摘要：該文介紹了伺服控制和網(wǎng)絡通訊技術在印刷包裝設備上的應用。針對由貝加萊的PCC、ACOPOS伺服驅動器和Ethernet POWERLINK實時工業(yè)以太網(wǎng)構建的電子軸控制系統(tǒng)，具體分析了該系統(tǒng)的設計思路和應用方案，著重描述了統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)的軟硬件構成和工作原理，還對凹版印刷機的電子軸控制系統(tǒng)的分類和采用統(tǒng)一型無軸傳動控制技術的凹版印刷機的技術特點進行了闡述。

      關鍵詞：凹版印刷機； 電子軸系統(tǒng)；伺服控制；網(wǎng)絡通訊

      中圖分類號：        文獻標識碼：B

                                 0 引言

      “膠印、柔印、凹印”三足鼎立，三種方式各有所長，這是印刷技術發(fā)展到今天的必然局面。膠印以印刷精細網(wǎng)線見長，柔印由于水性油墨的環(huán)保優(yōu)勢在市場得到了很大的發(fā)展，而凹印以其印刷色差小，滿版實地印刷、印品無接縫、印材適用面廣、符合長版活印刷等優(yōu)點而為人稱道。面對這三種印刷方式的特點，只有揚長避短、兼容并蓄才是對待這一鼎立局面的正確態(tài)度。隨著控制技術的發(fā)展，目前全球印刷企業(yè)用戶和設備生產商都將目光聚集在了新興控制技術——電子軸控制系統(tǒng)上。尤其是對于凹版印刷機，其優(yōu)點更為突出。

      所謂電子軸控制系統(tǒng)，就是對機組式凹版印刷機的各個印刷單元采用獨立伺服驅動，所有印刷單元之間利用網(wǎng)絡的快速響應性實時交換數(shù)據(jù)，在實現(xiàn)精確傳遞動力保證同步控制的同時，通過對各個印刷版輥相位的精細調節(jié)來滿足圖案的套準，形成虛擬電子主軸來取代傳統(tǒng)機械主傳動軸，同時簡化機械傳動結構和省略套色補償機構的一種自動化伺服控制系統(tǒng)。

      相對而言，傳統(tǒng)的印刷機是依靠一根傳統(tǒng)機械主軸向各個印刷單元傳遞動力，機械主軸和印刷單元之間通過蝸輪蝸桿連接起來的，而機械主軸的動力來源于由矢量控制變頻器控制的三相異步電動機，整個系統(tǒng)和結構決定了其傳動精度差，機械結構復雜。

      而且，在印刷機的關鍵環(huán)節(jié)——印刷圖文的套印控制上，傳統(tǒng)的印刷機的幾乎都是通過改變色間料長的方式實現(xiàn)的。而要實現(xiàn)料長的改變，必須通過控制專門設計的浮動輥補償機構來完成。

      目前，在我國印刷包裝設備中，采用的伺服控制系統(tǒng)眾多，諸如貝加萊、力士樂、西門子、施耐德、日本住友、日本安川等。而且很多設備制造商都在嘗試利用他們的伺服控制系統(tǒng)來研發(fā)電子軸控制系統(tǒng)。電子軸控制系統(tǒng)在印刷機上的應用，已經成為這一行業(yè)的熱門話題，同時也讓我國印刷包裝設備行業(yè)進入到了電子軸控制時代。

      1 電子軸控制系統(tǒng)的種類

      用于機組式凹版印刷機的電子軸控制系統(tǒng)，隨著技術的發(fā)展，分為兩大流派。第一種為復合式流派，即傳動系統(tǒng)和套色控制相互獨立；第二種為集成式流派，即傳動系統(tǒng)和套色控制融為一體。這兩大流派在實際的應用和實踐中，自然形成了機組式凹版印刷機的電子軸控制系統(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)機械主傳動軸，每一印刷單元采用獨立驅動機構，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)所需的浮動輥結構，套色系統(tǒng)是完全獨立的，與傳動毫無關聯(lián)。由于傳動和套準控制系統(tǒng)兩者的相對獨立性，控制上很難達到穩(wěn)定和一致。再者，系統(tǒng)所必須的浮動輥機構仍然使機械結構復雜化，而且色組之間的過紙長度變長，很難實現(xiàn)高速、高精度的印刷工藝。

