無(wú)軸印刷張力控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

劉云崇

本文以某印刷廠的表柔印刷機(jī)為研究對(duì)象，用德國(guó)力士樂(lè)無(wú)軸控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器開環(huán)張力控制和復(fù)卷控制。分析了無(wú)軸印刷張力控制的兩種主要方式和實(shí)現(xiàn)方法，為無(wú)軸印刷機(jī)控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

在影響印品質(zhì)量的眾多因素中，印紙張力的穩(wěn)定性是一個(gè)非常重要的因素。只有保證印刷過(guò)程中印紙張力恒定且大小適中才能使印刷正常進(jìn)行，以達(dá)到壓力均勻適中、印品字跡清晰的效果。若張力太小，印紙松飄，印出的字跡模糊不實(shí)（即墨虛），甚至紙張出現(xiàn)橫皺紋;若張力過(guò)大，印紙拉的過(guò)緊，容易產(chǎn)生縱向皺紋甚至斷紙。機(jī)組式印刷機(jī)在印刷過(guò)程中的張力控制主要有收放卷張力控制和印刷過(guò)程中的張力控制兩部分。

以往的張力控制系統(tǒng)是建立在機(jī)械長(zhǎng)軸的基礎(chǔ)上的，采用模擬量控制，在進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算時(shí)的計(jì)算精度很低，使系統(tǒng)的控制精度低，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果差，不能滿足產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的高精度要求。

隨著數(shù)控技術(shù)和數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，以無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)取代傳統(tǒng)的機(jī)械長(zhǎng)軸成為一種趨勢(shì)。張力控制的手段和精度也隨之有了極大的提升。從結(jié)構(gòu)上看它已不是自成一體系，而是無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)的一部分，在數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的支持下簡(jiǎn)化了控制器件，降低了成本;另一方面，提高了控制精度和控制的靈活性。

無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)又稱為伺服傳動(dòng)技術(shù)，它是以相互獨(dú)立的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)代替了原有的機(jī)械長(zhǎng)軸傳動(dòng)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、程序軟件形成了內(nèi)部虛擬的電子軸，各電子軸通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)交換傳輸，各個(gè)版輥隨虛擬的電子軸運(yùn)轉(zhuǎn)，保證版輥相位嚴(yán)格同步。

采用無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)后，原來(lái)的機(jī)械長(zhǎng)軸系統(tǒng)發(fā)展為圖1所示。每個(gè)機(jī)組均由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，各機(jī)組依靠裝有控制軟件和運(yùn)動(dòng)控制卡的控制器協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。將其中一個(gè)機(jī)組定為虛擬主軸，其輥?zhàn)拥木€速度作為設(shè)備的速度，其他機(jī)組通過(guò)電子齒輪比的設(shè)定保證與虛擬主軸保持線速度一致。

印刷機(jī)的同步控制包括位置同步、速度同步以及電子凸輪的同步，SYNAX200系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)控制器PPC-R22.1可不間斷地計(jì)算產(chǎn)生虛擬主軸的位置，并通過(guò)光纜即時(shí)傳送至各個(gè)驅(qū)動(dòng)器IndraDrive C/M，從而實(shí)現(xiàn)印刷過(guò)程的同步運(yùn)作。

