交流伺服技術改造卷筒紙凹機的探討
1、前言
在科學技術日新月異發展的今天，為滿足人們對商品包裝多樣化、精美化的需要，對包裝印刷傳動系統的自動化要求、位置跟蹤精度要求越來越高。將微電子技術、信息處理技術、新傳感技術、激光技術以及新工藝與新材料等應用于印刷機械，實現智能化、高自動化、高效能化，是現代印刷機械的發展方向。
2、包裝印刷機械現狀
我國的包裝印刷機械，特別是凹印生產線起步較晚，基礎比較薄弱。根據有關資料統計，我國現有的約300臺煙包凹印生產線，幾乎全部從歐、美．日或澳大利亞等工業發達國家進口。其中絕大部分于上世紀90年代引入，一般使用八九十年代的技術，有的甚至是六七十年代的技術，設備具有以下特點。
(1)設備的控制電路一般都采用可編程序控制器(PLC)或計算機控制，就這一點來講。還是比較先進的。
(2)傳動裝置一般采用直流調速電機，有些六七十年代的設備采用的還是滑差調速電機。主傳動通過一臺直流調速主機(或一臺交流調速主機)驅動一根機械軸，再通過這根機械軸把各色組單元以及模切單元連在一起，同步轉動。這種機械通軸結構直至現在仍是卷筒紙凹印機普遍采用的傳動形式。
(3)套準裝置一般采用步進電機帶減速器機構(包括差速器、無級變速器等)。
(4)張力控制裝置一般也采用步進電機帶減速器機構。
近年來，電子技術和微電子技術以驚人的速度向前發展，隨之也帶動了交流傳動技術的進步。近代交流傳動技術的發展經歷了二十多年，目前正成為電氣傳動的主流，一直被直流傳動所占據的眾多領域已被交流傳動所占領。
3、機械通軸結構的缺點
卷筒紙煙包六色凹印機可以在卷筒紙上印刷1—6種顏色。由于卷筒紙凹版印刷速度快、層次再現豐富、質感好，因而得到了廣泛使用。但它對機械制造精度要求很高．特別是由于紙張易受溫濕度影響而變形、伸縮，即使套印調節機構制造得非常精細，各部分動作又非常協調準確，但如果自動化程度不高，仍難以避免套印不準，不能保證產品質量。國內大部分卷筒紙凹印設備一般采用機械通軸結構，需要靠人工進行套印預定位，操作復雜，定位誤差大，動態調節慢。預定位不準導致設備需要很長的帶紙運行時間，從而產生許多廢品。
4、交流伺服傳動的優勢
為了解決上述問題，歐美等國一些先進的印刷機制造企業已利用現有的交流伺服傳動技術研制出電子無軸卷筒紙凹印機。與傳統的有軸{機械軸)傳動凹印機相比，電子無軸卷筒紙凹印機取消了印刷單元間的機械通軸結構，每一個印刷單元都采用AC矢量變頻電機獨立驅動，由電機直接帶動印版滾筒，并調整印版滾筒的相位來實現縱向套準，同時由一個步進電機來驅動印版滾筒的橫向移動從而實現橫向套準。這樣的設計帶來了以下幾個顯著優點。
(1)省掉了許多機械傳動環節，使因機械磨損而降低套印精度的可能降至最低，增加了可靠性．減少了維修保養成本。
(2)套準時間很短，響應速度極快。
(3)提供了特有的高精度預對版功能，當印版滾筒裝入印刷單元后，通過傳感器來檢測印版滾筒上的零位標記，驅動馬達會自動將印版滾筒轉動至預設零位。設備通過電機空運轉即可實現預套準操作，不必帶紙運行，故預套準過程廢品很少．此外由于無軸傳動系統對印版滾筒相位的控制精度高，信息交換快，可實現高精度的高速套準，因此在高速印刷狀態下仍能獲得比機械軸凹印機高得多的套準精度。
5、改造方案
我公司是紅塔集團投資興建的煙包印刷廠，擁有一條從法國小森——尚邦公司引進的NL650型六色凹版連線模切印刷生產線。這臺印刷機所采用的技術基本上體現了當時的技術水平，控制電路采用西門子PLC，套印電路采用尚邦公司的RNP93系統。主傳動使用一臺直流調速電機通過一根機械軸將動力傳到各印刷色組和模切站，各單元的套印(位置隨動和補償)采用步進電機加差速器的結構，因而無法避免上述機械通軸凹印機的缺點。此外還有以下不足。(1)主電機采用直流調速電機，炭刷和換向器的維護成本高。
(2)齒輪箱和無級變速器不僅是易磨損的零部件，維修成本高，而且不可避免地存在機械間隙．當步進電機根據套印指令做出的調整通過這些機構到達印版時，會有所損失，嚴重時引起振蕩。
