（机械制造及其自动化专业论文）基于软plc和sercos技术的无轴印刷控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着工业自动化技术、电机控制技术的发展，出现了无轴传动技术，无轴传 动是当前数控技术研究的热点，采用无轴传动技术的印刷机简化了机械部件，降 低了制造成本，是印刷机控制系统未来发展的方向。 论文以软p l c 技术为平台，基于s e r c o s 接口技术，设计了b f 4 2 5 0 b 无轴 印刷机的控制系统。控制系统采用了以工控机和现场总线通讯卡为主的开放式控 制平台，其中采用s e r c o s 总线实现运动控制，p r o f i b u s 总线实现逻辑控制。采 用符合i e c 6 1 1 3 1 3 国际标准的软p l c 软件c o d e s y s 为丌发和调试工具，完成了 印刷机控制系统的软件开发。该控制系统硬件结构简单，可靠性高，实现了无轴 印刷机的高速，高精度的运动控制。 控制系统根据印刷的工艺特点，采用模块化软件设计方法，设计了相应的无 轴印刷机功能模块，且具有很好的开放性，为用户广泛调用提供了接口，方便进 行二次开发，节约时间，降低成本。控制软件采用虚拟主轴的方式，用配置的虚 拟主轴来代替以前的机械长轴，开发出同步运动模块，实现所有机组的同步运动： 应用电子凸轮表功能进行印刷张力以及裁切不同版长的控制，开发设计了张力控 制模块和凸轮运动曲线，实现印刷张力实时调节以及选择5 5 2 4 寸间任意版长 进行裁切；根据p i d 调节原理和s e r c o s 接口驱动器的速度叠加功能，开发设 计了印刷收卷控制模块，保证了收卷过程中张力的平稳性。 经国家印刷机械质量监督检验中心检测，胶印、柔印六色印刷在1 2 0 米分 钟印刷速度下的套印精度达到0 0 2 6 m m 。本文丌发的无轴印刷控制系统为我国今 后发展自己的无轴印刷机提供了宝贵的经验，具有很好的应用价值。 关键词无轴印刷；软p l c ；张力控制；同步控制 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o nt e c h n o l o g ya n dm o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y ， s h a f f l e s sd r i v i n gt e c h n o l o g ya p p e a r s ，n o wi t i st h er e s e a r c hh o t s o p to fn u m e r i c a l c o n t r o lt e c h n o l o g y w i t hs h a f t l e s sd r i v i n gt e c h n o l o g ya p p l i e dt ot h ep r i n tf i e l d ， m e c h a n i c a lc o m p o n e n ta r es i m p l e da n dr e d u c e d m a n u f a c t u r ec o s ta r ed e c r e a s e d s h a f t l e s sp r i mi n gm a c h i n ew i l lb et h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fp r i n t i n gm a c h i n ei nt h e f u t u r e c o n t r o ls y s t e mo fb f 4 2 5 0 bs h a f l l e s sp r i n t i n gm a c h i n ei sd e s i g n e db a s e do ns o f t p l c t e c h n o l o g ya n dt h es e r c o si n t e r f a c et e c h n o l o g y a no p e nc o n t r o lp l a t f o r mi s b u i l tb yt h ep ca n df i e l d b u st e c h n o l o g y ，i nw h i c hu s e dt h es e r c o st oa c h i e v e m o t i o nc o n t r o l ，t h ep r o f i b u st oa c h i e v et h el o g i c a lc o n t r 0 1 c o n t r o ls o f t w a r ei nt h e s y s t e mi sd e s i g n e da n dd e b u g g e d v i ac o d e s y sw h i c hc o n f o r m st oi e c 61131 - 3 i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r ds o f tp l c