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        無軸印刷張力控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

        2020-12-21 03:51:01劉云崇
        今日印刷 2020年12期
        關(guān)鍵詞:收卷印刷機(jī)浮動

        劉云崇

        本文以某印刷廠的表柔印刷機(jī)為研究對象,用德國力士樂無軸控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器開環(huán)張力控制和復(fù)卷控制。分析了無軸印刷張力控制的兩種主要方式和實(shí)現(xiàn)方法,為無軸印刷機(jī)控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

        在影響印品質(zhì)量的眾多因素中,印紙張力的穩(wěn)定性是一個非常重要的因素。只有保證印刷過程中印紙張力恒定且大小適中才能使印刷正常進(jìn)行,以達(dá)到壓力均勻適中、印品字跡清晰的效果。若張力太小,印紙松飄,印出的字跡模糊不實(shí)(即墨虛),甚至紙張出現(xiàn)橫皺紋;若張力過大,印紙拉的過緊,容易產(chǎn)生縱向皺紋甚至斷紙。機(jī)組式印刷機(jī)在印刷過程中的張力控制主要有收放卷張力控制和印刷過程中的張力控制兩部分。

        以往的張力控制系統(tǒng)是建立在機(jī)械長軸的基礎(chǔ)上的,采用模擬量控制,在進(jìn)行實(shí)時運(yùn)算時的計算精度很低,使系統(tǒng)的控制精度低,動態(tài)補(bǔ)償效果差,不能滿足產(chǎn)品日益增長的高精度要求。

        隨著數(shù)控技術(shù)和數(shù)字伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展,以無軸傳動技術(shù)取代傳統(tǒng)的機(jī)械長軸成為一種趨勢。張力控制的手段和精度也隨之有了極大的提升。從結(jié)構(gòu)上看它已不是自成一體系,而是無軸傳動系統(tǒng)的一部分,在數(shù)字伺服驅(qū)動技術(shù)的支持下簡化了控制器件,降低了成本;另一方面,提高了控制精度和控制的靈活性。

        無軸傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

        無軸傳動技術(shù)又稱為伺服傳動技術(shù),它是以相互獨(dú)立的伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)代替了原有的機(jī)械長軸傳動。通過網(wǎng)絡(luò)、程序軟件形成了內(nèi)部虛擬的電子軸,各電子軸通過現(xiàn)場總線進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)交換傳輸,各個版輥隨虛擬的電子軸運(yùn)轉(zhuǎn),保證版輥相位嚴(yán)格同步。

        采用無軸傳動技術(shù)后,原來的機(jī)械長軸系統(tǒng)發(fā)展為圖1所示。每個機(jī)組均由一個電機(jī)驅(qū)動,各機(jī)組依靠裝有控制軟件和運(yùn)動控制卡的控制器協(xié)調(diào)運(yùn)動。將其中一個機(jī)組定為虛擬主軸,其輥?zhàn)拥木€速度作為設(shè)備的速度,其他機(jī)組通過電子齒輪比的設(shè)定保證與虛擬主軸保持線速度一致。

        印刷機(jī)的同步控制包括位置同步、速度同步以及電子凸輪的同步,SYNAX200系統(tǒng)中的運(yùn)動控制器PPC-R22.1可不間斷地計算產(chǎn)生虛擬主軸的位置,并通過光纜即時傳送至各個驅(qū)動器IndraDrive C/M,從而實(shí)現(xiàn)印刷過程的同步運(yùn)作。

