Lenze產品自動化控制系統在壁紙印刷機上的應用

1 前言

壁紙是目前市場上應用十分廣泛的室內墻面裝飾材料，以色彩豐富、肌理質感強、圖案豐富、綠色環保、裝飾效果高貴典雅優越而越來越受到人們的青睞。壁紙又是一種具有綠色環保理念的高科技產品，講究環保，采用多種材質，具有不同的藝術效果，消費者可根據個人喜好選擇自己喜歡的款式。隨著我國經濟和社會的不斷發展，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 壁紙印刷機的設備結構及工藝

壁紙的印刷主要分凹版印刷和圓網印刷兩大類，兩種工藝各有千秋。凹版印刷壁紙的特點是著墨均勻，層次感強，印刷精度高；圓網印刷的特點是上漿量大，它將不同顏色和配方的PVC漿料印到紙基上以后，經過烘箱發泡，讓這些漿料發泡成高低不一、立體感強、手感柔軟的產品。目前市面上的凹版印刷機或圓網印刷機已無法滿足生產的需求，開始被日益成熟的圓網凹印一體壁紙印刷機逐漸取代。

圓網凹印一體壁紙印刷機設備的工藝大致為：雙工位放卷→燙平機構→印刷組單元（圓網與凹?。ㄅP室烘箱→壓花機）或雙工位收卷，如圖1所示。

注：目前市面上的圓凹一體壁紙印刷機一般在有壓花機的情況下，其后面不再會有雙工位收卷，而由收大卷或者收小卷取代；在沒有壓花機的情況下，才會有雙工位收卷，因為規模較大的印刷廠，一般會有單獨的壓花生產線，規模較小的印刷廠才會在壁紙生產線上安裝壓花機。

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，并具備不停機接紙功能。

2.燙平機構：由內部充滿滾熱油脂的三個內部空心的鋼輥組成，這三個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。圓網由鎳金屬制造，又稱鎳網，呈六邊形網孔，圓網印刷是利用刮刀使圓網內的色漿在壓力的驅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、軸流風機和燃燒器組成。當天然氣進入燃燒器后，烘箱箱體內的空氣會被加熱，在軸流風機的動作下，熱空氣會被均勻吹散在立式烘箱內，這樣壁紙就會被很勻稱地烘干。冷水輥中充滿循環冷凝水的內部為空心的鋼輥，其作用是經過立式烘箱烘干的壁紙迅速冷卻下來以進入下一色組印刷。

4 臥式烘箱：其構成與立式烘箱相同，但是其較立式烘箱更矮更長一點，作用是供圓網印刷發泡使用。

5 壓花機：由壓花輥和四缸冷卻機構成，其作用是使壁紙印刷圖案在臥烘內經高溫發泡以后，可形成凹凸不平圖案的立體壁紙。壓花機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收料架，氣漲軸收料，配備擺輥式全閉環張力控制系統，控制收卷張力，張力的調節由精密調壓閥設定，低摩擦氣缸執行。

壁紙生產工序流程：

原紙發送→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→卷取→裝箱→入庫。

3 Lenze解決方案

Lenze提出以中央運動控制器3200C為核心的自動化控制系統方案。在顯示層采用獨立的HMI P300控制器，在控制層采用I/O 1000和3200C的完美組合可執行所有邏輯控制。在驅動層采用具有緊湊性和高靈活性的創新型伺服驅動器i700以及結構緊湊、動態響應性好且采用可插拔鏈接設計的MCS和MCA電機，更可靠地實現高精度運動控制功能。

基于運動控制器的3200C運動控制系統可以為更復雜、更精密的設備提供更完美的控制，在很大程度上能提高設備的控制性能，邏輯控制和運動控制不在分家，而是由同一套編程軟件PLC De-signer來完成，不再為運動控制和邏輯控制的配合而擔憂?？刂葡到y采用板載的高性能實時總線系統EtherCAT，其協議處理完全在硬件中進行，通過總線可以形成超高速控制回路，使網絡性能達到了一個新境界，實現傳統的現場總線系統無法迄及的控制理念。圓網凹印一體壁紙印刷機網絡拓撲如下圖2所示。