h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi ss i m p l e ， t h er e l i a b i l i t yi sh i g h ，w h i c hh a sr e a l i z e dh i g hs p e e d ，h i g ha c c u r a c ym o t i o nc o n t r o lo f s h a f l l e s sp r i n t u s i n gt h em o d u l a rs o f t w a r ed e s i g nm e t h o d ，t h ec o r r e s p o n d i n gs h a f t l e s sp r i n t f u n c t i o nm o d u l a r sa r ed e v e l o p e di nt h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do np r i mi n gt e c h n i c s y n c h r o n i z a t i o nm o t i o na m o n gt h ea l lt h eu n i t si sr e a l i z e di nt h ec o n t r o ls y s t e mv i a t h ev i r t u a lm a s t e ra x i s ，w h i c hr e p l a c et r a n d i t i o n a lm e c h a n i c a lm a s t e ra x i s t h e e l e c t r o n i cc a mi sa p p l i e dt oc a r r yo u tt e n s i t yc o n t r o la n dc u t t i n gl e n g t hc o n t r 0 1 t h e r a n g eo fc u t t i n gl e n g t hc o u l db ec o n t r o l l e df r o m5 5 t o2 4i n c h e s a c c o r d i n gt ot h e p i da d ju s t m e n tp r i n c i p l ea n da d d i t i o n a lv e l o c i t yf u n c t i o ni nt h es e r c o sd r i v e ，t h e r e w i n dc o n t r o lm o d u l a ri sd e v e l o p e d ，tw h i c hg u a r a n t e e dt e n s i t ys t a b i l i t yi nf f er e w i n d p r o c e s s a f t e rt h ec o u n t r yp r i n t i n gm e c h a n i s mq u a l i t ys u r v e i l l a n c et e s tc e n t e rt e s t i n g ，t h e p r e c i s i o no fc h r o m a t o g r a p h yi s0 0 2 6 m mu n d e r12 0m m i ni nt h eb f 4 2 5 0 bp r i n t i n g m a c h i n e i tp r o v i d e st h ee x p e r i e n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to fs h a f t l e s sp r i n ti no u r c o u n t r ya n dh a st h eb e t t e ra p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s h a f t l e s sp r i n t ；s o f tp l c ；t e n s i o nc o n t r o l ；s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l 独创性声明 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： 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：痞娩导师签名：卤醋畦 日期：2 丝够乡邡 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1开放式数控系统与软p l c 1 1 1开放式数控系统 从1 9 5 2 年第一台数控机床产生到现在，数控技术发生了很大变化，数控系 统在性能和功能方面也有了很大提高和增强，但是由于技术和商业经济利益等诸 多原因，传统的c n c 控制器是专用、自封闭的刚性系统，各自具有独立的软、 硬件，数据处理和通信协议等。