0 引言
膠印、柔印、凹印技術(shù)三足鼎立，三種工藝各有所長,其中的凹印技術(shù)以其印刷色差小、印金效果好、印品無接縫、印材適用面廣、符合長版活印刷等優(yōu)點(diǎn)而為人稱道。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，目前全球印刷企業(yè)用戶和設(shè)備生產(chǎn)廠商都將目光聚集于一項(xiàng)新興控制技術(shù)——無軸傳動(dòng)控制。尤其是應(yīng)用在凹版印刷機(jī)上，其優(yōu)勢(shì)更為突出。
傳統(tǒng)的機(jī)組式凹版印刷機(jī)依靠一根機(jī)械主軸通過渦輪蝸桿向各個(gè)印刷單元傳遞動(dòng)力，并以此來保證各色組版輥的運(yùn)動(dòng)同步，動(dòng)力來源于由矢量控制變頻器控制的三相異步電動(dòng)機(jī)，其傳動(dòng)精度差，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。印刷圖案的套準(zhǔn)控制則是通過控制專門的浮動(dòng)輥的運(yùn)動(dòng)，并通過控制張力以控制承印物的拉伸而實(shí)現(xiàn)的。我們將這種傳統(tǒng)的機(jī)組式凹版印刷方式簡(jiǎn)稱為有軸印刷，相應(yīng)地將另一種新型的印刷方式簡(jiǎn)稱為無軸印刷。
所謂無軸傳動(dòng)，就是采用虛擬電子軸取代傳統(tǒng)的機(jī)械主傳動(dòng)軸，并取消套色系統(tǒng)所需的浮動(dòng)輥機(jī)構(gòu)，而將傳動(dòng)與套色融為一體，直接作用于印刷版輥的一種伺服傳動(dòng)方式。
目前，用于凹印機(jī)的無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)分為兩個(gè)流派：其一是以日本住友、西門子、力士樂等公司為代表的“傳動(dòng)系統(tǒng)+套色系統(tǒng)”的復(fù)合式流派，另一個(gè)則是以貝加萊公司為代表的集傳動(dòng)與套色為一體的富有創(chuàng)新意義的集成式流派。該集成型系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔、高效以及成本的競(jìng)爭(zhēng)力。
1 無軸傳動(dòng)凹印技術(shù)的特點(diǎn)
1.1 無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)的分類
無軸印刷傳動(dòng)技術(shù)在發(fā)展過程中形成了以下三種類型的系統(tǒng)：亞無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)、準(zhǔn)無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)和集成型無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)。
（１） 亞無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)
僅僅去掉了傳統(tǒng)的機(jī)械主傳動(dòng)軸，每一印刷單元采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，保留了套色系統(tǒng)所需的浮動(dòng)輥機(jī)構(gòu)且完全獨(dú)立。由于傳動(dòng)和套準(zhǔn)控制系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立性，控制上很難達(dá)到完全協(xié)調(diào)和穩(wěn)定，浮動(dòng)輥機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)仍然復(fù)雜，而且色組之間的過料長度較長，很難實(shí)現(xiàn)高速、高精度的印刷工藝。它是無軸控制系統(tǒng)的前身。
（２） 準(zhǔn)無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)
不僅去掉了傳統(tǒng)的機(jī)械主傳動(dòng)軸，同時(shí)也去掉了套色系統(tǒng)所需的浮動(dòng)輥機(jī)構(gòu)，每一印刷單元采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以保證印刷版輥的速度同步。同時(shí)，由相對(duì)獨(dú)立的套色系統(tǒng)提供已經(jīng)處理的套色誤差信號(hào)，無軸傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合速度同步信號(hào)和套色誤差信號(hào)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作。它是亞無軸控制系統(tǒng)的發(fā)展。
