（机械工程专业论文）无轴传动技术在柔性版印刷机中的应用.pdf

独创性声明 i | i i i l 0 f i | i | | | | i | 删 y 17 8 8 4 91 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：么。也：璋日期：掣f 垒止掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：4 量上毕导师签名： 摘要 摘要 无轴传动技术( 伺服传动技术) 是一种研制开发各种先进的机电一体化设备 的关键性技术，这一技术在机器人、数控机床、加工中心等金属加工设备中已得 到广泛应用，在印刷机械中的应用则是近年来才引入的。印刷设备采用这项技术 可以大幅度简化传动机构，降低设备制造成本，显著提高传动精度和灵活性，无 轴传动技术的应用将给印刷业带来革命性的变化。 无轴传动是指在设备传动中，没有主电动机及主传动轴，而是采用多个伺服 电机分别向各主要机组传递动力的传动方式。由于传动路线缩短，降低了功率的 损耗，缩短了传动链，使机器精度得以提高。由于各机构之间的构件相对独立， 可以避免单个机组故障对其它机组的影响。该项新技术在轮转印刷设备中具有很 好的应用前景。 无轴传动技术在其他行业中是广为接收的成熟技术，然后才引入印刷业的， 其发展是机械传动与电子技术的广泛应用相结合的产物。最早将这一技术推向市 场的基本上都是传动控制公司，如：德国的力士乐、伦茨、日本的住友、奥地利 的贝加莱等。1 9 9 4 年博世力士乐( b o s c hr e x r o t h ) 公司和德国高宝印刷设备公 司研制出全球第一台无轴传动印刷机，并参加了1 9 9 6 年的d r u p a 印刷展览会。 尽管各项相关技术已经趋于成熟，但是均由于其昂贵的价格，制约了无轴传动印 刷机在我国的应用和发展。因此，开发具有国内自主知识产权，高质量、低价格 的新型无轴传动系统是国内印刷科技领域非常紧迫的任务。 关键词无轴：伺服控制：柔性版印刷机：总线控制：张力控制 a bs t r a c t s h a f t l e s st e c h n o l o g y ( s e r v od r i v et e c h n o l o g y ) i sa r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f a d v a n c e dm e c h a t r o n i cd e v i c ek e yt e c h n o l o g y , t h et e c h n o l o g yi nr o b o t s ，c n cm a c h i n e t 0 0 1 s m a c h i n i n gc e n t e r sa n do t h e rm e t a lp r o c e s s i n ge q u i p m e n th a sb e e n w i d e l yu s e d i na p p l i c a t i o no ft h ep r i m i n gm a c h i n e r yw a so n l yi n t r o d u c e di nr e c e n ty e a r s p r i n t i n g e q u i p m e n tu s i n g t h et e c h n o l o g yc a ng r e a t l ys i m p l i f yt h ed r i v em e c h a n i s ma n dr e d u c e s m a n u f a c t u r i n g c o s t sa n ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h et r a n s m i s s i o na c c u r a c ya n q f i e x i b i l i t y s h a f i l e s sd r i v et e c h n o l o g yw i l lb r i n ga b o u tr e v o l u t i o n a r yc h a n g e si nt h e p r i n t i n gi n d u s t r y s h a r l e s sd r i v ei st h ed r i v ei nt h ed e v i c e ，n o n eo ft h em a i n m o t o ra n dm a i nd r i v e s h 啦i n s t e a do fu s i n gm u l t i p l es e r v om o t o ru