0 引言

　　目前全球印刷企業(yè)用戶和設備生產廠商都將目光聚集于一項新興控制技術——無軸傳動控制。尤其是應用在凹版印刷機上，其優(yōu)勢更為突出。

　　傳統的機組式凹版印刷機（有軸印刷）依靠一根機械主軸通過渦輪蝸桿向各個印刷單元傳遞動力，并以此來保證各色組版輥的運動同步，動力來源于由矢量控制變頻器控制的三相異步電動機，其傳動精度差，機械結構復雜。印刷圖案的套準控制則是通過控制專門的浮動輥的運動，并通過控制張力以控制承印物的拉伸來實現的。

　　所謂無軸印刷，就是采用虛擬電子軸取代傳統的機械主傳動軸，并取消套色系統所需的浮動輥機構，而將傳動與套色融為一體，直接作用于印刷版輥的一種印刷方式。

　　用于凹印機的無軸傳動控制系統分為兩種流派：其一是以日本住友、西門子、力士樂等公司為代表的“傳動系統+套色系統”的復合式流派，另一種則是以貝加萊公司為代表的集傳動與套色為一體的富有創(chuàng)新意義的集成式流派。該集成型系統的顯著特點是簡潔、高效以及成本的競爭力。

1 無軸傳動凹印技術的特點 

1）無軸印刷傳動技術的分類

　　無軸印刷傳動技術在發(fā)展過程中形成了以下三種類型的系統：亞無軸傳動控制系統、準無軸傳動控制系統和集成型無軸傳動控制系統。

（１） 亞無軸傳動控制系統

　　僅僅去掉了傳統的機械主傳動軸，每一印刷單元采用獨立驅動機構，保留了套色系統所需的浮動輥機構且完全獨立。該系統很難達到完全協調和穩(wěn)定，結構復雜，而且色組之間的過料長度較長，很難實現高速、高精度的印刷工藝。它是無軸控制系統的前身。

（２） 準無軸傳動控制系統

　　不僅去掉了傳統的機械主傳動軸，同時也去掉了套色系統所需的浮動輥機構，每一印刷單元采用獨立驅動機構，以保證印刷版輥的速度同步。同時，由相對獨立的套色系統提供套色誤差信號，結合速度同步信號和套色誤差信號，統一協調工作。它是無軸控制系統的發(fā)展。

（３） 集成型無軸傳動控制系統

　　該系統采用基于伺服控制技術的虛擬電子軸傳動來取代傳統的機械主傳動軸，徹底摒棄了套色系統所需的浮動輥機構，而將傳動與套色融為一體，各個印刷單元均配置獨立的伺服電機及相應的減速機構對該單元的版輥獨立驅動，直接作用于印刷版輥。在套色控制上，是在保證各軸同步的基礎上，通過控制版輥的相位來實現的。這是一種真正意義上的無軸傳動控制系統，也是本文論述的主題。

2） 集成型無軸傳動控制系統的機組式凹印機特點

　　與傳統的機械主軸凹印機相比，采用集成型無軸傳動控制系統的機組式凹印機具有以下優(yōu)點：

（１） 傳動結構簡化

　　控制的協調性和穩(wěn)定性好，走料長度縮短20％，走料時間也相應縮短。

（２） 高精度的預套準和極短的預套準時間

　　伺服系統可自動根據色組間料長來調節(jié)版輥相位，將其迅速轉動至“印刷位置”。其定位精度可達0.001mm，重復精度為0.01mm，自動預套準的范圍可以嚴格控制到+/-10mm以內。

（３） 采用高性能控制系統以實現高精度、高印速、高套準控制

　　該控制系統以PCC（即可編程計算機控制器）為核心并基于Ethernet POWERLINK實時工業(yè)以太網，在控制伺服驅動、數據通信以及數據采集、處理等任務中，大大提高了效率，其處理速度和能力遠遠超出行業(yè)內其它類型的控制器，故它有能力很好地處理套色和同步傳動的統一。
以總線的方式進行遠程I/O的配置和通信，節(jié)省了配線，并大大降低了系統的干擾和故障，使設備的維護簡化。

　　用于版輥位置反饋測量的編碼器通過硬件倍頻可達到400萬線/轉的高分辨率，系統控制精度可達0.001mm，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

