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数字时代的印刷装备创新开发效率

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发表时间:2022-10-12 09:58作者:宋华振来源:印刷工业

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贝加莱工业自动化(中国)有限公司技术传播经理 宋华振


将数字化的控制、计算技术与印刷行业的机器设计、创新过程紧密结合,可以为印刷装备制造商提供机器高效开发的思路和启发。本文以贝加莱在印刷领域的工程设计为例,结合行业的发展,介绍了如何运用数字技术提高印刷装备的创新开发效率。


当今,数字化浪潮呼啸而来。对于企业而言,数字化转型意味着通过数字化获得企业持续竞争力的不断提升,打造软实力。面对纷繁的数字化潮流,我们必须清晰地认识到,装备制造业的企业与离散组装型企业有着诸多不同,每个行业都需要结合自身的特点,选择合适的创新组织与规划、方法与工具。

借助数字化,我们的目的在于实现创新设计,以获得市场的持续竞争力。数字化的特点在于灵活,在于它可以封装 Know-How 保护知识产权,也在于通过数字化建立持续创新的基础,因为数字化的显著特征也在于知识的传承和复用。


创新是一个严谨的过程

制造业的装备开发,需要严谨的工业设计过程来支撑。材料科学为我们提供油墨、纸张与薄膜的物理化学特性,而材料与机械、电气控制与传动的融合设计,可以稳定加工,获得所需的高品质产品。而这些必须通过建模仿真、反复的测试、软件封装才能收敛到经济性,即能够获得高性价比的机器。而形成的技术要具有可复用性,这样才能使得机器在研发阶段的高成本被摊薄,进而有竞争力。如图 1 所示,创新经由科学的知识、工程收敛,形成可复用的知识,进而为用户带来价值。



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图 1 创新是一个严谨的过程


由于印刷工业是融合材料(纸张、薄膜)、机械传动、控制的复杂系统,数字化涵盖其数字化设计、赋予机器灵活性、机器作为印刷工厂的数字化节点提供运营管理的数字化能力。而远程维护与诊断,基于数字化方法来降低成本,如云平台较之专用的网络体系更为经济性。


图 2 OEE 计算方法_副本.jpg

图 2 OEE 计算方法


创新,用户导向的设计

对于各个终端生产企业而言,OEE 是最为直观的评价机器的综合指标,由图 2 可知,OEE 的计算通常由可用性、性能、质量三个因素决定。如果换做印刷机,我们可以对 OEE 进行如下解析:

1. 可用性

重点关注设备故障、设置与调整。因为机械发生故障、机器换单时的机械与电气参数配置,都会影响正常生产。而机械的调校时间往往较长,因此会对可用性造成损失。

2. 性能

怠速、非计划的停机、减速会造成机器的性能损失,无法达到设计的额定速度。如果机械本身发生故障也将无法获得高性能,甚至可能造成临时停机。

3. 质量

重点关注开机浪费。因为机器需要穿纸路达到稳态生产,在换料过程中,如果机器不能稳定工作,出现故障就会导致产生废品,或者因套印不准等会造成良品的损失。

通常,终端生产企业都会有一套针对现场设备的OEE 考评方法,以对设备进行综合评估。因此,对于印刷设备制造商而言,基本上所有的设计都要围绕这些问题来展开。创新就是要为用户解决问题,提升机器的 OEE,才能让客户获得高投资回报。随着竞争的加剧,作为一项重要的资产,设备的 OEE 关乎着印刷企业的盈利能力。

无论是稳定性、可靠性、易用性,其实,最终都会归于 OEE 的评价——完全量化的评价指标。而 OEE也是装备制造业数字化的可量化指标之一。


图 3 采用传统机械长轴的印刷机_副本.jpg

图 3 采用传统机械长轴的印刷机


电子轴传动技术在装备中的普遍应用

在早期,印刷机械采用的是机械传动方式,贯穿整个机械的长轴经由蜗轮蜗杆机构,将长轴的旋转转换为版辊、牵引系统的旋转。这种机械长轴存在的主 要问题是机械结构复杂、维护不便,机器的操控依赖于师傅的经验,在换单时需要进行很多的机械调校,时间较长。图 3 所示为采用传统机械长轴的印刷机。

用户的需求是,希望通过高品质、快速换单来提升交付并降低成本。而从 OEE 计算中,我们可以看到,这些都会影响 OEE 的指标。解决这些问题就需要通过技术创新,这种创新既可以是微创新,也可以是较大的变革。

1. 传动方式的创新

电子轴是一种变革,需要在伺服驱动与电机成本下降的前提下才能实现。伺服电机自 20 世纪 60 年代就已经推出了商业化的产品,但因为价格比较高而未能得到大规模使用。—直到 90 年代伺服系统的应用普及,电子轴的价格逐步下降,才为印刷机械所广泛采用。如图 4 所示,采用电子传动可以获得更高的精度、更为灵活的换单能力。


图 4 贝加莱集成套色的电子轴传动系统_副本.jpg

图 4 贝加莱集成套色的电子轴传动系统


2. 集成套色系统的创新

在传统的印刷控制中,由于传统的 PLC 无法满足高级算法的设计,因此,通常的分立套色需要采用专用的系统来实现。而集成套色经由总线传递解耦结果给控制系统,控制系统经由传动系统就可以实现相位调节了。传统分立套色系统与集成套色系统的差异如图 5 所示。


