高端印刷装备分布式电子轴控制系统
11月3日，由西安交通大学梅雪松教授、陶涛教授、赵飞研究员率领团队研发的高端包装印刷装备关键技术及系列产品开发荣获2020年度国家科学技术进步奖二等奖。
国家科技进步奖授予在技术研究、技术开发、技术创新、先进科技成果推广应用过程中做出创造性贡献的中国公民和组织，推进高新技术产业化，完成重大科技项目和计划。
高端包装印刷装备是高精度和绿色环保印刷的核心装备，在商品流通、追溯等市场经济中发挥着不可或缺的作用。据统计，我国食品、药品、日用品等对印刷残留物有严格要求的高端包装印刷业总产值已接近万亿元。特别是近年来互联网技术带来的智能包装产品的大量应用，迫切需求高保真和环保的高端包装印刷装备。同时，由于印刷过程高耗能、产生有害VOCs气体、包装废料污染环境，特别是食品药品等包装印刷关系到人的健康安全，使得包装印刷被国家列入食品监管、高污染防治等重点监控行业。因此，自主研发高端包装印刷装备是掌握国家经济发展和人民生命健康主动权的必然选择。梅雪松教授团队的获奖项目构建了高速高精度电子轴控制理论和技术体系，开发了集同步、张力控制和缺陷检测为一体的分布式电子轴控制系统；发明了热风能量循环利用的节能油墨干燥系统；提出了基于内置传感器和支持向量机的在线故障诊断方法，开发了制造商服务云与用户自有云的两层运维管控平台。
解决了高端包装印刷装备多个技术难题
梅雪松介绍电子轴控制系统的工作原理
梅雪松说：“电子轴控制是印刷装备中的关键核心技术，我们整个项目攻关的重点主要集中在三方面，一是提高印刷精度和准确程度，二是解决油墨烘干技术难题，三是提供在线故障检测和云服务。”
印刷用的材料一般都是极薄的纸张和塑料薄膜。当前世界各国对印刷与包装行业节能减排要求日渐提高，绿色印刷与包装已经成为全球印刷业未来发展的主流。因此，印刷所用的纸张和塑料薄膜越来越薄，最薄的塑料薄膜还不到10微米，这就对印刷包装设备提出了极高的技术要求。
电子轴传动印刷机具有速度高、精度高、结构简单、柔性度好、能量消耗小、抗干扰能力强等诸多优点。印刷品上出现的每种颜色都由一个电子轴控制，不同颜色按照不同比例“混搭”印刷后，才会形成我们所看到的五颜六色的印刷包装品。“印刷对数码彩色图像颜色深度的要求是8位，也就是说，高端包装印刷装备一般至少有8个轴，颜色越丰富，所需要用到的电子轴就越多，如何让每个电子轴既能完成自己的‘规定动作’，还与其它电子轴实现‘无缝衔接’，多个电子轴同步协作，在线速度超过350米/分的高速运动情况下，最终在长达100多米的塑料薄膜上保证0.1mm以内的误差才能印出一幅幅精美的图案，这是高端包装印刷装备必须解决的问题，否则，就会出现印刷图案偏差会出现‘大花脸’、甚至模糊等问题。”梅雪松说。
梅雪松在实验室调控分布式电子轴控制系统
为了解决印刷精度的问题，梅雪松教授团队从“测量+反馈”的角度，给不同电子轴的印刷图案做标记，通过测量软件找出色组标记，采取分布式控制的方法，每个电子轴的通信都以千兆的网络为架构，实时性达到一个毫秒，可以保证每个轴的响应速度；各个轴把自己的印刷精度和工艺管控好的同时，还可以用控制算法实时监测薄膜的张力变化，不管叠加多少个轴，印刷位置的精确度误差都小于0.1毫米。
油墨烘干也是保证印刷图案清晰的关键环节。印刷机高速运转时，油墨烘干必须在经过色组的极短时间内完成，才能保证各个颜色“各归其位”，不会出现晕染。梅雪松介绍，热风能量循环利用的节能油墨干燥系统，不仅可以在0.3毫秒内烘干油墨，还能对油墨受热后产生的余热、异味、有机气体等进行及时回收，这对我国印刷包装行业整体上降低碳排放、实现我国“双碳”目标和食品药品的安全包装都有非常积极的意义。
陶涛在实验室监测数据
