Lenze全伺服系統(tǒng)解決方案在瓦楞紙無軸印刷中的應(yīng)用

1 引言
       瓦楞紙箱是一種十分優(yōu)良的綠色包裝材料，廣泛應(yīng)用于人們的社會(huì)生活各個(gè)方面，是家電、食品、醫(yī)藥、日化、紡織、煙酒、輕工業(yè)等行業(yè)必不可少的包裝容器。

       隨著社會(huì)不斷發(fā)展和消費(fèi)水平的提高，人們對商品包裝的要求也不斷提高。如何展現(xiàn)包裝魅力、美化商品圖案、引導(dǎo)消費(fèi)、提高產(chǎn)品附加值也是增加企業(yè)競爭力的一個(gè)重要因素。目前，瓦楞紙箱的印刷逐步向高檔次、高質(zhì)量、多色彩、視覺效果強(qiáng)烈的方向發(fā)展，以彩面多色網(wǎng)點(diǎn)印刷為方向[1]，使印刷圖案達(dá)到色彩鮮艷，光澤度好、美觀的效果，這就對瓦楞紙產(chǎn)品印刷精度方面提出了更高的要求。

       印刷機(jī)的機(jī)械加工誤差和電氣控制精度是影響產(chǎn)品印刷精度的兩個(gè)重要因素。機(jī)械誤差主要來源于齒輪之間的間隙、同步帶、機(jī)械軸安裝是否同心等。另外，部分印刷機(jī)械設(shè)備采用機(jī)械主軸方式，為減小機(jī)械誤差，必須提高機(jī)械加工精度，維護(hù)成本較高；電氣控制精度主要由伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)等精度決定。為提高印刷精度，可采用以下方式：一是機(jī)械上除提高加工精度外，還可以取消機(jī)械主軸，使用電氣虛擬主軸替代機(jī)械主軸；二是采用合理的自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案，并使用高性能、高精度的伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)。

       Lenze公司主要進(jìn)行高精度、高性能的伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的研發(fā)，致力于為客戶提供優(yōu)質(zhì)的印刷自動(dòng)化系統(tǒng)伺服解決方案，本文從典型的開槽模切印刷設(shè)備介紹了此應(yīng)用系統(tǒng)解決方案。

2 設(shè)備主體結(jié)構(gòu)
       瓦楞紙印刷設(shè)備類型是多種多樣的，但主體結(jié)構(gòu)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(shè)備功能不同，部分印刷設(shè)備會(huì)將模切單元更換為其他設(shè)備。

圖1 瓦楞紙印刷設(shè)備主體結(jié)構(gòu)示意圖

       送紙單元主要由進(jìn)紙輪、抬板、擋板、送紙輥等組成。擋板可上下移動(dòng)，根據(jù)瓦楞紙?jiān)虾穸壬舷抡{(diào)整，以保證送紙輪每次僅送進(jìn)去一張瓦楞紙，上面一張紙則被擋板擋?。?/span>

       抬板可通過兩種方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，一種是通過機(jī)械凸輪耦合方式與主軸相連，通過主軸驅(qū)動(dòng)抬板做凸輪運(yùn)動(dòng)；另外一種方式則通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使抬板進(jìn)行凸輪運(yùn)動(dòng)。進(jìn)紙輪由四組滾輪組成，主要將印刷紙板送入后續(xù)印刷單元中，進(jìn)紙輪由一臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為靈活適用多種產(chǎn)品規(guī)格印刷及維護(hù)方便，目前比較流行的方式為進(jìn)紙輪和抬板均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式；

       送紙輥由一臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，將印刷紙板送入后續(xù)印刷單元中。紙板在進(jìn)入送紙輥之前，線速度需達(dá)到送紙輥線速度，即生產(chǎn)線速度，以保證紙板在送紙輥之間不會(huì)發(fā)生打滑或者拉伸，進(jìn)而影響后續(xù)印刷精度。

       印刷單元是瓦楞紙印刷主體結(jié)構(gòu)，也是核心關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。這部分機(jī)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(wǎng)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(shù)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，可改為4色或者其它數(shù)目，但色數(shù)增多意味著對機(jī)械精度要求更高，印刷更加復(fù)雜。印刷輥筒和傳送輪可通過機(jī)械耦合方式由一臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)，也可以兩臺(tái)伺服同時(shí)驅(qū)動(dòng)，本文則采用后一種全伺服方式。

