MAN·ROLAND) 、高宝(KBA) 、海德堡(HEIDELBERG) 、美国高斯(GOSS)等产品。为了实现卷筒纸印刷工作,纸带在进入印刷装置之前必须保持平整、蹦紧程度适中,就是要保持一定的走纸张力。纸卷在输送纸带的过程中,使纸带处于拉紧状态的力称为张力。在印刷过程中假如纸带处于无约束状态自由展开,则纸带就不能完成印刷工作纸带张力的大小直接关系到卷筒纸胶印机图像转移的状态。在印刷过程中纸带的张力需要恒定不变和大小适当12。如果张力大小不合适,就会造成一系列工艺故障。如纸带飘移、起皱褶、破口或撕裂、套印不准、天头、地脚位置不准等,从而造成纸带浪费,影响机器运转效率,增加劳动强度,而最终影响生产质量。当纸带张力过大时,印刷网点会产生一定的变形,纸带在纵向会打皱、甚至发生横向断裂;当纸带张力过小时,会造成印迹模糊、套印不准、横向皱褶;当纸带张力不稳时,也会造成套印不准、重影、纵向皱褶等印刷故障,影响印刷生产。因此卷筒纸印刷机在印刷过程中,纸带必须具有一定的张力,以便控制纸带的运动,并保证纸带在印刷过程中张力大小恒定不变。3.1 卷筒纸纸印刷机张力控制的重要性众所周知影响印刷质量的冈素很多，如印前的文设计、分色、制版、选择水基墨；印刷时的模切、横切、烫金：印刷的张力控制、网纹辊选择、印刷压力调： 等。对于卷简纸轮转胶印机来说，最重要的就是张力控制，作为轮转机，采用连续进纸、连续印刷模切的方式，一旦张力不稳，套准偏差大，浪费的印刷材料少则十几米，多则几十米，不仅影响质量，也使废品率上升。供纸部分的张力控制系统由刹片、制动器、浮动辊等组成，为了使纸带张力保持恒定，纸卷制动器必须能够根据纸带张力的波动情况自动进行调整以保证纸带匀速、平稳地进入印刷装置。在机器平稳运行过程中，应保证纸带张力稳定在给定值上，在启动和刹车时防纸带过载和随意松卷。在印刷过程中，随着纸卷直径不断减小，为保持纸带张力的恒定，需要对制动力矩进行相应的调整。在不考虑由角加速度产生的惯性力矩和阻力矩的前提下，为保证纸带稳定运行，应该满足下面的条件：F为纸带张力，R为纸卷半径，T为纸卷轴芯的制动力，r为纸卷轴芯制动力半径。可以看出，随着纸卷半径的减小，如果不改变制动力的大小，纸带所受到的张力会越来越大，最终会使纸带被拉断。因此，在保持纸带张力稳定的前提下，随着纸卷半径的减小，制动力必须按照一定的规律随之减小13。在进行印刷图像转移的过程中主要采用两种印刷机类型进行印刷工作，其中一种就是卷筒纸印刷机。这种印刷机在印刷过程中纸是以带状，连续向印刷机中输送的。印刷图像转移到纸张表面后，再进行裁切处理，如报纸印刷就是这种印刷方式。在印刷过程中假如纸带处于无约束状态自由展开，则纸带就不能完成印刷工作。纸带的绷紧成程度大小直接关系到卷筒纸胶印机图像转移的状态。只有把纸带以一定的力量拉紧才能有效地控制它的运动。印刷机印刷速度是3万8万转h。在高速运行中完成印刷图像所有细节的转移，要求纸带和印刷装置的瞬间速度必须一致。纸带微小的力的变化引起速度的波动都会产生严重的图像转移故障。在印刷过程中纸带的张力需要恒定不变和大小适当。如果张力大小不合适，就会造成一系列工艺故障。如纸带飘移、起皱褶、破口或撕裂，从而影响生产质量并造成纸带浪费。因此卷筒纸印刷机在印刷过程中，纸带必须具有一定的张力，以便保证纸带的运动；同时要保证纸带在印刷过程中张力大小恒定不变。影响纸带张力变化的原因很多，各种因素的影响结果也不尽相同。纸卷在制造、运输和使用过程中形状的变化会引起纸卷在工作中的抖动、偏斜等。纸卷在制造过程中纸带缠绕的不均、歪斜；纸卷在运输和储存中受到挤压都会导致纸卷形状的变化、产生偏心、外圆不规则等状况。另外，纸卷在使用过程中，直径尺寸会越来越小。同样的纸带驱动力，当纸卷直径尺寸不同时，纸带上的张力就会不同。当纸卷的直径减小时，纸带的张力将随之变大14。为了保证纸带在印刷过程中张力大小的恒定、满足印刷工作要求，纸卷制动器必须能够根据纸带张力波动的情况自动进行调整，以保证纸带匀速、平稳地进入印刷装置。纸卷制动器在机器稳定运转期间，应保证纸带张力稳定在给定值上，在启动和刹车期间防止纸带过载和随意松卷。在生产过程中，随着纸卷尺寸的不断减小，为保持纸带的张力恒定，需对制动力矩进行相应地调整。控制纸带张力的装置就是纸带张力控制系统。纸带张力变化太大。引起纸带和胶皮滚筒之间产生滑移而产生模糊。