交流伺服技术改造卷筒纸凹机的探讨
1、前言
在科学技术日新月异发展的今天，为满足人们对商品包装多样化、精美化的需要，对包装印刷传动系统的自动化要求、位置跟踪精度要求越来越高。将微电子技术、信息处理技术、新传感技术、激光技术以及新工艺与新材料等应用于印刷机械，实现智能化、高自动化、高效能化，是现代印刷机械的发展方向。
2、包装印刷机械现状
我国的包装印刷机械，特别是凹印生产线起步较晚，基础比较薄弱。根据有关资料统计，我国现有的约300台烟包凹印生产线，几乎全部从欧、美．日或澳大利亚等工业发达国家进口。其中绝大部分于上世纪90年代引入，一般使用八九十年代的技术，有的甚至是六七十年代的技术，设备具有以下特点。
(1)设备的控制电路一般都采用可编程序控制器(PLC)或计算机控制，就这一点来讲。还是比较先进的。
(2)传动装置一般采用直流调速电机，有些六七十年代的设备采用的还是滑差调速电机。主传动通过一台直流调速主机(或一台交流调速主机)驱动一根机械轴，再通过这根机械轴把各色组单元以及模切单元连在一起，同步转动。这种机械通轴结构直至现在仍是卷筒纸凹印机普遍采用的传动形式。
(3)套准装置一般采用步进电机带减速器机构(包括差速器、无级变速器等)。
(4)张力控制装置一般也采用步进电机带减速器机构。
近年来，电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，随之也带动了交流传动技术的进步。近代交流传动技术的发展经历了二十多年，目前正成为电气传动的主流，一直被直流传动所占据的众多领域已被交流传动所占领。
3、机械通轴结构的缺点
卷筒纸烟包六色凹印机可以在卷筒纸上印刷1—6种颜色。由于卷筒纸凹版印刷速度快、层次再现丰富、质感好，因而得到了广泛使用。但它对机械制造精度要求很高．特别是由于纸张易受温湿度影响而变形、伸缩，即使套印调节机构制造得非常精细，各部分动作又非常协调准确，但如果自动化程度不高，仍难以避免套印不准，不能保证产品质量。国内大部分卷筒纸凹印设备一般采用机械通轴结构，需要靠人工进行套印预定位，操作复杂，定位误差大，动态调节慢。预定位不准导致设备需要很长的带纸运行时间，从而产生许多废品。
4、交流伺服传动的优势
为了解决上述问题，欧美等国一些先进的印刷机制造企业已利用现有的交流伺服传动技术研制出电子无轴卷筒纸凹印机。与传统的有轴{机械轴)传动凹印机相比，电子无轴卷筒纸凹印机取消了印刷单元间的机械通轴结构，每一个印刷单元都采用AC矢量变频电机独立驱动，由电机直接带动印版滚筒，并调整印版滚筒的相位来实现纵向套准，同时由一个步进电机来驱动印版滚筒的横向移动从而实现横向套准。这样的设计带来了以下几个显著优点。
(1)省掉了许多机械传动环节，使因机械磨损而降低套印精度的可能降至最低，增加了可靠性．减少了维修保养成本。
(2)套准时间很短，响应速度极快。
(3)提供了特有的高精度预对版功能，当印版滚筒装入印刷单元后，通过传感器来检测印版滚筒上的零位标记，驱动马达会自动将印版滚筒转动至预设零位。设备通过电机空运转即可实现预套准操作，不必带纸运行，故预套准过程废品很少．此外由于无轴传动系统对印版滚筒相位的控制精度高，信息交换快，可实现高精度的高速套准，因此在高速印刷状态下仍能获得比机械轴凹印机高得多的套准精度。
5、改造方案
我公司是红塔集团投资兴建的烟包印刷厂，拥有一条从法国小森——尚邦公司引进的NL650型六色凹版连线模切印刷生产线。这台印刷机所采用的技术基本上体现了当时的技术水平，控制电路采用西门子PLC，套印电路采用尚邦公司的RNP93系统。主传动使用一台直流调速电机通过一根机械轴将动力传到各印刷色组和模切站，各单元的套印(位置随动和补偿)采用步进电机加差速器的结构，因而无法避免上述机械通轴凹印机的缺点。此外还有以下不足。(1)主电机采用直流调速电机，炭刷和换向器的维护成本高。
