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　　1、前言
　　
　　在科學(xué)技術(shù)日新月異發(fā)展的今天，為滿(mǎn)足人們對(duì)商品包裝多樣化、精美化的需要，對(duì)包裝印刷傳動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)化要求、位置跟蹤精度要求越來(lái)越高。將微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、新傳感技術(shù)、激光技術(shù)以及新工藝與新材料等應(yīng)用于印刷機(jī)械，實(shí)現(xiàn)智能化、高自動(dòng)化、能化，是現(xiàn)代印刷機(jī)械的發(fā)展方向。
　　
　　2、包裝印刷機(jī)械現(xiàn)狀
　　
　　我國(guó)的包裝印刷機(jī)械，特別是凹印生產(chǎn)線起步較晚，基礎(chǔ)比較薄弱。根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有的約300臺(tái)煙包凹印生產(chǎn)線，幾乎全部從歐、美．日或澳大利亞等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口。其中絕大部分于上世紀(jì)90年代引入，一般使用八九十年代的技術(shù)，有的甚至是六七十年代的技術(shù)，設(shè)備具有以下特點(diǎn)。
　　
　?。?）設(shè)備的控制電路一般都采用可編程序控制器（PLC）或計(jì)算機(jī)控制，就這一點(diǎn)來(lái)講。還是比較*的。
　　
　　（2）傳動(dòng)裝置一般采用直流調(diào)速電機(jī)，有些六七十年代的設(shè)備采用的還是滑差調(diào)速電機(jī)。主傳動(dòng)通過(guò)一臺(tái)直流調(diào)速主機(jī)（或一臺(tái)交流調(diào)速主機(jī)）驅(qū)動(dòng)一根機(jī)械軸，再通過(guò)這根機(jī)械軸把各色組單元以及模切單元連在一起，同步轉(zhuǎn)動(dòng)。這種機(jī)械通軸結(jié)構(gòu)直至現(xiàn)在仍是卷筒紙凹印機(jī)普遍采用的傳動(dòng)形式。
　　
　?。?）套準(zhǔn)裝置一般采用步進(jìn)電機(jī)帶減速器機(jī)構(gòu)（包括差速器、無(wú)級(jí)變速器等）。
　　
　?。?）張力控制裝置一般也采用步進(jìn)電機(jī)帶減速器機(jī)構(gòu)。
　　
　　近年來(lái)，電子技術(shù)和微電子技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，隨之也帶動(dòng)了交流傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步。近代交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了二十多年，目前正成為電氣傳動(dòng)的主流，一直被直流傳動(dòng)所占據(jù)的眾多領(lǐng)域已被交流傳動(dòng)所占領(lǐng)。
　　
　　3、機(jī)械通軸結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)
　　
　　卷筒紙煙包六色凹印機(jī)可以在卷筒紙上印刷1—6種顏色。由于卷筒紙凹版印刷速度快、層次再現(xiàn)豐富、質(zhì)感好，因而得到了廣泛使用。但它對(duì)機(jī)械制造精度要求很高．特別是由于紙張易受溫濕度影響而變形、伸縮，即使套印調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)制造得非常精細(xì)，各部分動(dòng)作又非常協(xié)調(diào)準(zhǔn)確，但如果自動(dòng)化程度不高，仍難以避免套印不準(zhǔn)，不能保證產(chǎn)品質(zhì)量。國(guó)內(nèi)大部分卷筒紙凹印設(shè)備一般采用機(jī)械通軸結(jié)構(gòu)，需要靠人工進(jìn)行套印預(yù)定位，操作復(fù)雜，定位誤差大，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)慢。預(yù)定位不準(zhǔn)導(dǎo)致設(shè)備需要很長(zhǎng)的帶紙運(yùn)行時(shí)間，從而產(chǎn)生許多廢品。
　　
　　4、交流伺服傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)
　　
　　為了解決上述問(wèn)題，歐美等國(guó)一些*的印刷機(jī)制造企業(yè)已利用現(xiàn)有的交流伺服傳動(dòng)技術(shù)研制出電子無(wú)軸卷筒紙凹印機(jī)。與傳統(tǒng)的有軸｛機(jī)械軸）傳動(dòng)凹印機(jī)相比，電子無(wú)軸卷筒紙凹印機(jī)取消了印刷單元間的機(jī)械通軸結(jié)構(gòu)，每一個(gè)印刷單元都采用AC矢量變頻電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，由電機(jī)直接帶動(dòng)印版滾筒，并調(diào)整印版滾筒的相位來(lái)實(shí)現(xiàn)縱向套準(zhǔn)，同時(shí)由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)印版滾筒的橫向移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)橫向套準(zhǔn)。這樣的設(shè)計(jì)帶來(lái)了以下幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)。
