數(shù)字時(shí)代的印刷裝備創(chuàng)新開發(fā)效率

貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國）有限公司技術(shù)傳播經(jīng)理 宋華振

將數(shù)字化的控制、計(jì)算技術(shù)與印刷行業(yè)的機(jī)器設(shè)計(jì)、創(chuàng)新過程緊密結(jié)合，可以為印刷裝備制造商提供機(jī)器高效開發(fā)的思路和啟發(fā)。本文以貝加萊在印刷領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)為例，結(jié)合行業(yè)的發(fā)展，介紹了如何運(yùn)用數(shù)字技術(shù)提高印刷裝備的創(chuàng)新開發(fā)效率。

當(dāng)今，數(shù)字化浪潮呼嘯而來。對于企業(yè)而言，數(shù)字化轉(zhuǎn)型意味著通過數(shù)字化獲得企業(yè)持續(xù)競爭力的不斷提升，打造軟實(shí)力。面對紛繁的數(shù)字化潮流，我們必須清晰地認(rèn)識(shí)到，裝備制造業(yè)的企業(yè)與離散組裝型企業(yè)有著諸多不同，每個(gè)行業(yè)都需要結(jié)合自身的特點(diǎn)，選擇合適的創(chuàng)新組織與規(guī)劃、方法與工具。

借助數(shù)字化，我們的目的在于實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以獲得市場的持續(xù)競爭力。數(shù)字化的特點(diǎn)在于靈活，在于它可以封裝 Know-How 保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，也在于通過數(shù)字化建立持續(xù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)，因?yàn)閿?shù)字化的顯著特征也在于知識(shí)的傳承和復(fù)用。

創(chuàng)新是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程

制造業(yè)的裝備開發(fā)，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓I(yè)設(shè)計(jì)過程來支撐。材料科學(xué)為我們提供油墨、紙張與薄膜的物理化學(xué)特性，而材料與機(jī)械、電氣控制與傳動(dòng)的融合設(shè)計(jì)，可以穩(wěn)定加工，獲得所需的高品質(zhì)產(chǎn)品。而這些必須通過建模仿真、反復(fù)的測試、軟件封裝才能收斂到經(jīng)濟(jì)性，即能夠獲得高性價(jià)比的機(jī)器。而形成的技術(shù)要具有可復(fù)用性，這樣才能使得機(jī)器在研發(fā)階段的高成本被攤薄，進(jìn)而有競爭力。如圖 1 所示，創(chuàng)新經(jīng)由科學(xué)的知識(shí)、工程收斂，形成可復(fù)用的知識(shí)，進(jìn)而為用戶帶來價(jià)值。

圖 1 創(chuàng)新是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程

由于印刷工業(yè)是融合材料（紙張、薄膜）、機(jī)械傳動(dòng)、控制的復(fù)雜系統(tǒng)，數(shù)字化涵蓋其數(shù)字化設(shè)計(jì)、賦予機(jī)器靈活性、機(jī)器作為印刷工廠的數(shù)字化節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)營管理的數(shù)字化能力。而遠(yuǎn)程維護(hù)與診斷，基于數(shù)字化方法來降低成本，如云平臺(tái)較之專用的網(wǎng)絡(luò)體系更為經(jīng)濟(jì)性。

圖 2 OEE 計(jì)算方法

創(chuàng)新，用戶導(dǎo)向的設(shè)計(jì)

對于各個(gè)終端生產(chǎn)企業(yè)而言，OEE 是最為直觀的評價(jià)機(jī)器的綜合指標(biāo)，由圖 2 可知，OEE 的計(jì)算通常由可用性、性能、質(zhì)量三個(gè)因素決定。如果換做印刷機(jī)，我們可以對 OEE 進(jìn)行如下解析：

1. 可用性

重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備故障、設(shè)置與調(diào)整。因?yàn)?/span>機(jī)械發(fā)生故障、機(jī)器換單時(shí)的機(jī)械與電氣參數(shù)配置，都會(huì)影響正常生產(chǎn)。而機(jī)械的調(diào)校時(shí)間往往較長，因此會(huì)對可用性造成損失。