高精度的編碼器是無(wú)軸系統(tǒng)精度的重要保證。以德國(guó)博世力士樂(lè)的MSK電機(jī)的M2型編碼器為例，其物理刻線為2048線，經(jīng)過(guò)212次電子倍頻處理后，分辯率可達(dá)8388608位/圈。以表格機(jī)插件11英寸輥的印刷單元為例，在走紙方向上的測(cè)量精度可達(dá)0.0000173mm。無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制精度與交流伺服驅(qū)動(dòng)器的性能及其與負(fù)載的匹配有關(guān)。以博世力士樂(lè)公司Indradrive的經(jīng)濟(jì)型配置為例，3個(gè)控制環(huán)的運(yùn)行周期分別為：電流環(huán)125μs，速度環(huán)500μs，位置環(huán)1000μs。當(dāng)由于突然的外部擾動(dòng)使反饋值與命令值產(chǎn)生偏差，驅(qū)動(dòng)器將在一個(gè)周期內(nèi)恢復(fù)正常狀態(tài)，從而保證運(yùn)動(dòng)控制的精度。無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載是各個(gè)傳動(dòng)單元的滾筒及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，針對(duì)不同的負(fù)載要對(duì)伺服系統(tǒng)的控制環(huán)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，當(dāng)參數(shù)調(diào)整已無(wú)法滿足負(fù)載的需要時(shí)還要考慮更換貫量更大的電機(jī)和功率更大的驅(qū)動(dòng)器。在將伺服系統(tǒng)與負(fù)載進(jìn)行匹配調(diào)整的過(guò)程中主要以速度環(huán)或位置環(huán)的命令值與反饋值的誤差為參考量，當(dāng)該值在允許的范圍以內(nèi)時(shí)，參數(shù)優(yōu)化過(guò)程結(jié)束，印刷的精度就可以得到保證。

系統(tǒng)張力的控制方法

1.張力的產(chǎn)生與開環(huán)控制

印刷系統(tǒng)中紙張的輸送是通過(guò)張力輥與紙張之間存在的靜摩擦力F實(shí)現(xiàn)的。假設(shè)張力輥之間的紙張段為彈性體，按照胡克定律有：

T=K·ΔL

其中T為張力，K為彈性系數(shù)，ΔL為變形量。設(shè)某微小的時(shí)段Δt內(nèi)，張力輥1輸送的紙張長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，張力輥2輸送的紙張長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，則：

ΔL=L2-L1=（ω2·R2）Δt-（ω1·R1）Δt

因此，要時(shí)刻保持T恒定，就需要使（ω2·R2）-（ω1·R1）為一常量。按照速度同步的方法，假定進(jìn)紙張力輥為虛擬主軸，則出紙張力輥對(duì)虛擬主軸的電子齒輪比為R1/R2。由于輥?zhàn)影霃讲蛔?，因此只需要通過(guò)速度同步方式使ω2與ω1保持相應(yīng)的速度差就能保證要求的張力。

2.張力閉環(huán)與收放卷控制

收卷也是印刷后期處理的一種常用方式，很多加工設(shè)備中原紙多以紙卷方式進(jìn)行應(yīng)用，所以收卷是為以后的進(jìn)一步應(yīng)用做好準(zhǔn)備。為使紙卷緊而齊，并保持表面平整度，收卷時(shí)應(yīng)對(duì)紙帶施加一定的張力，并在運(yùn)行過(guò)程中保持張力的恒定。在寬幅、大直徑紙帶的收卷中，為確保卷成的紙卷內(nèi)芯不被擠壓成錐形突出，表面平整不產(chǎn)生塌陷，還要求張力隨收卷卷徑的增大而變小，即實(shí)施變張力（張力錐度）控制。收卷的控制方式主要有以下3種：

①無(wú)張力線速度檢測(cè)的開環(huán)控制。該方案中沒(méi)有任何檢測(cè)信號(hào)或沒(méi)有將任何檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行反饋，因此簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，其缺點(diǎn)主要是控制精度不高。

②帶線速度檢測(cè)的半閉環(huán)控制。該方案通過(guò)聯(lián)合線速度信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)來(lái)得出收卷卷徑，從而根據(jù)卷徑的變化來(lái)協(xié)調(diào)控制，該方案對(duì)系統(tǒng)模型具有較大的依賴性。

③帶張力和線速度檢測(cè)的全閉環(huán)控制。該方案將檢測(cè)到的張力信號(hào)和得到的卷徑信號(hào)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)具有張力錐度控制功能的收卷張力閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的協(xié)調(diào)控制。

以上控制方式均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合和不同的控制要求具有相對(duì)的實(shí)用性。本印刷控制系統(tǒng)的收卷裝置應(yīng)用了浮動(dòng)輥裝置，可以反饋收卷張力信號(hào)，利用張力信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以本系統(tǒng)的收卷控制可以認(rèn)為是全閉環(huán)控制。