      它是所有機組式凹版印刷機電子軸控制系統(tǒng)的前身。

      （2）準電子軸控制系統(tǒng)
      是一種去掉了傳統(tǒng)機械主傳動軸，也去掉了套色系統(tǒng)所需的浮動輥結構，每一印刷單元采用獨立驅動機構，以保證印刷版輥速度同步，同時，由相對獨立的套色系統(tǒng)提供已經經過處理的套色誤差信號，由該無軸控制系統(tǒng)結合速度同步信號，統(tǒng)一協(xié)調工作的控制系統(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為核心的虛擬電子軸傳動來取代傳統(tǒng)機械主傳動軸，徹底摒棄傳統(tǒng)套色系統(tǒng)所需的浮動輥結構，通過對各個印刷版輥相位的精細調節(jié)來滿足圖案的套準，將伺服傳動和套色溶為一體，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)，立足于簡化機械結構和提升控制性能。它以高精度、高印速、高套準見長于所有的印刷機控制技術。

      圖1為機組式凹版印刷機無軸傳動控制系統(tǒng)簡化原理圖，它表示出了系統(tǒng)的硬件配置和網(wǎng)絡結構。

      2.1 系統(tǒng)的硬件構成 

      用途不同的印刷機，所需的印刷單元不同，印刷單元所配置的伺服功率也不同，下面以一臺八色機組式凹版印刷機為例來介紹統(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。

      整個系統(tǒng)采用貝加萊PP320觸摸屏作為HMI（人機界面），也可看成是上位機。它實現(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（可編程控制計算機）系統(tǒng)作為下位機，其CPU采用X20CP1486，是整個系統(tǒng)的核心。它具備附加I/O處理器和浮點處理器FPU,單步指令周期最快為0.01us，任務循環(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作為驅動單元。用于位置信號反饋的編碼器通過硬件倍頻可產生有效脈沖為400萬線/轉，系統(tǒng)控制精度高達0.001 mm。在高達600米/分的印刷速度下仍能獲得比機械軸凹印機高得多的套準精度，印刷生產時間證明，該技術使套印精度由原來的0.1mm提高到0.05mm成為可能。

      系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線的方式進行可靠的數(shù)據(jù)交換控制和廣播式通訊。下位機和上位機之間通過以太網(wǎng)進行通訊（TCP/IP）。下位機有模擬量和數(shù)字量模塊進行邏輯I/O動作的控制和速度模擬接口。X20CP1486通過EtherNet POWERLINK總線通過工業(yè)集線器（0AC808），連接至各個ACOPOS伺服驅動器。在伺服上插有通訊模塊AC114，編碼器信號分析卡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通過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)絡總線，是以網(wǎng)絡編碼的形式對伺服站點實現(xiàn)訪問的。

      實時通信是系統(tǒng)的關鍵一環(huán)，系統(tǒng)中所有伺服運動控制系統(tǒng)之間的電子齒輪同步關系，都需要通過高速的數(shù)據(jù)通道提供各個軸之間的數(shù)據(jù)交換。POWERLINK是一個100Mbps，抖動<<1uS的高速實時以太網(wǎng)，它能夠為整個系統(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)議來實現(xiàn)的具有高實時性和確定性的安全工業(yè)以太網(wǎng)技術。POWERLINK不僅支持PCC、分布式I/O以及運動控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的循環(huán)通信，同時也支持實時網(wǎng)絡節(jié)點間的非同步通信。它采用SCNM (Slot Communication Network Management，時槽通信網(wǎng)絡管理) 技術解決了傳統(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)交換的不確定性問題。Ethernet POWERLINK的主要技術參數(shù)如表1所示。

      它為系統(tǒng)提供了實時、可靠、安全的數(shù)據(jù)通道，滿足了高速凹版印刷機統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)響應速度高的要求。

      2.2 系統(tǒng)的軟件平臺

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

      AS是一個集成軟件平臺，它支持貝加萊全系列控制產品的應用軟件開發(fā)，同時支持Ethernet POWERLINK總線、CANopen總線和X2X LINK總線的開發(fā)應用。而且?guī)缀踔С炙械木幊谭绞?，如Basic、ANSI_C、LAD(梯形圖)、IL(指令表)、ST（結構化文本）、SFC（順序功能圖）等等。

      AS支持分時多任務處理功能，可以根據(jù)系統(tǒng)所需的任務劃分任務等級，進而對不同的任務設定合適的任務掃描時間。

      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，分三個循環(huán)任務層來完成控制。在第一個循環(huán)內，完成伺服控制系統(tǒng)的通訊，過程控制，印刷單元的控制，套色系統(tǒng)的控制，；在第二個循環(huán)內，完成張力控制和遠程站點控制；在第三個循環(huán)內，主要完成的是人機界面的控制。對于以上三個循環(huán)內任務的處理，B&R PCC是按其分時多任務管理的辦法進行處理的。

      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)絡技術的。通常我們把每一個伺服電機回路稱為一個“軸”。 如圖4，為機組式凹版印刷機電子軸控制系統(tǒng)單個色組“軸”的控制原理圖和接線圖。

