無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)在柔印機(jī)上的實(shí)現(xiàn)與研究

續(xù)明進(jìn)，郭慶云，常 瑞

（北京印刷學(xué)院，北京 102600）

0 引言

無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)也稱為直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，就是用多個(gè)單獨(dú)的伺服電機(jī)取代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)鏈，伺服驅(qū)動(dòng)器之間依靠高速現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)程序保證各驅(qū)動(dòng)軸嚴(yán)格同步。本文給出了多機(jī)組的柔印機(jī)通過(guò)改造，機(jī)組的印刷部、裁單張部、送收紙張力控制部分采用了無(wú)軸傳動(dòng)，解決了印刷產(chǎn)品重復(fù)長(zhǎng)度受齒輪節(jié)距限制、印刷過(guò)程中的張力控制、縱向套準(zhǔn)等問題，提高了印刷效率、保證了印刷質(zhì)量。

1 柔印機(jī)改造前狀況

本文所改造備為窄幅機(jī)組式柔印機(jī)，其結(jié)構(gòu)主要包括給紙部、四個(gè)印刷部、裁單張部與復(fù)卷部。其驅(qū)動(dòng)輥是通過(guò)主傳動(dòng)齒輪鏈傳動(dòng)的，驅(qū)動(dòng)輥的直徑小于傳動(dòng)齒輪的節(jié)圓直徑，即其表面線速度低于印版滾筒。最高印刷速度為200m/min，最大紙張寬度為482mm，最大開卷直徑為1200mm；主馬達(dá)額定功率為18.5KW、復(fù)卷變頻電動(dòng)機(jī)額定功率為2.5KW。為消除機(jī)械長(zhǎng)軸對(duì)印刷速度和精度造成的影響，提高套準(zhǔn)的穩(wěn)定性與系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，減少傳動(dòng)部件的維護(hù)工作與材料的損耗，采用無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)對(duì)該柔印機(jī)進(jìn)行改造。

2 無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)配置

2.1 傳動(dòng)數(shù)值估算與電機(jī)選型

根據(jù)系統(tǒng)傳動(dòng)與控制需要，對(duì)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)共采用8臺(tái)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，即8個(gè)電子軸。其中4個(gè)印刷機(jī)組各1臺(tái)，送紙部與收紙部各1臺(tái)，裁切部刀輥及底輥各1臺(tái)。

根據(jù)柔印機(jī)各部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)要求，利用運(yùn)行速度、歸算力矩和歸算慣量來(lái)計(jì)算該軸峰值力矩、均方根力矩和運(yùn)行速度，進(jìn)而進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的選擇。在估算時(shí)，按最佳變速比公式計(jì)算各軸的變速比和慣量比，來(lái)構(gòu)成伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。其負(fù)載能獲得最大的加速度，在慣量不變的情況下傳遞的力矩最大，以保證系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的功率傳輸。

式中，i為齒輪的變比；JL為電動(dòng)機(jī)的慣量；JM為負(fù)載的慣量。

在傳動(dòng)比確定后，選擇齒輪輻作為減速裝置，綜合考慮傳動(dòng)傳動(dòng)裝置的效率，以確認(rèn)執(zhí)行電機(jī)和傳動(dòng)裝置的參數(shù)。通過(guò)核算后，確認(rèn)柔印機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)改造電機(jī)選型如表1所示。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)組式柔版印刷機(jī)電氣控制系統(tǒng)由SYNAX200無(wú)軸控制系統(tǒng)、電氣檢測(cè)元件（如光電檢測(cè)開關(guān)、張力檢測(cè)輥）、電氣執(zhí)行元件（如伺服電動(dòng)機(jī)或電磁閥）、電氣操作及顯示裝置（按鈕或觸摸屏）四部分組成。通過(guò)三種總線結(jié)構(gòu)將上述四部分有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)成整機(jī)的電氣硬件系統(tǒng)。在電氣操作裝置上進(jìn)行操作，電氣控制裝置綜合操作指令以及電氣檢測(cè)元件反饋回來(lái)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件或紙張狀態(tài)的信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算或邏輯判斷，并將其結(jié)果發(fā)送給電氣執(zhí)行元件進(jìn)行各種印刷功能的控制；或者將檢測(cè)及執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給電氣顯示裝置進(jìn)行相應(yīng)的顯示。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