n i t sw e r ed e l i v e r e dt ot h em a i np o w e r d r i v e a st h et r a n s m i s s i o nl i n et os h o r t e na n dr e d u c et h ep o w e rl o s s ，r e d u c e d d r i v e c h a i nt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h em a c h i n e a m o n ga g e n c i e s a si n d e p e n d e n t c o m p o n e n t s ，t oa v o i das i n g l eu n i tt oo t h e ru n i t so ff a i l u r e t h en e wt e c h n o l o g y i n r o t a r yp r i m i n ge q u i p m e m h a sg o o dp r o s p e c t s s h a rd r i v et e c h n o l o g yi no t h e ri n d u s t r i e si sw i d e l yr e c e i v e dm a t u r et e c h n o l o g y , a n dt h e nb e g a nt oi m p o r tt h ep r i m i n gi n d u s t r y , t h ed e v e l o p m e n t o fm e c h a n i c a l 仃a n s m i s s i o na n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g yp r o d u c t s o ft h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no t c o n s i s t e n c v f i r s tt om a r k e tt h i st e c h n o l o g ya r eb a s i c a l l yd r i v ec o n t r o lc o m p a m e s ， s u c ha s ：g e r m a n y , r e x r o t h ，l e n z e ，j a p a n ，s u m i t o m o ，a u s t r i ab & r a n ds oo n i n 19 9 4b o s c h r e x r o t h ( b o s c hr e x r o t h ) a n dt h eg e r m a nk b ap r i m i n ge q u i p m e n t c o m p a n yd e v e l o p e dt h ew o r l d s f i r s tn o n s h a f tp r e s s ，a n dt o o kp a r ti nt h ed m p a p r i m i n ge x h i b i t i o ni n 19 9 6 a l t h o u g ht h er e l e v a n tt e c h n o l o g yi sm a t u r e ，b u tb yt h e i r h i 曲p r i c e s ，r e s t r i c t e ds h a f t l e s sp r e s si no u rc o u n t r y t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to f i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sw i t ht h ed o m e s t i c ，l l i 曲。