系统集成者、设备制造商和用户很难，或者说几 乎不可能对其控制程序进行修改和改进，也不可能对机床控制信息实现访问，表 现出非开放的特征，这种专用体系结构控制系统，对发展柔性集成制造技术增加 了技术难度和费用；阻碍了机床制造商开发、设计具有自己特色的数控机床能力 的发挥；给用户对数控机床的维护、改造和更新换代也带来了诸多不便【lj 。 基于这种情况，工业用户都迫切要求改变这种缺乏柔性和个性的系统，提供 具有柔性、丌放结构的控制o a c ( o p e na r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) ，以满足他们需求。 由于数控系统在通用化、智能化和网络化方面大大发展，使得各种不同层次的数 控系统应运而生，就系统硬件和软件组成及其结构形式而言，当今世界上的数控 系统大致可分为3 种类型： ( 1 )“p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统。如f a n u c l 8 i 、1 6 i 系统、 s i e m e n s8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b9 3 6 0 等数控系统。这些是数控系统制 造商凭借多年来积累的数控软件技术，并利用计算机丰富的软件资源而开发的产 品。由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构是不开放的，用户无 法介入数控系统的核心，因而此类系统不是真正意义上的开放式系统。 ( 2 )“n c 嵌入p c ”结构的丌放式数控系统。由开放体系结构运动控制卡 + p c 机构成。这种运动控制卡通常选用高速d s p 作为c p u ，具有很强的运动控 制和p l c 控制能力，有些还集成了数控系统的功能库，可以单独使用。它提供 了开放的函数库，使用户在p c 平台下能自行开发构造所需的控制系统，因而这 种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国d e l t a t a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c - n c 数控系统、日本m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c6 4 构造的m a z a t r o l6 4 0c n c 等。 ( 3 )s o f t 型开放式数控系统。这是一种最新开放体系结构的数控系统。 它提供给用户最大的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计算机中，而硬件 部分仅是计算机与伺服驱动和外部i 0 之间的标准化通用接口。用户可以在 北京t 业人学t 学顺i j 学位论文 w i n d o w s 或l i n u x 平台上，利用开放的c n c 内核，开发所需的各种功能，构成 各种类型的高性能数控系统，它具有很高的性能价格比，其典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。 丌放式数控体系的研究建立起一个统一的可重构的系统工具平台，极大地增 强数控系统的柔性和适应性。它的实现对数控系统制造商、机床生产商以及最终 用户都带来新的机遇。系统制造商可以在共同的标准平台上建立广泛的合作，实 现协作式开发，专注于提高系统本身的性能，缩短丌发周期，降低开发费用：机床 生产商不仅可以根据需要配置最合适的控制系统，还可以将自己独特的软件集成 到系统控制器，形成自己的特色产品；最终用户可以说是开放式控制系统的最大 受益者，他们可以最大限度地按照自己的需要选择产品，通过系统特定功能模块 的配置满足其个性需要，实现系统的集成和扩展，同时，开放也使得系统的操作、 维护更加方便【2 1 。 1 1 2 软p l c 技术 p l c 是数控机床上数控系统与机床之间的接口，如图1 1 所示。它主要处 理数控机床运行过程中各种开关量的控制信息。软p l c ( s o f tp l c ) 技术是开放式 数控系统的重要组成部分，是一种基于i p c ( 工k 控制计算机) 或e p c ( 嵌入式 p c ) 的软逻辑控制软件。与传统的p l c 一样，软p l c 主要用于工业控制领域的 开关量逻辑控制、顺序控制、定时器控制、模拟量控制、闭环过程控制( p i d 控 制) 等，由于p c 机快速的运算处理能力，因此传统p l c 的上述功能，都可以在 p c 机内由软件来实现；而p c 机优越的存储、通讯能力，以及良好的人机操作 性，都使软p l c 在通讯、可编程方面，比传统的p l c 具有更大的优势。 图l - ip l c 在数控机床中的位置 f i g 1 一l t h ep o s i t i o no fp l ci nn cm a c h i n et o o l 软p l c ( s o f tp l c ) 技术是丌放式数控系统的重要组成部分，是一种基予i p c ( 工业控制计算机) 或e p c ( 嵌入式p c ) 的软逻辑控制软件。