表1 柔印機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)改造電機(jī)選型列表

圖1 電氣控制系統(tǒng)原理框圖

電氣控制系統(tǒng)采用力士樂公司的無(wú)軸運(yùn)動(dòng)控制器(PPC-R)為控制核心。PPC集成了運(yùn)動(dòng)控制和PLC邏輯控制功能,每個(gè)PPC可控制40個(gè)電子軸,允許有2個(gè)主軸(實(shí)軸或虛擬主軸)。PPC利用光纖與8個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器連接在一起，采用SERCOS總線形成交互通信環(huán)路。通過(guò)SERCOS系統(tǒng)環(huán)路，每個(gè)單元的驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)跟蹤來(lái)自虛擬主軸的輸入信號(hào)和來(lái)自電機(jī)軸上的絕對(duì)值編碼器的位置信號(hào)，通過(guò)系統(tǒng)的高速運(yùn)算完成高精度的位置測(cè)量和控制，以保證各個(gè)印刷單元的同步進(jìn)行。

電氣操作、執(zhí)行、顯示等作為PLC的I/O點(diǎn)與PPC相連。為方便系統(tǒng)配置，PLC的I/O點(diǎn)分為本地與遠(yuǎn)程兩種。給紙部、第一與二機(jī)組的信號(hào)進(jìn)入遠(yuǎn)程I/O模塊，通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線與PLC(PPC-R)通訊，其他信號(hào)通過(guò)本地I/O進(jìn)入PLC ；在運(yùn)行過(guò)程中PPC進(jìn)行信號(hào)收集、數(shù)據(jù)處理、邏輯運(yùn)算，通過(guò)本地I/O模塊及遠(yuǎn)程I/O模塊，控制各執(zhí)行元件動(dòng)作，比如氣閥、繼電器、斷路器等。

工控機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)與PPC-R相連，利用組態(tài)軟件WINSTUDIO構(gòu)造HMI（人機(jī)界面），由工控機(jī)的觸摸屏，對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)操作控制、狀態(tài)監(jiān)控、報(bào)警顯示等。通過(guò)觸摸屏可以進(jìn)行主機(jī)速度、調(diào)版步長(zhǎng)、送紙與收紙導(dǎo)率等參數(shù)設(shè)定，人機(jī)交互友好。

3 系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 人機(jī)界面設(shè)定

根據(jù)對(duì)印刷工藝的需求分析，進(jìn)行了系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)。主程序采用多頁(yè)菜單方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，主控界面如圖2。

圖2 主控操作界面

主控菜單主要實(shí)現(xiàn)印刷速度設(shè)定與顯示、運(yùn)轉(zhuǎn)控制、合墨輥/合版輥操作模式，以及進(jìn)行裁單張計(jì)數(shù)。參數(shù)設(shè)定菜單主要實(shí)現(xiàn)印品規(guī)格、印刷速度、給出紙部張力（導(dǎo)率）、調(diào)版步長(zhǎng)的設(shè)定。數(shù)據(jù)顯示菜單主要是實(shí)時(shí)顯示各軸的實(shí)際位置、轉(zhuǎn)速、扭矩。故障診斷菜單實(shí)現(xiàn)各伺服電機(jī)、各墨輥電機(jī)、各個(gè)機(jī)組的故障診斷與故障信息記錄。

3.2 印刷過(guò)程中的張力控制

在卷筒紙印刷過(guò)程中，紙帶必需保持一定的張力，以便控制紙帶的運(yùn)動(dòng)，并保持紙帶在印刷過(guò)程中的張力大小恒定不變。

從紙卷到送紙輥段的張力控制，采用紙卷制動(dòng)、浮動(dòng)輥加傳感器輥的張力閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制和調(diào)整紙帶卷出張力，把紙帶張力波動(dòng)控制在印刷允許的范圍內(nèi)，消除紙帶內(nèi)應(yīng)力，減少紙帶變形。