q u a l i t y , l o wp r i c e o f t h en e ws h a f td r i v es y s t e mi st h ef i e l do fp r i n t i n gt e c h n o l o g yi sv e r yu r g e n t k e y w o r d ss h a f t l e s s ；s e r v oc o n t r o l ；f i e x op r i n t i n gm a c h i n e s ；b u sc o n t r o l ；t e n s i o nc o n t r 0 1 n - 叠 嗨 l ：i 录 曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼鼍曼曼 目录 摘要一i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题研究的意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 课题研究的基本内容和目标3 1 4 课题来源、研究方法和可行性4 1 5 课题研究的进度计划和预期成果5 1 6 本章小结5 第二章无轴传动柔性版印刷机概述6 2 1 无轴传动印刷机结构原理7 2 1 1 概况介绍7 2 1 2 控制原理8 2 1 3 基本配置1 1 2 1 4 技术参数1 2 2 2 无轴传动印刷机的性能特点1 2 2 2 1 模块化设计1 2 2 2 2 同步协调性1 2 2 2 3 经济效益1 2 2 2 4 可扩展性1 3 2 2 5 可变裁切1 3 2 2 6 远程诊断1 4 2 3 本章小结1 4 第三章关键件的选型过程1 5 3 1 伺服电机的选型1 5 3 2 减速机的选型1 6 3 3 编码器的选型1 7 3 4 张力传感器的选型1 9 3 5 本章小结2 1 第四章无轴传动控制系统的分析2 2 4 1 无轴传动控制方式2 2 4 1 1 概述2 2 4 1 2 运动控制的核心2 3 北京t 业大学t 程硕i j 学位论文 4 2 张力控制系统2 3 4 2 1 控制原理介绍2 3 4 2 2 张力控制系统2 4 4 2 3 第一段张力控制2 6 4 2 4 第二段张力控制2 7 4 2 5 第三段张力控制2 8 4 2 6 第四段张力控制2 9 4 3 本章小结3 2 第五章设备现场调试和分析3 3 5 1 概况3 3 5 2 张力检测器的标定3 3 5 3 伺服电机同步性能测试3 4 5 4 套准误差的测定方法3 6 5 5 设备的检测与验收3 8 5 6 本章小结4 0 结 仑4 l 参考文献4 3 附录：4 6 致i 射5 1 第一章绪论 第一章绪论帚一早珀下匕 无轴传动技术对印刷机的传动系统、机器构造，特别是大型多色印刷机而言， 无疑是一项技术性的突破。印刷设备采用这项技术可以大幅度简化传动机构，降 低设备制造成本，显著提高传动精度和灵活性，无轴传动技术的应用将给印刷业 带来革命性的变化。 1 1 课题研究的意义 无轴传动是指在设备传动中，没有主电动机及主传动主轴，而是采用多个伺 服电机分别向各主要机组传递动力的传动方式。由于传动路线缩短，降低了功率 的损耗，缩短了传动链，使机器精度得以提高。由于各机构之间的构件相对独立， 可以避免单个机组故障对其它机组的影响。该项新技术在轮转印刷设备中具有很 好的应用前景。 与传统的机械长轴柔版印刷机相比，新型电子无轴传动柔版印刷机具有以下 优点： 1 ) 纸路长度缩短，穿纸时间得以减少，设备设计灵活性增大 由于每个单元均采用独立伺服电机驱动，所以不需要通过主轴将动力传给每 一个单元，不需要通过高精度的齿轮箱传递力矩，不需要齿轮箱的润滑系统，所 以设备的空间设计也不受传统机械轴印刷机的影响，可以根据纸路最佳设计原则 改变设备的长轴式设计，可以层叠起来，可以成某一角度，可以灵活的增加功能 部，而不需要将所有的传动点在放同一高度上，其设计的灵活性大大加大，模块 化程度更高，个性化程度更高，更有利于迎合目前个性化需求的市场。 2 ) 预套准时间缩短 采用了电子轴系统后，印版辊只需随意装入各个单元而不需再恢复到“零 位”，随后伺服电机会自动将版辊转动至“零位 ，在此过程中，版辊上有一个 传感器来检测“零位”的标记，其定位精度可达1 毫米的1 1 0 0 ，重复精度为1 毫米的1 1 0 ，从而实现真正意义上的高精度预套准。预套准完成之后将自动转 换至自动套准状态。因此整个套准过程不需要人工介入，犹如操作傻瓜照相机般 方便快捷。从现在用户的反馈来看，实际生产中对新产品的全自动预套准只需 1 5 2 个纸路长度；对于换版产品的预套准只需1 个纸路长度，极大的节约了 纸张和油墨的消耗，对于应付短版活市场和满足客户个性化的需求勿庸置疑是最 佳的选择。 3 ) 高精度的高速套准 由于电子轴系统对所有版辊的相对位置的控制容量达4 0 0 0 次秒，位置转换 的精度为一转的百分之一( 即一微米) ，通过光纤完成的伺服驱动部分的信息交 换，其速率达每秒1 0 0 0 万比特的信息量，同步化误差因数小于两百万分之一秒， 北京t 业大学t 程硕j j 学位论文 因此，在高达3 0 0 米分的印刷速度下仍能获得比机械长轴传动的柔版机高得多 的套准精度。 4 ) 降低了更换活件的成本 以往我们在使用传统的机械轴柔版机时，如果改变产品的裁切尺寸，我们就 需要增加裁切刀或更换裁切辊来实现，而采用无轴柔版机后，上述难题都可迎刃 而解了，只需调整伺服电机的速度，从而改变裁切辊的速度，这样就可以轻而易 举的裁切不同规格的产品，这样也为客户大大降低了更换活件的成本。 