与传统的p l c 一 样，软p l c 主要用于工业控制领域的丌关量逻辑控制、顺序控制、定时器控制、 模拟量控制、闭环过程控制( p i d 控制) 等，由于p c 机快速的运算处理能力， 因此传统p l c 的上述功能，都可以在p c 机内由软件来实现；而p c 机优越的存 储、通讯能力，以及良好的人机操作性，都使软p l c 在通讯、可编程方面，比 传统的p l c 具有更大的优势。 第1 章绪论 软p l c 的出现打破了以前各p l c 生产厂家产品互不兼容的局限性，缩短了 产品开发周期，使基于工业p c 的软p l c 组态软件系统市场份额不断得到增长。 随着p c 机成本的不断降低，以及软p l c 组态技术的进一步完善，基于p c 的开 放式软p l c 已经将成为数控系统发展的新热点，这些都将使软p l c 更快地融入 工业控制行业pj 。 软p l c 是随着工业自动化控制领域的最新国际标准i e c 6 1 1 3 1 的颁布而发展 起来的。i e c 6 1 1 3 l 一3 是i e c 6 1 1 3 l 国际标准的第三部分，也是工业控制编程唯 一的国际标准，此编程标准包括五种p l c 编程语言：顺序功能图( s f c ) 、功能 块图( f b d ) 、梯形图( l d ) 、指令表( i l ) 及结构文本( s t ) 。同时此标准还允 许在同一个程序中使用多种编程语言进行混合编程，从而可使编程者能选用不同 的语言来适应特殊的工作。 1 1 3发展趋势 1 系统组成逐渐软件化 传统的c n c 和p l c 等数控系统组成硬件已经逐渐被软c n c 、软p l c 等软 件组件所取代，这些软件组件表现为一种主流操作系统上的应用程序。由于操作 系统实时扩展功能的出现( 如w i n d o w s 实时操作子系统v e n t u rc o mr t x 、 r t l i n u x ) 使得应用计算机软件编程代替数字集成电路的某些功能成为可能。软 件组件适应性强，升级更新快，可靠性高，便于维护，并能充分汲取当今社会计 算机技术发展的先进成果【4 1 。运动控制、轴控制、逻辑控制等功能单元都是以软 件模块的形式存在，这样不仅系统的各个功能可以采用主流程序设计方法和语言 进行编程，软件的执行速度和可靠性也会随着计算机性能的提高而得到发展，如 软c n c 的插补算法、数控源代码解释程序的执行效率会从快速增加的处理器速 度中受益；软p l c 采用主流程序设计语言绘制梯形图，通过将梯形图转换为标 准c 或c + + 等高级语言代码进行编译以产生目标代码，比传统硬件p l c 的循环 扫描方式的执行速度更快。数控系统组成硬件逐渐软化符合开放式数控系统的发 展趋势，软件化的结构有利于用户将具有自身特点的应用程序方便、快捷的集成 到系统中来。现代软件的发展技术不仅使数控系统在应用程序组件层次对用户开 放，更将使对数控系统的丌发深入到系统内核。 2 丌发构成方式逐渐趋于组件化 随着近几年i n t r a n e t i n t e r n e t 的飞速发展，面向对象的方法已经很难适应基于 网路的分布式软件模型，于是组件化程序设计思想得到了迅速的发展。o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ，对象管理组织) 和m i c r o s o f t 分别提出了c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r e a k e ra r c h i t e c t u r e 公共对象请求代理体系结构) 和 北京t 业人学t 学顾i 学位论义 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模型) 标准，目前c o r b a 模型主要应 用于u n i x 操作系统平台上，而c o m 则主要应用于m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统 平台上。数控系统是一个典型的分稚式控制系统，组件化的系统构成方式有利于 真萨实现数控系统的开放性。数控系统的组成部分以组件的形式单独发展，这样 更有利于系统厂商和研发单位发挥自身长处。由于组件对象是建立在二进制可执 行代码级的基础上，因此可以最大限度的实现重用。 3 网络化将成为主流趋势 在当前所有过程控制领域，最大的发展趋势之一就是e t h e m e t 技术的扩展。 越来越多的p l c 供应商开始提供e t h e m e t 接口部件。向e t h e m e t 靠近的一个目的在 于通过i n t e m e t 能够连接到所希望的任何地方。几年前，有一些p l c 系统已经内藏 了w 曲服务器，这无疑又为p l c 系统增加了更多的特点。其他类型的控制设备也 正在准备进一步集成w | e b 服务器。例如，s q u a r ed 公司已经有一个具备e t h e m e t 连接接口的发动机控制中心，并正在准备开发一种内藏w 曲服务器连接接口的变 速装置，而德国的博世力士乐公司已经在2 0 0 6 年7 月研发出基于e t h e m e t 的 s e r c o s i i i 现场总线，很快将会推向市场。 