凹版印刷中张力的控制

凹印的核心部分是张力控制，这里所说的凹印主要是指轮转凹印，因为单张纸凹印不存在张力控制。单张纸凹印同单张纸胶印一样，主要依靠叼牙来叼纸，然后在前规和侧规的作用下定位，在印刷的瞬时纸张是静止的。而轮转凹印则不同，承印材料以一个稳定的速度向前递进，橡胶压辊按同步速度对承印材料加压，这两个运动在一个相对静止的状态下合成，因此多色套印的关键是承印材料递进稳定，传递过程中料卷的张力稳定。  

        凹印的张力控制系统分析一般包含以下内容。  

        1.张力分区与各区域的控制要求  

        凹印机的张力控制一般分为4个区域，即放卷张力区、进料牵引张力区、出料牵引张力区和收卷张力区，之间以带驱动的橡胶压辊来分隔。印刷区域从进料驱动辊至出料驱动辊，对印刷区域张力的要求是张力恒定，因为只有在恒定的张力条件下才可能保证套准。放卷张力是为印刷区域的恒张力服务的，对放卷区域的要求是将料卷放开进入印刷区，保证不论卷径的大小都要能保持传递的张力恒定，否则张力的波动将直接影响到印刷区的恒张力，进而影响套准。收卷张力则有所不同，在此区域内多色印刷已经完成，只需平滑收卷即可。收卷方式根据收卷质量要求的不同，有恒张力收卷，也有变张力收卷，常见的递减张力收卷（也称锥度收卷）就是指后一种。由于变张力收卷有可能会影响到最后一个印刷色组的套准精度，因此有效地将印刷区域与收卷区域隔断，驱动料卷从印刷区域向收卷区域递进，使印刷区域仍然保持恒张力，而收卷区域递减张力，就是靠带驱动的橡胶压辊机构来实现的。既分段控制又总体协调，使各区域的张力为多色套准服务，这是轮转印刷在张力控制方面的关键点，轮转凹印也是如此。  

         2.各区域的张力检测与反馈  

         各区域一般都存在独立的检测装置，如采用电阻应变片传感器、电容传感器等构成的张力辊检测装置，以及采用浮动辊、电位器构成的位置检测控制装置。这些不同构造的检测电路在整个系统中承担的作用是明显不同的，张力辊检测装置响应快速，但对于由料卷本身质量问题引起的系统稳定性的控制能力尚欠缺，而位置控制装置虽不直接检测张力，但通过控制承印材料在正常张力状态下在浮动辊纸路中的相对位置保持稳定，从而达到控制张力恒定的目的。位置控制装置能够通过浮动辊纸路来减缓由于料卷的卷径不圆等原材料质量问题引起的张力波动，这是张力辊检测装置所无法达到的。  

        3.张力执行机构  

        常用的张力执行机构有电磁或磁粉离合/制动器、气动离合/制动器以及伺服电机  

        在传统的齿轮传动系统中还包括360°齿轮箱上的微型执行电机。值得注意的是，按照自动控制理论，离合器制动器机构属于一阶线性环节，但由于线性段在整个曲线区中只占中间一段，而在曲线区的高端和低端主要还是仿线性，同线性控制的要求还有距离，因此这种执行功能还是有缺陷的。伺服电机属于二阶环节，在现有的控制理论下，稳定性与随动性都能兼顾，所以先进的张力控制系统一般都采用伺服电机直接驱动控制。  

