Разработка системы автоматического поддержания вязкости краски для флексографской печатной машины

Введение

Флексографская печать — способ высокой печати, в которой применяются гибкие эластичные печатные формы и жидкие краски.

Сегодня область применения флексографии очень широка, однако наиболее востребованным этот способ печати оказался в производстве упаковки и этикетки. Флексографским способом печатают на пластиках (в том числе на различных пленках), гофрокартоне, многослойных комбинированных материалах, алюминиевой фольге при изготовлении самой различной продукции: пакетов, этикеток, блистерной упаковки и т. д.

Доля флексографской печати по сравнению со всеми другими способами печати постоянно растет. Это объясняется тем, что флексографская печать является единственным способом, с помощью которого можно экономично запечатывать почти все используемые в упаковочной печати материалы, одновременно обеспечивая высокое качество полиграфического исполнения. В США, например, объем производства этикеточно-упаковочной продукции, изготовленной этим способом, достигает 85%, в странах Западной Европы — до 50%.

Благодаря экономичности и универсальности использования, флексографский способ печати постепенно сравнивается по масштабам использования с офсетным способом печати. Последние разработки в области фотополимерных печатных форм делают его конкурентоспособным и по качеству печати. Флексография смогла достичь сегодняшнего положения на рынке благодаря значительному улучшению качества и стабильности оттиска, а также большей универсальности и снижению себестоимости печатного процесса.

Управление красками — важный этап в достижении качества и, что немаловажно — дополнительной прибыли. Уже давно используются различные ручные вискозиметры, где основным принципом работы является отсчет времени, за которое заданный объем краски вытечет через отверстие. Однако для современных высокоскоростных флексографских машин этот способ контроля не является приемлемым. Если учесть, что скорость печати достигает 600 об/мин, то пока печатник делает измерения, расход краски может увеличиться на 10%, а то и 20% по сравнению с оптимальным расходом. По данным Brookfield Engineering Laboratories изменение вязкости всего на 1 с может увеличить расход краски на 25%. Такое изменение обусловлено тесной связью расхода краски, вязкости и уровня pH. Причем каждый раз для коррекции используются соответствующие добавки. Это является одной из причин непредсказуемого изменения цвета и уменьшения оптической плотности. Поэтому важно поддерживать вязкость на заданном уровне.

Целью данного дипломного проекта является разработка системы автоматического поддержания вязкости краски для флексографской печатной машины. Как уже отмечалось, качество оттиска во многом зависит от стабильности вязкости красок. Прежде всего, потому, что даже незначительное отклонение от нормы в процессе печати тиража может вызвать заметное изменение цвета на оттиске. Кроме того, при изменении вязкости в большую сторону расход краски значительно увеличивается, что невыгодно по экономическим соображениям и часто приводит к увеличению времени высыхания и закрепления красочного слоя. Чем ниже вязкость, тем больше разбрызгивание краски в зоне контакта дукторного вала и, что еще более неприятно, быстрее загрязняется печатная форма, так как краска легче заполняет пробельные элементы.

Изменение вязкости обусловлено механизмом переноса, циркуляции краски и испарением спирта. Циркуляция краски в красочном аппарате и изменение ее температуры вызывает в конечном итоге повышение вязкости, что в свою очередь делает непредсказуемым растискивание. Увеличение вязкости снижает глянец на оттиске и может послужить причиной засыхания краски прямо на печатной форме.

Таким образом, для поддержания вязкости в определенном диапазоне целесообразно использовать автоматизированную систему поддержания вязкости. Она позволит не только достичь желаемого качества, но и сократить затраты.

1. Технология и оборудование флексографской печати

1.1 Описание оборудования и технологического процесса печати Основой технологии флексопечати является передача жидких быстросохнущих красок на материал (пленка, бумага, фольга) через гибкие полимерные формы, закрепленные на формных цилиндрах.

Печатные формы изготавливаются обычно из упругих эластомеров. Возвышенные элементы формы воспринимают печатную краску, а пробельные элементы, углубленные посредством гравирования, вулканизации, травления, растворения или вымывания, остаются свободными от нее.

Во флексографии используются быстросохнущие жидкие краски. Впрочем, в последнее время усиливается тенденция к применению пастообразных красок. Некоторые виды красок разбавляются растворителями, некоторые — водой.

В качестве формных материалов используют различные натуральные и синтетические резиновые смеси, подлежащие вулканизации, а также фотополимеры. Печатные формы крепятся на формном цилиндре с помощью двусторонней липкой ленты. Конструкция флексографских печатных машин позволяет применять формные цилиндры различного диаметра.

По типу построения различают планетарные, секционные (линейные) и ярусные печатные машины. Планетарные машины имеют один общий печатный цилиндр на все печатные аппараты, что позволяет получить достаточно высокую точность совмещения красок.

Для секционных печатных машин с горизонтальным линейным расположением печатных секций характерно нанесение одной краски в каждой печатной секции. Печатные секции располагаются на одном уровне, одна за другой последовательно и связываются между собой карданным валом либо другим подобным силовым механизмом.

В машинах ярусного построения отдельные печатные секции группируются в две конструкции башенного типа, от одного до четырех печатных аппаратов на каждой стороне вертикальной станины. Лента запечатываемого материала движется от рулонной установки той или иной степени сложности через стабилизатор натяжения к печатной секции. В ней происходит запечатывание ленты несколькими красками, при этом после получения каждого оттиска его запечатанная поверхность подвергается сушке. После получения последнего оттиска лента проходит через общую туннельную сушку, где все нанесенные краски должны окончательно закрепиться. Большим достоинством машин секционного ярусного построения является возможность печатания на ленте с двух сторон в одной секции за один прогон.

