颠覆式创新-漫谈贝加莱印刷控制技术

哈佛教授Clayton Kristensen在1997年一部著作中首次提出了颠覆式创新（Disruptive Innovation）这一概念。但是，与我们直观的理解不同在于，颠覆式创新并非完全是0->1的变革，Kristensen从用户导向的视角对其特点进行总结为“更简单、更便利、更便宜”，并且，颠覆式创新也并非完全是竞争性的，它可能是对原有市场的弥补，也可以发生在一个企业内部的不同业务部门。

图1-Calyton Kristensen提出颠覆式创新

（图片来源于网络）

当然，颠覆性创新是一种在科学的发散中寻找可能性，但又需要借助于工程（Engineering）的收敛中来逐步落地，才能真正将颠覆性创新落地到为用户带来真正的价值，进而赢得市场。贝加莱作为机器智能领域的全球技术领先企业，一直专注于与业界标杆性企业合作，开创性的提供机器的创新方案。今天我们简单聊聊在印刷工业，我们的合作伙伴们一起开创的颠覆性技术应用。

图2-贝加莱控制技术覆盖印刷机械各个机型

贝加莱印刷控制技术如图2所示，涵盖了印刷的各种机型及联线生产系统，并且，借助于贝加莱在传统领域的张力控制技术、温度控制、裁切等技术，扩展到数字印刷领域。

从专用套色到集成套色的变革

在上世纪90年代，像凹版、柔版这类卷筒纸印刷就开始从“机械轴”迈向“电子轴”传动的时代，这种从机械到机电融合的方式带来了机器更高精度、更低的维护成本，以及更高速的响应能力，这相对于纯机械蜗轮蜗杆的传动而言，是一个巨大的进步,如图3为凹版印刷机械结构。

为了实现这种电子轴，在这个领域，过去通常需要两套系统，一套伺服传动控制和一套专用的套色系统。通常套色系统需要检测印刷偏差，并计算出调节量反馈给传动系统，传统上印刷套色系统非常昂贵，每一色组的价格高达数千美元。由于卷筒纸连续印刷过程中，纸张或薄膜经过压印、烘干后，纸张会产生变形，这种变形会给套印带来复杂性，因为人的肉眼分辨的界限在0.1mm，因此，必须达到这个精度才能合格。

图3-凹版印刷机组结构图

但是，由于纸张是连续的，任何的版的调整都会影响其他颜色，而且由于材料张力、机器速度、加速度、温度等都与偏差及其调整紧密相关，这种紧密的耦合关系使得解耦算法成为系统的关键。

贝加莱借助于可编程计算机控制器的强大算法处理能力，以及实时以太网的高速传输能力，开创性的在伺服驱动器上直接插入色标检测卡，并本地处理偏差，通过高速实时以太网POWERLINK给控制器，运行套色算法，并解耦出偏差调整量给伺服轴，这一集成套色架构，省略了专用套色系统，因此大幅降低了系统的整体成本。

图4-凹版印刷无轴传动系统

早在2003年，贝加莱即与凹版印刷领域的国内龙头企业陕西北人开始合作，通过这种颠覆式的集成套色印刷技术，在各种材料（纸张/薄膜）、速度、加速度下的测试验证，终于形成了集成套色的解决方案，并稳定运行，印刷速度已经从早期220m/min达到今天的550m/min的性能，如图4。

集成套色不仅可以应用于凹版无轴传动机组，也同样适用于窄幅机组式柔版、轮转胶印标签印刷机组等各种卷筒纸连续印刷机器。

直接驱动技术

对于机械传动而言，为了降低机械复杂性，采用直接驱动的方式也是非常重要的一个发展趋势。首先，它消除了传统减速箱的背隙带来的偏差，其次，采用直接连接提高了传动系统刚性，能够获得更好的动态响应能力。直接驱动通常采用扭矩电机，如图5，这种电机的显著特征是“低速大扭矩”，但这种类型电机会存在一种被称为“齿槽效应”的问题，即，当电机转子经过每个定子线圈的时候，对于高速电机，转子的惯性可以冲破齿槽的磁场变化，但是，低速电机就会受到这个变化的磁场影响，进而产生抖动。

