桂林電子科技大學 信息與通信學院 夏少波 鄭繼禹

電子軸凹版印刷機控制系統(tǒng)分析

桂林電子科技大學 信息與通信學院 夏少波 鄭繼禹

電子軸控制系統(tǒng)是對機組式凹版印刷機的各個印刷單元采用獨立伺服驅動，所有印刷單元之間利用網絡的快速響應實時進行數據交換，在實現精確傳遞動力、保證同步控制的同時，通過對各個印刷版輥相位的精細調節(jié)來滿足圖案的套準，形成虛擬電子主軸來取代傳統(tǒng)機械主傳動軸，同時簡化機械傳動結構和省略套色補償機構的一種自動化伺服控制系統(tǒng)。

一、電子軸控制系統(tǒng)的種類

用于機組式凹版印刷機的電子軸控制系統(tǒng)，隨著技術的發(fā)展，可分為兩大流派。第一種為復合式流派，即傳動系統(tǒng)和套色控制相互獨立；第二種為集成式流派，即傳動系統(tǒng)和套色控制融為一體。這兩大流派在實際的應用和實踐中，自然形成了機組式凹版印刷機電子軸控制系統(tǒng)的三大類別，即亞電子軸控制系統(tǒng)、準電子軸控制系統(tǒng)和統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)。其中，統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)是一種真正意義上的電子軸控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用以伺服控制技術為核心的虛擬電子軸傳動來取代傳統(tǒng)機械的主傳動軸，徹底摒棄傳統(tǒng)套色系統(tǒng)所需的浮動輥結構，通過對各個印刷版輥相位的精細調節(jié)來實現圖案的套準，從而將伺服傳動和套色溶為一體，直接作用于印刷版輥的一種電子軸控制系統(tǒng)。

二、統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)的組成和工作原理

統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)，簡化了機械結構，提升了控制性能。具有高精度、高印速、高套準等優(yōu)點。

1. 系統(tǒng)硬件構成。用途不同的印刷機，所需的印刷單元不同，印刷單元所配置的伺服功率也不同。本文，筆者以1臺八色機組式凹版印刷機為例，對統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)的硬件進行簡單介紹。

（1）整個系統(tǒng)采用貝加萊PP320觸摸屏作為HMI（人機界面），以實現系統(tǒng)參數的輸入和顯示、系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控、套印狀態(tài)的監(jiān)控、系統(tǒng)故障的提示和系統(tǒng)配方的管理等功能。

（2）可編程控制計算機采用X20系列PCC，其CPU采用X20CP1486，是整個系統(tǒng)的核心。ACOPOS伺服控制器和伺服電機作為驅動單元。用于位置信號反饋的編碼器通過硬件倍頻可產生的有效脈沖為400萬線/轉，系統(tǒng)控制精度高達0.001 mm，在高達600 m/min的印刷速度下仍能獲得比機械軸凹印機高得多的套準精度。

（3）系統(tǒng)采用現場總線的方式進行可靠的數據交換控制和廣播式通訊。各部件之間通過以太網進行通訊（TCP/IP）。EtherNet POWERLINK總線通過工業(yè)集線器（0AC808），連接至各個ACOPOS伺服驅動器。在伺服上裝有通訊模塊AC114、編碼器信號分析卡AC120、套色誤差分析卡AC132、I/O模塊AC130。ACOPOS伺服控制器和伺服電機通過專用伺服電纜和編碼器電纜連接。

（4）實時通信是系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，系統(tǒng)中所有伺服運動控制系統(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。POWERLINK是一個100 Mbps、抖動＜＜1μs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。

2. 系統(tǒng)軟件平臺開發(fā)。統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)以貝加萊開發(fā)的Automation Studio集成軟件（以下簡稱AS）為編程的軟件平臺，實現具體的工藝和數據處理的程序編寫工作。AS是一個集成軟件平臺，不僅支持貝加萊全系列控制產品的應用軟件開發(fā)，同時支持Ethernet POWERLINK總線、CANopen總線和X2X LINK總線的開發(fā)應用，并且?guī)缀踔С炙械木幊谭绞健＝y(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)策略是：整體采用ANSI_C編程，并分三個循環(huán)任務層來完成控制。在第一個循環(huán)內，完成伺服控制系統(tǒng)的通訊、過程控制、印刷單元的控制、套色系統(tǒng)的控制；在第二個循環(huán)內，完成張力控制和遠程站點控制；在第三個循環(huán)內，主要完成人機界面的控制。

3. 控制原理。統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)的開發(fā)，基于伺服控制和網絡技術。其中，每一個伺服電機回路被稱為一個軸，統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)的控制對象就是若干個相互關聯而又相互獨立的控制印刷版輥的軸。

（1）系統(tǒng)關聯性。作為控制每一色印刷版輥的軸，其速度的來源是統(tǒng)一的，即系統(tǒng)所虛擬的電子軸給定的實時速度和實現套印所需的調節(jié)速度是統(tǒng)一的。各個軸在確保系統(tǒng)傳動上的同步性的同時，必須響應適當的套色相位調節(jié)。對于由光電眼（需要實現套色控制的印刷單元均有配置）檢測到的套印誤差，經套色分析卡AC132反饋給伺服驅動器ACOPOS,再由伺服驅動器ACOPOS通過EtherNet POWERLINK總線反饋給PCC，PCC統(tǒng)一實時處理后，指令每個相互關聯的軸做出相應的相位調整，稱之為串聯調節(jié)，它是統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)實現套色控制的精髓所在。

（2）系統(tǒng)獨立性。其獨立性表現在，每個軸在相同的控制模式和控制框架下，運行機理是相同的，也是自成體系的。在控制上，PCC實現具體的工藝分析和數據處理，同時系統(tǒng)在初次上電時，由PCC負責將每個軸運行所需的功能參數和系統(tǒng)函數通過POWERLINK總線下載給每個軸的伺服驅動器ACOPOS。ACOPOS則對接收到的功能參數和系統(tǒng)函數實現初始化，并按要求對數據進行必要的分析和處理，指令相應的伺服電機實現軸的控制。伺服電機的實際運轉情況由其內部編碼器反饋給伺服驅動器ACOPOS上的編碼器信號分析卡AC120，形成軸自身的閉環(huán)控制。

三、結論

電子軸控制系統(tǒng)應用于印刷機，使印刷機的自動化控制得到大幅提升，不僅優(yōu)化了控制的協(xié)調性和穩(wěn)定性，而且使印刷機的高精度、高印速、高套印得以實現。同時，還以其人性化操作、安全設計、節(jié)能減耗等特點推進了印刷包裝設備的發(fā)展。