印机研制报告

《印机关键工艺技术的智能控制研究》研制报告项目组2012年2月13日概述：1、国内外现状、水平和发展趋势我国印刷技术的发展，正如行业专家、设备器材制造商、印刷企业家呼吁的那样：只有把国产产品搞上去，才能把成本降下来。如果成本这块没有明显优势，那么企业就没办法生存，何谈技术的发展？印机的功能、主要技术参数方面，国产设备与国际水平差距不大。但在智能化控制、机器的稳定性和可靠性等方面，国产机与国外设备相比，差距较大。就智能化控制水平而言，国外的设备有时候可以由一个人来操作，换版、上墨完全都是自动化。另外，就停机故障时间或者停机次数而言，国产设备与进口设备相比，差距就更大了。进口设备，一年只停2次或者3次，而国产设备可能一年要停4次以上。据了解，进口的机器用于软包装印刷的比例为75%，进口机用于纸张印刷的比例为25%；国产机用于软包装印刷的比例为25%，国产机用于纸张印刷的比例为75%。2、任务来源：2010年的5月，上海电气自动化设计研究所有限公司在上海市科委组织和领导下，对于在印包行业中张力和纠偏工艺进行需求分析和目标整合。经过专家论证和多次修改，制定了严格的科研计划。在这样的技术背景下，2010年的7月，上海电气自动化设计研究所有限公司（以下简称自动化所）提交《印机关键工艺技术的智能控制研究》的科技研究项目（以下简称项目）的可行性方案。并且由上海市科委正式立项。3、知识产权状况和技术标准状况 国内对于印机系统的张力控制和纠偏控制的专利较多，但实施产业化的极少，同时能级较高达到智能化程度的更少。序号申请号专利名称1