（３） 集成型無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用基于伺服控制技術(shù)的虛擬電子軸傳動(dòng)來取代傳統(tǒng)的機(jī)械主傳動(dòng)軸，徹底摒棄了套色系統(tǒng)所需的浮動(dòng)輥機(jī)構(gòu)，而將傳動(dòng)與套色融為一體，各個(gè)印刷單元均配置獨(dú)立的伺服電機(jī)及相應(yīng)的減速機(jī)構(gòu)對(duì)該單元的版輥獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，直接作用于印刷版輥。力求系統(tǒng)的完整性和統(tǒng)一性，有效地將張力控制、遠(yuǎn)程站點(diǎn)控制納入其中，由一套PCC統(tǒng)一控制。這是一種真正意義上的無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)，也是本文論述的主題。
1.2 無軸傳動(dòng)凹印機(jī)及其控制技術(shù)的特點(diǎn)
無軸和有軸的根本區(qū)別是版輥的傳動(dòng)方式不同，無軸各色組版輥的傳動(dòng)是各自獨(dú)立的，各單元之間的同步十分關(guān)鍵，這是保證印刷品質(zhì)的前提和基礎(chǔ)。在圖案套色控制上，無軸印刷是在保證各軸同步的基礎(chǔ)上，通過控制版輥的相位來實(shí)現(xiàn)的。
與傳統(tǒng)的機(jī)械主軸凹印機(jī)相比，采用集成型無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)組式凹印機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（１）傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，控制的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性好，過料長度縮短20％，走料時(shí)間也相應(yīng)減少。
（２）高精度的預(yù)套準(zhǔn)和極短的預(yù)套準(zhǔn)時(shí)間
印刷版輥只需裝入任意印刷單元并初次確認(rèn)印版輥“零位”，隨后伺服系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)色組間料長來調(diào)節(jié)版輥相位，將其轉(zhuǎn)動(dòng)至“印刷位置”。伺服系統(tǒng)的定位精度可達(dá)0.001mm，重復(fù)精度為0.01mm，自動(dòng)預(yù)套準(zhǔn)的范圍可以嚴(yán)格控制到+/-10mm以內(nèi)。
（３）采用高性能控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)高精度、高印速、高套準(zhǔn)控制
該控制系統(tǒng)以PCC（即可編程計(jì)算機(jī)控制器）為核心，在控制伺服驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)通信以及數(shù)據(jù)采集、處理等任務(wù)中，大大提高了效率，其處理速度和能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出行業(yè)內(nèi)其它類型的控制器，故它有能力很好地處理套色和同步傳動(dòng)的統(tǒng)一。
該系統(tǒng)采用Ethernet POWERLINK實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通信的方式，使PCC、HMI、各控制站點(diǎn)、各伺服驅(qū)動(dòng)器之間的數(shù)據(jù)通信更加可靠、高速和實(shí)時(shí)。以總線的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程I/O的配置和通信，節(jié)省了配線，并大大降低了系統(tǒng)的干擾和故障，使設(shè)備的維護(hù)簡(jiǎn)化。
用于版輥位置反饋測(cè)量的編碼器通過硬件倍頻可達(dá)到400萬線/轉(zhuǎn)的高分辨率，系統(tǒng)控制精度可達(dá)0.001mm。在高達(dá)600米/分的印刷速度下仍能達(dá)到比機(jī)械軸凹印機(jī)高得多的套準(zhǔn)精度，印刷實(shí)踐證明，該技術(shù)使套印精度由原來的0.1mm提高到0.05mm。
（４）特殊印刷工藝更易實(shí)現(xiàn)
無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)不需改變系統(tǒng)硬件配置即可通過軟件來實(shí)現(xiàn)各個(gè)印刷色組正印和反印的任意轉(zhuǎn)換。無軸傳動(dòng)對(duì)異徑涂布功能和定點(diǎn)涂膠功能的實(shí)現(xiàn)，較之傳統(tǒng)有軸凹版印刷更簡(jiǎn)單而又可靠。
（５）色組機(jī)的分組使用
