曲面膠印機(jī)嵌入式伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計*

王賢淮，陳 忠，王昌佑，王賢洵

（1.廣東隆興包裝實業(yè)有限公司，廣東 潮州 515638；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

新型食品包裝容器對于提升食品形象與品牌定位有重要作用。因而食品包裝容器除了要滿足基本的容器功能外，對其外表面的圖案及色彩的表現(xiàn)力提出了更高的要求。對于PET塑料杯外表面上的色彩鮮艷的圖案需要采用特殊的柔性版膠印技術(shù)完成印刷，為此須配套高效的錐形容器曲面膠印刷機(jī)。為了在錐形容器表面獲得表現(xiàn)細(xì)膩、層次感強(qiáng)的多色套印圖案，對印刷系統(tǒng)的同步運(yùn)動控制提出了更高的要求。傳統(tǒng)的曲面膠印機(jī)采用單電機(jī)傳動，通過機(jī)械傳動鏈保證其同步，但這種傳動模式要使用萬向節(jié)（由于需要調(diào)整鼓輪與圓錐容器間的接觸壓力），因而限制了其印刷速度以及存在壽命短、關(guān)鍵部件易磨損等問題[1]。目前，先進(jìn)的曲面膠印機(jī)均采用獨立驅(qū)動方式，通過位置傳感與驅(qū)動同步的方式實現(xiàn)更加靈活的同步印刷運(yùn)動[2-3]。針對這兩種驅(qū)動模式，一般采用交流電機(jī)、變頻器、PLC實現(xiàn)整機(jī)關(guān)鍵的印刷同步控制。但這種控制模式存在無法實現(xiàn)精細(xì)控制，印刷得到的圖案不夠細(xì)膩。

為此，本文針對目前曲面膠印機(jī)的印刷同步控制模式的缺點，提出了基于嵌入式控制器的伺服同步控制方法，以確保高速印刷過程中印刷的動態(tài)同步性能，提高印刷圖案層次感與表現(xiàn)力。論文首先簡述了曲面膠印機(jī)印刷同步控制的特點與要求，其次設(shè)計一個用于曲面膠印機(jī)同步印刷控制的嵌入式伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)，包括體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與軟件模塊設(shè)計。所設(shè)計的嵌入式伺服驅(qū)動同步控制系統(tǒng)在曲面膠印機(jī)上得到了成功應(yīng)用。

1 曲面膠印機(jī)的步進(jìn)同步印刷原理與控制要求[4]

曲面印刷機(jī)是一個高度機(jī)電一體化的印刷設(shè)備，其基本的印刷原理采用柔性凸版與膠印復(fù)合印刷模式，因此兼有膠版印刷與柔性版印刷的優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)及印刷示意圖如圖1所示，曲面膠印機(jī)通過竄動膠輥2把UV油墨1均勻涂抹到柔性凸版3上；柔性凸版上的單色圖形轉(zhuǎn)印到鼓輪橡皮布4上，橡皮布上的多色圖形，則通過多組柔性凸版通過恒定機(jī)械傳動鏈以同步的方式套印在同一個橡皮布上；大鼓輪5與步進(jìn)分度模頭7以雙電機(jī)獨立控制方式確保橡皮布與步進(jìn)分度模頭7上的錐形塑杯步進(jìn)同步接觸滾動印刷。

圖1 錐形塑杯印刷機(jī)工作示意圖

為了保證錐形塑杯的印刷質(zhì)量，需要嚴(yán)格保證柔性版驅(qū)動軸、大鼓輪驅(qū)動軸和分度驅(qū)動軸的同步轉(zhuǎn)動，具體如示意圖2所示。這三個運(yùn)動軸采用獨立驅(qū)動的方式，為此需要準(zhǔn)確測量各軸的運(yùn)動位置，通過運(yùn)動控制實現(xiàn)各軸的同步。這對控制系統(tǒng)提出了較高的要求。

圖2 錐形塑杯印刷機(jī)的印刷工步示意圖

傳統(tǒng)的方法是采用變頻器驅(qū)動交流電機(jī)的方式實現(xiàn)，其特點是成本低，但控制性能稍差，不能很好地實現(xiàn)動態(tài)位置控制。為此，本文對三個驅(qū)動軸采用了伺服同步驅(qū)動的方式，通過伺服驅(qū)動器驅(qū)動高性能伺服電機(jī)，從而可保證高質(zhì)量印刷對同步運(yùn)動控制的要求。

