團隊成員在討論研發(fā)進(jìn)展。西安交通大學(xué)供圖

在購買(mǎi)商品的時(shí)候，你是不是也會(huì )被其精美的包裝印刷吸引？你是否想過(guò)，這些精美的包裝印刷產(chǎn)品背后也有著(zhù)科研人員長(cháng)期的堅持和努力？

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、追溯等環(huán)節中發(fā)揮著(zhù)不可或缺的作用。曾經(jīng)很長(cháng)一段時(shí)間，我國高端包裝印刷裝備全部依賴(lài)進(jìn)口。西安交通大學(xué)梅雪松教授、陶濤教授、趙飛研究員率領(lǐng)團隊解決了高端包裝印刷裝備的多個(gè)技術(shù)難題，實(shí)現了我國高端包裝印刷裝備的高度國產(chǎn)化，使“中國造”有了“中國印”。

11月3日，該團隊完成的“高端包裝印刷裝備關(guān)鍵技術(shù)及系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”項目榮獲2020年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎。

面向需求

自主研發(fā)高端包裝印刷裝備是面向經(jīng)濟主戰場(chǎng)、面向人民生命健康的必然選擇。

據統計，我國食品、藥品、日用品等對印刷殘留物有嚴格要求的高端包裝印刷業(yè)總產(chǎn)值已接近萬(wàn)億元，市場(chǎng)對高端包裝印刷裝備有著(zhù)迫切需求。由于印刷會(huì )產(chǎn)生高耗能、有害氣體、包裝廢料，食品藥品等包裝印刷更是事關(guān)生命健康安全，包裝印刷被國家列入食品監管、高污染防治等重點(diǎn)監控行業(yè)。

面向經(jīng)濟主戰場(chǎng)、面向人民生命健康，梅雪松教授、陶濤教授、趙飛研究員率領(lǐng)團隊持續多年攻關(guān)，完成了“高端包裝印刷裝備關(guān)鍵技術(shù)及系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”項目。該項目解決了高端包裝印刷裝備的多個(gè)技術(shù)難題，構建了高速高精度電子軸控制理論和技術(shù)體系，開(kāi)發(fā)了集同步、張力控制和缺陷檢測為一體的分布式電子軸控制系統，發(fā)明了熱風(fēng)能量循環(huán)利用的節能油墨干燥系統，提出了基于內置傳感器和支持向量機的在線(xiàn)故障診斷方法，開(kāi)發(fā)了制造商服務(wù)云與用戶(hù)自有云的兩層運維管控平臺。

截至目前，該團隊研制了2類(lèi)高端包裝印刷裝備，主要指標處于國際同類(lèi)產(chǎn)品領(lǐng)先水平，首次在國際上實(shí)現了高端包裝印刷裝備運維過(guò)程的智能化管控，降低企業(yè)運維成本達40%以上。

項目成果大幅提升了國產(chǎn)高端包裝印刷裝備的市場(chǎng)競爭力，使國外同類(lèi)產(chǎn)品在中國市場(chǎng)的份額由95%降到10%以下，實(shí)現了出口大于進(jìn)口的逆轉。該項目成果技術(shù)應用單位被國家授予2019年國家技術(shù)創(chuàng )新示范企業(yè)和首批“制造業(yè)單項冠軍培育企業(yè)”，引領(lǐng)了我國包裝印刷裝備行業(yè)的發(fā)展，實(shí)現了中國包裝印刷用中國裝備的目標。

攻克難關(guān)

梅雪松教授介紹：“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)項目的攻關(guān)重點(diǎn)主要集中在三方面，一是提高印刷精度和準確程度，二是解決油墨烘干技術(shù)難題，三是提供在線(xiàn)故障檢測和云服務(wù)?！?/p>

印刷用的材料一般都是極薄的紙張和塑料薄膜。當前，世界各國對包裝印刷行業(yè)的節能減排要求日漸提高，綠色包裝印刷已經(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，最薄的塑料薄膜甚至不足10微米，這就對包裝印刷裝備提出了極高的技術(shù)要求。

電子軸傳動(dòng)印刷機具有速度高、精度高、結構簡(jiǎn)單、柔性度好、能量消耗小、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點(diǎn)。印刷品上出現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 )形成五顏六色的包裝印刷品。

“印刷對數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根軸，顏色越豐富，所需要用到的電子軸就越多。如何讓每根電子軸既能完成自己的‘規定動(dòng)作’，還與其他電子軸實(shí)現‘無(wú)縫銜接’，實(shí)現多根電子軸同步協(xié)作，是高端包裝印刷裝備必須解決的問(wèn)題?！泵费┧山榻B，要讓設備印出一幅幅精美的圖案，就要使電子軸在在線(xiàn)速度超過(guò)每分鐘350米的情況下，在長(cháng)達100多米的塑料薄膜上將誤差控制在0.1毫米以?xún)?，否則就會(huì )出現印刷圖案偏差，導致“大花臉”，甚至模糊等問(wèn)題。

