近幾年來，隨著凹印機套色控制技術(shù)智能化、自動化的迅猛發(fā)展，國內(nèi)一些高檔電腦套色凹印機均已采用了微型計算機控制系統(tǒng)。另外，與之相適應的一種嶄新的高精度,可重復的張力控制技術(shù)也取得了重大突破。這種先進的張力控制系統(tǒng)采用了PLC可編程控制器進行整機控制,觸摸式電腦屏人機界面操作,自動化程度高,操作簡便,全方位參數(shù)設置,具有可操作性,高穩(wěn)定性和耐久性優(yōu)點。因此，由于兩者的同步發(fā)展, 大大提高了現(xiàn)代凹印機印刷品質(zhì)量。 . 一、影響凹印機張力控制的幾個因素 凹印機的張力控制系統(tǒng)實質(zhì)上是一種輸入量按某種可調(diào)節(jié)的衰減規(guī)律而變化的特殊的隨動系統(tǒng)。張力的控制可以說是整機控制的核心，只要張力控制穩(wěn)定，張力變化小，凹印機的套色精度和廢品率就很容易控制。 因此，要想確保凹印質(zhì)量和效率必須配備功能完善的張力控制系統(tǒng)。然而，在印刷過程中，使凹印機張力產(chǎn)生波動和變化的因素往往比較復雜，其主要影響因素大致有如下幾個方面： 1、 凹印機料卷在收，放卷過程中，收卷和放卷直徑是不斷變化的，直徑的變化必然會引起料帶張力的變化。放卷在制動力矩不變的情況下，直徑減少, 張力將隨之增大。而收卷則相反，如果收卷力矩不變時，隨著收卷直徑增大，張力將減小。這是凹印機的固有特性所決定的，也是引起料帶張力變化的主要因素之一。 2、 凹印機各主要構(gòu)件如底座、墻板、導輥等的制造精度和裝配精度存在偏差，例如底座組裝的平面度和直線度，墻板與底座組裝的垂直度以及各版輥、導輥組裝的水平度和它們相互之間的平行度，它們各自的跳動量偏差，質(zhì)量動靜平衡偏差等等，都要求十分嚴格。否則料帶在版輥和眾多導輥上運行時，料帶上的張力就會隨之發(fā)生微小變化。最終就會反映到整臺機上，導致張力產(chǎn)生無規(guī)律變化。另外，凹印機主傳動系統(tǒng)中的各齒輪、減速箱應做到無間隙精密傳動，確保各印刷單元的版輥同步運轉(zhuǎn)，如果印刷過程中引起傳動同步誤差，也勢必使各印刷單元的張力產(chǎn)生變化。 3、料帶內(nèi)在材質(zhì)的不均勻性，如材料彈性模量的波動，材料厚度沿寬度、長度方向變化等，料卷的質(zhì)量偏心，以及生產(chǎn)環(huán)境溫度、濕度變化，都會對整機的張力波動帶來微妙的影響。 4、凹印機在不停機自動接換料過程中，接料和斷料都會使整機原已穩(wěn)定的張力突然產(chǎn)生干擾變化。設備運行速度愈高，干擾就愈大。此時，張力控制系統(tǒng)應當能迅速地根據(jù)料帶張力干擾情況自動地隨機進行調(diào)整，使張力及時地恢復原來的穩(wěn)定狀態(tài)。 二、凹印機放卷過程中的張力計算公式的推導 1、放卷過程中的力矩平衡方程 一般凹印機放卷部分的料卷往往都是采用被動式工作方式，即不在放 卷軸上設置牽引動力，而是安裝了一個磁粉制動器。這樣料帶就不能自由打開。料帶上的拉力（即張力）是由后面進料輥的電動機牽動的。當料帶在進料輥拉力作用下逐漸打開時，因料卷直徑變化，張力就會相應改變。這時張力控制器就對磁粉制動器進行實時控制，相應改變料卷打開過程中的制動力矩的大小，以保證料帶上張力恒定且大小適當。 圖1. 