高速輪轉(zhuǎn)式印刷設(shè)備無軸傳動的應(yīng)用

曾超，楊喜軍，唐厚君，徐青菁

(上海交通大學(xué) 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240)

0 引言

據(jù)金屬消費品行業(yè)調(diào)研公司“2013年易拉罐產(chǎn)業(yè)投資特性分析”指出，相對于發(fā)達國家，中國人均鋁制易拉罐的消費量還很低，年均只有80多罐/人，而美國已超過400罐/人。隨著啤酒和飲料制造行業(yè)整體水平的提高，以往高污染高成本制作的玻璃承裝器皿已逐年被鋁制兩片易拉罐所取代。此外，由于國際鋁價變動的不穩(wěn)定因素，鋼制兩片易拉罐甚至紙質(zhì)易拉罐也應(yīng)運而生。因為兩片式制造技術(shù)更先進，生產(chǎn)速度更快，產(chǎn)量更高，成本更低，可以預(yù)見不久的將來，中國的兩片罐消費量很快將超過每年100億只，兩片罐將成為市場消費的主體。目前，高精度數(shù)字伺服驅(qū)動器以及多軸運動控制器的飛速發(fā)展，為需要精確運行的無軸伺服傳動技術(shù)提供了物質(zhì)保障。在印刷、包裝和工業(yè)機床等工業(yè)領(lǐng)域，無軸伺服傳動技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，帶來了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。本文就是基于兩片罐無軸傳動系統(tǒng)展開分析和實驗，內(nèi)容涉及多軸運動控制器虛擬電子長軸、Ether-CAT現(xiàn)場總線、高精度編碼器、高速運轉(zhuǎn)下動態(tài)位置控制精度等，為后續(xù)應(yīng)用提供實驗數(shù)據(jù)。

1 輪轉(zhuǎn)式兩片罐無軸彩印機

兩片罐消費能力的日趨增長勢必會帶來兩片罐制造工藝的革新。傳統(tǒng)的兩片罐印刷主要采用的是由機械主軸分配動力的輪轉(zhuǎn)式(即行星式)彩印機，如圖1所示。

圖1 6色輪轉(zhuǎn)式易拉罐彩印機

而兩片罐無軸彩印機的各印刷單元、移墨輪和承罐輪的動力來源是獨立解耦的高精度數(shù)字伺服驅(qū)動機構(gòu)，動力解耦后各滾筒可實現(xiàn)獨立的位置和速度控制，大大縮短了人工對版的時間，而且利用多軸運動控制器構(gòu)建虛擬電子主軸取代機械長軸，機械制造難度降低，控制精度提高，印刷速度加快［1-2］。無軸傳統(tǒng)系統(tǒng)的構(gòu)架如圖2所示。

2 運動控制系統(tǒng)核心問題

目前，采用機械長軸傳動的兩片罐彩印機印刷的效率在1 200罐/分左右。由于取消了機械長軸，采用無軸輪轉(zhuǎn)式彩印機沒有了機械齒輪磨損和維護的困擾，其設(shè)計效率可以達到1 600罐/分以上，如果將承罐輪(芯軸轉(zhuǎn)盤)的直徑做大，那么承罐芯棒的數(shù)量可以加多，整機運行效率甚至可以達到2 400罐/分。但如此高的運行效率帶來的問題是:

圖2 無軸傳動系統(tǒng)示意圖

(1)承載刻板的印版輥以及移墨輥的運行線速度大大提高，穩(wěn)態(tài)線速度在600 m/min以上，對伺服電機和伺服驅(qū)動器提出了非常高的要求，二者必須能夠?qū)崿F(xiàn)在高速運行下動態(tài)速度穩(wěn)定;

(2)九軸以上的伺服電機軸將帶來大量的采樣數(shù)據(jù)，必須采用高速現(xiàn)場總線才能實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)交換，保證運行過程中多軸動態(tài)位置調(diào)整;

(3)整機運動控制邏輯的復(fù)雜度提升，主控系統(tǒng)不僅要完成狀態(tài)監(jiān)測、參數(shù)更改、IO調(diào)試、日志記錄等基本功能，還要完成損罐處理、進料吹料、同步控制等復(fù)雜邏輯。

要解決以上難題，新型的無軸兩片罐彩印系統(tǒng)必須采用如下技術(shù):