        4.对料卷传递过程中机械同步速度损失的补偿  

        造成机械同步速度损耗的原因有3种：施加于整幅卷材宽度上的印刷压力，承印材料同导辊相接触的表面摩擦力，以及由于导辊轴承不灵活而造成的阻力。  

        其中起主要作用的是每一色组橡胶压辊对承印材料施加的压力，这种转印过程中必须施加的压力，在所有印刷工艺中凹印是最大的。按照经验，对不同的承印材料，采用的橡胶压辊的硬度不同，施加的压力也不同。如对于薄膜类承印材料，一般采用肖氏硬度为65～70度的橡胶压辊，单位压力900kg/m；对纸张类承印材料，则采用肖氏硬度为70～80度的橡胶压辊，单位压力1800kg/m；对纸板类承印材料，采用肖氏硬度为80～90度的橡胶压辊，单位压力4500kg/m。采用不同硬度的橡胶压辊并施加不同的压力，对承印材料传递中同步速度的影响显然是不同的，橡胶压辊越软，施加的压力越大，机械同步速度的损耗越大。  

        对机械同步速度损耗补偿的传统做法是递增每一色组主动辊（即版辊）的直径。众所周知，线速度V=2πrn，如果要调整印刷时版辊的线速度，既可以调整版辊转速n（即目前伺服型凹印机采用的每一色组版辊的电机转速递增的办法），也可以调整版辊直径（即延续了20多年的版辊直径递增的传统办法）。然而这种补偿依据的是经验积累，而不是精确计算。很明显，承印材料的特性不同，所施加压力的宽度不同，对机械同步速度的损耗是不同的，因此精确的补偿值也应该是不同的。然而现在用版辊直径递增0.02～0.03mm（甚至有的递增0.04mm）的方法来补偿，依据的只能是“模糊”算法。  

        国内印机行业在研制伺服型凹印机时，起初认为可以革除版辊直径递增这一规律，因为在设定每一色组版辊伺服电机的转速时，可以预先将由于版辊直径递增带来的放大量计算进去，因此伺服型凹印机不必像传统凹印机那样不能互换印刷色序。然而印刷实践证明，即使是伺服型凹印机已经将每一色组版辊电机的转速递增，如果版辊继续保持直径递增，印刷套准效果要比版辊直径不递增时好得多。这说明目前的凹印伺服系统在补偿同步速度的损耗方面还只能局限在经验的范畴，离真正意义上的补偿控制还有不少距离。  

        5.套准控制  

        凹印的套准控制必须建立在稳定的张力控制之上，只有在前述4个问题得到基本解决之后，凹印的精确套准才是可能的。业界对套准问题有一些误解，尤其是对伺服型凹印机，认为编码器精度可以达到每秒几百万次，套准肯定是没问题的。其实在套准的实际过程中，电脑跟踪的并不是光标本身，而是光标运动的趋势。这就像用枪打鸟一样，不是看到了鸟才扣动扳机，而是根据鸟的运动轨迹计算提前量，用这样的方法打鸟才是可靠的。凹印机的套准系统也是这样的，光标运动的趋势是套准的前提，如果控制不了印刷[百科微博]在承印材料上的光标运动趋势，纵然伺服电机配置的是每秒400万次的编码器，套准误差也很有可能超标，套准损耗可能会大得出乎预料。  

        6.承印材料变形的补偿  

        承印材料在运行中的同步速度补偿可以采用伺服机型来保证，但承印材料本身的变形目前还没有可靠的补偿办法。以薄膜印刷为例，不同种类的薄膜，在同样厚度与宽度条件下，其伸缩变形情况是不一样的；对于不同厚度的同一种薄膜，如20μm和40μm厚的BOPP薄膜。在同样的干燥条件下两者的伸缩变形也是不一样的。再以纸张为例，含水率5%和含水率8%的相同材质和厚度的纸张，在相同的干燥条件下，其变形数据也不一样。对于这些差异，需要建立数学模型并加载于套准控制的数学模型中，才能有效控制印刷套准精度。若非如此，凹印的套准精度只能依赖于采用较厚的不容易变形的承印材料，如PET薄膜来保证。在凹印生产现场，我们常常听到一线操作人员抱怨印版不好或者承印材料不好，造成了印刷过程中套色不准或套准误差超标，并由此产生成本损耗，但检查印版和承印材料，确实又提不出什么能拿得上桌面的理由，据笔者看，主要原因就在于此。