2. 性能

怠速、非計(jì)劃的停機(jī)、減速會(huì)造成機(jī)器的性能損失，無法達(dá)到設(shè)計(jì)的額定速度。如果機(jī)械本身發(fā)生故障也將無法獲得高性能，甚至可能造成臨時(shí)停機(jī)。

3. 質(zhì)量

重點(diǎn)關(guān)注開機(jī)浪費(fèi)。因?yàn)闄C(jī)器需要穿紙路達(dá)到穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)，在換料過程中，如果機(jī)器不能穩(wěn)定工作，出現(xiàn)故障就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生廢品，或者因套印不準(zhǔn)等會(huì)造成良品的損失。

通常，終端生產(chǎn)企業(yè)都會(huì)有一套針對現(xiàn)場設(shè)備的OEE 考評方法，以對設(shè)備進(jìn)行綜合評估。因此，對于印刷設(shè)備制造商而言，基本上所有的設(shè)計(jì)都要圍繞這些問題來展開。創(chuàng)新就是要為用戶解決問題，提升機(jī)器的 OEE，才能讓客戶獲得高投資回報(bào)。隨著競爭的加劇，作為一項(xiàng)重要的資產(chǎn)，設(shè)備的 OEE 關(guān)乎著印刷企業(yè)的盈利能力。

無論是穩(wěn)定性、可靠性、易用性，其實(shí)，最終都會(huì)歸于 OEE 的評價(jià)——完全量化的評價(jià)指標(biāo)。而 OEE也是裝備制造業(yè)數(shù)字化的可量化指標(biāo)之一。

圖 3 采用傳統(tǒng)機(jī)械長軸的印刷機(jī)

電子軸傳動(dòng)技術(shù)在裝備中的普遍應(yīng)用

在早期，印刷機(jī)械采用的是機(jī)械傳動(dòng)方式，貫穿整個(gè)機(jī)械的長軸經(jīng)由蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，將長軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為版輥、牽引系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)。這種機(jī)械長軸存在的主 要問題是機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)不便，機(jī)器的操控依賴于師傅的經(jīng)驗(yàn)，在換單時(shí)需要進(jìn)行很多的機(jī)械調(diào)校，時(shí)間較長。圖 3 所示為采用傳統(tǒng)機(jī)械長軸的印刷機(jī)。

用戶的需求是，希望通過高品質(zhì)、快速換單來提升交付并降低成本。而從 OEE 計(jì)算中，我們可以看到，這些都會(huì)影響 OEE 的指標(biāo)。解決這些問題就需要通過技術(shù)創(chuàng)新，這種創(chuàng)新既可以是微創(chuàng)新，也可以是較大的變革。

1. 傳動(dòng)方式的創(chuàng)新

電子軸是一種變革，需要在伺服驅(qū)動(dòng)與電機(jī)成本下降的前提下才能實(shí)現(xiàn)。伺服電機(jī)自 20 世紀(jì) 60 年代就已經(jīng)推出了商業(yè)化的產(chǎn)品，但因?yàn)閮r(jià)格比較高而未能得到大規(guī)模使用?！钡?90 年代伺服系統(tǒng)的應(yīng)用普及，電子軸的價(jià)格逐步下降，才為印刷機(jī)械所廣泛采用。如圖 4 所示，采用電子傳動(dòng)可以獲得更高的精度、更為靈活的換單能力。

圖 4 貝加萊集成套色的電子軸傳動(dòng)系統(tǒng)

2. 集成套色系統(tǒng)的創(chuàng)新

在傳統(tǒng)的印刷控制中，由于傳統(tǒng)的 PLC 無法滿足高級算法的設(shè)計(jì)，因此，通常的分立套色需要采用專用的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。而集成套色經(jīng)由總線傳遞解耦結(jié)果給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)相位調(diào)節(jié)了。傳統(tǒng)分立套色系統(tǒng)與集成套色系統(tǒng)的差異如圖 5 所示。