Типовая флексографская печатная секция имеет два красочных валика и два цилиндра. Дукторный валик, вращающийся в красочном резервуаре, передает краску на накатной красочный валик, называемый анилоксовым или растровым. Поверхность этого валика несет на себе мельчайшие ячейки в виде углублений различной формы и профиля сечения.

Избыток краски с поверхности анилокса удаляется с помощью ракельного ножа. После этого дозированный слой краски переносится на печатные элементы формы, установленной на печатном цилиндре, а с формы — на запечатываемый материал. Поскольку толщина красочного слоя точно регулируется, отпадает необходимость зональной регулировки краски, что сильно упрощает процесс наладки на тираж. Поскольку печатные и пробельные элементы на форме разнесены физически, то нет необходимости в аппарате увлажнения. Все это сильно удешевляет конструкцию машины.

Процесс флексографской печати требует небольшого давления в печатной паре, при этом обеспечивается надежная передача красок с печатной формы на запечатываемый материал. Давление должно быть равномерно распределено по всем печатным элементам, как в зоне контакта, так и по всей длине печати. Отклонения размеров цилиндра и радиальное биение устраняются за счет первоначального небольшого избыточного натиска.

Следует обратить внимание на то, что слишком сильная деформация гибкой печатной формы приводит к значительному растискиванию растровых точек. В особенности это заметно на светлых участках, где находятся маленькие, тонкие и поэтому легко деформируемые печатные элементы. Износ печатной формы, который увеличивается с числом отпечатанных оттисков, также приводит к увеличению размеров растровых точек, т. е. к растискиванию.

Для разработки системы автоматического поддержания вязкости краски за основу была взята шестикрасочная печатная машина Soloflex 6L, представленная на рисунке 1.1.

Машина предназначена для нанесения отпечатка на различные материалы способом флексографской печати и имеет планетарный тип построение. Нанесение краски осуществляется посредством красочного аппарата, состоящего из формного цилиндра, анилоксового валика и закрытого камерно-ракельного устройства. Печатная краска находится в емкости, которая расположена на отдельной стойке. Краска подается к ракельному устройству под действием насоса.

С секции размотки, оснащенной системой контроля натяжения полотна, запечатываемый материал подается в печатающий механизм и поступает на откидной резиновый прижимной ролик. Полотно проходит поочередно через все шесть красочных аппаратов по окружности цилиндра противодавления. Лента при этом не сдвигается относительно цилиндра, а значит, во время печатания не происходит нарушения приводки красок. Между отдельными красочными аппаратами установлены щелевые вентиляторы, предназначенные для промежуточной сушки краски.

После запечатывания полотно проходит через сушильный блок. Для снабжения сушильного устройства достаточным количеством воздуха над электронным блоком управления установлен циркуляционный вентилятор. Прежде чем попасть к сушильным устройствам, воздух проходит через электрический нагреватель, который осуществляет нагрев воздуха до определенной температуры. Затем через распределительную трубу подаваемый воздух попадает в сушильное устройство и к щелевым вентиляторам. Отработанный воздух отсасывается через вытяжную трубу.

Завершающим этапом является подвод полотна к секции намотки. Устройство подачи полотна к этой секции состоит из системы поддержания натяжения полотна и охлаждающего валика. Он предназначен для охлаждения полотна после выхода из сушильного устройства.

1.2 Варианты построения красочных аппаратов флексографских печатных машин Вязкость флексографских красок близка к вязкости воды, это дает возможность отказаться от сложной системы из 10−20 раскатных валиков, которая используется для получения тонкого красочного слоя в офсетных машинах.

Обычно используется один из двух типов красочных аппаратов: дукторный, или двухцилиндровый (считая вместе с формным — трехцилиндровый), и ракельный.

Дукторные красочные аппараты относительно просты в обслуживании и наладке и имеют весьма гибкие технические возможности. В открытой дукторной системе в красочный ящик наливается краска, внутри вращается дукторный вал. Он перемешивает краску и часть ее передает на растровый вал. В красочный же ящик краска подается автоматически с помощью насоса или вручную с помощью печатника.

Изменением межцентрового расстояния между дукторным валиком и растрированным цилиндром в таких системах можно варьировать количество подаваемой на форму краски. Это является большим достоинством систем данного типа. Недостатком их является то, что при изменениях скорости работы меняется и количество подаваемой на форму краски, что ведет к изменениям плотности оттисков. Чтобы этого избежать, требуется устанавливать в контакте с растрированным цилиндром ракель, тогда на форму передается только та краска, которая находится в ячейках растрированного цилиндра, а краска с его поверхности полностью стирается. При этом происходит постоянный износ поверхности растрированного цилиндра, который в обычных безракельных дукторных аппаратах незначителен.

Ракельный красочный аппарат состоит из прижатого к формному цилиндру растрированного цилиндра, ракельного устройства и красочного корыта. Обрезиненный красочный валик отсутствует. Такие аппараты обеспечивают нанесение тонкого, равномерного и строго определенного по толщине красочного слоя по всей длине образующей формы при всех скоростях работы машины.

На основе положительных результатов работы с красочными аппаратами ракельного типа, были разработаны закрытые красочные камеры.

В закрытых камерно-ракельных системах присутствуют два ракеля — верхний и нижний, и также отсутствует дукторный вал. Камера открытой своей стороной прижимается напрямую к поверхности растрового вала. Внутри камеры под давлением насосом подается краска, которая заполняет углубленные ячейки анилокса. А «лишней» краске попасть на поверхность анилоксового вала не позволяет верхний ракель.