       干燥單元主要采用熱風(fēng)干燥、紅外線干燥、紫外線干燥等方法，用熱風(fēng)與紅外線加熱相結(jié)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(tái)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。模切單元將印刷產(chǎn)品通過模切壓痕制成精美箱盒產(chǎn)品。

3 產(chǎn)品介紹
       1) 控制器3200C
       3200C是Lenze推出的一款強(qiáng)大的高性能運(yùn)動(dòng)控制器PLC，主要用于高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制。操作系統(tǒng)采用WinCE系統(tǒng)，軟件開發(fā)平臺(tái)為CoDeSys平臺(tái)，最小運(yùn)行掃描時(shí)間為1ms。

       內(nèi)置兩個(gè)Ethernet 百兆以太網(wǎng)口、一個(gè)百兆EtherCAT接口、一個(gè)DVI接口。通訊可選件包含Profibus DP master、Profibus DP Slave、CANopen模塊。

       可擴(kuò)展IO模塊，IO模塊包含數(shù)字量輸入DI、數(shù)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(tǒng)。該伺服采用32位處理器，具備極高的運(yùn)算及控制精度；伺服內(nèi)部具備PLC編程功能，客戶不同的需求可以通過編程靈活實(shí)現(xiàn)，掃描時(shí)間達(dá)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(qū)動(dòng)器通訊，如Profibus DP、ProfiNet、EtherCAT等模塊。

       3) 伺服驅(qū)動(dòng)器i700
       伺服驅(qū)動(dòng)器i700是Lenze公司最新推出的一款多軸伺服驅(qū)動(dòng)器，除具備伺服9400高精度的特性外，還具備較高的性價(jià)比。伺服軸模塊分為單軸模塊、雙軸模塊，使用時(shí)可以靈活組合，軸模塊之間通過母線并聯(lián)，軸模塊供電集中統(tǒng)一通過直流母線供電；通訊采用集成的高速工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT與3200C或者第三方運(yùn)動(dòng)控制器PLC通訊。安裝方式有冷板安裝，推出式散熱，柜內(nèi)安裝三種安裝方式，功率范圍為 0.75kW 到 15 kW。

4 全伺服自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
       圖2為典型的Lenze無軸印刷全伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，主要硬件結(jié)構(gòu)包含Lenze觸摸屏MP1000、3200C運(yùn)動(dòng)控制器、Lenze伺服控制器及Lenze伺服電機(jī)。

圖2 全伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

       3200C運(yùn)動(dòng)控制PLC是整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，它包含了設(shè)備運(yùn)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(qū)動(dòng)器i700通訊采用通訊速率高達(dá)100Mbps的通訊網(wǎng)EtherCAT。EtherCAT 是一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它充分地利用了以太網(wǎng)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(xié)議的設(shè)備均可拓展到此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上。3200C則通過EtherCAT網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一協(xié)調(diào)所有設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。

       伺服驅(qū)動(dòng)器使用Lenze性價(jià)比較高的i700驅(qū)動(dòng)器，i700是Lenze在伺服驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域的新產(chǎn)品，i700分為單軸和雙軸模塊，雙軸模塊可以分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)伺服電機(jī)。i700內(nèi)部不包含驅(qū)動(dòng)程序，僅包含最基本的位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)等控制閉環(huán)，所有的設(shè)定值、控制命令等設(shè)定數(shù)據(jù)均由3200C通過EtherCAT過程數(shù)據(jù)通道下發(fā)。此外，部分設(shè)備如前緣進(jìn)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(fā)設(shè)定值和控制字等命令來控制驅(qū)動(dòng)器。

       Lenze觸摸屏MP1000通過DVI線與3200C通訊。由于運(yùn)動(dòng)控制器3200C支持OPC Server及以太網(wǎng)自由口通訊，3200C可以與支持OPC協(xié)議或者以太網(wǎng)自由口通訊的觸摸屏通訊。伺服電機(jī)則采用Lenze自身品牌的伺服電機(jī)。

       系統(tǒng)電源供電較為靈活，i700伺服驅(qū)動(dòng)器可由i700電源模塊直流DC母線供電，并可以根據(jù)負(fù)載大小調(diào)整電源供電模塊數(shù)量，電源模塊之間并聯(lián)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(shí)為9400及i700供電。

