基于多軸運(yùn)動(dòng)控制器的間歇式輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)控制系統(tǒng)

　　隨著人們對不干膠商標(biāo)印刷效率和精度要求的提高，間歇式輪轉(zhuǎn)機(jī)已經(jīng)成為不干膠商標(biāo)印刷機(jī)的一個(gè)發(fā)展趨勢。它比較衛(wèi)星型和疊層式印刷機(jī)具有更快的印刷速度、更能節(jié)省印刷材料等特點(diǎn)。目前，各大企業(yè)的印刷不干膠商標(biāo)的間歇式輪轉(zhuǎn)機(jī)主要依靠進(jìn)口，其價(jià)格昂貴，操作和維修都不夠方便。國內(nèi)一些公司也正在致力于自主開發(fā)，但是就目前情況而言，還是不能完全達(dá)到不干膠商標(biāo)間歇式輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)的控制要求，體現(xiàn)在套準(zhǔn)精度不夠，加減速時(shí)走位。這主要是因?yàn)樵谟∷⑦^程中，印刷軸之間不能夠精確同步以及隨著印刷速度和卷筒紙大小的改變，印刷紙張的張力改變而引起的。為_r解決這一問題，我們研制了基于多軸運(yùn)動(dòng)控制器的間歇式輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)控制系統(tǒng)。

2 間歇式輪轉(zhuǎn)機(jī)工作原理及過程

　　2.1 間歇式輪轉(zhuǎn)機(jī)工作原理

　　高性能不干膠商標(biāo)間歇式輪轉(zhuǎn)機(jī)一般采用無軸結(jié)構(gòu)，即沒有傳動(dòng)軸，印刷軸和拖料軸有各自的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。它主要由放紙機(jī)、拖料軸(包括拉紙軸和送紙軸)、印刷軸、收紙機(jī)組成，其結(jié)構(gòu)原理圖，如圖1所示。

圖1間歇式輪轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

　　2.2 不干膠商標(biāo)間歇式輪轉(zhuǎn)機(jī)工作過程

　　間歇式輪轉(zhuǎn)機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)形式是間歇運(yùn)動(dòng)。在—個(gè)印刷周期內(nèi)，其動(dòng)作過程，如圖2所示。印刷軸向同一方向勻速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)印刷版接觸印刷材料時(shí)，拉紙軸、送紙軸和印刷軸保持同步(瞬時(shí)相線速度為零)，開始印刷。在印刷過程中，這三軸一直保持同步。當(dāng)印刷版脫離印刷材料時(shí)，印刷完畢。此時(shí)，拉紙軸、送紙軸先減速為零，停止運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，再反向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)印刷軸旋轉(zhuǎn)到印刷版再次接觸印刷材料時(shí)，就進(jìn)入了第二個(gè)印刷周期了。

圖2輪轉(zhuǎn)機(jī)各軸動(dòng)作關(guān)系

3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1.1 運(yùn)動(dòng)控制器

　　控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器選用英國Trio公司的Eur0209，它是一款歐式結(jié)構(gòu)的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器，以用于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的高性能DSP為內(nèi)核，產(chǎn)生16位分辨率的IOV速度給定信號(hào)，集成了容量為1M byte的存儲(chǔ)器，一個(gè)以太網(wǎng)接門，一個(gè)RS232接Ll，還有16路24V輸入、8路24V輸出、2路12位分辨率的(0．10)V模擬量輸入，以及一個(gè)24V／lOOmA的看門狗繼電器輸出。該控制器可以控制l到8個(gè)軸的伺服或步進(jìn)。可獨(dú)立脫機(jī)運(yùn)行，支持多任務(wù)程序(最多允許7個(gè)程序按優(yōu)先級別同時(shí)運(yùn)行)。

　　3.1.2 觸摸屏

　　利用觸摸屏可以建立友好的人機(jī)界面，在觸摸屏上可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品計(jì)數(shù)，設(shè)置吲乍犢式(手動(dòng)或自動(dòng))，設(shè)置濕示印刷版長和印刷速度，在線調(diào)整張力，異常報(bào)警等功能。考慮到性能、價(jià)格，選用威綸MT506觸摸屏，自帶的EasyBuilder500組態(tài)軟件簡單易用又功能強(qiáng)大。

　　3.1.3伺服電機(jī)

　　根據(jù)功率和轉(zhuǎn)速要求，選用日本安川Σ-II系列SGMGH伺服電機(jī)。—共8個(gè)f硼匣電機(jī)，其中6個(gè)連接印刷軸，2個(gè)連接拖料軸。

　　3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.2.1 多軸同步控制

　　多色輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)要求各種顏色印刷軸之間保持同步運(yùn)行。傳統(tǒng)輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)通過采用機(jī)械長軸傳遞運(yùn)動(dòng)到各印刷軸來保持同步，其精度和效率都受機(jī)械傳動(dòng)裝置制約。使用電子虛擬軸功能。可以克服以上缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無需機(jī)械傳動(dòng)軸的無軸同步運(yùn)行。Eur0209運(yùn)動(dòng)控制器除了最多可控制的8個(gè)物理軸以外，另外還支持2個(gè)電子虛擬軸功能。通過ADDAX指令把電子虛擬軸的運(yùn)動(dòng)疊加到各印刷軸，再進(jìn)行位置補(bǔ)償，就實(shí)現(xiàn)了各種顏色印刷軸之間同步運(yùn)行。