Ракельный нож обычно изготовляется из стали, но в последнее время в комплекте с керамическими цилиндрами стали использовать синтетические ножи. Достоинствами такой камеры являются равномерная подача краски по всей ширине под небольшим давлением, незначительная циркуляция краски, минимальное испарение растворителей благодаря использованию закрытой системы, щадящие условия работы для растрированного цилиндра благодаря специальному устройству подвески всей камеры и возможность простой и быстрой смывки аппарата при смене краски. Благодаря использованию негативного ракеля такая система позволяет очень точно дозировать подачу краски и подавать ее строго стабильно на различных скоростях работы машины (расход краски при этом меньше, чем обычно).

Камерно-ракельные системы чаще всего применяются на широкоформатных машинах, скорость печати которых превышает 200 м/мин. В открытых системах на таких скоростях краска будет просто разбрызгиваться. Системы дукторные чаще встречаются на узкорулонных машинах, где реальными рабочими скоростями является диапазон от 30 до 120 м/мин.

Красочный аппарат с открытой дукторной системой намного проще и быстрее обслуживать при переходе с одного заказа на другой. Шланги же закрытой камерно-ракельной системы имеют свойство периодически засоряться, забиваться пигментом краски.

1.3 Обзор технических решений по построению систем контроля вязкости флексографских красок Использование ручных вискозиметров-воронок — это традиционный подход в определении вязкости, не требующий больших затрат. Однако, кроме простоты измерений, метод обладает и серьезными недостатками:

· в мире насчитывается более 50 разновидностей воронок, обладающих разным объемом, геометрией и площадью отверстия. Таким образом, при измерении всегда необходимо делать поправку на конкретную воронку;

· далеко не все типы воронок позволяют достоверно и недвусмысленно определить время истечения. Каждый профессионал имеет свое понимание начала и конца отсчета измерения;

· каждая воронка имеет свой диапазон измерения вязкости. Большинство производителей воронок склоняются в пользу того, чтобы измеренное время было больше 20 с. То есть каждому типу жидкостей соответствует своя величина и форма отверстия. На практике же печатники для большей скорости измерения пользуются воронками, дающими результат в 10−15 с. При таком времени истечения и так невысокая точность измерений падает на несколько десятков процентов.

Самые распространенные за рубежом воронки — Shell и Zahn. Кроме них, традиционно используются отечественные вискозиметры ВЗ-234.

Если все-таки точности измерения вышеописанным методом не хватает, возникают проблемы со стабильностью качества или вообще невозможно применение воронок, следует применять автоматические системы контроля вязкости. Такой контроль наиболее предпочтителен, так как он происходит непрерывно в реальном времени и дает достаточно точные результаты.

Система падающего тела. Время падения тела в жидкости тесно связано с ее вязкостью, поэтому, зная характеристики падающего тела и время прохождения им определенного расстояния через жидкость, можно достаточно точно определить вязкость (для сравнения: автоматическая система измерения вязкости на основе падающего тела может вычислять вязкость с точностью до 0,2 с по воронке Zahn). Можно сказать, что система использует для измерений силу земного притяжения, а так как величина земного притяжения постоянна, можно измерять только время падения. Такие сенсоры устанавливаются в системах с отводом краски (или как их еще называют, байпасами), подаваемой под небольшим напором в модуль измерения. Производительность обычно два-три замера в минуту.

Есть несколько особенностей применения таких систем:

· сенсоры необходимо регулярно и, что самое главное, правильно очищать. Лучше всего, если система обладает функциями автоматической самоочистки, что позволит проводить ее одновременно с очисткой печатной машины. Нередко предлагаются полуавтоматические методы очистки, при этом оборудование вручную разбирают и последовательно промывают (от трубок и насоса до датчиков вязкости);

· необходим определенный объем краски и подходящее давление потока краски для заполнения измерительной емкости.

При выборе системы, работающей на таком принципе, надо обратить внимание, чтобы диапазон измерения вязкости был наибольшим без замены измерительного тела, то есть без какой либо сборки/разборки модуля.

Производители: Norcross, New Celio Engineering, Flexologic.

Ротационные вискозиметры можно использовать как напрямую в резервуарах с краской, так и в системах с отводом краски для измерения. Размещение — строго вертикальное. Ротационный вискозиметр состоит из трех основных частей: электродвигателя, вращающего верхнюю ось, и насадки, соединенной спиральной пружиной с вращающейся осью. При погружении работающего вискозиметра в жидкость из-за разности формы насадки и оси между ними возникает смещение. Это смещение напрямую зависит от сопротивления среды, а значит, и от вязкости.

Следует понимать, что если прибор используется для измерения напрямую в емкости с краской, то полученные значения будут зависеть от уровня ее заполнения. О качестве вискозиметра говорит то, что значения, полученные при минимальном уровне, мало отличаются от полученных при максимальном.

Если же в типографии используются красочные резервуары большого объема или, например, из емкости должна быть выведена вся краска, то используют решения с отводом краски — вискозиметр помещают в отдельную емкость. В эту емкость подается краска из резервуара. Чаще всего для удобства подобную систему размещают наверху основного красочного резервуара.

Ротационные вискозиметры могут быть использованы, даже если краска загрязнена, и в ней находятся крупные частицы. В этом случае немного уменьшается лишь точность измерения. Если же говорить о чистых растворах, то возможная неточность на сегодняшний день составляет всего 1%. Одно из преимуществ подобных систем — очень большой диапазон измерений. Гибкое управление осуществляется изменением скорости вращения, что обеспечивает измерение вязкости без дополнительной замены насадок.

Самые известные представители: Brookfield, Rheotest, Flexologic.

