Application de la technologie de contrôle numérique dans une machine de refendage de feuilles de marquage à chaud

Abstrait:

Avec l'évolution des industries de l'emballage et de l'impression vers une précision, une efficacité et une personnalisation accrues, le film de marquage à chaud est un matériau décoratif essentiel, dont la qualité de découpe influe directement sur le résultat. Les machines de découpe traditionnelles, reposant sur une transmission mécanique et l'expertise humaine, présentent des inconvénients majeurs : faible précision, lenteur des changements de production et taux de rebut élevé. Cet article traite de l'application de la technologie de commande numérique aux machines de découpe de film de marquage à chaud. Il s'intéresse particulièrement à l'automatisation et à l'intelligence du processus de découpe, ainsi qu'à l'amélioration de l'efficacité globale de l'équipement grâce à une commande synchrone par automate programmable et servomoteur, un contrôle de tension en boucle fermée de haute précision et une gestion numérique des recettes de processus.

1. Introduction

Le film de marquage à chaud est un matériau de précision qui consiste à appliquer plusieurs couches de revêtement chimique sur un support. Il est largement utilisé pour les supports imprimés haut de gamme tels que les paquets de cigarettes, les étiquettes de vin, les boîtes de cosmétiques et les cartes de vœux. Lors du marquage à chaud, le découpage est l'étape clé : la bobine mère est découpée en bobines plus étroites selon la largeur et la longueur souhaitées par le client.

Les machines de refendage mécaniques traditionnelles utilisent principalement un frein à embrayage, une transmission mécanique et un réglage manuel des rouleaux. Face à des films de marquage à chaud d'une épaisseur de seulement 12 à 20 µm, facilement extensibles et froissables, et sensibles à l'électricité statique, les équipements traditionnels sont sujets à des défauts persistants tels que des bavures, un enroulement irrégulier et des marquages ​​à chaud et surimpressions imprécis dus aux fluctuations de tension. L'introduction de la technologie de contrôle numérique, l'utilisation de capteurs de haute précision, d'automates programmables (PLC) et de systèmes d'asservissement sont devenues la solution fondamentale à ces problèmes.

2. Architecture matérielle du système de commande numérique

Les machines modernes de découpe de feuilles à marquage à chaud à commande numérique adoptent généralement une architecture réseau à trois couches :

1. Couche de contrôleL'écran tactile industriel (IHM) est utilisé pour intégrer les fonctions de gestion des recettes, de diagnostic des pannes et de statistiques des données de production.

2. Couche de contrôle: Doté d'un automate programmable haute vitesse ou d'un contrôleur de mouvement spécial comme noyau, il exécute un algorithme PID et une commande synchrone de came électronique.

3. Couche d'exécution et de rétroaction: comprenant un système servo AC, un convertisseur de fréquence vectorielle, un capteur de tension numérique, un capteur de guidage ultrasonique et un télémètre laser.

L'interaction des données est réalisée via Ethernet industriel (par exemple Profinet, EtherCAT) pour garantir que les instructions de contrôle sont exécutées de manière synchrone en millisecondes, voire en microsecondes.

3. Application des principales technologies de contrôle numérique

1. Technologie d'entraînement servo et de synchronisation électronique de broche

Les machines à refendre classiques synchronisent le déroulement, la traction et le rembobinage grâce à de longs arbres mécaniques et des boîtes de vitesses, qui non seulement subissent une usure mécanique importante, mais sont également sujets à l'étirement ou à l'accumulation de matériau en raison d'un décalage d'inertie lors de l'accélération et de la décélération.

La technologie de commande numérique introduit le concept de « broche électronique ». Grâce à un servomoteur de haute précision, le signal de l'encodeur rotatif du galet d'entraînement est utilisé comme signal de broche virtuelle, et les arbres de déroulement et d'enroulement servent d'axes esclaves électroniques. La fonction d'engrenage électronique permet de régler avec précision le rapport de transmission, éliminant ainsi les erreurs dues au jeu des engrenages et aux déformations mécaniques.

