一、前言
無軸傳動系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代末90年代初出現(xiàn)的新的傳動技術(shù)。到了90年代后期已應(yīng)用到各類卷筒紙和部分其它印刷機(jī)上。它在單張紙膠印機(jī)，表格印刷機(jī)上都有應(yīng)用。例如卷筒紙膠印機(jī)各機(jī)組間，印刷機(jī)組和折頁機(jī)組，印刷機(jī)組和給紙機(jī)組之間都是由一個主電機(jī)帶動主傳動軸和斜齒輪傳遞到個印刷機(jī)組的。各印刷機(jī)組依靠機(jī)械軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)來完成印刷任務(wù)即為有軸傳動。由于科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，到了20世紀(jì)90年代中期推出了印刷機(jī)的各印刷機(jī)組由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動，機(jī)組之間不設(shè)有機(jī)械軸，各機(jī)組不再依靠機(jī)械軸同步運(yùn)行而是由電子軸來完成印刷任務(wù)了。即無軸傳動印刷機(jī)，它實際上是一種伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控制量能夠跟隨輸入目標(biāo)值或給定值的任意變化而變化的自動控制系統(tǒng)。它采用眾多的伺服電機(jī)來分別驅(qū)動各機(jī)組的伺服運(yùn)行，這些伺服電機(jī)并非各自為政，而是緊密相連相約的，它們的驅(qū)動系統(tǒng)是由不同層次的網(wǎng)絡(luò)傳輸信號來控制，從而在瞬間實現(xiàn)協(xié)作和機(jī)組的同步運(yùn)行，這些驅(qū)動設(shè)備以及各種網(wǎng)絡(luò)形成了一條“虛擬軸”從而取代了機(jī)械軸即有軸來帶動印刷機(jī)組同步運(yùn)行，因此稱這樣的一種自動化控制系統(tǒng)為無軸傳動技術(shù)。
二、博世力士樂(Bosch Rexroth) SYNAX200無軸傳動系統(tǒng)
我們廠于2007年11月引進(jìn)的瑞典D390塔式高速輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)就是應(yīng)用了全套博世力士樂(Bosch Rexroth )SYNAX200無軸傳動技術(shù)。SYNAX 200驅(qū)動與控制系統(tǒng)取代了迄今為止仍然經(jīng)常使用但較為昂貴的機(jī)械齒輪箱、萬向軸聯(lián)結(jié)、傳動長軸和凸輪等機(jī)械裝置與機(jī)構(gòu)，而代之以數(shù)字化智能伺服驅(qū)動、精確的電子同步系統(tǒng)，從而無需為不同的齒輪箱或滿足各種特殊功能再配備額外的輔助驅(qū)動系統(tǒng)。從而提高了印刷質(zhì)量，并且也極大地減少了機(jī)器起動和剎車時造成的印廢量。整個印刷過程由系統(tǒng)內(nèi)部的功能來支持，它們是電子減速器、電子凸輪盤、牽引張力控制器、對版控制器、跳動控制器。SYNAX 200控制系統(tǒng)為每個獨(dú)立驅(qū)動系統(tǒng)計算出同步的虛擬“電子軸”位置，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的SERCOS(光纖維)驅(qū)動界面上（IEC61491）的期望值，通過光纖維以一定的周期傳送到印刷機(jī)的無軸獨(dú)立驅(qū)動系統(tǒng)上，完全可以不受任何干擾。每個無軸獨(dú)立驅(qū)動系統(tǒng)的位置（或相位）控制都是如此，從而確保了整臺印刷機(jī)在印刷過程中的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。將信號無干擾地傳遞給單個驅(qū)動器。帶伺服驅(qū)動技術(shù)的印刷裝置單驅(qū)動器是通過電子齒輪來實現(xiàn)在每次更換報紙印刷任務(wù)時所必須進(jìn)行的傳動匹配工作的。這種電子齒輪能夠與所需的印刷任務(wù)達(dá)到理想的銜接。這就允許相應(yīng)于所要求的報紙印刷任務(wù)完成圖案的CMYK顏色的縱向匹配。由此可以完全取消迄今為止所必須的精密機(jī)械齒輪。其結(jié)果是費(fèi)用降低。