一種用于印刷機(jī)的壓力自動氣動控制系統(tǒng)

張世強(qiáng)，李海彬

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

氣動技術(shù)是指氣壓傳動的技術(shù)，是以壓縮空氣為工作介質(zhì)傳遞動力和控制信號的系統(tǒng)。氣動元件具有可靠性和使用壽命長的特點(diǎn)，氣動控制系統(tǒng)具有節(jié)能和低功耗且可以與控制系統(tǒng)直接相連；氣體介質(zhì)無油、無味、無菌，能夠防火、防爆、防電磁干擾、沒有環(huán)境污染。由于氣動系統(tǒng)具有以上優(yōu)點(diǎn)，在印刷領(lǐng)域中各種印刷機(jī)也越來越多地使用氣動控制技術(shù)。

印刷頭是印刷機(jī)的關(guān)鍵部件，其作用是通過精密的印刷壓力控制將漿料壓入絲網(wǎng)中。印刷壓力是指油墨轉(zhuǎn)移過程中壓印體在壓印面上所承受的壓力，即沿壓印面的法向，指向壓印面的力。印刷壓力是印刷機(jī)設(shè)計(jì)和油墨向承印物表面轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)，它不僅是實(shí)現(xiàn)印刷過程的根本保證，而且在很大程度上決定著印刷的質(zhì)量。絲網(wǎng)印刷中，合適而均勻的印刷壓力是獲得高質(zhì)量絲網(wǎng)印刷品的重要保證。印刷壓力過小，絲網(wǎng)就接觸不到承印物而無法實(shí)施印刷，導(dǎo)致印刷圖形不完整，油墨厚度不均勻等現(xiàn)象；印刷壓力過大時，會導(dǎo)致絲網(wǎng)變形過大，印刷圖形模糊，絲網(wǎng)和刮墨刀磨損嚴(yán)重等印刷故障。如果印刷壓力不均勻，則導(dǎo)致印刷厚度不一致。因此，印刷壓力控制對印刷質(zhì)量起到重要作用。

1 印刷壓力控制氣路構(gòu)成及原理

本印刷機(jī)的印刷壓力氣路中包含印刷部分和涂墨部分。刮板壓力控制氣路如圖1所示，是由氣源1、過濾減壓閥2、電氣比例閥3、精密減壓閥4、氣控電磁閥6和7、刮板氣缸10等組成；涂墨壓力控制氣路由氣源1、過濾減壓閥2、電氣比例閥5、精密減壓閥3、氣控電磁閥8和9、涂墨氣缸11等組成。兩部分都由氣源出來的氣體經(jīng)電磁閥控制接入氣缸的兩端實(shí)現(xiàn)對氣缸的控制，帶動相應(yīng)氣缸往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)印刷及涂墨部件上下運(yùn)動和壓力調(diào)整功能。

圖1 印刷壓力控制氣路圖

工作原理：在整機(jī)未通電時，從氣源出來的氣體，經(jīng)過過濾減壓閥2（壓力設(shè)定為0.6 MPa）處理后通過接頭連接到氣控電磁閥6和8的長通口，并通過節(jié)流閥直接進(jìn)入氣缸10和11的缸桿一側(cè)；而在氣缸10和11缸底一側(cè)，氣路通過消音器通入大氣，通過氣缸兩端的壓力差使缸桿縮回，帶動刮刀和涂墨刀運(yùn)動到上限位置。這個時候如果總氣源壓力下降到0.2 MPa以下，電磁閥則因沒有外部先導(dǎo)氣源也無法打開，起到安全保護(hù)的作用。

當(dāng)需要印刷時，氣控電磁閥6換向，在氣缸缸桿底一側(cè)，由精密減壓閥出來的氣源經(jīng)過電磁閥6進(jìn)入氣缸的缸桿一側(cè)，氣缸的缸桿將縮回；由于刮板部件有自身質(zhì)量，通過調(diào)節(jié)精密減壓閥壓力大小，使氣缸縮回的拉力與刮板部件的自身質(zhì)量平衡，在這種狀態(tài)下缸桿在行程范圍內(nèi)任意位置都達(dá)到平衡狀態(tài)，相當(dāng)于氣缸在垂直方向零負(fù)載；這時電氣比例閥3打開，在氣缸缸底一側(cè)氣路經(jīng)過電氣比例閥3進(jìn)入，通過氣控電磁閥7換向，氣源進(jìn)入氣缸的底部將氣缸桿推出；推出壓力大小由電氣比例閥控制，通過氣缸施加在刮刀上的輸出壓力即為印刷壓力，印刷壓力的精度由電氣比例閥的輸出壓力精度決定。涂墨氣缸的動作原理與印刷氣缸完全一致，在動作順序上與印刷正好相反，即印刷刮刀下降時涂墨刮刀上升。

印刷頭主要技術(shù)指標(biāo)：

本印刷機(jī)的印刷壓力為80 kg，設(shè)計(jì)壓力精度指標(biāo)為10 N，刮刀及涂墨刀線壓力為1.5 N/cm，印刷頭負(fù)載為18 kg。

