下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
凹版印刷（凹版印刷工艺在后面介绍）是三种主要印刷工艺（胶印、柔印、凹印）之一，其采用直接印刷方式，机器结构比胶印机简单。凹版印刷的特点是印制品墨层厚实、颜色鲜艳、饱和度高、印版耐用、印品质量稳定、印刷速度快（轮转式凹版印刷机的速度可达约300m/min）。在国外，凹版印刷常用于印制杂志、产品目录、包装材料、钞票和邮票等产品。由于凹版印刷的制版工艺比较复杂，对印版辊筒的要求严苛，制作周期长、成本高，因此，凹版印刷更适合用于多次反复印刷的长版活。在国内，凹版印刷更多地用于塑料薄膜等软包装材料、装饰纸张等。图3-9所示为一台轮转式凹版印刷机（rotogravure printing machine）的外形图。
图3-9 轮转式凹版印刷机（西安航天华阳机电装备有限公司产品，照片由该公司提供）
轮转式凹版印刷机的印刷速度较高。以用于塑料薄膜印刷的轮转式凹版印刷机为例：印刷速度约300m/min，印刷物幅宽约1～1.25m，套印精度可做到不大于±0.1mm。
随着政府对环保、卫生等方面要求的提高，食品、药品等行业越来越重视包装材料的安全和环保性。印刷企业也更加重视印刷工艺和印刷车间的环境问题。因此，环保型油墨将越来越广泛地用于凹版印刷，具有封闭式刮墨刀系统、使用水性油墨的凹版印刷机将被广泛地选用。
为提高机器的使用效率，当需要更换印刷品时，机器应能快速地更换印版，并快速地进行机器有关部件的调整，为印刷新产品做好准备。现代凹版印刷机将其印刷单元的供墨系统、印版辊筒和刮墨刀组件安装在一个可移动的小车（gravure trolley/printing trolley）上，这样不仅可实现快速地更换印版辊筒，而且可降低工人的劳动强度。
印刷机内电子轴传动（电子轴传动将在后面的工艺部分介绍）和自动套色系统的使用也非常有利于缩短切换印品的准备时间。这些技术早期出现在日本和欧洲的凹版印刷机上。随着国内市场对小批量、多品种印品需求的提高，国内的部分凹版印刷机生产商也逐步将电子轴传动技术和自动套色系统用于凹版印刷机。在印刷机中以电子轴取代机械轴还有其他的好处，如可在印刷机组处留出更大的空间，使得维修人员更易于接近印刷机组进行维护或维修等操作。此外，轮转式凹版印刷机还有如下的发展趋势：一些印后加工工艺，如上光、横切等将被集成到凹版印刷生产线上；模块化机器的理念将被应用在凹版印刷机上，机器的放卷、印刷、收卷（或连线加工）等部分都被做成相对独立的功能模块；凹版印刷机的整机管理、远距离技术支持等功能将被集成在凹版印刷机的控制和管理系统中。
（1）印刷原理、机器结构和工艺过程 凹版印刷采用直接印刷的方式，如图3-10所示，它的印版上具有与原稿图文对应的凹坑，印版辊筒旋转时经过墨槽，凹坑内被填充了油墨，印版表面多余的油墨被刮墨刀刮掉。压辊使得印版与承印物之间产生压力，该压力将凹坑内的油墨转移到承印物上，完成印刷。机器所印画面的浓淡层次是由凹坑的大小及深浅程度决定的，如果凹坑较深，则含的油墨量较多，压印后承印物上留下的墨层就较厚；相反，如果凹坑较浅，则含的油墨量就较少，压印后承印物上留下的墨层就较薄。
图3-10 凹版印刷工艺原理
