1、前言
在科學技術(shù)日新月異發(fā)展的今天，為滿足人們對商品包裝多樣化、精美化的需要，對包裝印刷傳動系統(tǒng)的自動化要求、位置跟蹤精度要求越來越高。將微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、新傳感技術(shù)、激光技術(shù)以及新工藝與新材料等應用于印刷機械，實現(xiàn)智能化、高自動化、高效能化，是現(xiàn)代印刷機械的發(fā)展方向。
2、包裝印刷機械現(xiàn)狀
我國的包裝印刷機械，特別是凹印生產(chǎn)線起步較晚，基礎比較薄弱。根據(jù)有關資料統(tǒng)計，我國現(xiàn)有的約300臺煙包凹印生產(chǎn)線，幾乎全部從歐、美．日或澳大利亞等工業(yè)發(fā)達國家進口。其中絕大部分于上世紀90年代引入，一般使用八九十年代的技術(shù)，有的甚至是六七十年代的技術(shù)，設備具有以下特點。
(1) 設備的控制電路一般都采用可編程序控制器(PLC)或計算機控制，就這一點來講。還是比較先進的。
(2) 傳動裝置一般采用直流調(diào)速電機，有些六七十年代的設備采用的還是滑差調(diào)速電機。主傳動通過一臺直流調(diào)速主機(或一臺交流調(diào)速主機)驅(qū)動一根機械軸，再通過這根機械軸把各色組單元以及模切單元連在一起， 同步轉(zhuǎn)動。這種機械通軸結(jié)構(gòu)直至現(xiàn)在仍是卷筒紙凹印機普遍采用的傳動形式。
(3) 套準裝置一般采用步進電機帶減速器機構(gòu)(包括差速器、無級變速器等)。
(4) 張力控制裝置一般也采用步進電機帶減速器機構(gòu)。
近年來，電子技術(shù)和微電子技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，隨之也帶動了交流傳動技術(shù)的進步。近代交流傳動技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了二十多年，目前正成為電氣傳動的主流，一直被直流傳動所占據(jù)的眾多領域已被交流傳動所占領。
3 、機械通軸結(jié)構(gòu)的缺點
卷筒紙煙包六色凹印機可以在卷筒紙上印刷1—6種顏色。由于卷筒紙凹版印刷速度快、層次再現(xiàn)豐富、質(zhì)感好，因而得到了廣泛使用。但它對機械制造精度要求很高．特別是由于紙張易受溫濕度影響而變形、伸縮，即使套印調(diào)節(jié)機構(gòu)制造得非常精細，各部分動作又非常協(xié)調(diào)準確，但如果自動化程度不高，仍難以避免套印不準，不能保證產(chǎn)品質(zhì)量。國內(nèi)大部分卷筒紙凹印設備一般采用機械通軸結(jié)構(gòu)，需要靠人工進行套印預定位，操作復雜，定位誤差大，動態(tài)調(diào)節(jié)慢。預定位不準導致設備需要很長的帶紙運行時間，從而產(chǎn)生許多廢品。
4、 交流伺服傳動的優(yōu)勢
為了解決上述問題，歐美等國一些先進的印刷機制造企業(yè)已利用現(xiàn)有的交流伺服傳動技術(shù)研制出電子無軸卷筒紙凹印機。與傳統(tǒng)的有軸{機械軸)傳動凹印機相比，電子無軸卷筒紙凹印機取消了印刷單元間的機械通軸結(jié)構(gòu)，每一個印刷單元都采用AC矢量變頻電機獨立驅(qū)動，由電機直接帶動印版滾筒，并調(diào)整印版滾筒的相位來實現(xiàn)縱向套準，同時由一個步進電機來驅(qū)動印版滾筒的橫向移動從而實現(xiàn)橫向套準。這樣的設計帶來了以下幾個顯著優(yōu)點。
(1) 省掉了許多機械傳動環(huán)節(jié)，使因機械磨損而降低套印精度的可能降至最低，增加了可靠性．減少了維修保養(yǎng)成本。
(2) 套準時間很短，響應速度極快。
(3) 提供了特有的高精度預對版功能，當印版滾筒裝入印刷單元后，通過傳感器來檢測印版滾筒上的零位標記，驅(qū)動馬達會自動將印版滾筒轉(zhuǎn)動至預設零位。設備通過電機空運轉(zhuǎn)即可實現(xiàn)預套準操作，不必帶紙運行，故預套準過程廢品很少．此外由于無軸傳動系統(tǒng)對印版滾筒相位的控制精度高，信息交換快，可實現(xiàn)高精度的高速套準，因此在高速印刷狀態(tài)下仍能獲得比機械軸凹印機高得多的套準精度。
5、改造方案
我公司是紅塔集團投資興建的煙包印刷廠，擁有一條從法國小森——尚邦公司引進的NL650型六色凹版連線模切印刷生產(chǎn)線。這臺印刷機所采用的技術(shù)基本上體現(xiàn)了當時的技術(shù)水平，控制電路采用西門子PLC，套印電路采用尚邦公司的RNP93系統(tǒng)。主傳動使用一臺直流調(diào)速電機通過一根機械軸將動力傳到各印刷色組和模切站，各單元的套印(位置隨動和補償)采用步進電機加差速器的結(jié)構(gòu)，因而無法避免上述機械通軸凹印機的缺點。此外還有以下不足。
(1) 主電機采用直流調(diào)速電機，炭刷和換向器的維護成本高。
(2) 齒輪箱和無級變速器不僅是易磨損的零部件，維修成本高，而且不可避免地存在機械間隙．當步進電機根據(jù)套印指令做出的調(diào)整通過這些機構(gòu)到達印版時，會有所損失，嚴重時引起振蕩。
(3) 上述設備已使用近10年的時間，許多零部件廠家已不再生產(chǎn)，給維修帶來很大困難。
這些問題已經(jīng)影響到公司的長遠發(fā)展，本文即想探討采用交流伺服系統(tǒng)來改造這臺印刷機的可能性。
