基于多軸運動控制器的間歇式輪轉(zhuǎn)印刷機控制系統(tǒng)

　　隨著人們對不干膠商標印刷效率和精度要求的提高，間歇式輪轉(zhuǎn)機已經(jīng)成為不干膠商標印刷機的一個發(fā)展趨勢。它比較衛(wèi)星型和疊層式印刷機具有更快的印刷速度、更能節(jié)省印刷材料等特點。目前，各大企業(yè)的印刷不干膠商標的間歇式輪轉(zhuǎn)機主要依靠進口，其價格昂貴，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，還是不能完全達到不干膠商標間歇式輪轉(zhuǎn)印刷機的控制要求，體現(xiàn)在套準精度不夠，加減速時走位。這主要是因為在印刷過程中，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動控制器的間歇式輪轉(zhuǎn)印刷機控制系統(tǒng)。

2 間歇式輪轉(zhuǎn)機工作原理及過程

　　2.1 間歇式輪轉(zhuǎn)機工作原理

　　高性能不干膠商標間歇式輪轉(zhuǎn)機一般采用無軸結(jié)構(gòu)，即沒有傳動軸，印刷軸和拖料軸有各自的電機驅(qū)動。它主要由放紙機、拖料軸(包括拉紙軸和送紙軸)、印刷軸、收紙機組成，其結(jié)構(gòu)原理圖，如圖1所示。

圖1間歇式輪轉(zhuǎn)機結(jié)構(gòu)原理圖

　　2.2 不干膠商標間歇式輪轉(zhuǎn)機工作過程

　　間歇式輪轉(zhuǎn)機的主要運動形式是間歇運動。在—個印刷周期內(nèi)，其動作過程，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，拉紙軸、送紙軸和印刷軸保持同步(瞬時相線速度為零)，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，印刷完畢。此時，拉紙軸、送紙軸先減速為零，停止運動一段時間，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，就進入了第二個印刷周期了。

圖2輪轉(zhuǎn)機各軸動作關(guān)系

3控制系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　3.1.1 運動控制器

　　控制系統(tǒng)的運動控制器選用英國Trio公司的Eur0209，它是一款歐式結(jié)構(gòu)的數(shù)字運動控制器，以用于數(shù)據(jù)實時處理的高性能DSP為內(nèi)核，產(chǎn)生16位分辨率的IOV速度給定信號，集成了容量為1M byte的存儲器，一個以太網(wǎng)接門，一個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24V／lOOmA的看門狗繼電器輸出。該控制器可以控制l到8個軸的伺服或步進?？瑟毩⒚摍C運行，支持多任務(wù)程序(最多允許7個程序按優(yōu)先級別同時運行)。

　　3.1.2 觸摸屏

　　利用觸摸屏可以建立友好的人機界面，在觸摸屏上可以實現(xiàn)產(chǎn)品計數(shù)，設(shè)置吲乍犢式(手動或自動)，設(shè)置濕示印刷版長和印刷速度，在線調(diào)整張力，異常報警等功能。考慮到性能、價格，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大。

　　3.1.3伺服電機

　　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。—共8個f硼匣電機，其中6個連接印刷軸，2個連接拖料軸。

　　3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.2.1 多軸同步控制

　　多色輪轉(zhuǎn)印刷機要求各種顏色印刷軸之間保持同步運行。傳統(tǒng)輪轉(zhuǎn)印刷機通過采用機械長軸傳遞運動到各印刷軸來保持同步，其精度和效率都受機械傳動裝置制約。使用電子虛擬軸功能?？梢钥朔陨先秉c，實現(xiàn)無需機械傳動軸的無軸同步運行。Eur0209運動控制器除了最多可控制的8個物理軸以外，另外還支持2個電子虛擬軸功能。通過ADDAX指令把電子虛擬軸的運動疊加到各印刷軸，再進行位置補償，就實現(xiàn)了各種顏色印刷軸之間同步運行。

　　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)會引起套印不準、重影甚至縱向皺褶。恒張力控制也是通過Eur0209的另一個電子虛擬軸和ADDAX指令來實現(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，進行一個位置補償。在線調(diào)整這個位置補償量，直到套印誤差在允許范圍內(nèi)。最后把補償量用變量保存下來。在印刷過程中及時的調(diào)用這個位置補償量就達到了恒張力控制的目的。

　　3.2.3 各軸協(xié)調(diào)動作

　　間歇式輪轉(zhuǎn)印刷機要求拉紙軸、送紙軸在每個印刷周期(印刷軸旋轉(zhuǎn)一圈的時間)中完成一次正反轉(zhuǎn)動作循環(huán)，并在正向轉(zhuǎn)動和與主軸同步中完成印刷動作。在Eur0209運動控制器中，整個過程可以由MOVELINK指令來實現(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的特點，又可以補償多個擾動引起的偏差。其結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3帶前饋PID控制結(jié)構(gòu)

　　在多軸運動控制器Eur0209中，通過軸參數(shù)P_GAIN、I_GAIN、D_GAIN和VFF_GAIN來實現(xiàn)帶前饋PID控制。

4 實驗結(jié)果與分析

　　將系統(tǒng)中的Eum209運動控制器通過以太網(wǎng)接口與Pc機連接后，就可以對該系統(tǒng)進行現(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動的參數(shù)。使用軸參數(shù)窗口來監(jiān)視，改變控制器上軸的運動參數(shù)。軸參數(shù)P_GAIN、I_GAIN、D_GAIN和VFF_GAIN影響著控制系統(tǒng)性能，這四個參數(shù)之間也相互影響。穩(wěn)定不跑位是對不干膠商標印刷機最基本的要求，軸參數(shù)P_GAIN和VFF—cAIN對其影響最為明濕。為了簡化實驗步驟，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來進行研究。

　　該控制系統(tǒng)的精確性用隨動偏差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，研究軸參數(shù)P_GAIN、VFF_GAIN對隨動偏差FE的影響，其實驗數(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，同時控制卡發(fā)出警報。表1中，P_GAIN=0.03，VFF_GAIN：=0.3，隨動偏差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。在同等實驗條件下，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時印刷軸和拖料軸電機輸出波形重合部分最平滑，此時波形最好。通過印刷實驗證明，印刷機工作最穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)跑位。

5 結(jié)論

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