摘要：文章從如何提高瓦楞紙印刷精度著(zhù)手，介紹影響印刷精度的主要因素。針對瓦楞紙無(wú)軸印刷，從電氣控制的角度，使用高性能的Lenze運動(dòng)控制器3200C及i700伺服驅動(dòng)器，采用虛擬主軸的概念，提出基于運動(dòng)控制的全伺服系統自動(dòng)化控制解決方案。

    關(guān)鍵詞：全伺服 無(wú)軸印刷 3200C i700

    1 引言

    瓦楞紙箱是一種十分優(yōu)良的綠色包裝材料，廣泛應用于人們的社會(huì )生活各個(gè)方面，是家電、食品、醫藥、日化、紡織、煙酒、輕工業(yè)等行業(yè)必不可少的包裝容器。

    隨著(zhù)社會(huì )不斷發(fā)展和消費水平的提高，人們對商品包裝的要求也不斷提高。如何展現包裝魅力、美化商品圖案、引導消費、提高產(chǎn)品附加值也是增加企業(yè)競爭力的一個(gè)重要因素。目前，瓦楞紙箱的印刷逐步向高檔次、高質(zhì)量、多色彩、視覺(jué)效果強烈的方向發(fā)展，以彩面多色網(wǎng)點(diǎn)印刷為方向[1]，使印刷圖案達到色彩鮮艷，光澤度好、美觀(guān)的效果，這就對瓦楞紙產(chǎn)品印刷精度方面提出了更高的要求。

    印刷機的機械加工誤差和電氣控制精度是影響產(chǎn)品印刷精度的兩個(gè)重要因素。機械誤差主要來(lái)源于齒輪之間的間隙、同步帶、機械軸安裝是否同心等。另外，部分印刷機械設備采用機械主軸方式，為減小機械誤差，必須提高機械加工精度，維護成本較高；電氣控制精度主要由伺服驅動(dòng)器、伺服電機等精度決定。為提高印刷精度，可采用以下方式：一是機械上除提高加工精度外，還可以取消機械主軸，使用電氣虛擬主軸替代機械主軸；二是采用合理的自動(dòng)化系統解決方案，并使用高性能、高精度的伺服驅動(dòng)器及伺服電機。

    Lenze公司主要進(jìn)行高精度、高性能的伺服驅動(dòng)產(chǎn)品的研發(fā)，致力于為客戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的印刷自動(dòng)化系統伺服解決方案，本文從典型的開(kāi)槽模切印刷設備介紹了此應用系統解決方案。

    2 設備主體結構

    瓦楞紙印刷設備類(lèi)型是多種多樣的，但主體結構主要由送紙單元、印刷單元、干燥單元、模切單元等組成，如圖1所示。其中，由于設備功能不同，部分印刷設備會(huì )將模切單元更換為其他設備。

 

    圖1 瓦楞紙印刷設備主體結構示意圖
 

    送紙單元主要由進(jìn)紙輪、抬板、擋板、送紙輥等組成。擋板可上下移動(dòng)，根據瓦楞紙原料厚度上下調整，以保證送紙輪每次僅送進(jìn)去一張瓦楞紙，上面一張紙則被擋板擋??；

    抬板可通過(guò)兩種方式進(jìn)行驅動(dòng)，一種是通過(guò)機械凸輪耦合方式與主軸相連，通過(guò)主軸驅動(dòng)抬板做凸輪運動(dòng)；另外一種方式則通過(guò)伺服電機驅動(dòng)，使抬板進(jìn)行凸輪運動(dòng)。進(jìn)紙輪由四組滾輪組成，主要將印刷紙板送入后續印刷單元中，進(jìn)紙輪由一臺伺服電機驅動(dòng)。為靈活適用多種產(chǎn)品規格印刷及維護方便，目前比較流行的方式為進(jìn)紙輪和抬板均采用伺服電機驅動(dòng)方式；