精密機(jī)械齒輪的取消，免去了每次更換印刷任務(wù)時，很麻煩的進(jìn)放嚙合過程。伺服驅(qū)動器的絕對值傳感器技術(shù)保證印刷滾筒快速準(zhǔn)確地校準(zhǔn)對版位置。除此之外，還可能使印刷長度的修正量達(dá)到十萬分之一的精度。其結(jié)果就是在高度生產(chǎn)可靠性的條件下印廢量的急劇減少。印刷裝置的設(shè)定，同樣也配備了力士樂的智能型伺服驅(qū)動器和分辨精度高達(dá)四百線的高精度伺服電機(jī)。它能夠在1 m的范圍內(nèi)對印版滾筒進(jìn)行校準(zhǔn)，由此而在全部工作區(qū)內(nèi)實現(xiàn)了理想的精密顏色套準(zhǔn)。印刷裝置首次可以在紙帶全速的情況下，不停機(jī)地接通。如果當(dāng)前的報紙印刷任務(wù)僅需10個印刷裝置中的4個，這時其它的6個就可以為下個報紙印刷任務(wù)做準(zhǔn)備.圖1為SYNAX200的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：
1.PPC主控單元及PROFIBUS RS485 RS422總線的運(yùn)用
PPC是SYNAX 200驅(qū)動與控制系統(tǒng)的核心，它是博世力士樂(Bosch Rexroth)電氣傳動與控制技術(shù)集團(tuán)提供的小型獨(dú)立運(yùn)動控制器，單CPU，通過分時完成對運(yùn)動和內(nèi)嵌PLC的同步控制。根據(jù)其應(yīng)用和所配軟件，該平臺可當(dāng)作PLC和運(yùn)動控制器。還可通過分組多個 PPC 控制臺和主操作系統(tǒng)解決復(fù)雜的自動化任務(wù)，也可管理兩級聯(lián)式主操作系統(tǒng)和SERCOS環(huán)內(nèi)最多40個從動軸。瑞典D390高速輪轉(zhuǎn)塔式印刷機(jī)沒有使用傳統(tǒng)的可編程控制器做運(yùn)動控制，而是用Bosch Rexroth的高性能PPC控制器進(jìn)行控制。D390印刷機(jī)是由1個折頁機(jī)組(報頭)和3個印刷塔組成,4個部分間無機(jī)械軸連接,依靠先進(jìn)的SERCOS（光纖）環(huán)路作為虛擬軸連接,如圖所示: 每個印刷塔都由主控電柜中的單個PPC通過SERCOS（光纖）環(huán)路控制自己塔內(nèi)的所有的伺服控制系統(tǒng),并形成閉環(huán).見圖2(略)。PPC系統(tǒng)在所有軸向上都提供了全部同步化運(yùn)動，以及對D390機(jī)上的24伏直流I/O連接的邏輯編程。PPC內(nèi)嵌PLC通過PROFIBUS總線來控制印刷塔機(jī)上電箱中的PLC輸入輸出的模塊,通過RS485 串行總線控制自動噴霧系統(tǒng),通過RS422串行總線控制遙控墨鍵系統(tǒng):如圖3(略)所示。而每個PPC之間通過SERCOS（光纖）環(huán)路連通,并形成雙閉環(huán)。見圖2(略)。
2.光纖回路的運(yùn)用
PPC之間，PPC與伺服驅(qū)動器間，伺服驅(qū)動器之間都采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的SERCOS數(shù)字光纖網(wǎng)絡(luò)控制，SERCOS與其他串行現(xiàn)場總線相比，有效數(shù)據(jù)傳輸率高，例如Ethement以100Mbit/s速度傳輸數(shù)據(jù)時，有效數(shù)據(jù)傳輸率為5～10Mbit/s；SERCOS以16Mbit/s速度傳輸數(shù)據(jù)時，有效數(shù)據(jù)傳輸率為11Mbit/s。另一個特點是它光纖噪聲抑制能力強(qiáng)、傳輸可靠性高,信號通過光纖維以一定的周期傳送到印刷機(jī)的無軸獨(dú)立驅(qū)動系統(tǒng)上，完全可以不受任何干擾。SERCOS目前已能滿足在2ms內(nèi)，使一臺PPC控制器與多達(dá)32個伺服系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,為系統(tǒng)里的每個交流伺服系統(tǒng)提供32位的命令信號和診斷分析反饋。另PPC控制器之間的雙閉環(huán)分主環(huán)和副環(huán),主環(huán)通常被用做通訊,當(dāng)主環(huán)正常運(yùn)行時副環(huán)只用來傳輸診斷信號,如果主環(huán)停止傳輸信號后,副環(huán)將用來傳輸冗余或備份的信號,但副環(huán)連接的方向必須與主環(huán)相反.為了保證虛擬軸能正常運(yùn)轉(zhuǎn)這樣雙保險的設(shè)計還是值得稱道的。見圖5。另附PPC的一些參數(shù)設(shè)置的截圖見圖6,7,8(略)。