5 ) 可扩展性和可维护性提高，操作更加简单 无轴柔版机可以对您现有的设备简单的加以扩展，大大提高了设备的可用 性，由于其模块化的设计单元，客户可以在很短的时间内根据需求对设备进行理 想的组合，既降低了成本，又节约和宝贵的时间等资源。目前的无轴传动技术多 都采用了符合国际数字传动接口标准的串口实时通信系统，通过无噪音光纤电缆 同步协调每个传动装置，使设备的操作更加简单，只需通过人机界面调整参数就 可以对设备进行操作，大大简化了人员培训的费用和周期。此外，远程诊断也是 长期以来讨论的一个话题，伴随着网络时代的到来，无轴传动技术的数字化控制 系统使这种可能变为现实，无论你在地球的哪一个角落，无轴传动印刷机制造商 都可以为你进行技术服务，从而最大限度的缩短维护时间，降低停机时间。 6 ) 更加完美的工程设计和更佳的工作环境 由于取消了机械传动轴和齿轮箱以及齿轮和带轮传动，依靠伺服电机来直接 驱动印版辊，因此转动时的噪音和日常的维修保养工作都明显减少，而且设备的 传动面留出了更大的活动空间便于操作和维护，同时整个印刷单元可实现全封 闭，可减少溶剂在车间内的扩散，整套设备的模块化设计更是减少了设备的占地 尺寸和设备的安装时间。 1 2 国内外研究现状 无轴传动技术在其他行业中是广为接收的成熟技术，然后才引入印刷业的， 其发展是机械传动与电子技术的广泛应用相合的产物，该平台基于标准p c ，在 主机端插接p c i 总线的i f s b 主通讯卡，通过总线与系统要求的接口卡简单级连 交互各种信号，由计算机完成印刷机的复杂的算法，运动控制器与伺服控制器完 成印刷动作。其运动控制器可不间断地计算产生虚拟主轴的位置，从而实现印刷 过程的同步运作。最早将这一技术推向市场的基本上都是传动控制公司，如：德 国的力士乐、伦茨、同本的住友，奥地利的贝加莱等。该技术在印刷机械制造业 上的应用也有几年的历史了，该技术的应用从欧洲丌始，然后传到美国的，在国 外已经是一门成熟的应用技术。1 9 9 4 年博世一力士乐( b o s c hr e x r o t h ) 公司和德 国高宝印刷设备公司研制出全球第一台无轴传动印刷机，并参加了1 9 9 6 年的 d r u p a 印刷展览会，它代表了当时无轴传动技术的最新成就。意大利欧米特公司 第一章绪论 已经成功研制了无轴柔性版印刷机以及无齿轮印刷机，奥地利的贝加莱公司在这 一领域也有较多的推广，尽管各项相关技术已经趋于成熟，近几年我国也从意大 利、德国引进了很少的几条胶印、柔印无轴传动印刷机，但是均由于其昂贵的价 格，制约了无轴传动印刷机在我国的应用。国内印刷设备生产厂家，为了赶超国 际先进水平，保障产品在国际市场上的地位，最近几年也投入巨大的人力和物力 致力于传统印刷设备的无轴化改造，但由于国内基础零部件研发基础薄弱，科研 单位对无轴传动技术给予的关注不够，开发无轴传动系统的关键技术一直没有得 到突破。所以到目前为止，国内开发的无轴传动印刷设备都是采用国外的系统和 零部件，甚至连应用技术也完全依赖于国外的开发。由于国外配套产品的昂贵价 格，使国产采用无轴传动技术的印刷设备的成本大幅增加，损害了国产设备的廉 价优势，对保持国产装备在国际市场上的地位非常不利。因此，开发具有国内自 主知识产权，高质量、低价格的新型无轴传动系统是国内印刷科技领域非常紧迫 的任务。 1 3 课题研究的基本内容和目标 基于以上对无轴传动技术研究意义的分析和国内外研究的现状，本选题针对 无轴传动技术在柔性版印刷机上的应用为研究内容，目的是提高印刷套准精度以 及裁切精度和印刷速度，减小机械磨损和噪声污染，提高机器模块化程度，缩短 预套准时间，降低了纸张和油墨的消耗，大大节约设备制造成本和印刷成本，进 一步推动国内无轴传动印刷机的发展。 课题研究的基本内容主要包括以下几个部分： 1 ) 无轴传动与传统有轴传动技术的区别和优劣分析： 详细介绍无轴传动的优势，并用示意图等方式论述和传统有轴传动技术的差 异并对比分析； 2 ) 无轴传动柔性版印刷机总体结构介绍和分析： 利用图示等方式对该设备整体和各结合部做概括性的介绍； 3 ) 无轴传动控制系统分析： 该控制系统是无轴传动技术的核心，着重加以分析和阐述其特点和核心部分 以及存在的技术难点； 4 ) 无轴f i i 届u 现场调试与分析： 记录该设备在调试过程中所表现的优势和需要改进的部分； 5 ) 无轴传动技术的应用现状分析及发展趋势预测： 分析无轴传动技术在国内外的应用现状、技术差异、发展方向以及市场预测。 本课题研究所设定的目标参数如下表1 - 1 。 