    送紙輥由一臺伺服電機驅動(dòng)，將印刷紙板送入后續印刷單元中。紙板在進(jìn)入送紙輥之前，線(xiàn)速度需達到送紙輥線(xiàn)速度，即生產(chǎn)線(xiàn)速度，以保證紙板在送紙輥之間不會(huì )發(fā)生打滑或者拉伸，進(jìn)而影響后續印刷精度。

    印刷單元是瓦楞紙印刷主體結構，也是核心關(guān)鍵結構。這部分機械精度直接影響到印刷精度。圖1所示為6色印刷單元，每色單元分別由網(wǎng)紋輥、印刷版輥、傳送輪組等組成，圖1僅畫(huà)出印刷輥及傳送輪。印刷單元色數可以根據需要進(jìn)行調整，可改為4色或者其它數目，但色數增多意味著(zhù)對機械精度要求更高，印刷更加復雜。印刷輥筒和傳送輪可通過(guò)機械耦合方式由一臺伺服驅動(dòng)，也可以?xún)膳_伺服同時(shí)驅動(dòng)，本文則采用后一種全伺服方式。

    干燥單元主要采用熱風(fēng)干燥、紅外線(xiàn)干燥、紫外線(xiàn)干燥等方法，用熱風(fēng)與紅外線(xiàn)加熱相結合的干燥方法效果更佳[2]。

    模切單元由膠輥和模切輥組成，通過(guò)兩臺伺服電機分別驅動(dòng)。模切單元將印刷產(chǎn)品通過(guò)模切壓痕制成精美箱盒產(chǎn)品。

    3 產(chǎn)品介紹

    1) 控制器3200C

    3200C是Lenze推出的一款強大的高性能運動(dòng)控制器PLC，主要用于高精度、高動(dòng)態(tài)響應的運動(dòng)控制。操作系統采用WinCE系統，軟件開(kāi)發(fā)平臺為CoDeSys平臺，最小運行掃描時(shí)間為1ms。

    內置兩個(gè)Ethernet 百兆以太網(wǎng)口、一個(gè)百兆EtherCAT接口、一個(gè)DVI接口。通訊可選件包含Profibus DP master、Profibus DP Slave、CANopen模塊。

    可擴展IO模塊，IO模塊包含數字量輸入DI、數字輸出DO、模擬量輸入AI、模擬量輸出AO、編碼器速度測量等模塊。

    2) 伺服9400

    伺服9400是Lenze高精度伺服控制器，尤其適用于集中式、緊湊型單軸、多軸安裝系統。該伺服采用32位處理器，具備極高的運算及控制精度；伺服內部具備PLC編程功能，客戶(hù)不同的需求可以通過(guò)編程靈活實(shí)現，掃描時(shí)間達到1ms；此外，通過(guò)選擇不同的通訊模塊，9400伺服控制器可以快捷地與第三方PLC或者其他伺服驅動(dòng)器通訊，如Profibus DP、ProfiNet、EtherCAT等模塊。

    3) 伺服驅動(dòng)器i700

    伺服驅動(dòng)器i700是Lenze公司最新推出的一款多軸伺服驅動(dòng)器，除具備伺服9400高精度的特性外，還具備較高的性?xún)r(jià)比。伺服軸模塊分為單軸模塊、雙軸模塊，使用時(shí)可以靈活組合，軸模塊之間通過(guò)母線(xiàn)并聯(lián)，軸模塊供電集中統一通過(guò)直流母線(xiàn)供電；通訊采用集成的高速工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT與3200C或者第三方運動(dòng)控制器PLC通訊。安裝方式有冷板安裝，推出式散熱，柜內安裝三種安裝方式，功率范圍為 0.75kW 到 15 kW。

    4 全伺服自動(dòng)控制系統結構

    圖2為典型的Lenze無(wú)軸印刷全伺服控制系統結構圖，主要硬件結構包含Lenze觸摸屏MP1000、3200C運動(dòng)控制器、Lenze伺服控制器及Lenze伺服電機。

