Применение технологии цифрового управления в машине для резки фольги методом горячей штамповки

Абстрактный:

В условиях развития упаковочной и полиграфической промышленности в направлении высокой точности, эффективности и персонализации, фольга для горячего тиснения является ключевым декоративным материалом, и качество ее нарезки напрямую влияет на эффект горячего тиснения. Традиционные станки для нарезки фольги для горячего тиснения основаны на механической передаче и ручном труде, что приводит к проблемам низкой точности, медленной смены заказов и высокому проценту брака. В данной статье рассматривается применение технологии цифрового управления в станках для нарезки фольги для горячего тиснения, уделяя особое внимание тому, как реализовать автоматизацию и интеллектуализацию процесса нарезки и повысить комплексную эффективность оборудования на основе синхронного управления с использованием ПЛК и сервопривода, высокоточного управления натяжением с обратной связью и цифрового управления технологическими процессами.

1. Введение

Фольга для горячего тиснения — это высокоточный материал, который наносит несколько слоев химического покрытия на пленочную подложку и широко используется в высококачественной печатной продукции, такой как пачки сигарет, этикетки для вина, косметические коробки и поздравительные открытки. В процессе горячего тиснения ключевым этапом является резка: большой рулон-мастер разрезается на узкие рулоны в соответствии с требуемой шириной и длиной заказчика.

Традиционные механические станки для продольной резки в основном используют муфту, механический редуктор и ручную регулировку роликов. При работе с фольгой для горячей штамповки толщиной всего 12–20 мкм, которая легко растягивается, мнется и чувствительна к статическому электричеству, традиционное оборудование подвержено таким проблемам, как заусенцы по краям, неравномерная намотка, неточная горячая штамповка и перепечатка, вызванные колебаниями натяжения. Внедрение цифровых технологий управления, использование высокоточных датчиков, программируемых логических контроллеров (ПЛК) и сервоприводов стало фундаментальным способом решения вышеуказанных проблем.

2. Аппаратная архитектура цифровой системы управления

Современные станки для горячей штамповки и нарезки фольги с цифровым управлением обычно используют трехслойную сетевую архитектуру:

1. Уровень управления: Промышленный сенсорный экран (HMI) используется для интеграции функций управления рецептами, диагностики неисправностей и сбора статистики производственных данных.

2. Уровень управленияВ основе устройства лежит высокоскоростной ПЛК или специальный контроллер движения, который использует алгоритм ПИД-регулирования и синхронное управление электронным кулачком.

3. Уровень выполнения и обратной связиВ комплект входят: система сервопривода переменного тока, векторный преобразователь частоты, цифровой датчик натяжения, ультразвуковой датчик наведения и лазерный дальномер.

Взаимодействие данных осуществляется через промышленный Ethernet (например, Profinet, EtherCAT), что обеспечивает синхронное выполнение управляющих инструкций за миллисекунды или даже микросекунды.

3. Применение ключевых технологий цифрового управления

1. Технология сервопривода и электронной синхронизации шпинделя.

Традиционные станки для продольной резки синхронизируют размотку, перемещение и намотку с помощью длинных механических валов и редукторов, что не только приводит к сильному механическому износу, но и способствует растяжению или накоплению материала из-за несоответствия инерции при ускорении и замедлении.

Технология цифрового управления внедряет концепцию «электронного шпинделя». С помощью высокоточного сервопривода сигнал поворотного энкодера тягового ролика используется в качестве сигнала виртуального шпинделя, а вал размотки и намотки — в качестве электронных ведомых осей. Благодаря функции электронного редуктора устанавливается точное передаточное отношение, исключая ошибки, вызванные люфтом в зубчатых передачах и механической деформацией.

В процессе разгона и замедления используется функция электронного кулачка, которая в режиме реального времени динамически регулирует кривую скорости каждой оси в соответствии с изменением диаметра катушки, обеспечивая постоянство линейной скорости в процессе резки. Это позволяет оборудованию поддерживать чрезвычайно низкое проскальзывание при работе на высоких скоростях (обычно до 300-500 м/мин), эффективно предотвращая царапины на поверхности фольги для горячей штамповки из-за трения.

2. Полностью цифровое управление натяжением с обратной связью.

Контроль натяжения является основной трудностью при горячей резке фольги. Поскольку подложка для горячей штамповки (ПЭТ-пленка) является вязкоупругой, а в процессе резки соотношение диаметров втягиваемой и разматываемой катушки может достигать более 10:1, если натяжение слишком велико, это приведет к растяжению и деформации поверхности пленки, вызывая «смещение при бронзировании» во время последующей горячей штамповки; если натяжение слишком мало, на торце намотки появится «хризантемообразный сердечник» или «движущийся валик».

Технология цифрового управления обеспечивает глубокую интеграцию регулирования натяжения конуса и управления демпфированием плавающих/маятниковых роликов:

• Часть для разматыванияВ режиме генерации энергии используется векторный частотный преобразователь или сервомотор, а через цифровой ПИД-регулятор обратный крутящий момент автоматически регулируется в соответствии с положением ролика маятника (аналоговый сигнал), получаемым в реальном времени. При обнаружении средней точки смещения положения маятника контроллер немедленно выдает корректирующую величину со временем отклика менее 50 мс.

• Намоточная частьАлгоритм регулировки натяжения. По мере увеличения диаметра намотки цифровой контроллер автоматически уменьшает натяжение в соответствии с заданным коэффициентом конусности (обычно 30–80%) на основе текущего диаметра рулона, рассчитываемого в реальном времени. Этот алгоритм предотвращает явление «деформации нижнего слоя бумаги» или ослабления внешней и натянутой структуры, вызванное чрезмерным внутренним натяжением при намотке больших рулонов.