表1 - 1 课题研究所设定的目标参数 t a b l e1 - 1g o a l so fr e s e a r c hp r o j e c t 课题任务书 检验项目使用仪器备注 要求 胶印、柔印人色套印0 0 3 r a m读数显微镜速度1 2 0 米分钟 ，ni j i i 扛j f 八 h 。耶”风趣 胶印二色套印0 0 3 m m读数显微镜 速度2 0 0 米分钟 j 采r n 蛙辞# 。墨h o 吓日，叉 柔印四色套印 0 0 3 m m 读数显微镜速度1 2 0 米分钟 裁单张误差0 5 m m 读数显微镜速度1 2 0 米分钟 1 4 课题来源、研究方法和可行性 本项目为北京工业大学和北人富士印刷机械有限公司合作的项目，名称为 “数字化印刷技术与装备”，该项目属北京市科委先进制造技术计划。课题承担 单位为：北京工业大学，项目主持单位为北人集团公司。 北京工业大学有具有深厚资历的杨建武教授主导本项目的进行，具有深厚的 理论基础和实践经验。北人富士印刷机械有限公司在开发柔版机方面也有近l o 年的丰富经验，在中国的柔性版印刷机市场中占据中高端市场，也积累了丰富的 开发经验并具有准确的市场定位。这两个单位的有力合作为本项目垫定了坚实的 基础。机械本体部分由北人富士印刷机械有限公司提供一台成熟的b f 4 2 5 0 b 商用 表格印刷机，用这台设备改造为一台无轴传动印刷机。b f 4 2 5 0 b 商用印刷机属于 较小型的印刷机，其印刷滚筒的转动惯量较小，所采用的伺服电机及驱动单元， 在国内已经形成批量生产，具有较高的产品质量和可靠性。同时，b f 4 2 5 0 b 印刷 机是一种技术成熟的高档产品，全机具有较高的自动化水平。电气部分采用p l c 控制，全数字化操作，已经具备了自动套准、自动调整、自动校正和自动故障诊 断功能。将其改造为无轴传动印刷机时，除了添加无轴传动数控系统之外，只需 将其已经具有的逻辑控制程序移植到新的控制系统，机械部分进行简单的改造和 简化就可以满足试验的条件，而不必全部重新丌发，保证了在限定期限内完成课 题任务。此外，b f 4 2 5 0 b 系列印刷机是北人富士印刷机械有限公司生产的主流产 品，每年都有大量内销和出口，由于在国际市场上，有轴传动的e i i , 昂u 机正趋于被 淘汰，所以尽早实现这种机型的无轴化改造，对北人富士印刷机械有限公司扩大 国际市场占有率具有重要的意义，对于奠定国产设备在国际上的知名度具有深远 的意义。 为了保证课题任务顺利完成，课题的研究分为两步进行。首先全套引进德国 r e x r o t h 公司的s y n a x 2 0 0 系列无轴传动系统，将其集成在b f 4 2 5 0 b 印刷机上。 在这一过程中，解决了印刷机机械部分的改造问题，原电气控制系统的功能向新 的控制系统的移植问题，并掌握无轴传动系统电气拖动与机械系统的机电参数的 4 第一章绪论 匹配方法。其次，用在c o d e s y s 平台上自主开发的控制软件替换下r e x r o t h 公司 提供的无轴传动控制系统，验证具有自主知识产权的软件控制系统的可行性与可 靠性，然后用凯奇公司研发的数字伺服系统替代b f 4 2 5 0 b 印刷机同步传动机组上 的r e x r o t h 公司驱动器及电机( 胶印机组2 组、柔印机组5 组、共7 个色组) ， 并配置自行研发的s e r c o s 接口卡、p r o f i b u si 0 单元，测试印刷系统的性能变 化情况，通过前后两套系统的技术指标与性能指标的测评，比较技术指标的变化 情况。 1 5 课题研究的进度计划和预期成果 第一阶段：2 0 0 5 年9 月 一2 0 0 7 年5 月b f 4 2 5 0 b 印刷机机械部分制造和改 造； 预期成果：伺服电机、编码器等机械部分均安装完毕，且均满足精度要求； 第二阶段：2 0 0 7 年6 月 - - 2 0 0 7 年1 0 月力士乐s 、i a x 2 0 0 无轴传动系统应 用于b f 4 2 5 0 b 调试成功并进行检测和数据的收集，北京工业大学 在实验室建成s e r c o s 总线通信模块，为现场应用铺挚基础； 预期成果：印刷速度和套印精度可以满足上表中课题任务书的要求； 第三阶段：2 0 0 7 年11 月 - - 2 0 0 7 年1 2 月s e r c o s 总线通信模块无轴传动系 统应用于b f 4 2 5 0 b 并调试成功并进行检测和数据的收集。 预期成果：印刷速度和套印精度可以满足上表中课题任务书的要求，争取可 以达到力士乐s y n a x 2 0 0 的无轴传动系统的技术指标。 1 6 本章小结 该项目涉及内容较多，机器配置也是一台完整的多功能组合式轮转印刷机， 其基本功能包括胶印、柔印、裁单张、复卷等多重功能，本课题的研究重点是以 柔性版印刷机和张力控制部分为两大主题进行展开论述和分析。 