 

    圖2 全伺服控制系統結構圖
 

    3200C運動(dòng)控制PLC是整個(gè)運動(dòng)控制系統的核心，它包含了設備運行所需要的虛擬主軸控制、電子凸輪控制、相位同步控制等印刷所需要的核心控制功能。3200C與伺服9400、伺服驅動(dòng)器i700通訊采用通訊速率高達100Mbps的通訊網(wǎng)EtherCAT。EtherCAT 是一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它充分地利用了以太網(wǎng)的全雙工特性[3]。除具備高速通訊速率外，使用EtherCAT作為總線(xiàn)使方案拓展更具靈活性，符合EtherCAT協(xié)議的設備均可拓展到此系統結構上。3200C則通過(guò)EtherCAT網(wǎng)絡(luò )統一協(xié)調所有設備的運轉。

    伺服驅動(dòng)器使用Lenze性?xún)r(jià)比較高的i700驅動(dòng)器，i700是Lenze在伺服驅動(dòng)器領(lǐng)域的新產(chǎn)品，i700分為單軸和雙軸模塊，雙軸模塊可以分別獨立驅動(dòng)兩臺伺服電機。i700內部不包含驅動(dòng)程序，僅包含最基本的位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)等控制閉環(huán)，所有的設定值、控制命令等設定數據均由3200C通過(guò)EtherCAT過(guò)程數據通道下發(fā)。此外，部分設備如前緣進(jìn)紙功率較大，因此需采用伺服9400，伺服9400采用Lenze CIA402模式，其控制思路與方法則與i700相同，均由3200C通過(guò)EtherCAT總線(xiàn)下發(fā)設定值和控制字等命令來(lái)控制驅動(dòng)器。

    Lenze觸摸屏MP1000通過(guò)DVI線(xiàn)與3200C通訊。由于運動(dòng)控制器3200C支持OPC Server及以太網(wǎng)自由口通訊，3200C可以與支持OPC協(xié)議或者以太網(wǎng)自由口通訊的觸摸屏通訊。伺服電機則采用Lenze自身品牌的伺服電機。

    系統電源供電較為靈活，i700伺服驅動(dòng)器可由i700電源模塊直流DC母線(xiàn)供電，并可以根據負載大小調整電源供電模塊數量，電源模塊之間并聯(lián)連接；9400則可以外接380V，也可以選擇一款大功率的供電模塊，通過(guò)直流DC母線(xiàn)同時(shí)為9400及i700供電。

    5 系統主要功能

    1) 無(wú)軸印刷

    在3200C中，使用虛擬主軸取代機械主軸作為設備控制的主軸，避免機械主軸的設備維護成本及控制精度差的特點(diǎn)。所有印刷單元及其它設備均根據虛擬主軸運行，以保證印刷設備動(dòng)作的統一協(xié)調性和印刷精度。這樣，通過(guò)控制虛擬主軸的運轉就可以控制印刷全線(xiàn)的運轉。

    2) 相位同步

    相位同步是印刷中極為重要的功能，相位同步控制精確與否直接影響到產(chǎn)品的印刷精度。在多色印刷中，為保證印刷精度和印刷圖案精美，必須保證多色印刷單元的十字標緊緊的重合在一起，就需要精確的相位同步控制，同時(shí)提高系統的魯棒性。

    3) 相位回零

    在操作人員進(jìn)行印刷單元維護或者在更換印版時(shí)，進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)或其它操作使各印刷單元相位偏離原來(lái)的初始印刷位置。為了使各印刷單元十字標重合，再次印刷之前，需要將各印刷單元相位調整到初始設定好的某一固定位置。

    4) 印版壓力修正

    在印刷過(guò)程中，由于印版壓力的影響，會(huì )導致印刷在紙板上的圖案整體拉伸或者壓縮，進(jìn)而影響后續印刷精度或則圖案精美度。為減小壓力對紙板印刷的影響，可通過(guò)Lenze電氣控制程序上來(lái)補償此壓力影響。