现以塑料薄膜为承印材料、多机组的轮转式凹版印刷机为例，介绍凹版印刷机的主要结构和印刷工艺过程。图3-11所示为凹版印刷机的组成和结构，包括放卷部分、进料牵引部分、印刷部分、收料牵引部分和收卷部分。印刷部分由多个印刷单元组成，每个印刷单元用于印刷不同颜色，每个印刷单元中都包括印刷机构和烘干机构，如图3-12所示。
放卷部分将卷筒形式的承印材料连续地输送出来。利用其所配备的自动控制系统，放卷部分应具有保持承印薄膜材料的张力和速度稳定、计算卷筒上薄膜材料的剩余长度、完成更换薄膜卷和接料（即将不同卷筒上的承印薄膜材料搭接起来）等主要功能。
图3-11 凹版印刷机的组成和结构
图3-12 印刷单元由印刷机构和烘干机构组成
进料牵引部分的作用是在薄膜进入印刷单元前将放卷时的张力波动消除，使薄膜在放卷部和第一印刷单元之间的张力得以优化。
按照用户要求，印刷部分包括相应数量的印刷机组，用于不同颜色的印刷。每个印刷机组中有1个印版辊筒和1～2个压印辊筒。设置2个压印辊筒的目的是增大印刷压力。印刷机组内含有不同型式的给墨装置，一种是将印版辊筒浸在墨槽内，直接给墨；另一种是将一个出墨辊浸在墨槽内，由出墨辊将油墨传递给印版辊筒。
印刷机组内的烘干机构利用电能或蒸汽加热（或红外线或远红外线灯加热）产生的热风，使印刷后承印材料上的油墨干燥。
收料牵引部分的作用是使印刷和烘干后的薄膜进入收卷（或印后加工）部分之前，将薄膜在印刷及烘干部分产生的张力波动消除，使得收卷时薄膜的张力稳定。
收卷部分将印刷并烘干后的薄膜复卷起来。按照客户的要求，也可在此配备裁切等印后加工装置，将印刷并烘干后的薄膜切成一定长度的单张，并堆积起来。
传统轮转式凹版印刷机采用机械传动方式，由一个主电动机通过一根机械长轴，并借助一些机械部件（如蜗轮蜗杆等）带动机器各部分协调运动，如图3-13所示，使各印刷辊筒之间保持同步运动以实现多色印刷。
为了提高印刷机的灵活性，减少更换活件的准备时间，许多印刷机生产商采用模块化的机器设计，取消了印刷机内的机械长轴，为不同的机器模块配备独立的伺服电动机，利用伺服驱动系统的多轴同步功能实现印刷机内各个模块间的同步运动关系，如图3-14所示。这样的印刷机被称为无轴传动印刷机或电子轴传动印刷机。
（2）承印材料的张力控制 为保证凹版印刷机工作时各个不同工艺段之间能相互良好地衔接，承印材料在机内的移动过程中必须保持稳定的张力。张力太小，会使薄膜向前滑动或横向起皱，造成套印精度下降；张力太大，可造成薄膜纵向起皱，也会影响套印精度，甚至会造成薄膜断裂。因此，在放卷、印刷、收卷或印后加工工序中都应保持恒定的薄膜张力。放卷时的恰当张力能确保薄膜被平稳地输送到印刷单元；印刷过程中的恰当张力可确保套印精度，获得高质量的印刷效果；印后阶段恰当的张力有助于实现良好的收卷或印后加工过程。
图3-13 传统印刷机利用机械长轴实现同步
图3-14 电子轴传动印刷机用伺服电动机驱动机器的各模块
1）放卷机构及其张力控制。放卷过程的张力控制系统包括薄膜卷制动装置、张力检测装置（如浮动辊）和控制器。制动装置需根据薄膜张力的波动情况进行制动力矩的自动调整，使薄膜能以一定的张力值匀速、平稳地进入印刷装置，并可在机器开始运行和制动时防止薄膜张力过载和松弛。在印刷过程中，随着薄膜卷直径的不断减小，为保持薄膜张力不变，也要对制动力矩进行相应调整。薄膜卷制动可采用圆周制动或轴制动方式。
