2026年10月13日，在"技术创新 绿色赋能"柔印技术交流会上，Maplesoft 受邀分享了《数字化样机技术在柔印设备研发中的应用前景》。感谢中国印刷技术协会柔印分会提供这次与行业深入交流的机会。会后，我们也与中国印刷技术协会柔印分会顾问蔡成基专家围绕柔印设备研发、材料形变、张力控制、套准以及数学建模等问题进行了深入讨论。
在这次会议上，Maplesoft 重点介绍了数字化样机和虚拟调试在柔印行业中的两类应用场景：一类面向柔印设备开发商 ，用于设备设计、性能验证、参数优化以及控制系统调试；另一类面向柔印设备使用方，用于现有设备面对新材料、新速度、新订单和更高印刷质量要求时，减少真实设备上的反复试验，更快找到稳定生产参数。
柔印行业正在同时面对多方面变化。客户对生产效率的要求不断提高，设备运行速度越来越快；对套准、稳定性等印刷质量的要求越来越高；与此同时，更薄薄膜、PCR 再生材料、纸基材料以及其他新材料不断进入实际生产。不同材料在厚度、弹性、刚度、摩擦系数等方面存在差异，原来已经调好的生产参数，换一种材料以后未必还能直接使用。
因此，无论是开发一台新设备，还是在现有设备上导入一种新材料，本质上都面临同一个问题：怎样更快找到设备在新工况下稳定、可控的运行状态，而不是一直依赖真实设备反复试错。
速度、质量和材料变化，都在扩大设备的工作区间
提高生产速度，是提升设备效率最直接的方式之一。但从设备研发和实际生产角度看，速度提高并不是简单地让电机转得更快。一台设备在低速状态下能够正常工作，并不意味着进入高速以后依然能够保持稳定。
对于柔印设备来说，在启动、提速、高速运行以及减速过程中，都需要同时关注张力、驱动、卷材状态以及套印质量。低速正常，并不代表高速一定稳定。
另一方面，柔印设备的自动化程度也在不断提高。自动套准、自动调节、闭环控制、在线检测、数据采集和远程诊断等功能越来越多，机械系统与控制系统之间的联系也越来越紧密。设备最终的运行效果，已经越来越不是某一个机械部件或某一个控制器单独决定，而是机械、驱动和控制共同作用的结果。
对于设备开发商来说，这意味着一台新设备需要覆盖更多材料、更高速度和更多控制工况；对于设备使用方来说，则意味着每当更换材料、提高速度或者提升质量要求时，都可能需要重新寻找合适的运行参数。
速度在变、材料在变、质量要求在变，设备需要覆盖的工作区间也在不断扩大。
为什么很多验证仍然要在真实设备上反复进行
目前，无论是设备研发还是新材料导入，很多验证仍然高度依赖真实设备。
对于设备开发商来说，设备往往需要完成设计和制造以后，才能真正通过换材料、提速度、调参数来观察系统表现。某个速度段张力不稳定、某种材料下运行状态发生变化，或者机械设计与控制参数不匹配，往往要到真机运行阶段才充分暴露。发现问题以后，再调整参数、修改设计，然后重新测试。
对于设备使用方来说，情况其实非常相似。设备已经投入生产，但每当导入一种新薄膜、新纸张或者新的工艺条件时，都需要重新试印。工程师和操作人员根据实际运行结果调整张力、速度和控制参数，再观察印刷质量，直到设备重新进入稳定生产状态。
真实设备测试当然不能取消，最终产品一定需要经过真实工况验证。但真正值得考虑的是：是不是所有参数都必须从真机上从头开始试？是不是所有设计问题都必须等设备制造完成以后才发现？
数字化样机希望解决的，正是这部分探索性的反复试错。
数字化样机：先在电脑里把设备 " 开一遍 "
如果用比较直观的方式理解数字化样机，就是在真正生产、真正上机之前，先在电脑里把设备"开一遍"。
