摘要：該文主要介紹貝加萊的人機界面、ACOPOS智能型伺服驅動器和Ethernet POWERLINK實時通信以太網在寬幅柔版印刷機無軸傳動控制系統中的應用。主要描述了該印刷機組的設備構成與工作原理以及控制系統的硬件配置、關鍵技術和解決方案。該系統運行精度高，節省紙張，且具有突出的成本優勢。
關鍵詞：寬幅柔版印刷機；無軸傳動系統；人機界面；ACOPOS伺服驅動器；Ethernet POWERLINK工業以太網
0. 前言
對每個細節的精益求精是卓越企業的追求，也是為什么我們在超市里看到百威、青島啤酒越來越精美的外包裝，這是吸引消費者的關鍵一環，除了啤酒的品質，外包裝的精美也體現著生產者對于細節品質的把握與追求，這也給印刷機帶來了新的機會。
另外，啤酒飲料行業對于環保的要求也更為苛刻，為了降低生產過程中對人體的危害，環保印刷也被更多地關注，這也使得柔版印刷相對于膠印和凹印的優勢逐漸得到體現。
1. 系統需求
寬幅柔版印刷由于其對機械加工零件精度的要求比較高，因此，在很長一段時間里，寬幅柔版印刷沒有得到大力的發展，目前，該機型主要被用于瓦楞紙面紙的印刷，采用這一印刷流程的被稱為“預印技術”，而相對的，在瓦楞紙板生產后的印刷則被稱為“后印技術”，相對于后印技術，預印技術有著其獨到的優勢：
●預印技術效率高，質量好。對于瓦楞紙板的印刷而言，預印技術則是將印刷好的面紙與瓦楞線聯動，可以直接生產出紙箱，而無需像后印技術那樣要轉移到開槽印刷機上，這樣效率會更高，并且，它不同于后印技術，不會對瓦楞紙造成壓力，從而影響瓦楞紙箱的強度。
●環保。柔版印刷采用水性油墨，其對環境的污染相對于油性油墨而言更為環保，對空氣和生產車間工人影響更小。
●幅面更大。對于寬幅柔版來說1200mm～2200mm的印刷幅面可以提供大件包裝容器的表面印刷，并且也能通過分切同時提供多種產品的印刷。
該系統要求達到的印刷速度為300m/min，印刷精度+/-0.1mm，幅寬1200mm。
2. 設備構成與工作原理
該機組由放卷、前牽引單元、后牽引單元、印刷色組(一般不超過9色)、收卷單元構成,如圖1所示。
圖1 柔版印刷機組的設備構成
2.1放卷單元
放卷部分主要是由氣剎加上一個張力擺輥組成，材料卷紙芯通過氣脹軸放在放卷架上，在氣剎剎車氣壓為零時，材料卷和氣脹軸一起可以自由轉動；在正常工作時，是通過調節氣壓（比例閥：0~10VDC表示氣壓由小到大）來調節剎車力量并控制放卷的張力大小，具體工作原理如圖2所示。
圖2 放卷單元工作原理示意圖
其中張力擺輥保持恒定的推力（氣缸中的氣壓恒定），在正常運行中，我們通過PID調節氣剎的氣壓，使張力擺輥停留在設定的位置（張力擺輥的位置由安裝在擺輥上的電位器來檢測，0~10V表示，一般把中間值調節為5V），這樣就保持了放卷的恒張力，這也是材料進入印刷前的第一級張力控制。
2.2前牽引部分
前牽引部分是由前牽引電機、前牽引輥、前牽引壓輥加上一個張力擺輥組成。前牽引部分的作用就是以恒張力把印刷材料送入到印刷部。工作原理如圖3所示。
圖3 前牽引部分工作原理示意圖
牽引輥由牽引電機驅動，牽引壓輥在正常運行時壓在牽引輥上，防止材料滑動。在正常運行時，通過PID調節前牽引電機的速度來控制張力擺輥在設定位置，從而保持材料張力的恒定。這是材料進入印刷部分之前的第二級張力控制。同時前牽引壓輥也起到張力隔離的作用，放卷部分的張力波動可以被隔離。
2.3印刷部分
印刷部分由色組組成，7個色就是有7色組；每個色組由色組電機、底輥、版輥、進墨輥組成。色組電機通過減速箱驅動底輥，版輥、底輥、進墨輥通過齒輪靠在一起。工作的原理如圖4所示。
圖4 印刷部分工作原理示意圖
版輥、底輥、進墨輥是通過齒輪配合來保證表面線速度的一致；在開始印刷之前，版輥和底輥之間是有間隙的，版輥處于升起的狀態，此時版輥表面和印刷材料是不接觸的，當降下版輥之后，版輥表面與被承印材料表面保持輕接觸，根據印刷的圖案效果可以調節版面與材料之間的接觸壓力。降版輥是版輥、進墨輥一起下降，退版輥的順序是：先停止進墨輥轉動2秒種，然后再退版輥，保持版輥退信號和進墨輥停止信號2秒，然后兩個信號都復位。正常印刷時，印刷的所有色組保持嚴格的位置同步，所有色組標定要完全相同。在色組與色組之間就是每個色組印后的加熱部分，采用熱風加熱；熱風由總吹風機出來；每個色組都分別有加熱器，分快熱和慢熱兩種方式。加熱類型有電熱絲和蒸汽兩種。
2.4后牽引部分
后牽引部分是由后牽引電機、后牽引輥、后牽引壓輥加上一個張力擺輥組成；后牽引部分的作用就是以恒張力把承印材料引出印刷部分。工作原理圖如圖5所示。
圖5 后牽引部分工作原理示意圖
張力擺輥裝在最后一個色組和后牽引之間，和前牽引一樣，正常運行時，牽引壓輥也是壓在牽引輥上，防止材料滑動，同時起到張力隔離的作用；系統根據擺輥的設定位置通過PID調節后牽引電機的速度來使擺輥穩定在設定位置，以達到后牽引張力的穩定。