柔性版印刷是凸版印刷的一种，但其版材为硬度很低的感光树脂版，所以属 于轻压力印刷，且是唯一可以使用水性油墨的一种印刷方式，这一特点决定了其 得天独厚的优势，即为我们常说的“无毒绿色环保印刷”j ，也是未来标签及包 装领域发展的重要趋势。中国的柔版印刷还处于起步过程之中，但却已经显露出 了顽强的生命力，随之带来的就是激烈的竞争。柔性版印刷有着广阔的发展空间， 市场需求将会越来越大，它的高性价比、高效率、环保、适印范围宽等优势，预 示着它必将成为当今印刷业发展的趋势和主流。 该设备其承印介质为卷筒纸，所以自然而然的会涉及到张力，而对于印刷而 言，我们所要的结果就是印刷品色彩的逼真再现，这其中一个重要的原理就是颜 色的叠加原理，这也就是我们所说的套印，只有套印的准确性的提高，颜色才可 以最大化的满足视觉的需要。对于卷筒纸印刷机而言，影响套印的最大因素就是 北京t 业人学t 干口硕i ：学位论文 张力，张力是贯穿全机的一条线，也是卷筒纸印刷机的灵魂。所以说从设备的角 度而言，张力控制是卷筒纸印刷机的核心技术，也是世界难题，所以此部分也是 本课题的主要探讨内容之一。 本论文会从机器的基本配置、关键件的选型过程、各功能部的驱动和控制方 式、以及张力控制的方式几个方面入手来探讨无轴传动技术在柔性版印刷机中的 应用。 第二章无轴传动柔性版印刷机概述 2 1 无轴传动i ；p j 机结构原理 2 1 1 概况介绍 无轴传动技术在柔性版印刷机上的运用已经有几年了，并且在过去的五年中 取得了突飞猛进的进步。我们通过认识一种传统印刷机械设计的局限性来理解无 轴传动印刷是很直接的方式( 见图2 - 1 ) 。传统印刷机械的各个部件是通过一排轴， 齿轮，齿轮箱和离合器同步的。机械同步系统的每个部件有一个规定精度，每个 部件自身有严格的精度要求，每个零件的安装配合也有严密的精度要求。当连接 部件和传动部件端到端连接在一起时问题就暴露出来了，因为这种精度是累加起 来的，总的偏差过大是不能接受的。目前柔版印刷行业套印标准是0 1 5 n 1 i n ，但 实际客户的要求基本上都在0 1 m m 以内。在多色印刷中需要多个印刷单元进行颜 色的叠加和套印，由于各单元机械精度是累加的，多个印刷单元之间的操作结果 容易导致大的偏差，这就可能造成机械精度下降，严重影响最终的套印精度。在 某些彩色印刷中，我们经常看到印刷品有明显的色彩变化，严重的还会有墨杠的 产生，这种现象的出现主要是因为齿轮的传动精度以及无法预测的共振现象导致 的。这样我们也更容易理解为什么一组机械印刷机组在加速和减速期间e p 届, j 品的 套印会发生如此大的变化。在传统的机械印刷过程中，当你在预处理和生产速度 加速时，不但要考虑产生的浪费，同时还要等待机械齿轮和轴返回保持匀速状态。 相比较而言，无轴传动在印刷过程中，独立电机贯穿于整个印刷过程，这就确保 在印刷过程中始终只有一个公共的精度，环节减少了就不存在误差的累积。每个 电机能保证误差在0 0 0 8 。的同步精度，减少了机械误差，就能实现更好地同步 和保证机械器的稳定性。 图2 - 1 传统机械长轴传动印刷机示意图 f i g u r e2 - 1t r a d i t i o n a ls h a f td r i v es k e t c hm a p 传统印刷设备的传动是依靠固定在机器上的齿轮、轴杆等机械部件将电机的 动力向各个机组传动。所谓无轴传动技术就是用交流伺服电机驱动的( 虚拟的) 北京t 业人学丁程硕i j 学位论文 电子轴线取代传统、复杂的机械传动轴，也有人因此把无轴传动技术称为无齿轮 传动技术，见图2 2 。 。飞飞尹飞w 飞 飞嘎 4 w 飞 啮l ：l 盐 盐u cd i盐盐d 如出 苹 出d c- d h 盐d u ld “o 、| 广丁、【r w可寸l 1 ：育育育w 、i n r w 几i 厂 图2 2 无轴传动印刷机示意图 f i g u r e2 - 2s h a f f i e s sd r i v es k e t c hm a p 这种系统的驱动和控制，使用精确的电子同步数字化智能伺服电机，依赖精 确同步控制的智能伺服电机的驱动，代替迄今为止使用普遍但价格昂贵的机械齿 轮箱、齿轮、纵轴、万向轴以及凸轮。这样就不再需要额外附加的动力了，比如 专门的齿轮箱或是设定机器的每个驱动单元具有独立的套准系统，套准控制反应 快，控制信号直接作用于交流伺服电机，而电机直接作用于调节印版滚筒的相位， 这就为快速反应提供了可靠保证。 如果仅从无轴驱动的印刷机的机构上看，也会发现一些很明显的优越性。 1 ) 电机每转动一圈有好几百万脉冲，可以藉此作非常精密的定位，更好的控 制比例和速度，配上智能型驱动器及高速微处理器，对套准精度的控制可大幅度 提高，这种以电子线路代替轴杆传动的e l s 系统( e l e c t r o n i c l i n e s h a f t i n g ) 使分 机组驱动的概念得以实现。