5 系統(tǒng)主要功能
       1) 無軸印刷
       在3200C中，使用虛擬主軸取代機(jī)械主軸作為設(shè)備控制的主軸，避免機(jī)械主軸的設(shè)備維護(hù)成本及控制精度差的特點(diǎn)。所有印刷單元及其它設(shè)備均根據(jù)虛擬主軸運(yùn)行，以保證印刷設(shè)備動(dòng)作的統(tǒng)一協(xié)調(diào)性和印刷精度。這樣，通過控制虛擬主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)就可以控制印刷全線的運(yùn)轉(zhuǎn)。

       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(chǎn)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(biāo)緊緊的重合在一起，就需要精確的相位同步控制，同時(shí)提高系統(tǒng)的魯棒性。

       3) 相位回零
       在操作人員進(jìn)行印刷單元維護(hù)或者在更換印版時(shí)，進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)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(biāo)重合，再次印刷之前，需要將各印刷單元相位調(diào)整到初始設(shè)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(huì)導(dǎo)致印刷在紙板上的圖案整體拉伸或者壓縮，進(jìn)而影響后續(xù)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(bǔ)償此壓力影響。

       5) 凸輪曲線控制
       在前緣進(jìn)紙單元中，紙張進(jìn)入拉紙輥或者印刷單元前，需要達(dá)到生產(chǎn)線速度。因此，紙張需要從靜止加速到同步生產(chǎn)線速度，實(shí)現(xiàn)此要求還需要抬板動(dòng)作進(jìn)行配合。這樣，進(jìn)紙輪和抬板就需要在運(yùn)動(dòng)控制器3200C中使用不同的凸輪曲線進(jìn)行協(xié)調(diào)控制紙張進(jìn)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(tái)伺服電機(jī)控制，滾筒和傳送輪之間通過同步帶或者機(jī)械齒輪耦合。這樣會(huì)帶來兩種問題，一是滾筒和傳送輪之間多一級(jí)機(jī)械結(jié)構(gòu)，就會(huì)帶來多一級(jí)的機(jī)械誤差，這會(huì)直接影響印刷精度；二是無法通過電氣程序?qū)τ“鎵毫M(jìn)行修正，當(dāng)印刷圖案整體拉長或者壓縮時(shí)，電氣無法通過伺服驅(qū)動(dòng)對滾筒和傳送輪分別進(jìn)行相位調(diào)整。為解決這些問題，印刷滾筒和傳送輪可采用雙伺服電機(jī)分別控制相位的方式。

6 Lenze亮點(diǎn)
       1) 運(yùn)動(dòng)控制器3200C具備強(qiáng)大的運(yùn)算功能，在多達(dá)20根軸的情況下，程序運(yùn)行時(shí)間1~2ms。
       2) 3200C虛擬主軸概念的使用實(shí)現(xiàn)了無軸印刷，使全線設(shè)備控制更具協(xié)調(diào)性。
       3) Lenze新產(chǎn)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(jià)比。
       4) 總線EtherCAT不僅具備較高的通訊速率，其協(xié)議的開放性也使方案擴(kuò)展變得極為容易。
       5) 工程人員可通過以太網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、維護(hù)客戶現(xiàn)場設(shè)備，快速響應(yīng)現(xiàn)場客戶需求及降低成本。

7 結(jié)論
       我國瓦楞紙箱印刷行業(yè)的起步較晚，但發(fā)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(yè)的迫切需求。Lenze公司在這一領(lǐng)域有整套電氣解決方案。其強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器 3200C和高性能的伺服9400、i700及同步伺服電機(jī)是高精度電氣控制的重要保證。EtherCAT總線的應(yīng)用為系統(tǒng)的擴(kuò)展性提供了極大的便利，i700伺服驅(qū)動(dòng)器雙軸模塊、單軸模塊是較高性價(jià)比的伺服驅(qū)動(dòng)器。隨著行業(yè)的發(fā)展，Lenze公司將為客戶提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)和系統(tǒng)解決方案，Lenze將與客戶共同發(fā)展。

8 參考文獻(xiàn)
       1．張學(xué)中. 國內(nèi)外瓦楞紙箱的發(fā)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(shù)》[M]. 北京；中國輕工業(yè)出版社，2007. 46。
       3. 郇極 劉艷強(qiáng) .《工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用》[M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，2010.03. 5