　　
　?。?）省掉了許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，使因機(jī)械磨損而降低套印精度的可能降至zui低，增加了可靠性．減少了維修保養(yǎng)成本。
　　
　?。?）套準(zhǔn)時(shí)間很短，響應(yīng)速度極快。
　　
　?。?）提供了*的高精度預(yù)對(duì)版功能，當(dāng)印版滾筒裝入印刷單元后，通過(guò)傳感器來(lái)檢測(cè)印版滾筒上的零位標(biāo)記，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)會(huì)自動(dòng)將印版滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)至預(yù)設(shè)零位。設(shè)備通過(guò)電機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)預(yù)套準(zhǔn)操作，不必帶紙運(yùn)行，故預(yù)套準(zhǔn)過(guò)程廢品很少．此外由于無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)印版滾筒相位的控制精度高，信息交換快，可實(shí)現(xiàn)高精度的高速套準(zhǔn)，因此在高速印刷狀態(tài)下仍能獲得比機(jī)械軸凹印機(jī)高得多的套準(zhǔn)精度。
　　
　　5、改造方案
　　
　　我公司是紅塔集團(tuán)投資興建的煙包印刷廠，擁有一條從法國(guó)小森——尚邦公司引進(jìn)的NL650型六色凹版連線模切印刷生產(chǎn)線。這臺(tái)印刷機(jī)所采用的技術(shù)基本上體現(xiàn)了當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，控制電路采用西門(mén)子PLC，套印電路采用尚邦公司的RNP93系統(tǒng)。主傳動(dòng)使用一臺(tái)直流調(diào)速電機(jī)通過(guò)一根機(jī)械軸將動(dòng)力傳到各印刷色組和模切站，各單元的套?。ㄎ恢秒S動(dòng)和補(bǔ)償）采用步進(jìn)電機(jī)加差速器的結(jié)構(gòu)，因而無(wú)法避免上述機(jī)械通軸凹印機(jī)的缺點(diǎn)。此外還有以下不足。（1）主電機(jī)采用直流調(diào)速電機(jī)，炭刷和換向器的維護(hù)成本高。
　　
　?。?）齒輪箱和無(wú)級(jí)變速器不僅是易磨損的零部件，維修成本高，而且不可避免地存在機(jī)械間隙．當(dāng)步進(jìn)電機(jī)根據(jù)套印指令做出的調(diào)整通過(guò)這些機(jī)構(gòu)到達(dá)印版時(shí)，會(huì)有所損失，嚴(yán)重時(shí)引起振蕩。
　　
　?。?）上述設(shè)備已使用近10年的時(shí)間，許多零部件廠家已不再生產(chǎn)，給維修帶來(lái)很大困難。
　　
　　這些問(wèn)題已經(jīng)影響到公司的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，本文即想探討采用交流伺服系統(tǒng)來(lái)改造這臺(tái)印刷機(jī)的可能性。
　　
　　與步進(jìn)電機(jī)相比，交流伺服電機(jī)具有以下明顯的優(yōu)異性能。
　　
　?。?）控制精度大大提高。
　　
　?。?）低頻特性增強(qiáng)。
　　
　?。?）矩頻特性好。
　　
　?。?）速度響應(yīng)性能、控制性能（閉環(huán)控制）和過(guò)載能力大大提高。
　　
　　5.1總體改造方案
　　
　?。?）拆除直流調(diào)速主機(jī)和機(jī)械通軸、差速齒輪箱、步進(jìn)電機(jī)等所有主傳動(dòng)和步進(jìn)伺服傳動(dòng)零部件，用7組獨(dú)立的交流伺服電機(jī)單元取代上述部件來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)和位置補(bǔ)償功能。這里說(shuō)的7組單元是6個(gè)色組加1套模切單元，如果算上2組張力單元?jiǎng)t應(yīng)該是9組，因此軸數(shù)會(huì)因不同的機(jī)型改造方案而不同。
　　
　　（2）7組交流伺服電機(jī)單元通過(guò)高精度免維護(hù)減速器（速比為5：1或10：1）直接與印版軸或模切軸相連，把電機(jī)到版軸之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)減至zui少，并實(shí)現(xiàn)7軸獨(dú)立伺服驅(qū)動(dòng)。
　　
　　5.2具體改造方案
　　
　　從圖1可以看到，設(shè)備改造前的傳動(dòng)及套印結(jié)構(gòu)是一臺(tái)35kW的直流調(diào)速電機(jī)通過(guò)一根長(zhǎng)軸將6個(gè)印刷單元連接在一起。
　　