(1)EtherCAT現(xiàn)場總線

傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場總線一般采用CAN總線、Profibus等，雖然技術(shù)比較成熟，但這些總線的帶寬容限和帶寬利用率相對較低，無法滿足高精度同步時幾十微秒的伺服周期控制要求。而EtherCAT在物理層上采用的是與網(wǎng)絡(luò)通信相同的網(wǎng)線和專用集成電路芯片，保證了高帶寬與穩(wěn)定性，在應(yīng)用層傳輸協(xié)議上采用了循環(huán)數(shù)據(jù)包傳送的方式，而不是傳統(tǒng)的點對點傳輸形式，由此大大減少了數(shù)據(jù)交互的時間，提高了帶寬利用率。在以太網(wǎng)協(xié)議的局域網(wǎng)里，EtherCAT總線傳輸速度為100 M/bps，完全能夠滿足工業(yè)伺服控制需求。此外，EtherCAT還采用了分布式時鐘機制、冗余電纜布線等機制來保證同步性和可靠性。

此外，Rexroth力士樂在上個世紀(jì)80年代末提出的Sercos總線也是一種高速總線技術(shù)，與EtherCAT有異曲同工之妙。

(2)多閉環(huán)伺服電機控制技術(shù)

為了實現(xiàn)高效率和高同步精度，采用SVPWM矢量算法控制的永磁同步電動機是動作執(zhí)行機構(gòu)的首選;同時，在伺服控制上采用電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)能提高系統(tǒng)的機械特性，速度環(huán)由伺服驅(qū)動器控制調(diào)節(jié)，能使實際速度跟隨給定速度，位置環(huán)配合速度環(huán)共同減小系統(tǒng)的震蕩，消除穩(wěn)態(tài)跟隨誤差。伺服驅(qū)動三閉環(huán)邏輯如圖3所示。

圖3 伺服驅(qū)動三環(huán)控制邏輯框圖

(3)高精度絕對值編碼器

伺服電機尾部都帶有編碼器以實時檢測位置。為了實現(xiàn)高達0.05 mm的多色套印和印刷精度以及初始狀態(tài)的半自動刻板套印，必須采用高精度絕對值編碼器，且編碼器分辨率所實現(xiàn)的控制精度必須達到0.05 mm的十分之一甚至更高。利用絕對值編碼器的位置記憶功能，可以實現(xiàn)初始狀態(tài)的多軸回零和位置補償。

3 無機械長軸彩印機運動控制方案

下面針對某制罐廠6色無軸彩印機的生產(chǎn)要求，設(shè)計了一套性能完善的運動控制系統(tǒng)，并將以該系統(tǒng)為例說明無軸傳動同步控制的可行性。如圖1所示，本套設(shè)備具有六個印版輥(刻板承載輪)、一個移墨輥(膠版輪)、一個承罐輥(芯軸轉(zhuǎn)盤)以及兩個轉(zhuǎn)輸輥(轉(zhuǎn)輸盤和傳輸鏈輪)，共計十個軸。

3.1 中央控制系統(tǒng)的選擇

無軸彩印設(shè)備中，運動軸數(shù)量較多，而且需要完成位置指定、IO控制、同步鎖定、時序控制、實時運算以及遠程通訊等復(fù)雜功能，故必須要采用主頻較高、功能開放、接口完善的多軸運動控制器。經(jīng)過技術(shù)分析，采用英國Trio公司的MC系列控制器。該控制器內(nèi)建了一塊64位400 MHz主頻的 MIPS處理器，支持IEC61131-1的編程規(guī)范，可以控制多達64根數(shù)字伺服軸，而且IO控制在擴展后可以多達272個點。此外，Trio還提供了ActiveX控件，支持在Windows編程環(huán)境下開發(fā)上位控制系統(tǒng)，上位機通過網(wǎng)線就可以連接控制器完成整套運動控制，不僅便于二次開發(fā)，還大大拓展了用戶的可應(yīng)用范圍。

最重要的是，Trio不僅支持模擬量控制伺服軸，其運動控制功能還可以通過 EtherCAT實時 CoE(以太網(wǎng) CAN接口)完成［3-5］，而使用的協(xié)議就是如今廣泛應(yīng)用于數(shù)字伺服的 CAN/CANopen DS402通訊協(xié)議。