(2)齿轮箱和无级变速器不仅是易磨损的零部件，维修成本高，而且不可避免地存在机械间隙．当步进电机根据套印指令做出的调整通过这些机构到达印版时，会有所损失，严重时引起振荡。
(3)上述设备已使用近10年的时间，许多零部件厂家已不再生产，给维修带来很大困难。
这些问题已经影响到公司的长远发展，本文即想探讨采用交流伺服系统来改造这台印刷机的可能性。
与步进电机相比，交流伺服电机具有以下明显的优异性能。
(1)控制精度大大提高。
(2)低频特性增强。
(3)矩频特性好。
(4)速度响应性能、控制性能(闭环控制)和过载能力大大提高。
5.1总体改造方案
（1）拆除直流调速主机和机械通轴、差速齿轮箱、步进电机等所有主传动和步进伺服传动零部件，用7组独立的交流伺服电机单元取代上述部件来实现传动和位置补偿功能。这里说的7组单元是6个色组加1套模切单元，如果算上2组张力单元则应该是9组，因此轴数会因不同的机型改造方案而不同。
（2）7组交流伺服电机单元通过高精度免维护减速器(速比为5：1或10：1)直接与印版轴或模切轴相连，把电机到版轴之间的机械传动环节减至最少，并实现7轴独立伺服驱动。
5.2具体改造方案
从图1可以看到，设备改造前的传动及套印结构是一台35kW的直流调速电机通过一根长轴将6个印刷单元连接在一起。改造方案是将图1中虚线部分的结构拆除，改造成如图2所示的结构。
印版电机驱动单元拟采用力士乐公司的Ecodrive型智能交流伺服驱动器和配套的MHD高性能交流伺服电动机。
其中伺服驱动器内部带有电流环、速度环和位置环(本次改造不使用位置环)，电机轴速度和位置检测元件是伺服电机自带的2500旋转编码器(4倍频)。利用伺服驱动器上的第二编码器接口来实现多轴速度跟随和同步，同步结构如图2中虚线部分所示。
实际上，印刷机的同步控制包括两方面的内容，一方面是各印版轴转速的同步，另一方面是印刷套印同步控制，即通过光电扫描器检测印刷码刻线的实际位置，并与理论位置进行比较，输出脉冲信号(正转或反转)给执行机构(改造前是步进电机)进行位置调整，它构成了同步控制的外环。
采用伺服控制器在速度方式下对印版电机进行控制．仅能获得很好的动态特性。但在印刷过程中，由于各电机伺服驱动器特性上或多或少存在差异，因而长期运行过程中必然有累积误差，而上述外环控制就是为了解决这个问题。
内部速度环主管各轴速度的同步，要求有良好的动态性能，各种扰动给内部速度环带来的误差可以通过外环控制加以弥补，外部位置环保证了稳定性和套印精度，如图3所示。
本改造方案保留了原系统中套印控制的信号检测、处理和发送环节，只把作为执行机构的步进电机改成交流伺服电机。因此，如何将以前发给步进电机的脉冲信号转为控制交流伺服电机的信号是要研究的一个主要问题。现在的设想是通过调试原有套印系统的操作参数(实际上也是PID参数)以及交流伺服控制器上的PlD参数，来解决这一问题。
5.3套印原理
在多色印刷中，一般采用改变印版滚筒的转动角度以达到调整印刷位置的目的，其闭环控制原理如图4所示。
根据旋转编码器原理可知，其线数越多，即印版每转一周所产生的脉冲数越多，位置精度越高。假定印版周长为500mm，编码器的线数为500线，则500mm对应500个脉冲，1mm对应1个脉冲，20mm对应20个脉冲．
实际印刷位置的检测是通过光电扫描器把检测到的色标信号转化为电脉冲，这些电脉冲与旋转编码器产生的脉冲串同时被送到套印系统计算机。各色组色标之间的距离给定值为20mm，即两颜色套准时，两色标之间的距离是20mm，对应于编码器脉冲数为20个脉冲。如图5所示，色标1与色标2两脉冲触发时间段中计数为18个脉冲，如以印色1为基准，则说明印色2的印版轴转速太快，为使其速度减慢，纠正位置偏差，应使伺服电机反转相当于2个脉冲的角度；假设色标2与色标3两脉冲触发时间段脉冲数为23个脉冲，以印色2为基准，则说明印色3的印版轴转速太慢，为使其速度加快，纠正位置偏差，应使伺服电机正转相当于3个脉冲的角度以消除偏差。
