曲面胶印机嵌入式伺服驱动控制系统设计*

王贤淮，陈 忠，王昌佑，王贤洵

（1.广东隆兴包装实业有限公司，广东 潮州 515638；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

新型食品包装容器对于提升食品形象与品牌定位有重要作用。因而食品包装容器除了要满足基本的容器功能外，对其外表面的图案及色彩的表现力提出了更高的要求。对于PET塑料杯外表面上的色彩鲜艳的图案需要采用特殊的柔性版胶印技术完成印刷，为此须配套高效的锥形容器曲面胶印刷机。为了在锥形容器表面获得表现细腻、层次感强的多色套印图案，对印刷系统的同步运动控制提出了更高的要求。传统的曲面胶印机采用单电机传动，通过机械传动链保证其同步，但这种传动模式要使用万向节（由于需要调整鼓轮与圆锥容器间的接触压力），因而限制了其印刷速度以及存在寿命短、关键部件易磨损等问题[1]。目前，先进的曲面胶印机均采用独立驱动方式，通过位置传感与驱动同步的方式实现更加灵活的同步印刷运动[2-3]。针对这两种驱动模式，一般采用交流电机、变频器、PLC实现整机关键的印刷同步控制。但这种控制模式存在无法实现精细控制，印刷得到的图案不够细腻。

为此，本文针对目前曲面胶印机的印刷同步控制模式的缺点，提出了基于嵌入式控制器的伺服同步控制方法，以确保高速印刷过程中印刷的动态同步性能，提高印刷图案层次感与表现力。论文首先简述了曲面胶印机印刷同步控制的特点与要求，其次设计一个用于曲面胶印机同步印刷控制的嵌入式伺服驱动控制系统，包括体系结构设计与软件模块设计。所设计的嵌入式伺服驱动同步控制系统在曲面胶印机上得到了成功应用。

1 曲面胶印机的步进同步印刷原理与控制要求[4]

曲面印刷机是一个高度机电一体化的印刷设备，其基本的印刷原理采用柔性凸版与胶印复合印刷模式，因此兼有胶版印刷与柔性版印刷的优点。其结构及印刷示意图如图1所示，曲面胶印机通过窜动胶辊2把UV油墨1均匀涂抹到柔性凸版3上；柔性凸版上的单色图形转印到鼓轮橡皮布4上，橡皮布上的多色图形，则通过多组柔性凸版通过恒定机械传动链以同步的方式套印在同一个橡皮布上；大鼓轮5与步进分度模头7以双电机独立控制方式确保橡皮布与步进分度模头7上的锥形塑杯步进同步接触滚动印刷。

图1 锥形塑杯印刷机工作示意图

为了保证锥形塑杯的印刷质量，需要严格保证柔性版驱动轴、大鼓轮驱动轴和分度驱动轴的同步转动，具体如示意图2所示。这三个运动轴采用独立驱动的方式，为此需要准确测量各轴的运动位置，通过运动控制实现各轴的同步。这对控制系统提出了较高的要求。

图2 锥形塑杯印刷机的印刷工步示意图

传统的方法是采用变频器驱动交流电机的方式实现，其特点是成本低，但控制性能稍差，不能很好地实现动态位置控制。为此，本文对三个驱动轴采用了伺服同步驱动的方式，通过伺服驱动器驱动高性能伺服电机，从而可保证高质量印刷对同步运动控制的要求。

2 曲面胶印机嵌入式伺服驱动控制系统

针对曲面胶印机高性能同步印刷的要求，设计嵌入式伺服驱动控制系统，完成控制体系规划、软件系统设计。

2.1 嵌入式伺服同步驱动体系结构

图3 嵌入式伺服驱动同步控制系统

针对曲面胶印机同步运动高质量印刷的要求，设计如图3所示的嵌入式伺服运动控制体系结构。其中，采用具有硬件驱动层与上位上层数控层的两层结构的上位机与下位模块化嵌入式运动控制系统。该控制系统的硬件驱动层具有硬件透明的接口函数，从而可实现对印刷行业不同嵌入式控制器、基于PLC控制器控制功能的透明调用。同时上位上层数控系统可通过统一的接口函数调用下位不同控制器的控制功能，访问下位不同的变量以及读取不同I/O信号，这些都是对硬件透明的。从而上位数控编程或图形化组态系统得到统一的实现。

下位嵌入式控制器采用实时操作系统，实现曲面胶印机同步运动控制。其核心模块是三轴联动控制模块。这三轴伺服运动，通过各伺服电机带的旋转编码器实现各自的半闭环控制。由于其三轴联动控制的结果实际上是在一个三维拓扑空间中的插补，根据曲面胶印机同步运动控制的要求，实际上其运动轨迹在这个三维拓扑空间中的运动轨迹是一条直线。

图4 下位机流程图

2.2 下位嵌入式软件系统

由于曲面胶印机三轴伺服联动的运动轨迹是一条三维拓扑空间中的直线，因此只需要实现一个空间直线插补算法就可以完成控制软件的核心模块。但这个空间直线插补算法与一般直线插补算法不同的地方是，其要对各运动轴进行必要的调相控制，以使各运动实现回零。这样才能保证印刷的初始位置正确，而不能按照传统的方法进行机械回零。为此实现了下位嵌入式控制的核心软件流程图，如图4所示。

3 结论

随着对锥形塑杯等食品容器的外包装要求越来越高，对曲面胶印机高速运行条件下的同步运动控制性能提出了越来越高的要求。本文提出的嵌入式伺服同步驱动控制系统，利用数控系统原理，实现了空间直线插补算法模块以及特殊的调相回零方法。所设计的曲面胶印机嵌入式伺服控制系统在公司产业化的曲面胶印机上试验性运行，在36000个印杯/小时运行工况下，塑杯印刷质量达到了要求。

［1］蔡建伟，胡中越.曲面胶印机：中国，200620061956.3［P］.

［2］王贤淮，王昌佑.用于曲面胶印机的多独立交流伺服电机同步驱动系统：中国，200820135995.2［P］.

［3］王贤淮.用于曲面胶印机的双电机同步传动装置：中国，200620012968.7［P］.

［4］王贤淮，陈忠，王昌佑，等.锥形塑杯曲面胶印机印刷差速分析与鼓轮设计［J］.现代制造工程，2009（6）：128-131.