　　印版電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元擬采用力士樂(lè)公司的Ecodrive型智能交流伺服驅(qū)動(dòng)器和配套的MHD高性能交流伺服電動(dòng)機(jī)。其中伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部帶有電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)（本次改造不使用位置環(huán)），電機(jī)軸速度和位置檢測(cè)元件是伺服電機(jī)自帶的2500旋轉(zhuǎn)編碼器（4倍頻）。利用伺服驅(qū)動(dòng)器上的第二編碼器接口來(lái)實(shí)現(xiàn)多軸速度跟隨和同步。
　　
　　實(shí)際上，印刷機(jī)的同步控制包括兩方面的內(nèi)容，一方面是各印版軸轉(zhuǎn)速的同步，另一方面是印刷套印同步控制，即通過(guò)光電掃描器檢測(cè)印刷碼刻線的實(shí)際位置，并與理論位置進(jìn)行比較，輸出脈沖信號(hào)（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（改造前是步進(jìn)電機(jī)）進(jìn)行位置調(diào)整，它構(gòu)成了同步控制的外環(huán)。
　　
　　采用伺服控制器在速度方式下對(duì)印版電機(jī)進(jìn)行控制．僅能獲得很好的動(dòng)態(tài)特性。但在印刷過(guò)程中，由于各電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器特性上或多或少存在差異，因而長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中必然有累積誤差，而上述外環(huán)控制就是為了解決這個(gè)問(wèn)題。
　　
　　內(nèi)部速度環(huán)主管各軸速度的同步，要求有良好的動(dòng)態(tài)性能，各種擾動(dòng)給內(nèi)部速度環(huán)帶來(lái)的誤差可以通過(guò)外環(huán)控制加以彌補(bǔ)，外部位置環(huán)保證了穩(wěn)定性和套印精度。
　　
　　本改造方案保留了原系統(tǒng)中套印控制的信號(hào)檢測(cè)、處理和發(fā)送環(huán)節(jié)，只把作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)改成交流伺服電機(jī)。因此，如何將以前發(fā)給步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)為控制交流伺服電機(jī)的信號(hào)是要研究的一個(gè)主要問(wèn)題?，F(xiàn)在的設(shè)想是通過(guò)調(diào)試原有套印系統(tǒng)的操作參數(shù)（實(shí)際上也是PID參數(shù)）以及交流伺服控制器上的PlD參數(shù)，來(lái)解決這一問(wèn)題。
　　
　　5.3套印原理
　　
　　在多色印刷中，一般采用改變印版滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以達(dá)到調(diào)整印刷位置的目的。
　　
　　根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器原理可知，其線數(shù)越多，即印版每轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)越多，位置精度越高。假定印版周長(zhǎng)為500mm，編碼器的線數(shù)為500線，則500mm對(duì)應(yīng)500個(gè)脈沖，1mm對(duì)應(yīng)1個(gè)脈沖，20mm對(duì)應(yīng)20個(gè)脈沖．
　　
　　實(shí)際印刷位置的檢測(cè)是通過(guò)光電掃描器把檢測(cè)到的色標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電脈沖，這些電脈沖與旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的脈沖串同時(shí)被送到套印系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。各色組色標(biāo)之間的距離給定值為20mm，即兩顏色套準(zhǔn)時(shí)，兩色標(biāo)之間的距離是20mm，對(duì)應(yīng)于編碼器脈沖數(shù)為20個(gè)脈沖。如圖5所示，色標(biāo)1與色標(biāo)2兩脈沖觸發(fā)時(shí)間段中計(jì)數(shù)為18個(gè)脈沖，如以印色1為基準(zhǔn)，則說(shuō)明印色2的印版軸轉(zhuǎn)速太快，為使其速度減慢，糾正位置偏差，應(yīng)使伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)相當(dāng)于2個(gè)脈沖的角度；假設(shè)色標(biāo)2與色標(biāo)3兩脈沖觸發(fā)時(shí)間段脈沖數(shù)為23個(gè)脈沖，以印色2為基準(zhǔn)，則說(shuō)明印色3的印版軸轉(zhuǎn)速太慢，為使其速度加快，糾正位置偏差，應(yīng)使伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)相當(dāng)于3個(gè)脈沖的角度以消除偏差。