圆周制动方式是在薄膜卷筒外表面施加一个作用力，依靠摩擦产生制动力矩。该制动机构可采用电动机单独驱动制动带，利用薄膜卷的表面和制动带间的速度差产生一个制动力矩。
轴制动方式是在薄膜卷筒转轴上施加一制动力矩实现卷筒的制动。目前大多数凹版印刷机都采用磁粉制动器或电动机转速调节张力控制系统。磁粉制动器对张力测量辊的实测数值和标准设定值进行比较，如实测数值低，说明薄膜张力小，磁粉制动器中激磁电流增加，产生较大磁力，使定子和转子间产生较大的制动力矩。电动机转速调节则是将张力实测值与设定值进行比较，得到二者间的差值，将此差值放大后直接用于调节电动机的转速，实现张力控制。
2）印刷和收卷机构的张力控制。如前所述，对薄膜卷筒实施的制动力要借助张力检测装置给出的测量信号来实现。常用的张力检测装置是浮动辊或张力传感器，如图3-3和图3-4所示。在本书3.2.1节中的张力控制部分，已经介绍了这两种传感器的基本原理，这里不再赘述。图3-15所示为进料牵引部分的浮动辊的使用。
图3-16所示为印刷单元前的张力传感器示意图。印刷开始前，先对薄膜张力进行预设，并进行相应张力控制；印刷开始后，由于实际薄膜移动状况及机器相应部件位置等因素，薄膜的张力会与理想值产生一定的误差。传感器检测出这个误差信号，并将其转换为电信号。控制器利用该信号对执行部件（如电动机）进行相应控制，使张力得到调整。
图3-15 进料牵引部分的浮动辊示意图
图3-16 印刷单元前的张力传感器示意图
在收料牵引处，也可利用浮动辊进行相应的收卷张力控制，如图3-17所示。
图3-17 收卷机构前使用浮动辊示意图
在印刷机内实施张力控制不仅能有效提升印刷质量，而且有利于减少印刷机加速和减速时的材料浪费。
（3）自动套色系统
1）机械轴同步凹版印刷机的自动套色。如前所述，传统机组式凹版印刷机配备一根机械长轴（或称为主轴），该长轴通常由变频器控制的三相异步电动机驱动，通过蜗轮蜗杆等机械装置为各印刷单元提供动力。刚性的机械轴能够确保各色组版辊的运动同步，机器的同步精度取决于机械加工精度。由于机械结构比较复杂，加上机械磨损等原因，会使机械部件的误差随着其使用时间的增加而增加，所以这种型式的印刷机往往很难得到理想的套色精度，需要加装自动套色系统。为了保证印刷品的高质量，凹版印刷机的套印精度应当控制在±0.10mm以内。
为实现自动套色，各色印版上要增加套色标记，使其随图文一同印在薄膜上，如图3-18所示。如果印刷时的套色精度在正常范围内，印出的套色标记间的距离与制版时确定的距离是相同的；如果出现套色误差，套色标记间的距离就会缩小或加大。
自动套色系统用光电扫描头检测各个印刷单元印出的套色标记，将相邻两色套色标记之间距离的实际检测值与设定值进行比较得到差值，根据差值和一定的算法计算出补偿值，利用该补偿值调节对应电动机的转动，该电动机带动补偿辊进行对应于补偿值的上下运动，使两个印刷单元间的薄膜长度（或拉伸）得到相应的调整，从而达到理想的套色效果，如图3-19所示。
图3-18 套色标记
图3-19 机械轴凹版印刷机套色原理图
