关键词：变频器；印刷机械；应用实例

Abstract: This paper introduces the applying characteristics and demands of the inverter in printing machinery. The key point expounds how inverter replaces of traditional magnetic powder brake and magnetic powder clutch used as automatic tension control. Recent years, inverter is also extended through to the upper-lower- reaches in printing machinery equipment and applied in adhestive binding line, automatic foil stamping &die-cutting machine, cross cutting machine est. This paper introduces some examples of application for reference when promoting and applying it.

Key words: Inverter; Printing machinery; Example of application

【中图分类号】TN77【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）09-0000-00

1 引言

印刷机械设备制造业曾为文化、出版、教育、艺术等信息领域提供装备的产业，进入市场经济以后，国民经济快速增长，印刷机械设备技术水平不断提高，装备的应用领域迅速扩大，包括快速印刷、办公印刷、广告印刷、包装印刷、工程印刷等领域。随着数字技术、智能技术和节能技术的广泛应用，尤其在包装印刷和工程印刷开辟了新天地，如包装印刷，包括纸盒、纸箱、塑包、金属包、防伪包、无菌包、工程印刷，包括玻璃印刷、金属印刷、纺织印刷、电子线路印刷、磁卡印刷、壁纸家具装饰印刷、标牌及路旗印刷、3D打印等。

传统印刷机械设备以双速交流电机、变速减速器、直流电机、电磁调速电机为主的动力调速系统发生很大改变，变频调速器已经是印刷机械设备的驱动的优先选择，不但简化了机械结构，更重要简化了传动和调速系统，还使多色机组、多功能机组、生产联动线等设备实现独立驱动，创新模块化设计，节约了电力消耗，形成大批量的制造过程。

2 印刷机械的特点与要求

印刷机械的主要运动特点可以用一句话来概括，即：在加工过程中，既保证承印物按规定要求运动，又要在承印材料的行进过程中，完成各种颜色的印刷或对承印物的加工，从而产生了印刷机械的承印物的传送运动和印刷及辅助加工运动两条相互协调的运动链。以卷筒纸书刊印刷机为例，这种设备为保证无级调速和印刷及辅助加工的需要，不少设备曾采用直流调速的拖动方式控制整台机器的两条运动链。为完成印刷过程和多种辅助运动需要协调，机器的主运动系统需要设置点动和低速运行操作系统，以完成更换印版、擦拭印版、清洗滚筒、穿纸等工艺要求。为满足此项操作要求，在直流电机同轴位置还装有交流电动机或摆线针轮减速器，以完成低速度或点动运转。另外，胶印印刷过程需要同时供给水、墨，水墨量的平衡与印刷速度和印刷质量有直接关系，因此出水、出墨、串水、串墨等辊分别用两个单独的直流伺服电动机驱动。还有定速比传动的电动机，负责印版滚筒的周向、轴向和对角线调整、安装纸卷和纸卷左右位置调整等功能。为了保证印刷质量，承印物需要用磁粉制动器控制送纸张力、测速电机指导水墨的供应、收纸机组负责书页的收集计数等，这些机构都有不同形式的电机参与其工作。其它印刷机和印刷机械也有着相同或专有的工艺特点。

就各种印刷方式的印刷机而言，设备的运动首先是变速运动的方式，在制造厂总装试车阶段的工作中包括：在出厂前，设备需要进行空运转试验，这种运转试验包括以工作速度运转试验、高速额定运转速度试验。印刷机是一种自动化光电一体化的产品，在装配过程中要进行多种功能匹配性的实验调整，都需要设备点动或低速运行，如：单张纸平版印刷机的输纸机故障控制调整、输纸定位装置调整、纸堆自动升降的调整、纸张交接调整和套印准确度调整等；卷筒纸印刷机的张力控制调整、气动离合压调整、套印准确度调整、折页准确度调整等等。