該系統以3200C運動控制器為核心，囊括了若干臺驅動i700，一臺9400，若干臺MCS電機，一臺MCA電機和四臺異步電機，其中跟隨虛軸做位置同步的MCS和MCA電機分別實現圓網印刷，凹版印刷，壓花和冷水輥張力調整，跟隨虛軸做速度同步MCS電機的實現燙平機全閉環張力控制，緊以虛軸作為速度來源，獨立控制的四臺異步電機分別實現收卷和放卷。

由于Lenze控制系統出色的表現以及與客戶機械的完美配合，該圓網凹印一體壁紙印刷機生產速度凹版可達100m/min，圓網可達80m/min，無套準情況下套印精度可達0.15mm。

4 實現的主要功能

（1）采用虛擬電子軸控制，來實現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，擺桿左右限位等關鍵參數，便可輕松實現基于初始卷徑的自動卷徑計算，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，無需額外增加設備即可實現內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接料，避免了由于停機帶來的耗材損耗和生產耽誤，節約了生產成本，提高了生產效率。

（3）進牽引閉環張力控制，全色組張力監控和間接控制：

壁紙機張力的控制程度直接關系到壁紙的印刷精度，因此壁紙印刷的關鍵就是對張力的控制。在燙平機和一色印刷單元，每相鄰兩個印刷單元之間均裝有張力傳感器來實時控制或監測機組單元當前的張力狀況。燙平機伺服軸需要做全閉環張力控制，對送料做精準控制，張力控制在設定值2%左右。每相鄰兩個印刷單元之間因張力的調整需要平緩，故通過調節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，以實現張力的平衡。

（4）預對花以及追花功能：

預對花功能，即保留原來生產印刷某一時刻各個印刷軸當前位置的功能。在下一次印刷前，讓各個印刷軸移動到上次印刷時所記憶的位置。預對花功能的引入大大降低了機器在印刷準備階段的廢料，為企業節省了大量的原材料。

追花功能，即調整兩色印刷或某幾色印刷軸之間的相位差來實現高精度的印刷。

（5）獨立壓花功能

經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，且壁紙在壓花前還對溫度有一定的要求。在這種情況下，獨立壓花系統應運而生。在需要壓花時采用電氣壓花系統投入，不需要壓花時進行壓花系統切除。同時壓花系統也可以進行預對花和追花，確保最大限度地節省原材料。

5 技術關鍵點

1）i700具有安裝體積小，通過直流母排供電，通過控制系統自動下載參數/固件，可插拔連接技術等特點，可為客戶節省許多電柜安裝空間，提高電源使用效率，更輕松地實現參數修改和固件升級，為替換和維護帶來更多的便捷。

2）控制系統板載EtherCAT，使控制網絡性能達到了新的高度，很大程度上提高了設備的性能。

3）搭載Intel? Atom? 1.6 GHz高性能的3231C處理器，免電池無風扇設計，確保設備無需維護。此外，設備采用可插拔式存儲卡設計，便于更換。

4）基于PLC Designer的L_TT1A_TechnologyModules針對特定的應用開發專用的功能塊，例如針對收放卷有擺輥控制收放卷技術模塊（Dancer-Controlled Winder technology module）或者張力控制收放卷技術模塊（Tension-Controlled Winder technology module）；針對凸輪控制有電子凸輪技術模塊（FlexCAM technology module）等，Lenze將多年的行業應用經驗融入其中，讓特定控制變得更加專業，同時操作更加簡單，大大地減少了編程的工作量。

5）使用基于PLC Designer編程軟件的技術模塊Application Template PackML模板編程。

6）花20%的時間便可完成80%的工作，為客戶機器上市節省了大量的時間。

6 展望

壁紙印刷機在發展初期為凹版機械通軸，印刷產量低，精度差。后來發展為凹版電子軸和圓網電子軸，雖然精度和產量都有所提高，但其生產的產品仍較單一，而當前新興的圓網凹印一體壁紙印刷機克服了以上所有缺點，不僅生產效率高、產品精度高，而且在工藝方面還取得了很大的突破，可實現圓網打底、凹版套印，還能開發出更多品質優美的產品。相信隨著壁紙市場的蓬勃發展和人們對壁紙品質要求的進一步提高，圓網凹印一體壁紙印刷機勢必會成為行業的領軍者。

工業4.0的戰火已經燃起，而工業自動化控制更是核心，相信Lenze將以其卓越的運動控制器，完美的驅動，無與倫比的減速機打造出性能更加出色的自動化控制系統，為第四次工業革命增磚添瓦。