解决办法:检查纸卷是否有问题，检查张力控制系统调整是否有误和失灵，发现问题及时解决。如果还不行，可考虑在给纸和第一印刷机组之间安装二次张力控制机构15。3.2 卷筒纸张力的控制3.2.1 张力控制方法目前印刷行业中采用的卷筒纸印刷机配备多为进口设备，国产机大部分也配备进口的给纸系统。这些给纸系统主要有美国巴特尔(Butler)、康泰(Conti)、宝德温(BALDWIN)、AMAL和英克(ENKEL)SE接纸系统、美国马汀接纸系统。目前中国引进的先进的卷筒纸胶印机配置的供纸机绝大多数都是MEGTEC公司的产品，使用较多的MEG DLP1000、DPL250、DCA型供纸机等。MEG制动采用轴制动方式，在纸卷轴端设置闸瓦，制动力采用气压式加载方式，即采用芯轴制动的气动式张力控制系统。目前张力控制的方法主要有电磁式、气动式和电子张力控制等。由于印刷质量对生产的要求，张力控制采用闭环控制方式。闭环张力控制系统是通过检测装置对张力信号进行检测，并将检测的结果送回到系统中。控制系统依据张力设定值和张力检测反馈值进行比较的结果进行处理。闭环控制的特点是随机性强，控制精度高。目前主要应用在比较先进的卷筒纸多色印刷机的纸带张力控制系统中。控制力进行纸卷张力是通过纸卷制动装置的制动力大小调节实现张力控制；力方式进行的张力控制系统主要是在给纸部分，通过采用各种不同的制动器对纸带进行制动的方式。一般是用于纸卷开卷部分。气动式张力控制系统控制平稳、动作迅速、控制质量好而在高档卷筒纸印刷机中得到了非常广泛的应用7。3.2.2 张力控制系统的数学模型1. 张力控制系统原理图张力控制系统采用了工业控制机为控制核心, 磁粉离合器为执行元件, 半径跟随臂实时反馈纱团半径变化16。2. 张力控制系统的数学模型根据张力控制器的力矩平衡原理得出卷轴的力矩方程: (1)式中:卷轴的当量转动惯量; 卷轴的角速度;给定的纱线张力; 卷轴半径;磁粉离合器的输出力矩。工 业控制机PWM功放回纱电机磁粉离合 器减速器纱团半径跟随 臂3.2.3 气动张力控制1. 气动张力控制原理在卷筒纸印刷工作中，纸带在驱动装置的驱动下向前运行，为了实现对纸带形成一定的约束，就必须给纸带施加一定的制动阻力。这样纸带在驱动和制动的作用下连续不断地进入印刷装置中实现印刷工作。制动的约束一般是施加在纸卷展开了的部分，制动力施加在纸卷的芯轴位置。随着纸卷尺寸的不断减小，制动力也要随着减少。纸带张力控制系统主要是对制动装置的制动力大小进行精确的控制。制动力根据气缸中气压的变化驱动制动闸垫和固定闸盘之间的摩擦状态实现制动。2. 气动纸带张力控制系统一般情况下，印刷生产工艺要求单位宽度的纸带张力为720 kgm，纸带张力范围是1035 kg(在1020 mm宽度内)。气动张力控制系统主要是通过气动装置的气压信号在制动气腔中产生不同的负压实现对纸卷芯轴的制动。系统的张力检测是通过安装在浮动辊回转轴处的旋转电位计进行测量的，并将其转换成420 m ADC的标准信号，送到给纸机控制器进行调节，通过电气转换器将电信号变成0.020.1 MPa气信号送到气动薄膜调节阀，通过调节阀的开度大小改变气动制动器的制动状态。张力传感器放置在输纸路线中某一个浮动辊处。纸带张力给浮动的过纸辊施加力的作用(产生负载力)，这个力使浮动辊位置发生变化。系统中的浮动辊在起到稳定纸带张力，通过浮动辊位置变化来给纸卷施加一定的阻力。根据印刷生产中使用具体的纸带的特性，给出一个适当的纸带张力数值，也就是初始张力。印刷生产中张力控制就是要保证这个初始设定的张力数值的稳定。初始张力的设定是通过浮动辊处的一个气缸进行的。如果纸带开卷张力等于设定的张力，浮动辊的位置不变。如果纸带开卷的张力小于设定的张力，即开卷速度高于印刷速度，则浮动辊上升，使纸带路径增长，同时增大纸卷的制动力，减慢开卷速度；如果纸带开卷的张力大于设定的张力，即开卷速度低于印刷速度，则浮动辊下降，使纸带路径缩短，同时减小纸卷的制动力，加快开卷速度。浮动辊会绕着支撑轴心回转，安装在支撑轴心部的电位计将这个回转带来的电压的变化检出并输出一个与之对应的张力电压信号控制张力系统纸卷制动力的大小。张力控制系统的结构如图3-1所示。图中E为电信号，P为气信号。卷筒纸印刷机的纸带张力控制采用闭环控制方式。闭环控制抗干扰能力强，控制精度高。张力闭环控制框图如图3-1所示。