Lors des phases d'accélération et de décélération, la fonction de came électronique ajuste dynamiquement et en temps réel la courbe de vitesse de chaque axe en fonction du diamètre de la bobine, garantissant ainsi une vitesse linéaire constante pendant le processus de découpe. Ceci permet à l'équipement de maintenir un glissement extrêmement faible même à haute vitesse (généralement de 300 à 500 m/min), évitant ainsi efficacement les rayures du revêtement de surface du film de marquage à chaud dues au frottement.

2. Contrôle de tension entièrement numérique en boucle fermée

Le contrôle de la tension est la principale difficulté du refendage à chaud des feuilles métalliques. Le substrat (film PET) étant viscoélastique, le rapport entre le diamètre de la bobine rétractée et celui de la bobine déroulée peut dépasser 10:1 lors du refendage. Une tension trop fluctuante entraîne un étirement et une déformation de la surface du film, provoquant un défaut d'alignement lors du marquage à chaud ultérieur. À l'inverse, une tension trop faible peut engendrer l'apparition d'un noyau en chrysanthème ou d'un bourrelet sur la face d'enroulement.

La technologie de commande numérique permet une intégration poussée du contrôle de la tension conique et du contrôle d'amortissement des rouleaux flottants/pendulaires :

• Partie de déroulementEn mode production d'énergie, un convertisseur de fréquence vectorielle ou un servomoteur est utilisé. Grâce à un régulateur PID numérique, le couple inverse est automatiquement ajusté en fonction de la position du galet du pendule (signal analogique) mesurée en temps réel. Dès que le point médian de la plage de réglage du décalage du pendule est détecté, le contrôleur applique immédiatement la correction nécessaire avec un temps de réponse inférieur à 50 ms.

• Partie bobinageAlgorithme de tension conique. Lorsque le diamètre d'enroulement augmente, le contrôleur numérique réduit automatiquement la tension selon le facteur de conicité prédéfini (généralement de 30 % à 80 %) en fonction du diamètre actuel de la bobine, calculé en temps réel. Cet algorithme prévient la déformation du papier de fond, c'est-à-dire le relâchement du papier extérieur et la tension excessive dus à une tension interne trop forte lors de l'enroulement de grandes bobines.

• Contrôle de zonage :Pour le refendage multi-lames (refendage d'une grande largeur en dizaines de bandes étroites), le système de commande numérique réalise l'entraînement indépendant de chaque arbre d'enroulement grâce à une commande en boucle fermée, ce qui résout le problème des différentes longueurs causées par la différence de longueur d'enroulement des différentes stations.

3. Correction automatique des écarts lors de la fusion d'images numériques et de capteurs

Le découpage par estampage à chaud exige une précision extrême des bords, et l'écart doit généralement être contrôlé à ±0,1 mm près. La technologie de contrôle numérique intègre des capteurs linéaires CCD ou une technologie de détection ultrasonique de double feuille.

Le système de contrôle ne repose plus sur de simples capteurs photoélectriques, mais calcule en temps réel, grâce à des algorithmes de traitement d'images numériques, l'écart entre la trajectoire d'alimentation réelle du matériau et la trajectoire de consigne. Un servomoteur électrique actionne le dérouleur ou l'enrouleur pour compenser les déplacements latéraux. Le système propose deux modes : « Détection automatique des bords » et « Suivi de ligne ». Le traitement numérique du signal (DSP) permet de filtrer efficacement les interférences optiques et d'assurer la stabilité de la correction du défaut d'alignement pour les films de marquage à chaud transparents ou holographiques avec effet de halo.

4. Formulation des processus numériques et fabrication intelligente

Un autre avantage majeur de la technologie de contrôle numérique réside dans les processus définis par logiciel.

• Gestion des recettesPour le marquage à chaud de films de différentes spécifications (épaisseur, largeur, matériau), les opérateurs peuvent enregistrer les paramètres de processus correspondants sur l'IHM, notamment la courbe de tension, la pente d'accélération, la vitesse de découpe, la tension de la tige d'élimination statique, etc. Lors d'un changement de commande, la recette est appelée en un clic, la position de tous les axes est automatiquement remise à zéro et les paramètres sont chargés, et le temps de changement de commande est réduit de 30 minutes à moins de 3 minutes.