        高精度的編碼器是無軸系統(tǒng)精度的重要保證。以德國博世力士樂的MSK電機(jī)的M2型編碼器為例,其物理刻線為2048線,經(jīng)過212次電子倍頻處理后,分辯率可達(dá)8388608位/圈。以表格機(jī)插件11英寸輥的印刷單元為例,在走紙方向上的測量精度可達(dá)0.0000173mm。無軸傳動系統(tǒng)動態(tài)控制精度與交流伺服驅(qū)動器的性能及其與負(fù)載的匹配有關(guān)。以博世力士樂公司Indradrive的經(jīng)濟(jì)型配置為例,3個控制環(huán)的運(yùn)行周期分別為:電流環(huán)125μs,速度環(huán)500μs,位置環(huán)1000μs。當(dāng)由于突然的外部擾動使反饋值與命令值產(chǎn)生偏差,驅(qū)動器將在一個周期內(nèi)恢復(fù)正常狀態(tài),從而保證運(yùn)動控制的精度。無軸傳動系統(tǒng)的負(fù)載是各個傳動單元的滾筒及傳動機(jī)構(gòu),針對不同的負(fù)載要對伺服系統(tǒng)的控制環(huán)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,當(dāng)參數(shù)調(diào)整已無法滿足負(fù)載的需要時還要考慮更換貫量更大的電機(jī)和功率更大的驅(qū)動器。在將伺服系統(tǒng)與負(fù)載進(jìn)行匹配調(diào)整的過程中主要以速度環(huán)或位置環(huán)的命令值與反饋值的誤差為參考量,當(dāng)該值在允許的范圍以內(nèi)時,參數(shù)優(yōu)化過程結(jié)束,印刷的精度就可以得到保證。

        系統(tǒng)張力的控制方法

        1.張力的產(chǎn)生與開環(huán)控制

        印刷系統(tǒng)中紙張的輸送是通過張力輥與紙張之間存在的靜摩擦力F實(shí)現(xiàn)的。假設(shè)張力輥之間的紙張段為彈性體,按照胡克定律有:

        T=K·ΔL

        其中T為張力,K為彈性系數(shù),ΔL為變形量。設(shè)某微小的時段Δt內(nèi),張力輥1輸送的紙張長度為L1,張力輥2輸送的紙張長度為L2,則:

        ΔL=L2-L1=(ω2·R2)Δt-(ω1·R1)Δt

        因此,要時刻保持T恒定,就需要使(ω2·R2)-(ω1·R1)為一常量。按照速度同步的方法,假定進(jìn)紙張力輥為虛擬主軸,則出紙張力輥對虛擬主軸的電子齒輪比為R1/R2。由于輥?zhàn)影霃讲蛔?,因此只需要通過速度同步方式使ω2與ω1保持相應(yīng)的速度差就能保證要求的張力。

        2.張力閉環(huán)與收放卷控制

        收卷也是印刷后期處理的一種常用方式,很多加工設(shè)備中原紙多以紙卷方式進(jìn)行應(yīng)用,所以收卷是為以后的進(jìn)一步應(yīng)用做好準(zhǔn)備。為使紙卷緊而齊,并保持表面平整度,收卷時應(yīng)對紙帶施加一定的張力,并在運(yùn)行過程中保持張力的恒定。在寬幅、大直徑紙帶的收卷中,為確保卷成的紙卷內(nèi)芯不被擠壓成錐形突出,表面平整不產(chǎn)生塌陷,還要求張力隨收卷卷徑的增大而變小,即實(shí)施變張力(張力錐度)控制。收卷的控制方式主要有以下3種:

        ①無張力線速度檢測的開環(huán)控制。該方案中沒有任何檢測信號或沒有將任何檢測信號進(jìn)行反饋,因此簡單經(jīng)濟(jì),其缺點(diǎn)主要是控制精度不高。

        ②帶線速度檢測的半閉環(huán)控制。該方案通過聯(lián)合線速度信號和轉(zhuǎn)速信號來得出收卷卷徑,從而根據(jù)卷徑的變化來協(xié)調(diào)控制,該方案對系統(tǒng)模型具有較大的依賴性。

        ③帶張力和線速度檢測的全閉環(huán)控制。該方案將檢測到的張力信號和得到的卷徑信號結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)具有張力錐度控制功能的收卷張力閉環(huán)控制系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的協(xié)調(diào)控制。

