貝加萊產品在寬幅柔版印刷機無軸傳動控制系統(tǒng)中的應用

　　0. 前言

　　對每個細節(jié)的精益求精是卓越企業(yè)的追求，也是為什么我們在超市里看到百威、青島啤酒越來越精美的外包裝，這是吸引消費者的關鍵一環(huán)，除了啤酒的品質，外包裝的精美也體現著生產者對于細節(jié)品質的把握與追求，這也給印刷機帶來了新的機會。

　　另外，啤酒飲料行業(yè)對于環(huán)保的要求也更為苛刻，為了降低生產過程中對人體的危害，環(huán)保印刷也被更多地關注，這也使得柔版印刷相對于膠印和凹印的優(yōu)勢逐漸得到體現。

　　1. 系統(tǒng)需求

　　寬幅柔版印刷由于其對機械加工零件精度的要求比較高，因此，在很長一段時間里，寬幅柔版印刷沒有得到大力的發(fā)展，目前，該機型主要被用于瓦楞紙面紙的印刷，采用這一印刷流程的被稱為“預印技術”，而相對的，在瓦楞紙板生產后的印刷則被稱為“后印技術”，相對于后印技術，預印技術有著其獨到的優(yōu)勢：

　　● 預印技術效率高，質量好。對于瓦楞紙板的印刷而言，預印技術則是將印刷好的面紙與瓦楞線聯動，可以直接生產出紙箱，而無需像后印技術那樣要轉移到開槽印刷機上，這樣效率會更高，并且，它不同于后印技術，不會對瓦楞紙造成壓力，從而影響瓦楞紙箱的強度。

　　● 環(huán)保。柔版印刷采用水性油墨，其對環(huán)境的污染相對于油性油墨而言更為環(huán)保，對空氣和生產車間工人影響更小。

　　● 幅面更大。對于寬幅柔版來說1200mm～2200mm的印刷幅面可以提供大件包裝容器的表面印刷，并且也能通過分切同時提供多種產品的印刷。

　　該系統(tǒng)要求達到的印刷速度為300m/min，印刷精度+/-0.1mm，幅寬1200mm。

　　2. 設備構成與工作原理

　　該機組由放卷、前牽引單元、后牽引單元、印刷色組(一般不超過9色)、收卷單元構成,如圖1所示。

　　圖1 柔版印刷機組的設備構成

　　2.1放卷單元

　　放卷部分主要是由氣剎加上一個張力擺輥組成，材料卷紙芯通過氣脹軸放在放卷架上，在氣剎剎車氣壓為零時，材料卷和氣脹軸一起可以自由轉動;在正常工作時，是通過調節(jié)氣壓(比例閥：0~10VDC表示氣壓由小到大)來調節(jié)剎車力量并控制放卷的張力大小，具體工作原理如圖2所示。

　　圖2 放卷單元工作原理示意圖

　　其中張力擺輥保持恒定的推力(氣缸中的氣壓恒定)，在正常運行中，我們通過PID調節(jié)氣剎的氣壓，使張力擺輥停留在設定的位置(張力擺輥的位置由安裝在擺輥上的電位器來檢測，0~10V表示，一般把中間值調節(jié)為5V)，這樣就保持了放卷的恒張力，這也是材料進入印刷前的第一級張力控制。

　　2.2前牽引部分

　　前牽引部分是由前牽引電機、前牽引輥、前牽引壓輥加上一個張力擺輥組成。前牽引部分的作用就是以恒張力把印刷材料送入到印刷部。工作原理如圖3所示。

　　圖3 前牽引部分工作原理示意圖

　　牽引輥由牽引電機驅動，牽引壓輥在正常運行時壓在牽引輥上，防止材料滑動。在正常運行時，通過PID調節(jié)前牽引電機的速度來控制張力擺輥在設定位置，從而保持材料張力的恒定。這是材料進入印刷部分之前的第二級張力控制。同時前牽引壓輥也起到張力隔離的作用，放卷部分的張力波動可以被隔離。