调配油墨是彩印工艺中的一项重要工作，这项工作做得如何，直接关系到产品的印刷质量。因为色彩鲜艳、光亮度好、色相准确是彩印产品的基本要求，要达到这个要求首先必须准确调配好各个色组的印刷油墨。以往，调配油墨这项工作都需要由经验丰富的技师来完成，而且难度较高，调试时间长且浪费大量的印材，有了云平台后，就可以将调配油墨和设备等的专业知识储存在云平台，包装印刷机械的用户可以查询使用，而且每台机械都可以实现联网工作，运维工作可以由云平台完成。
完成了高端包装印刷装备的高度国产化
2007年以前，我国的高端包装印刷装备主要依赖从德国、瑞士、日本等国进口。一台进口高端包装印刷设备的价格大约5000多万，差不多是半架飞机的钱，价格之贵成为我国印包企业难以承受之重，导致低端设备充斥市场，印品质量差、能耗高、污染大，而且，包装残留超标等重大食品安全事件时有发生。伴随着经济的发展和社会进步，我国对高端包装印刷设备的需求越来越大。梅雪松说：“拿能买半架飞机的钱买一台印刷机，这个成本太高了，我们想降下来。”1993年起就致力于研发数控装备运动控制技术的梅雪松教授团队，与相关的行业头部企业合作，开启了高端包装印刷装备国产化的研发历程。
“我们主要调整了装备的硬件架构。打比方来说，以前的装备是一个‘大脑’要控制8个电子轴，可能会出现信号迟滞、某个电子轴反应‘慢半拍’等情况，现在拆分开来，各个电子轴由各自的‘大脑’来控制，多个电子轴之间以高速传输的信号保证连接，这样就能确保它们既能完成同步协作，也可以各自调整自己负责的工艺。各个电子轴可以通过反馈回来的套准误差，及时调整自己的工艺参数，以便更精准地完成印刷工作。”梅雪松说。
此外，团队还针对烘箱的结构、加热温度、风速，能耗比率等因素开展了大量的实验，提出了基于内置传感器和支持向量机的在线故障诊断方法，每台装备都可以联网，实现制造商与企业用户两层运维管控。
印刷包装行业是我国开放较早的行业，随着经济社会发展，该行业的市场规模急速增长。在激烈的市场竞争环境下，正是凭借过硬的技术水平，梅雪松教授团队研制的高端包装印刷装备受到了国内外诸多用户企业的青睐。
团队成员讨论研发进展
梅雪松教授团队研制了2类高端包装印刷装备，主要指标处于国际同类产品领先水平，首次在国际上实现了高端包装印刷装备运维过程的智能化管控，降低企业运维成本40%以上。项目成果大幅提升了国产高端包装印刷装备的市场竞争力，使国外产品在中国市场份额由95%降到10%以下，实现了出口大于进口的逆转。技术应用单位被国家授予2019年国家技术创新示范企业和首批“制造业单项冠军培育企业”。引领了我国包装印刷装备行业的发展，实现了中国包装印刷用中国装备的目标。
“如今，印刷企业已告别了用5000万买一台印刷机的历史，他们用五分之一的价格就可以买到国产高端包装印刷设备。据粗略统计，国内70%以上的高端包装印刷产品都是采用我们的产品制造的。换句话说，你在超市里见到的绝大多数物品的包装印刷，均出自国产设备，可以说，我们实现了‘中国造’要有‘中国印’的目标。”梅雪松说。
梅雪松教授团队正在研发的智能生产系统
高端包装印刷装备属于“复杂机电控制与高端包装印刷”学科交叉的成果，“高速高精密运动控制技术”是梅雪松教授所领衔创新团队的长期主攻科研方向。下一步，由23位老师，近200位学生组成的团队将继续致力于高速高精度运动控制与激光加工技术的深度结合，面向国家重大需求，开发针对重要行业领域的高端数控加工装备及智能制造系统。
团队部分成员合影，从左至右依次为：王海涛、施虎、陶涛、梅雪松、王宁涛、冯小兵
“机动电是学校的传统优势学科，西迁前辈以身作则，教给我们求真务实的工作、科研作风，以及对科学严谨的追求。现在，科技创新的重担将会逐渐转移到年轻一代的肩上，我相信，他们将传承西迁精神，将科技创新工作做得更好！”梅雪松说。