多色胶印轮转机中的多轴同步伺服传动

        科学技术的发展促进了报纸印刷行业的技术进步，从80年代起，我国各级报社印刷厂陆续告别了铅与火的印刷方式，逐步使用胶印轮转印刷机印刷报纸。胶印轮转印刷机也随着新技术、新工艺、新材料的应用。其功能越来越完备，印刷质量也越来越稳定。
        图1所示为一台典型的国产四色胶印轮转印刷机的示意图。图1中，印刷机组由4个B-B印刷滚筒垂直排列。多色胶印轮转机是一种复杂控制、精度要求极高的设备，为保证套印精度，对各个印刷滚筒的转速精度、位置精度和同步性能要求非常高，早期的印刷机是采用一个主电机来带动各个印刷滚筒，各印刷滚筒和主电机间用一根主传动轴进行钢性联接，这种方式通常称为有轴式的轮转机。由于传动轴的存在带来了诸如体积大、造价高、占地大、不灵活等一系列问题。
         所谓无轴传动就是用电机直接驱动印刷滚筒，取代了传动齿轮、轴传动，从而使机器的制造、安装、保养更简单，减少了机械故障。由于使用了无轴传动技术，各滚筒和印刷单元由独立电机控制驱动，滚筒和印刷单元之间的同步由电气控制，操作使用容易，而且暂时不用的印刷滚筒及印刷单元也可方便地离合。
采用无轴无齿轮传动技术。每个印刷滚筒都独立驱动，运用最新的伺服电机和数字技术，能充分保证橡皮滚筒和印版滚筒之间的同步运转要求。
        图1所示的设备，可以每个H印刷单元配置一个伺服电机独立控制，折页传动也无轴技术，折页滚筒和无头辊各有一个伺服电机独立驱动。

多轴同步伺服传动系统的总体结构
系统总体框图如图2所示。图2中:
人机接口采用一个触摸屏，负责整个设备与操作人员间的交流。





图1 典型的国产四色胶印轮转印刷机的示意图
       上位机计划采用一台台湾研华的P4级工业控制计算机，主要负责设备的总体控制、参数设置、数据存储、加载、设备运行状态的监控等功能。
        PLC作为实际的执行环节，负责将上位机的相应的控制信息转换为一系列的可执行的操作和动作，并实时控制系统的运行。
        虚拟主轴采用一台同步控制器，采用双DSP的结构，主要负责根据PLC传过来的控制指令生成相应的虚拟主轴的运行状态，并根据其状态控制各伺服系统的相应的运行状态，并负责各伺服系统的状态监控，实时将伺服系统的相关的运行状态的信息回传给PLC。
        伺服系统主要由交流伺服驱动器、交流伺服电机、编码器、通讯端口等组成，主要任务是根据从虚拟主轴传送过来的控制指令，控制自身的运行姿态，保证各组间的转速和相位的同步。
张力控制系统根据虚拟主轴的控制指令以及张力的设定值和检测值，经相应运算，生成给纸机构的运行控制指令，控制给纸伺服系统的工作姿态，从而保证印刷的精度和速度。
        由PLC控制的其它功能，如拉版控制、离合压控制、水墨控制等控制功能均采用印刷机原有控制方式和设计，在此不加描述。

伺服传动系统的原理
        本系统共配置6台伺服系统，如图2所示，其中系统1、2控制折页部分、系统3、4、5、6各控制一组H印刷单元的2个B-B印刷滚筒。





图2 系统总体框图
各伺服系统的组成如图3所示:





图3 伺服系统的组成
图3中:
         总线接口采用SERCOS总线协议;该模块负现接收虚拟主轴下传送的运行速度指令及相位同步信号，并回传本伺服系统的当前运行频率、相位以及本系统的工作状态信号等;
        伺服电机采用三相交流异步伺服电动机，电机轴安装高精度编码器，输出轴经减速齿轮(减速比2:1)连接到各印刷滚筒伺服驱动器的的系统原理框图如图4所示;

图4 伺服驱动器的的系统原理框图
        驱动单元采用矢量控制方式, 以高速数字信号处理器DSP 为核心, 以大规模专用集成电路、高速功率模块作为实现电路, 使驱动单元具有体积小、重量轻、运算速度高、位置控制定向时间短、易于高速准停等诸多优点。该驱动单元能接受数字速度给定, 也能接受模拟速度给定, 具备过流、过压、过载、欠压、过热、过速等多项保护的监控和诊断功能, 具有通讯功能, 准停参数及运行参数设置既可以通过PC 机预置也可以手动输入, 设计紧凑, 使用方便。
编码器采用一台2的20次方精度的增量式光电编码器。
        当印刷机工作于最高速度45000 sph(sheets per hour,页/小时)时，对应于印刷滚筒的转速为 750r/min，由于电机轴到印刷滚筒有一个2:1的减速，则要求伺服电机的最高转速为:
750×2=1500r/min
印刷滚筒直径为173.8 mm，周长为L=173.8×π=546mm。
编码器采用一台2的20次方精度的增量式光电编码器，加之电机输出到滚筒有一个2:1的减速比，检测环节的分辨率为:

或者:

虚拟主轴与现场总线
         有轴式的轮转机中采用一台主电机带动一个主轴，各个机组通过机械传动机构与主轴相连，用机械的方式实现多个印刷机组之间的运转速度与相位的同步。
        本方案中取消了机械主轴，而代之以一个虚拟的电子主轴，由虚拟主轴控制器(以下简称VMC)虚拟出一个主轴的运行状态，再通过高速现场总线网络将虚拟主轴的运行状态传送给各个伺服系统，各个伺服系统各自组成闭环，精确控制自身的运行姿态，在VMC的同步信号的控制下，实现运行速度与相位的高速精确同步，从而构成一个高速精密的主从型伺服控制系统。
VMC采用双CPU的结构，采用高速信号处理器TMS320F2812,VMC的功能框图如图5所示。

图5 VMC的功能框图
同步信号的传输以及虚拟主轴控制器与各伺服系统间的信息交换采高速现场总线(SERCOS)完成。
        要求两个从站的速度相同，即角速度和相位相同。如果有一个从站不同步，随着时间增加，两个从站的同步误差就会累积，从而不能满足高速印刷的要求。采用SERCOS无轴传动和独立的定位控制，能够解决这个难题。当出现不同步时，从站发送伺服电报，把它的相关信息传送给主站，主站数据电报就将对相应的传动装置进行新的设定，发送给从站，从站接收数据后根据主站的设定改变其速度和相位，从而始终保证同步误差维持在允许的范围内，不再进行累加，保证了高速印刷同步的要求。

结语
         由多轴同步伺服传动控制技术构成的无轴传动印刷机，与采用一台主电机拖动的有轴式传动的印刷机相比，其生产能力和印品加工质量有较大提高，系统配置的灵活性增加，操作简单，生产成本降低，系统工作更加安全可靠。