Неплохим решением является установка несложного датчика для контроля вязкости прямо в систему подачи краски. Применение в этом случае ротационных вискозиметров возможно, но не всегда оправдано. В этом случае рекомендуется установка электромагнитного сенсора сразу после красочного насоса, что обеспечивает высокую точность и своевременность измерений. При чистке таких систем нет необходимости затрачивать дополнительные усилия на демонтаж и разбор модуля. Очистка производится вместе с красочным аппаратом.

Одним из примеров такого сенсора могут служить поршневые вискозиметры фирмы Cambridge Applied Systems. И хотя своим устройством они могут показаться очень похожими на системы с падающим телом, однако, это не так.

Основой служат две электромагнитные катушки и стальной поршень, перемещающийся в заполненной краской небольшой полости. Объем краски постоянно обновляется специальной нагнетательной системой. Принцип заключается в попеременном активировании катушек, что вызывает изменение электромагнитного поля. При активации нижней катушки поршень притягивается к ней, а вторая катушка служит в этот момент датчиком движения, замеряя скорость прохождения поршня. Как только поршень дошел до конца, происходит противоположный процесс: верхняя катушка тянет поршень вверх, а нижняя замеряет скорость. Вполне понятно, что скорость движения поршня зависит от вязкости жидкости: чем она больше, тем медленнее он движется. В качестве результата используется среднее время перемещения поршня вверх и вниз, что обеспечивает отклонение результатов не более 1%.

Плюсом такой системы является ее абсолютная независимость от вибрации и ориентации в пространстве. Быстродействие — 6−12 измерений в минуту. Кроме того, измерительный модуль может быть оснащен еще и датчиком температуры.

Во флексографии также могут быть применены вибрационные вискозиметры. Устройства подобного рода основаны на принципе измерения затухания осцилляции сенсора, напрямую зависящего от вязкости исследуемой жидкости. К достоинствам прибора относится большой диапазон измерений и возможность проводить их непрерывно. Однако существуют ограничения, заложенные в конструкции подобных устройств: чувствительность к внешней вибрации, что ставит под вопрос достоверность измерений.

1.4 Требования, предъявляемые к флексографским краскам, системам циркуляции и контроля вязкости краски Требования к флексографским краскам достаточно разнообразны. Они формируются, изменяются и развиваются в неразрывной связи с тенденциями изменения полиграфического производства, запросами потребителей. Решающими при создании любой краски являются требования к готовой печатной продукции в соответствии с ее назначением и условиями печати: тип печатных машин и форм, скорость печати, вид сушки и запечатываемого материала.

Поскольку на сегодняшний день флексографская печать все же больше применима в производстве упаковки и этикетки, рассмотрим основные требования, предъявляемые к краскам для производства данного типа продукции.

В большинстве случаев гибкая упаковка применяется для пищевой продукции, а значит, краски для печати на гибкой упаковке должны обладать повышенной экологичностью и не оказывать на продукты питания негативного воздействия.

Кроме этого, краски для печати на гибкой упаковке должны быть совместимы с различными материалами, на которых осуществляется печать. Важным показателем флексографских красок является их устойчивость к действию внешней среды и веществ, для упаковки которых использованы эти краски. Для оценки устойчивости красок разработаны методы испытаний красок на стойкость к воздействию реагентов. Сущность методов заключается в том, что пропитанные реагентом листки фильтровальной бумаги соприкасаются с высохшим оттиском испытуемой краски под действием груза в течение определенного времени. Стойкость оценивается по степени изменения цвета оттисков и по числу окрашенных листков фильтровальной бумаги.

Для упаковки немаловажное значение имеет также светостойкость краски. Метод определения светостойкости стандартизован. Этот метод заключается в сравнении выцветания оттиска с выцветанием эталонов. Оттиск краски и эталоны, представляющие собой восемь шерстяных полосок, окрашенных голубыми красками различной светостойкости, облучаются ксеноновой лампой. Показателем светостойкости является номер соответствующего эталона: чем больше номер, тем выше светостойкость.

Это основные требования, предъявляемые к краскам для печати на гибкой упаковке.

Среди дополнительных требований стоит отметить хороший уровень адгезии краски, отсутствие запаха (растворитель должен полностью удаляться), отсутствие слипания продукции в рулоне, устойчивость к истиранию, устойчивость к воде и заморозке, возможность последующего ламинирования, стойкость к термообработке и обеспечение возможности сваривания.

В печатной машине Soloflex 6L применяются спиртовые краски. В соответствие с этим к системе циркуляции и непосредственно к самой краске предъявляются следующие требования.

Перед началом печати:

· /

температура краски должна быть равна температуре в помещении. Если температура в помещении для хранения краски ниже температуры, в которой находится печатная машина, то краску следует перенести в печатный цех за сутки до начала работы;

· /

температура воздуха в помещении, где производится печать, должна быть 20−25 °С;

· /

перед применением краски важно обеспечить чистоту красочных ванн, печатных и других валов, насосов подачи краски к печатной группе и т. д.;

· тщательно перемешать краску перед применением, поскольку все флексографские краски в той или иной степени склонны давать осадок. Краску необходимо подать насосом в печатную машину прежде, чем регулировать вязкость, т.к. после перемешивания вязкость краски уменьшается;

· разбавить краску до рабочей вязкости. Разбавитель добавлять следует понемногу и перемешивая, а не заливать сразу в большом количестве, т.к. это может привести к потере краской ее печатных свойств. В случае добавления разбавителя в очень большом количестве, могут наблюдаться проблемы, связанные со слабым краскопереносом и ускоренным высыханием. Присутствие воды в разбавителе негативно сказывается на печатных свойствах краски, в т. ч. утрачивается блеск из-за окисления металлического пигмента;

· /

скорость высыхания краски можно регулировать путем добавления разбавителя-ускорителя или разбавителя-замедлителя;

· /

предварительно рекомендуется рассчитать необходимое для применения количество краски, чтобы предотвратить получения остатков неиспользованной краски.