设备投入使用以后，在印刷过程中需要以点动速度安装印版、擦拭印版和橡皮布等作业。设备需要在正式全速印刷之前，完成纸张位置、低速走纸、印刷套准和水墨平衡等功能的调整，在印刷品达到各项质量要求以后，才能进行全速印刷。根据印刷品的幅面尺寸、颜色多寡，运动链长度和纸张交接也需要某些调整。

   对于印刷机以外的设备，同样也存在不同的工艺要求和不同的变速要求。

3 变频器应用实例

3.1 变频器用于张力控制系统

承印物的材料有多种形式，纸张和塑料薄膜的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。对于印刷和加工卷筒纸的过程中，在印刷和加工纸带的线速度不变的前提下，卷筒纸卷在放纸的过程中由大直径向小直径变化，也就是转速逐渐加快；而在完成印刷后收纸的过程中，纸卷的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。

在传统的卷筒纸平版印刷机上，由主驱动滚筒带动纸带运动，放纸卷轴上联结磁粉制动器给予适当的制动扭矩，二者之间形成张力控制。卷筒塑料凹版印刷机、卷筒塑料膜柔性版印刷机、纵向分切机等设备，放卷张力控制系统由磁粉制动器、传感辊、电位器等组件构成。在给定张力大小的基础上，如果放卷过程的张力发生变化，则传感辊中心的位置发生变化，从而带动电位器，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，完成收卷需要保持一定的张力，磁粉离合器起到控制张力的作用。为达到以上运动特性，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。

传统卷筒类印刷设备普遍采用磁粉制动器（或磁粉离合器）来控制张力，磁粉制动器的结构如图1所示。

磁粉制动器（磁粉离合器）的工作原理是在电磁作用下，使转子3和外定子4间的磁粉2被磁化，形成磁粉链，并对转子形成拉力，从而对纸带产生一定的阻尼扭矩，形成印刷纸张的张力控制系统。由于在高速印刷过程中，纸卷存在圆度误差和直径从大到小的不断变化，纸带的张力在不断变化，因此要求张力控制系统能够自动将张力控制在一定的范围。为此印刷机设置一套张力控制系统，电气原理如图2所示。

在纸卷的同轴上放置磁粉制动器，纸带放开首先通过一组浮动滚，用来吸收纸卷圆度误差造成的纸带张力的高频变化。然后，纸带再通过一组有弹簧结构的阻尼器控制的张力调节辊，随张力的变化，通过连接在张力调节辊上传感器将电流信号传送到功率放大器，再指挥磁粉制动器的励磁绕组改变阻尼扭矩，从而使张力保持恒定。

采用以上结构的张力控制系统，有以下几个缺点：

（1）在磁力作用下形成的磁粉链，始终处在相互吸、断的摩擦状态中，从而产生热量，因此磁粉制动器需要设置冷却循环系统，还要经常更换磁粉来保持磁滞性能的稳定。此外，磁粉使用过程中会生锈和老化，磁粉制动器的漏水故障也会对工作造成影响。

（2）磁粉制动器（磁粉离合器）的结构比较复杂，磁粉装填数量、转子、定子之间的间隙和磁性能存在密切相关，更换磁粉可能影响原来设定的数据，造成设备调整时纸张的浪费。

卷筒纸（塑料膜）印刷机械设备中还包括带有收、放卷功能的产品，传统的张力控制系统如图3所示。采用变频调速器控制的张力控制系统（如图4所示）替代传统的张力控制系统，就克服了以上的缺点，并使设备的自动化水平进一步得到提高。

采用变频器控制张力系统有以下优点：

（1）采用变频器控制张力完成印刷和收、放卷过程，不但使设备的操作过程实现数字化，自动化水平得到提高，而且使设备的结构大大简化，并可以达到节约大量资源的目的。

（2）在卷筒纸印刷机上，同样可以采用变频器控制的张力系统（如图5所示），而且可以实现间歇可变印刷的功能，即在张力不变的情况下，纸带前进印刷纵向长度可变，后退使印刷面长度连续，从而解决了纸张。