这里并不是简单建立一个三维动画，而是建立一台按照物理规律的数字化模型，可以模拟实际生产设备以及材料的真实特性。
对于设备开发商来说，可以利用数字化样机提前验证不同机械设计、运行速度、驱动方案和控制参数；对于设备使用方来说，则可以在真正投入大量实际材料试印之前，先把新材料的相关参数加入模型，观察材料变化以后张力、速度以及整个系统的动态响应。
这样做并不是为了完全替代真实试验，而是希望提前筛掉明显不合适的方案，缩小最终需要在真机上验证的范围。
因此，数字化样机可以提前参与的工作包括换材料、改速度、改设计和调参数。设备开发阶段，可以把一部分"现场试错"提前为"研发验证"；设备使用阶段，则可以把一部分"上机摸索"提前为"虚拟预调试"。
MapleSim 如何建立柔印设备的数字化样机
MapleSim 是 Maplesoft 的多领域系统级仿真平台，可以将机械、驱动、控制以及相关物理系统放在同一个模型中，建立整机动态模型。
柔印设备本身就包含典型的连续卷材系统。材料从放卷开始，经过导辊、驱动机构、张力调节机构和印刷单元，最后完成收卷。整个过程中，设备运行状态和材料特性始终相互影响。
针对这样的系统，可以建立放卷、收卷、材料属性、张力和速度、辊筒惯量和偏心、打滑与阻力，以及驱动和反馈控制等模型。实际建模时，还可以按照真实设备结构建立放卷辊、放卷电机、张力调节辊、进料系统、张力传感器、收卷系统以及相应的控制关系。
这样一来，模型中同时包含了材料、速度、张力、辊筒、驱动和控制。当某一个条件发生变化以后，就可以观察这种变化怎样传递到整个系统，而不再只是单独分析某一个部件。
为什么换一种材料，设备状态可能就不一样了
对设备使用方来说，导入新材料并不是简单地"换一卷料"。
连续卷材系统中的张力，本身就是随着材料运动和设备状态不断变化的。在模型中，需要建立材料速度、应变和张力之间的关系，而材料自身的弹性模量、泊松比等特性，会直接影响材料受到拉伸以后的响应。
这意味着即使机械结构和控制系统完全没有变化，仅仅换了一种材料，设备的动态表现也可能已经不同。
与此同时，辊筒的转动惯量、驱动扭矩、角速度和角加速度，同样会参与整个动态过程。真实设备中还可能存在辊筒偏心、材料与辊筒之间打滑等情况，这些因素都会进一步影响卷材的速度和张力。
因此，新材料导入以后需要重新调整参数，并不只是因为"以前的经验不能用了"，而是因为材料 --- 辊筒 --- 驱动 --- 控制这一整套动态关系已经发生变化。
MapleSim 将这些物理方程封装在工程组件中。工程师按照实际设备搭建卷材、辊筒、电机、驱动和传感器，软件负责完成背后方程的组合和数值求解，最终得到不同位置的张力、速度以及动态响应。
对于设备开发商，这些结果可以用于设计优化；对于设备使用方，则可以帮助理解新材料导入以后哪些参数变化最值得优先关注，而不是完全依靠真机反复尝试。
新材料还会受到温度、湿度和印刷过程的影响
柔印过程中，材料本身也不是始终保持不变。
例如薄膜在干燥和固化过程中受到温度影响，可能产生热膨胀或收缩，从而导致张力波动；纸张上墨以后可能吸湿，随后在烘干过程中又会脱水，材料长度和宽度发生变化，最终可能进一步影响张力和套准。
这里形成的是一条非常直接的关系：
材料形变 → 张力变化 → 套准偏差
这也是为什么一些新材料即使基本尺寸相近，实际进入设备以后仍可能表现出完全不同的运行状态。
对于这类问题，MapleSim 可以负责运动学和动力学建模，并通过弹性模量、泊松比、非线性应力---应变关系以及阻尼等参数描述材料力学特性。温度、湿度对材料物性的进一步影响，则可以来自有限元分析或者实际测试实验。
