3.11. Системы автоматизированного управления натяжением бумажной ленты

Упругое состояние бумаги определяет постоянство технологических условий функционирования секций рулонной печатной машины. При изменении скорости разматывания рулона натяжение ленты колеблется в широких пределах. Это вызывает вариацию длин оттисков и, следовательно, определяет нарушение требований приводки красок. При значительном изменении силы натяжения лента может провиснуть или порваться

В процессе печати оператор задает пусковую, а затем рабочую скорость работы машины. При этом линейная скорость полотна является основным задающим параметром. Контроль и управление натяжением должны осуществляться в любом режиме работы машины: разгона, работы с постоянной скоростью и замедления при остановке. Аварийная остановка машины не требует точного контроля натяжения полотна, но в этом случае необходимо принимать меры для предотвращения обрыва полотна при резком торможении и образования петли при недостаточном торможении.

Контроль и управление натяжением ленты в печатных, листорезальных, ламинирующих и других рулонных машинах необходимы по двум основным причинам: во-первых, для обеспечения постоянного позиционирования полотна по продольной оси машины; во-вторых, для получения качественной готовой продукции в результате точного совмещения красок. Поэтому рулонные машины очень часто работают с системами стабилизации положения кромки полотна. Ослабление натяжения материала может существенно влиять на точность работы таких систем.

На рис. 3.16 представлена схема многокрасочной офсетной рулонной печатной машины, содержащая лентопитающее устройство (ЛПУ), лентопроводящую систему (ЛПС) и приемно-фальцевальное устройство (ПФУ). ЛПУ включает рулон, амортизатор, датчик натяжения ленты (ДНЛ), специализированный контроллер натяжения (СКН), блок управления рулонным тормозом (БУРТ) и рулонный тормоз (РТ) осевого типа. Входными параметрами лентопитающего устройства выступают заданное значение силы натяжения ленты и линейная скорость движения бумаги в первой бумаговедущей паре . ЛПС состоит из четырех печатных секций (ПС₁-ПС₄), с помощью которых осуществляется последовательное запечатывание оттисков. Управление вращательным движением формного, офсетного и печатного цилиндров осуществляется системой распределенных электроприводов (ЭП₁-ЭП₄), которые обеспечивают заданную линейную скорость проводки бумаги ( ) и коррекцию начальной фазы формных цилиндров либо по команде оператора, либо за счет работы системы автоматического управления приводкой.

Данная система включает измеритель рассогласования приводки (ИРП), построенный на основе сканирующей ПЗС-камеры, и специализированный контроллер приводки (СКП), который обеспечивает формирование цифровых корректирующих сигналов: , , и . Здесь: j=1,2,3,4 — номер базовой метки, i≠j — номер метки контролируемой секции, символ «0» означает, что измерение всех отклонений производится на одном общем оттиске. ПФУ содержит контур начального позиционирования бумажного полотна по линии первого фальца за счет перестановки регистрового валика . Управление вращательным движением этого узла рулонной печатной машины обеспечивается автономным электрическим приводом ЭП₅. Текущее качество оттиском контролируется с помощью спектрофотометрической измерительной системы, которая корректирует сигналы общей и местной подачи краски ( 1,2,34) для всех печатных секций.

Систему проводки ленты в рулонной печатной машине целесообразно разбить на четыре функциональные зоны: размотки рулона, стабилизации натяжения, печати, а также, послепечатной обработки (намотки рулона или фальцовки). На рис. 3.17 показан принцип разбиения лентопроводной системы на такие зоны. На первом участке система автоматического регулирования натяжения размотки обеспечивает изменение скорости разматывания рулона , за счет тормозного момента , создаваемого тормозной муфтой.

Сила натяжения ленты зависит от разности скоростей размотки рулона и стабилизатора. В силу различных обстоятельств (эксцентриситета или овальности рулона, наличия люфтов в устройстве крепления, перекоса оси вращения рулона и др.) линейная скорость разматывания рулона содержит периодическую составляющую. В результате возникают колебания натяжения, амплитуда которых может составлять (20-25)% от заданной величины натяжения, а их частота равна (или кратна) частоте вращения рулона . Эти колебания являются вынужденными. Для их сглаживания используются амортизаторы бумажной ленты, которые представляют собой упруго-вязкие (пружинно-масляный амортизатор) или вязкие (масляный амортизатор с плавающим валиком) механические системы. Наличие амортизатора позволяет использовать для измерения усилия размотки различные преобразователи линейных или угловых перемещений. В качестве таких преобразователей используются реостатные датчики, сельсины, дифференциальные трансформаторы, шифраторы и т.д.

Для формирования тормозного момента применяются различные электромеханические муфты: сухого трения, порошковые, магнитные, гистерезисные и др. Требуемая мощность муфты определяется из условия . Тормозной момент прикладывается либо к оси вращения (осевые тормоза), либо к поверхности (периферийные тормоза) разматываемого рулона. В последнем случае вместо тормозной муфты используется дифференциальный механизм, который плавно меняет скорость вращения тормозной ленты.