圖 5 分立套色系統(tǒng)與集成套色系統(tǒng)的差異

貝加萊的 PLC 基于 RTOS 可以支持高級語言 (C/C++) 編程，對于套色的多變量系統(tǒng)耦合和解耦算法，可以在高性能的 PLC 上得以實(shí)現(xiàn)，無需專用的套色系統(tǒng)。此外，運(yùn)動(dòng)控制也可以通過 PLC 直接控制，而無需采用傳統(tǒng)的 PLC ＋運(yùn)動(dòng)控制模組的方式來實(shí)現(xiàn)，這是只有借助高性能的控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)的。

因此，要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，就需要合適的平臺(tái)，新的控制技術(shù)可以為機(jī)器提供更為豐富的功能，提供便利性。建模仿真，確保低測試驗(yàn)證成本和開發(fā)效率除了要提升 OEE，我們發(fā)現(xiàn)，印刷品的材料多樣性。

建模仿真，確保低測試驗(yàn)證成本和開發(fā)效率

除了要提升 OEE，我們發(fā)現(xiàn)，印刷品的材料多樣性也得到了增強(qiáng)。為了滿足各種場景，如更為精美的書籍裝幀、體現(xiàn)高端品質(zhì)的印刷和燙金、便利的紙盒包裝，滿足環(huán)保性設(shè)計(jì)、功能性設(shè)計(jì)的更為安全的材質(zhì)得到大量使用，使得印刷的材料、油墨、表面處理材料等都發(fā)生著千差萬別的場景變化。每種材料的物理特性都在發(fā)生著變化，這些變化給加工過程中的壓力、機(jī)械傳動(dòng)、溫度帶來了影響，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器的印刷品質(zhì)和生產(chǎn)效率發(fā)生變化。

1. 物理建模

為了解決這些問題，必須對機(jī)器進(jìn)行大量的物理性測試，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)本身、印刷材料、油墨等，而這又要消耗較大的成本。只有針對各種材料進(jìn)行測試，才能獲得匹配的參數(shù)以及控制工藝的適配性。只有這樣，機(jī)器才能在變化時(shí)實(shí)現(xiàn)快速的機(jī)械、工藝參數(shù)、傳動(dòng)控制參數(shù)的適配性，從而降低開機(jī)浪費(fèi)、節(jié)省工藝切換時(shí)間，獲得高 OEE 生產(chǎn)。

在歐美，建模仿真是機(jī)器開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而對應(yīng)的建模仿真軟件也是今天中國制造業(yè)比較欠缺的一部分。建模主要是通過機(jī)械、控制建模來獲得機(jī)器的機(jī)械傳動(dòng)、控制工藝參數(shù)的模型，然后通過仿真對其中的參數(shù)進(jìn)行虛擬測試，有模型才能進(jìn)行虛擬測試。而另一方面，數(shù)字時(shí)代的這種測試驗(yàn)證包括了機(jī)械、控制與工藝的三方協(xié)同仿真問題，即將幾個(gè)部分耦合以獲得聯(lián)合仿真，讓機(jī)械、控制、工藝三方的相互影響作用得以在軟件中體現(xiàn)，進(jìn)而能夠獲得設(shè)計(jì)的優(yōu)化與改善。

數(shù)字化設(shè)計(jì)，首先要在測試驗(yàn)證環(huán)節(jié)降低物理的測試驗(yàn)證成本；其次，它可以獲得設(shè)計(jì)可持續(xù)使用的復(fù)用知識(shí)，即以軟件形式存在的知識(shí)，這些凝聚了工程師智慧的知識(shí)，只有在復(fù)用中才能稀釋成本。

2. 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模

傳統(tǒng)物理建?？梢越鉀Q既有的知識(shí)問題，而對于隱性知識(shí)、非線性、不確定問題，則可以通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能算法來建模（Data-Driven Modeling）。例如，通過學(xué)習(xí)師傅對于水墨均衡的調(diào)節(jié)過程來獲得這種經(jīng)驗(yàn)，并記錄為機(jī)器用于判斷，通過機(jī)器視覺獲得產(chǎn)品灰度值，為印刷壓力調(diào)節(jié)提供判斷依據(jù)。這些機(jī)器的智能應(yīng)用，都是以軟件形式將經(jīng)驗(yàn)由隱性轉(zhuǎn)化為顯性，可以被復(fù)用。