放卷力矩平衡圖 如圖1所示，設料卷在料帶張力T作用下 對放卷旋轉(zhuǎn)軸的力矩為： M0 = TDex/2 式中：Dex 料卷的外徑（m） 此時磁粉制動器對料卷產(chǎn)生的制動力矩設定為：M1 ，它的作用是阻止料卷旋轉(zhuǎn),其作用方向與料卷角速度ω正好相反。由于料卷在打開過程中半徑r漸減少, ω不斷增大；故料卷將以某一角加速度ε加速旋轉(zhuǎn)。因此,料卷上必然產(chǎn)生一個與角加速度 ε 反向的慣性力矩 M2 ，企圖阻止料卷加速`旋轉(zhuǎn)。最后料卷在M0、M1、M2三種力矩作用下達到平衡。則求的料卷的力矩平衡方程如下： M0 = M1 + M2 ( 1 ) 方程式 (1) 表明料帶張力所產(chǎn)生的力矩,總是等于其慣性力矩與制動力矩之和。 2. 在放卷過程中料卷的力學分析 圖2. 料卷的力學分析圖 如圖2.所示。通常料卷軸芯有兩種結(jié)構(gòu)型式：A型和B型。料卷外徑約為600—800mm, 料卷軸芯直徑僅為76mm ，且軸芯系鋼制件，制造精度要求非常嚴格，故軸芯的幾何軸中心O1與旋轉(zhuǎn)軸中心O可近似認為是重合在一起的。料帶纏繞組成的料卷，因外徑尺寸較大，加之料膜的厚度和材料彈性模量的不均勻性以及料帶纏繞松緊的不一致等等，都會導致料卷的幾何軸中心 O1 與旋轉(zhuǎn)軸中心 O 偏移量增大。為保證料卷力學分析的精確性，我們設這一偏心量為 e ，料卷的初始半徑 ro =Dеχ/2 ，料帶厚度δ 0則在放卷打開后，料卷外徑逐漸變小。其半徑r與料卷轉(zhuǎn)角Ψ，可按阿基米德螺線的規(guī)律求得: r = r0 -δψ/2π (2) 料卷和其軸芯相對于旋轉(zhuǎn)軸中心 O的轉(zhuǎn)動慣量分別為 ： Ja =(d1^2+d2^2)/8 *m1+ (D2^2+D2^2)/8*m2 (kgm2) (3) Jb = (di^2+d2^2)/8*m1+ d1^2/8*m2 +d2^2/8* m3 (kgm2) (4) Jc = 1/8*mc（Dex^2 + d2^2 + 8e^2） = 1/2* mc（r^2 + r2^2 + 2e^2） （kgm2） (5) Ja——A型軸芯的轉(zhuǎn)動慣量，為常量； Jb——B型軸芯的轉(zhuǎn)動慣量，為常量； Jc——料卷上料帶部分的轉(zhuǎn)動慣量，因其外徑、質(zhì)量、偏心距等均為變量，它將是時間t的函數(shù)； r——料卷部分幾何軸中心O1的半徑，因在放卷過程中逐漸變小，為變量； r2——為A、B型軸芯直徑d2的半徑； m1——為A、B型軸芯圓柱部分的質(zhì)量（kg）； m2——為A、B型軸芯左、右端蓋的質(zhì)量（kg）； m3——為B型軸芯左、右端軸的質(zhì)量（kg）； mc——料卷上料帶部分的質(zhì)量（kg）。 由于e/r值很小，料卷相對于旋轉(zhuǎn)軸O的半徑ρ ，可近似求 得： ρ = r + e cosψ (6) 這樣 ，料卷的角速度： ω= dψ/dt= υ/ρ 料卷的角加速度：ε= dω/d t=α/ρ-υ/ρ^2*dρ/dt 式中：υ——料卷C點的線速度； a——料卷C點的線加速度； dρ/dt= （r + e cosψ） = dr/dt-edψ/dt*sinψ = - υ/ρ*（δ/2π+ e sinψ） 則 ε=a/ρ+ υ^2/ρ^3（δ/2π+ e*sinψ） 若料卷軸芯為B型結(jié)構(gòu)。