為了解決印刷精度問(wèn)題，該團隊從“測量+反饋”的角度，給不同電子軸的印刷圖案做標記，通過(guò)測量軟件找出色組標記，采取分布式控制的方法，每根電子軸的通信都以千兆的網(wǎng)絡(luò )為架構，實(shí)時(shí)性達到1毫秒，可以保證每根電子軸的響應速度；每根電子軸在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)監測薄膜的張力變化，不管疊加多少根電子軸，印刷位置的精確度誤差都小于0.1毫米。

油墨烘干也是保證印刷圖案清晰的關(guān)鍵環(huán)節。印刷機高速運轉時(shí)，油墨烘干必須在經(jīng)過(guò)色組的極短時(shí)間內完成，才能保證各個(gè)顏色“各歸其位”。梅雪松介紹，熱風(fēng)能量循環(huán)利用的節能油墨干燥系統，不僅可以在0.3毫秒內烘干油墨，還能對油墨受熱后產(chǎn)生的余熱、異味、有機氣體等進(jìn)行及時(shí)回收，這對我國印刷包裝行業(yè)從整體上降低碳排放，實(shí)現我國“雙碳”目標和食品藥品的安全包裝都有非常積極的意義。

調配油墨是彩印工藝中的一項重要工作，直接關(guān)系到產(chǎn)品的印刷質(zhì)量。色彩鮮艷、光亮度好、色相準確是彩印產(chǎn)品的基本要求。要達到這個(gè)要求，首先必須準確調配好各個(gè)色組的印刷油墨。以往，調配油墨這項工作都需要由經(jīng)驗豐富的技師來(lái)完成，而且難度較高、調試時(shí)間長(cháng)，且浪費大量的印材。有了云平臺后，可以將調配油墨和設備等專(zhuān)業(yè)知識儲存在云平臺，供包裝印刷機械的用戶(hù)查詢(xún)使用。而且，每臺機械都可以實(shí)現聯(lián)網(wǎng)工作，運維工作由云平臺完成。

邁向高端

2007年以前，我國的高端包裝印刷裝備主要依賴(lài)從德國、瑞士、日本等國家進(jìn)口。一臺進(jìn)口高端包裝印刷裝備的價(jià)格約為5000余萬(wàn)元，導致低端設備充斥市場(chǎng)，印品質(zhì)量差、能耗高、污染大。

伴隨著(zhù)經(jīng)濟發(fā)展和社會(huì )進(jìn)步，我國對高端包裝印刷裝備的需求越來(lái)越大。梅雪松說(shuō)：“拿能買(mǎi)半架飛機的錢(qián)去買(mǎi)一臺印刷機，這個(gè)成本太高了，我們想降下來(lái)?！?/p>

1993年開(kāi)始，梅雪松教授團隊致力于研發(fā)數控裝備運動(dòng)控制技術(shù)，與相關(guān)的行業(yè)頭部企業(yè)合作，開(kāi)始了高端包裝印刷裝備國產(chǎn)化的研發(fā)歷程。

“我們主要調整了裝備的硬件架構。打比方說(shuō)，以前的裝備是一個(gè)‘大腦’要控制8根電子軸，可能會(huì )出現信號遲滯、某根電子軸反應‘慢半拍’等情況?，F在拆分開(kāi)來(lái)，各電子軸由各自的‘大腦’來(lái)控制，多根電子軸之間以高速傳輸的信號保證連接，這樣就能確保它們既能完成同步協(xié)作，也可以各自調整自己負責的工藝。各電子軸可以通過(guò)反饋回來(lái)的套準誤差，及時(shí)調整自己的工藝參數，以便更精準地完成印刷工作?！泵费┧烧f(shuō)。

此外，團隊還針對烘箱的結構、加熱溫度、風(fēng)速、能耗比率等因素開(kāi)展了大量的實(shí)驗，提出了基于內置傳感器和支持向量機的在線(xiàn)故障診斷方法，每臺裝備都可以聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現制造商與企業(yè)用戶(hù)的雙重運維管控。

在激烈的市場(chǎng)競爭環(huán)境下，正是憑借過(guò)硬的技術(shù)水平，該團隊研制的高端包裝印刷裝備受到了國內外諸多企業(yè)用戶(hù)的青睞。

“如今，印刷企業(yè)已告別了用5000萬(wàn)元買(mǎi)一臺印刷機的歷史，他們用五分之一的價(jià)格就可以買(mǎi)到國產(chǎn)高端包裝印刷裝備。據粗略統計，國內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(huà)說(shuō)，你在超市里見(jiàn)到的絕大多數物品的包裝印刷，均出自國產(chǎn)裝備。我們實(shí)現了‘中國造’要有‘中國印’的目標！”梅雪松說(shuō)。

高端包裝印刷裝備屬于“運動(dòng)控制”領(lǐng)域，“運動(dòng)控制”是梅雪松教授領(lǐng)銜的創(chuàng )新團隊的長(cháng)期主攻科研方向?！拔覀儗⒗^續致力于高速高精度運動(dòng)控制裝備的研發(fā)，面向國家重大需求，開(kāi)發(fā)針對重要行業(yè)領(lǐng)域的高端數控機床及智能制造系統?！泵费┧杀硎?。（通訊員 李莉 記者 張梅）