机组式印刷机械无轴数控自动化实现路径

机组式印刷机械无轴数控自动化实现路径
摘要：在高精度数字伺服驱动器与多轴运动控制器不断发展的过程中，无轴转
动技术在包装、印刷、工业机床等领域中广泛使用。

无轴传统机组式印刷机的组
点较多并且较为分散的，要求具有较高的同步运动精度，实现自动化机组式印刷
机械无轴数控的设计。

关键词：机组式印刷机械；无轴转动技术
引言
传统机组式印刷机大部分都是通过异步电动机利用皮带轮带动机械长轴，通
过长轴利用各个机组凸轮、齿轮及连杆等零件，从而带动印版滚筒等相应的机构
进行运动，以此实现印刷。

系统中具有大量的机械零件，系统使用及维护并不方便，各个机组及机械长轴无法保证同步运动，也无法精准控制套印的精度。

目前，在电力电子技术不断发展的过程中，相互独立的电机驱动系统替代了原本机械长轴，利用程序软件及网络创建了内部虚拟电子轴的无轴传动技术。

基于此，本文
就自动化技术提出了机组式印刷机械无轴数控自动化的实现路径。

1无轴传动技术在印刷机械上的应用优势
1.1无轴传动技术
无轴传动技术又称作无齿轮传动技术，主要指在印刷机中每个机组或者说滚
筒甚至棍子的动力都是互不影响，独立存在的。

它们分别有单独的伺服电机，当
运动控制器发出程序指令后，根据这些指令分别进行驱动。

无轴传动技术包括电
子电力技术、同步驱动技术等在内的多种先进技术，构成了综合的传动体系，它
既能主动优化机电系统，也能适应机械运动系统的要求。

1.2传统印刷的技术缺陷
传统的传动技术又称作机械传动技术，在这种技术模式下，普通印刷机往往
需要配带一个大型齿轮驱动电机，但是齿轮传动在互相接触的过程中会产生摩擦，而机械部件的不断运转会造成摩擦的不断累积，当齿轮进行传动时，摩擦会难以
避免地造成机械滞后。

再加上齿轮传动是不稳定的，在实际的传动过程中，一旦
受到外界因素干扰，齿轮就会出现侧移。

尤其是在机械的启动和停止过程中，侧
移现象出现得更加频繁。

由于齿轮一般规模较大，而传动轴又较长，两方面的配
合会导致误差不断累积，长此以往，很大程度上会影响传动的精准度，并且影响
印刷机的整个运行系统。

1.3简单化、模块化
各机组之间无直接机械传动连接，各自用独立的电机驱动，而整体时序配合
采用电气通讯方式来实现。

这样可以使机组模块化、标准化、大批量化，再配上
模块化、标准化的供纸机构、收纸机构，可实现"积木化"的任意组合生产。

去掉
了大的零部件，诸如各种大型高精度齿轮、各种机械传动机构等，减少了零部件
的种类，增大了零件的单件产量，容易标准化大批量生产，对零部件的保管，减
少浪费，降低成本，降低机器整体噪音，提高整机运转速度，迅速组织生产，增
强市场变化的应变力等带来一系列的便利和好处。

整机的制动也非常方便实现。

总之，将整体驱动改为分散驱动，使整体结构变得非常简单。

2机组式印刷机械无轴数控自动化设计
2.1中央控制系统
在无轴彩印设备中具有较多的运动轴，并且要实现位置指定、同步锁定、Ｉ
Ｏ控制、实时运算、时序控制和远程通信等复杂的功能，所以就要使用功能开放、
高主频、接口完善的多轴运动控制器。

通过技术分析，使用英国ＭＣ系列控制器。

此控制器中具有６４位４００ＭＨｚ主频ＭＩＰＳ处理器，能够支持ＩＥＣ６１
１３１－１编程规范，实现６４根数字伺服轴的控制，并且ＩＯ控制在扩展之后
具有２７２个点。

另外，还具备ＡｃｔｉｖｅＸ空间，能够基于Ｗｉｎｄｏｗｓ
编程环境实现上位控制系统的开发，上位机利用网线能够和控制器连接实现运动
控制，不仅方便二次开发，也能够使用户可应用范围得到扩展。