在科学技术日新月异发展的今天，为满足人们对商品包装多样化、精美化的需要，对包装印刷传动系统的自动化要求、位置跟踪精度要求越来越高。将微电子技术、信息处理技术、新传感技术、激光技术以及新工艺与新材料等应用于印刷机械，实现智能化、高自动化、高效能化，是现代印刷机械的发展方向。
2、包装印刷机械现状
我国的包装印刷机械，特别是凹印生产线起步较晚，基础比较薄弱。根据有关资料统计，我国现有的约300台烟包凹印生产线，几乎全部从欧、美．日或澳大利亚等工业发达国家进口。其中绝大部分于上世纪90年代引入，一般使用八九十年代的技术，有的甚至是六七十年代的技术，设备具有以下特点。
(1)设备的控制电路一般都采用可编程序控制器(PLC)或计算机控制，就这一点来讲。还是比较先进的。
(2)传动装置一般采用直流调速电机，有些六七十年代的设备采用的还是滑差调速电机。主传动通过一台直流调速主机(或一台交流调速主机)驱动一根机械轴，再通过这根机械轴把各色组单元以及模切单元连在一起，同步转动。这种机械通轴结构直至现在仍是卷筒纸凹印机普遍采用的传动形式。
(3)套准装置一般采用步进电机带减速器机构(包括差速器、无级变速器等)。
(4)张力控制装置一般也采用步进电机带减速器机构。
近年来，电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，随之也带动了交流传动技术的进步。近代交流传动技术的发展经历了二十多年，目前正成为电气传动的主流，一直被直流传动所占据的众多领域已被交流传动所占领。
3、机械通轴结构的缺点
卷筒纸烟包六色凹印机可以在卷筒纸上印刷1—6种颜色。由于卷筒纸凹版印刷速度快、层次再现丰富、质感好，因而得到了广泛使用。但它对机械制造精度要求很高．特别是由于纸张易受温湿度影响而变形、伸缩，即使套印调节机构制造得非常精细，各部分动作又非常协调准确，但如果自动化程度不高，仍难以避免套印不准，不能保证产品质量。国内大部分卷筒纸凹印设备一般采用机械通轴结构，需要靠人工进行套印预定位，操作复杂，定位误差大，动态调节慢。预定位不准导致设备需要很长的带纸运行时间，从而产生许多废品。
4、交流伺服传动的优势
为了解决上述问题，欧美等国一些先进的印刷机制造企业已利用现有的交流伺服传动技术研制出电子无轴卷筒纸凹印机。与传统的有轴{机械轴)传动凹印机相比，电子无轴卷筒纸凹印机取消了印刷单元间的机械通轴结构，每一个印刷单元都采用AC矢量变频电机独立驱动，由电机直接带动印版滚筒，并调整印版滚筒的相位来实现纵向套准，同时由一个步进电机来驱动印版滚筒的横向移动从而实现横向套准。这样的设计带来了以下几个显著优点。
(1)省掉了许多机械传动环节，使因机械磨损而降低套印精度的可能降至最低，增加了可靠性．减少了维修保养成本。
(2)套准时间很短，响应速度极快。
(3)提供了特有的高精度预对版功能，当印版滚筒装入印刷单元后，通过传感器来检测印版滚筒上的零位标记，驱动马达会自动将印版滚筒转动至预设零位。设备通过电机空运转即可实现预套准操作，不必带纸运行，故预套准过程废品很少．此外由于无轴传动系统对印版滚筒相位的控制精度高，信息交换快，可实现高精度的高速套准，因此在高速印刷状态下仍能获得比机械轴凹印机高得多的套准精度。
5、改造方案
我公司是红塔集团投资兴建的烟包印刷厂，拥有一条从法国小森——尚邦公司引进的NL650型六色凹版连线模切印刷生产线。这台印刷机所采用的技术基本上体现了当时的技术水平，控制电路采用西门子PLC，套印电路采用尚邦公司的RNP93系统。主传动使用一台直流调速电机通过一根机械轴将动力传到各印刷色组和模切站，各单元的套印(位置随动和补偿)采用步进电机加差速器的结构，因而无法避免上述机械通轴凹印机的缺点。此外还有以下不足。(1)主电机采用直流调速电机，炭刷和换向器的维护成本高。
(2)齿轮箱和无级变速器不仅是易磨损的零部件，维修成本高，而且不可避免地存在机械间隙．当步进电机根据套印指令做出的调整通过这些机构到达印版时，会有所损失，严重时引起振荡。