2 曲面膠印機(jī)嵌入式伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)

針對曲面膠印機(jī)高性能同步印刷的要求，設(shè)計嵌入式伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)，完成控制體系規(guī)劃、軟件系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 嵌入式伺服同步驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)

圖3 嵌入式伺服驅(qū)動同步控制系統(tǒng)

針對曲面膠印機(jī)同步運(yùn)動高質(zhì)量印刷的要求，設(shè)計如圖3所示的嵌入式伺服運(yùn)動控制體系結(jié)構(gòu)。其中，采用具有硬件驅(qū)動層與上位上層數(shù)控層的兩層結(jié)構(gòu)的上位機(jī)與下位模塊化嵌入式運(yùn)動控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的硬件驅(qū)動層具有硬件透明的接口函數(shù)，從而可實現(xiàn)對印刷行業(yè)不同嵌入式控制器、基于PLC控制器控制功能的透明調(diào)用。同時上位上層數(shù)控系統(tǒng)可通過統(tǒng)一的接口函數(shù)調(diào)用下位不同控制器的控制功能，訪問下位不同的變量以及讀取不同I/O信號，這些都是對硬件透明的。從而上位數(shù)控編程或圖形化組態(tài)系統(tǒng)得到統(tǒng)一的實現(xiàn)。

下位嵌入式控制器采用實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)曲面膠印機(jī)同步運(yùn)動控制。其核心模塊是三軸聯(lián)動控制模塊。這三軸伺服運(yùn)動，通過各伺服電機(jī)帶的旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)各自的半閉環(huán)控制。由于其三軸聯(lián)動控制的結(jié)果實際上是在一個三維拓?fù)淇臻g中的插補(bǔ)，根據(jù)曲面膠印機(jī)同步運(yùn)動控制的要求，實際上其運(yùn)動軌跡在這個三維拓?fù)淇臻g中的運(yùn)動軌跡是一條直線。

圖4 下位機(jī)流程圖

2.2 下位嵌入式軟件系統(tǒng)

由于曲面膠印機(jī)三軸伺服聯(lián)動的運(yùn)動軌跡是一條三維拓?fù)淇臻g中的直線，因此只需要實現(xiàn)一個空間直線插補(bǔ)算法就可以完成控制軟件的核心模塊。但這個空間直線插補(bǔ)算法與一般直線插補(bǔ)算法不同的地方是，其要對各運(yùn)動軸進(jìn)行必要的調(diào)相控制，以使各運(yùn)動實現(xiàn)回零。這樣才能保證印刷的初始位置正確，而不能按照傳統(tǒng)的方法進(jìn)行機(jī)械回零。為此實現(xiàn)了下位嵌入式控制的核心軟件流程圖，如圖4所示。

3 結(jié)論

隨著對錐形塑杯等食品容器的外包裝要求越來越高，對曲面膠印機(jī)高速運(yùn)行條件下的同步運(yùn)動控制性能提出了越來越高的要求。本文提出的嵌入式伺服同步驅(qū)動控制系統(tǒng)，利用數(shù)控系統(tǒng)原理，實現(xiàn)了空間直線插補(bǔ)算法模塊以及特殊的調(diào)相回零方法。所設(shè)計的曲面膠印機(jī)嵌入式伺服控制系統(tǒng)在公司產(chǎn)業(yè)化的曲面膠印機(jī)上試驗性運(yùn)行，在36000個印杯/小時運(yùn)行工況下，塑杯印刷質(zhì)量達(dá)到了要求。

［1］蔡建偉，胡中越.曲面膠印機(jī)：中國，200620061956.3［P］.

［2］王賢淮，王昌佑.用于曲面膠印機(jī)的多獨立交流伺服電機(jī)同步驅(qū)動系統(tǒng)：中國，200820135995.2［P］.

［3］王賢淮.用于曲面膠印機(jī)的雙電機(jī)同步傳動裝置：中國，200620012968.7［P］.

［4］王賢淮，陳忠，王昌佑，等.錐形塑杯曲面膠印機(jī)印刷差速分析與鼓輪設(shè)計［J］.現(xiàn)代制造工程，2009（6）：128-131.