0 引言
膠印、柔印、凹印技術(shù)三足鼎立，三種工藝各有所長,其中的凹印技術(shù)以其印刷色差小、印金效果好、印品無接縫、印材適用面廣、符合長版活印刷等優(yōu)點而為人稱道。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，目前全球印刷企業(yè)用戶和設(shè)備生產(chǎn)廠商都將目光聚集于一項新興控制技術(shù)——無軸傳動控制。尤其是應(yīng)用在凹版印刷機上，其優(yōu)勢更為突出。
傳統(tǒng)的機組式凹版印刷機依靠一根機械主軸通過渦輪蝸桿向各個印刷單元傳遞動力，并以此來保證各色組版輥的運動同步，動力來源于由矢量控制變頻器控制的三相異步電動機，其傳動精度差，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。印刷圖案的套準控制則是通過控制專門的浮動輥的運動，并通過控制張力以控制承印物的拉伸而實現(xiàn)的。我們將這種傳統(tǒng)的機組式凹版印刷方式簡稱為有軸印刷，相應(yīng)地將另一種新型的印刷方式簡稱為無軸印刷。
所謂無軸傳動，就是采用虛擬電子軸取代傳統(tǒng)的機械主傳動軸，并取消套色系統(tǒng)所需的浮動輥機構(gòu)，而將傳動與套色融為一體，直接作用于印刷版輥的一種伺服傳動方式。
目前，用于凹印機的無軸傳動控制系統(tǒng)分為兩個流派：其一是以日本住友、西門子、力士樂等公司為代表的“傳動系統(tǒng)+套色系統(tǒng)”的復(fù)合式流派，另一個則是以貝加萊公司為代表的集傳動與套色為一體的富有創(chuàng)新意義的集成式流派。該集成型系統(tǒng)的顯著特點是簡潔、高效以及成本的競爭力。
1 無軸傳動凹印技術(shù)的特點
1.1 無軸傳動控制系統(tǒng)的分類
無軸印刷傳動技術(shù)在發(fā)展過程中形成了以下三種類型的系統(tǒng)：亞無軸傳動控制系統(tǒng)、準無軸傳動控制系統(tǒng)和集成型無軸傳動控制系統(tǒng)。
（１） 亞無軸傳動控制系統(tǒng)
僅僅去掉了傳統(tǒng)的機械主傳動軸，每一印刷單元采用獨立驅(qū)動機構(gòu)，保留了套色系統(tǒng)所需的浮動輥機構(gòu)且完全獨立。由于傳動和套準控制系統(tǒng)的相對獨立性，控制上很難達到完全協(xié)調(diào)和穩(wěn)定，浮動輥機構(gòu)的結(jié)構(gòu)仍然復(fù)雜，而且色組之間的過料長度較長，很難實現(xiàn)高速、高精度的印刷工藝。它是無軸控制系統(tǒng)的前身。
（２） 準無軸傳動控制系統(tǒng)
不僅去掉了傳統(tǒng)的機械主傳動軸，同時也去掉了套色系統(tǒng)所需的浮動輥機構(gòu)，每一印刷單元采用獨立驅(qū)動機構(gòu)，以保證印刷版輥的速度同步。同時，由相對獨立的套色系統(tǒng)提供已經(jīng)處理的套色誤差信號，無軸傳動系統(tǒng)結(jié)合速度同步信號和套色誤差信號，統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作。它是亞無軸控制系統(tǒng)的發(fā)展。
（３） 集成型無軸傳動控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用基于伺服控制技術(shù)的虛擬電子軸傳動來取代傳統(tǒng)的機械主傳動軸，徹底摒棄了套色系統(tǒng)所需的浮動輥機構(gòu)，而將傳動與套色融為一體，各個印刷單元均配置獨立的伺服電機及相應(yīng)的減速機構(gòu)對該單元的版輥獨立驅(qū)動，直接作用于印刷版輥。力求系統(tǒng)的完整性和統(tǒng)一性，有效地將張力控制、遠程站點控制納入其中，由一套PCC統(tǒng)一控制。這是一種真正意義上的無軸傳動控制系統(tǒng)，也是本文論述的主題。
1.2 無軸傳動凹印機及其控制技術(shù)的特點
無軸和有軸的根本區(qū)別是版輥的傳動方式不同，無軸各色組版輥的傳動是各自獨立的，各單元之間的同步十分關(guān)鍵，這是保證印刷品質(zhì)的前提和基礎(chǔ)。在圖案套色控制上，無軸印刷是在保證各軸同步的基礎(chǔ)上，通過控制版輥的相位來實現(xiàn)的。
與傳統(tǒng)的機械主軸凹印機相比，采用集成型無軸傳動控制系統(tǒng)的機組式凹印機具有以下優(yōu)點：
（１）傳動結(jié)構(gòu)簡化，控制的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性好，過料長度縮短20％，走料時間也相應(yīng)減少。
（２）高精度的預(yù)套準和極短的預(yù)套準時間
印刷版輥只需裝入任意印刷單元并初次確認印版輥“零位”，隨后伺服系統(tǒng)將自動根據(jù)色組間料長來調(diào)節(jié)版輥相位，將其轉(zhuǎn)動至“印刷位置”。伺服系統(tǒng)的定位精度可達0.001mm，重復(fù)精度為0.01mm，自動預(yù)套準的范圍可以嚴格控制到+/-10mm以內(nèi)。
（３）采用高性能控制系統(tǒng)以實現(xiàn)高精度、高印速、高套準控制
