电子轴凹印机横向套色误差研究

　　【内容摘要】传统印花机采用机械长轴传动，多套色误差的调节速度慢、难度大; 电子轴传动技术采用相互独立的伺服电机，进行全闭合调节，误差实时反馈，在此基础上为了提高凹版印花套色精度、更快速地减小横向误差，提出一种高速印花下自动修正横向误差的控制策略。在四套色印花系统的基础上，利用若干对光电对射传感器，将其置于主轴导带两侧进行误差检测，并将检测结果反馈到控制系统进行自动调节，对此进行了试验研究。试验结果表明，提出的若干对光电对射检测及控制策略对高速印花下横向误差的调节具有非常良好的效果，具有比单个更好的响应速度、累积误差更小的特点。

　　【关键词】凹版印花; 横向误差; 光电传感器; 控制系统

　　邱康福， 产业与科技论坛 发表时间：2021-11-26

　　电子轴印刷也称无轴印刷，电子轴伺服传动技术通过现场总线进行数据交换。电子轴传动技术是印刷行业的技术革命，电子轴凹印机最早出现在 1997 年，如今比比皆是，不仅在平面，曲面上也实现了应用，比如三维曲面印刷电路技术( 3D - PE 技术) 、数控曲面印刷机等等。电子轴凹印机最大的缺点是套色误差，它会造成印品油墨重叠，导致印花产品精度无法满足市场需求，成为印刷电子领域广泛运用的瓶颈。当今四大印刷行业已然成为衡量一个国家轻工业发展水平的重要指标，然而多数中小型印刷企业技术水平和装备落后，创新能力较差，造成了大量资源浪费[1]。我国的印刷装备自动化水平、印刷技术相对于国外亟待提高，本文以四套色电子轴凹版印花设备为基础，利用光电传感器和控制系统更高效地在线修正套色过程中的横向误差[2]。

　　一、设备结构

　　拼接式凹版印花电子装备，是将每个套色组装在一起，主要由纠布装置、矫正装置、印花装置和烘干装置四部分组成[3]。

　　待印布料在进入印花之前，需要做预准备工作，纠布装置由一定数量的圆形导辊组成，皆无电机驱动，由人工操作，故称为被导辊[4]。待印布料因受被导辊的牵引，所受的张力较为均衡，印花辊受伺服系统控制，又称主动辊，在匀速状态下，被导辊速度的大小和方向由主动辊决定，且与主动辊一致[5]。对于拼接式凹版印花电子装备，每一套色的运动和调节都是由伺服系统直接控制的。待印布料经过纠布装置后出现褶皱现象，再由矫正装置对布料进行矫正，布料在进入印花之前还需要经过二次牵引，主轴导辊两侧的气动元件下压布料使布料带有一定的张力，正式进入印花部分。印花装置由油墨、印花辊、刮刀、主轴导辊、主轴导带、光电传感器和伺服控制系统组成。刮刀、印花辊与油墨组成一个套色的结构，称为上墨装置，本文以四套色为例[6]。印花辊上雕刻待印的花纹，刮刀和印花辊之间存在松开和闭合两种状态，松开时人工将剩余的油墨排出; 闭合时，刮刀和印花辊呈一定的倾斜角度，人工需将其两端用棉布堵住，以防油墨侧漏。伺服控制系统驱动主轴导辊转动，主轴导辊带动主轴导带同步转动，主轴导带是一个连续的、封闭的皮质材料，其上涂抹一层黏着剂，布料可以很好地固定在导带上，一前一后两个主轴导辊与主轴导带的速度大小、方向一致。检测单元安装在印花装置部分。印花结束后印布上的油墨湿度较大，进入烘干装置。烘干装置由风机( 吹蒸汽) 和散热片组成。其结构简图如图 1 所示。