图5-直驱电机

图6-采用直接驱动技术的W&H凹版印刷机组

这种齿槽效应引发的抖动会给像印刷机械这样需要高精度传动的设备带来影响，为了解决这个问题，贝加莱的ACOPOS伺服系统提供了“齿槽间隙补偿”功能，通过该项秘密武器，可以消除齿槽效应带来的抖动，进而使得印刷的质量得到保障。例如，在德国知名印刷机械厂商W&H的高达16色的印刷系统中，如图6，直驱技术使得机械结构更简单，版辊更换与维护也更为便利，这都得益于高质量的技术保障。

数字印刷技术

数字印刷，是典型的跨界技术融合的典范，带来了印刷技术的巨大变革，它将传统的卷筒纸印刷的张力控制、直接驱动技术与数字印刷的喷墨技术相融合，以一种颠覆式的生产方式来改变印刷工业对于“个性化”生产的需求，又可以达到大规模生产所需的速度，进而实现“大规模定制”。不仅如此，在贝加莱的合作用户中，还有很多开创性的，将传统印刷与数字印刷融合带来的创新。

早在2010年左右，贝加莱即与HP展开数字印刷领域的合作，包括Indigo 单张数字印刷系列以及T系列卷筒纸连续印刷机型的合作，如图7。

图7-HP T系列卷筒纸数字印刷

对于HP T系列的印刷机而言，贝加莱提供了直接驱动技术，它可以提供3微米的定位精度，以满足数字印刷高品质的需求，以及为高速印刷所提供的收放卷张力控制技术。这使得该型机器印刷速度可以达到彩色183m/min或单色244m/min的惊人速度。当然，数字印刷还可以直接与印后装订单元结合，并形成个性化的书刊装订，为消费者提供个性化的服务。

图8-Krones的数字印刷与灌装同步

在饮料灌装领域，Krones是全球顶级厂商，除了在灌装领域的合作，Krones还通过与贝加莱及数字印刷技术厂商共同合作，为用户提供联线数字印刷系统，如图8，它可以在线更换标签，将数字印刷与传统贴标技术融合，带来全新的贴标能力，通过6-18个喷墨头，提供所需的色彩组合，UV固化，这样的单元可以达到12000/小时的容器生产。

这是一个典型的颠覆式创新应用场景，因为它使得印刷的标签完全可以按照个性化的需求来实现打印与贴标，但是，其技术又来源于数字技术，以及传统贴标控制技术。

图9-Gallus数字联线印刷机

Gallus是柔版印刷领域全球知名的厂商，与贝加莱有着悠久合作历史，在很多产品的印刷中，在基本的印刷色彩之上，还需要一些个性化的部分，在原有的机器上，增加数字印刷单元，如图9，将原有的印刷叠加更为个性化的部分，例如打码、标识、个性化定制的标签内容，Gallus的数字连线标签印刷可以达到1200dpi的印刷精度。

跨界融合带来颠覆式创新

综上所述，跨界融合为颠覆式创新带来了机遇，颠覆式创新必然是用户需求导向，能够为用户带来更为便利的机器生产、更经济的系统、更简单的机器。当然，颠覆式创新必须与工程落地相互结合，贝加莱提供的技术如套色、张力控制、直接驱动技术都为这些机器的开发带来风险的降低，采用成熟的技术，跨界融合，是颠覆式创新的逻辑道路。

关于贝加莱

贝加莱是一家总部位于奥地利并在全球拥有分公司的创新型自动化企业。2017年7月，贝加莱成为ABB集团的机械自动化事业部。作为工业自动化领域的全球领导者，贝加莱将前沿技术与领先工程相结合，为几乎每个行业的客户提供面向机器与工厂自动化、运动控制、HMI和集成安全技术的完整解决方案。借助于OPC UA、POWERLINK、openSAFETY等工业物联网通信标准，以及强大的Automation Studio软件开发平台，贝加莱不断重新定义自动化工程的未来。受简化流程和超出客户预期的承诺驱动，贝加莱始终保持创新精神并处于工业自动化领域的前沿。

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