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1993年起

致力于研發(fā)數(shù)控裝備運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

用近30年時(shí)間

實(shí)現(xiàn)高端包裝印刷裝備從依賴進(jìn)口到

高度國(guó)產(chǎn)化的逆轉(zhuǎn)

11月3日，由西安交通大學(xué)梅雪松教授、陶濤教授、趙飛研究員率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高端包裝印刷裝備關(guān)鍵技術(shù)及系列產(chǎn)品開發(fā)榮獲2020年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

2007年以前，我國(guó)的高端包裝印刷裝備主要依賴外國(guó)進(jìn)口，一臺(tái)進(jìn)口設(shè)備的價(jià)格要5000多萬(wàn)元，價(jià)格之貴成為我國(guó)印包企業(yè)難以承受之重。

為了降低成本，1993年起，梅雪松教授團(tuán)隊(duì)就致力于研發(fā)數(shù)控裝備運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，與相關(guān)的行業(yè)頭部企業(yè)合作，開啟了高端包裝印刷裝備國(guó)產(chǎn)化的研發(fā)歷程。

梅雪松教授團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目成果不僅解決了高端包裝印刷裝備多個(gè)技術(shù)難題，還使高端包裝印刷裝備高度國(guó)產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)了出口大于進(jìn)口的逆轉(zhuǎn)。

高端包裝印刷裝備

高端印刷裝備分布式電子軸控制系統(tǒng)

高端包裝印刷裝備是高精度和綠色環(huán)保印刷的核心裝備，在商品流通、追溯等市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著不可或缺的作用。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)食品、藥品、日用品等對(duì)印刷殘留物有嚴(yán)格要求的高端包裝印刷業(yè)總產(chǎn)值已接近萬(wàn)億元。特別是近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來(lái)的智能包裝產(chǎn)品的大量應(yīng)用，迫切需求高保真和環(huán)保的高端包裝印刷裝備。同時(shí)，由于印刷過(guò)程高耗能、產(chǎn)生有害VOCs氣體、包裝廢料污染環(huán)境，特別是食品藥品等包裝印刷關(guān)系到人的健康安全，使得包裝印刷被國(guó)家列入食品監(jiān)管、高污染防治等重點(diǎn)監(jiān)控行業(yè)。因此，自主研發(fā)高端包裝印刷裝備是掌握國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命健康主動(dòng)權(quán)的必然選擇。

梅雪松教授團(tuán)隊(duì)的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目構(gòu)建了高速高精度電子軸控制理論和技術(shù)體系，開發(fā)了集同步、張力控制和缺陷檢測(cè)為一體的分布式電子軸控制系統(tǒng)；發(fā)明了熱風(fēng)能量循環(huán)利用的節(jié)能油墨干燥系統(tǒng)；提出了基于內(nèi)置傳感器和支持向量機(jī)的在線故障診斷方法，開發(fā)了制造商服務(wù)云與用戶自有云的兩層運(yùn)維管控平臺(tái)。

提氣！

解決高端包裝印刷裝備多個(gè)技術(shù)難題

“電子軸控制是印刷裝備中的關(guān)鍵核心技術(shù)，我們整個(gè)項(xiàng)目攻關(guān)的重點(diǎn)主要集中在三方面：一是提高印刷精度和準(zhǔn)確程度，二是解決油墨烘干技術(shù)難題，三是提供在線故障檢測(cè)和云服務(wù)?！泵费┧山淌诮榻B道。

梅雪松教授介紹電子軸控制系統(tǒng)的工作原理

印刷用的材料一般都是極薄的紙張和塑料薄膜。當(dāng)前世界各國(guó)對(duì)印刷與包裝行業(yè)節(jié)能減排要求日漸提高，綠色印刷與包裝已經(jīng)成為全球印刷業(yè)未來(lái)發(fā)展的主流。因此，印刷所用的紙張和塑料薄膜越來(lái)越薄，最薄的塑料薄膜還不到10微米，這就對(duì)印刷包裝設(shè)備提出了極高的技術(shù)要求。

電子軸傳動(dòng)印刷機(jī)具有速度高、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、柔性度好、能量消耗小、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。印刷品上出現(xiàn)的每種顏色都由一個(gè)電子軸控制，不同顏色按照不同比例“混搭”印刷后，才會(huì)形成我們所看到的五顏六色的印刷包裝品。