　　二、凹版印花套色原理

　　准备工作结束进入印花流程，油墨放置于印花辊和刮刀之间，刮刀转动到一定角度固定后和印花辊闭合但非绝对闭合，留有极其微小的间隙，印花辊一直旋转，这样油墨在间隙中被挤压在印花辊上凹下去的花纹中; 先启动印花辊转动，再倒入油墨，油墨就会一直处于被挤压的状态，否则油墨容易从间隙渗出。主轴导带上刷了一层粘着剂，布料黏着在主轴导带上更稳固、不跑偏。印花辊下压接触主轴导带，便开始了印花。第一套色油墨对应一种颜色，一共四个套色对应四种颜色油墨，四个印花辊的花纹也分别不同，印花从第一套色到第四套色，油墨挤压到各自对应的花纹区域上，最后进入烘干装置。烘干装置是利用蒸汽循环加热的原理进行烘干，蒸汽通过风机吹入，经过散热片加热，不断地在装置内部循环加热，类似于汽车空调系统的内循环，具有加热温度高、节能减排的特点。

　　三、误差检测系统

　　为更迅速、更准确地检测横向误差，由之前的两对光电对射传感器改为六对，并且规律地排布在主轴导带两侧，同时控制器改用翠欧，其处理相应速度更快。当光电对射传感器信号互通时，误差判断为零或在可接受范围内; 当信号干涉时，则误差产生或不在可接受范围内。印花时，由于结构上的因素，每个套色的主轴导辊下压主轴导带，两者接触压力总是不均匀的，故速度不是绝对同步的[7]。检测单元如下图 2 所示。

　　套色误差是影响套色精度最直接的原因，故印花过程误差的实时检测与在线修正显得尤为重要[8]。四套色凹印机，套色单元之间存在多物理量的耦合过程，误差产生原因众多[9]。比如主轴导带上布料所受的张力、CAN 通讯速度、主轴导辊与主轴导带的相对速度等等。

　　具有典型低内聚、高耦合的特点[10]。这些特点使得套色精度降低，出现挫印，严重影响产品质量。误差检测系统主要由检测单元、执行部件和控制器组成，检测任务由光电传感器完成，放置在主轴导带的两侧，检测到的误差信号传递到控制器进行综合处理，执行部分只有一个驱动主轴导辊的伺服电机，由设置好的算法计算补偿值，主轴导带则自动移动相应的位移量，便可以在线实时修正印花过程的误差[11]。主轴导辊带动主轴导带转动，其余电机带动四个印花辊转动，主轴导带长度达五至六米，直径和主轴导辊大小不同，二者速度存在一个同步系数，而同步系数的准确性又是难以确定的，两者速度同步性较差，发生相对超前或滞后的现象，故主轴导带受力不均，在高速运转的过程中，黏着在其上的印花布料也随之发生横向偏移。

　　结合图 2，为更直观地了解误差修正的实时情况，在负载状态下实际主轴速度、误差值和时间三者之间的关系见表 1。从表 1 可知，误差值的变化最终会趋于一个动态稳定的、较小可接受的范围。除了速度不均匀造成的横向误差，其他还有很多影响的因素，因此需要充分做好印花前的准备工作。保证结构的安装精度; 保证结构的对中性要求; 保证结构中关键零部件的公差度范围等等[12]。

　　四、结语

　　主轴导辊与主轴导带两者的相对速度要相对一致、保持稳态，误差才会稳定在一个较小的、可接受的范围，同时误差的检测和控制反馈速度也尤为重要，效率越高，累计误差越小，产品精度就越高。本文分析了电子轴凹版印花机的设备结构、套色原理和误差检测，速度不同步是造成这一横向误差的主要原因，并提出解决横向误差的自动修正方法。结果表明，此方法可以高效地将误差控制在一个可接受的范围之内，实现最大程度降低次品率的功能。但当前的印花仍存在较多的问题: 结构精度差、挥发性油墨有毒、操作工技术要求高。仍需大量的试验以改善误差的变动和控制系统中的算法。