    5) 凸輪曲線(xiàn)控制

    在前緣進(jìn)紙單元中，紙張進(jìn)入拉紙輥或者印刷單元前，需要達到生產(chǎn)線(xiàn)速度。因此，紙張需要從靜止加速到同步生產(chǎn)線(xiàn)速度，實(shí)現此要求還需要抬板動(dòng)作進(jìn)行配合。這樣，進(jìn)紙輪和抬板就需要在運動(dòng)控制器3200C中使用不同的凸輪曲線(xiàn)進(jìn)行協(xié)調控制紙張進(jìn)紙速度。

    6) 印刷單元雙伺服控制

    通常，印刷單元滾筒和傳送輪由一臺伺服電機控制，滾筒和傳送輪之間通過(guò)同步帶或者機械齒輪耦合。這樣會(huì )帶來(lái)兩種問(wèn)題，一是滾筒和傳送輪之間多一級機械結構，就會(huì )帶來(lái)多一級的機械誤差，這會(huì )直接影響印刷精度；二是無(wú)法通過(guò)電氣程序對印版壓力進(jìn)行修正，當印刷圖案整體拉長(cháng)或者壓縮時(shí)，電氣無(wú)法通過(guò)伺服驅動(dòng)對滾筒和傳送輪分別進(jìn)行相位調整。為解決這些問(wèn)題，印刷滾筒和傳送輪可采用雙伺服電機分別控制相位的方式。

    6 Lenze亮點(diǎn)

    1) 運動(dòng)控制器3200C具備強大的運算功能，在多達20根軸的情況下，程序運行時(shí)間1~2ms。

    2) 3200C虛擬主軸概念的使用實(shí)現了無(wú)軸印刷，使全線(xiàn)設備控制更具協(xié)調性。

    3) Lenze新產(chǎn)品i700的使用不僅具備較高的伺服控制精度，還具備較高的性?xún)r(jià)比。

    4) 總線(xiàn)EtherCAT不僅具備較高的通訊速率，其協(xié)議的開(kāi)放性也使方案擴展變得極為容易。

    5) 工程人員可通過(guò)以太網(wǎng)遠程監控、維護客戶(hù)現場(chǎng)設備，快速響應現場(chǎng)客戶(hù)需求及降低成本。

    7 結論

    我國瓦楞紙箱印刷行業(yè)的起步較晚，但發(fā)展較為迅速。目前，市場(chǎng)競爭激烈，如何印刷出精美的圖案，提高市場(chǎng)競爭力是企業(yè)的迫切需求。Lenze公司在這一領(lǐng)域有整套電氣解決方案。其強大的運動(dòng)控制器 3200C和高性能的伺服9400、i700及同步伺服電機是高精度電氣控制的重要保證。EtherCAT總線(xiàn)的應用為系統的擴展性提供了極大的便利，i700伺服驅動(dòng)器雙軸模塊、單軸模塊是較高性?xún)r(jià)比的伺服驅動(dòng)器。隨著(zhù)行業(yè)的發(fā)展，Lenze公司將為客戶(hù)提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)和系統解決方案，Lenze將與客戶(hù)共同發(fā)展。

    8 參考文獻

    1．張學(xué)中. 國內外瓦楞紙箱的發(fā)展和未來(lái)趨勢[EB／OL]. http://news.pack.cn/hydt/xzyc/2007-03/2007031510192743.shtml, 2007-03-15

    2. 唐萬(wàn)有，蔡圣燕，王豐軍等. 《印后加工技術(shù)》[M]. 北京；中國輕工業(yè)出版社，2007. 46。

    3. 郇極 劉艷強 .《工業(yè)以太網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)EtherCAT驅動(dòng)程序設計及應用》[M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，2010.03. 5