對(duì)卷繞物進(jìn)行收放卷的控制不僅需要對(duì)張力進(jìn)行閉環(huán)控制，還要處理卷徑變化造成的線速度的變化，以及設(shè)定張力錐度。以往的收、放卷系統(tǒng)均作為單獨(dú)的控制單元，如圖3。采用無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)后，控制收放卷的軸以速度同步的方式與系統(tǒng)的虛擬主軸同步，特別是在加減速動(dòng)態(tài)時(shí)更能顯現(xiàn)出同步的優(yōu)勢(shì)。

復(fù)卷軸與無(wú)軸系統(tǒng)的虛擬軸為速度同步。氣缸利用杠桿的原理給浮動(dòng)輥施加力并最終產(chǎn)生張力。杠桿的支點(diǎn)處安裝電位器，當(dāng)實(shí)際張力與設(shè)定張力值不等時(shí)，產(chǎn)生電壓反饋送到復(fù)卷軸驅(qū)動(dòng)器的模擬量輸入端口，通過(guò)PID調(diào)節(jié)器將電壓差轉(zhuǎn)變?yōu)檩S的速度附加值，通過(guò)軸的轉(zhuǎn)速調(diào)整穩(wěn)定張力，如圖4所示。

但是由于紙卷的卷徑在不斷變化，根據(jù)速度同步的原理，復(fù)卷單元的軸對(duì)虛擬主軸的電子齒輪比應(yīng)該隨著卷徑的增加而變化，否則傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)復(fù)卷單元軸的速度和加速度的控制會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。通過(guò)實(shí)驗(yàn)也證明，僅通過(guò)PID調(diào)節(jié)器來(lái)跟蹤調(diào)整復(fù)卷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定張力的控制，在某些情況下（比如在整個(gè)系統(tǒng)突然加減速時(shí)）難以及時(shí)響應(yīng)。因此需要及時(shí)計(jì)算紙卷的卷徑并修正復(fù)卷單元軸對(duì)虛擬主軸的電子齒輪比。

張力控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.表柔印刷機(jī)系統(tǒng)介紹

本課題針對(duì)某印刷機(jī)廠的一款表柔印刷機(jī)（如圖5）進(jìn)行了無(wú)軸化改造，該機(jī)包括控制張力的給紙機(jī)構(gòu)、張力機(jī)組，5個(gè)柔印機(jī)組，2個(gè)膠印機(jī)組以及一個(gè)復(fù)卷單元。系統(tǒng)采用德國(guó)博士力士樂(lè)公司的IndraDrive型驅(qū)動(dòng)器和MSK系列電機(jī)。系統(tǒng)采用SERCOS和ProfiBus分別作為運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制的通訊總線。

2.張力控制的實(shí)現(xiàn)

本課題研究的印刷機(jī)在給紙機(jī)構(gòu)與張力機(jī)組之間的張力控制為開環(huán)控制，復(fù)卷單元為閉環(huán)的收放卷控制。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究國(guó)產(chǎn)化的實(shí)現(xiàn)方法。

①開環(huán)張力控制的實(shí)現(xiàn)

開環(huán)張力控制需要速度同步的功能，采用電子凸輪模塊（圖6）來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先將虛擬主軸設(shè)為Master，設(shè)要進(jìn)行開環(huán)張力控制的進(jìn)紙與出紙軸為Slave。根據(jù)進(jìn)出紙軸的半徑與虛擬主軸的半徑之比確定各自的電子齒輪比。此時(shí)，由于進(jìn)出紙軸的速度差為0，無(wú)法形成張力。因此為了獲得適當(dāng)?shù)膹埩?，就要在出紙軸的SlaveScaling上增加一個(gè)調(diào)整量如圖7，通過(guò)調(diào)整該值就可以在進(jìn)出紙兩軸間形成速差，產(chǎn)生張力。

②復(fù)卷控制的實(shí)現(xiàn)