(3)上述設備已使用近10年的時間，許多零部件廠家已不再生產，給維修帶來很大困難。
這些問題已經影響到公司的長遠發展，本文即想探討采用交流伺服系統來改造這臺印刷機的可能性。
與步進電機相比，交流伺服電機具有以下明顯的優異性能。
(1)控制精度大大提高。
(2)低頻特性增強。
(3)矩頻特性好。
(4)速度響應性能、控制性能(閉環控制)和過載能力大大提高。
5.1總體改造方案
（1）拆除直流調速主機和機械通軸、差速齒輪箱、步進電機等所有主傳動和步進伺服傳動零部件，用7組獨立的交流伺服電機單元取代上述部件來實現傳動和位置補償功能。這里說的7組單元是6個色組加1套模切單元，如果算上2組張力單元則應該是9組，因此軸數會因不同的機型改造方案而不同。
（2）7組交流伺服電機單元通過高精度免維護減速器(速比為5：1或10：1)直接與印版軸或模切軸相連，把電機到版軸之間的機械傳動環節減至最少，并實現7軸獨立伺服驅動。
5.2具體改造方案
從圖1可以看到，設備改造前的傳動及套印結構是一臺35kW的直流調速電機通過一根長軸將6個印刷單元連接在一起。改造方案是將圖1中虛線部分的結構拆除，改造成如圖2所示的結構。
印版電機驅動單元擬采用力士樂公司的Ecodrive型智能交流伺服驅動器和配套的MHD高性能交流伺服電動機。
其中伺服驅動器內部帶有電流環、速度環和位置環(本次改造不使用位置環)，電機軸速度和位置檢測元件是伺服電機自帶的2500旋轉編碼器(4倍頻)。利用伺服驅動器上的第二編碼器接口來實現多軸速度跟隨和同步，同步結構如圖2中虛線部分所示。
實際上，印刷機的同步控制包括兩方面的內容，一方面是各印版軸轉速的同步，另一方面是印刷套印同步控制，即通過光電掃描器檢測印刷碼刻線的實際位置，并與理論位置進行比較，輸出脈沖信號(正轉或反轉)給執行機構(改造前是步進電機)進行位置調整，它構成了同步控制的外環。
采用伺服控制器在速度方式下對印版電機進行控制．僅能獲得很好的動態特性。但在印刷過程中，由于各電機伺服驅動器特性上或多或少存在差異，因而長期運行過程中必然有累積誤差，而上述外環控制就是為了解決這個問題。
內部速度環主管各軸速度的同步，要求有良好的動態性能，各種擾動給內部速度環帶來的誤差可以通過外環控制加以彌補，外部位置環保證了穩定性和套印精度，如圖3所示。
本改造方案保留了原系統中套印控制的信號檢測、處理和發送環節，只把作為執行機構的步進電機改成交流伺服電機。因此，如何將以前發給步進電機的脈沖信號轉為控制交流伺服電機的信號是要研究的一個主要問題。現在的設想是通過調試原有套印系統的操作參數(實際上也是PID參數)以及交流伺服控制器上的PlD參數，來解決這一問題。
5.3套印原理
在多色印刷中，一般采用改變印版滾筒的轉動角度以達到調整印刷位置的目的，其閉環控制原理如圖4所示。
根據旋轉編碼器原理可知，其線數越多，即印版每轉一周所產生的脈沖數越多，位置精度越高。假定印版周長為500mm，編碼器的線數為500線，則500mm對應500個脈沖，1mm對應1個脈沖，20mm對應20個脈沖．
實際印刷位置的檢測是通過光電掃描器把檢測到的色標信號轉化為電脈沖，這些電脈沖與旋轉編碼器產生的脈沖串同時被送到套印系統計算機。各色組色標之間的距離給定值為20mm，即兩顏色套準時，兩色標之間的距離是20mm，對應于編碼器脈沖數為20個脈沖。如圖5所示，色標1與色標2兩脈沖觸發時間段中計數為18個脈沖，如以印色1為基準，則說明印色2的印版軸轉速太快，為使其速度減慢，糾正位置偏差，應使伺服電機反轉相當于2個脈沖的角度；假設色標2與色標3兩脈沖觸發時間段脈沖數為23個脈沖，以印色2為基準，則說明印色3的印版軸轉速太慢，為使其速度加快，糾正位置偏差，應使伺服電機正轉相當于3個脈沖的角度以消除偏差。