В процессе печати:

ь /

следует обеспечивать постоянное значение вязкости краски в течение всего процесса печати. Поскольку разбавители испаряются из состава краски, в ходе работы их необходимо восполнять. Замедлитель — метоксипропанол. Ускоритель — этилацетат. Во избежание сильного изменения насыщенности цвета на оттиске, необходимо контролировать вязкость краски каждые 30 мин. Следует также иметь в виду, что для достижения наилучших результатов насыщенности и проявления потенциальных цветовых характеристик, перед печатью металлизированными красками рекомендуется нанести белила;

ь необходимо /

следить за тем, чтобы адгезия краски была на уровне, достаточном для испытания липкой лентой. Для этого необходимо печатать на обработанной коронным зарядом поверхности (38−42 дин/см) или покрытой праймером;

ь следует /

обеспечивать необходимую температуру сушки и вентиляцию воздуха в сушильных устройствах;

ь /

при печатании не допускается повышение давления в печатном аппарате больше необходимого значения;

ь /

обратная перемотка допустима только после закрепления краски и охлаждения материала;

ь необходимо поддерживать минимально необходимое количество краски в красочной ванне.

По окончании печати необходимо промыть печатную группу рекомендованным для работы разбавителем.

Автоматизированные системы контроля вязкости для обеспечения точности и стабильности процесса печати также должны соответствовать определенным требованиям. При выборе таких систем следует обратить внимание на степень простоты настройки аппарата. Печатник не должен каждый раз обращаться к инструкции, чтобы внести небольшую корректировку. Это позволит сэкономить значительное время.

Возможность предоставления результатов в нужных единицах измерения позволит намного быстрее получать и обрабатывать данные. Более того, если данные представляются в секундах, приведенных для уже давно используемого в типографии вискозиметра-воронки, это значительно облегчит печатникам переход на новое оборудование.

Немаловажным фактором является объем дальнейшего сервисного обслуживания и профилактики. Некоторые системы для того, чтобы обеспечить заданную точность, требуют довольно частой очистки составных частей. Чем больше времени на простой, тем менее экономически выгодным выглядит конкретное решение.

При выборе автоматизированной системы контроля вязкости необходимо учитывать особенности конкретного печатного оборудования. Во внимание должна приниматься вибрация печатной машины, если это встроенная система, и размещение приборов, соблюдение рекомендованных климатических условий. Выбранная система должна обеспечит требуемый диапазон измерений. Причем стоит задумываться не только о применении системы к уже используемым жидкостям, но и согласовать с дальнейшими планами развития предприятия.

Управление клапаном автоматического введения добавок и растворителей (время открытия, минимальный и максимальный объем добавки) позволит более полно управлять процессом регулировки вязкости, поскольку при введении растворителя проходит еще какое-то время на его распределение по объему краски.

От производительности системы контроля напрямую зависит качество печати. Чем чаще делаются замеры, тем более точно и своевременно можно отреагировать на изменения вязкости и внести соответствующие поправки в процесс.

Для обеспечения надежности и достоверности полученных результатов лучше основывать выбор на системах соответствующих международным стандартам.

В данном дипломном проекте будет разработана автоматизированная система поддержания вязкости краски на основе ротационного вискозиметра. Данный тип вискозиметра позволяет производить замеры вязкости непосредственно в резервуаре с краской, обеспечивает высокую точность и надежность измерений и позволяет добиться полной автоматизации процесса.

2. Конструкторско-расчетный раздел

2.1 Разработка конструктивного решения устройства для определения вязкости краски В дипломном проекте стояла задача разработать автоматическую систему поддержания вязкости краски. Для автоматического контроля величины вязкости был выбран ротационный вискозиметр Argosy PV-100. Он реализует ротационный принцип измерения вязкости и специально предназначен для высокоточного определения и регулирования вязкости веществ. Технические характеристики вискозиметра приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 — Технические характеристики вискозиметра Argosy PV-100

Принцип работы ротационного вискозиметра построен на автоматической стабилизации числа оборотов двигателя изменением крутящего момента в зависимости от вязкости жидкости. При установившейся вязкости угловая скорость, измеряемая тахогенератором ТГ вискозиметра, равна расчётной. При этом напряжение на выходе его соответствует сигналу от источника опорного напряжения ИОН. При изменении вязкости, скорость вращения двигателя М изменяется, и на выходе блока сравнения БС появляется сигнал, соответствующий отклонению напряжения тахогенератора от опорного напряжения. Напряжение разбаланса поступает на электронный усилитель ЭУ, управляющий реверсивным двигателем РД. Последний перемещает движок реостата R и перо регистрирующего устройства РУ до тех пор, пока на входе усилителя не установится баланс.

В ходе выполнения дипломного проекта было принято решение установить вискозиметр на крышку бака с краской. Таким образом, полученные значения вискозиметра зависят от уровня заполнения бака. Чтобы обеспечить необходимый объем краски для надежной работы вискозиметра и избавиться от необходимости вручную пополнять бак с краской, была разработана система автоматического поддержания заданного диапазона уровня краски в баке за чет поплавковых датчиков.

Для реализации системы поддержания необходимого объема было установлено два датчика уровня (H и L), сигналы с которых управляют лопастным насосом подачи краски.

