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案例頻道 摘要：文章從如何提高瓦楞紙印刷精度著手，介紹影響印刷精度的主要因素。針對瓦楞紙無軸印刷，從電氣控制的角度，使用高性能的Lenze運動控制器3200C及i700伺服驅動器，采用虛擬主軸的概念，提出基于運動控制的全伺服系統自動化控制解決方案。
關鍵詞：全伺服 無軸印刷 3200C i700
1 引言
瓦楞紙箱是一種十分優良的綠色包裝材料，廣泛應用于人們的社會生活各個方面，是家電、食品、醫藥、日化、紡織、煙酒、輕工業等行業必不可少的包裝容器。
隨著社會不斷發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、提高產品附加值也是增加企業競爭力的一個重要因素。目前，瓦楞紙箱的印刷逐步向高檔次、高質量、多色彩、視覺效果強烈的方向發展，以彩面多色網點印刷為方向[1]，使印刷圖案達到色彩鮮艷，光澤度好、美觀的效果，這就對瓦楞紙產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品印刷精度的兩個重要因素。機械誤差主要來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化系統解決方案，并使用高性能、高精度的伺服驅動器及伺服電機。
Lenze公司主要進行高精度、高性能的伺服驅動產品的研發，致力于為客戶提供優質的印刷自動化系統伺服解決方案，本文從典型的開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
送紙單元主要由進紙輪、抬板、擋板、送紙輥等組成。擋板可上下移動，根據瓦楞紙原料厚度上下調整，以保證送紙輪每次僅送進去一張瓦楞紙，上面一張紙則被擋板擋住；
抬板可通過兩種方式進行驅動，一種是通過機械凸輪耦合方式與主軸相連，通過主軸驅動抬板做凸輪運動；另外一種方式則通過伺服電機驅動，使抬板進行凸輪運動。進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，進紙輪由一臺伺服電機驅動。為靈活適用多種產品規格印刷及維護方便，目前比較流行的方式為進紙輪和抬板均采用伺服電機驅動方式；
送紙輥由一臺伺服電機驅動，將印刷紙板送入后續印刷單元中。紙板在進入送紙輥之前，線速度需達到送紙輥線速度，即生產線速度，以保證紙板在送紙輥之間不會發生打滑或者拉伸，進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，每色單元分別由網紋輥、印刷版輥、傳送輪組等組成，圖1僅畫出印刷輥及傳送輪。印刷單元色數可以根據需要進行調整，可改為4色或者其它數目，但色數增多意味著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機械耦合方式由一臺伺服驅動，也可以兩臺伺服同時驅動，本文則采用后一種全伺服方式。
干燥單元主要采用熱風干燥、紅外線干燥、紫外線干燥等方法，用熱風與紅外線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，通過兩臺伺服電機分別驅動。模切單元將印刷產品通過模切壓痕制成精美箱盒產品。
3 產品介紹
1) 控制器3200C
3200C是Lenze推出的一款強大的高性能運動控制器PLC，主要用于高精度、高動態響應的運動控制。操作系統采用WinCE系統，軟件開發平臺為CoDeSys平臺，最小運行掃描時間為1ms。
內置兩個Ethernet 百兆以太網口、一個百兆EtherCAT接口、一個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，客戶不同的需求可以通過編程靈活實現，掃描時間達到1ms；此外，通過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或者其他伺服驅動器通訊，如Profibus DP、ProfiNet、EtherCAT等模塊。
3) 伺服驅動器i700
伺服驅動器i700是Lenze公司最新推出的一款多軸伺服驅動器，除具備伺服9400高精度的特性外，還具備較高的性價比。伺服軸模塊分為單軸模塊、雙軸模塊，使用時可以靈活組合，軸模塊之間通過母線并聯，軸模塊供電集中統一通過直流母線供電；通訊采用集成的高速工業以太網EtherCAT與3200C或者第三方運動控制器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 全伺服自動控制系統結構
圖2為典型的Lenze無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運動控制PLC是整個運動控制系統的核心，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、伺服驅動器i700通訊采用通訊速率高達100Mbps的通訊網EtherCAT。EtherCAT 是一種實時工業以太網技術，它充分地利用了以太網的全雙工特性[3]。除具備高速通訊速率外，使用EtherCAT作為總線使方案拓展更具靈活性，符合EtherCAT協議的設備均可拓展到此系統結構上。3200C則通過EtherCAT網絡統一協調所有設備的運轉。