為便于理論推倒導現(xiàn)假定在放卷過程中，制動力矩M1 = O ，料卷以υ的線速度逐漸打開，則打開的動力矩Mo = M2 ，可得： M2 =（Jb + Jc ）•ε = 〔Jb +1/2*mc（r2^2 + r^2 + 2e^2）〕• 〔 a/ρ+ υ^2/ρ^3*（δ/2π + e*sinψ）〕 （ 7 ） 設料帶每平方米的重量為G0 ，料帶寬度為b ，則料卷質(zhì)量為： mc = [π（r^2-r2^2）*b]/(δ•g)*G0 （ 8 ） 將（8）式代入（7）式 ，由于e比r小得多 ，故有： (r^2+2e^2)/(r+ecosψ)^2≈ 1； [r^2(r^2+2e^2)]/(r+ecosψ)^4≈ 1 并令： k1 = r2^2/(r+ecosψ)^2 k2 = [r2^2*(r2^2+2e^2)]/(r+ecosψ)^4 經(jīng)整理得： M2 =*ρ{ 1/2 mca(1+k1)+Jb*a/ρ+ Jb•δ/2πρ+ bG0/4g*(1-k2) *υ^2 +Jb/ρ^4+〔 πbG0/2δg(1-k2) 〕*υ^2*e *sinψ} (9) 以速度υ打開料卷所需作用在料帶上拉力（即張力）T應等于： T = M2/ρ = 1/2*mca（1 + k1）+Jb*a/ρ^2+〔Jb•δ/2πρ^4 　+bG0/4g*(1-k2)*υ^2+〔Jb/ρ^4 + πbG0/2δg(1-k2) 〕*υ^2*e *cosψ (10) 設備啟動后，在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)期間a = O ，張力T為： T =〔 Jb•δ/2πρ^4+bG0/4g (1-k2) *υ^2+〔 Jb/ρ^4 + πbG0/2δg(1-k2) 〕*υ^2*e *sinψ (11) 若料卷無偏心時 ，e = O ，則 T = 〔 Jb•δ/2πr^4 + bG0/4g*（1- r^2/r ）〕*υ^2 (12) 由（11）、（12）式可以看出，為了使料帶速度恒定，除了有一個無偏心料卷的張力（即拉力）外，還有一個按正弦規(guī)律變化的力。該力在料卷每轉(zhuǎn)一圈過程中，大小和方向都發(fā)生變化。 三、 凹印機張力控制的類型、檢測方式及應用 1. 張力控制的主要類型和特點 張力控制是指能夠持久的控制料帶在設備上輸送時的張力的能力。這種控制對機器的任何運行速度都必須保持有效，包括機器的加速、減速和勻速。既使在緊急停車情況下，它也有能力保證料帶不產(chǎn)生絲毫破損。凹印機張力控制基本上分手動張力控制，開環(huán)式半自動張力控制和閉環(huán)式全自動張力控制三大類。手動張力控制就是在收卷或放卷過程中，當卷徑變化到某一階段，由操作者調(diào)節(jié)手動電源裝置，從而達到控制張力的目的。不過現(xiàn)代凹印機手動張力控制系統(tǒng)已基本被淘汰，而僅僅作為閉環(huán)式全自動張力控制系統(tǒng)中的一種操作模式存在。開環(huán)式半自動張力控制又稱卷徑檢測式張力控制，它是用安裝在卷軸處的接近開關檢測出卷軸的轉(zhuǎn)速，并通過所設定的卷軸直徑初始值和材料厚度，累積計算求得收卷或放卷筒當前的直徑，相應卷徑的變化輸出控制信號，以控制收卷轉(zhuǎn)矩或放卷制動轉(zhuǎn)矩，從而調(diào)整料帶的張力。因為卷軸