贝加莱 无轴传动控制系统在凹版印刷机中的应用

0 引言

　　胶印、柔印、凹印技术三足鼎立，三种工艺各有所长,其中的凹印技术以其印刷色差小、印金效果好、印品无接缝、印材适用面广、符合长版活印刷等优点而为人称道。随着控制技术的发展，目前全球印刷企业用户和设备生产厂商都将目光聚集于一项新兴控制技术——无轴传动控制。尤其是应用在凹版印刷机上，其优势更为突出。

　　传统的机组式凹版印刷机依靠一根机械主轴通过涡轮蜗杆向各个印刷单元传递动力，并以此来保证各色组版辊的运动同步，动力来源于由矢量控制变频器控制的三相异步电动机，其传动精度差，机械结构复杂。印刷图案的套准控制则是通过控制专门的浮动辊的运动，并通过控制张力以控制承印物的拉伸而实现的。我们将这种传统的机组式凹版印刷方式简称为有轴印刷，相应地将另一种新型的印刷方式简称为无轴印刷。
   
　　所谓无轴传动，就是采用虚拟电子轴取代传统的机械主传动轴，并取消套色系统所需的浮动辊机构，而将传动与套色融为一体，直接作用于印刷版辊的一种伺服传动方式。

　　目前，用于凹印机的无轴传动控制系统分为两个流派：其一是以日本住友、西门子、力士乐等公司为代表的“传动系统+套色系统”的复合式流派，另一个则是以贝加莱公司为代表的集传动与套色为一体的富有创新意义的集成式流派。该集成型系统的显著特点是简洁、高效以及成本的竞争力。

1 无轴传动凹印技术的特点 

1.1 无轴传动控制系统的分类

　　无轴印刷传动技术在发展过程中形成了以下三种类型的系统：亚无轴传动控制系统、准无轴传动控制系统和集成型无轴传动控制系统。

（１） 亚无轴传动控制系统

　　仅仅去掉了传统的机械主传动轴，每一印刷单元采用独立驱动机构，保留了套色系统所需的浮动辊机构且完全独立。由于传动和套准控制系统的相对独立性，控制上很难达到完全协调和稳定，浮动辊机构的结构仍然复杂，而且色组之间的过料长度较长，很难实现高速、高精度的印刷工艺。它是无轴控制系统的前身。

（２） 准无轴传动控制系统

　　不仅去掉了传统的机械主传动轴，同时也去掉了套色系统所需的浮动辊机构，每一印刷单元采用独立驱动机构，以保证印刷版辊的速度同步。同时，由相对独立的套色系统提供已经处理的套色误差信号，无轴传动系统结合速度同步信号和套色误差信号，统一协调工作。它是亚无轴控制系统的发展。

（３） 集成型无轴传动控制系统

　　该系统采用基于伺服控制技术的虚拟电子轴传动来取代传统的机械主传动轴，彻底摒弃了套色系统所需的浮动辊机构，而将传动与套色融为一体，各个印刷单元均配置独立的伺服电机及相应的减速机构对该单元的版辊独立驱动，直接作用于印刷版辊。力求系统的完整性和统一性，有效地将张力控制、远程站点控制纳入其中，由一套PCC统一控制。这是一种真正意义上的无轴传动控制系统，也是本文论述的主题。

1.2 无轴传动凹印机及其控制技术的特点

　　无轴和有轴的根本区别是版辊的传动方式不同，无轴各色组版辊的传动是各自独立的，各单元之间的同步十分关键，这是保证印刷品质的前提和基础。在图案套色控制上，无轴印刷是在保证各轴同步的基础上，通过控制版辊的相位来实现的。
与传统的机械主轴凹印机相比，采用集成型无轴传动控制系统的机组式凹印机具有以下优点：
　
（１）传动结构简化，控制的协调性和稳定性好，过料长度缩短20％，走料时间也相应减少。
　
（２）高精度的预套准和极短的预套准时间

　　印刷版辊只需装入任意印刷单元并初次确认印版辊“零位”，随后伺服系统将自动根据色组间料长来调节版辊相位，将其转动至“印刷位置”。伺服系统的定位精度可达0.001mm，重复精度为0.01mm，自动预套准的范围可以严格控制到+/-10mm以内。
　
（３）采用高性能控制系统以实现高精度、高印速、高套准控制