收卷機(jī)械主要用到了浮動(dòng)輥、氣缸、牽引輥、導(dǎo)向輥等，收卷過(guò)程中作用在浮動(dòng)輥上的拉力與輥的自身重力以及氣缸的推力相平衡，浮動(dòng)輥處于中間的平衡位置，保證浮動(dòng)輥一直處于中間的平衡位置即保證了收卷過(guò)程中的張力恒定。簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖8所示。

在收卷過(guò)程中，若始終保持張力為一個(gè)定值，最終很容易造成紙卷的空心現(xiàn)象，所以在控制過(guò)程中需要張力的大小由大變小，浮動(dòng)輥要求一直保持在水平位置來(lái)保證張力恒定，這就要求改變氣缸的推力來(lái)改變收卷紙張的張力，在印刷制品的收卷過(guò)程中一般可采取簡(jiǎn)單的錐度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖9所示。

其中橫軸表示的是紙卷卷徑大小，縱軸表示的是控制氣缸推力大小的電壓。本控制系統(tǒng)的卷紙直徑極限值是1500mm，軸芯直徑為80mm，因此設(shè)計(jì)為卷徑在300mm內(nèi)時(shí)保持一個(gè)一定的張力值，卷徑在300～1000mm時(shí)張力以一定的線性關(guān)系遞減，在卷徑超過(guò)1000mm時(shí)張力又保持在一個(gè)穩(wěn)定的值上。

SYNAX200系統(tǒng)可以提供3種收放卷的方式：浮動(dòng)輥、張力傳感器、甚至無(wú)傳感器方式。本機(jī)器是根據(jù)浮動(dòng)輥的位置來(lái)調(diào)整收卷的速度，收卷系統(tǒng)包括一臺(tái)伺服電機(jī)（用它來(lái)驅(qū)動(dòng)收卷的軸），一個(gè)浮動(dòng)輥，一個(gè)相位傳感器以及伺服驅(qū)動(dòng)器。相位傳感器根據(jù)浮動(dòng)輥擺動(dòng)的不同位置產(chǎn)生不同的電壓信號(hào)，輸送到伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢詫⑾辔粋鞲衅髟诟?dòng)輥擺動(dòng)到中間位置時(shí)產(chǎn)生的電壓信號(hào)作為設(shè)定值，位置檢測(cè)值是根據(jù)浮動(dòng)輥的不同位置不斷變化的，伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)一系列的運(yùn)算調(diào)節(jié)速度調(diào)整量來(lái)進(jìn)行速度控制。

復(fù)卷軸先與虛擬主軸做速度同步運(yùn)動(dòng)。在閉環(huán)控制下輸出速度附加值并疊加到原有的速度上，使復(fù)卷軸速度高于虛擬主軸速度而形成張力。當(dāng)卷徑增大時(shí)，通過(guò)卷徑計(jì)算產(chǎn)生當(dāng)前卷徑，進(jìn)而產(chǎn)生當(dāng)前的電子齒輪比給SlaveScaling。隨著卷徑的增加，復(fù)卷所需張力由設(shè)置好的張力錐度重新確定。速度附加值和模擬量I/O的數(shù)據(jù)可以通過(guò)SERCOS的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)S37（速度附加值）和博士力士樂(lè)公司的IndraDrive型驅(qū)動(dòng)器自帶的負(fù)責(zé)模擬量輸入輸出的P參數(shù)（產(chǎn)品參數(shù)）得到實(shí)時(shí)處理。

本文針對(duì)無(wú)軸傳動(dòng)印刷系統(tǒng)研究了此類系統(tǒng)中張力控制的方法。在對(duì)某印刷機(jī)廠表柔印刷機(jī)的無(wú)軸化改造中采用力士樂(lè)的無(wú)軸控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了張力的開環(huán)控制和閉環(huán)的復(fù)卷張力控制。印刷速度最高可達(dá)200m/min，套準(zhǔn)精度為0.03mm。最終攻克了印刷過(guò)程中同步控制，張力控制，凸輪控制以及收卷控制等無(wú)軸控制技術(shù)的難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)軸印刷機(jī)的國(guó)產(chǎn)化。

責(zé)任編輯：李倩 liqian@cprint.cn