2）电子轴同步凹版印刷机的自动套色。电子轴同步凹版印刷机的每个印刷单元由独立的伺服电动机驱动，伺服控制系统具有的多轴同步功能可确保伺服电动机带动各印版辊进行精准的同步运动。这样不仅可以取消机械长轴，而且可取消机械轴凹版印刷机套色系统所需的补偿辊机构。其原理是利用独立的伺服电动机直接作用于印版辊，在各个印版辊筒自身同步转动的基础上叠加一个与当前套色误差相反的相位调整，从而消除套色误差。在这样的控制方式下，驱动印版辊筒的伺服电动机兼具驱动印版辊筒转动与自动套色相位调整的功能，如图3-20所示。
图3-20 调整印版辊筒相位实现套色
电子轴凹版印刷机的自动套色系统用光电扫描头检测各个印刷单元印出的套色标记，得出相邻两色套色标记之间距离的实际检测值，套色控制系统将该值与设定值进行比较得到差值。根据该差值和一定的算法，套色控制系统会计算出一个补偿值，再根据该补偿值的正负和大小，利用伺服驱动器调节印版辊筒对应伺服电动机的相位，从而达到理想的套色效果，如图3-21所示。
图3-21 电子轴凹版印刷机自动套色系统组成及原理图
由于取消了机械轴凹版印刷机自动套色所需的补偿辊机构，使相邻两个色组间所需的塑料薄膜长度得以缩短，因此减少了凹版印刷机增速和减速期间进行套色精度调整时薄膜材料的浪费。
以上介绍的是独立于凹版印刷机自动化控制系统的自动套色系统，它通常是由专业套色系统供应商提供的。目前有许多自动化与驱动系统供应商开发了自己的印刷机自动套色系统，并将其集成在印刷机整体的自动化和驱动控制系统中，使印刷机的整体控制系统更加简洁和高效，并降低了印刷机的制造成本，采用这种方案的印刷机也更具市场竞争力。
前面介绍的套色误差，是与凹版印刷机承印材料移动方向平行的，称之为纵向套色误差，如图3-22所示。实际应用中，也存在与凹版印刷机承印材料移动方向垂直的套色误差，称其为横向套色误差，如图3-23所示。为了达到高质量的印刷效果，也需要进行横向套色控制。
图3-22 纵向套色误差
图3-23 横向套色误差
许多印刷机的横向套色误差调整是通过手工操作完成的。如果要求横向套色也采用自动方式调整，就要求印版上有横向套色标记并将其印刷在承印物上。一种方法是在原有纵向套色标记的基础上增加一个横向套色标记，这样每个色组必须用两个扫描装置才能控制。另一种方法是将纵向套色标记改为三角形或梯形，如图3-18所示，使光电检测装置可通过套色标记宽度的变化发现横向的偏差，通过一定的算法计算出需要的横向调整值，由驱动执行机构（电动机）进行横向套色调整。目前采用后一种方法的厂商较多。
根据前面的工艺介绍，如何利用自动化与驱动产品实现凹版印刷机的放卷、进料牵引、印刷、收料牵引、复卷等部分的同步协调运行？如何实现薄膜在机内各部分的张力稳定？如何保证套色精准？这些都是印刷机自动化与驱动方案要解决的主要问题。下面给出一个轮转式电子轴凹版印刷机的自动化与驱动系统参考方案，如图3-24所示。
图3-24 轮转式电子轴凹版印刷机自动化与驱动系统结构示意图
放卷部分的任务是将薄膜以特定的张力和速度从卷筒架输出并送入印刷单元。因薄膜卷的直径随着印刷的进行而逐渐减小，所以控制系统要检测薄膜卷的直径变化，并根据薄膜的质量等参数计算出驱动电动机对应的转速和转矩。该方案为放卷装置配备一台伺服电动机，可根据需要调整其转速和转矩。有些机型利用变频器转矩输出可控的功能，由其驱动异步电动机实现放卷的张力控制。驱动系统的输入输出模块（或外加模块）用于接收来自传感器的信息，如薄膜卷当前的直径等。许多印刷机的放卷装置是由第三方提供的独立放卷机，通常配备有单独的控制器和驱动装置。为减少更换薄膜卷所需的停机时间，提高机器的工作效率，有些机型配备两个薄膜卷架，当使用某个薄膜卷时，另一个可离线进行上卷等准备工作。