無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)為多色機(jī)的分組使用提供了方便。即在某些色組正常作業(yè)時(shí)，用戶可為剩余色組提前做好訂單的裝版和勻墨工作。此外，用戶可依據(jù)生產(chǎn)需要將不參加作業(yè)的色組置于單動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)，達(dá)到節(jié)能的效果。
（６）緊湊的工程設(shè)計(jì)和良好的工作環(huán)境
由于取消了機(jī)械傳動(dòng)軸和齒輪箱，因而傳動(dòng)噪音和維修保養(yǎng)工作量明顯減少，并留出了更大的空間用于操作及維修。各個(gè)印刷單元實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，節(jié)省了安裝和調(diào)試時(shí)間。
2 無軸凹版印刷機(jī)控制系統(tǒng)
集成型無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)方案立足于簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)和提高控制性能。
2.1 系統(tǒng)構(gòu)成概述
型號(hào)不同的機(jī)組式凹版印刷機(jī)的色組單元個(gè)數(shù)是不同的，下面以一臺(tái)10色組單元凹版印刷機(jī)的控制系統(tǒng)為例，來說明凹印機(jī)無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成。
如圖1所示，該系統(tǒng)以B&R X20系列PCC為核心（CPU選用CP1486)，與上位操作監(jiān)控站（選用PP320觸摸屏作為HMI）、10套B&R ACOPOS multi伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和10套色標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)一起構(gòu)成基于Ethernet POWERLINK總線網(wǎng)絡(luò)的無軸凹印機(jī)控制系統(tǒng)。
圖1 機(jī)組式凹版印刷機(jī)無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理圖
2.2 主要控制裝置和子系統(tǒng)
2.2.1 操作監(jiān)控站（HMI）
在無軸凹印機(jī)控制系統(tǒng)中，上位操作監(jiān)控站是操作人員與系統(tǒng)交換信息的唯一渠道，它實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)讀寫、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、故障提示和配方管理等功能。
B&R人機(jī)界面系列產(chǎn)品Power Panel 300 BIOS觸摸屏是一種集顯示操作和數(shù)據(jù)處理于一體的人機(jī)界面。該系統(tǒng)選用了一款面板屏幕尺寸為15英寸的嵌入式高檔人機(jī)界面，面板背部集成有Ethernet等通信接口，不僅具備人機(jī)界面通常所有的功能，同時(shí)還可以在其中裝入通用操作系統(tǒng)，如Windows XP、Windows CE等，開放的操作系統(tǒng)可以使該系列的觸摸屏作為一個(gè)SCADA系統(tǒng)的操作員站或遠(yuǎn)程的瘦客戶端，還可支持目前多種主流的圖形組態(tài)軟件，如Wonderware InTouch和組態(tài)王等，客戶可以根據(jù)自己的具體條件選擇合適的組態(tài)軟件以應(yīng)用于不同行業(yè)的項(xiàng)目開發(fā)。
2.2.2 X20系列PCC
X20系列PCC已成為高精度機(jī)械自動(dòng)化和高可靠性過程自動(dòng)化等復(fù)雜靈活自動(dòng)化項(xiàng)目的通用解決方案。其CPU是一款高性能的處理器，如采用Intel Celeron 650處理器的X20控制器，具備有附加的I/O處理器和浮點(diǎn)處理器FPU，系統(tǒng)單步指令周期最快可達(dá)到0.01us，任務(wù)循環(huán)周期可短至200us。X20 CPU支持多種通信協(xié)議，RS232、Ethernet、Ethernet POWERLINK和USB等通信接口已經(jīng)成為X20 PCC的標(biāo)準(zhǔn)配置。與B&R的其他系列控制器一樣，X20系列的控制器也使用B&R的Automation Studio™軟件平臺(tái)。
X20分布式控制的設(shè)計(jì)理念，可以使用CAN、Ethernet POWERLINK等多種總線把遠(yuǎn)程分布式I/O模塊方便地連接起來，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)控制技術(shù)和分布式I/O技術(shù)的完美結(jié)合。
X20系列PCC除能連接常規(guī)數(shù)字量和模擬量I/O模塊外，還可配置高速計(jì)數(shù)器、PWM、編碼器、NC等多種專家模塊。并且所有I/O模塊<