其次，还能够支
持模拟量伺服轴的控制，运动控制功能能够利用ＥｔｈｅｒＣＡＴ实时ＣｏＥ实现，使用ＣＡＮ／ＣＡＮｏｐｅｎＤＳ４０２通信协议。

2.2伺服系统
在选择伺服驱动机的过程中，要求结合ＤＳ４０２协议控制器，具有支持Ｃ
ｏＥ的接口。

使用Ｅｍｅｒｓｏｎ公司中ＳＰ系列伺服驱动器，此系列的驱动器
在工业机床、食品包装等场合中被广泛使用，其机身实现三个扩展插槽的整合，
并且还具有通信子板等大量的扩展模块，此系列的伺服能够实现伺服电机三环控制，也就是力矩模式、速度模式及位置模式，以用户实际需求进行在线参数调整
及检测电机的状态。

使用意大利Ｐｈａｓｅ公司中Ｕ３系列高精度永磁同步伺服
电机，结合海德汉绝对值２５位编码器，通过伺服驱动器实现处理。

伺服电机单
圈位置脉冲能够达到１０４８５７６个。

对于通过伺服马达直驱和周长为４００
ｍｍ印刷辊，控制进度为０．０００３ｍｍ／ｐｉｌｓｅ，使控制需求得到满足。

3发展趋势
3.1同步控制策略
印刷设备运动部件多，控制规律复杂，因此，印刷设备的无轴传动系统中各
运动单元轴驱动电机的同步协调控制是核心的问题。

其控制策略的优劣直接影响
着印刷机的稳定性和可靠性。

印刷机的同步控制包括位置同步、速度同步以及电
子凸轮的同步。

目前，多电机同步控制策略，除传统的反馈控制外，主要有交叉
耦合控制、多模型参考自适应控制、最优控制、变结构控制、鲁棒控制、H∞型
控制、神经网络、遗传算法等。

其中，滑模变结构控制由于滑动模态可以进行设
计且与对象参数及扰动无关，具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系
统在线辨识、易于实现的优点，因而越来越受到重视，有望成为印刷机无轴传动
同步控制的重要方法。

3.2设备机电特性参数的辨识、分析与控制
高速是印刷设备的发展重点，而优化高速控制的核心在于实现高加速度，为
此需要使伺服机构处于最佳工作状态，从而获得系统最大运动加速度。

因此，基
于系统整体建模的加速度控制曲线选择、伺服机电参数的辨识优化、多轴增益的
协调控制等是今后研究的热点。

3.3以太网
伺服驱动对网络通讯的实时性和同步性有严格的要求。

目前的无轴印刷机采
用多种现场总线控制。

现场总线作为一种开放的、全数字化、双向、多站的通信
系统，具有开放性、可互操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自治性、系
统结构的高度分散性和对现场环境的适应性等特点，使它能够节省硬件数量与投资，节省安装费用，节省维护费用，提高了系统的准确性和可靠性。

但现场总线
对现场设备，例如I/O、变频器、传感器等设备的支持非常有限，以至于多数应
用项目都需要采用另外的现场设备网络来弥补专用运动控制网络的不足，从而增
加了系统配置和集成的复杂性，限制了系统的性能，增加了成本。

与此同时，在
现场设备网络中增加闭环驱动控制功能也存在一定的问题。

如果在同一网络中支
持闭环驱动控制和其他现场设备，目前的现场总线网络通讯带宽和数据传输确定
性很难达到平衡与妥协。

结语
正如伺服传动技术带给机械制造、机器人、宇航等领域的革新性变化一样，
无轴传动技术势必在智能化、自动化、可靠性、便捷性、适用性、灵活性、经济
性等方面全方位地促进印刷装备的发展和水平的提高，给印刷业带来巨大的变革。

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