电子轴凹版印刷机控制系统分析

桂林电子科技大学 信息与通信学院 夏少波 郑继禹

电子轴凹版印刷机控制系统分析

桂林电子科技大学 信息与通信学院 夏少波 郑继禹

电子轴控制系统是对机组式凹版印刷机的各个印刷单元采用独立伺服驱动，所有印刷单元之间利用网络的快速响应实时进行数据交换，在实现精确传递动力、保证同步控制的同时，通过对各个印刷版辊相位的精细调节来满足图案的套准，形成虚拟电子主轴来取代传统机械主传动轴，同时简化机械传动结构和省略套色补偿机构的一种自动化伺服控制系统。

一、电子轴控制系统的种类

用于机组式凹版印刷机的电子轴控制系统，随着技术的发展，可分为两大流派。第一种为复合式流派，即传动系统和套色控制相互独立；第二种为集成式流派，即传动系统和套色控制融为一体。这两大流派在实际的应用和实践中，自然形成了机组式凹版印刷机电子轴控制系统的三大类别，即亚电子轴控制系统、准电子轴控制系统和统一型电子轴控制系统。其中，统一型电子轴控制系统是一种真正意义上的电子轴控制系统。该系统采用以伺服控制技术为核心的虚拟电子轴传动来取代传统机械的主传动轴，彻底摒弃传统套色系统所需的浮动辊结构，通过对各个印刷版辊相位的精细调节来实现图案的套准，从而将伺服传动和套色溶为一体，直接作用于印刷版辊的一种电子轴控制系统。

二、统一型电子轴控制系统的组成和工作原理

统一型电子轴控制系统，简化了机械结构，提升了控制性能。具有高精度、高印速、高套准等优点。

1. 系统硬件构成。用途不同的印刷机，所需的印刷单元不同，印刷单元所配置的伺服功率也不同。本文，笔者以1台八色机组式凹版印刷机为例，对统一型电子轴控制系统的硬件进行简单介绍。

（1）整个系统采用贝加莱PP320触摸屏作为HMI（人机界面），以实现系统参数的输入和显示、系统状态的监控、套印状态的监控、系统故障的提示和系统配方的管理等功能。

（2）可编程控制计算机采用X20系列PCC，其CPU采用X20CP1486，是整个系统的核心。ACOPOS伺服控制器和伺服电机作为驱动单元。用于位置信号反馈的编码器通过硬件倍频可产生的有效脉冲为400万线/转，系统控制精度高达0.001 mm，在高达600 m/min的印刷速度下仍能获得比机械轴凹印机高得多的套准精度。

（3）系统采用现场总线的方式进行可靠的数据交换控制和广播式通讯。各部件之间通过以太网进行通讯（TCP/IP）。EtherNet POWERLINK总线通过工业集线器（0AC808），连接至各个ACOPOS伺服驱动器。在伺服上装有通讯模块AC114、编码器信号分析卡AC120、套色误差分析卡AC132、I/O模块AC130。ACOPOS伺服控制器和伺服电机通过专用伺服电缆和编码器电缆连接。

（4）实时通信是系统的关键环节，系统中所有伺服运动控制系统之间的电子齿轮同步关系，都需要通过高速的数据通道提供各个轴之间的数据交换。POWERLINK是一个100 Mbps、抖动＜＜1μs的高速实时以太网，它能够为整个系统的大量数据交换提供快速通道，使得系统能够完成快速的数据交换，保障系统同步精度。

2. 系统软件平台开发。统一型电子轴控制系统以贝加莱开发的Automation Studio集成软件（以下简称AS）为编程的软件平台，实现具体的工艺和数据处理的程序编写工作。AS是一个集成软件平台，不仅支持贝加莱全系列控制产品的应用软件开发，同时支持Ethernet POWERLINK总线、CANopen总线和X2X LINK总线的开发应用，并且几乎支持所有的编程方式。统一型电子轴控制系统的软件开发策略是：整体采用ANSI_C编程，并分三个循环任务层来完成控制。在第一个循环内，完成伺服控制系统的通讯、过程控制、印刷单元的控制、套色系统的控制；在第二个循环内，完成张力控制和远程站点控制；在第三个循环内，主要完成人机界面的控制。

3. 控制原理。统一型电子轴控制系统的开发，基于伺服控制和网络技术。其中，每一个伺服电机回路被称为一个轴，统一型电子轴控制系统的控制对象就是若干个相互关联而又相互独立的控制印刷版辊的轴。

（1）系统关联性。作为控制每一色印刷版辊的轴，其速度的来源是统一的，即系统所虚拟的电子轴给定的实时速度和实现套印所需的调节速度是统一的。各个轴在确保系统传动上的同步性的同时，必须响应适当的套色相位调节。对于由光电眼（需要实现套色控制的印刷单元均有配置）检测到的套印误差，经套色分析卡AC132反馈给伺服驱动器ACOPOS,再由伺服驱动器ACOPOS通过EtherNet POWERLINK总线反馈给PCC，PCC统一实时处理后，指令每个相互关联的轴做出相应的相位调整，称之为串联调节，它是统一型电子轴控制系统实现套色控制的精髓所在。

（2）系统独立性。其独立性表现在，每个轴在相同的控制模式和控制框架下，运行机理是相同的，也是自成体系的。在控制上，PCC实现具体的工艺分析和数据处理，同时系统在初次上电时，由PCC负责将每个轴运行所需的功能参数和系统函数通过POWERLINK总线下载给每个轴的伺服驱动器ACOPOS。ACOPOS则对接收到的功能参数和系统函数实现初始化，并按要求对数据进行必要的分析和处理，指令相应的伺服电机实现轴的控制。伺服电机的实际运转情况由其内部编码器反馈给伺服驱动器ACOPOS上的编码器信号分析卡AC120，形成轴自身的闭环控制。

三、结论

电子轴控制系统应用于印刷机，使印刷机的自动化控制得到大幅提升，不仅优化了控制的协调性和稳定性，而且使印刷机的高精度、高印速、高套印得以实现。同时，还以其人性化操作、安全设计、节能减耗等特点推进了印刷包装设备的发展。