該控制系統(tǒng)以PCC（即可編程計算機控制器）為核心，在控制伺服驅(qū)動、數(shù)據(jù)通信以及數(shù)據(jù)采集、處理等任務(wù)中，大大提高了效率，其處理速度和能力遠遠超出行業(yè)內(nèi)其它類型的控制器，故它有能力很好地處理套色和同步傳動的統(tǒng)一。
該系統(tǒng)采用Ethernet POWERLINK實時工業(yè)以太網(wǎng)通信的方式，使PCC、HMI、各控制站點、各伺服驅(qū)動器之間的數(shù)據(jù)通信更加可靠、高速和實時。以總線的方式進行遠程I/O的配置和通信，節(jié)省了配線，并大大降低了系統(tǒng)的干擾和故障，使設(shè)備的維護簡化。
用于版輥位置反饋測量的編碼器通過硬件倍頻可達到400萬線/轉(zhuǎn)的高分辨率，系統(tǒng)控制精度可達0.001mm。在高達600米/分的印刷速度下仍能達到比機械軸凹印機高得多的套準精度，印刷實踐證明，該技術(shù)使套印精度由原來的0.1mm提高到0.05mm。
（４）特殊印刷工藝更易實現(xiàn)
無軸傳動控制系統(tǒng)不需改變系統(tǒng)硬件配置即可通過軟件來實現(xiàn)各個印刷色組正印和反印的任意轉(zhuǎn)換。無軸傳動對異徑涂布功能和定點涂膠功能的實現(xiàn)，較之傳統(tǒng)有軸凹版印刷更簡單而又可靠。
（５）色組機的分組使用
無軸傳動控制系統(tǒng)為多色機的分組使用提供了方便。即在某些色組正常作業(yè)時，用戶可為剩余色組提前做好訂單的裝版和勻墨工作。此外，用戶可依據(jù)生產(chǎn)需要將不參加作業(yè)的色組置于單動停止狀態(tài)，達到節(jié)能的效果。
（６）緊湊的工程設(shè)計和良好的工作環(huán)境
由于取消了機械傳動軸和齒輪箱，因而傳動噪音和維修保養(yǎng)工作量明顯減少，并留出了更大的空間用于操作及維修。各個印刷單元實現(xiàn)模塊化設(shè)計，節(jié)省了安裝和調(diào)試時間。
2 無軸凹版印刷機控制系統(tǒng)
集成型無軸傳動控制系統(tǒng)的技術(shù)方案立足于簡化機械結(jié)構(gòu)和提高控制性能。
2.1 系統(tǒng)構(gòu)成概述
型號不同的機組式凹版印刷機的色組單元個數(shù)是不同的，下面以一臺10色組單元凹版印刷機的控制系統(tǒng)為例，來說明凹印機無軸傳動控制系統(tǒng)的構(gòu)成。
如圖1所示，該系統(tǒng)以B&R X20系列PCC為核心（CPU選用CP1486)，與上位操作監(jiān)控站（選用PP320觸摸屏作為HMI）、10套B&R ACOPOS multi伺服驅(qū)動系統(tǒng)和10套色標識別系統(tǒng)一起構(gòu)成基于Ethernet POWERLINK總線網(wǎng)絡(luò)的無軸凹印機控制系統(tǒng)。
圖1 機組式凹版印刷機無軸傳動控制系統(tǒng)簡化原理圖
2.2 主要控制裝置和子系統(tǒng)
2.2.1 操作監(jiān)控站（HMI）
在無軸凹印機控制系統(tǒng)中，上位操作監(jiān)控站是操作人員與系統(tǒng)交換信息的唯一渠道，它實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)讀寫、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、故障提示和配方管理等功能。
B&R人機界面系列產(chǎn)品Power Panel 300 BIOS觸摸屏是一種集顯示操作和數(shù)據(jù)處理于一體的人機界面。該系統(tǒng)選用了一款面板屏幕尺寸為15英寸的嵌入式高檔人機界面，面板背部集成有Ethernet等通信接口，不僅具備人機界面通常所有的功能，同時還可以在其中裝入通用操作系統(tǒng)，如Windows XP、Windows CE等，開放的操作系統(tǒng)可以使該系列的觸摸屏作為一個SCADA系統(tǒng)的操作員站或遠程的瘦客戶端，還可支持目前多種主流的圖形組態(tài)軟件，如Wonderware InTouch和組態(tài)王等，客戶可以根據(jù)自己的具體條件選擇合適的組態(tài)軟件以應(yīng)用于不同行業(yè)的項目開發(fā)。
2.2.2 X20系列PCC
X20系列PCC已成為高精度機械自動化和高可靠性過程自動化等復(fù)雜靈活自動化項目的通用解決方案。其CPU是一款高性能的處理器，如采用Intel Celeron 650處理器的X20控制器，具備有附加的I/O處理器和浮點處理器FPU，系統(tǒng)單步指令周期最快可達到0.01us，任務(wù)循環(huán)周期可短至200us。X20 CPU支持多種通信協(xié)議，RS232、Ethernet、Ethernet POWERLINK和USB等通信接口已經(jīng)成為X20 PCC的標準配置。與B&R的其他系列控制器一樣，X20系列的控制器也使用B&R的Automation Studio™軟件平臺。
X20分布式控制的設(shè)計理念，可以使用CAN、Ethernet POWERLINK等多種總線把遠程分布式I/O模塊方便地連接起來，實現(xiàn)傳統(tǒng)控制技術(shù)和分布式I/O技術(shù)的完美結(jié)合。
X20系列PCC除能連接常規(guī)數(shù)字量和模擬量I/O模塊外，還可配置高速計數(shù)器、PWM、編碼器、NC等多種專家模塊。并且所有I/O模塊<