图3-1在气动张力控制系统中，控制系统的电量通过气电转换器实现信号的转换，根据输给的电信号使气缸活塞在任意位置定位。气动张力控制实际上是一个位置伺服控制系统。该系统的基本原理是通过控制器、电一气比例阀、气缸的调节作用，使与纸带张力大小对应的输入电压信号与纸带张力检测辊位移反馈信号进行比较得到电压之差，实现纸卷芯轴处气缸活塞位移的变化，实现制动力大小的改变，达到张力数值稳定的目的。这就实现了输入信号对气缸活塞位移比例控制。纸带张力在生产中时不断变化的，当张力变化值超过一定范围时，控制系统开始进行调节。控制系统的调节过程是在一段很短的时间内完成的，要完成控制要求输入信号的主要频率分量在系统的频宽之内，保证气缸活塞位移可以跟踪信号的变化。张力控制中的气动执行元件的气动制动器在实际使用中要要注意的主要问题是，气动制动器中固定闸片初始位置的调整，如果这个位置调整不当会影响整个制动系统的制动状态，使张力控制系统精度收到影响。气动张力控制系统的控制质量还收到检测传感器精度和可靠性的影响，纸带的高速运行和一定程度上的抖动和振动影响着测量数据的准确；气动位置系统的工作状态和精度也是影响张力控制系统不可忽视的因素。3.3 磁粉制动器控制张力张力控制系统主要是为了使纸带展开过程中张力保持恒定,通过对纸卷设置制动器并对这个制动器进行必要的控制实现。张力控制系统的制动器大都采用磁粉制动器,通过对其激磁电流的控制就可以做到:在机器的印刷速度恒定时,保证料带张力稳定在设定的数值上;在机器启动和刹车期间(就是在加速和减速时)可以防止料带过载和随意松开;在机器的印刷速度恒定期间,随着纸卷尺寸不断地减小,为了保持料带的张力恒定需使制动力矩相应地变化17。3.3.1 系统的构成图3-1是一种卷取设备的物理模型。其中I ,J 分别为收卷辊和放卷辊;Z1 ,Z2 分别为它们的驱动器;A ,B 为Z1 ,Z2 的控制器; PLG1和PLG2 为速度检测装置; Tf 为张力检出。图3-1显然Z1作电动机运行,调节其转速以维持系统线速度恒定,由A 控制器完成。Z2与放卷辊联结,作制动运行,其制动力矩作用于放卷轴,阻碍其运动,从而建立起卷绕物的张力,调节制动力矩即可调节张力。系统对放卷辊的主要要求是:建立恒定张力,并在一定范围内可调,在起动和加减速过程中张力波动小,停车时有一定静张力18。3.3.2 磁粉制动器的特性及选择磁粉制动器是一种新型的自动控制执行元件。它根据电磁原理,利用磁粉来传递转矩,所传递的转矩在其额定转矩内通过激磁电流可任意调节,激磁电流(If) 和转矩(M)在一定范围内成线性关系(图3-2)。当激磁电流不变,转矩将会稳定输出,不受滑差速度(v)的影响(图3-3)图3-2 图3-3磁粉制动器的选择,主要根据系统所需转矩范围,转矩上限受电磁容量及机械机构限制,最高使用转矩为磁粉制动器额定转矩。考虑到转矩稳定性、可调性等,下限一般为额定转矩的10%。选用磁粉制动器在其额定转矩满足要求的同时,还应保证使用的实际滑差功率小于其允许滑差功率。放卷时系统的实际滑差功率(按恒张、恒线考虑)为式中为功率,W;为张力,N;为线速度,m/s。3.3.3 磁粉制动器张力调节原理制动器产生的转矩为MD=MT-MO±Md式中MT为张力转矩,N·m ,M T = T×D/2;Mo为空载转矩; Md为动态转矩,Md =GD2/375 ·d n/d t=GD2/375·60D·dv/dt;D为放卷辊直径,m。从图2-4可见,当电流切断后剩磁作用很少,乎不存在空载力矩,Mo,制动器转矩变为MD=MT±Md对应激磁电流应为ID = IT±Id式中IT =MT/K=D·T /2K;为静特性斜率。动态补偿电流Id为 (1)式中k =1/K· 60/375这里GD2为放卷辊总的飞轮惯量,它包括制动器本身及卷筒的等效GD2M以及卷材的GD2A,即GD2 = GD2M + GD2A (2)GDM为固定值,而GD2A 随卷材直径D不同而变化GD2A = k1 ( D4 - D4o) (3)式中k1为与卷材比重及宽度有关的常数; Do为卷材内径,m。所以GD2 = k1 D4 + k2 (4)其中k2 = GD2M - k1D4o把(4)式代入(1)式得Id = (AD3+B/D) ·d v( t)/d t (5)其中A = k·k1 ; B = k·k2 。从(5)式可见,为补偿动态