3.2 伺服系統(tǒng)的選擇

(1)伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器的選擇需配合DS402協(xié)議的控制器，擁有支持CoE接口?？蛇xEmerson CT公司的SP系列伺服驅(qū)動器，該系列驅(qū)動器廣泛地應(yīng)用于食品包裝和工業(yè)機床等場合，其機身整合了三個擴展插槽，可以適配包括EtherCAT通訊子板在內(nèi)的多種擴展模塊，關(guān)鍵是SP系列伺服可以完成伺服電機的三環(huán)控制，即位置模式、速度模式和力矩模式，能夠根據(jù)用戶的需求實現(xiàn)在線參數(shù)調(diào)整和電機狀態(tài)監(jiān)測。

(2)伺服馬達

選用意大利Phase公司的U3系列高精度永磁同步伺服電機，并且搭配海德漢絕對值25位編碼器，經(jīng)過伺服驅(qū)動器處理后，伺服電機單圈的位置脈沖可以高達1 048 576，對于由伺服馬達直驅(qū)、周長約400 mm的印版輥，其位置控制精度可達0.000 3 mm/pulse，完全滿足控制要求。

3.3 上下位機之間的控制流程

從控制流程與數(shù)據(jù)信息走向來分析，可以將整個系統(tǒng)的工作過程分為以下兩個部分:

第一部分:上位機與控制器。首先，交流伺服電機運動控制信號由人機通訊部分即上位機觸屏控制系統(tǒng)流向數(shù)字運動控制器。數(shù)字運動控制器預(yù)先存儲了不同功能的運動執(zhí)行程序模塊，上位機的控制操作實際上就是利用ActiveX控件對運動執(zhí)行程序模塊進行調(diào)用，如運動軸的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)停機等操作。第二，上位機觸屏控制系統(tǒng)可以直接讀取控制器的若干I/O端口信號狀態(tài)并實時地顯示在觸屏界面。第三，上位機觸屏控制系統(tǒng)要完成參數(shù)更改和自動日志錄入等功能。

圖4 上下位機控制流向圖

第二部分:控制器與運動執(zhí)行模塊。首先，數(shù)字運動控制器快速地處理上位機觸屏控制系統(tǒng)給出的運動控制調(diào)用指令，并將運動指令傳遞給交流伺服電機的驅(qū)動裝置，隨后動作執(zhí)行模塊實現(xiàn)對機床運動的同步控制和速度控制。第二，控制器還要調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊，計算出各運動軸之間的相位差以及已印刷數(shù)量等運行數(shù)據(jù)并反饋給上位機以實現(xiàn)實時狀態(tài)監(jiān)測。

整個控制流程如圖4所示。

4 多軸同步控制的兩個技術(shù)要點

輪轉(zhuǎn)式兩片罐無軸彩印機的技術(shù)難點在于高速印刷工程中的印刷精度控制［6-7］，如果運動控制系統(tǒng)控制好每個軸的運動狀態(tài)，使每個伺服軸的速度抖動小且位置跟隨誤差被控制在一定的閾值內(nèi)，則多軸之間的相對位置誤差也自然就降到了合理水平。

4.1 位置模式和速度模式的選擇

一般伺服都有三種控制方式:速度控制方式、轉(zhuǎn)矩控制方式與位置控制方式。伺服系統(tǒng)一般都采用三環(huán)控制，即三個閉環(huán)負反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖3所示。以下直接討論位置模式和速度模式。

位置模式:位置控制模式一般是通過外部輸入脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，SP系列伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。位置模式對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用場合包括數(shù)控機床、印刷機械等等。

速度模式:通過模擬量輸入或脈沖頻率都可以進行轉(zhuǎn)速控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時，速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號反饋給上位機，用于后續(xù)運算。

位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供，其優(yōu)點是可以減少中間傳動過程中的誤差，增加整個系統(tǒng)的定位精度。

我們在位置模式下和速度模式下，對同一個負載直驅(qū)軸進行實測。位置模式下得到的單軸位置跟隨誤差相比速度模式下得到的更小?？刂品绞骄鶠?讓實際伺服軸跟隨一個由控制器內(nèi)建的虛擬主軸進行1:1的速度跟隨。在電機穩(wěn)態(tài)運行的狀態(tài)下，采樣伺服軸與虛擬軸之間的位置偏差，由于虛擬軸位置是由控制器生成的精確位置，那么該偏差值實際上就是伺服軸實際位置和指令位置的偏差(脈沖差值)，對連續(xù)時間內(nèi)的十萬個位置數(shù)據(jù)進行采樣，取其中三組數(shù)據(jù)進行說明，如表1所示。