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图 5 分立套色系统与集成套色系统的差异


贝加莱的 PLC 基于 RTOS 可以支持高级语言 (C/C++) 编程,对于套色的多变量系统耦合和解耦算法,可以在高性能的 PLC 上得以实现,无需专用的套色系统。此外,运动控制也可以通过 PLC 直接控制,而无需采用传统的 PLC +运动控制模组的方式来实现,这是只有借助高性能的控制系统才能实现的。

因此,要实现创新,就需要合适的平台,新的控制技术可以为机器提供更为丰富的功能,提供便利性。建模仿真,确保低测试验证成本和开发效率除了要提升 OEE,我们发现,印刷品的材料多样性。


建模仿真,确保低测试验证成本和开发效率

除了要提升 OEE,我们发现,印刷品的材料多样性也得到了增强。为了满足各种场景,如更为精美的书籍装帧、体现高端品质的印刷和烫金、便利的纸盒包装,满足环保性设计、功能性设计的更为安全的材质得到大量使用,使得印刷的材料、油墨、表面处理材料等都发生着千差万别的场景变化。每种材料的物理特性都在发生着变化,这些变化给加工过程中的压力、机械传动、温度带来了影响,会导致机器的印刷品质和生产效率发生变化。

1. 物理建模

为了解决这些问题,必须对机器进行大量的物理性测试,包括机械结构本身、印刷材料、油墨等,而这又要消耗较大的成本。只有针对各种材料进行测试,才能获得匹配的参数以及控制工艺的适配性。只有这样,机器才能在变化时实现快速的机械、工艺参数、传动控制参数的适配性,从而降低开机浪费、节省工艺切换时间,获得高 OEE 生产。

在欧美,建模仿真是机器开发的关键技术之一,而对应的建模仿真软件也是今天中国制造业比较欠缺的一部分。建模主要是通过机械、控制建模来获得机器的机械传动、控制工艺参数的模型,然后通过仿真对其中的参数进行虚拟测试,有模型才能进行虚拟测试。而另一方面,数字时代的这种测试验证包括了机械、控制与工艺的三方协同仿真问题,即将几个部分耦合以获得联合仿真,让机械、控制、工艺三方的相互影响作用得以在软件中体现,进而能够获得设计的优化与改善。

数字化设计,首先要在测试验证环节降低物理的测试验证成本;其次,它可以获得设计可持续使用的复用知识,即以软件形式存在的知识,这些凝聚了工程师智慧的知识,只有在复用中才能稀释成本。

2. 数据驱动建模

传统物理建模可以解决既有的知识问题,而对于隐性知识、非线性、不确定问题,则可以通过数据驱动的智能算法来建模(Data-Driven Modeling)。例如,通过学习师傅对于水墨均衡的调节过程来获得这种经验,并记录为机器用于判断,通过机器视觉获得产品灰度值,为印刷压力调节提供判断依据。这些机器的智能应用,都是以软件形式将经验由隐性转化为显性,可以被复用。


软件,形成机器的差异化竞争力

数字化赋予了机器灵活性,而这种灵活性是以软件负载的,软件在这里作为一个容器,可以应用于Know-How 的封装。在印刷工业,控制系统能够为机器赋予灵活性,帮助企业打造差异化竞争力,如图 6 所示。它需要通过各种应用软件来保障,这些软件包括以下几个方面:


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图 6 软件功能性设计形成差异化竞争力


1)工艺软件:色标处理、张力控制、温度控制、套色控制算法。

2)配方管理:包括机器的各种工艺配方管理及配方记忆功能。

3)HMI 设计:易于操作,降低了学习成本。


图 7 基于组件的应用开发_副本.jpg

图 7 基于组件的应用开发


4)基础设施管理:包括对 I/O、伺服轴的状态监测,机器的状态曲线显示、报警趋势、诊断维护、用户管理,这些都属于机器的基础能力。


标准化与规范化

企业的数字化工厂要积极应对变化,创新性设计所用到的技术需要被标准化,而机器则需要更为灵活的组织,其软件能力也需要通过“高内聚、低耦合”的模块来实现封装,新的机器将由这些软件模块快速组装。贝加莱的 mapp 技术即基于组件技术开发(如图7 所示),不仅可以快速配置新的机器应用系统,同时这些张力、温度、色标亦可以从凹版扩展至轮转胶印、柔版,而张力控制则涵盖了各个卷筒纸机型。对于印刷机械,mapp 的控制还包括了胶印的水墨曲线控制、压力调节,数据管理的配方记忆、品质数据显示,并且提供更为方便的 mappVIEW。


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图 8 知识复用至其他印刷机组控制


例如,从凹版印刷扩展到如图 8 所示的柔版印刷,其采用了原有凹版开发中的收放卷张力控制、电子轴传动控制、套色算法、裁切电子凸轮等。


结语

对于印刷机械而言,创新是多个维度的,重点包括以下几个方面:

1)创新的目标为客户带来价值:装备制造商,首先一定要清楚地知道客户的痛点、痒点(那些始终存在却不好解决的问题)、盲点(未能看到,但能带来价值提升)。

2)横向科技支持:随着控制器技术、感测技术、AI 算力的成本逐渐下降,先进的机器控制方式可以得以实现,因此,对于制造商而言,要不断关注前沿技术,及时拿来为我所用。

3)开创精神与魄力:投资技术,获得高回报,这也是需要企业具有开创精神。

4)工程效率支持:通过建模仿真、虚拟测试与验证、软件组件技术来获得机器开发效率的提升。

5)合作与信任:上下游合作伙伴要相互信任,并致力于共同的价值目标。

6)标准化与规范化:让机器能够复用,在不断迭代过程中提升,并降低成本,以此获得长期的经济性。

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