Для предотвращения попадания пузырьков в область измерения вискозиметра (во избежание погрешности в измерениях) в конструкцию бочки была добавлена перегородка, отделяющая область подачи от области измерения.

2.2 Устройства для регулирования вязкости краски Во флексографской печатной машине Soloflex 6L используются спирторазбавляемые краски. В процессе печати происходит постоянное испарение спирта, что влечет за собой динамическое изменение вязкости краски. Чтобы поддерживать вязкость на определенном заданном уровне необходимо добавлять спирт.

В данном проекте будет разработана автоматическая система поддержания вязкости путем автономного добавления спирта из емкости в бак с краской. Для обеспечения дозированного добавления спирта используется электромагнитный клапан, управляемый сигналами регулятора.

Электромагнитный клапан состоит из катушки с соленоидом и самого клапана, внутри которого имеется проходной канал (седло) и шток с герметизирующими прокладками.

Основным управляющим воздействием на электромагнитные клапаны служит электрический ток, который питает катушку (электромагнитный привод). Появившееся электромагнитное поле, втягивает или выталкивает рабочий элемент. Шток рабочего элемента при этом открывает или закрывает малый обводной канал либо непосредственно проходной канал. Таков общий принцип действия электромагнитного клапана.

Электромагнитные катушки (катушки индуктивности) изготавливаются для всех известных диапазонов напряжений постоянного и переменного тока (220 В АС, 110 В AC, 24 В AC, 24 В DC, 12 В DC, 5 В DC). Соленоиды размещают в водозащищённые пластиковые корпусы. Низкое потребление энергии, в частности электромагнитными системами небольших размеров, означает, что возможно управление через полупроводниковые схемы. Напряжённость магнитного поля увеличивается по мере уменьшения размера воздушного зазора между стопором и сердечником электромагнита вне зависимости от вида подаваемого напряжения.

Электромагнитные системы, работающие от напряжения переменного тока, имеют большую силу магнитного поля и значительную величину хода штока, чем сравнимые электромагнитные системы, работающие от постоянного тока. В момент подачи напряжения, т. е. когда размер воздушного зазора максимален, электромагнитные системы, работающие от напряжения переменного тока, потребляют большое количество энергии, шток поднимается и воздушный зазор закрывается. Это приводит к большой мощности выходного потока и увеличению перепада давления. После подачи напряжения постоянного тока увеличение скорости потока в системе происходит относительно медленно, пока не будет достигнуто фиксированное значение напряжения тока. Именно поэтому такие автоматические клапаны способны регулировать только низкие давления кроме тех, что снабжены небольшими проходными отверстиями.

Гидравлический клапан изготавливается из различных материалов, но, как правило, это латунь или нержавеющая сталь. Внутри клапана расположен пластиковый шток и герметизирующие прокладки. Материал, из которого должен быть изготовлен шток или прокладка, зависит от типа жидкости.

При применении запорного клапана с электромагнитным приводом для спирта следует помнить, что крупные механические частицы могут заблокировать седло запорного клапана, что приведёт к нестабильности его работы.

Запорные электромагнитные клапаны различаются механизмом включения/выключения подачи жидкости. Существует два механизма работы автоматических электромагнитных клапанов:

· электромагнитный клапан прямого действия;

· электромагнитный клапан пилотного действия.

В соленоидном клапане прямого действия открытие/закрытие проходного канала происходит под воздействием усилия, возникающего при подключении электрического тока. Устройства такого рода используются на небольших расходах.

В соленоидном клапане пилотного действия открытие/закрытие проходного канала происходит под воздействием энергии движения воды, которая управляется при помощи электрического тока, т. е. поток воды сам себя закрывает. Устройства такого рода используются на больших расходах. Для стабильной работы такого клапана важен перепад давления (около 0,2 атм).

Регулирующие клапаны предназначены для регулирования расхода путем изменения количества проходящей по трубопроводу рабочей среды. Управляются они от внешнего источника энергии и подразделяются в зависимости от того, открыто или закрыто устройство при отсутствии давления в приводе, на два типа:

· нормально открытый электромагнитный клапан;

· нормально закрытый электромагнитный клапан.

Нормально открытый клапан находится в открытом положении при отсутствии питания и закрывается при подаче тока на его катушку.

Нормально закрытый клапан находится в закрытом положении при отсутствии питания и открывается при подаче тока на его катушку.

В разрабатываемой автоматизированной системе добавление растворителя в емкость с краской будет осуществляться за счет нормально закрытого электромагнитного клапана прямого действия. Он предназначен для открытия и прерывания подачи спирта в бак с краской в необходимый момент времени.

Нормальным положением такого электромагнитного клапана является закрытое. При включении клапана под действием магнитного поля катушки электромагнита происходит втягивание в нее сердечника. В этот момент открывается проходное отверстие клапана, и начинается подача спирта в бак с краской. После залива требуемого количества спирта происходит размыкание электрической цепи электромагнитного клапана, сердечник электромагнита под действием силы пружины опускается, перекрывая проходное отверстие.

Для обеспечения постоянного перемешивания добавленного спирта с краской в резервуаре установлен насос, обеспечивающий циркуляцию краски внутри бочки и одновременно с этим ускоряющий процесс смешивания. Ускоренный процесс смешения позволяет минимизировать время распределения спирта по объему краски, а, следовательно, ускорить процесс достижения требуемой вязкости. Также наличие насоса для перемешивания позволяет избежать образования осадка.

2.3 Выбор насоса Для обеспечения хорошего перемешивания насос должен перекачивать весь объем не менее четырех раз в минуту. Учитывая, что объем бочки с краской, определим требуемый расход, центробежного насоса по формуле:

В соответствии с рассчитанным расходом проведем дальнейшие расчеты и подберем насос.

