0 引言

卷筒紙印刷機是一種高效印刷設(shè)備，在印刷機械設(shè)備中有著廣泛的用途，主要用于報紙、書刊和彩色商業(yè)印刷，是印刷工業(yè)的骨干設(shè)備之一。

印刷承印物的材料有多種形式，紙張印刷和加工占最大的份額。紙張的印刷和加工有兩種形態(tài)，一種是單張紙間歇式印刷，另一種是卷筒紙連續(xù)式印刷。在印刷和加工卷筒紙的過程中，紙帶在線速度不變的前提下，卷筒紙卷在放卷的過程中由大直徑向小直徑變化，也就是轉(zhuǎn)速逐漸加快，在完成印刷以后，再經(jīng)過裁切、折頁、收頁，達到裝訂工序的要求。還有一種放卷和收卷的設(shè)備，紙卷收卷過程由小直徑向大直徑變化，也就是轉(zhuǎn)速逐漸減小，同時要求在放卷和收卷之間，紙帶張力的變化應(yīng)該在允許的范圍之內(nèi)。

1 傳統(tǒng)卷筒紙印刷機的張力控制系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的卷筒紙印刷機上，印刷滾筒帶動紙帶運動，放卷軸上聯(lián)接磁粉制動器，并給予紙帶適當(dāng)?shù)闹苿优ぞ?，二者之間形成張力控制。卷筒塑料凹版印刷機、卷筒塑料柔性版印刷機、縱向分切機等設(shè)備，配備有收紙機構(gòu)，收紙張力控制系統(tǒng)采用磁粉離合器。放卷的張力控制系統(tǒng)由磁粉制動器、傳感輥、電位器等組件構(gòu)成。在給定張力值的基礎(chǔ)上，如果放卷紙帶張力發(fā)生變化，則傳感輥中心的位置發(fā)生變化，從而帶動電位器的阻值發(fā)生變化，使磁粉制動器的勵磁電流變化，改變磁粉制動力矩從而達到張力恒定的目的。相反，收卷過程也需要保持一定的張力，在收紙軸上連接磁粉離合器起到控制張力的作用。為達到張力控制作用，卷筒紙印刷機還可以用空氣摩擦盤裝置、機械摩擦盤裝置和抱閘式張力控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。

2 變頻器控制張力的基本考慮

2.1 傳統(tǒng)張力控制系統(tǒng)的缺點

采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的張力控制系統(tǒng)，有以下幾個缺點。

1)磁粉制動器和離合器的工作原理是在磁場作用下，使轉(zhuǎn)子和定子間的純鐵磁粉磁化，形成磁粉鏈對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生拉力，從而對紙帶產(chǎn)生一定的阻尼轉(zhuǎn)矩，形成印刷紙張的張力控制系統(tǒng)。由于紙帶張力不斷波動，磁粉鏈在磁力變化的作用下，始終處在相互摩擦的狀態(tài)中，因此會不斷產(chǎn)生熱量，影響磁滯性能的穩(wěn)定和印刷設(shè)備的正常工作。為此，設(shè)備還需要配備冷卻系統(tǒng)，以防止磁粉使用過程中會生銹和老化，影響張力控制的穩(wěn)定性。

2)磁粉制動器和離合器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，磁粉裝填量、轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙和磁通量呈函數(shù)關(guān)系，更換磁粉可能影響原來設(shè)定的磁性能指標(biāo)，從而造成調(diào)整張力過程時紙張的浪費。磁粉制動器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，電氣原理如圖2 所示。

3)傳統(tǒng)的張力控制系統(tǒng)工作原理是利用磁粉制動器和離合器的滑差控制紙帶的張力，滑差過程伴有大量的熱量產(chǎn)生，這種張力控制系統(tǒng)部分將電能轉(zhuǎn)化為熱能，因此還需要附加水冷卻系統(tǒng)或冷熱風(fēng)交換系統(tǒng)，造成能源和資源的浪費。