将这些数据输入系统模型以后，就可以进一步把材料形变和设备运行状态结合起来，从单纯的动力学分析向热 --- 湿 --- 力耦合扩展。
这条技术路线的意义在于，逐步把：
材料形变规律 → 数学模型 → 仿真验证 → 工程应用
连接起来。
对于设备开发商，可以帮助设备覆盖更多类型的材料和生产工况；对于设备使用方，则可以减少每遇到一种新材料就完全依靠现场经验重新摸索参数的过程。
从数字化样机进一步走向虚拟调试
数字化样机建立以后，还可以进一步用于虚拟调试。
对于设备开发商来说，当模型逐渐成熟以后，可以把它与真实的自动化控制环境连接。PLC 或其他控制程序可以先控制电脑中的虚拟设备，而不是等设备制造完成以后再直接连接真实机器。
这样就可以提前检查控制逻辑是否正确、机械系统与控制策略是否匹配，以及部分控制参数是否合理。也就是说，真实设备尚未准备好，部分控制程序已经可以开始测试。
对设备使用方，同样可以沿用这种"先虚拟、后实机"的思路。面对新材料、新速度或者新的生产要求时，先利用经过实际设备数据验证的数字模型进行参数筛选，再把筛选后的方案带到真实设备上进行最终确认。
这样，数字化样机给企业带来的就不仅仅是一个分析模型，而是一个可以反复测试的虚拟环境。经过验证的模型，还可以继续用于设备升级、新材料导入、控制程序开发以及后续参数优化。
数字模型真正有价值，必须结合行业经验和真实数据
数字化样机并不是单靠一套软件就能够完成的。
柔印设备企业和设备使用方掌握着非常重要的设备经验、工艺经验、材料应用经验以及实际运行数据；Maplesoft 能够提供的是数学计算、工程建模和系统仿真能力。
真正有价值的数字化样机，需要把这些能力结合起来。一方面，行业经验决定模型应该解决什么问题、哪些参数最值得关注、什么样的结果才真正有工程意义；另一方面，数学建模和系统仿真可以把这些问题转化成可以计算和验证的模型。
特别是在新材料应用中，没有真实材料数据，很难准确描述材料在不同速度、温度、湿度和张力状态下的变化；没有真实设备数据，也很难判断模型与实际运行之间的差距。
因此，真正的数字化并不是"建立一个漂亮模型"，而是逐步把设备数据、材料数据和工程经验沉淀成可以反复使用的研发和生产工具。
实际案例：用真实设备数据建立可信模型
演讲中介绍的第一个案例来自一家大型国际印刷设备制造商。
设备中存在高速往复的材料缓存机构，当机构不断加速和减速时，卷材会出现明显的张力波动。工程师首先采集实际设备运行数据，再在 MapleSim 中建立系统模型，并不断对比实机数据和仿真结果，对模型进行标定。
当数字模型能够较好复现真实设备的动态状态以后，就可以在模型中修改设备设计参数和控制参数，研究不同方案对张力波动的影响。
这样，研发过程就从：
每个方案都直接在真机上试
转变成：
先用实机数据建立可信模型，再在模型中筛选方案。
这种方法不仅适合设备开发阶段。对于已经投入运行的连续卷材设备，如果经过真实数据标定建立了可信模型，同样可以进一步研究新材料、新速度以及新的控制参数。
实际案例：让真实控制程序先控制虚拟设备
第二个案例来自一套新型工业设备。虽然并不是柔印设备，但采用的方法具有直接参考价值。
企业首先在 MapleSim 中建立物理模型，完成机械结构和电机选型等验证，再将数字化样机与 B&R Automation Studio 控制环境连接，让真实控制程序先在虚拟设备上运行。确认控制逻辑以后，再将程序下载到实际设备。