2.3.1 Выбор диаметра трубопровода Примем скорость краски во всасывающем и нагнетательном трубопроводе одинаковой, равной 2 м/с. Тогда диаметр трубопровода будет равен:

где — расход краски, ;

— скорость течения краски, м/с.

Округлим диаметр трубопровода до стандартного .

Уточняем скорость движения краски:

2.3.2 Определение потерь на трение и местных сопротивлений Расчет гидравлического сопротивления проводится для определения затрат энергии на перемещение жидкости и выбора насоса.

При движении потока по трубопроводу гидравлическое сопротивление складывается из сопротивления трения о стенки и местных сопротивлений, возникающих при изменении направления или скорости потока.

Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений.

1) для всасывающей линии:

— вход в трубу

— колено под углом 90

Суммарные местные сопротивления для всасывающей линии составят:

2) для нагнетательной линии:

— выход из трубы

— колено под углом 90

Следовательно, местные потери в нагнетательной линии:

Суммарные потери напора на преодоление сопротивления трения и местных сопротивлений в трубопроводах определяются по формуле:

где — коэффициент трения, зависящий от величины критерия Рейнольдса;

— длина трубопровода.

g — ускорение свободного падения .

=0,11 — по [12], рисунок 1.5; — из конструктивных соображений.

Определяем потери напора во всасывающей линии:

Потери напора в нагнетательной линии:

Следовательно, общие потери напора составят:

2.3.3 Выбор насоса и электродвигателя Определим полный напор, м развиваемый насосом:

где — высота жидкости во всасывающей линии, м;

— высота жидкости в нагнетательной линии, м;

— геометрическая высота подъема жидкости, м.

=0,25 м, — из конструктивных соображений.

Полезная мощность, кВт насоса, затрачиваемая на перемещение краски:

Мощность, кВт, которую должен развивать электродвигатель насоса на выходном валу при установившемся режиме работы:

где — коэффициент полезного действия насоса;

— коэффициент полезного действия передачи от электродвигателя к насосу.

Примем и определим мощность на валу двигателя:

Мощность, кВт, потребляемая двигателем от сети больше номинальной вследствие потерь энергии в самом двигателе. Следовательно, при мощность будет равна:

Поскольку при работе двигателя возможны перегрузки, двигатель к насосу устанавливается несколько большей мощности, кВт, чем потребляемая мощность:

где — коэффициент запаса прочности.

— по [12], с. 30.

По рассчитанным данным требуемого напора и производительности насоса устанавливаем центробежный насос марки GRUNDFOS UPS 25−20 со следующими характеристиками:

· производительность ;

· напор 2 м.

По значению подбираем из каталога асинхронный трехфазный двигателем марки 56B-2 с техническими характеристиками, представленными в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Технические характеристики электродвигателя 56B-2

2.4 Расчеты на прочность В связи с установкой дополнительного оборудования и оснащения на бочку с краской необходимо провести расчеты на прочность и убедиться в надежности конструкции.

Для проведения расчетов на прочность определим действующую давление и сравним его с допускаемым, если выполняется условие прочности, то конструкция надежна. Если условие прочности не будет выполняться, то потребуется разработка конструктивного исполнения бочки.

Непосредственно на крышку бочки устанавливается вискозиметр, штуцеры для подачи спирта и краски в бочку, а также штуцер для возврата очищенной краски из красочного аппарата в бочку. На обечайке также размещено два штуцера для подключения центробежного насоса для циркуляции.

Исходные данные для проведения расчетов на прочность представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 — Исходные данные для расчетов

2.4.1 Расчет на прочность цилиндрической обечайки Определим расчетную толщину стенки бака по формуле:

где c — прибавка к расчетной толщине стенки для компенсации коррозии и эрозии, мм.

Из конструктивных соображений принимаем с=0,3 мм.

Расчетные формулы применимы при выполнении следующего условия:

Условие выполняется.

Рассчитаем допускаемое внутреннее давление по формуле:

где — допускаемое напряжение, МПа;

— коэффициент прочности сварного шва.

=120 МПа — по приложение 1; =0,9 — по приложение 5.

Определим внутреннее давление, действующее на обечайку, по формуле:

где — плотность флексографской краски, г/м³;

— ускорение свободного падения, м/с²;

— уровень краски в баке, м.

— по [4]; h = 0,35 мм — приняли из конструктивных соображений.

Условие прочности выполняется.

2.4.2 Расчет на прочность плоского круглого днища Определим расчетную толщину стенки днища по формуле (2.10):

Рассчитаем допускаемое давление на днище по формуле:

где — коэффициент прочности сварного шва;

— коэффициент, зависящий от конструкции днища;

— коэффициент ослабления.

— по таблица 3; =1 — поскольку днище не имеет отверстий; =1 — по приложение 5.

На днище действует то же давление, что и на обечайку, следовательно, условие прочности выполняется.

2.4.3 Расчет на прочность плоской круглой крышки Определим расчетную толщину крышки по формуле (2.10):

Рассчитаем допускаемое давление на крышку по формуле (2.14), предварительно определив коэффициент ослабления для крышки по формуле:

где — максимальная сумма диаметров отверстий, определяющая наиболее ослабленное сечение крышки, мм.

Наиболее ослабленное сечение определим руководствуясь рисунком 2.5.

Рисунок 2.5 — Схема расположения отверстий на крышке Наиболее ослабленным сечением является сечение I-I:

Тогда допускаемое давление на крышку будет равно:

Определим давление, кПа, действующее на крышку по формуле:

где — масса всех элементов, расположенных на крышке, кг.