(3)上述设备已使用近10年的时间，许多零部件厂家已不再生产，给维修带来很大困难。
这些问题已经影响到公司的长远发展，本文即想探讨采用交流伺服系统来改造这台印刷机的可能性。
与步进电机相比，交流伺服电机具有以下明显的优异性能。
(1)控制精度大大提高。
(2)低频特性增强。
(3)矩频特性好。
(4)速度响应性能、控制性能(闭环控制)和过载能力大大提高。
5.1总体改造方案
（1）拆除直流调速主机和机械通轴、差速齿轮箱、步进电机等所有主传动和步进伺服传动零部件，用7组独立的交流伺服电机单元取代上述部件来实现传动和位置补偿功能。这里说的7组单元是6个色组加1套模切单元，如果算上2组张力单元则应该是9组，因此轴数会因不同的机型改造方案而不同。
（2）7组交流伺服电机单元通过高精度免维护减速器(速比为5：1或10：1)直接与印版轴或模切轴相连，把电机到版轴之间的机械传动环节减至最少，并实现7轴独立伺服驱动。
5.2具体改造方案
从图1可以看到，设备改造前的传动及套印结构是一台35kW的直流调速电机通过一根长轴将6个印刷单元连接在一起。改造方案是将图1中虚线部分的结构拆除，改造成如图2所示的结构。
印版电机驱动单元拟采用力士乐公司的Ecodrive型智能交流伺服驱动器和配套的MHD高性能交流伺服电动机。
其中伺服驱动器内部带有电流环、速度环和位置环(本次改造不使用位置环)，电机轴速度和位置检测元件是伺服电机自带的2500旋转编码器(4倍频)。利用伺服驱动器上的第二编码器接口来实现多轴速度跟随和同步，同步结构如图2中虚线部分所示。
实际上，印刷机的同步控制包括两方面的内容，一方面是各印版轴转速的同步，另一方面是印刷套印同步控制，即通过光电扫描器检测印刷码刻线的实际位置，并与理论位置进行比较，输出脉冲信号(正转或反转)给执行机构(改造前是步进电机)进行位置调整，它构成了同步控制的外环。
采用伺服控制器在速度方式下对印版电机进行控制．仅能获得很好的动态特性。但在印刷过程中，由于各电机伺服驱动器特性上或多或少存在差异，因而长期运行过程中必然有累积误差，而上述外环控制就是为了解决这个问题。
内部速度环主管各轴速度的同步，要求有良好的动态性能，各种扰动给内部速度环带来的误差可以通过外环控制加以弥补，外部位置环保证了稳定性和套印精度，如图3所示。
本改造方案保留了原系统中套印控制的信号检测、处理和发送环节，只把作为执行机构的步进电机改成交流伺服电机。因此，如何将以前发给步进电机的脉冲信号转为控制交流伺服电机的信号是要研究的一个主要问题。现在的设想是通过调试原有套印系统的操作参数(实际上也是PID参数)以及交流伺服控制器上的PlD参数，来解决这一问题。
5.3套印原理
在多色印刷中，一般采用改变印版滚筒的转动角度以达到调整印刷位置的目的，其闭环控制原理如图4所示。
根据旋转编码器原理可知，其线数越多，即印版每转一周所产生的脉冲数越多，位置精度越高。假定印版周长为500mm，编码器的线数为500线，则500mm对应500个脉冲，1mm对应1个脉冲，20mm对应20个脉冲．
实际印刷位置的检测是通过光电扫描器把检测到的色标信号转化为电脉冲，这些电脉冲与旋转编码器产生的脉冲串同时被送到套印系统计算机。各色组色标之间的距离给定值为20mm，即两颜色套准时，两色标之间的距离是20mm，对应于编码器脉冲数为20个脉冲。如图5所示，色标1与色标2两脉冲触发时间段中计数为18个脉冲，如以印色1为基准，则说明印色2的印版轴转速太快，为使其速度减慢，纠正位置偏差，应使伺服电机反转相当于2个脉冲的角度；假设色标2与色标3两脉冲触发时间段脉冲数为23个脉冲，以印色2为基准，则说明印色3的印版轴转速太慢，为使其速度加快，纠正位置偏差，应使伺服电机正转相当于3个脉冲的角度以消除偏差。
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