與步進電機相比，交流伺服電機具有以下明顯的優(yōu)異性能。
(1) 控制精度大大提高。
(2) 低頻特性增強。
(3) 矩頻特性好。
(4) 速度響應性能、控制性能(閉環(huán)控制)和過載能力大大提高。
5.1總體改造方案
（1） 拆除直流調(diào)速主機和機械通軸、差速齒輪箱、步進電機等所有主傳動和步進伺服傳動零部件，用7組獨立的交流伺服電機單元取代上述部件來實現(xiàn)傳動和位置補償功能。這里說的7組單元是6個色組加1套模切單元，如果算上2組張力單元則應該是9組，因此軸數(shù)會因不同的機型改造方案而不同。
（2） 7組交流伺服電機單元通過高精度免維護減速器(速比為5：1或10：1)直接與印版軸或模切軸相連，把電機到版軸之間的機械傳動環(huán)節(jié)減至最少，并實現(xiàn)7軸獨立伺服驅(qū)動。
5.2 具體改造方案
圖1 直流調(diào)速電機＋機械通軸結(jié)構(gòu)示意圖
從圖1可以看到，設備改造前的傳動及套印結(jié)構(gòu)是一臺35kW的直流調(diào)速電機通過一根長軸將6個印刷單元連接在一起。改造方案是將圖1中虛線部分的結(jié)構(gòu)拆除，改造成如圖2所示的結(jié)構(gòu)。
圖2 獨立交流伺服驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖（改造后）
印版電機驅(qū)動單元擬采用力士樂公司的Ecodrive型智能交流伺服驅(qū)動器和配套的MHD高性能交流伺服電動機。其中伺服驅(qū)動器內(nèi)部帶有電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)(本次改造不使用位置環(huán))，電機軸速度和位置檢測元件是伺服電機自帶的2500旋轉(zhuǎn)編碼器(4倍頻)。利用伺服驅(qū)動器上的第二編碼器接口來實現(xiàn)多軸速度跟隨和同步，同步結(jié)構(gòu)如圖2中虛線部分所示。
實際上，印刷機的同步控制包括兩方面的內(nèi)容，一方面是各印版軸轉(zhuǎn)速的同步，另一方面是印刷套印同步控制，即通過光電掃描器檢測印刷碼刻線的實際位置，并與理論位置進行比較，輸出脈沖信號(正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn))給執(zhí)行機構(gòu)(改造前是步進電機)進行位置調(diào)整，它構(gòu)成了同步控制的外環(huán)。
采用伺服控制器在速度方式下對印版電機進行控制．僅能獲得很好的動態(tài)特性。但在印刷過程中，由于各電機伺服驅(qū)動器特性上或多或少存在差異，因而長期運行過程中必然有累積誤差，而上述外環(huán)控制就是為了解決這個問題。
內(nèi)部速度環(huán)主管各軸速度的同步，要求有良好的動態(tài)性能，各種擾動給內(nèi)部速度環(huán)帶來的誤差可以通過外環(huán)控制加以彌補，外部位置環(huán)保證了穩(wěn)定性和套印精度，如圖3所示。
圖3 內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖
本改造方案保留了原系統(tǒng)中套印控制的信號檢測、處理和發(fā)送環(huán)節(jié)，只把作為執(zhí)行機構(gòu)的步進電機改成交流伺服電機。因此，如何將以前發(fā)給步進電機的脈沖信號轉(zhuǎn)為控制交流伺服電機的信號是要研究的一個主要問題?，F(xiàn)在的設想是通過調(diào)試原有套印系統(tǒng)的操作參數(shù)(實際上也是PID參數(shù))以及交流伺服控制器上的PlD參數(shù)，來解決這一問題。
5.3 套印原理
在多色印刷中，一般采用改變印版滾筒的轉(zhuǎn)動角度以達到調(diào)整印刷位置的目的，其閉環(huán)控制原理如圖4所示。
圖4 套印控制原理框圖
根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器原理可知，其線數(shù)越多，即印版每轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)越多，位置精度越高。假定印版周長為500mm，編碼器的線數(shù)為500線，則500mm對應500個脈沖，1mm對應1個脈沖，20mm對應20個脈沖．
實際印刷位置的檢測是通過光電掃描器把檢測到的色標信號轉(zhuǎn)化為電脈沖，這些電脈沖與旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的脈沖串同時被送到套印系統(tǒng)計算機。各色組色標之間的距離給定值為20mm，即兩顏色套準時，兩色標之間的距離是20mm，對應于編碼器脈沖數(shù)為20個脈沖。如圖5所示，色標1與色標2兩脈沖觸發(fā)時間段中計數(shù)為18個脈沖，如以印色1為基準，則說明印色2的印版軸轉(zhuǎn)速太快，為使其速度減慢，糾正位置偏差，應使伺服電機反轉(zhuǎn)相當于2個脈沖的角度；假設色標2與色標3兩脈沖觸發(fā)時間段脈沖數(shù)為23個脈沖，以印色2為基準，則說明印色3的印版軸轉(zhuǎn)速太慢，為使其速度加快，糾正位置偏差，應使伺服電機正轉(zhuǎn)相當于3個脈沖的角度以消除偏差。
圖5 檢測到的脈沖示意圖
（轉(zhuǎn)載）