02140992.7

线张力控制装置2

02104224.1

张力控制实验装置3

02113029.9

传送张力控制器4

95117052.X

恒张力控制和连轧厚度及截面积计算方法5

95120574.9

张力控制装置6

97102325.5

用于丝状材料的张力控制装置7

88107290.7

组合式纱线张力控制和自停装置8

92112797.9

用于垫料加工机的侧边张力控制装置9

94105566.3

钢带的连续退火装置及其张力控制装置10

94111503.8

张力控制装置11

94116841.7

连续式轧机用的中间机座张力控制器12

96115102.1

型钢连轧予张力式智能化微张力控制技术13

95118723.6

生产流水线的张力控制装置14

98106355.1

张力控制设备15

99108430.6

毛刺控制装置的张力控制方法16

98112913.7

智能全数字恒张力控制方法17

00120345.2

张力控制系统和方法18

99118520.X

热写式打印机与其色带张力控制方法19

99108862.X

缝纫机的线张力控制装置20

200710169460.7

织机内用于织造绒头织物的经纱张力控制装置 通过项目的研制，自动化所所新申请了4个发明专利：《一种数字化张力计算方法》《一种数字张力控制系统》《一种快速纠偏误差计算方法》《一种智能纠偏控制系统》4、经济效益和社会效益 印包机械的市场竞争相当激烈，但由于印包机械的关键工艺有较高科技含量的附加值，所以成为竞争的焦点和市场卖点，同时也是主要的利润点。自主研发智能张力控制系统和纠偏控制系统可以同国外大公司的产品同等级别竞争，节约外汇，形成良好的社会效益。自主研发智能张力控制系统和纠偏控制系统可以使上海电气的印包集团形成核心竞争能力，维持并稳步发展每年15到20个亿的产值。形成良好的经济效益。5、科学技术价值、特色和创新点印机关键工艺的智能控制技术的研究科学价值在于：提高印机的产品能级，提高印刷质量，降低国产印机的成本其研制成功后的产品特色在于：智能化、低成本、性能优越。结构合理，接口标准，便于应用和产品推广性价比合理，便于商业化运作。工作组成单位：项目承担单位：上海电气自动化设计研究所有限公司工作进度安排：2010年5月科技项目提出；2010年7月批准项目立项；2010年7月至9月完成仿真建模工作。2010年10月至12月制作样机设备2011年1月至3月制作样机设备2011年4月至6月制作样机设备2011年7月至9月研究相关技术及调试性能指标2011年10月至12月开始工程应用2012年1月至3月制作在线采集设备终端样机2012年4月至6月工程验证和运行考核研究项目与样机试制过程解决的技术关键：（1）解决的关键技术：传感器的信号变送技术张力控制的模型仿真算法纠偏控制的模型仿真算法（2）重点技术问题的研究：传感器的信号变送技术为提高传感器的抗干扰能力，变送电路采用双差分模拟驱动电路，如下图所示，驱动模块A1和A2是同样放大倍数K的变送模块，输入同样幅值但相位相反的传感器信号。这样输出的信号为Vo1-Vo2=2K(V+-V-),提高精度1倍、扩大动态范围1倍。LVDS低电压差分远距离模拟量传输，提高抗干扰能力和响应速度。采用低压差分传输，确保了传输过程中不损失信号的动态响应。保证快速性。张力控制的模型仿真算法卷筒纸轮转印刷机工作时,由于纸卷外径不断变化,同时还有纸卷不圆,纸卷重心不与旋转轴重合,或者更换纸卷,改变机器工作速度等原因,都可能引起纸带上的张力变化,造成走纸不稳,印品皱摺、重影,甚至发生纸张断裂或堵塞等严重问题。特别是对于高速卷筒纸胶印机,张力的波动和变化对印刷套准精度影响更大。下图所示为印刷机械张力控制系统的基本环节。从动力学角度出发,分析印刷机械张力控制的基本原理。纸张由牵引辊送出,其线速度为印刷机械的工作速度Ve,收卷筒的线速度为V2,T2为纸张卷入收卷筒前的张力,设纸张的弹性模量为E,横截面积为A,从牵引辊到收卷筒的长度为L2,tf=L2/Ve为纸张由牵引辊传送到收卷筒的时间,根据胡克定律得:T2=(EA/L2)∫(V2-Ve)dt[0,tf]由此可知,若需控制纸张张力,就必须控制(V2-Ve),即两速度差,可见张力控制系统实际上也是线速度跟踪系统。纠偏控制的模型仿真算法卷筒纸轮转印刷机工作时,由于纸卷外径不断变化,同时还有纸卷不圆,纸卷重心不与旋转轴重合,或者更换纸卷,改变机器工作速度等原因,都可能引起纸带上的轴向受力发生变化,形成走纸跑偏，造成走纸不稳,印品皱摺、重影,甚至发生纸张断裂或堵塞等严重问题。特别是对于高速卷筒纸胶印机,轴向的波动和变化对印刷套准精度影响更大。下图所示为印刷机械纠偏控制系统的基本环节。从动力学角度出发,分析印刷机械纠偏控制的基本原理。纸张由牵引辊送出,其单位时间内轴向位移为△V,T为纸张纠偏力,伺服放大倍数为KT=K∫△Vdt由此可知,若需控制纸张跑偏,就必须控制单位时间内轴向位移为△V,可见纠偏控制系统实际上也是轨迹跟踪系统。（3）主要研究内容：传感器的信号变送电路实际的差分线路中关键的驱动芯片选择OP2177双运放电路。OPx177系列运放是精度非常高的单路，双路和四路放大器，具有极低的失调电压和漂移，低输入偏置电流，低噪音，低功耗。输出稳定超过1000pF的容性负载，无需外部补偿。电源电流小于500μA在每个放大器30V内置500Ω串联电阻保护输入，使输入信号电平不超出任一电源相位反转几伏。这些放大器的应用，包括精密测量二极管功率，电压和电流的级别设置，光学和无线传输系统的检测水平。其他应用包括线路供电和便携式仪表和控制，热电偶，热电阻，应变桥，和其他传感器的信号调理和精密测量。张力控制的控制方法印刷工作环节需要保持恒张力;退卷部分也需要做到到张力尽量不变,均匀退卷;收卷装置部分则需要进行锥张力控制。