摘要：該文介紹了伺服控制和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)在印刷包裝設(shè)備上的應(yīng)用。針對(duì)由貝加萊的PCC、ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器和Ethernet POWERLINK實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建的電子軸控制系統(tǒng)，具體分析了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用方案，著重描述了統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成和工作原理，還對(duì)凹版印刷機(jī)的電子軸控制系統(tǒng)的分類和采用統(tǒng)一型無(wú)軸傳動(dòng)控制技術(shù)的凹版印刷機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了闡述。

      關(guān)鍵詞：凹版印刷機(jī)； 電子軸系統(tǒng)；伺服控制；網(wǎng)絡(luò)通訊

      中圖分類號(hào)：        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

                                 0 引言

      “膠印、柔印、凹印”三足鼎立，三種方式各有所長(zhǎng)，這是印刷技術(shù)發(fā)展到今天的必然局面。膠印以印刷精細(xì)網(wǎng)線見長(zhǎng)，柔印由于水性油墨的環(huán)保優(yōu)勢(shì)在市場(chǎng)得到了很大的發(fā)展，而凹印以其印刷色差小，滿版實(shí)地印刷、印品無(wú)接縫、印材適用面廣、符合長(zhǎng)版活印刷等優(yōu)點(diǎn)而為人稱道。面對(duì)這三種印刷方式的特點(diǎn)，只有揚(yáng)長(zhǎng)避短、兼容并蓄才是對(duì)待這一鼎立局面的正確態(tài)度。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)商都將目光聚集在了新興控制技術(shù)——電子軸控制系統(tǒng)上。尤其是對(duì)于凹版印刷機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)更為突出。

      所謂電子軸控制系統(tǒng)，就是對(duì)機(jī)組式凹版印刷機(jī)的各個(gè)印刷單元采用獨(dú)立伺服驅(qū)動(dòng)，所有印刷單元之間利用網(wǎng)絡(luò)的快速響應(yīng)性實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，在實(shí)現(xiàn)精確傳遞動(dòng)力保證同步控制的同時(shí)，通過(guò)對(duì)各個(gè)印刷版輥相位的精細(xì)調(diào)節(jié)來(lái)滿足圖案的套準(zhǔn)，形成虛擬電子主軸來(lái)取代傳統(tǒng)機(jī)械主傳動(dòng)軸，同時(shí)簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和省略套色補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的一種自動(dòng)化伺服控制系統(tǒng)。

      相對(duì)而言，傳統(tǒng)的印刷機(jī)是依靠一根傳統(tǒng)機(jī)械主軸向各個(gè)印刷單元傳遞動(dòng)力，機(jī)械主軸和印刷單元之間通過(guò)蝸輪蝸桿連接起來(lái)的，而機(jī)械主軸的動(dòng)力來(lái)源于由矢量控制變頻器控制的三相異步電動(dòng)機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)決定了其傳動(dòng)精度差，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

      而且，在印刷機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——印刷圖文的套印控制上，傳統(tǒng)的印刷機(jī)的幾乎都是通過(guò)改變色間料長(zhǎng)的方式實(shí)現(xiàn)的。而要實(shí)現(xiàn)料長(zhǎng)的改變，必須通過(guò)控制專門設(shè)計(jì)的浮動(dòng)輥補(bǔ)償機(jī)構(gòu)來(lái)完成。

      目前，在我國(guó)印刷包裝設(shè)備中，采用的伺服控制系統(tǒng)眾多，諸如貝加萊、力士樂(lè)、西門子、施耐德、日本住友、日本安川等。而且很多設(shè)備制造商都在嘗試?yán)盟麄兊乃欧刂葡到y(tǒng)來(lái)研發(fā)電子軸控制系統(tǒng)。電子軸控制系統(tǒng)在印刷機(jī)上的應(yīng)用，已經(jīng)成為這一行業(yè)的熱門話題，同時(shí)也讓我國(guó)印刷包裝設(shè)備行業(yè)進(jìn)入到了電子軸控制時(shí)代。

      1 電子軸控制系統(tǒng)的種類

      用于機(jī)組式凹版印刷機(jī)的電子軸控制系統(tǒng)，隨著技術(shù)的發(fā)展，分為兩大流派。第一種為復(fù)合式流派，即傳動(dòng)系統(tǒng)和套色控制相互獨(dú)立；第二種為集成式流派，即傳動(dòng)系統(tǒng)和套色控制融為一體。這兩大流派在實(shí)際的應(yīng)用和實(shí)踐中，自然形成了機(jī)組式凹版印刷機(jī)的電子軸控制系統(tǒng)得三大類別。