        以上控制方式均有各自的優(yōu)缺點(diǎn),對于不同的應(yīng)用場合和不同的控制要求具有相對的實(shí)用性。本印刷控制系統(tǒng)的收卷裝置應(yīng)用了浮動輥裝置,可以反饋收卷張力信號,利用張力信號來調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速,所以本系統(tǒng)的收卷控制可以認(rèn)為是全閉環(huán)控制。

        對卷繞物進(jìn)行收放卷的控制不僅需要對張力進(jìn)行閉環(huán)控制,還要處理卷徑變化造成的線速度的變化,以及設(shè)定張力錐度。以往的收、放卷系統(tǒng)均作為單獨(dú)的控制單元,如圖3。采用無軸傳動系統(tǒng)后,控制收放卷的軸以速度同步的方式與系統(tǒng)的虛擬主軸同步,特別是在加減速動態(tài)時更能顯現(xiàn)出同步的優(yōu)勢。

        復(fù)卷軸與無軸系統(tǒng)的虛擬軸為速度同步。氣缸利用杠桿的原理給浮動輥施加力并最終產(chǎn)生張力。杠桿的支點(diǎn)處安裝電位器,當(dāng)實(shí)際張力與設(shè)定張力值不等時,產(chǎn)生電壓反饋送到復(fù)卷軸驅(qū)動器的模擬量輸入端口,通過PID調(diào)節(jié)器將電壓差轉(zhuǎn)變?yōu)檩S的速度附加值,通過軸的轉(zhuǎn)速調(diào)整穩(wěn)定張力,如圖4所示。

        但是由于紙卷的卷徑在不斷變化,根據(jù)速度同步的原理,復(fù)卷單元的軸對虛擬主軸的電子齒輪比應(yīng)該隨著卷徑的增加而變化,否則傳動系統(tǒng)對復(fù)卷單元軸的速度和加速度的控制會產(chǎn)生錯誤。通過實(shí)驗(yàn)也證明,僅通過PID調(diào)節(jié)器來跟蹤調(diào)整復(fù)卷電機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定張力的控制,在某些情況下(比如在整個系統(tǒng)突然加減速時)難以及時響應(yīng)。因此需要及時計算紙卷的卷徑并修正復(fù)卷單元軸對虛擬主軸的電子齒輪比。

        張力控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

        1.表柔印刷機(jī)系統(tǒng)介紹

        本課題針對某印刷機(jī)廠的一款表柔印刷機(jī)(如圖5)進(jìn)行了無軸化改造,該機(jī)包括控制張力的給紙機(jī)構(gòu)、張力機(jī)組,5個柔印機(jī)組,2個膠印機(jī)組以及一個復(fù)卷單元。系統(tǒng)采用德國博士力士樂公司的IndraDrive型驅(qū)動器和MSK系列電機(jī)。系統(tǒng)采用SERCOS和ProfiBus分別作為運(yùn)動控制和邏輯控制的通訊總線。

        2.張力控制的實(shí)現(xiàn)

        本課題研究的印刷機(jī)在給紙機(jī)構(gòu)與張力機(jī)組之間的張力控制為開環(huán)控制,復(fù)卷單元為閉環(huán)的收放卷控制。

        在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究國產(chǎn)化的實(shí)現(xiàn)方法。

        ①開環(huán)張力控制的實(shí)現(xiàn)

        開環(huán)張力控制需要速度同步的功能,采用電子凸輪模塊(圖6)來實(shí)現(xiàn)。首先將虛擬主軸設(shè)為Master,設(shè)要進(jìn)行開環(huán)張力控制的進(jìn)紙與出紙軸為Slave。根據(jù)進(jìn)出紙軸的半徑與虛擬主軸的半徑之比確定各自的電子齒輪比。此時,由于進(jìn)出紙軸的速度差為0,無法形成張力。因此為了獲得適當(dāng)?shù)膹埩?,就要在出紙軸的SlaveScaling上增加一個調(diào)整量如圖7,通過調(diào)整該值就可以在進(jìn)出紙兩軸間形成速差,產(chǎn)生張力。

