变频器在卷筒纸印刷机张力控制上的应用

0 引言

卷筒纸印刷机是一种高效印刷设备，在印刷机械设备中有着广泛的用途，主要用于报纸、书刊和彩色商业印刷，是印刷工业的骨干设备之一。

印刷承印物的材料有多种形式，纸张印刷和加工占最大的份额。纸张的印刷和加工有两种形态，一种是单张纸间歇式印刷，另一种是卷筒纸连续式印刷。在印刷和加工卷筒纸的过程中，纸带在线速度不变的前提下，卷筒纸卷在放卷的过程中由大直径向小直径变化，也就是转速逐渐加快，在完成印刷以后，再经过裁切、折页、收页，达到装订工序的要求。还有一种放卷和收卷的设备，纸卷收卷过程由小直径向大直径变化，也就是转速逐渐减小，同时要求在放卷和收卷之间，纸带张力的变化应该在允许的范围之内。

1 传统卷筒纸印刷机的张力控制系统

在传统的卷筒纸印刷机上，印刷滚筒带动纸带运动，放卷轴上联接磁粉制动器，并给予纸带适当的制动扭矩，二者之间形成张力控制。卷筒塑料凹版印刷机、卷筒塑料柔性版印刷机、纵向分切机等设备，配备有收纸机构，收纸张力控制系统采用磁粉离合器。放卷的张力控制系统由磁粉制动器、传感辊、电位器等组件构成。在给定张力值的基础上，如果放卷纸带张力发生变化，则传感辊中心的位置发生变化，从而带动电位器的阻值发生变化，使磁粉制动器的励磁电流变化，改变磁粉制动力矩从而达到张力恒定的目的。相反，收卷过程也需要保持一定的张力，在收纸轴上连接磁粉离合器起到控制张力的作用。为达到张力控制作用，卷筒纸印刷机还可以用空气摩擦盘装置、机械摩擦盘装置和抱闸式张力控制系统来实现。

2 变频器控制张力的基本考虑

2.1 传统张力控制系统的缺点

采用传统结构的张力控制系统，有以下几个缺点。

1)磁粉制动器和离合器的工作原理是在磁场作用下，使转子和定子间的纯铁磁粉磁化，形成磁粉链对转子产生拉力，从而对纸带产生一定的阻尼转矩，形成印刷纸张的张力控制系统。由于纸带张力不断波动，磁粉链在磁力变化的作用下，始终处在相互摩擦的状态中，因此会不断产生热量，影响磁滞性能的稳定和印刷设备的正常工作。为此，设备还需要配备冷却系统，以防止磁粉使用过程中会生锈和老化，影响张力控制的稳定性。

2)磁粉制动器和离合器的结构比较复杂，磁粉装填量、转子和定子之间的间隙和磁通量呈函数关系，更换磁粉可能影响原来设定的磁性能指标，从而造成调整张力过程时纸张的浪费。磁粉制动器的结构如图1所示，电气原理如图2 所示。

3)传统的张力控制系统工作原理是利用磁粉制动器和离合器的滑差控制纸带的张力，滑差过程伴有大量的热量产生，这种张力控制系统部分将电能转化为热能，因此还需要附加水冷却系统或冷热风交换系统，造成能源和资源的浪费。

2.2 采用变频器控制的张力控制系统

采用变频器控制的张力控制系统(见图4)替代传统的张力控制系统(见图3)，就克服了以上的缺点，使卷筒纸印刷机的张力控制系统实现数字化。

采用变频器控制张力完成印刷和收、放卷的过程，使设备的结构大大简化，并可以达到节约大量资源和电能的目的(见图5)。

卷筒纸印刷机的驱动方式已经摈弃主电机通过长轴带动各机组运行的落后方式，改为用伺服电机独立驱动各印刷机组的模式，采用变频器控制的张力系统(见图5)，不但使卷筒纸印刷机实现数字化，而且还节约了大量的资源。

3 变频器控制张力的工作原理

卷筒纸印刷机在印刷过程中，纸带的线速度保持不变，纸卷在不同的转速下完成收放卷过程。为保证印刷质量，纸卷和印刷机组之间要保持一定的张力，才能保证印刷准确，不至于出现纸张松弛、断裂和影响套印精度等的问题。

3.1 卷筒纸放卷过程

卷筒纸纸带放卷过程的原理，实际上是一条螺旋升角为纸张厚度的阿基米德螺线，为计算简单可以将纸卷近似看成若干同心圆，在放卷时，纸卷当前直径可按式(1)计算(如图6所示)。

D=D0-2nd (1)

式中：D为当前的卷径;

D0为放卷为纸卷起始外径(收卷时D0为纸心直径，纸卷直径D=D0+2nd);

n为纸带层数;

d为纸带厚度。

3.2 纸卷的转速计算

放卷过程卷筒纸直径不断缩小，每一层纸张的转速都在变化，但印刷过程的纸张行进的线速度基本固定不变，每层纸张的转速可由式(2)求出(如图7 所示)。

如果卷筒纸印刷机的印刷速度为40 000 张/h，每张印品裁切幅面为0.546 m，那么纸张的线速度为364 m/min。如果纸卷的起始直径为D=1.2 m，其周长为3.14伊1.2 m=3.768 m，纸卷的第一层转速为96 r/min。当纸卷放卷转到纸心时，如果D=0.2 m时，其周长为3.14伊0.2=0.628 m，则最后一层的转速为580 r/min。为保持一定的张力，纸卷的转速应该滞后一些(如图7所示)。

根据卷筒纸印刷机的实际印刷速度和纸卷外径及内径尺寸，可以计算出放卷到一定的直径时的纸卷的转速，从而得出如图8 所示速度变化曲线图，以此可作为变频器调速变化设定的依据。

4 结语

目前，变频器市场上已经出现用于张力控制系统的专用变频器，变频器厂家还提供了丰富的张力控制专用模块，主要模块包括卷径计算模块、张力锥度模块、惯量力矩补偿模块、自动换卷模块、断带检测模块等。这些配套模块可以实现张力开环转矩模式、张力闭环速度模式、张力闭环转矩模式等控制方式。变频器应用的产品除卷筒纸印刷机放卷张力控制以外，凹印机、表格机、分切机、复卷机的放卷和收卷张力控制系统也可以得到解决。