      （1）亞電子軸控制系統(tǒng)
      是一種僅僅去掉了傳統(tǒng)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)，以保證印刷版輥速度同步的控制系統(tǒng)。它保留了套色系統(tǒng)所需的浮動(dòng)輥結(jié)構(gòu)，套色系統(tǒng)是完全獨(dú)立的，與傳動(dòng)毫無(wú)關(guān)聯(lián)。由于傳動(dòng)和套準(zhǔn)控制系統(tǒng)兩者的相對(duì)獨(dú)立性，控制上很難達(dá)到穩(wěn)定和一致。再者，系統(tǒng)所必須的浮動(dòng)輥機(jī)構(gòu)仍然使機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，而且色組之間的過(guò)紙長(zhǎng)度變長(zhǎng)，很難實(shí)現(xiàn)高速、高精度的印刷工藝。

      它是所有機(jī)組式凹版印刷機(jī)電子軸控制系統(tǒng)的前身。

      （2）準(zhǔn)電子軸控制系統(tǒng)
      是一種去掉了傳統(tǒng)機(jī)械主傳動(dòng)軸，也去掉了套色系統(tǒng)所需的浮動(dòng)輥結(jié)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)經(jīng)過(guò)處理的套色誤差信號(hào)，由該無(wú)軸控制系統(tǒng)結(jié)合速度同步信號(hào)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作的控制系統(tǒng)。
它是亞電子軸控制系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)化。

      （3）統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)
      該系統(tǒng)采用以伺服控制技術(shù)為核心的虛擬電子軸傳動(dòng)來(lái)取代傳統(tǒng)機(jī)械主傳動(dòng)軸，徹底摒棄傳統(tǒng)套色系統(tǒng)所需的浮動(dòng)輥結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)各個(gè)印刷版輥相位的精細(xì)調(diào)節(jié)來(lái)滿足圖案的套準(zhǔn)，將伺服傳動(dòng)和套色溶為一體，直接作用于印刷版輥的一種電子軸控制系統(tǒng)。
它是一種真正意義上的電子軸控制系統(tǒng)。這也是下面主要探討的主題。

      2 統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)的組成和工作原理
      統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)，立足于簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)和提升控制性能。它以高精度、高印速、高套準(zhǔn)見長(zhǎng)于所有的印刷機(jī)控制技術(shù)。

      圖1為機(jī)組式凹版印刷機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理圖，它表示出了系統(tǒng)的硬件配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

      2.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 

      用途不同的印刷機(jī)，所需的印刷單元不同，印刷單元所配置的伺服功率也不同，下面以一臺(tái)八色機(jī)組式凹版印刷機(jī)為例來(lái)介紹統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。

      整個(gè)系統(tǒng)采用貝加萊PP320觸摸屏作為HMI（人機(jī)界面），也可看成是上位機(jī)。它實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的輸入和顯示、系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控、套印狀態(tài)的監(jiān)控、系統(tǒng)故障的提示和系統(tǒng)配方管理等功能。

      X20系列PCC（可編程控制計(jì)算機(jī)）系統(tǒng)作為下位機(jī)，其CPU采用X20CP1486，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它具備附加I/O處理器和浮點(diǎn)處理器FPU,單步指令周期最快為0.01us，任務(wù)循環(huán)周期可止200us,支持RS232、EtherNet POWERLINK、CANopen、X2X LINK和USB等多種通訊接口。

      ACOPOS伺服控制器和伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)單元。用于位置信號(hào)反饋的編碼器通過(guò)硬件倍頻可產(chǎn)生有效脈沖為400萬(wàn)線/轉(zhuǎn)，系統(tǒng)控制精度高達(dá)0.001 mm。在高達(dá)600米/分的印刷速度下仍能獲得比機(jī)械軸凹印機(jī)高得多的套準(zhǔn)精度，印刷生產(chǎn)時(shí)間證明，該技術(shù)使套印精度由原來(lái)的0.1mm提高到0.05mm成為可能。

      系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線的方式進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)交換控制和廣播式通訊。下位機(jī)和上位機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊（TCP/IP）。下位機(jī)有模擬量和數(shù)字量模塊進(jìn)行邏輯I/O動(dòng)作的控制和速度模擬接口。X20CP1486通過(guò)EtherNet POWERLINK總線通過(guò)工業(yè)集線器（0AC808），連接至各個(gè)ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器。在伺服上插有通訊模塊AC114，編碼器信號(hào)分析卡AC120，套色誤差分析卡AC132，I/O模塊AC130。ACOPOS伺服控制器和伺服電機(jī)通過(guò)專用伺服電纜和編碼器電纜連接。

      如圖3所示，在電子軸系統(tǒng)中，EtherNet POWERLINK工業(yè)網(wǎng)絡(luò)總線，是以網(wǎng)絡(luò)編碼的形式對(duì)伺服站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)的。

