0 引言

卷筒紙印刷機是一種高效印刷設備，在印刷機械設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，也就是轉速逐漸加快，在完成印刷以后，再經過裁切、折頁、收頁，達到裝訂工序的要求。還有一種放卷和收卷的設備，紙卷收卷過程由小直徑向大直徑變化，也就是轉速逐漸減小，同時要求在放卷和收卷之間，紙帶張力的變化應該在允許的范圍之內。

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，并給予紙帶適當的制動扭矩，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、縱向分切機等設備，配備有收紙機構，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、電位器等組件構成。在給定張力值的基礎上，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。

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)結構的張力控制系統(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，使轉子和定子間的純鐵磁粉磁化，形成磁粉鏈對轉子產生拉力，從而對紙帶產生一定的阻尼轉矩，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，因此會不斷產生熱量，影響磁滯性能的穩(wěn)定和印刷設備的正常工作。為此，設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構比較復雜，磁粉裝填量、轉子和定子之間的間隙和磁通量呈函數關系，更換磁粉可能影響原來設定的磁性能指標，從而造成調整張力過程時紙張的浪費。磁粉制動器的結構如圖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生，這種張力控制系統(tǒng)部分將電能轉化為熱能，因此還需要附加水冷卻系統(tǒng)或冷熱風交換系統(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)實現數字化。

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

卷筒紙印刷機的驅動方式已經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數字化，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，紙卷在不同的轉速下完成收放卷過程。為保證印刷質量，紙卷和印刷機組之間要保持一定的張力，才能保證印刷準確，不至于出現紙張松弛、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，紙卷當前直徑可按式(1)計算(如圖6所示)。

D=D0-2nd (1)

式中：D為當前的卷徑;

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;

d為紙帶厚度。

3.2 紙卷的轉速計算

放卷過程卷筒紙直徑不斷縮小，每一層紙張的轉速都在變化，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，紙卷的第一層轉速為96 r/min。當紙卷放卷轉到紙心時，如果D=0.2 m時，其周長為3.14伊0.2=0.628 m，則最后一層的轉速為580 r/min。為保持一定的張力，紙卷的轉速應該滯后一些(如圖7所示)。

根據卷筒紙印刷機的實際印刷速度和紙卷外徑及內徑尺寸，可以計算出放卷到一定的直徑時的紙卷的轉速，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速變化設定的依據。

4 結語

目前，變頻器市場上已經出現用于張力控制系統(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張力開環(huán)轉矩模式、張力閉環(huán)速度模式、張力閉環(huán)轉矩模式等控制方式。變頻器應用的產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、復卷機的放卷和收卷張力控制系統(tǒng)也可以得到解決。