由于印刷机械各段张力控制要求不同,我们建议各段张力分别由张力传感器直接测得,然后通过张力控制器进行补偿修正,即多级张力闭环控制方式。整个系统采用数字直接控制,每个部分由DSP分别相对单独控制,而子机又由一个主机系统协调统一。下图为针对某个控制对象的控制系统框图。整个电气控制系统可分为调速系统和转矩控制系统。调速系统可以采用变频调速。对于转矩控制,采用伺服系统作为首选执行元件,并通过联轴器张力辊联接。利用DSP的现成接口和现成数字滤波处理结构进行采样和处理。利用FPGA的纯硬件处理技术，利用独特的算法高速并行处理经过缓冲的数据。采用速度参量叠加的前馈算法基本流程图如下，按照驱动系统PWM的基频10KHz的20倍即200KHz的采样速率进行采样，按照速度的20倍进行相位的分隔。纠偏控制的方法印刷工作环节需要保持恒定的走纸方向;需要响应极快的随动系统。整个系统采用数字直接控制,每个部分由DSP分别相对单独控制,而子机又由一个主机系统协调统一。下图为针对某个控制对象的控制系统框图。整个电气控制系统可分为调速系统和转矩控制系统。调速系统可以采用变频调速。对于转矩控制,采用伺服系统作为首选执行元件,并通过联轴器纠偏辊联接。采用差分信号和中点信号同步PID运算，由同步协调器发出驱动指令的算法。S=f1(△V)+f2(△L)，△V速度变量微分，f1()速度PID运算函数，△L位置变量微分，f2()位置PID运算函数。微型伺服系统的精密外环控制技术伺服系统除了原有的速度环和电流环以外，还必须有精密的外环位置换的控制，并且随控加速度曲线，以保证系统足够快的响应，达到高速印机的工艺要求。其控制框图如下：伺服环内的A/D采样和误差计算程序如下所示：//A/D采样子程序，单次采样的时间为0.1us*2*16=3.2us,总采样数初定500个/40usvoidDo_Adc(void){ AdcRegs.ADCTRL2.bit.SOC_SEQ1=1; //启动A/D //A/D结束否found1: if(AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1==0) { gotofound1;//采样未完成，等待 } AdcRegs.ADCTRL2.bit.SOC_SEQ1=0; //停止A/D AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1=1; //清零A/D流程 AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR=1; //清零A/D中断标志 //过采样取平均 a[0]=AdcRegs.ADCRESULT0>>4; a[1]=AdcRegs.ADCRESULT1>>4; a[2]=AdcRegs.ADCRESULT2>>4; a[4]=AdcRegs.ADCRESULT4>>4; a[5]=AdcRegs.ADCRESULT5>>4; a[6]=AdcRegs.ADCRESULT6>>4; a[8]=AdcRegs.ADCRESULT8>>4; a[9]=AdcRegs.ADCRESULT9>>4; a[10]=AdcRegs.ADCRESULT10>>4; a[12]=AdcRegs.ADCRESULT12>>4; a[13]=AdcRegs.ADCRESULT13>>4; a[14]=AdcRegs.ADCRESULT14>>4; //差分去噪 a[0]=(a[0]+a[4]+a[8]+a[12])/4; a[1]=(a[1]+a[5]+a[9]+a[13])/4; a[2]=(a[2]+a[6]+a[10]+a[14])/4; a[0]=a[2]-a[0];}//等待过零点触发//level0:do{ if(GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO25==0) { //gotolevel0; k=k+1; } else { gotolevel1; } }while(k<5000); Vx=0; Ix=0; Ir=0; gotolevel3;//过零处理level1: k=0; do { if(GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO25==1) { //gotolevel1; k=k+1; } else { gotolevel2; } }while(k<5000); Vx=0; Ix=0; Ir=0; gotolevel3;//没有信号转出做0处理//开始采样level2: StartCpuTimer0();k=0;do { Do_Adc(); x[k]=a[0]; found0: if(CpuTimer0Regs.TCR.bit.TIF==0) { gotofound0;//采样定时没有到，T0中断标志为零，则转出循环继续采样等待 } CpuTimer0Regs.TCR.bit.TIF=1;//清零T0中断标志 k=k+1;}while(k<500); ////DisablethePIE//PieCtrlRegs.PIECTRL.bit.ENPIE=0;////ClearallPIEIFRregisters:清标志位//PieCtrlRegs.PIEIFR1.all=0;////ToreceivemoreinterruptsfromthisPIEgroup,acknowledgethisinterrupt//PieCtrlRegs.PIEACK.all=0x0000; //清响应位，等待中断//计算平均值StopCpuTimer0();Vp=0;Vx=0;for(k=0;k<500;k++){ Vp=Vp+x[k];}Vp=Vp/500;//取平均值//计算有效值for(k=0;k<500;k++){ V=abs(x[k]-Vp); x[k]=x[k]-Vp; V