　　2.3印刷部分

　　印刷部分由色組組成，7個色就是有7色組;每個色組由色組電機、底輥、版輥、進墨輥組成。色組電機通過減速箱驅動底輥，版輥、底輥、進墨輥通過齒輪靠在一起。工作的原理如圖4所示。

　　圖4 印刷部分工作原理示意圖

　　版輥、底輥、進墨輥是通過齒輪配合來保證表面線速度的一致;在開始印刷之前，版輥和底輥之間是有間隙的，版輥處于升起的狀態(tài)，此時版輥表面和印刷材料是不接觸的，當降下版輥之后，版輥表面與被承印材料表面保持輕接觸，根據印刷的圖案效果可以調節(jié)版面與材料之間的接觸壓力。降版輥是版輥、進墨輥一起下降，退版輥的順序是：先停止進墨輥轉動2秒種，然后再退版輥，保持版輥退信號和進墨輥停止信號2秒，然后兩個信號都復位。正常印刷時，印刷的所有色組保持嚴格的位置同步，所有色組標定要完全相同。在色組與色組之間就是每個色組印后的加熱部分，采用熱風加熱;熱風由總吹風機出來;每個色組都分別有加熱器，分快熱和慢熱兩種方式。加熱類型有電熱絲和蒸汽兩種。

　　2.4后牽引部分

　　后牽引部分是由后牽引電機、后牽引輥、后牽引壓輥加上一個張力擺輥組成;后牽引部分的作用就是以恒張力把承印材料引出印刷部分。工作原理圖如圖5所示。

　　圖5 后牽引部分工作原理示意圖

　　張力擺輥裝在最后一個色組和后牽引之間，和前牽引一樣，正常運行時，牽引壓輥也是壓在牽引輥上，防止材料滑動，同時起到張力隔離的作用;系統(tǒng)根據擺輥的設定位置通過PID調節(jié)后牽引電機的速度來使擺輥穩(wěn)定在設定位置，以達到后牽引張力的穩(wěn)定。

　　2.5 收卷部分

　　柔版印刷機采用的是表面摩擦收卷的方式，收卷部分主要由張力擺輥、摩擦輥、被動的氣脹軸組成。其工作原理圖如圖6所示。

　　圖6 收卷部分工作原理示意圖

　　摩擦輥由第三方異步電動機驅動，該電動機采用ACOPOS或矢量變頻器帶動，正常工作時，收卷壓輥把材料壓在摩擦輥面上，收料卷也壓在摩擦輥面上;系統(tǒng)通過張力擺輥的設定位置和實際位置比較通過PID調節(jié)摩擦輥驅動電機的轉速，控制張力擺輥穩(wěn)定在設定位置，以達到恒張力收卷。摩擦輥和壓輥都是軟性的橡膠輥。

　　3. 控制系統(tǒng)硬件配置

　　該系統(tǒng)的硬件配置如圖7所示，主要由1臺Power Panel——集成控制、顯示與操作于一體的人機界面、多套ACOPOS智能型伺服驅動器和Ethernet POWERLINK實時通信以太網構成。

　　圖7 系統(tǒng)硬件配置

　　4. 關鍵技術與解決方案

　　4.1集成套色系統(tǒng)

　　4.1.1分立式套色的弊端：

　　對于印刷系統(tǒng)而言，其關鍵在于套色系統(tǒng)的套印精度，而目前市場上流行的套色系統(tǒng)方案是一種分立式設計，由傳動系統(tǒng)的產品提供商和套色系統(tǒng)的供應商一起組合成一個系統(tǒng)，這存在以下弊端：

　　● 價格高昂,通常專業(yè)的套色系統(tǒng)價格都在數千美元一色;

　　● 系統(tǒng)出現故障時需兩個或多個供應商共同來解決;

　　4.1.2集成套色的優(yōu)點：

　　B&R依賴其產品自身的強大性能與貝加萊在印刷機械領域的行業(yè)應用軟件積累，設計了集成套色系統(tǒng)這一解決方案，產生了對傳統(tǒng)方案的顛覆性設計，帶來了巨大的成本節(jié)省，并且，由一個獨立的供應商完成整個系統(tǒng)的提供，也不會造成系統(tǒng)維護升級太多的不便。