• Зонирование:При многоножевой продольной резке (разрезании широкой полосы на десятки узких полос) цифровая система управления обеспечивает независимый привод каждого намоточного вала посредством замкнутого контура управления, что решает проблему разной длины, вызванную различием в длине намотки на разных станциях.

3. Автоматическая коррекция отклонений при объединении цифрового изображения и данных с датчиков.

Для продольной резки фольги при тиснении требуется чрезвычайно высокая аккуратность краев, а отклонение кромки обычно необходимо контролировать в пределах ±0,1 мм. Технология цифрового управления включает в себя линейные ПЗС-датчики или ультразвуковую технологию обнаружения дефектов на двух листах.

Система управления больше не полагается на простые фотоэлектрические переключатели, а вычисляет значение отклонения между фактической траекторией подачи материала и заданной траекторией в реальном времени с помощью алгоритмов цифровой обработки изображений. Сервоэлектрический цилиндр используется для привода разматывающей рамы или намоточного вала для компенсации бокового смещения. Система имеет два режима: «Автоматический поиск кромки» и «Следование по линии», а цифровая обработка сигналов (DSP) позволяет эффективно фильтровать оптические помехи и обеспечивать стабильность коррекции смещения для прозрачной фольги для горячей штамповки или голографической фольги для горячей штамповки с эффектом ореола.

4. Цифровое проектирование технологических процессов и интеллектуальное производство.

Еще одним важным преимуществом технологии цифрового управления являются программно-определяемые процессы.

• Управление рецептамиДля горячей штамповки фольги различных характеристик (толщина, ширина, материал) операторы могут сохранять соответствующие параметры процесса на HMI, включая кривую натяжения, наклон ускорения, скорость резки, напряжение статического стержня и т. д. При изменении заказа рецепт вызывается одним щелчком мыши, положение всех осей автоматически обнуляется, и параметры загружаются, а время изменения заказа сокращается с традиционных 30 минут до менее чем 3 минут.

• Отслеживаемость данныхСистема регистрирует в режиме реального времени количество метров, количество простоев, кривую колебаний натяжения и другие данные после разрезания каждого рулона, которые затем загружаются в MES (систему управления производством). Это не только обеспечивает прозрачность производственного процесса, но и предоставляет основу для отслеживания свойств материала для последующих процессов горячей штамповки.

4. Эффект от применения и преимущества

Станок для продольной резки фольги, основанный на технологии цифрового управления, демонстрирует значительные преимущества перед традиционным оборудованием:

1. Повышение точностиДопуск на ширину прорезки контролируется в пределах ±0,05 мм, а чистота торцевой поверхности намотки (погрешность формы башни) составляет ≤ 0,2 мм/100 мм ширины рулона, что соответствует строгим требованиям высококачественной бронзовой пайки сигаретных пачек для получения чрезвычайно тонких линий (например, линий толщиной 0,1 мм).

2. Повышение эффективности:Максимальная механическая скорость увеличивается на 30–50%, а благодаря превосходным характеристикам ускорения и замедления сервосистемы, процент брака снижается примерно на 60% при частых запусках-остановках и совместной обработке.

3. Высокая адаптивность к различным материалам.Для широко используемой в настоящее время "пленки для холодной горячей штамповки" и тонкой фольги для горячей штамповки (12 мкм) цифровая система натяжения позволяет имитировать эффект "плавного старта и плавного останова", эффективно решая проблему легкого разрушения тонких материалов.

4. Повышение интеллекта:Благодаря функции самодиагностики неисправностей, при обнаружении датчиком повреждений материала, стыков или превышения допустимого уровня статического электричества система автоматически замедляет работу и подает сигнал тревоги, снижая риск повреждения оборудования.

5. Будущие тенденции развития

С развитием концепции «Индустрия 4.0» цифровые технологии управления в машинах для горячей штамповки и продольной резки фольги будут развиваться в следующих направлениях:

• Самонастройка ИИ:Используя алгоритмы машинного обучения, оборудование автоматически оптимизирует параметры ПИД-регулятора и коэффициент конусного натяжения на основе данных обратной связи в реальном времени во время разрезания первого рулона, снижая зависимость от опыта оператора.

• Совместная работа в облачной среде и на периферии сетиБлагодаря шлюзу граничных вычислений, данные о работе нескольких продольно-резательных станков могут быть загружены в облако для реализации прогнозирующего технического обслуживания оборудования (например, прогнозирования срока службы инструмента и износа подшипников).

• Полная интеграция с цифровыми мастерскимиСтанок для продольной резки используется в качестве заключительного этапа процесса, а станок горячей штамповки и перемоточный станок обеспечивают взаимосвязь данных, формируя замкнутую систему контроля качества от мастер-катушки до готового продукта.

6. Заключение

Применение технологии цифрового управления в машинах для резки фольги методом горячего тиснения полностью изменило ситуацию с низкой точностью, медленной реакцией и сложностью эксплуатации традиционного оборудования. Благодаря сервосинхронному управлению, полностью цифровому замкнутому контуру регулирования натяжения и оцифровке технологических формул, это не только значительно улучшает качество резки и производительность при горячем тиснении фольги, но и закладывает прочную основу для гибкого производства и создания «умных» заводов в полиграфической и упаковочной промышленности. Благодаря постоянному совершенствованию технологии цифрового управления, будущее оборудование для резки будет развиваться в более сложном, интеллектуальном и эффективном направлении.