“印刷對(duì)數(shù)碼彩色圖像顏色深度的要求是8位，也就是說(shuō)，高端包裝印刷裝備一般至少有8個(gè)軸，顏色越豐富，所需要用到的電子軸就越多，如何讓每個(gè)電子軸既能完成自己的‘規(guī)定動(dòng)作’，還與其它電子軸實(shí)現(xiàn)‘無(wú)縫銜接’，多個(gè)電子軸同步協(xié)作，在線速度超過(guò)350米/分的高速運(yùn)動(dòng)情況下，最終在長(zhǎng)達(dá)100多米的塑料薄膜上保證0.1mm以內(nèi)的誤差才能印出一幅幅精美的圖案，這是高端包裝印刷裝備必須解決的問(wèn)題。否則印刷包裝設(shè)備，就會(huì)出現(xiàn)印刷圖案偏差會(huì)出現(xiàn)‘大花臉’、甚至模糊等問(wèn)題?！泵费┧烧f(shuō)。

梅雪松在實(shí)驗(yàn)室調(diào)控分布式電子軸控制系統(tǒng)

提高印刷精度和準(zhǔn)確程度

為了解決印刷精度的問(wèn)題，梅雪松教授團(tuán)隊(duì)從“測(cè)量+反饋”的角度，給不同電子軸的印刷圖案做標(biāo)記。通過(guò)測(cè)量軟件找出色組標(biāo)記，采取分布式控制的方法，每個(gè)電子軸的通信都以千兆的網(wǎng)絡(luò)為架構(gòu)，實(shí)時(shí)性達(dá)到1毫秒，可以保證每個(gè)軸的響應(yīng)速度；各個(gè)軸把自己的印刷精度和工藝管控好的同時(shí)，還可以用控制算法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜的張力變化，不管疊加多少個(gè)軸，印刷位置的精確度誤差都小于0.1毫米。

解決油墨烘干技術(shù)難題

油墨烘干也是保證印刷圖案清晰的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。印刷機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油墨烘干必須在經(jīng)過(guò)色組的極短時(shí)間內(nèi)完成，才能保證各個(gè)顏色“各歸其位”，不會(huì)出現(xiàn)暈染。梅雪松教授介紹，熱風(fēng)能量循環(huán)利用的節(jié)能油墨干燥系統(tǒng)，不僅可以在0.3秒內(nèi)烘干油墨，還能對(duì)油墨受熱后產(chǎn)生的余熱、異味、有機(jī)氣體等進(jìn)行及時(shí)回收，這對(duì)我國(guó)印刷包裝行業(yè)整體上降低碳排放、實(shí)現(xiàn)我國(guó)‘雙碳’目標(biāo)和食品藥品的安全包裝都有非常積極的意義。

提供在線故障檢測(cè)和云服務(wù)

云平臺(tái)助力調(diào)配油墨等運(yùn)維工作。調(diào)配油墨是彩印工藝中的一項(xiàng)重要工作，這項(xiàng)工作做得如何，直接關(guān)系到產(chǎn)品的印刷質(zhì)量。因?yàn)樯术r艷、光亮度好、色相準(zhǔn)確是彩印產(chǎn)品的基本要求，要達(dá)到這個(gè)要求首先必須準(zhǔn)確調(diào)配好各個(gè)色組的印刷油墨。以往，調(diào)配油墨這項(xiàng)工作都需要由經(jīng)驗(yàn)豐富的技師來(lái)完成，而且難度較高，調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)且浪費(fèi)大量的印材，有了云平臺(tái)后，就可以將調(diào)配油墨和設(shè)備等的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)存在云平臺(tái)，包裝印刷機(jī)械的用戶可以查詢使用，而且每臺(tái)機(jī)械都可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)工作印刷包裝設(shè)備，運(yùn)維工作可以由云平臺(tái)完成。

陶濤教授在實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

逆轉(zhuǎn)！

完成高端包裝印刷裝備的高度國(guó)產(chǎn)化

2007年以前，我國(guó)的高端包裝印刷裝備主要依賴從德國(guó)、瑞士、日本等國(guó)進(jìn)口。一臺(tái)進(jìn)口高端包裝印刷設(shè)備的價(jià)格為5000多萬(wàn)元，差不多是半架飛機(jī)的錢，價(jià)格之貴成為我國(guó)印包企業(yè)難以承受之重，導(dǎo)致低端設(shè)備充斥市場(chǎng)，印品質(zhì)量差、能耗高、污染大，包裝殘留超標(biāo)等重大食品安全事件也時(shí)有發(fā)生。

伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，我國(guó)對(duì)高端包裝印刷設(shè)備的需求越來(lái)越大。梅雪松說(shuō)：“拿能買半架飛機(jī)的錢買一臺(tái)印刷機(jī)，這個(gè)成本太高了，我們想降下來(lái)。”1993年起，梅雪松教授團(tuán)隊(duì)就致力于研發(fā)數(shù)控裝備運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的，與相關(guān)的行業(yè)頭部企業(yè)合作，開啟了高端包裝印刷裝備國(guó)產(chǎn)化的研發(fā)歷程。