表1 位置模式和速度模式位置誤差對比

設(shè)置控制器的伺服周期為1 ms，在位置模式下，控制器本身只完成指令給定以及虛擬主軸內(nèi)建的任務(wù)，將生成一個伺服軸的給定位置傳給伺服驅(qū)動器，三環(huán)的運算比較全部在驅(qū)動器內(nèi)完成。而在速度模式下，控制器需要從EtherCAT模塊經(jīng)過通訊獲取伺服軸的反饋位置，與參考位置進行計算后得到指令速度參考值，并傳給驅(qū)動器，驅(qū)動器只完成速度環(huán)和電流環(huán)的計算。由于控制器的伺服周期以及在數(shù)據(jù)通訊上損失了時間，由控制器去完成位置閉環(huán)的運算反而不如讓驅(qū)動器自身完成三環(huán)的運算更快速更有效。位置控制方式在高精度的印刷場合可以將控制精度提高一倍有余。

4.2 大慣量比驅(qū)動與小慣量比驅(qū)動系統(tǒng)的選擇

為了高速定位，選伺服電機時，負載慣量和電機轉(zhuǎn)子慣量比一定要達到一個合理的范圍。系統(tǒng)追求快速性的本質(zhì)在于運動部件的加減速能力。追求系統(tǒng)的加減速能力，就必須以相對更大的力矩去拖動目標(biāo)慣量，同樣力矩的伺服電機，完全可以有不同的轉(zhuǎn)子慣量。同理，相同的轉(zhuǎn)子慣量，也可能對應(yīng)不同的力矩能力，對于最終系統(tǒng)而言，電機轉(zhuǎn)子與負載的慣量比、電機力矩能力與系統(tǒng)總慣量(電機慣量與負載慣量之和)的比，即系統(tǒng)加減速能力以及系統(tǒng)轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性，是對同步精度控制至關(guān)重要的兩個指標(biāo)。采用兩組數(shù)據(jù)進行對比，兩組馬達數(shù)據(jù)如表2所示。

由于加入了減速機，馬達實際的慣量輸出為Jmact=Jm*n2，其中Jm為電機轉(zhuǎn)子慣量，n為減速比。通過計算可知，第一組傳動系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)子慣量比為:

第二組傳動系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)子慣量比為:

表2 不同慣量電機組別的參數(shù)對比

由于印刷系統(tǒng)不用頻繁啟動，所以對系統(tǒng)加減速時間沒有要求，即負載對驅(qū)動系統(tǒng)力矩要求不高，即在力矩冗余的情況下測試兩組負載在不同慣量系統(tǒng)拖動下的動態(tài)位置穩(wěn)定性，測試方法為:均在EtherCAT位置模式下，讓伺服軸以1∶1的速度比例跟隨虛擬主軸，同表1的采樣方法一樣，在電機穩(wěn)態(tài)運行時對連續(xù)時間內(nèi)的十萬個位置數(shù)據(jù)進行采樣，取其中三組數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 大慣量和小慣量驅(qū)動系統(tǒng)的控制精度

由表3中的數(shù)據(jù)可見，大慣量系統(tǒng)更能夠保證整個位置控制的精度，在兩片罐無軸印刷中，利用冗余度較大的大慣量驅(qū)動系統(tǒng)能夠有效地保證輪轉(zhuǎn)式印刷的精度。

兩片罐無軸印刷伺服驅(qū)動系統(tǒng)的樣機如圖5所示。

圖5 兩片罐無軸印刷伺服驅(qū)動系統(tǒng)樣機

5 結(jié)束語

將無軸傳動技術(shù)推廣到傳統(tǒng)兩片罐輪轉(zhuǎn)式印刷伺服驅(qū)動系統(tǒng)。探討了高速金屬印刷場合可能遇到的問題和相應(yīng)的解決對策，設(shè)計和實現(xiàn)了一套可行的高速無軸傳動的運動控制系統(tǒng)，并詳細分析了同步控制中提高印刷精度的兩種控制手段:利用驅(qū)動器進行位置閉環(huán)控制以及利用大慣量驅(qū)動系統(tǒng)拖動負載，為金屬印刷行業(yè)無軸傳動的應(yīng)用提供了可行性和實驗性數(shù)據(jù)。

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