Условие прочности выполняется.

Все условия прочности выполняются, следовательно, стандартная бочка подходит по конструктивному исполнению.

В данном разделе в качестве устройства для определения вязкости был выбран ротационный вискозиметр Argosy PV-100, а в качестве устройства для регулирования вязкости — нормально закрытый электромагнитный клапан. В соответствии с требуемым расходом подобран центробежный насос GRUNDFOS UPS 25−20 для перемешивания краски со спиртом. Исходя из конструктивных соображений, разработано расположение дополнительного оснащения на баке с краской и проведены расчеты на прочность.

3. Автоматизированная система поддержания вязкости краски

3.1 Автоматизированная система определения вязкости Любая система автоматизации начинается с измерения регулируемой величины. В разрабатываемой системе в качестве измерительного прибора был выбран ротационный вискозиметр Argosy PV-100, а объектом управления является краска с динамически изменяющейся вязкостью.

В основе работы ротационного вискозиметра лежит двигатель постоянного тока (ДПТ) независимого возбуждения типа JK 432. Технические характеристики двигателя представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Технические характеристики двигателя JK 432

Двигатель является сложным объектом, в котором протекают электрические, электромагнитные и механические процессы. Назначение — преобразование электрической энергии в механическую.

При использовании электродвигателей постоянного тока в подавляющем большинстве случаев осуществляют якорное управление изменением напряжения, приложенного к якорю двигателя. Полюсное управление (изменением магнитного потока Ф) возможно только в сторону уменьшения магнитного потока, так как в номинальном режиме магнитная система двигателя близка к насыщению. Уменьшение потока позволяет регулировать скорость только в сторону увеличения (вверх от основной скорости). При якорном управлении (в двигателях с независимым возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов), когда магнитный поток остается постоянным (Ф = const), работа двигателя может быть описана системой четырех уравнений [14]:

Чтобы промоделировать двигатель постоянного тока независимого возбуждения в пакете Simulink, произведем некоторые математические преобразования. На основании второго закона Кирхгофа для схемы замещения ДПТ запишем уравнение электромагнитной части:

где , — общее активное сопротивление и индуктивность якорной цепи, соответственно.

Получим передаточную функцию данной части двигателя:

На основании уравнения динамики для электромеханической части ДПТ запишем:

где — момент, развиваемый двигателем, Нм;

— момент статического сопротивления механизма, Нм;

— суммарный приведенный момент инерции, кг.

При постоянно магнитном потоке (Ф=const) справедливы следующие равенства:

где , — конструктивные постоянные электродвигателя.

Подставив эти значения в формулу (3.3), получим:

Следовательно, передаточная функция электромеханической части двигателя будет иметь вид:

Таким образом, двигатель постоянного тока в среде MATLAB будет представлен двумя инерционными звеньями 1-го порядка в виде вычисленных выше передаточных функций.

Структурная схема двигателя постоянного тока, соответствующая указанным выше уравнениям, представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 — Структурная схема двигателя постоянного тока Для получения математической модели двигателя необходимо определить численное значение постоянных времени. Электромагнитная и электромеханическая постоянные времени оказывают влияние на протекание переходных процессов электропривода. Электромагнитная постоянная времени отражает инерционность процессов в электромеханическом преобразователе энергии, а именно в электродвигателе. Электромеханическая постоянная времени характеризует инерционность механической части электропривода.

Электромагнитная постоянная времени, характеризующая скорость изменения тока якоря при отсутствии ЭДС (е = 0), т. е. при заторможенном якоре, определяется по формуле:

Общую индуктивность якорной цепи определим из соотношения:

где — индуктивность якорной обмотки, Гн.

где — коэффициент, принимаемый для некомпенсированных машин равным 0,6;

— число пар полюсов.

Принимаем число пар полюсов .

Общее активное сопротивление определим из соотношения:

Определим электромагнитную постоянную времени по формуле (3.9):

Электромеханическая постоянная времени характеризует скорость разгона двигателя (при = const) и определяется как:

Определим коэффициент передачи по формуле:

Модель двигателя постоянного тока, полученная на основе вышеприведенных формул, представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 — Модель двигателя постоянного тока Для реализации системы контроля вязкости краски к полученной модели двигателя добавим блок Atomic Subsystem, который позволяет реализовать связь вязкости и скорости вращения ротора ротационного вискозиметра. Зависимость между моментом вращения, вязкостью и скоростью вращения описывается формулой:

где постоянный коэффициент, учитывающий параметры прибора;

— угловая скорость вращения, рад/с;

— вязкость краски, Пас.

Коэффициент можно определить по формуле:

где — длина ротора ротационного вискозиметра, м;

— радиус ротора, м;

— радиус резервуара, м;

Внутренняя структура блока Atomic Subsystem показана на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 — Структура блока Atomic Subsystem

В результате объединения модели двигателя постоянного тока и блока Atomic Subsystem была получена математическая модель системы контроля вязкости краски, которая представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 — Структурная модель системы определения вязкости Эта модель имеет один вход управления — управление по цепи якоря и один вход по возмущению — возмущение по моменту нагрузки. Блок «Якорь» моделирует цепь якоря с постоянной времени. Блок «Мех.часть» моделирует механическую часть двигателя с постоянной времени .

Все время моделирования принято равным 2,5 с. Сигнал возмущения подается спустя 0,03 с от начала моделирования.

Поскольку вязкость красок флексографской печати колеблется в рамках Пас, то проводить исследование полученной модели будем в этом диапазоне. Примем два близких значения из диапазона и промоделируем систему. Результаты моделирования представим на рисунке 3.5.