所谓e l s 先进的控制技术，是采用超高分辨率的编码 器( 直接安装在电机内) 和高速微处理器，来指定系统内每一转轴的正确位置，并 能精确地复位。 2 ) 在采用齿轮及轴杆传动系统时，所不可避免的扭力不稳定性及齿轮的滞后 性，都会导致套准有所飘移，尤其是在加速或减速时更为严重。如果传动轴越多、 越长，齿轮越多、越大，其积累误差系数就越大，这种误差在新的传动与控制系 统中是可以避免的。何况齿轮在使用过程中难免发生磨损引起误差。 在网络引导下不论电机处于何种位置，所有电机均可保持同步，即使是在加 速或减速过程中都能保持同步。这也是伺服电机的特性。通过独立旋转每一个滚 筒，印刷过程的预处理也相应减少了，节约了准备工作的时间。 2 1 2 控制原理 所有这些新的灵活性有效地提供了更多的产量，增加了利润。作为我们继续 讨论的一个基础，简单地回顾一下无轴传动系统，控制原理见附录3 。伺服传动 是一个大系统的部分，一个移动控制系统。 第二章无轴传动柔件版e 1 j 刷机概述 这个移动控制系统由3 个部分构成： 1 ) 一块提供同步的移动控制卡； 2 ) 伺服驱动，控制每个对应的电机的位置； 3 ) 伺服电机，提供精确的机械移动。 所有来自移动控制卡的信号到每个驱动是通过光纤电缆以实时方式数字化 传递。为实现这种关键功能以确保无轴印刷的客户不受个别制造商的控制设备的 制约，必须使用国际驱动通信标准，即串行实时通信系统s e r c o s ( s e r i a lr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 1 1 。 实时通信结构还提供驱动诊断和电机参数调整，例如记录偏移量。把智能数 字智能驱动与光纤实时数字通信相结合可以提供更高级的诊断。如果采用传统的 模拟通信，那么这种预测维护功能是不可能实现的。 作为一个例子，制造商现在能够详细描述印刷单元转矩要求参数，当按照厂 家原始设定转矩要求提供的信息安装完这个单元，考虑运输中是否可能损坏，要 求比较转矩要求。依靠这些信息印刷造商在安装过程中能够重新调整转矩，以避 免生产前引起较长的停工期。 使用分布式智能是提高性能的关键所在。这就要求每个驱动系统有能力控制 每个电机位置。早期的移动控制系统是集中处理的，对所有电机所处位置的定位 算法固化在移动控制卡内。增加电机到一个集中处理结构，意味着每个增加的电 机都会增加带有更多处理要求的移动控制器的负担。老式的移动控制系统是很容 易识别的，但是这种移动控制卡仅仅支持1 2 个以下的电机。今天的分布式智能 结构提供每块移动控制卡可控制多达4 0 个电机，支持多达3 2 块移动控制卡通过 光纤通信连接在一起。目前的移动控制系统的实用限制是支持1 0 0 0 台电机的同 步运行。 智能数字伺服驱动和电机含有一个闭环反馈系统，这就意味着驱动持续分析 实际电机的位置，进行比较，并令电机转到相应的位置，从而补偿精度。采用 3 2 位数字信号处理技术设计的高端驱动可以每秒钟4 0 0 0 次精确检测和纠正印刷 过程中电机的位置。采用电机技术设计的智能伺服电机提供了最高的可靠性和有 效性。在无轴传动印刷中，最流行的伺服电机设计是用一个独特的高分辨率的反 馈装置，该装置可以对每个电机转动等分出2 百万份增量，从而产生业界最为精 确的印刷和多设备的同步。此外，系统还提供电机之间的同步，电子传动轴还提 供以下功能： 1 ) 动态同步。动态同步使得额外的印刷单元，或印刷机同步变得可能，改变 印版的同时维持高速生产。一方面主印刷单元在工作的同时，额外单元是独立定 位，允许额外单元印版版面根据需要进行调整。那么这种额外单元要与正在印刷 的速度和位置实现同步，主印刷单元要取消压痕，并且将额外单元置于压痕上。 北京t 业人学t 程硕卜学位论文 这种改变和调整仅仅在数秒钟内完成，所以产生的浪费是很少的。这同样的技术 也用于变换的丝网印刷。多色印刷方面，你可以在短短几秒钟内从一种作业改变 成另外的作业，而这一切都是靠动态同步实现的。 2 ) 绝对反馈。绝对反馈提供在任意给定的时间，就能知道电机或机械装置精 确的位置，这种绝对反馈允许机械直接进到一个请求的坐标位置，并能取消不必 要的机械运动。这种优化的坐标定位请求用于印版的变化。印刷控制系统可以请 求移动控制系统用于自动改变所有印刷的印版版面，无须操作员介入，这也提供 一种快速作业变换。它还增加了作业安全性和降低了印版版面损坏的风险程度， 使印刷就绪。用于印版滚筒调节已经有好几年了，不管怎样，无轴传动技术消除 了增加复杂机械和电子部件的需要。精确地再同步能力消除独立离合器或机械 电子交换用于再排列的需要。为辅助部件的消除提供一个简单的印刷设计，这降 低了维修费用并且简化了检修。 3 ) 电子凸轮。电子集中编制寄存器表提供一个电机在单个转动情况下模拟凸 轮的切线速度，换句话说，有可以加速一个电机印版版面，带到一个位置比匹 配一个转动的部分更快。