伺服驅動器使用Lenze性價比較高的i700驅動器，i700是Lenze在伺服驅動器領域的新產品，i700分為單軸和雙軸模塊，雙軸模塊可以分別獨立驅動兩臺伺服電機。i700內部不包含驅動程序，僅包含最基本的位置環、速度環、電流環等控制閉環，所有的設定值、控制命令等設定數據均由3200C通過EtherCAT過程數據通道下發。此外，部分設備如前緣進紙功率較大，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EtherCAT總線下發設定值和控制字等命令來控制驅動器。
Lenze觸摸屏MP1000通過DVI線與3200C通訊。由于運動控制器3200C支持OPC Server及以太網自由口通訊，3200C可以與支持OPC協議或者以太網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伺服驅動器可由i700電源模塊直流DC母線供電，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，通過直流DC母線同時為9400及i700供電。
5 系統主要功能
1) 無軸印刷
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。所有印刷單元及其它設備均根據虛擬主軸運行，以保證印刷設備動作的統一協調性和印刷精度。這樣，通過控制虛擬主軸的運轉就可以控制印刷全線的運轉。
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，同時提高系統的魯棒性。
3) 相位回零
在操作人員進行印刷單元維護或者在更換印版時，進行點動或其它操作使各印刷單元相位偏離原來的初始印刷位置。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
在印刷過程中，由于印版壓力的影響，會導致印刷在紙板上的圖案整體拉伸或者壓縮，進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Lenze電氣控制程序上來補償此壓力影響。
5) 凸輪曲線控制
在前緣進紙單元中，紙張進入拉紙輥或者印刷單元前，需要達到生產線速度。因此，紙張需要從靜止加速到同步生產線速度，實現此要求還需要抬板動作進行配合。這樣，進紙輪和抬板就需要在運動控制器3200C中使用不同的凸輪曲線進行協調控制紙張進紙速度。
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同步帶或者機械齒輪耦合。這樣會帶來兩種問題，一是滾筒和傳送輪之間多一級機械結構，就會帶來多一級的機械誤差，這會直接影響印刷精度；二是無法通過電氣程序對印版壓力進行修正，當印刷圖案整體拉長或者壓縮時，電氣無法通過伺服驅動對滾筒和傳送輪分別進行相位調整。為解決這些問題，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
1) 運動控制器3200C具備強大的運算功能，在多達20根軸的情況下，程序運行時間1~2ms。
2) 3200C虛擬主軸概念的使用實現了無軸印刷，使全線設備控制更具協調性。
3) Lenze新產品i700的使用不僅具備較高的伺服控制精度，還具備較高的性價比。
4) 總線EtherCAT不僅具備較高的通訊速率，其協議的開放性也使方案擴展變得極為容易。
5) 工程人員可通過以太網遠程監控、維護客戶現場設備，快速響應現場客戶需求及降低成本。
7 結論
我國瓦楞紙箱印刷行業的起步較晚，但發展較為迅速。目前，市場競爭激烈，如何印刷出精美的圖案，提高市場競爭力是企業的迫切需求。Lenze公司在這一領域有整套電氣解決方案。其強大的運動控制器 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總線的應用為系統的擴展性提供了極大的便利，i700伺服驅動器雙軸模塊、單軸模塊是較高性價比的伺服驅動器。隨著行業的發展，Lenze公司將為客戶提供更為優質的服務和系統解決方案，Lenze將與客戶共同發展。
8 參考文獻
1．張學中. 國內外瓦楞紙箱的發展和未來趨勢[EB／OL]. http://news.pack.cn/hydt/xzyc/2007-03/2007031510192743.shtml, 2007-03-15
2. 唐萬有，蔡圣燕，王豐軍等. 《印后加工技術》[M]. 北京；中國輕工業出版社，2007. 46。
3. 郇極 劉艷強 .《工業以太網現場總線EtherCAT驅動程序設計及應用》[M]. 北京： 北京航空航天大學出版社，2010.03. 5
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號