2.5 收卷部分
柔版印刷機采用的是表面摩擦收卷的方式，收卷部分主要由張力擺輥、摩擦輥、被動的氣脹軸組成。其工作原理圖如圖6所示。
圖6 收卷部分工作原理示意圖
摩擦輥由第三方異步電動機驅動，該電動機采用ACOPOS或矢量
變頻器帶動，正常工作時，收卷壓輥把材料壓在摩擦輥面上，收料卷也壓在摩擦輥面上；系統通過張力擺輥的設定位置和實際位置比較通過PID調節摩擦輥驅動電機的轉速，控制張力擺輥穩定在設定位置，以達到恒張力收卷。摩擦輥和壓輥都是軟性的橡膠輥。
3. 控制系統硬件配置
該系統的硬件配置如圖7所示，主要由1臺Power Panel——集成控制、顯示與操作于一體的人機界面、多套ACOPOS智能型
伺服驅動器和Ethernet POWERLINK實時通信以太網構成。
圖7 系統硬件配置
4. 關鍵技術與解決方案
4.1集成套色系統
4.1.1分立式套色的弊端：
對于印刷系統而言，其關鍵在于套色系統的套印精度，而目前市場上流行的套色系統方案是一種分立式設計，由傳動系統的產品提供商和套色系統的供應商一起組合成一個系統，這存在以下弊端：
●價格高昂,通常專業的套色系統價格都在數千美元一色;
●系統出現故障時需兩個或多個供應商共同來解決;
4.1.2集成套色的優點：
B&R依賴其產品自身的強大性能與貝加萊在印刷機械領域的行業應用軟件積累，設計了集成套色系統這一解決方案，產生了對傳統方案的顛覆性設計，帶來了巨大的成本節省，并且，由一個獨立的供應商完成整個系統的提供，也不會造成系統維護升級太多的不便。
貝加萊之所以可以很好實現該系統，有自身硬件的優勢，更重要的是在行業積累的軟件庫得到了發揮。
4.1.3集成套色算法設計
集成套色系統是將各個印刷單元的偏差輸入到套色系統模型中，這個模型基于模糊控制而設計建模，其參量包含印刷相關工藝參數，如：張力、溫度、摩擦系數、印刷長度、速度等，由于印刷系統是一個連續性的印刷過程，任何一個單元的偏差調整均會對其它系統產生影響，通過多變量系統的耦合和解耦運算，系統將調整量給出到運動控制系統，運動控制系統則進行實時調整以維持印刷的高精度。
傳統的PLC無法設計如此復雜的算法，而PCC則因為具有高級語言編程能力，可以比較容易地進行算法的軟件設計，并可借助多種開放的庫來支持應用程序的開發。
4.2色標直接輸入至驅動器
ACOPOS伺服驅動器是一個模塊化設計的驅動系統，它具有智能性特點，自身具有很強的處理能力，其設計為多個插槽的方式，包括通信、編碼器和I/O共四個插槽，通常第一個槽位用于通信，如CAN,POWERLINK，第2~4個槽位既可以用于編碼器也可以用于I/O，甚至可以直接插入CPU模塊，在這個應用里，
色標傳感器的信號直接被送到了ACOPOS驅動器，在驅動器內完成了信號的采樣、濾波、處理、編碼與通信封裝，然后送至套色系統，這一設計響應速度較之傳統的PLC+I/O模塊方式更快。
4.3 虛擬主軸技術
虛擬主軸是指運動控制軸與軸之間所建立起來的數學模型，因為所有運動控制的速度、位置同步問題都可歸結為各伺服軸之間的數學關系，虛擬主軸并不指某個具體的軸，而是他們之間的關系，由于它并不存在，而是理想中的一個軸，那么它就不存在磨損、跳動也不存在偏差，其它伺服軸緊隨這個虛擬主軸運行1:1的電子齒輪同步，ACOPOS驅動器可支持高達32位分辨率的電子齒輪同步精度。
4.4 Ethernet POWERLINK實時通信技術
實時通信是系統的關鍵一環，無論是偏差信號的上傳到套色系統以及套色系統給定調整量，以及運動控制系統之間的電子齒輪同步關系，都需要通過高速的數據通道提供各個軸之間的數據交換。
在這個系統中，印刷速度高達300m/min，而精度要求+/-0.1mm，每個套色刷新周期均在幾個毫秒之間完成，通常通信刷新周期要高于這樣一個數量級才能保證高精度的同步，而POWERLINK可以達到的刷新周期最快到100uS，考慮到驅動器的位置環、套色系統的任務周期匹配，通常設置為400uS或800uS，完全滿足高速印刷系統的高度實時需求。
POWERLINK是一個100Mbps，抖動<<1uS的高速實時以太網，它能夠為整個系統的大量數據交換提供快速通道，使得系統能夠完成快速的數據交換，保障系統同步精度。
5. 結束語
該集成套色系統較之原有系統幾乎省掉了套色系統的成本，這對于機械制造商而言是一項巨大的成本節省，其競爭力是不言而喻的。更重要的是，該系統運行精度高且節省紙張，由于采用預套印技術，僅需在短短幾個紙張傳輸過程中即可完成快速套準，并進入穩定運行階段，可以提高工作效率并減少紙張的浪費。
作者簡介
江擁松 （1976~），男， 1999年畢業于北京化工大學自動化系，畢業后一直從事自動控制方面的工作和研究。目前在貝加萊公司從事無軸寬幅柔版印刷機控制系統的開發和完善等工作。