“我們主要調(diào)整了裝備的硬件架構(gòu)。打比方來(lái)說(shuō)，以前的裝備是一個(gè)‘大腦’要控制8個(gè)電子軸，可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)遲滯、某個(gè)電子軸反應(yīng)‘慢半拍’等情況，現(xiàn)在拆分開來(lái)，各個(gè)電子軸由各自的‘大腦’來(lái)控制，多個(gè)電子軸之間以高速傳輸?shù)男盘?hào)保證連接，這樣就能確保它們既能完成同步協(xié)作，也可以各自調(diào)整自己負(fù)責(zé)的工藝。各個(gè)電子軸可以通過(guò)反饋回來(lái)的套準(zhǔn)誤差，及時(shí)調(diào)整自己的工藝參數(shù)，以便更精準(zhǔn)地完成印刷工作?！泵费┧烧f(shuō)。

此外，團(tuán)隊(duì)還針對(duì)烘箱的結(jié)構(gòu)、加熱溫度、風(fēng)速，能耗比率等因素開展了大量的實(shí)驗(yàn)，提出了基于內(nèi)置傳感器和支持向量機(jī)的在線故障診斷方法，每臺(tái)裝備都可以聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)制造商與企業(yè)用戶兩層運(yùn)維管控。

團(tuán)隊(duì)成員討論研發(fā)進(jìn)展

印刷包裝行業(yè)是我國(guó)開放較早的行業(yè)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，該行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模急速增長(zhǎng)。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，正是憑借過(guò)硬的技術(shù)水平，梅雪松教授團(tuán)隊(duì)研制的高端包裝印刷裝備受到了國(guó)內(nèi)外諸多用戶企業(yè)的青睞。

梅雪松教授團(tuán)隊(duì)研制了2類高端包裝印刷裝備，主要指標(biāo)處于國(guó)際同類產(chǎn)品領(lǐng)先水平，首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了高端包裝印刷裝備運(yùn)維過(guò)程的智能化管控，降低企業(yè)運(yùn)維成本40%以上。項(xiàng)目成果大幅提升了國(guó)產(chǎn)高端包裝印刷裝備的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，使國(guó)外產(chǎn)品在中國(guó)市場(chǎng)份額由95%降到10%以下，實(shí)現(xiàn)了出口大于進(jìn)口的逆轉(zhuǎn)。技術(shù)應(yīng)用單位被國(guó)家授予2019年國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新示范企業(yè)和首批“制造業(yè)單項(xiàng)冠軍培育企業(yè)”。引領(lǐng)了我國(guó)包裝印刷裝備行業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)包裝印刷用中國(guó)裝備的目標(biāo)。

“如今，印刷企業(yè)已告別了用5000萬(wàn)元買一臺(tái)印刷機(jī)的歷史，他們用五分之一的價(jià)格就可以買到國(guó)產(chǎn)高端包裝印刷設(shè)備。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)70%以上的高端包裝印刷產(chǎn)品都是采用我們的產(chǎn)品制造的。換句話說(shuō)，你在超市里見(jiàn)到的絕大多數(shù)物品的包裝印刷，均出自國(guó)產(chǎn)設(shè)備，可以說(shuō)，我們實(shí)現(xiàn)了‘中國(guó)造’要有中國(guó)‘印’的目標(biāo)！”梅雪松說(shuō)。

梅雪松教授團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)的智能生產(chǎn)系統(tǒng)

“

高端包裝印刷裝備屬于“復(fù)雜機(jī)電控制與高端包裝印刷”學(xué)科交叉的成果，“高速高精密運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)”是梅雪松教授所領(lǐng)銜創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的長(zhǎng)期主攻科研方向。下一步，由23位老師，近200位學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)致力于高速高精度運(yùn)動(dòng)控制與激光加工技術(shù)的深度結(jié)合，面向國(guó)家重大需求，開發(fā)針對(duì)重要行業(yè)領(lǐng)域的高端數(shù)控加工裝備及智能制造系統(tǒng)。

團(tuán)隊(duì)部分成員合影，從左至右依次為：

王海濤、施虎、陶濤、梅雪松、王寧濤、馮小兵

“機(jī)動(dòng)電是交大的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科，西遷前輩以身作則，教給我們求真務(wù)實(shí)的工作、科研作風(fēng)，以及對(duì)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖非蟆，F(xiàn)在，科技創(chuàng)新的重?fù)?dān)將會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移到年輕一代的肩上，我相信，他們將傳承西遷精神，將科技創(chuàng)新工作做得更好！”梅雪松說(shuō)。

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