内减w 曲服务器所体现的益处包括- 丌放网络、商业工具的影响、客户机朋艮务 器关系。由于新技术的不断诞生和发展，工业用户很容易就可以得到有关这方面 的信息。另一方面，随着芯片和处理器大规模的生产，p l c 生产制造商能够生产 并提供开放网络的产品，让工业用户花较少的费用就能够购买到功能非常完善的 p l c 产品( 5 】。而越来越多的企业正在计划将其所有自动化控制设备，逐步连接到 企业范围内的信息系统中去。对于工业用户来讲，也许他们已经注意到有关 e t h e m e tf o rc o n t r o l 系列控制解决方案，该技术更加依赖于e t h e m e t 着l j i n t e m e t 。几 乎所有p l c 供应商在其部分系列化产品中均提供了e t h e m e t 连接特性，而且有些 公司已经确定将w 曲服务器彻底嵌入到他们的设备内部，以便充分展现p l c 的性 能特点。利用p l c 的w e b 连接特性，工业用户不但可以从任何地方监控控制系统 的运行状况，而且还可以像利用系统手册样获耿所需要的任何数掘信息。 1 2印刷机的共轴传动技术 传统印刷机的设计和制造过程中，为了保证机器的稳定性和套印机构的精确 性，通常情况下是采用传统的有轴传动方式即机械长轴传动方式，以主电动机为 主导轴，通过皮带轮、齿轮和链轮等传动副将主轴的动力和功率逐级传递给其它 机构，通过这种方法改变传动比和速度，从而达到同步印刷的要求，因为机组的 动力源都来自同一机械长轴，所以称为共轴传动。如图1 2 所示： 4 筇l 章绪论 幽1 2 北轴传动的机械结构 f i g i 2 m e c h 阴i e a l ar c h i t e c t u r e o f c o a x i a ld r i v e 共轴传动的特点是机组的动力来源于同一电动机驱动的机械长轴，机组运转 的同步性好，机组得到的运动和功率也比较均衡，即使在高速运转的情况下，也 能保证印刷质量”j 。 共轴传动的缺点是由于在传动过程中使用了比较多的机械传动部件进行传 动因而它的传动精度有限并缺乏柔性，传动齿轮问的传动比可调范围较小，机 械传动的磨损也会导致精度的下降，机器单元之间不能进行单独的调试。 共轴传动存在种种弊端严重影响了印刷速度和印刷质量，远远不能满足现 代印刷机结构简单、高速多色、运转平稳、安全可靠、印刷质量高等要求，为此 逐步被无轴传动方式取代。 3 印刷机的无轴传动技术 31 无轴传动的特点 随着印刷业的快速发展，胶印、柔印、凹印技术及工艺也不断发展，越来越多 的胶印、柔印、凹印机应用无轴传动技术以克服传统的机械传动技术难题。如报 业印刷机机器庞大，日j 刷机组与折页机组相距有一定的距离；柔印机、凹印机一 般会连线带分切机组、上光机组、模切机组甚至折盒机组等因这些在线机组的 动力机构与印刷机组的动力机构完全不同，如果采用机械齿轮传动的方式来传递 动力，由于齿轮间长时间的啮合挤压会产生变形或者磨损，从而影响传送的精确 度。而采用无轴传动技术则能使各动力机构均获得精确的速度。如图13 所示： 北京t 业人学t 学嘞i 学位论t 幽i - 2 无轴传动的机械结构 f i gi - 2 m e c h a n i c a lar c h i t e c t u r eo fs h a f f l e s sd r i v e 无轴传动( s h a f f l e s s ) 技术叉称为伺服传动技术，它是以相互独立的伺服电 机g e 动系统代管了原有的机械长轴传动。通过网络，程序软件形成了内部虚拟的 电子轴各电子轴通过现场总线进行高速的数据交换传输，各个版辊随虚拟的电 子轴运转，保证版辊相位严格同步。其优点主要有以下几个方面： ( 1 ) 无轴传动印刷机是一种开放式结构 模块化设计的独立驱动单元。对于无轴传动日j 刷机来讲，已经不需要通过主 轴将动力传递给每一个单元，不需要通过高精度的齿轮箱传递力矩，不需要齿箱 的润滑系统，不会出现由于机械制造安装不准确产生的一些问题因此就不会产 生因为齿轮传动而形成的影响套印精度的因素，减少了机器运转时的噪音，提高 了能耗效率，可以更好的利用空间，可以在一部分印刷单元仍在运转时，变动另一 部分印刷部件的活件尺寸。目前无轴传动技术大多采用了符合国际数字传动接口 标准的串行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。 ( 2 ) 拥有极高的同步协调性 每个驰动单元都是光电信号的获墩及传输，是通过无噪音光纤柬完成的不 再使用主轴及齿箱传递力距。驱动单元张力调节辊的同步协调性的提高，为调节 速度提供了很大的方便。 ( 3 ) 最大限度的降低成本 对于机器的制造商柬蜕无轴驱动机器的概念首先意味若开发、生产、和试 运行机器成本的降低。对于使用者来说，同通过电机、主轴、齿轮传动副、离台 器传动的传统印刷机相比无轴传动印刷机大大地降低了由于印刷机机械结构影 响而产生的废品从而最大限度的降低成本。由于每组印刷单元都具备了预套准 功能，减少了初期套准时产生的废品。在换卷时，由于每个印刷单元独立性的驱动， 从而大大降低了由于换卷时的张力变化而产，k 的印刷废品。