      實(shí)時(shí)通信是系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)，系統(tǒng)中所有伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)之間的電子齒輪同步關(guān)系，都需要通過(guò)高速的數(shù)據(jù)通道提供各個(gè)軸之間的數(shù)據(jù)交換。POWERLINK是一個(gè)100Mbps，抖動(dòng)<<1uS的高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，它能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)交換提供快速通道，使得系統(tǒng)能夠完成快速的數(shù)據(jù)交換，保障系統(tǒng)同步精度。

      Ethernet POWERLINK是一種完全建立在工業(yè)以太網(wǎng)硬件的基礎(chǔ)上，而不依賴于其它特定硬件環(huán)境，并僅采用軟件協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的具有高實(shí)時(shí)性和確定性的安全工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。POWERLINK不僅支持PCC、分布式I/O以及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的循環(huán)通信，同時(shí)也支持實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的非同步通信。它采用SCNM (Slot Communication Network Management，時(shí)槽通信網(wǎng)絡(luò)管理) 技術(shù)解決了傳統(tǒng)的以太網(wǎng)CSMA/CD通信方式為解決數(shù)據(jù)沖突而引發(fā)的數(shù)據(jù)交換的不確定性問(wèn)題。Ethernet POWERLINK的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

      它為系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)、可靠、安全的數(shù)據(jù)通道，滿足了高速凹版印刷機(jī)統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)響應(yīng)速度高的要求。

      2.2 系統(tǒng)的軟件平臺(tái)

       該系統(tǒng)以貝加萊開發(fā)的Automation Studio集成軟件（以下簡(jiǎn)稱AS）為編程的軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)具體的工藝和數(shù)據(jù)處理的程序編寫工作。

      AS是一個(gè)集成軟件平臺(tái)，它支持貝加萊全系列控制產(chǎn)品的應(yīng)用軟件開發(fā)，同時(shí)支持Ethernet POWERLINK總線、CANopen總線和X2X LINK總線的開發(fā)應(yīng)用。而且?guī)缀踔С炙械木幊谭绞剑鏐asic、ANSI_C、LAD(梯形圖)、IL(指令表)、ST（結(jié)構(gòu)化文本）、SFC（順序功能圖）等等。

      AS支持分時(shí)多任務(wù)處理功能，可以根據(jù)系統(tǒng)所需的任務(wù)劃分任務(wù)等級(jí)，進(jìn)而對(duì)不同的任務(wù)設(shè)定合適的任務(wù)掃描時(shí)間。

      統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)策略是：整體采用ANSI_C編程，分三個(gè)循環(huán)任務(wù)層來(lái)完成控制。在第一個(gè)循環(huán)內(nèi)，完成伺服控制系統(tǒng)的通訊，過(guò)程控制，印刷單元的控制，套色系統(tǒng)的控制，；在第二個(gè)循環(huán)內(nèi)，完成張力控制和遠(yuǎn)程站點(diǎn)控制；在第三個(gè)循環(huán)內(nèi)，主要完成的是人機(jī)界面的控制。對(duì)于以上三個(gè)循環(huán)內(nèi)任務(wù)的處理，B&R PCC是按其分時(shí)多任務(wù)管理的辦法進(jìn)行處理的。

      2.3 控制原理

      統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)的開發(fā)，是基于伺服控制和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的。通常我們把每一個(gè)伺服電機(jī)回路稱為一個(gè)“軸”。 如圖4，為機(jī)組式凹版印刷機(jī)電子軸控制系統(tǒng)單個(gè)色組“軸”的控制原理圖和接線圖。

      統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)的控制對(duì)象就是若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)而又相互獨(dú)立的控制印刷版輥的“軸”。

      其關(guān)聯(lián)性表現(xiàn)在，作為控制每一色印刷版輥的軸，其速度的來(lái)源是統(tǒng)一的，即系統(tǒng)所虛擬的電子軸給定的實(shí)時(shí)速度和實(shí)現(xiàn)套印所需的調(diào)節(jié)速度。各個(gè)軸在確保系統(tǒng)傳動(dòng)上的同步性的同時(shí)，必須響應(yīng)適當(dāng)?shù)奶咨辔徽{(diào)節(jié)。對(duì)于由光電眼（需要實(shí)現(xiàn)套色控制的印刷單元均有配置）檢測(cè)到的套印誤差，經(jīng)由套色分析卡AC132反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器ACOPOS,再由伺服驅(qū)動(dòng)器ACOPOS通過(guò)EtherNet POWERLINK總線反饋給PCC， PCC統(tǒng)一實(shí)時(shí)處理后，指令每個(gè)相互關(guān)聯(lián)的軸做出相應(yīng)的相位調(diào)整，我們稱之為“串聯(lián)調(diào)節(jié)” 或“套色解耦”。軸的串聯(lián)調(diào)節(jié)也是統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)套色控制的精髓所在。