　　3.2.2 恒張力控制

　　在印刷過程中，紙張必須具有一定的張力。但是張力不穩(wěn)會(huì)引起套印不準(zhǔn)、重影甚至縱向皺褶。恒張力控制也是通過Eur0209的另一個(gè)電子虛擬軸和ADDAX指令來實(shí)現(xiàn)的。其主要原理足控制拉紙軸和送紙軸的相位差，也就是在拉紙軸和送紙軸同步的基礎(chǔ)上，進(jìn)行一個(gè)位置補(bǔ)償。在線調(diào)整這個(gè)位置補(bǔ)償量，直到套印誤差在允許范圍內(nèi)。最后把補(bǔ)償量用變量保存下來。在印刷過程中及時(shí)的調(diào)用這個(gè)位置補(bǔ)償量就達(dá)到了恒張力控制的目的。

　　3.2.3 各軸協(xié)調(diào)動(dòng)作

　　間歇式輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)要求拉紙軸、送紙軸在每個(gè)印刷周期(印刷軸旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間)中完成一次正反轉(zhuǎn)動(dòng)作循環(huán)，并在正向轉(zhuǎn)動(dòng)和與主軸同步中完成印刷動(dòng)作。在Eur0209運(yùn)動(dòng)控制器中，整個(gè)過程可以由MOVELINK指令來實(shí)現(xiàn)。

　　3.2.4 帶前饋的PID控制

　　本控制系統(tǒng)采用帶前饋的PID控制策略，把前饋控制和反饋控制結(jié)合起來，這種控制策略既具有前饋控制及時(shí)的特點(diǎn)，又可以補(bǔ)償多個(gè)擾動(dòng)引起的偏差。其結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3帶前饋PID控制結(jié)構(gòu)

　　在多軸運(yùn)動(dòng)控制器Eur0209中，通過軸參數(shù)P_GAIN、I_GAIN、D_GAIN和VFF_GAIN來實(shí)現(xiàn)帶前饋PID控制。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　將系統(tǒng)中的Eum209運(yùn)動(dòng)控制器通過以太網(wǎng)接口與Pc機(jī)連接后，就可以對該系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場在線調(diào)試。采用Motion Perfect2自帶的軟件示波器來追蹤軸以及運(yùn)動(dòng)的參數(shù)。使用軸參數(shù)窗口來監(jiān)視，改變控制器上軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。軸參數(shù)P_GAIN、I_GAIN、D_GAIN和VFF_GAIN影響著控制系統(tǒng)性能，這四個(gè)參數(shù)之間也相互影響。穩(wěn)定不跑位是對不干膠商標(biāo)印刷機(jī)最基本的要求，軸參數(shù)P_GAIN和VFF—cAIN對其影響最為明濕。為了簡化實(shí)驗(yàn)步驟，在軸參數(shù)I_GAIN和D—GAIN為定值的情況下，通過調(diào)節(jié)參數(shù)P_GAIN和VFF_GAIN來進(jìn)行研究。

　　該控制系統(tǒng)的精確性用隨動(dòng)偏差FE來評估。當(dāng)印刷軸轉(zhuǎn)速為33.6r／rain，軟件示波器采樣周期為500res，軸參數(shù)I_GAIN=0.01，D—GAIN=0．02時(shí)，研究軸參數(shù)P_GAIN、VFF_GAIN對隨動(dòng)偏差FE的影響，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

　　顯然，隨著軸參數(shù)P_GAIN和VFF_GAIN值的減少，隨動(dòng)誤差FE逐漸增大。如果FE大于FE—LIMIT設(shè)定值，軸狀態(tài)參數(shù)顯示出錯(cuò)，同時(shí)控制卡發(fā)出警報(bào)。表1中，P_GAIN=0.03，VFF_GAIN：=0.3，隨動(dòng)偏差FE=.0036，沒有超過不干膠印刷允許的誤差范圍。系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響到印刷套位的穩(wěn)定性，可以用示波器輸出波形平滑度和重合度(印刷主軸和拖料軸輸出波形重合程度)來衡量。在同等實(shí)驗(yàn)條件下，軸參數(shù)P_GAIN和VFF．GAIN對示波器波形影響(圖略)。當(dāng)P_GAIN=0.03，VFF_GAIN=0.3時(shí)印刷軸和拖料軸電機(jī)輸出波形重合部分最平滑，此時(shí)波形最好。通過印刷實(shí)驗(yàn)證明，印刷機(jī)工作最穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)跑位。

5 結(jié)論

　　提出了基于Eur0209運(yùn)動(dòng)控制器的間歇式輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)控制系統(tǒng)，利用Eum209運(yùn)動(dòng)控制器的強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)了各印刷軸之間的獨(dú)立控制運(yùn)行，比較傳統(tǒng)的不于膠有軸印刷機(jī)，簡化了機(jī)械部分，提高印刷精度。實(shí)現(xiàn)了集成化和智能化控制。該系統(tǒng)印刷速度每小時(shí)最高可達(dá)到1 2000印次，最多能印刷八種顏色商標(biāo)，套印誤差在0.03mm內(nèi)，加減速不走位，已達(dá)到不干膠印刷的工業(yè)控制要求。