由于驱动系统交流伺 服电机具有极其灵敏的动态响应特性及其数字化的调节机构只要改变参数就可 以适应不同恬件的生产要求，传统印刷机则需要改变机械结构以适应不同活件 的生产要求，这样既减少机械的n i 成本，也更大限度的减少了由于改变这些结 第1 章绪论 构所需要的非生产性准备时间。电子轴的应用使你只要输入一个参数值，数字化 的控制系统就能够保证准确的重复再版，从而降低了废品率，降低了成本。 ( 4 ) 灵活性 无轴传动的印刷机可以对企业现有的设备加以扩展，大大提高设备的可用性， 同时由于模块化的设计单元，可以对设备进行理想的组合，既降低了采购成本，又 节约了宝贵的资源。传动机构的减少，使操作者更易接近印刷机，操作、维修更方 便灵活。印刷单元之间的距离减少，走料距离缩短，出现错误的几率降低。 ( 5 ) 远距离的技术支持 网络时代的到来，缩短了企业与企业间的距离，使印刷机的远程诊断和技术 服务成为可能，而无轴传动印刷机数字化控制系统的应用，又使这种可能变成现 实。无论在地球上任何角落，只要告知无轴传动印刷机生产企业，几乎在你机器出 现问题的同时，无轴印刷机制造商就可以为使用者进行技术服务，从而可以最大 限度的降低停机时间1 7j 。 目前国内的电子轴传动系统和套准系统主要来自日本和欧洲，关键零部件如 轴承、气路系统、传动齿轮、热风风机等主要依赖进口，以国产电子轴传动的凹 版印刷机为例，数量不足l o 台。因此，丌发国产系统将是国产印刷机全面升级 换代的关键。 1 3 2国内外无轴印刷机的研究现状 目前，全球印刷企业和制造商都将目光聚集在无轴传动技术的发展和应用 上，欧洲印机制造商近几年制造的高档印刷机9 5 已采用无轴传动技术，在日本 也有3 0 的凹印机产品采用无轴传动技术。 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己得 到广泛应用。早在9 0 年代，博世力士乐电子传动和控制部门就以无轴传动的先进 印刷理念掀丌了印刷技术的新篇章。印刷业知名企业高斯集团就在欧洲率先使用 了博世力士乐的无轴技术。1 9 9 8 年9 月，高宝公司为美国加州世界彩印厂安装了 4 8 台c o m p a c t a6 1 8 无轴商用印刷机，全部采用i n d r a m a t 的a c 伺服驱动及控制系统 与技术。2 0 0 0 年，德鲁巴( d r u p a ) 首次展出无轴( 电子轴) 凹版印刷机。在 d r u p a 2 0 0 4 展会上，无轴应用技术更是比比皆是，所有相关参展商都无一例外的 展示了无轴( 电子轴) 传动印刷机。j t l ：l r o t o t m e c 、赛鲁迪、海德堡、w h 、f & k 等均推出了无轴驱动的凹印机或柔印机，这么多无轴驱动的凹印机在同一 个国际展览会上亮相，可谓非同寻常。 上个世纪9 0 年代中期，n i l p e t e r 公司丌始研究无轴驱动的伺服柔印机，在 1 9 9 9 年的欧洲标签博览会上，推出了有标准组件的通用的印刷系统f a - - 4 2 0 0 无 北京t 业人学t 学顺i j 学位论义 轴驱动的伺服柔印机，其卷筒纸印刷速度高达1 7 5 r m i n 。在2 0 0 2 年比利时举行 的国际标签展上，欧米特公司首次推出t v a r y f l e x 机型，它是窄幅轮转印刷机领 域的第一款真f 意义上的无齿轮柔性版印刷机。该机型中的压印滚筒和印版滚筒 均由无刷电机独立驱动，解决了多年来困扰柔印界的齿轮杠问题和印刷重复长度 无级变化的需求。目前，无轴传动技术已在软包装凹印机、卡纸凹印机、柔印机、 上光机、连线模切机等各类印刷设备上得到广泛应用，已投产的独立传动凹印机 最高印刷速度己达5 0 0 m m i n 以上，印刷宽度达至l j 2 8 0 0 m m ；在软包装领域，赛 鲁迪公司已生产出了最大宽度为1 7 0 0 m m 的独立传动凹印机哺l 。 上个世$ e 9 0 年代，我国陕西北人印机公司丌始对无轴传动的凹版印刷机进行 研发，并将此技术于1 9 9 8 年应用于高速干法复合机上，去掉了传动轴，实现了在 复合部、涂胶部的电机直接驱动：在此后于2 0 0 0 年初，又推出1 0 多台大幅面 ( 1 3 0 0 m m 、1 6 5 0 m m 、1 8 0 0 m m 、2 5 0 0 m m ) 独立传动的凹版印刷机。2 0 0 2 年， 我国首次引进电子轴凹版印刷机。2 0 0 3 年，第一台国内无轴传动凹版印刷机在中 山松德包装机械有限公司诞生。2 0 0 4 年，北人公司和松德公司分别推出了去掉传 动轴、齿轮箱、套准补偿机构，每个单元由伺服电机驱动，且机型为双收双放型 的无轴( 电子轴) 传动的凹版印刷机，其最高速度为3 0 0 m m i n ，部分设备性能 已经接近和达到进口设备的水平。在2 0 0 5 年中国国际瓦楞展上，北京万源多贝克 ( t o p a c k ) 包装印刷机械有限公司展出的多贝克t p 系列柔版纸箱直接印刷机， 其单机采用无刷伺服电机直接驱动，各单机之间无主轴及差动齿轮系统联接，从 而减少了机械传动误差，且采用美国产微处理器多轴控制卡，每个控制卡可以控 制8 个轴，也就是说可以控制一台七色印刷机，经扩展后可以最多控制到1 5 个机 组。 从概念的提出到应用，无轴传动技术在中国经历了多年的发展。