桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院 夏少波 鄭繼禹

電子軸凹版印刷機(jī)控制系統(tǒng)分析

桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院 夏少波 鄭繼禹

電子軸控制系統(tǒng)是對機(jī)組式凹版印刷機(jī)的各個(gè)印刷單元采用獨(dú)立伺服驅(qū)動，所有印刷單元之間利用網(wǎng)絡(luò)的快速響應(yīng)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在實(shí)現(xiàn)精確傳遞動力、保證同步控制的同時(shí)，通過對各個(gè)印刷版輥相位的精細(xì)調(diào)節(jié)來滿足圖案的套準(zhǔn)，形成虛擬電子主軸來取代傳統(tǒng)機(jī)械主傳動軸，同時(shí)簡化機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)和省略套色補(bǔ)償機(jī)構(gòu)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(jī)組式凹版印刷機(jī)的電子軸控制系統(tǒng)，隨著技術(shù)的發(fā)展，可分為兩大流派。第一種為復(fù)合式流派，即傳動系統(tǒng)和套色控制相互獨(dú)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(shí)際的應(yīng)用和實(shí)踐中，自然形成了機(jī)組式凹版印刷機(jī)電子軸控制系統(tǒng)的三大類別，即亞電子軸控制系統(tǒng)、準(zhǔn)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(shù)為核心的虛擬電子軸傳動來取代傳統(tǒng)機(jī)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(jié)構(gòu)，通過對各個(gè)印刷版輥相位的精細(xì)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)圖案的套準(zhǔn)，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(jī)械結(jié)構(gòu)，提升了控制性能。具有高精度、高印速、高套準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。

1. 系統(tǒng)硬件構(gòu)成。用途不同的印刷機(jī)，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(jī)組式凹版印刷機(jī)為例，對統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行簡單介紹。

（1）整個(gè)系統(tǒng)采用貝加萊PP320觸摸屏作為HMI（人機(jī)界面），以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)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(jì)算機(jī)采用X20系列PCC，其CPU采用X20CP1486，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。ACOPOS伺服控制器和伺服電機(jī)作為驅(qū)動單元。用于位置信號反饋的編碼器通過硬件倍頻可產(chǎn)生的有效脈沖為400萬線/轉(zhuǎn)，系統(tǒng)控制精度高達(dá)0.001 mm，在高達(dá)600 m/min的印刷速度下仍能獲得比機(jī)械軸凹印機(jī)高得多的套準(zhǔn)精度。

（3）系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線的方式進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)交換控制和廣播式通訊。各部件之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊（TCP/IP）。EtherNet POWERLINK總線通過工業(yè)集線器（0AC808），連接至各個(gè)ACOPOS伺服驅(qū)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(jī)通過專用伺服電纜和編碼器電纜連接。

（4）實(shí)時(shí)通信是系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，系統(tǒng)中所有伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)之間的電子齒輪同步關(guān)系，都需要通過高速的數(shù)據(jù)通道提供各個(gè)軸之間的數(shù)據(jù)交換。POWERLINK是一個(gè)100 Mbps、抖動＜＜1μs的高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，它能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)交換提供快速通道，使得系統(tǒng)能夠完成快速的數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)具體的工藝和數(shù)據(jù)處理的程序編寫工作。AS是一個(gè)集成軟件平臺，不僅支持貝加萊全系列控制產(chǎn)品的應(yīng)用軟件開發(fā)，同時(shí)支持Ethernet POWERLINK總線、CANopen總線和X2X LINK總線的開發(fā)應(yīng)用，并且?guī)缀踔С炙械木幊谭绞?。統(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(gè)循環(huán)任務(wù)層來完成控制。在第一個(gè)循環(huán)內(nèi)，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(gè)循環(huán)內(nèi)，完成張力控制和遠(yuǎn)程站點(diǎn)控制；在第三個(gè)循環(huán)內(nèi)，主要完成人機(jī)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其中，每一個(gè)伺服電機(jī)回路被稱為一個(gè)軸，統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)的控制對象就是若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)而又相互獨(dú)立的控制印刷版輥的軸。

（1）系統(tǒng)關(guān)聯(lián)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(shí)時(shí)速度和實(shí)現(xiàn)套印所需的調(diào)節(jié)速度是統(tǒng)一的。各個(gè)軸在確保系統(tǒng)傳動上的同步性的同時(shí)，必須響應(yīng)適當(dāng)?shù)奶咨辔徽{(diào)節(jié)。對于由光電眼（需要實(shí)現(xiàn)套色控制的印刷單元均有配置）檢測到的套印誤差，經(jīng)套色分析卡AC132反饋給伺服驅(qū)動器ACOPOS,再由伺服驅(qū)動器ACOPOS通過EtherNet POWERLINK總線反饋給PCC，PCC統(tǒng)一實(shí)時(shí)處理后，指令每個(gè)相互關(guān)聯(lián)的軸做出相應(yīng)的相位調(diào)整，稱之為串聯(lián)調(diào)節(jié)，它是統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)套色控制的精髓所在。

（2）系統(tǒng)獨(dú)立性。其獨(dú)立性表現(xiàn)在，每個(gè)軸在相同的控制模式和控制框架下，運(yùn)行機(jī)理是相同的，也是自成體系的。在控制上，PCC實(shí)現(xiàn)具體的工藝分析和數(shù)據(jù)處理，同時(shí)系統(tǒng)在初次上電時(shí)，由PCC負(fù)責(zé)將每個(gè)軸運(yùn)行所需的功能參數(shù)和系統(tǒng)函數(shù)通過POWERLINK總線下載給每個(gè)軸的伺服驅(qū)動器ACOPOS。ACOPOS則對接收到的功能參數(shù)和系統(tǒng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)初始化，并按要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析和處理，指令相應(yīng)的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)軸的控制。伺服電機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況由其內(nèi)部編碼器反饋給伺服驅(qū)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(jié)論

電子軸控制系統(tǒng)應(yīng)用于印刷機(jī)，使印刷機(jī)的自動化控制得到大幅提升，不僅優(yōu)化了控制的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性，而且使印刷機(jī)的高精度、高印速、高套印得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，還以其人性化操作、安全設(shè)計(jì)、節(jié)能減耗等特點(diǎn)推進(jìn)了印刷包裝設(shè)備的發(fā)展。