　　该控制系统以PCC（即可编程计算机控制器）为核心，在控制伺服驱动、数据通信以及数据采集、处理等任务中，大大提高了效率，其处理速度和能力远远超出行业内其它类型的控制器，故它有能力很好地处理套色和同步传动的统一。

　　该系统采用Ethernet POWERLINK实时工业以太网通信的方式，使PCC、HMI、各控制站点、各伺服驱动器之间的数据通信更加可靠、高速和实时。以总线的方式进行远程I/O的配置和通信，节省了配线，并大大降低了系统的干扰和故障，使设备的维护简化。

　　用于版辊位置反馈测量的编码器通过硬件倍频可达到400万线/转的高分辨率，系统控制精度可达0.001mm。在高达600米/分的印刷速度下仍能达到比机械轴凹印机高得多的套准精度，印刷实践证明，该技术使套印精度由原来的0.1mm提高到0.05mm。
　
（４）特殊印刷工艺更易实现

　　无轴传动控制系统不需改变系统硬件配置即可通过软件来实现各个印刷色组正印和反印的任意转换。无轴传动对异径涂布功能和定点涂胶功能的实现，较之传统有轴凹版印刷更简单而又可靠。
　
（５）色组机的分组使用

　　无轴传动控制系统为多色机的分组使用提供了方便。即在某些色组正常作业时，用户可为剩余色组提前做好订单的装版和匀墨工作。此外，用户可依据生产需要将不参加作业的色组置于单动停止状态，达到节能的效果。
　
（６）紧凑的工程设计和良好的工作环境

　　由于取消了机械传动轴和齿轮箱，因而传动噪音和维修保养工作量明显减少，并留出了更大的空间用于操作及维修。各个印刷单元实现模块化设计，节省了安装和调试时间。

2 无轴凹版印刷机控制系统

　　集成型无轴传动控制系统的技术方案立足于简化机械结构和提高控制性能。

2.1 系统构成概述

　　型号不同的机组式凹版印刷机的色组单元个数是不同的，下面以一台10色组单元凹版印刷机的控制系统为例，来说明凹印机无轴传动控制系统的构成。

　　如图1所示，该系统以B&R X20系列PCC为核心（CPU选用CP1486)，与上位操作监控站（选用PP320触摸屏作为HMI）、10套B&R ACOPOS multi伺服驱动系统和10套色标识别系统一起构成基于Ethernet POWERLINK总线网络的无轴凹印机控制系统。

图1  机组式凹版印刷机无轴传动控制系统简化原理图

2.2 主要控制装置和子系统

2.2.1 操作监控站（HMI）

　　在无轴凹印机控制系统中，上位操作监控站是操作人员与系统交换信息的唯一渠道，它实现系统参数读写、系统状态监控、故障提示和配方管理等功能。

　　B&R人机界面系列产品Power Panel 300 BIOS触摸屏是一种集显示操作和数据处理于一体的人机界面。该系统选用了一款面板屏幕尺寸为15英寸的嵌入式高档人机界面，面板背部集成有Ethernet等通信接口，不仅具备人机界面通常所有的功能，同时还可以在其中装入通用操作系统，如Windows XP、Windows CE等，开放的操作系统可以使该系列的触摸屏作为一个SCADA系统的操作员站或远程的瘦客户端，还可支持目前多种主流的图形组态软件，如Wonderware InTouch和组态王等，客户可以根据自己的具体条件选择合适的组态软件以应用于不同行业的项目开发。

2.2.2 X20系列PCC

　　X20系列PCC已成为高精度机械自动化和高可靠性过程自动化等复杂灵活自动化项目的通用解决方案。其CPU是一款高性能的处理器，如采用Intel Celeron 650处理器的X20控制器，具备有附加的I/O处理器和浮点处理器FPU，系统单步指令周期最快可达到0.01us，任务循环周期可短至200us。X20 CPU支持多种通信协议，RS232、Ethernet、Ethernet POWERLINK和USB等通信接口已经成为X20 PCC的标准配置。与B&R的其他系列控制器一样，X20系列的控制器也使用B&R的Automation Studio™软件平台。

　　X20分布式控制的设计理念，可以使用CAN、Ethernet POWERLINK等多种总线把远程分布式I/O模块方便地连接起来，实现传统控制技术和分布式I/O技术的完美结合。 

　　X20系列PCC除能连接常规数字量和模拟量I/O模块外，还可配置高速计数器、PWM、编码器、NC等多种专家模块。并且所有I/O模块<