在近代卷筒纸印刷机上，国内外企业开始采用变频器独立驱动技术，直接用变频电机带动印版滚筒的旋转运动，在印版滚筒端部安装光栅编码器，从而实现多色印刷版滚筒的周向调整，保证各印刷单元速度跟踪和套印准确性的调整（如图6所示）。

    卷筒纸平版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的问题。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7所示）：

                  D=D0－2nd……  ……………………(1)

式（1）中：

D——当前的卷径，单位：；

D0——放卷为纸卷起始外经（收卷为纸芯直径，纸卷当前直径按D=D0＋2nd），单位：；

n——纸带层数；

d——纸带厚度。单位：mm。

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8所示）。

3.2 变频器在单张纸平版印刷机上的应用

对单张纸印刷机主传动使用变频器改造，线路变动小，工作量少。既保留了继电接触器控制结构简单、实用的特点，又充分发挥了变频器可靠、节能和机构简化的优势。

为了使变频器驱动变频电机能良好地应用于印刷机，满足生产工艺的要求，首先要清楚印刷机运转控制的工艺特点和对变频器功能提出的要求，以及改造如何与原有的线路对接。

单张纸平版印刷机的运转由电机通过皮带传动、齿轮传动、链传动带动整机的运行，各滚筒、牙排、机构之间由传动机构连接配合协调动作，所以控制了主传动电动机就控制了全机的运行状态。

在机械调整、功能检查、装卸PS版、橡皮布和清洁机器时，都需要以手动点动方式控制机器正反向运转，大约4转/分钟的速度比较合适。在印刷暂停期间，为了保证印版不损坏，油墨不干燥，要使机器以相同的速度空车运转（即便是在离压状态）。

机器开始正式印刷生产时，以初始速度约3000rpm运转，在输纸机开始送纸后可以加速，此时，机器以较高的工作速度运转，一般是10000-15000rpm。为了适应不同的生产速度要求，可通过一个调速电位器对高速进行调节，速度的实际值可以通过速度表显示。从印刷的高速降到初始印刷速度，有两种情况。一是按手动按钮实现降低速度，二是印刷过程中检测到输送纸张故障，如：歪张、无纸、双张等情况使印刷机自动减速运行，各部分相应地做出协调动作，如：离压、停水、离墨、停止输纸等。在生产结束时，按下停车按钮，机器相应地以自由停车方式平缓地停止运转。

此外，为了保证人身安全，在印刷机的危险部位安装有安全保护开关或急停按钮，只要这些开关开始动作，机器无论处于何种状态，都要立即停止，全机紧急制动。

变频器要有四段速度控制、方向控制功能，以满足正反点动、正向低速、印刷初始速度和高速的要求，这是其一。其二高速运转的速度值可变，最好是通过手调电位器方式进行无级调速，以适应不同工艺要求。其三机器运转要有速度指示，使操作者明确当前运转状态。其四机器的加、减速过程要平稳，快慢适当，做到速度变换及时平滑无冲击，变频器本身有故障时，也要使全机停止运转。

根据以上要求，大多数品牌的变频器都可满足，一般选择通用型的变频器。容量的选择根据所接电源和原设备所用的电机。此处使用400V等级，单色机用5.5kW、双色机用11W、多色机用到60-100kW的变频器。市场上变频器的种类繁多，一般选择品质优良的主流产品，印刷机械行业普遍选择三菱、安川、台达等品牌的变频器，这些产品虽然价格较高，但质量有保证，避免日后经常出现故障带来的麻烦。当然，如果国产变频器品牌质量、性能指标有保证，也可以选择，这样可以降低改造成本。变频器内部参数设定，对速度方面的参数设定，可以将点动频率设为2.5Hz，初始印刷速度25Hz，高速60Hz左右。以三菱A540系列400V、11kW变频器为例，具体改造接线连接如图10所示。