这就允许一个切割印版版面用于在同一个版面反复切割 不同尺寸的版面，预处理时间是不需要了，时间主要浪费在重复长度制定的切割 印版版面的获取上。 4 ) 电子齿轮箱。电子齿轮箱允许一个电机以给定的速率相对于主印刷速率运 行。当驱动不同尺寸的滚筒时( 如：印版滚筒和压印辊) ，印刷机械制造商使用电 子齿轮箱。如果齿轮比是3 ：l ，那么这个电机将按照3 倍与维护相同表面速度和 适当的柱面位置的速度运行。 5 ) 速度和转矩模式。速度和转矩模式提供印刷过程中控制张力的能力。滚筒 可以维持一个主印刷速度上下的固定速度；滚筒速度可以调整0 0 1 的增量，用 以改善机械张力系统。对闭环的张力问题，滚筒速度可以按照来自于电机或反馈 的张力负荷单元( 张力传感器) 进行速度调整以改变张力。 6 ) 相位同步。相位同步允许电机驱动单元以相对于主印刷同步做出提前或延 迟调整。印刷单元的环境记录参数可以直接在伺服电机中调整，对一个额外的调 整机制而言不再是一个机械调整要求，而只是相应改变相关的参数，这就减少了 成本，简化了维护。 7 ) 高速记录。高速记录提供环境记录的调整。由第一个印刷单元的一个印刷 记号位置通过传动准备就绪，每个电机按照这个印刷标记调整电机位置进行自动 套准，大大节约了准备时间。 2 1 3 基本配置 该设备由北人富士公司提供，型号为b f 4 2 5 0 b ，是一台多功能组合轮转式胶柔 表格机，其中的五组柔印机组和两组胶印机组是本台机器的主要部分，其他还配 置了很多如打孔装置、裁单张机组等辅助功能，具体配置如下表2 1 所示( 全 机配置示意图见附录1 ) 。 表2 - 1b f 4 2 5 0 b 胶柔表格机配置 t a b l e2 1c o n f i g u r a t i o no fb f 4 2 5 0 bo f f s e t & f l e x op r i n t i n gm a c h i n e s 序数功率工作转对应扭减速机 号 功能单元 i 电机型号 里k w 速r p m矩n m 速比 1 放卷机组 1 m s k10 0 b 0 4 0 0 j n n m 2 胶印机组 21 0 23 5 0 02 7 91 ：3 2 - b g 0 r n n n m s k 0 71d 一0 3 0 0 小附s 3给纸部张力辊l3 32 0 0 01 5 5 1 - u g 0 n n n n m s k 0 7ld 0 3 0 0 n n m 4 柔印机组 53 32 0 0 01 5 5 2 一u g 0 一r n l 、仆f m s k 0 71d 0 3 0 0 n n s 5 加工部张力辊 13 32 0 0 01 5 5 l u g 0 小r 卜小心i m s k 0 71d 一0 3 0 0 j n n m 6 边缘孔装置 l3 32 0 0 01 5 5l ：3 2 - u g 0 rn n n m s k 0 7ld 0 2 0 0 n n - m 7 裁单张机组 11 81 0 0 01 7 4 1 ：3 2 u g o r n n n m s kl0 0 b 0 4 0 0 n n m 8 折页机组 11 0 23 5 0 02 7 9l ：3 2 一b g 0 一r n n n m s k 0 71d 一0 3 0 0 n n s 9 折页部张力辊 l3 32 0 0 01 5 5l ：3 l u g 0 n n n n i a dl3 0 b 一010 0 s a s 1 0复卷机组 15 55 0 01 0 6 2 k h 0 0 5 一n1 m s k 0 7 0 c 0 3 0 0 n n m l l 横垄线插件 11 41 0 0 0 1 31 ：3 2 一u g o r 卜小小i m s k 0 71d 一0 2 0 0 一n n m 1 2 横垄线砧滚筒 l1 81 0 0 01 7 4l ：3 2 - u g 0 一r n h n 北京t , l k 犬学t 程顾”i j 学位论文 2 1 4 技术参数 在设计一台机器时，我们通常会根据市场调研情况作出相应的设计任务书， 在设计任务书中详细列出机器所需要达到的目标，并初步确定大的方案范围和关 键的技术参数，下表2 2 是该设备的具体技术参数，也是我们试验所需要达到的 目标和要求。 表2 - 2b f 4 2 5 0 b 胶柔表格机技术参数 t a b l e2 - 2t e c h n i c a lp a r a m e t e r so fb f 4 2 5 0 bo f f s e t & f l e x op r i n t i n gm a c h i n e s 全机最高速度 3 0 0 m m i n 加速时间1 0 s 停机时间 1 0 s 纸张克重范围 2 8 9 m 2 - 16 5 9