      其獨(dú)立性表現(xiàn)在，每個(gè)軸在相同的控制模式和控制框架下，運(yùn)行機(jī)理是相同的，也是自成體系的。在控制上，下位機(jī)PCC實(shí)現(xiàn)具體的工藝分析和數(shù)據(jù)處理，同時(shí)系統(tǒng)在初次上電時(shí)，由PCC負(fù)責(zé)將每個(gè)軸運(yùn)行所需的功能參數(shù)和系統(tǒng)函數(shù)依賴POWERLINK總線，下載給每個(gè)軸的伺服驅(qū)動(dòng)器ACOPOS，ACOPOS則根據(jù)按接收到的功能參數(shù)和系統(tǒng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)初始化，并按要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析處理，指令相應(yīng)的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)軸的控制。伺服電機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況由其內(nèi)部編碼器反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器ACOPOS上的編碼器信號(hào)分析卡AC120，形成軸自身的閉環(huán)控制。

      3 基于統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)的凹版印刷機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

      與傳統(tǒng)的機(jī)械軸凹印機(jī)相比，采用統(tǒng)一型無(wú)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）整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和配線系統(tǒng)簡(jiǎn)練
      取締了傳統(tǒng)印刷機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)軸和為套色系統(tǒng)配套的機(jī)械浮動(dòng)輥機(jī)構(gòu)。機(jī)身走料路線大幅減少20%，大大節(jié)約了走料時(shí)間。

      采用遠(yuǎn)程站點(diǎn)控制以總線的方式進(jìn)行外部I/O的配線和通訊，真正實(shí)現(xiàn)了省配線，從而大大降低了系統(tǒng)的干擾和故障，使設(shè)備的維修和護(hù)理簡(jiǎn)單化。

      （2）快捷而又高精度的預(yù)套準(zhǔn)
      任意安裝印刷版輥，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)色組間料長(zhǎng)調(diào)節(jié)版輥相位，將其調(diào)整至“印刷位置”， 伺服系統(tǒng)定位精度可達(dá)1 mm的1/1000，重復(fù)精度為1 mm的1/100，自動(dòng)預(yù)套準(zhǔn)的范圍可以嚴(yán)格控制到±5 mm以內(nèi)。從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的高精度預(yù)套準(zhǔn)。

      （3）高精度、高印速、高套準(zhǔn)
      系統(tǒng)采用的PCC運(yùn)算速度快，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。組建整機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)的POWERLINK總線，通信更簡(jiǎn)潔、更實(shí)時(shí)、更可靠。對(duì)所有版輥的相對(duì)位置的控制，作為位置反饋的編碼器通過(guò)硬件倍頻可產(chǎn)生有效脈沖為400萬(wàn)線/轉(zhuǎn)，系統(tǒng)控制精度高達(dá)0.001 mm。實(shí)踐證明，該技術(shù)可使套印精度由原來(lái)的0.1mm提高到0.05mm。

      （4）特殊印刷工藝更易實(shí)現(xiàn)
      系統(tǒng)有效地解決了在電氣配置不發(fā)生任何變化的條件下，實(shí)現(xiàn)各個(gè)印刷色組正印和反印的隨意轉(zhuǎn)換。對(duì)異徑涂布功能和定點(diǎn)涂膠功能的實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)約而又可靠 。

      （5）多色機(jī)的分組使用
      該系統(tǒng)為多色機(jī)的分組使用提供了方便。即，在其中某些色組正常作業(yè)中，用戶可以在剩余色組提前做好下一批定單的裝版，勻墨工作。 另外，可依據(jù)生產(chǎn)要求選擇各個(gè)印刷色組工作與否，用戶可以將不參與作業(yè)的色組置于單動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)，達(dá)到節(jié)能效果。

      4  結(jié)束語(yǔ)

      電子軸控制系統(tǒng)應(yīng)用于印刷機(jī)，使印刷機(jī)的自動(dòng)化控制得到大幅提升，不僅優(yōu)化了控制的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性，而且使印刷機(jī)的高精度、高印速、高套印得以實(shí)現(xiàn)。它的人性化操作、安全設(shè)計(jì)、節(jié)能減耗又一步推進(jìn)了印刷包裝設(shè)備的設(shè)計(jì)理念。

       作者簡(jiǎn)介
       練大偉 (1976~) ，男，甘肅平?jīng)鋈?，工程師。自陜西北人印刷機(jī)械有限公司工作以來(lái)一直從事印刷機(jī)的電氣設(shè)計(jì)工作。主要研究方向是印刷機(jī)電氣控制設(shè)計(jì)與研究。