基于圓網(wǎng)印花機(jī)多電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)發(fā)展的研究

譚峰亮,宋曉榮,李 進(jìn)

（1.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安德高佳美印染設(shè)備有限公司 陜西 西安 710018）

圓網(wǎng)印花機(jī)歷經(jīng)長時間發(fā)展，印花精度、印花速度以及自動化程度都有了很大的提升，圓網(wǎng)同步傳動是圓網(wǎng)印花機(jī)傳動的核心。對圓網(wǎng)印花機(jī)的同步控制系統(tǒng)的基本工作原理以及三代控制系統(tǒng)的發(fā)展過程進(jìn)行了簡單論述。

1 第一代圓網(wǎng)印花機(jī)

第一代圓網(wǎng)印花機(jī)的同步控制系統(tǒng)的最主要特點(diǎn)是網(wǎng)頭傳動采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。

圓網(wǎng)印花機(jī)的傳動部分包括：導(dǎo)帶傳動電動機(jī)、導(dǎo)帶傳動輥、圓網(wǎng)傳動步進(jìn)電機(jī)等。傳動特點(diǎn)是圓網(wǎng)傳動分別由一臺步進(jìn)電機(jī)傳動，導(dǎo)帶單獨(dú)由一臺電動機(jī)傳動。如圖1所示。

在導(dǎo)帶傳動系統(tǒng)上裝一個編碼器，編碼器的脈沖信號經(jīng)過一臺內(nèi)置電子齒輪功能的上位機(jī)控制器處理后，通過RS485傳輸脈沖信號控制圓網(wǎng)傳動步進(jìn)電機(jī)，通過改變控制器內(nèi)部電子齒輪的參數(shù)就可以改變圓網(wǎng)與導(dǎo)帶之間的運(yùn)行的速差。圓網(wǎng)與導(dǎo)帶的同步控制是整個獨(dú)立傳動的核心，其控制方式為導(dǎo)帶和圓網(wǎng)主從之間的跟隨的同步控制方式。其核心是控制圓網(wǎng)傳動電動機(jī)以一定的比例關(guān)系跟隨導(dǎo)帶做位置同步運(yùn)行，要求所有的圓網(wǎng)電機(jī)保持相同的位置關(guān)系。經(jīng)過電子齒輪分頻后的編碼器信號同對花插補(bǔ)信號疊加輸出控制圓網(wǎng)傳動步進(jìn)電機(jī)。原理如圖2所示。

第一代圓網(wǎng)印花機(jī)的同步步進(jìn)電機(jī)是開環(huán)運(yùn)行的，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)丟步和失步的時候，系統(tǒng)本身缺少必要的檢測和修正手段。啟動頻率過高或者負(fù)載過大都容易出現(xiàn)丟步或者堵轉(zhuǎn)的情況，所以為保證控制精度，應(yīng)處理好電機(jī)的加減速問題。

以步進(jìn)電機(jī)為網(wǎng)頭驅(qū)動的第一代圓網(wǎng)印花機(jī)是脈沖同步方式控制的，步進(jìn)電機(jī)的精度決定了圓網(wǎng)印花機(jī)的精度。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進(jìn)電

圖1 第一代圓網(wǎng)印花機(jī)傳動系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the first generation of rotary screen printing machine system transmission

圖2 編碼器信號同對花插補(bǔ)信號疊加原理示意圖Fig. 2 Schematic diagram of superposition of encoder signal and pulse interpolation

機(jī)步距角一般為0.72°、0.36°[1]。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小，其步距角為0.09°甚至還可以更小，如德國的三相混合式步進(jìn)電機(jī)，其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°， 兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。下圖列出6種型號的步進(jìn)電機(jī)的距頻特性[2]。

從圖中可見，當(dāng)輸入的脈沖頻率在一定的范圍時，步進(jìn)電機(jī)的輸出動態(tài)轉(zhuǎn)矩基本保持不變，在圖中基本為一水平直線，但當(dāng)輸入脈沖頻率達(dá)到一定值時，電機(jī)所能帶動的負(fù)載轉(zhuǎn)矩將劇烈下降。

步進(jìn)電機(jī)過載能力較差，當(dāng)負(fù)載超過其極限承受范圍的時候，電機(jī)直接停止工作，為了克服這個缺點(diǎn)，需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，會出現(xiàn)力矩浪費(fèi)的情況。但如果步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)處理得當(dāng)，其轉(zhuǎn)矩選擇合適，步進(jìn)電機(jī)完全可以應(yīng)用在圓網(wǎng)獨(dú)立傳動系統(tǒng)上。