在科學技術日新月異發展的今天，為滿足人們對商品包裝多樣化、精美化的需要，對包裝印刷傳動系統的自動化要求、位置跟蹤精度要求越來越高。將微電子技術、信息處理技術、新傳感技術、激光技術以及新工藝與新材料等應用于印刷機械，實現智能化、高自動化、高效能化，是現代印刷機械的發展方向。
2、包裝印刷機械現狀
我國的包裝印刷機械，特別是凹印生產線起步較晚，基礎比較薄弱。根據有關資料統計，我國現有的約300臺煙包凹印生產線，幾乎全部從歐、美．日或澳大利亞等工業發達國家進口。其中絕大部分于上世紀90年代引入，一般使用八九十年代的技術，有的甚至是六七十年代的技術，設備具有以下特點。
(1)設備的控制電路一般都采用可編程序控制器(PLC)或計算機控制，就這一點來講。還是比較先進的。
(2)傳動裝置一般采用直流調速電機，有些六七十年代的設備采用的還是滑差調速電機。主傳動通過一臺直流調速主機(或一臺交流調速主機)驅動一根機械軸，再通過這根機械軸把各色組單元以及模切單元連在一起，同步轉動。這種機械通軸結構直至現在仍是卷筒紙凹印機普遍采用的傳動形式。
(3)套準裝置一般采用步進電機帶減速器機構(包括差速器、無級變速器等)。
(4)張力控制裝置一般也采用步進電機帶減速器機構。
近年來，電子技術和微電子技術以驚人的速度向前發展，隨之也帶動了交流傳動技術的進步。近代交流傳動技術的發展經歷了二十多年，目前正成為電氣傳動的主流，一直被直流傳動所占據的眾多領域已被交流傳動所占領。
3、機械通軸結構的缺點
卷筒紙煙包六色凹印機可以在卷筒紙上印刷1—6種顏色。由于卷筒紙凹版印刷速度快、層次再現豐富、質感好，因而得到了廣泛使用。但它對機械制造精度要求很高．特別是由于紙張易受溫濕度影響而變形、伸縮，即使套印調節機構制造得非常精細，各部分動作又非常協調準確，但如果自動化程度不高，仍難以避免套印不準，不能保證產品質量。國內大部分卷筒紙凹印設備一般采用機械通軸結構，需要靠人工進行套印預定位，操作復雜，定位誤差大，動態調節慢。預定位不準導致設備需要很長的帶紙運行時間，從而產生許多廢品。
4、交流伺服傳動的優勢
為了解決上述問題，歐美等國一些先進的印刷機制造企業已利用現有的交流伺服傳動技術研制出電子無軸卷筒紙凹印機。與傳統的有軸{機械軸)傳動凹印機相比，電子無軸卷筒紙凹印機取消了印刷單元間的機械通軸結構，每一個印刷單元都采用AC矢量變頻電機獨立驅動，由電機直接帶動印版滾筒，并調整印版滾筒的相位來實現縱向套準，同時由一個步進電機來驅動印版滾筒的橫向移動從而實現橫向套準。這樣的設計帶來了以下幾個顯著優點。
(1)省掉了許多機械傳動環節，使因機械磨損而降低套印精度的可能降至最低，增加了可靠性．減少了維修保養成本。
(2)套準時間很短，響應速度極快。
(3)提供了特有的高精度預對版功能，當印版滾筒裝入印刷單元后，通過傳感器來檢測印版滾筒上的零位標記，驅動馬達會自動將印版滾筒轉動至預設零位。設備通過電機空運轉即可實現預套準操作，不必帶紙運行，故預套準過程廢品很少．此外由于無軸傳動系統對印版滾筒相位的控制精度高，信息交換快，可實現高精度的高速套準，因此在高速印刷狀態下仍能獲得比機械軸凹印機高得多的套準精度。
5、改造方案
我公司是紅塔集團投資興建的煙包印刷廠，擁有一條從法國小森——尚邦公司引進的NL650型六色凹版連線模切印刷生產線。這臺印刷機所采用的技術基本上體現了當時的技術水平，控制電路采用西門子PLC，套印電路采用尚邦公司的RNP93系統。主傳動使用一臺直流調速電機通過一根機械軸將動力傳到各印刷色組和模切站，各單元的套印(位置隨動和補償)采用步進電機加差速器的結構，因而無法避免上述機械通軸凹印機的缺點。此外還有以下不足。(1)主電機采用直流調速電機，炭刷和換向器的維護成本高。
(2)齒輪箱和無級變速器不僅是易磨損的零部件，維修成本高，而且不可避免地存在機械間隙．當步進電機根據套印指令做出的調整通過這些機構到達印版時，會有所損失，嚴重時引起振蕩。