送紙輥與收紙輥為伺服驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)輥，以控制紙帶送入與送出印刷部的速度。根據(jù)虛擬主軸的轉(zhuǎn)速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)二者與主印刷軸的速度同步。根據(jù)張力控制需要，送紙輥的線速度要比印刷滾筒的線速度低一些，目的是把紙帶拉緊，使得從紙卷到送紙輥區(qū)段的張力波動(dòng)很難通過(guò)送紙輥，以保證印刷部的紙帶平坦且張力也很穩(wěn)定；收紙輥的線速度應(yīng)比印刷滾筒的線速度大一些，以保持一定的張力。送紙輥與收紙輥的速度調(diào)整通過(guò)人機(jī)界面的導(dǎo)率設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)，調(diào)整范圍為0.1%～1.0%。

在印刷過(guò)程中紙帶的張力調(diào)速整以印刷機(jī)組需要為基準(zhǔn)，紙帶在通過(guò)兩個(gè)過(guò)紙輥之間時(shí)，可通過(guò)改變?nèi)魏我欢说闹鲃?dòng)輥的線速度，不改變紙帶的張力。

復(fù)卷采用比例張力控制方式，系統(tǒng)產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)與線速度成正比，來(lái)自虛擬主軸，另一個(gè)與加速度成比例，由控制系統(tǒng)計(jì)算得出；根據(jù)預(yù)定的張力初始值和張力變化比例，通過(guò)PID算法，驅(qū)動(dòng)變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，自動(dòng)逐漸減小復(fù)卷張力。

3.3 印刷過(guò)程中的縱向套印控制與裁切位置控制

印刷過(guò)程中的縱向套印控制，通過(guò)設(shè)定HMI的周向調(diào)節(jié)數(shù)值，控制伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)版的步長(zhǎng)從0.01mm至1.0mm分為若干檔，由機(jī)組上的正向反向調(diào)節(jié)按鈕控制，每按一次，版輥正向或反向調(diào)節(jié)一次定。橫向（即軸向）調(diào)節(jié)采用手動(dòng)調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)。為保證裁切位置的準(zhǔn)確，裁切部刀輥及底輥的伺服驅(qū)動(dòng)與主印刷速度（主軸速度）之間采用位置同步模式。

4 設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用

設(shè)備采用無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)改造后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了主傳動(dòng)與電氣控制試驗(yàn)，以及整機(jī)試驗(yàn)；在不同的印刷速度下，進(jìn)行了印刷品套準(zhǔn)精度與裁單張誤差測(cè)試，其測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)過(guò)試運(yùn)行，表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

表2 印刷品套準(zhǔn)精度與裁單張誤差測(cè)試數(shù)據(jù)表

采用無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)的機(jī)組式柔版印刷機(jī)，裝版后輸入印版滾筒的印版滾筒周長(zhǎng)，通過(guò)PPC控制，使印版滾筒和網(wǎng)紋輥達(dá)到預(yù)印刷、預(yù)套準(zhǔn)位置，更換柔性版滾筒和網(wǎng)紋輥?zhàn)兊煤?jiǎn)單快捷，壓縮了印刷準(zhǔn)備時(shí)間，也比原有方式節(jié)省了原材料。無(wú)軸傳動(dòng)取消了機(jī)械傳動(dòng)的大部分齒輪和傳動(dòng)軸，減化了結(jié)構(gòu)，從根本上解決了由于齒輪精度、安裝和齒輪側(cè)隙等誤差累積及磨損引起的傳動(dòng)不平穩(wěn)，以及由此引起的套印不準(zhǔn)、齒輪條痕等問題。

5 結(jié)論

利用無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)行改造的多機(jī)組柔印機(jī)，其傳動(dòng)與電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)中的張力控制、運(yùn)動(dòng)同步控制、凸輪定位控制等模式；基于SYNAX200為核心的控制系統(tǒng)，采用多種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，通過(guò)系統(tǒng)仿真工程環(huán)境、優(yōu)化的界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多色組、裁單張、收放卷等柔性印刷的功能，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，達(dá)到了對(duì)設(shè)備進(jìn)行無(wú)軸傳動(dòng)控制改造的任務(wù)。

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