薄膜进入印刷单元之前，先经过一个进料牵引单元，其作用是在薄膜进入印刷单元前将放卷时的张力波动消除，使薄膜在放卷部分和第一印刷单元之间的张力得以优化。进料牵引单元的性能会极大地影响印刷机的性能。在此配备一台伺服电动机，使得进料牵引单元的转速和转矩与相邻的机器部分完全匹配。此处驱动系统的输入输出模块（或外加模块）用于传递来自传感器的信息，如浮动辊位置或压力传感器的数值等，它能辅助主控制器和伺服驱动系统完成进料牵引单元的任务。
每个印刷单元配备一台可独立驱动印版辊筒的伺服电动机，因此取消了传统的机械长轴。在机器的控制程序中具有自动套色功能模块，利用光电检测装置和伺服系统的电子轴功能实现多色印刷机组的同步和纵向套色功能。为实现横向套色，在每个印刷单元中再配备一台横向套色用电动机，如图3-25所示。该方案中，每个印刷色组（或印刷单元）配备一台伺服电动机来驱动印版辊筒，而压印辊筒与印版辊筒之间的同步是通过机械方式实现的。在有些印刷机中，压印辊筒配备有自己的伺服电动机，因此压印辊筒和印版辊筒之间的同步也是靠电子轴来实现的。此处驱动系统的输入输出模块（或外加模块）用于传递来自传感器的信息，如色标光电传感器信息等。
图3-25 印刷色组中纵向和横向自动套色示意图
完成印刷后，承印薄膜还要经过一个收料牵引单元，其作用与进料牵引单元类似，用于消除印刷过程中薄膜的张力波动，使薄膜在复卷时的张力得以优化。此处同样配备一台伺服电动机实现收料牵引单元与其他部分的张力和速度匹配。输入输出模块（或外加模块）用于传递来自传感器的信息，如浮动辊位置或压力传感器的数值等，辅助主控制器和伺服驱动系统完成收料牵引单元的任务。
收卷部分的任务是以特定的张力和速度将印刷后的薄膜复卷起来。因薄膜卷的直径随着复卷的进行而逐渐增加，所以控制系统要检测薄膜卷的直径变化，并根据薄膜的质量等参数计算出驱动电动机对应的转速和转矩。该方案为收卷部分配备一台伺服电动机，可根据需要调整其转速和转矩。有些机型利用变频器的转矩输出可控的功能，用其驱动异步电动机实现收卷的张力控制。驱动系统的输入输出模块（或外加模块）用于接收来自传感器的信息，如薄膜卷当前的直径等。许多印刷机的收卷装置是由第三方提供的独立收卷机，配备有单独的控制器和驱动装置。
该方案采用模块化的自动化与驱动控制方式。这里的主控制器为运动控制器，具有逻辑和运动控制功能，支持分布式的自动化结构和模块化机器设计，并可提供多伺服轴同步功能和印刷机所需的各种工艺功能。可对机器的所有功能部分，如放卷、放卷牵引、印刷色组、收料牵引和复卷分别进行设计、开发、编程和调试。
印刷机各部分所需的驱动力不同，如薄膜卷的质量可达数吨，需要较大的驱动力。因此，该方案为机器选配的驱动系统具有较宽的驱动参数范围及较高的过载能力。多轴同步所需的传感器、电动机状态等信息通过光纤以数字化的形式传输，不仅速度快，且降低了机器内传输线的复杂度。
主控制器通过以太网与印刷机的操作屏连接，能对印刷机进行集成化的管理，可完成印刷机的各种操作任务，如张力控制、套色监控、远程诊断和在线帮助等，并可实现系统参数读写、系统状态监控、故障提示和配方管理等功能。