На втором участке осуществляется стабилизация процесса натяжения на заданном уровне . Система стабилизации позволяет существенно снизить амплитуду вынужденных колебаний натяжения ленты, которые сформировались на участке размотки, а также разделить зоны размотки и печати. Процесс стабилизации может быть регулируемым или нерегулируемым. В нерегулируемой системе используется пассивный стабилизатор, который осуществляет принудительное движение бумаги с постоянной скоростью стабилизации . При этом между зонами размотки и печати формируется дополнительный участок ленты, который осуществляет фильтрацию вынужденных колебаний натяжения ленты. В регулируемой системе используется автономный регулятор стабилизации, который корректирует усилие натяжения за счет изменения скорости движения ленты в стабилизаторе. В зоне стабилизации амортизатор, как правило, отсутствует. По этой причине в ней для измерения натяжения ленты применяются электромеханические преобразователи с незначительным перемещением чувствительного элемента, например: различные измерители деформации, тензометрические устройства, пневматические датчики с силовой компенсацией, дистанционные измерители натяжения по частоте поперечных колебаний и другие приборы. В системах автоматической стабилизации в качестве исполнительного устройства применяются всевозможные дифференциалы (или вариаторы скоростей), которые позволяют скорректировать скорость движения ленты в стабилизующей бумаговедущей паре.

На участке печати натяжение не регулируется, так как печатание должно осуществляться при постоянном натяжении и неизменных скоростях движения ленты через печатные аппараты рулонных машин. В силу различных причин, в том числе из-за изменения вязкоупругих свойств ленты при нанесении краски и увлажняющего раствора, натяжение ленты и ее деформация могут существенно меняться. Этот процесс можно контролировать с помощью специальных датчиков. Однако регулирование натяжения в зоне печати не производится. В этой зоне управление положением ленты относительно формных цилиндров осуществляется специальной системой управления приводкой красок. Данная система анализирует положение напечатанных на полотне контрольных меток и формирует сигналы управления осевой, окружной и диагональной приводкой.

На выходе печатной машины могут производиться дополнительные операции: сушка оттисков, нормализация полотна после сушки, нанесение противоотмарывающих веществ и др. Эти операции приводят к изменению упругих свойств бумаги, а, следовательно, и к изменению натяжения ленты. В флексографских печатных машинах лента с напечатанными оттисками часто обратно сматываются в рулон. Очевидно, что процесс намотки ленты должен также производиться при ее постоянном натяжении. Для управления процессом намотки, как правило, используются двигатели, которые по известной скорости движения ленты или по величине натяжения формируют с помощью двигателя активный момент , обеспечивающий работу данной системы.

В рулонных печатных машинах используются различные системы управления натяжением ленты, которые включают: рулон, участок бумажной ленты, амортизатор и контур управления. Системы управления натяжением ленты можно разделить на две основные группы: системы с торможением рулона с помощью тормозной муфты и системы с активным разгоном рулона с помощью электродвигателя. В системах первого типа заданное натяжение ленты поддерживается за счет создания внешнего тормозного момента , обеспечивающего необходимую разность скоростей . В системах второго типа обеспечивается активное управление скоростью разматывания рулона , которое формирует такую разность скоростей , при которой натяжение ленты равно заданному натяжению .

Следует отметить, что в рулонном печатном оборудовании чаще всего [13,15,31] используются системы управления натяжением с торможением рулона. Системы с разгоном рулона имеют более высокую стоимость и весьма сложны. Поэтому они применяются гораздо реже. В дальнейшем мы будем рассматривать системы управления натяжением ленты с торможением рулона.

На рис. 3.18 представлена классификация систем автоматического управления натяжением бумажной ленты по их основным компонентам. Они различаются: по типу используемого амортизатора (с угловым или линейным перемещением штанги; с пружиной, масляным или пневматическим демпфером, без пружины с плавающим валиком и т.д.); по типу используемого датчика силы натяжения ленты (с контактным или бесконтактным датчиком положения штанги амортизатора, тезнзодатчиком и др.); по типу управляющего устройства (с пропорциональным законом управления — статические или с интегральным законом управления — астатические); по типу рулонного тормоза: с осевым тормозом (муфтой сухого трения, порошковой или электродинамической муфтой) и периферийным тормозом (бесконечной тормозной лентой).

На рис. 3.19 показана структурная схема системы управления натяжением, включающая рулон, участок бумажной ленты между рулоном и первой бумаговедущей парой, амортизатор колебаний натяжения ленты и рулонный тормоз. Элементы данной системы связаны между собой следующими переменными: — относительное удлинение участка бумажной ленты, вследствие его упругой деформации; — угол поворота штанги амортизатора; — текущий радиус рулона; — линейная скорость разматывания рулона; — линейная скорость первой бумаговедущей пары; — заданное натяжение ленты; — тормозной момент управляющего устройства.

.

Видно, что система управления натяжением включает три связанных контура. Первый контур содержит участок бумажной ленты и амортизатор, второй — рулон, участок ленты и амортизатор, а третий контур формируется за счет охвата элементов лентопитающей системы управляющим устройством и рулонным тормозом. В работах [5,25,31] рассмотрены вопросы механики разматывания рулона и показано, что идеальный рулон может быть представлен в виде цилиндра, радиус которого меняется по закону архимедовой спирали. При наличии эксцентриситета на выходе рулона возникают гармонические колебания натяжения, частота которых зависит от радиуса рулона и скорости печати. Там же описаны методики оценки качества оценки работы лентопитающего и лентопроводящего устройств рулонной печатной машины на основе статистических подходов.