        ②復(fù)卷控制的實(shí)現(xiàn)

        收卷機(jī)械主要用到了浮動輥、氣缸、牽引輥、導(dǎo)向輥等,收卷過程中作用在浮動輥上的拉力與輥的自身重力以及氣缸的推力相平衡,浮動輥處于中間的平衡位置,保證浮動輥一直處于中間的平衡位置即保證了收卷過程中的張力恒定。簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖8所示。

        在收卷過程中,若始終保持張力為一個定值,最終很容易造成紙卷的空心現(xiàn)象,所以在控制過程中需要張力的大小由大變小,浮動輥要求一直保持在水平位置來保證張力恒定,這就要求改變氣缸的推力來改變收卷紙張的張力,在印刷制品的收卷過程中一般可采取簡單的錐度變化來實(shí)現(xiàn),如圖9所示。

        其中橫軸表示的是紙卷卷徑大小,縱軸表示的是控制氣缸推力大小的電壓。本控制系統(tǒng)的卷紙直徑極限值是1500mm,軸芯直徑為80mm,因此設(shè)計為卷徑在300mm內(nèi)時保持一個一定的張力值,卷徑在300~1000mm時張力以一定的線性關(guān)系遞減,在卷徑超過1000mm時張力又保持在一個穩(wěn)定的值上。

        SYNAX200系統(tǒng)可以提供3種收放卷的方式:浮動輥、張力傳感器、甚至無傳感器方式。本機(jī)器是根據(jù)浮動輥的位置來調(diào)整收卷的速度,收卷系統(tǒng)包括一臺伺服電機(jī)(用它來驅(qū)動收卷的軸),一個浮動輥,一個相位傳感器以及伺服驅(qū)動器。相位傳感器根據(jù)浮動輥擺動的不同位置產(chǎn)生不同的電壓信號,輸送到伺服驅(qū)動器來控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動。可以將相位傳感器在浮動輥擺動到中間位置時產(chǎn)生的電壓信號作為設(shè)定值,位置檢測值是根據(jù)浮動輥的不同位置不斷變化的,伺服驅(qū)動器通過一系列的運(yùn)算調(diào)節(jié)速度調(diào)整量來進(jìn)行速度控制。

        復(fù)卷軸先與虛擬主軸做速度同步運(yùn)動。在閉環(huán)控制下輸出速度附加值并疊加到原有的速度上,使復(fù)卷軸速度高于虛擬主軸速度而形成張力。當(dāng)卷徑增大時,通過卷徑計算產(chǎn)生當(dāng)前卷徑,進(jìn)而產(chǎn)生當(dāng)前的電子齒輪比給SlaveScaling。隨著卷徑的增加,復(fù)卷所需張力由設(shè)置好的張力錐度重新確定。速度附加值和模擬量I/O的數(shù)據(jù)可以通過SERCOS的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)S37(速度附加值)和博士力士樂公司的IndraDrive型驅(qū)動器自帶的負(fù)責(zé)模擬量輸入輸出的P參數(shù)(產(chǎn)品參數(shù))得到實(shí)時處理。

        本文針對無軸傳動印刷系統(tǒng)研究了此類系統(tǒng)中張力控制的方法。在對某印刷機(jī)廠表柔印刷機(jī)的無軸化改造中采用力士樂的無軸控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了張力的開環(huán)控制和閉環(huán)的復(fù)卷張力控制。印刷速度最高可達(dá)200m/min,套準(zhǔn)精度為0.03mm。最終攻克了印刷過程中同步控制,張力控制,凸輪控制以及收卷控制等無軸控制技術(shù)的難點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了無軸印刷機(jī)的國產(chǎn)化。

        責(zé)任編輯:李倩 liqian@cprint.cn

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