2 關(guān)鍵氣動件的選型

首先根據(jù)氣源工作壓力選定氣缸的型號，計(jì)算輸出力的大小是否滿足印刷壓力的要求；再根據(jù)壓力精度要求計(jì)算并選型電氣比例閥和精密減壓閥。

2.1 印刷頭氣缸的選型

印刷機(jī)供給印刷、涂墨氣缸的氣體工作最大壓力設(shè)定為0.5 MPa，缸徑為32 mm的氣缸缸桿為10 mm，

氣缸的受壓面積為：

單個氣缸的輸出壓力：

本系統(tǒng)由兩個氣缸同時工作，氣缸工作時缸桿向下運(yùn)動施加壓力，每個氣缸有一套直線軸承導(dǎo)柱導(dǎo)向，所以兩個氣缸壓力之和即為印刷壓力。

印刷最大壓力即為氣源壓力在0.5 MPa時兩氣缸的共同壓力：

根據(jù)上述計(jì)算，缸經(jīng)為32 mm的氣缸可滿足要求，即根據(jù)樣本最后選擇氣缸缸徑為32 mm。且印刷頭行程為25 mm，最后確定氣缸型號為CQ2A32-25D（D表示為雙作用氣缸）。

2.2 電氣比例閥的選型

電氣比例閥控制屬于連續(xù)控制，其特點(diǎn)是輸出隨輸入量（電流值或電壓值）的變化而變化，輸出量與輸入量之間存在一定的比例關(guān)系；當(dāng)輸出量與目標(biāo)值有偏差時進(jìn)行快速比較修正，直到輸出壓力與輸入信號成一定比例為止，從而得到輸出壓力與輸入信號的變化成比例的變化。通過相應(yīng)的控制模塊實(shí)現(xiàn)對比例閥的控制。電氣比例閥見圖2。

印刷壓力設(shè)計(jì)精度指標(biāo)為80 kg，設(shè)計(jì)由兩個氣缸從刮刀的兩端加壓，印刷總壓力為兩個氣缸壓力之和；已知條件為：

總氣源的輸出壓力為0.5 MPa；

圖2 ITV系列電氣比例閥

根據(jù)樣本查得，ITV系列電氣比例閥有3種調(diào)節(jié)壓力范圍，即：0.005～0.1 MPa、0.005～0.5 MPa、0.005～0.9 MPa。選取與總氣源的最大輸出壓力相同的氣壓，

即：0.005～0.5 MPa；

印刷基板寬度:600 mm；

印刷頭的輸出壓力精度：

刮刀單位長度的壓力：

由以上計(jì)算可知壓力精度滿足工藝要求。所以應(yīng)選ITVX03X系列，而根據(jù)氣路氣體流量要求，ITV系列電氣比例閥應(yīng)選2000型，其線性度在滿量程范圍內(nèi)小于±1%，重復(fù)精度在滿量程范圍內(nèi)小于±0.5%。

轉(zhuǎn)化為壓力的重復(fù)精度計(jì)算為：

通過上述計(jì)算壓力精度指標(biāo)都能達(dá)到8 N，即設(shè)計(jì)的線壓力精度指標(biāo)小于0.15 N/cm；在實(shí)際印刷中，如果工藝參數(shù)固定下來則重復(fù)壓力精度可達(dá)到4 N，可完全滿足印刷壓力要求；所以電氣比例閥最后選型為ITV2030。

3 精密減壓閥的選型

3.1 精密減壓閥的功能特點(diǎn)

精密減壓閥是采用控制閥體內(nèi)的啟閉件的開度來調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量，將介質(zhì)的壓力降低，同時借助閥后壓力的作用調(diào)節(jié)啟閉件的開度，使閥后壓力保持在一定范圍內(nèi)，在進(jìn)口壓力不斷變化的情況下，保持出口壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)（見圖3）。

圖3 精密減壓閥外形圖

在本印刷機(jī)氣路中，精密減壓閥的作用是使印刷氣缸的抬升力與印刷頭負(fù)載保持平衡，從而使印刷刮刀，擦網(wǎng)刮刀能懸空保持固定。

已知印刷頭負(fù)載15 kg，

氣缸缸徑已選定為32 mm，

精密減壓閥工作壓力為：

通過參考樣本，選定了IR2000-02型精密減壓閥，其設(shè)定壓力范圍為0.005～0.2 MPa，在氣源設(shè)定壓力范圍內(nèi)，滿足工藝要求。

4 結(jié)束語

氣動控制技術(shù)為印刷機(jī)的印刷壓力控制方式提供了一種簡單實(shí)用的解決方案，在印刷機(jī)上進(jìn)行廣泛應(yīng)用，極大地提高了設(shè)備的自動化程度，降低了生產(chǎn)成本，同時使得印刷機(jī)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量也因此得到大大的提高，有很好的推廣價值。

[1] 孫玉秋.氣動技術(shù)在印刷機(jī)械中的應(yīng)用研究[J].液壓與氣動，2008(4):59-60.

[2] 李 鋒.刮板應(yīng)用技術(shù)[J].絲網(wǎng)印刷，1999(1):28-30.

[3] SMC公司.SMC氣動元件手冊[Z].2013：1.30-1.31.

[4] SMC公司.SMC氣動元件手冊[Z].2013：1.37-1.39.