3.局域網(wǎng)的運(yùn)用
在D390系統(tǒng)中使用了一臺32口的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)用于組建系統(tǒng)內(nèi)部的局域網(wǎng).其中任務(wù)服務(wù)器(press manager)地址為192.168.1.101,報頭PPC地址為192.168.1.31,可擴(kuò)展到4個報頭即地址可延伸到192.168.1.34,印刷塔地址為192.168.1.1,可擴(kuò)展到16個印刷塔即地址可延伸到192.168.1.16。控制臺地址為192.168.1.51可擴(kuò)展到8個控制臺即地址可延伸到192.168.1.58。顏色自動校準(zhǔn)的相機(jī)地址為192.168.1.81。VCP25人機(jī)界面地址為192.168.1.111-116。如果說SERCOS數(shù)字光纖系統(tǒng)在整個SYNAX200系統(tǒng)中起著與伺服系統(tǒng)進(jìn)行海量同步數(shù)據(jù)交換的作用且對數(shù)據(jù)安全性要求極高,那么局域網(wǎng)對其就是有益的補(bǔ)充。
4.伺服控制系統(tǒng)
D390印刷機(jī)伺服控制系統(tǒng)使用電源模塊和逆變器模塊的單軸方案:單軸應(yīng)用方案是模塊化的IndraDrive M的使用領(lǐng)域.電源模塊為逆變器提供必需的直流母線電壓.緊湊的單軸或雙軸逆變器以及集成電源連接部件的電源模塊可以實現(xiàn)大型驅(qū)動組的應(yīng)用方案.其中電源模塊具有集成主接觸器, 集成制動電阻器,節(jié)省能源的電源回饋等優(yōu)點.通過具有回饋功能的電源模塊,可以獲得最高的能源利用率.除了驅(qū)動器發(fā)電機(jī)工作方式的電源回饋,它還以其直流母線的調(diào)節(jié)能力而著稱.模塊式逆變器也可通過共同的直流母線進(jìn)行能量交換.每個模塊式逆變器的控制模塊采用的型號是CSH01.1-SE-ENS-NNN-NNN-S1-S-NN-FW.“SE”代表使用SERCOS接口，此控制模塊是使用SERCOS接口的基本型號, SERCOS的顯著特點就是指令值以極小的循環(huán)時間在控制器與驅(qū)動器之間傳遞。結(jié)合準(zhǔn)確的所有驅(qū)動器的同步，SERCOS接口實現(xiàn)了最大的動態(tài)響應(yīng)性和最高的精確度，通過光纖的信號傳遞保障了安全的數(shù)據(jù)交換，同時具有最方便的接線。為了連接INDRADYN電機(jī)編碼器和其它標(biāo)準(zhǔn)編碼器，比如HIPERFACE編碼器，相應(yīng)的編碼器接口已經(jīng)集成安裝在此控制模塊上。D390印刷機(jī)伺服控制系統(tǒng)使用的是INDRADYNA系列異步伺服電機(jī)MAD電機(jī)系列。大功率密度的特點使其在印刷行業(yè)的伺服與主軸的應(yīng)用上有極大的優(yōu)勢。高分辨率的單圈或多圈的編碼器反饋系統(tǒng)以極佳的回轉(zhuǎn)質(zhì)量保證了最高的加工精度。除了鍵槽軸和保持制動器等選項，電機(jī)還配備有特殊的支座用于高速的應(yīng)用或者徑向負(fù)荷較高的應(yīng)用。MAD電機(jī)系列使用2048線，4096倍分辨率的絕對值多圈編碼器。這里我們談?wù)劷^對值多圈編碼器的優(yōu)點(略)。絕對值多圈編碼器在MAD系列電機(jī)的應(yīng)用為無軸系統(tǒng)的同步運(yùn)行提供了保障。系統(tǒng)圖見圖11。
5．強(qiáng)大的SYNTOP診斷系統(tǒng)
SYNTOP診斷系統(tǒng)其實是 SYNAX200 系統(tǒng)的調(diào)試軟件。“SynTop”作為命令和診斷工具，可以引導(dǎo)用戶通過監(jiān)測器的聯(lián)機(jī)幫助，直接輸入需要的內(nèi)容而進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，從而改變了原來耗時長、成本高的編程工作。以下是SYNTOP軟件在部分重要設(shè)置上的截圖，見圖12-16(略)。