对于设备开发商来说，这意味着控制系统的部分调试不需要完全等到机械设备制造完成以后才开始。
对于柔印设备这样机械、驱动、张力控制和自动化系统高度耦合的设备，提前进行这部分验证，可以减少真机阶段的反复修改，也可以降低现场调试风险。
数字化样机最终要解决的是两类" 试错成本 "
从企业经营角度看，数字化样机和虚拟调试最终需要解决的，不只是一个技术问题，而是研发和生产过程中的试错成本。
对于设备开发商，需要面对的是新设备研发过程中的试错。设计方案需要验证，速度需要提高，更多材料需要适配，控制系统也越来越复杂。如果大量问题都留到物理样机完成以后再发现，修改成本和研发周期都会增加。
对于设备使用方，需要面对的是生产过程中的试错。引入一种新材料、提高运行速度或者提升印刷质量要求以后，如果只能依靠实际材料反复试印，就会占用设备、消耗材料，也可能影响订单交付节奏。
数字化样机并不能完全替代真实设备，但可以让这两类客户都少走一部分弯路：
- **设备开发商：**提前验证设计、速度、材料适应性和控制方案；
- **设备使用方：**面对新材料、新速度和新质量要求时，提前筛选参数范围，减少试印次数和材料损耗。
真正的目标不是少做验证，而是让真实设备更多承担最终确认，而不是承担全部探索工作。
不必从整台设备开始，可以先解决一个实际问题
数字化样机真正落地，并不需要企业一开始就建立一台完整的"数字柔印机"。
更加实际的方式，是从一个直接影响研发效率或者生产成本的问题开始。例如一个张力区间、一套放卷或收卷系统、一次提速过程、一种经常使用的新材料，或者一个驱动和控制问题。
首先围绕这个问题建立模型，再利用真实设备数据验证模型。模型能够准确反映实际状态以后，再利用它测试不同方案和参数。
整个过程可以概括为：
小而具体 → 建模 → 实机数据验证 → 方案 / 参数测试。
对于设备开发商，可以逐步从单个工程问题扩展到设计验证、参数优化、虚拟调试；对于设备使用方，则可以逐步积累不同材料、不同速度和不同质量要求对应的模型及运行数据。
当这些模型和数据不断积累以后，才有可能进一步从一次性的仿真分析，发展成企业长期可以复用的数字研发和数字生产能力。
结语
这次柔印技术交流，让我们有机会从设备开发和设备使用两个角度，重新讨论数字化样机和虚拟调试的实际价值。
对于设备开发商，它可以帮助工程师在设备制造完成以前，就开始验证设计、速度、材料适应性和控制逻辑，减少很多问题到了真机阶段才被发现的情况。
对于设备使用方，它同样可以服务于已经投入生产的设备。面对新材料、新速度以及更高印刷质量要求时，通过经过实机数据验证的数字模型，提前分析材料变化和设备响应，缩小现场需要尝试的参数范围，从而减少试印材料消耗和设备占用时间，更快进入稳定生产。
数字化样机并不是替代工程师经验，也不是取消现场试验。真正有价值的方向，是把设备经验、工艺经验、材料数据和真实运行数据逐步沉淀成可以计算、可以验证、可以反复使用的模型。
再次感谢中国印刷技术协会柔印分会 提供这次交流机会，也感谢中国印刷技术协会柔印分会顾问蔡成基专家与我们围绕材料形变、张力控制和数字化建模进行了深入讨论。
Maplesoft 也希望未来能够继续与柔印设备开发企业、印刷企业、材料企业和科研机构合作，从一个具体的工程问题开始，用真实数据验证模型，再让模型真正进入设备研发和实际生产过程。
对设备开发商，少一些真机阶段的反复修改；对设备使用方，少一些新材料导入时的反复试印。把一部分真实设备上的试错提前到数字模型中，最终目的都是缩短时间、减少损耗，让设备更快进入稳定工作状态。