　　貝加萊之所以可以很好實現該系統(tǒng)，有自身硬件的優(yōu)勢，更重要的是在行業(yè)積累的軟件庫得到了發(fā)揮。

　　4.1.3集成套色算法設計

　　集成套色系統(tǒng)是將各個印刷單元的偏差輸入到套色系統(tǒng)模型中，這個模型基于模糊控制而設計建模，其參量包含印刷相關工藝參數，如：張力、溫度、摩擦系數、印刷長度、速度等，由于印刷系統(tǒng)是一個連續(xù)性的印刷過程，任何一個單元的偏差調整均會對其它系統(tǒng)產生影響，通過多變量系統(tǒng)的耦合和解耦運算，系統(tǒng)將調整量給出到運動控制系統(tǒng)，運動控制系統(tǒng)則進行實時調整以維持印刷的高精度。

　　傳統(tǒng)的PLC無法設計如此復雜的算法，而PCC則因為具有高級語言編程能力，可以比較容易地進行算法的軟件設計，并可借助多種開放的庫來支持應用程序的開發(fā)。

　　4.2色標直接輸入至驅動器

　　ACOPOS伺服驅動器是一個模塊化設計的驅動系統(tǒng)，它具有智能性特點，自身具有很強的處理能力，其設計為多個插槽的方式，包括通信、編碼器和I/O共四個插槽，通常第一個槽位用于通信，如CAN,POWERLINK，第2~4個槽位既可以用于編碼器也可以用于I/O，甚至可以直接插入CPU模塊，在這個應用里，色標傳感器的信號直接被送到了ACOPOS驅動器，在驅動器內完成了信號的采樣、濾波、處理、編碼與通信封裝，然后送至套色系統(tǒng)，這一設計響應速度較之傳統(tǒng)的PLC+I/O模塊方式更快。

　　4.3 虛擬主軸技術

　　虛擬主軸是指運動控制軸與軸之間所建立起來的數學模型，因為所有運動控制的速度、位置同步問題都可歸結為各伺服軸之間的數學關系，虛擬主軸并不指某個具體的軸，而是他們之間的關系，由于它并不存在，而是理想中的一個軸，那么它就不存在磨損、跳動也不存在偏差，其它伺服軸緊隨這個虛擬主軸運行1:1的電子齒輪同步，ACOPOS驅動器可支持高達32位分辨率的電子齒輪同步精度。

　　4.4 Ethernet POWERLINK實時通信技術

　　實時通信是系統(tǒng)的關鍵一環(huán)，無論是偏差信號的上傳到套色系統(tǒng)以及套色系統(tǒng)給定調整量，以及運動控制系統(tǒng)之間的電子齒輪同步關系，都需要通過高速的數據通道提供各個軸之間的數據交換。

　　在這個系統(tǒng)中，印刷速度高達300m/min，而精度要求+/-0.1mm，每個套色刷新周期均在幾個毫秒之間完成，通常通信刷新周期要高于這樣一個數量級才能保證高精度的同步，而POWERLINK可以達到的刷新周期最快到100uS，考慮到驅動器的位置環(huán)、套色系統(tǒng)的任務周期匹配，通常設置為400uS或800uS，完全滿足高速印刷系統(tǒng)的高度實時需求。

　　POWERLINK是一個100Mbps，抖動<<1uS的高速實時以太網，它能夠為整個系統(tǒng)的大量數據交換提供快速通道，使得系統(tǒng)能夠完成快速的數據交換，保障系統(tǒng)同步精度。

　　5. 結束語

　　該集成套色系統(tǒng)較之原有系統(tǒng)幾乎省掉了套色系統(tǒng)的成本，這對于機械制造商而言是一項巨大的成本節(jié)省，其競爭力是不言而喻的。更重要的是，該系統(tǒng)運行精度高且節(jié)省紙張，由于采用預套印技術，僅需在短短幾個紙張傳輸過程中即可完成快速套準，并進入穩(wěn)定運行階段，可以提高工作效率并減少紙張的浪費。