TYM750立式全自动模切烫印两用机主运动电路如图12所示。

3.4 无线胶订联动线闯页工位应用

简装书刊制作过程在经过印刷、折页后形成书帖，可以在骑马装订生产线上完成配页、上书皮、装订和裁切成书，也可以在无线胶订联动线上实现书帖配页、闯齐、铣背、拉毛、上胶、上书皮和裁切成书（如图14所示，图中没有表示配页机、三面切书机等）。精装书刊可以在书刊精装联动线上，对已经配页、锁线、扒圆、起脊的精装书书帖装硬纸板书壳，这是三种常见的书刊装订方法。在三种书刊装订方法中，无线胶订联动线或类似的单机设备的书刊装订设备，在书帖被书夹卡住之前，需要经过闯页台的振动将书帖闯齐（见图14闯页台7），目前，大部分设备采用电磁铁结构，实现闯页台面的上下振动。由于装订书帖的速度可以调整，因此要求闯页台的振动频率也可以调整，为提高振动频率的调速功能，企业开始将振动闯页台的起振振子结构设计成偏心凸轮，在高速旋转中带动闯页台做高速上下振动，显然变频调速是最好的方法，已经被企业广泛采用。

3.5 变频器在不干胶间歇标签印刷机的应用

可变印刷有两个概念，一个概念是可变数据印刷，可以实现一张起印刷的印刷方式，主要针对个性印刷，如喷墨印刷机、在机制版印刷机、电子油墨印刷机等。另一个概念是可变幅面印刷，即市场销售的不干胶间歇标签印刷机，这种设备是近年市场出现的新产品，主要用于可变幅面印刷品的印刷，所谓“可变”是指印刷幅面可以变化（这里区别于可变数据印刷）。传统印刷机的印版尺寸固定，机器只能与纸带同向运动印刷，如果采用小幅面印版，印刷图文面积变小，就会产生纸张的大量浪费。不干胶间歇标签印刷机却较好的解决了这个问题，这就要求机器的印刷滚筒同向等速旋转，而纸带的两个拖动轴，在保证纸带张力恒定的基础上，在向前完成印刷运动以后（与印版滚筒同向同速），印刷滚筒抬起，两拖动轴在保持纸带张力恒定的前提下做反向运动，以退到第二张画面的起始位置，使印刷的图案变成连续的。如果印刷品宽度小于滚筒有效宽度，可以选购所需宽度的卷筒纸既可满足要求。现在市场上有多种类型的传动结构，一种是整个设备采用伺服电机调速系统，即印刷滚筒和纸张进给由六个以上伺服电机驱动；另一种传动结构由变频电机经过传动长轴驱动各印版滚筒的旋转，纸带运动由伺服电机驱动两个拖动轴带动纸带作往复运动。

这种设备的运动原理和电气原理如图15和图16所示。

3.6 变频器在全自动分切机的应用

全自动分切机是一种将宽幅纸张或薄膜分切成多条窄幅材料的机械设备，常用于造纸和印刷包装行业，针对窄幅纸卷、不干胶分条等加工。分条复卷原理图如图17所示，变频器接线图如图18所示。

4 结束语

当今，印刷机械设备向数字化、自动化、智能化、环保化方向快速发展，不少设备已经发展到多种印刷方式、多种功能结构、多种承印物、多种印刷面积的大型组合生产线，以适应不断增长的市场需求。另外一种情况是数字化印刷设备向个性化、小批量、即时性印刷市场延伸，开拓出适应市场需求的众多创新产品，这些产品为变频器推广应用开辟了新领域、新方向和应用新技术。

参考文献：

[1]张永惠,张燕宾. 生产机械的变频调速[M]. 北京:机械工业出版社,2011.

[2]北人集团公司. 产品说明书[Z].