0 引言
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新興控制技術(shù)——無軸傳動控制。尤其是應(yīng)用在凹版印刷機(jī)上，其優(yōu)勢更為突出。
傳統(tǒng)的機(jī)組式凹版印刷機(jī)（有軸印刷）依靠一根機(jī)械主軸通過渦輪蝸桿向各個印刷單元傳遞動力，并以此來保證各色組版輥的運(yùn)動同步，動力來源于由矢量控制變頻器控制的三相異步電動機(jī)，其傳動精度差，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輥的運(yùn)動，并通過控制張力以控制承印物的拉伸來實現(xiàn)的。
所謂無軸印刷，就是采用虛擬電子軸取代傳統(tǒng)的機(jī)械主傳動軸，并取消套色系統(tǒng)所需的浮動輥機(jī)構(gòu)，而將傳動與套色融為一體，直接作用于印刷版輥的一種印刷方式。
用于凹印機(jī)的無軸傳動控制系統(tǒng)分為兩種流派：其一是以日本住友、西門子、力士樂等公司為代表的“傳動系統(tǒng)+套色系統(tǒng)”的復(fù)合式流派，另一種則是以貝加萊公司為代表的集傳動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)的顯著特點是簡潔、高效以及成本的競爭力。
1 無軸傳動凹印技術(shù)的特點
1）無軸印刷傳動技術(shù)的分類
無軸印刷傳動技術(shù)在發(fā)展過程中形成了以下三種類型的系統(tǒng)：亞無軸傳動控制系統(tǒng)、準(zhǔn)無軸傳動控制系統(tǒng)和集成型無軸傳動控制系統(tǒng)。
（１） 亞無軸傳動控制系統(tǒng)
僅僅去掉了傳統(tǒng)的機(jī)械主傳動軸，每一印刷單元采用獨(dú)立驅(qū)動機(jī)構(gòu)，保留了套色系統(tǒng)所需的浮動輥機(jī)構(gòu)且完全獨(dú)立。該系統(tǒng)很難達(dá)到完全協(xié)調(diào)和穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且色組之間的過料長度較長，很難實現(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)無軸傳動控制系統(tǒng)
不僅去掉了傳統(tǒng)的機(jī)械主傳動軸，同時也去掉了套色系統(tǒng)所需的浮動輥機(jī)構(gòu)，每一印刷單元采用獨(dú)立驅(qū)動機(jī)構(gòu)，以保證印刷版輥的速度同步。同時，由相對獨(dú)立的套色系統(tǒng)提供套色誤差信號，結(jié)合速度同步信號和套色誤差信號，統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作。它是無軸控制系統(tǒng)的發(fā)展。
（３） 集成型無軸傳動控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用基于伺服控制技術(shù)的虛擬電子軸傳動來取代傳統(tǒng)的機(jī)械主傳動軸，徹底摒棄了套色系統(tǒng)所需的浮動輥機(jī)構(gòu)，而將傳動與套色融為一體，各個印刷單元均配置獨(dú)立的伺服電機(jī)及相應(yīng)的減速機(jī)構(gòu)對該單元的版輥獨(dú)立驅(qū)動，直接作用于印刷版輥。在套色控制上，是在保證各軸同步的基礎(chǔ)上，通過控制版輥的相位來實現(xiàn)的。這是一種真正意義上的無軸傳動控制系統(tǒng)，也是本文論述的主題。
2） 集成型無軸傳動控制系統(tǒng)的機(jī)組式凹印機(jī)特點
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控制系統(tǒng)的機(jī)組式凹印機(jī)具有以下優(yōu)點：
（１） 傳動結(jié)構(gòu)簡化
控制的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性好，走料長度縮短20％，走料時間也相應(yīng)縮短。
（２） 高精度的預(yù)套準(zhǔn)和極短的預(yù)套準(zhǔn)時間
伺服系統(tǒng)可自動根據(jù)色組間料長來調(diào)節(jié)版輥相位，將其迅速轉(zhuǎn)動至“印刷位置”。其定位精度可達(dá)0.001mm，重復(fù)精度為0.01mm，自動預(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（即可編程計算機(jī)控制器）為核心并基于Ethernet POWERLINK實時工業(yè)以太網(wǎng)，在控制伺服驅(qū)動、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的統(tǒng)一。
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)簡化。
用于版輥位置反饋測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，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現(xiàn)
不需改變系統(tǒng)硬件配置即可通過軟件來實現(xiàn)各個印刷色組正印和反印的任意轉(zhuǎn)換。對異徑涂布功能和定點涂膠功能的實現(xiàn)，較之傳統(tǒng)有軸凹版印刷更簡單而又可靠。