      統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)的控制對象就是若干個相互關聯(lián)而又相互獨立的控制印刷版輥的“軸”。

      其關聯(lián)性表現(xiàn)在，作為控制每一色印刷版輥的軸，其速度的來源是統(tǒng)一的，即系統(tǒng)所虛擬的電子軸給定的實時速度和實現(xiàn)套印所需的調節(jié)速度。各個軸在確保系統(tǒng)傳動上的同步性的同時，必須響應適當?shù)奶咨辔徽{節(jié)。對于由光電眼（需要實現(xiàn)套色控制的印刷單元均有配置）檢測到的套印誤差，經由套色分析卡AC132反饋給伺服驅動器ACOPOS,再由伺服驅動器ACOPOS通過EtherNet POWERLINK總線反饋給PCC， PCC統(tǒng)一實時處理后，指令每個相互關聯(lián)的軸做出相應的相位調整，我們稱之為“串聯(lián)調節(jié)” 或“套色解耦”。軸的串聯(lián)調節(jié)也是統(tǒng)一型電子軸控制系統(tǒng)實現(xiàn)套色控制的精髓所在。

      其獨立性表現(xiàn)在，每個軸在相同的控制模式和控制框架下，運行機理是相同的，也是自成體系的。在控制上，下位機PCC實現(xiàn)具體的工藝分析和數(shù)據(jù)處理，同時系統(tǒng)在初次上電時，由PCC負責將每個軸運行所需的功能參數(shù)和系統(tǒng)函數(shù)依賴POWERLINK總線，下載給每個軸的伺服驅動器ACOPOS，ACOPOS則根據(jù)按接收到的功能參數(shù)和系統(tǒng)函數(shù)實現(xiàn)初始化，并按要求對數(shù)據(jù)進行必要的分析處理，指令相應的伺服電機實現(xiàn)軸的控制。伺服電機的實際運轉情況由其內部編碼器反饋給伺服驅動器ACOPOS上的編碼器信號分析卡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)的凹版印刷機的技術特點

      與傳統(tǒng)的機械軸凹印機相比，采用統(tǒng)一型無軸傳動控制系統(tǒng)的機組式凹印機具有以下優(yōu)點：

      （1）整機機械結構和配線系統(tǒng)簡練
      取締了傳統(tǒng)印刷機的機械傳動軸和為套色系統(tǒng)配套的機械浮動輥機構。機身走料路線大幅減少20%，大大節(jié)約了走料時間。

      采用遠程站點控制以總線的方式進行外部I/O的配線和通訊，真正實現(xiàn)了省配線，從而大大降低了系統(tǒng)的干擾和故障，使設備的維修和護理簡單化。

      （2）快捷而又高精度的預套準
      任意安裝印刷版輥，系統(tǒng)會自動根據(jù)色組間料長調節(jié)版輥相位，將其調整至“印刷位置”， 伺服系統(tǒng)定位精度可達1 mm的1/1000，重復精度為1 mm的1/100，自動預套準的范圍可以嚴格控制到±5 mm以內。從而實現(xiàn)真正意義上的高精度預套準。

      （3）高精度、高印速、高套準
      系統(tǒng)采用的PCC運算速度快，數(shù)據(jù)處理能力強。組建整機通訊網(wǎng)絡的POWERLINK總線，通信更簡潔、更實時、更可靠。對所有版輥的相對位置的控制，作為位置反饋的編碼器通過硬件倍頻可產生有效脈沖為400萬線/轉，系統(tǒng)控制精度高達0.001 mm。實踐證明，該技術可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，實現(xiàn)各個印刷色組正印和反印的隨意轉換。對異徑涂布功能和定點涂膠功能的實現(xiàn)，簡約而又可靠 。

      （5）多色機的分組使用
      該系統(tǒng)為多色機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)生產要求選擇各個印刷色組工作與否，用戶可以將不參與作業(yè)的色組置于單動停止狀態(tài)，達到節(jié)能效果。

      4  結束語

      電子軸控制系統(tǒng)應用于印刷機，使印刷機的自動化控制得到大幅提升，不僅優(yōu)化了控制的協(xié)調性和穩(wěn)定性，而且使印刷機的高精度、高印速、高套印得以實現(xiàn)。它的人性化操作、安全設計、節(jié)能減耗又一步推進了印刷包裝設備的設計理念。

       作者簡介
       練大偉 (1976~) ，男，甘肅平涼人，工程師。自陜西北人印刷機械有限公司工作以來一直從事印刷機的電氣設計工作。主要研究方向是印刷機電氣控制設計與研究。