(3)上述設備已使用近10年的時間，許多零部件廠家已不再生產，給維修帶來很大困難。
這些問題已經影響到公司的長遠發展，本文即想探討采用交流伺服系統來改造這臺印刷機的可能性。
與步進電機相比，交流伺服電機具有以下明顯的優異性能。
(1)控制精度大大提高。
(2)低頻特性增強。
(3)矩頻特性好。
(4)速度響應性能、控制性能(閉環控制)和過載能力大大提高。
5.1總體改造方案
（1）拆除直流調速主機和機械通軸、差速齒輪箱、步進電機等所有主傳動和步進伺服傳動零部件，用7組獨立的交流伺服電機單元取代上述部件來實現傳動和位置補償功能。這里說的7組單元是6個色組加1套模切單元，如果算上2組張力單元則應該是9組，因此軸數會因不同的機型改造方案而不同。
（2）7組交流伺服電機單元通過高精度免維護減速器(速比為5：1或10：1)直接與印版軸或模切軸相連，把電機到版軸之間的機械傳動環節減至最少，并實現7軸獨立伺服驅動。
5.2具體改造方案
從圖1可以看到，設備改造前的傳動及套印結構是一臺35kW的直流調速電機通過一根長軸將6個印刷單元連接在一起。改造方案是將圖1中虛線部分的結構拆除，改造成如圖2所示的結構。
印版電機驅動單元擬采用力士樂公司的Ecodrive型智能交流伺服驅動器和配套的MHD高性能交流伺服電動機。
其中伺服驅動器內部帶有電流環、速度環和位置環(本次改造不使用位置環)，電機軸速度和位置檢測元件是伺服電機自帶的2500旋轉編碼器(4倍頻)。利用伺服驅動器上的第二編碼器接口來實現多軸速度跟隨和同步，同步結構如圖2中虛線部分所示。
實際上，印刷機的同步控制包括兩方面的內容，一方面是各印版軸轉速的同步，另一方面是印刷套印同步控制，即通過光電掃描器檢測印刷碼刻線的實際位置，并與理論位置進行比較，輸出脈沖信號(正轉或反轉)給執行機構(改造前是步進電機)進行位置調整，它構成了同步控制的外環。
采用伺服控制器在速度方式下對印版電機進行控制．僅能獲得很好的動態特性。但在印刷過程中，由于各電機伺服驅動器特性上或多或少存在差異，因而長期運行過程中必然有累積誤差，而上述外環控制就是為了解決這個問題。
內部速度環主管各軸速度的同步，要求有良好的動態性能，各種擾動給內部速度環帶來的誤差可以通過外環控制加以彌補，外部位置環保證了穩定性和套印精度，如圖3所示。
本改造方案保留了原系統中套印控制的信號檢測、處理和發送環節，只把作為執行機構的步進電機改成交流伺服電機。因此，如何將以前發給步進電機的脈沖信號轉為控制交流伺服電機的信號是要研究的一個主要問題。現在的設想是通過調試原有套印系統的操作參數(實際上也是PID參數)以及交流伺服控制器上的PlD參數，來解決這一問題。
5.3套印原理
在多色印刷中，一般采用改變印版滾筒的轉動角度以達到調整印刷位置的目的，其閉環控制原理如圖4所示。
根據旋轉編碼器原理可知，其線數越多，即印版每轉一周所產生的脈沖數越多，位置精度越高。假定印版周長為500mm，編碼器的線數為500線，則500mm對應500個脈沖，1mm對應1個脈沖，20mm對應20個脈沖．
實際印刷位置的檢測是通過光電掃描器把檢測到的色標信號轉化為電脈沖，這些電脈沖與旋轉編碼器產生的脈沖串同時被送到套印系統計算機。各色組色標之間的距離給定值為20mm，即兩顏色套準時，兩色標之間的距離是20mm，對應于編碼器脈沖數為20個脈沖。如圖5所示，色標1與色標2兩脈沖觸發時間段中計數為18個脈沖，如以印色1為基準，則說明印色2的印版軸轉速太快，為使其速度減慢，糾正位置偏差，應使伺服電機反轉相當于2個脈沖的角度；假設色標2與色標3兩脈沖觸發時間段脈沖數為23個脈沖，以印色2為基準，則說明印色3的印版軸轉速太慢，為使其速度加快，糾正位置偏差，應使伺服電機正轉相當于3個脈沖的角度以消除偏差。
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