2.2 采用變頻器控制的張力控制系統(tǒng)

采用變頻器控制的張力控制系統(tǒng)(見圖4)替代傳統(tǒng)的張力控制系統(tǒng)(見圖3)，就克服了以上的缺點，使卷筒紙印刷機的張力控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化。

采用變頻器控制張力完成印刷和收、放卷的過程，使設(shè)備的結(jié)構(gòu)大大簡化，并可以達到節(jié)約大量資源和電能的目的(見圖5)。

卷筒紙印刷機的驅(qū)動方式已經(jīng)擯棄主電機通過長軸帶動各機組運行的落后方式，改為用伺服電機獨立驅(qū)動各印刷機組的模式，采用變頻器控制的張力系統(tǒng)(見圖5)，不但使卷筒紙印刷機實現(xiàn)數(shù)字化，而且還節(jié)約了大量的資源。

3 變頻器控制張力的工作原理

卷筒紙印刷機在印刷過程中，紙帶的線速度保持不變，紙卷在不同的轉(zhuǎn)速下完成收放卷過程。為保證印刷質(zhì)量，紙卷和印刷機組之間要保持一定的張力，才能保證印刷準(zhǔn)確，不至于出現(xiàn)紙張松弛、斷裂和影響套印精度等的問題。

3.1 卷筒紙放卷過程

卷筒紙紙帶放卷過程的原理，實際上是一條螺旋升角為紙張厚度的阿基米德螺線，為計算簡單可以將紙卷近似看成若干同心圓，在放卷時，紙卷當(dāng)前直徑可按式(1)計算(如圖6所示)。

D=D0-2nd (1)

式中：D為當(dāng)前的卷徑;

D0為放卷為紙卷起始外徑(收卷時D0為紙心直徑，紙卷直徑D=D0+2nd);

n為紙帶層數(shù);

d為紙帶厚度。

3.2 紙卷的轉(zhuǎn)速計算

放卷過程卷筒紙直徑不斷縮小，每一層紙張的轉(zhuǎn)速都在變化，但印刷過程的紙張行進的線速度基本固定不變，每層紙張的轉(zhuǎn)速可由式(2)求出(如圖7 所示)。

如果卷筒紙印刷機的印刷速度為40 000 張/h，每張印品裁切幅面為0.546 m，那么紙張的線速度為364 m/min。如果紙卷的起始直徑為D=1.2 m，其周長為3.14伊1.2 m=3.768 m，紙卷的第一層轉(zhuǎn)速為96 r/min。當(dāng)紙卷放卷轉(zhuǎn)到紙心時，如果D=0.2 m時，其周長為3.14伊0.2=0.628 m，則最后一層的轉(zhuǎn)速為580 r/min。為保持一定的張力，紙卷的轉(zhuǎn)速應(yīng)該滯后一些(如圖7所示)。

根據(jù)卷筒紙印刷機的實際印刷速度和紙卷外徑及內(nèi)徑尺寸，可以計算出放卷到一定的直徑時的紙卷的轉(zhuǎn)速，從而得出如圖8 所示速度變化曲線圖，以此可作為變頻器調(diào)速變化設(shè)定的依據(jù)。

4 結(jié)語

目前，變頻器市場上已經(jīng)出現(xiàn)用于張力控制系統(tǒng)的專用變頻器，變頻器廠家還提供了豐富的張力控制專用模塊，主要模塊包括卷徑計算模塊、張力錐度模塊、慣量力矩補償模塊、自動換卷模塊、斷帶檢測模塊等。這些配套模塊可以實現(xiàn)張力開環(huán)轉(zhuǎn)矩模式、張力閉環(huán)速度模式、張力閉環(huán)轉(zhuǎn)矩模式等控制方式。變頻器應(yīng)用的產(chǎn)品除卷筒紙印刷機放卷張力控制以外，凹印機、表格機、分切機、復(fù)卷機的放卷和收卷張力控制系統(tǒng)也可以得到解決。