• Traçabilité des donnéesLe système enregistre en temps réel le nombre de mètres, le nombre d'arrêts, la courbe de fluctuation de la tension et d'autres données après chaque découpe de rouleau, puis les transmet au MES (Système d'exécution de la production). Ceci garantit non seulement la transparence du processus de production, mais assure également la traçabilité des propriétés des matériaux pour les opérations d'emboutissage à chaud ultérieures.

4. Effets et avantages de l'application

La machine à découper les feuilles d'aluminium basée sur la technologie de contrôle numérique présente des avantages significatifs par rapport aux équipements traditionnels :

1. Amélioration de la précisionLa tolérance de largeur de refente est contrôlée à ±0,05 mm près, et la netteté de la face d'extrémité d'enroulement (erreur de forme de tour) est ≤ 0,2 mm/100 mm de largeur de rouleau, ce qui répond aux exigences strictes du bronzage haut de gamme des paquets de cigarettes pour des lignes extrêmement fines (telles que des lignes de 0,1 mm).

2. Amélioration de l'efficacité :La vitesse mécanique maximale est augmentée de 30 à 50 %, et grâce aux excellentes performances d'accélération et de décélération du système servo, le taux de rebut est réduit d'environ 60 % lors des arrêts et démarrages fréquents et du traitement conjoint.

3. Grande adaptabilité des matériauxPour le film de marquage à chaud à froid et la feuille de marquage à chaud mince (12 μm) actuellement populaires, le système de tension numérique peut simuler l'effet de « démarrage et arrêt en douceur », résolvant efficacement le problème de la fracture facile des matériaux minces.

4. Amélioration des capacités cognitives :Grâce à la fonction d'autodiagnostic des pannes, lorsque le capteur détecte une rupture de matériau, des joints défectueux ou une accumulation d'électricité statique dépassant la norme, le système ralentit automatiquement et déclenche une alarme, réduisant ainsi le risque d'endommagement de l'équipement.

5. Tendances de développement futures

Avec l'avènement de l'Industrie 4.0, la technologie de contrôle numérique des machines de découpe de feuilles à chaud continuera d'évoluer dans les directions suivantes :

• Auto-réglage de l'IA :Grâce à des algorithmes d'apprentissage automatique, l'équipement optimise automatiquement les paramètres PID et le coefficient de tension conique en fonction des données de retour d'information en temps réel lors du premier refendage du rouleau, réduisant ainsi la dépendance à l'égard de l'expérience de l'opérateur.

• Collaboration cloud-edgeGrâce à la passerelle de calcul en périphérie, les données de fonctionnement de plusieurs machines à refendre peuvent être téléchargées sur le cloud pour réaliser une maintenance prédictive de l'état des équipements (comme la prédiction de la durée de vie des outils et de l'usure des roulements).

• Intégration complète de l'atelier numériqueLa machine à refendre est utilisée comme processus de finition, et la machine à estamper à chaud et la machine à rebobiner assurent l'interconnexion des données, formant un système de contrôle qualité en boucle fermée, de la bobine mère au produit fini.

6. Conclusion

L'application de la technologie de commande numérique aux machines de refendage de films pour marquage à chaud a radicalement transformé les équipements traditionnels, souvent caractérisés par une faible précision, une lenteur de réponse et une complexité d'utilisation. Grâce à la commande servo-synchrone, à la boucle de tension entièrement numérique et à la numérisation des formules de processus, la qualité de refendage et la productivité des films pour marquage à chaud s'en trouvent considérablement améliorées. Cette technologie pose également les bases d'une production flexible et d'usines intelligentes pour l'industrie de l'impression et de l'emballage. Avec le développement continu de la commande numérique, les équipements de refendage de demain seront toujours plus sophistiqués, intelligents et performants.