（５） 色組機(jī)的分組使用
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，用戶可為剩余色組提前做好訂單的裝版和勻墨工作，還可依據(jù)生產(chǎn)需要將不參加作業(yè)的色組置于單動停止?fàn)顟B(tài)，達(dá)到節(jié)能的效果。
2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成及原理
集成型無軸傳動控制系統(tǒng)的技術(shù)方案立足于簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)和提高控制性能。
1） 系統(tǒng)構(gòu)成
型號不同的機(jī)組式凹版印刷機(jī)的色組單元個數(shù)是不同的，下面以一臺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)無軸傳動控制系統(tǒng)的構(gòu)成，如圖1所。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)動系統(tǒng)和10套色標(biāo)識別系統(tǒng)一起構(gòu)成基于Ethernet POWERLINK總線星形網(wǎng)絡(luò)的無軸凹印機(jī)控制系統(tǒng)。
在該網(wǎng)絡(luò)中， PCC的CPU (CP1486) 模塊是中央處理單元，除PCC與操作監(jiān)控站的通信采用以太網(wǎng)(TCP/IP) 以外，PCC的CPU與各伺服驅(qū)動器之間通過Ethernet POWERLINK總線和HUB實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，各
伺服驅(qū)動器之間的數(shù)據(jù)通信也基于Ethernet POWERLINK。
在該Ethernet POWERLINK通信網(wǎng)絡(luò)中，CPU (CP1486)接口的站點號為00（管理節(jié)點MN），各伺服控制器的站號依次為01到10（控制節(jié)點CN）。
圖1 機(jī)組式凹版印刷機(jī)無軸傳動控制系統(tǒng)簡化原理圖
2） 主要控制裝置和子系統(tǒng)
（１） 操作監(jiān)控站（HMI）
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。
選用了一款15英寸嵌入式高檔人機(jī)界面（B&R Power Panel 300 BIOS觸摸屏），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，同時還可以在其中裝入通用操作系統(tǒng)，如Windows XP、Windows CE等，因而可支持目前多種主流的圖形組態(tài)軟件，客戶可以根據(jù)自己的具體條件選擇合適的組態(tài)軟件。
（２） X20系列PCC
其CPU是一款高性能的處理器，具備附加的I/O處理器和浮點處理器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。X20系列的控制器也使用B&R的Automation Studio™集成軟件平臺。
（３） 印刷版輥伺服驅(qū)動及控制系統(tǒng)
B&R全數(shù)字伺服驅(qū)動器ACOPOSmulti及伺服電機(jī)構(gòu)成了版輥伺服驅(qū)動系統(tǒng)，是該無軸凹印機(jī)傳動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
ACOPOSmuti是B&R的新一代伺服驅(qū)動器，采用共用直流母線集中供電模式和背板式緊湊安裝結(jié)構(gòu)。其高效的散熱結(jié)構(gòu)、集中供電單元和獨(dú)特的雙軸驅(qū)動單元等技術(shù)有利于縮小多軸應(yīng)用的安裝空間，共用直流母線技術(shù)有利于多軸驅(qū)動的負(fù)載均衡，加之可逆整流技術(shù)更有利于穩(wěn)定直流母線的電壓，并適應(yīng)更寬范圍的交流供電電壓，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，還能將多余的發(fā)電制動能量直接回饋給電網(wǎng)，節(jié)能效果明顯。加上Ethernet POWERLINK高速實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和系統(tǒng)安全技術(shù)，完美地解決了集中或分布式多軸應(yīng)用的高速實時同步和安全運(yùn)行問題。
把對每一個電機(jī)回路的控制稱為對一個“軸”的控制。每個“軸”獨(dú)立驅(qū)動，其控制模式是一致的，控制框架也基本相同。由PCC實現(xiàn)具體的工藝控制和數(shù)據(jù)處理。然后通過Ethernet POWRELINK總線和HUB口將數(shù)據(jù)傳送到各臺用于驅(qū)動印刷版輥的伺服電機(jī)的伺服驅(qū)動器ACOPOSmulti中，伺服驅(qū)動器則根據(jù)要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析處理，控制相應(yīng)的伺服電機(jī)驅(qū)動各自的印刷版輥以實現(xiàn)同步控制。伺服電機(jī)的實測速度（位置）由其內(nèi)置編碼器反饋給伺服驅(qū)動器的編碼器信號分析卡，再由該<