到目前为止， 我们不仅在胶印领域看到了无轴传动技术投入到实际的生产中，如曼罗兰、高宝、 高斯以及北人等厂商分别推出了相应的设备，在凹印领域，尽管滞后于外国知名 厂商，国内厂商也将无轴传动技术成地功应用到设备中，有力的加快了中国凹印 的发展，提高了凹印产品的质量。无轴传动技术在未来若干年仍将是我国凹印机 最重要的技术发展方向，各种用途的凹印机都将采用无轴传动一j 。 1 4 论文的研究意义及主要内容 1 4 1 论文的研究意义 现代科技的迅速发展，对工业自动化领域也提出了更高的要求，印刷行业靠 传统的机械长轴传动已无法满足高速、高精度、高效率的生产要求。采用伺服电 8 第1 章绪论 机的无轴印刷控制系统机械结构简单、精度控制更高，可以实现快速套准，且使 印刷过程实现了高度的自动化，是未来印刷技术的发展方向。 论文来源于北京市科委项目印刷设备的无轴传动系统研究的一部分，其 目的是利用国外硬件设备开发出具有自主知识产权的开放式无轴印刷控制系统， 为无轴传动印刷机实现完全国产化奠定理论和实践的基础，研究成果对我国无轴 印刷机的发展和应用推广具有重要意义。 1 4 2 论文的研究内容 本论文研究的内容是基于s e r c o s 技术，采用国产的标准工控机作为运动 控制器，以德国博世力士乐公司的驱动器和伺服电机、i o 模块为控制对象，搭 建硬件实验平台；以国际上流行的3 s 公司的丌放式系统控制软p l c 产品 一o d e s y s 软件为开发平台，采用模块化的软件设计方法，开发了无轴印刷机 控制系统，并完成此系统在北人b f 4 2 5 0 b 印刷机上的调试。 控制系统采用了丌放式的体系结构，具有较强的可移植性和可扩展性，适用 于不同类型的印刷机( 胶印、柔印等) ，为用户的二次开发提供了很好的灵活性， 缩短了开发时间，降低了生产成本。 在第一章中介绍了丌放式数控系统发展的现状以及国内外印刷技术的发展， 对比介绍了共轴传动技术和无轴传动技术，概述了该论文的研究意义及研究内 容。 在第二章中分析了b f 4 2 5 0 b 无轴印刷机的机械结构，简单介绍了柔印胶印 技术以及如何选择伺服电机的型号，阐述了控制系统的硬件体系结构以及软件体 系结构。 在第三章中详细介绍了b f 4 2 5 0 b 无轴印刷机控制系统中同步控制、张力控 制，凸轮控制，收卷控制等关键技术的具体控制原理和实现方法。 在第四章中介绍了控制软件中的单轴控制模块、印刷调版模块和印刷调试控 制的应用方法和适用范围。 在第五章中介绍了b f 4 2 5 0 b 无轴印刷控制系统中的人机界面，并对印刷过 程中如何进行操作进行了说明。 9 北京t 业人学丁学顺i j 学位论义 第2 章b f 4 2 5 0 b 无轴印刷机控制系统的软硬件结构 2 1 b f 4 2 5 0 b 无轴印刷机的机械结构 b f 4 2 5 0 印刷机的机械结构如图2 1 所示。它由给纸机组，胶印机组( 2 个) ， 柔印机组( 5 个) ，张力机组，多功能加工部，裁单张机组，折页机组，复卷机 组组成。这台印刷机不但印后处理功能多，而且在印刷过程中既有胶印，又有柔 印，是胶柔结合的印刷机。胶印属于重压印刷，而柔印属于轻压印刷，所以给整 个系统的套准准确以及运行过程中的稳定性提出了更高的要求。 饽蛾机习靛串机两靛瓤 毋罩暑机毋童舞 岛罩委托牙囊喜帆习圣委机舞鼍力| l 日争时龙加工舯置革截| l 蜀撕i | l 习 毒| l 习 图2 1b f 4 2 5 0 b 无轴印刷机的机械结构 f i g 2 1 m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fs h a f t l e s sp r i n t i n g 2 1 1胶印机组 胶印机组的基本结构如图2 2 所示： 厂、 广一 i 一 罄。 罾 苓j l 、 亭茸 1 0 一 点风 j 【l |毳屦江 图2 - 2 胶印机组的机械结构 f i g 2 2 m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fo f f s e tp r i n t i n g l o 第2 帚b f 4 2 5 0 b 尤轴印刷机摊制系统的软碘件结构 曼皇! 苎= 詈! ! 暑! 曼曼! ! 鼍寡! ! = 皇鼍! 苎! 詈竺= ! ! 曼! ! ! ! 曼皇苎! ! 鼍! ! ! ! 鼍鼍! ! ! 芒! ! ! ! i i 鼍! ! ! ! 皇! 鼍詈! 曼! 詈曼! ! 曼! ! 胶印的基本原理是先把上墨的图像转移到橡皮布上，然后再转移到印刷材料 表面的一种印刷方法。胶印的三大原理有：一、水油不相容原理，化学上所谓的 相似相容原则决定，有轻度极性的水分子结构与非极性的油分子间分子极性不 同，导致水油之间不能吸引并溶解，这个规则的存在使平面印版为区分图文和空 白部分而使用水的构想成为可能。二、表面选择吸附原理，根据表面张力的不同， 它所能吸附的物质不同，这也为平版胶印的图文分离提供了可能。三、网点构像 原理，由于胶印的印版是平的，那么就无法依赖油墨的厚薄来表现印刷品上图文 的层次，但通过将不同的层次拆分成很微小的肉眼觉察不到的网点单元，就能有 效的表现出来丰富的图象层次。胶印的优点如下：图像质量高比凸版印刷 更加清晰、明锐，因为橡皮布能够与印刷材料表面的纹理很好地接触。