圖3 六種步進(jìn)電機(jī)的距頻特性Fig. 3 Torque and frequency of six kinds stepper motor

圖4 第二代圓網(wǎng)印花機(jī)傳動系統(tǒng)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the second generation of rotary screen printing machine system transmission

2 第二代圓網(wǎng)印花機(jī)

第二代圓網(wǎng)印花機(jī)的同步控制系統(tǒng)的最主要特點(diǎn)是網(wǎng)頭傳動采用伺服電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)同步仍然保持脈沖位置控制方式。

在伺服傳動系統(tǒng)中，上位機(jī)以并行的方式向控制每個網(wǎng)頭伺服電機(jī)的分計算機(jī)板發(fā)送指令脈沖，分機(jī)板將接受到的指令脈沖經(jīng)過處理發(fā)送給各個圓網(wǎng)印花單元的伺服驅(qū)動器控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動。通過并行的方式發(fā)送指令脈沖，避免了脈沖延時，使各個圓網(wǎng)伺服電機(jī)保持嚴(yán)格同步，在很大程度上提高了整機(jī)的套印精度。上位機(jī)控制速度板的脈沖輸出能控制整車的運(yùn)行、加速、減速、停止等狀態(tài)，操作簡單并且有效提高了整機(jī)運(yùn)行。因?yàn)椴捎瞄]環(huán)控制的交流伺服系統(tǒng)，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)丟步或失步的情況，可控性更加強(qiáng)。

交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證，以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對于帶2 500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360o/10 000=0.036°。對于17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動器每接收217=131 072個脈沖，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，其脈沖當(dāng)量為360o/131 072=9.89″，是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量的1/655[3]。

交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力，以松下交流伺服電機(jī)為例，其最大的轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩。

3 第三代圓網(wǎng)印花機(jī)

第三代圓網(wǎng)印花機(jī)是基于第二代伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用更加先進(jìn)的通訊控制技術(shù)，是真正意義上的多軸伺服同步控制系統(tǒng)。第二代圓網(wǎng)伺服同步系統(tǒng)只是一個局部的閉環(huán)控制，伺服電機(jī)的同步控制是通過位置同步脈沖來實(shí)現(xiàn)的，伺服電機(jī)僅僅相當(dāng)于一個高性能的步進(jìn)電機(jī)，而整個同步控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)高精度。第三代圓網(wǎng)印花機(jī)多軸伺服同步控制系統(tǒng)是一個大閉環(huán)控制系統(tǒng)，各網(wǎng)頭驅(qū)動的伺服電機(jī)的編碼器位置反饋信息，不僅反饋給伺服驅(qū)動器，而且通過實(shí)時通訊技術(shù)反饋到上位機(jī)，上位機(jī)將各伺服電機(jī)的實(shí)際位置與指令位置相比較運(yùn)算，再通過通訊下達(dá)下一新的位置指令，從而實(shí)現(xiàn)了多軸系統(tǒng)的高精度同步控制。如圖5所示。

隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在確定性、實(shí)時性、安全性、抗干擾能力等方面的不斷發(fā)展和完善，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到了控制領(lǐng)域，基于Ethernet/IP的工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)，其超高的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線要快得多。Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和CIP Motion技術(shù)的結(jié)合，滿足了工業(yè)控制在標(biāo)準(zhǔn)Ethernet上對高性能、實(shí)時、閉環(huán)、確定性伺服控制的需求，它為多軸、分布式伺服控制提供了一個開放、高帶寬和高性能的解決法案。采用CIP Sync協(xié)議就可以達(dá)到±100 ns的時鐘同步精度，這滿足了絕大部分控制系統(tǒng)的要求，CIP Motion最高允許100軸的伺服控制[4]。

德高機(jī)電新一代的圓網(wǎng)印花機(jī)多電機(jī)伺服同步控制系統(tǒng)運(yùn)用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)將上位機(jī)、網(wǎng)頭控制計算機(jī)、伺服同步電機(jī)以及整機(jī)控制的PLC組成一個實(shí)時通訊的同步控制系統(tǒng)，不僅提升了圓網(wǎng)印花機(jī)的性能指標(biāo)，而且還能具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，將圓網(wǎng)印花機(jī)的自動化、智能化控制水平提升到新的高度。

4 結(jié)束語

從三代圓網(wǎng)印花機(jī)傳動系統(tǒng)的分析中，具體比較了各個圓網(wǎng)傳動系統(tǒng)的優(yōu)勢和劣勢。為下一步的技術(shù)革新總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)。

圖5 第三代圓網(wǎng)印花機(jī)傳動系統(tǒng)示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the third generation of rotary screen printing machine system transmission

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