軟件，形成機(jī)器的差異化競爭力

數(shù)字化賦予了機(jī)器靈活性，而這種靈活性是以軟件負(fù)載的，軟件在這里作為一個(gè)容器，可以應(yīng)用于Know-How 的封裝。在印刷工業(yè)，控制系統(tǒng)能夠?yàn)闄C(jī)器賦予靈活性，幫助企業(yè)打造差異化競爭力，如圖 6 所示。它需要通過各種應(yīng)用軟件來保障，這些軟件包括以下幾個(gè)方面：

圖 6 軟件功能性設(shè)計(jì)形成差異化競爭力

1）工藝軟件：色標(biāo)處理、張力控制、溫度控制、套色控制算法。

2）配方管理：包括機(jī)器的各種工藝配方管理及配方記憶功能。

3）HMI 設(shè)計(jì)：易于操作，降低了學(xué)習(xí)成本。

圖 7 基于組件的應(yīng)用開發(fā)

4）基礎(chǔ)設(shè)施管理：包括對 I/O、伺服軸的狀態(tài)監(jiān)測，機(jī)器的狀態(tài)曲線顯示、報(bào)警趨勢、診斷維護(hù)、用戶管理，這些都屬于機(jī)器的基礎(chǔ)能力。

標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化

企業(yè)的數(shù)字化工廠要積極應(yīng)對變化，創(chuàng)新性設(shè)計(jì)所用到的技術(shù)需要被標(biāo)準(zhǔn)化，而機(jī)器則需要更為靈活的組織，其軟件能力也需要通過“高內(nèi)聚、低耦合”的模塊來實(shí)現(xiàn)封裝，新的機(jī)器將由這些軟件模塊快速組裝。貝加萊的 mapp 技術(shù)即基于組件技術(shù)開發(fā)（如圖7 所示），不僅可以快速配置新的機(jī)器應(yīng)用系統(tǒng)，同時(shí)這些張力、溫度、色標(biāo)亦可以從凹版擴(kuò)展至輪轉(zhuǎn)膠印、柔版，而張力控制則涵蓋了各個(gè)卷筒紙機(jī)型。對于印刷機(jī)械，mapp 的控制還包括了膠印的水墨曲線控制、壓力調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)管理的配方記憶、品質(zhì)數(shù)據(jù)顯示，并且提供更為方便的 mappVIEW。

圖 8 知識(shí)復(fù)用至其他印刷機(jī)組控制

例如，從凹版印刷擴(kuò)展到如圖 8 所示的柔版印刷，其采用了原有凹版開發(fā)中的收放卷張力控制、電子軸傳動(dòng)控制、套色算法、裁切電子凸輪等。

結(jié)語

對于印刷機(jī)械而言，創(chuàng)新是多個(gè)維度的，重點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

1）創(chuàng)新的目標(biāo)為客戶帶來價(jià)值：裝備制造商，首先一定要清楚地知道客戶的痛點(diǎn)、癢點(diǎn)（那些始終存在卻不好解決的問題）、盲點(diǎn)（未能看到，但能帶來價(jià)值提升）。

2）橫向科技支持：隨著控制器技術(shù)、感測技術(shù)、AI 算力的成本逐漸下降，先進(jìn)的機(jī)器控制方式可以得以實(shí)現(xiàn)，因此，對于制造商而言，要不斷關(guān)注前沿技術(shù)，及時(shí)拿來為我所用。

3）開創(chuàng)精神與魄力：投資技術(shù)，獲得高回報(bào)，這也是需要企業(yè)具有開創(chuàng)精神。

4）工程效率支持：通過建模仿真、虛擬測試與驗(yàn)證、軟件組件技術(shù)來獲得機(jī)器開發(fā)效率的提升。

5）合作與信任：上下游合作伙伴要相互信任，并致力于共同的價(jià)值目標(biāo)。

6）標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化：讓機(jī)器能夠復(fù)用，在不斷迭代過程中提升，并降低成本，以此獲得長期的經(jīng)濟(jì)性。