除了平 滑的纸张外，还可以使用范围广泛的印刷材料，例如木头、织物、金属、皮革、 较粗糙的纸张等。胶印的印版薄而轻，在套色印刷中，因它的形状和体积的改变 能产生套准上的误差，从而引起套印不准。 2 1 2柔印机组 柔印机组的基本结构如图2 3 所示： 图2 - 3 柔印机绢的机械结构 f i g 2 3 m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ff l e xp r i n t i n g 北京t 业人学1 学坝l 学位论义 柔性版印是一种直接印刷方式，使用具有弹性的凸起的图像印版。印版粘固 在印版滚筒上。印版由一根雕刻的金属网纹辊供墨。由于柔性版有很大弹性能将 液体或脂状油墨转称到几乎所有类型的材料上。柔性版印刷为轻压刷。柔印作为 一种较新的印刷方式，既可以在包装印刷领域发挥特长，也可以在书刊、报纸印 刷中发挥作用，柔印几乎可以印刷所有的印刷品和使用所有的承印物，特别在包 装印刷中的瓦楞纸印刷有独到之处。其他印刷方式相比，柔印具有许多优势，设 备结构简单，易形成生产线。 2 1 3 伺服电机的选择 b f 4 2 5 0 b 无轴印刷控制系统采用了博世力士乐伺服电机系统，电机型号的 选择主要根据电机工作时产生的最大力矩和功率来确定，在印刷过程中对力矩产 生影响的因素主要有印刷张力和墨辊的转动惯量，其中印刷张力起到了主要的作 用，印刷时纸张的最大张力直接决定了伺服电机的选择。下面简单列出了一些基 本公式的计算方法： 参数说明如下： n ：牵引辊转速，r p m j ：牵引辊惯量，k g m 2 m ：牵引辊力矩，n m p ：牵引辊功率，k w v m 觚：印刷最大速度，m m i n d ：牵引辊外径，m m l ：牵引辊长度，m m p ：牵引辊长度，k g m 3 t ：急停时间，s t ：印刷张力，n f l ：机械效率，o 8 5 k s ：伺服位置回路增益，3 0 s 关系公式如下所示： n - - v m 默( d 1 0 0 0 木3 1 4 1 5 9 ) ( 2 一1 ) j = f d 1 0 0 0 ) 钆l 1 0 0 0 * 3 1 4 1 5 9 * p 3 2 ( 2 2 ) m = ( n 水j 牛3 1 4 1 5 9 ) ( t 木k s ) + ( t 木( d 1 0 0 0 2 ) ) r l ( 2 3 ) p = m 奉n 9 5 5 0 ( 2 4 ) 上面的计算公式是针对选择牵引辊电机的，其余的像压印辊、传墨辊、印刷 辊等电机的选择也是应用类似的计算方法。根据公式计算出电机的最大n m 数， 第2 章b f 4 2 5 0 b 尢轴e 1 j 刷机拎制系统的软硬件结构 本着降低成本和惯量匹配的原则，来选择电机型号，如表2 1 。即如果计算出的 最大n m 是2 2 ，可选用8 n m 电机配3 ：1 的减速器，则实际输出为2 4 n m 。 表2 i 机组的电机类型 t a b2 i m o t o r t y p eo fe v e r yu n i t 电机选择 机组 减速比功率扭矩型号 胶印 3 ：11 0 2 k w2 7 9 n mm s k l0 0 b 0 4 0 0 - n n m 2 一b g o r n n n 柔印 4 ：13 3 k w1 5 5 n mm s k 0 71d 0 3 0 0 n n m 2 u g o r n n n 收卷 3 ：15 5 k w 1 0 6 n mm a dl30 b 010 0 s a s 2 k h 0 0 5 - n1 进出纸 3 ：13 3 k w1 5 5 n mm s k 0 7ld 。0 30 0 n n s1 u g 0 n n n n 裁刀 3 ：l1 8 k w1 7 4 n mm s k 0 71d 0 2 0 0 n n s1 u g o n n n n 插件 1 ：l1 4 k w1 3 n mm s k 0 7 0 c 0l5 0 n n m 2 u g o rn n n 打孔 4 ：l 3 3 k w 15 5 n mm s k 0 7ld 0 3 0 0 n n m 2 u g o r n n n 折页3 ：l l o 2 k w2 7 9 n mm s kl0 0 b 0 4 0 0 n n s1 b g 0 一n n n n 2 2 控制系统软硬件体系结构 2 2 1系统中的现场总线 1 s e r c o s 接口总线 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 ) 接1 2 1 是数字控制系统中 连接数字控制器、驱动器、执行机构以及输入输出部件，在彼此间进行串行实时 通讯的国际标准( i e c 6 1 4 9 1 ) 。传统的数控系统采用模拟接口，由于模拟接口对 噪声敏感，分辨率有限，信号漂移不可避免，每次只能在一个方向上传送一个命 令，接线复杂导致干扰量大及安装难度高等弱点，严重限制了数控系统的性能。 在数字驱动器问世后，模拟接1 3 越来越不能满足人们对数控系统开放性、模块化、 高速化、多轴分布控制的需求。1 9 8 6 年欧洲各国的一些控制器供应商和o e m 设 备制造厂组成了一个工作组来