　　不需改變系統硬件配置即可通過軟件來實現各個印刷色組正印和反印的任意轉換。對異徑涂布功能和定點涂膠功能的實現，較之傳統有軸凹版印刷更簡單而又可靠。

（５） 色組機的分組使用

　　為多色機的分組使用提供了方便。即在某些色組正常作業(yè)時，用戶可為剩余色組提前做好訂單的裝版和勻墨工作，還可依據生產需要將不參加作業(yè)的色組置于單動停止狀態(tài)，達到節(jié)能的效果。

2 控制系統的構成及原理

　　集成型無軸傳動控制系統的技術方案立足于簡化機械結構和提高控制性能。

1） 系統構成

　　型號不同的機組式凹版印刷機的色組單元個數是不同的，下面以一臺10色組單元凹版印刷機的控制系統為例，來說明凹印機無軸傳動控制系統的構成，如圖1所。該系統以B&R X20系列PCC為核心（CPU選用CP1486)，與上位操作監(jiān)控站（選用PP320觸摸屏作為HMI）、10套B&R ACOPOS multi伺服驅動系統和10套色標識別系統一起構成基于Ethernet POWERLINK總線星形網絡的無軸凹印機控制系統。
在該網絡中， PCC的CPU (CP1486) 模塊是中央處理單元，除PCC與操作監(jiān)控站的通信采用以太網(TCP/IP) 以外，PCC的CPU與各伺服驅動器之間通過Ethernet POWERLINK總線和HUB實現數據通信，各
　　伺服驅動器之間的數據通信也基于Ethernet POWERLINK。   

　　在該Ethernet POWERLINK通信網絡中，CPU (CP1486)接口的站點號為00（管理節(jié)點MN），各伺服控制器的站號依次為01到10（控制節(jié)點CN）。

 圖1  機組式凹版印刷機無軸傳動控制系統簡化原理圖

2） 主要控制裝置和子系統

（１） 操作監(jiān)控站（HMI）

　　上位操作監(jiān)控站是操作人員與系統交換信息的唯一渠道，它實現系統參數讀寫、系統狀態(tài)監(jiān)控、故障提示和配方管理等功能。

　　選用了一款15英寸嵌入式高檔人機界面（B&R Power Panel 300 BIOS觸摸屏），集成有Ethernet等通信接口，不僅具備人機界面通常所有的功能，同時還可以在其中裝入通用操作系統，如Windows XP、Windows CE等，因而可支持目前多種主流的圖形組態(tài)軟件，客戶可以根據自己的具體條件選擇合適的組態(tài)軟件。

（２） X20系列PCC

　　其CPU是一款高性能的處理器，具備附加的I/O處理器和浮點處理器FPU，系統單步指令周期最快可達到0.01us，任務循環(huán)周期可短至200us。X20 CPU支持多種通信協議，RS232、Ethernet、Ethernet POWERLINK和USB等通信接口已經成為X20 PCC的標準配置。X20系列的控制器也使用B&R的Automation Studio™集成軟件平臺。

（３） 印刷版輥伺服驅動及控制系統

　　B&R全數字伺服驅動器ACOPOSmulti及伺服電機構成了版輥伺服驅動系統，是該無軸凹印機傳動控制系統的基礎。

　　ACOPOSmuti是B&R的新一代伺服驅動器，采用共用直流母線集中供電模式和背板式緊湊安裝結構。其高效的散熱結構、集中供電單元和獨特的雙軸驅動單元等技術有利于縮小多軸應用的安裝空間，共用直流母線技術有利于多軸驅動的負載均衡，加之可逆整流技術更有利于穩(wěn)定直流母線的電壓，并適應更寬范圍的交流供電電壓，提高系統的功率因數，還能將多余的發(fā)電制動能量直接回饋給電網，節(jié)能效果明顯。加上Ethernet POWERLINK高速實時工業(yè)以太網技術和系統安全技術，完美地解決了集中或分布式多軸應用的高速實時同步和安全運行問題。

　　把對每一個電機回路的控制稱為對一個“軸”的控制。每個“軸”獨立驅動，其控制模式是一致的，控制框架也基本相同。由PCC實現具體的工藝控制和數據處理。然后通過Ethernet POWRELINK總線和HUB口將數據傳送到各臺用于驅動印刷版輥的伺服電機的伺服驅動器ACOPOSmulti中，伺服驅動器則根據要求對數據進行必要的分析處理，控制相應的伺服電機驅動各自的印刷版輥以實現同步控制。伺服電機的實測速度（位置）由其內置編碼器反饋給伺服驅動器的編碼器信號分析卡，再由該<