Lenze全伺服系统解决方案在瓦楞纸无轴印刷中的应用

1 引言
       瓦楞纸箱是一种十分优良的绿色包装材料，广泛应用于人们的社会生活各个方面，是家电、食品、医药、日化、纺织、烟酒、轻工业等行业必不可少的包装容器。

       随着社会不断发展和消费水平的提高，人们对商品包装的要求也不断提高。如何展现包装魅力、美化商品图案、引导消费、提高产品附加值也是增加企业竞争力的一个重要因素。目前，瓦楞纸箱的印刷逐步向高档次、高质量、多色彩、视觉效果强烈的方向发展，以彩面多色网点印刷为方向[1]，使印刷图案达到色彩鲜艳，光泽度好、美观的效果，这就对瓦楞纸产品印刷精度方面提出了更高的要求。

       印刷机的机械加工误差和电气控制精度是影响产品印刷精度的两个重要因素。机械误差主要来源于齿轮之间的间隙、同步带、机械轴安装是否同心等。另外，部分印刷机械设备采用机械主轴方式，为减小机械误差，必须提高机械加工精度，维护成本较高；电气控制精度主要由伺服驱动器、伺服电机等精度决定。为提高印刷精度，可采用以下方式：一是机械上除提高加工精度外，还可以取消机械主轴，使用电气虚拟主轴替代机械主轴；二是采用合理的自动化系统解决方案，并使用高性能、高精度的伺服驱动器及伺服电机。

       Lenze公司主要进行高精度、高性能的伺服驱动产品的研发，致力于为客户提供优质的印刷自动化系统伺服解决方案，本文从典型的开槽模切印刷设备介绍了此应用系统解决方案。

2 设备主体结构
       瓦楞纸印刷设备类型是多种多样的，但主体结构主要由送纸单元、印刷单元、干燥单元、模切单元等组成，如图1所示。其中，由于设备功能不同，部分印刷设备会将模切单元更换为其他设备。

图1 瓦楞纸印刷设备主体结构示意图

       送纸单元主要由进纸轮、抬板、挡板、送纸辊等组成。挡板可上下移动，根据瓦楞纸原料厚度上下调整，以保证送纸轮每次仅送进去一张瓦楞纸，上面一张纸则被挡板挡住；

       抬板可通过两种方式进行驱动，一种是通过机械凸轮耦合方式与主轴相连，通过主轴驱动抬板做凸轮运动；另外一种方式则通过伺服电机驱动，使抬板进行凸轮运动。进纸轮由四组滚轮组成，主要将印刷纸板送入后续印刷单元中，进纸轮由一台伺服电机驱动。为灵活适用多种产品规格印刷及维护方便，目前比较流行的方式为进纸轮和抬板均采用伺服电机驱动方式；

       送纸辊由一台伺服电机驱动，将印刷纸板送入后续印刷单元中。纸板在进入送纸辊之前，线速度需达到送纸辊线速度，即生产线速度，以保证纸板在送纸辊之间不会发生打滑或者拉伸，进而影响后续印刷精度。

       印刷单元是瓦楞纸印刷主体结构，也是核心关键结构。这部分机械精度直接影响到印刷精度。图1所示为6色印刷单元，每色单元分别由网纹辊、印刷版辊、传送轮组等组成，图1仅画出印刷辊及传送轮。印刷单元色数可以根据需要进行调整，可改为4色或者其它数目，但色数增多意味着对机械精度要求更高，印刷更加复杂。印刷辊筒和传送轮可通过机械耦合方式由一台伺服驱动，也可以两台伺服同时驱动，本文则采用后一种全伺服方式。

       干燥单元主要采用热风干燥、红外线干燥、紫外线干燥等方法，用热风与红外线加热相结合的干燥方法效果更佳[2]。

       模切单元由胶辊和模切辊组成，通过两台伺服电机分别驱动。模切单元将印刷产品通过模切压痕制成精美箱盒产品。

3 产品介绍
       1) 控制器3200C
       3200C是Lenze推出的一款强大的高性能运动控制器PLC，主要用于高精度、高动态响应的运动控制。操作系统采用WinCE系统，软件开发平台为CoDeSys平台，最小运行扫描时间为1ms。

       内置两个Ethernet 百兆以太网口、一个百兆EtherCAT接口、一个DVI接口。通讯可选件包含Profibus DP master、Profibus DP Slave、CANopen模块。

       可扩展IO模块，IO模块包含数字量输入DI、数字输出DO、模拟量输入AI、模拟量输出AO、编码器速度测量等模块。

       2) 伺服9400
       伺服9400是Lenze高精度伺服控制器，尤其适用于集中式、紧凑型单轴、多轴安装系统。该伺服采用32位处理器，具备极高的运算及控制精度；伺服内部具备PLC编程功能，客户不同的需求可以通过编程灵活实现，扫描时间达到1ms；此外，通过选择不同的通讯模块，9400伺服控制器可以快捷地与第三方PLC或者其他伺服驱动器通讯，如Profibus DP、ProfiNet、EtherCAT等模块。

       3) 伺服驱动器i700
       伺服驱动器i700是Lenze公司最新推出的一款多轴伺服驱动器，除具备伺服9400高精度的特性外，还具备较高的性价比。伺服轴模块分为单轴模块、双轴模块，使用时可以灵活组合，轴模块之间通过母线并联，轴模块供电集中统一通过直流母线供电；通讯采用集成的高速工业以太网EtherCAT与3200C或者第三方运动控制器PLC通讯。安装方式有冷板安装，推出式散热，柜内安装三种安装方式，功率范围为 0.75kW 到 15 kW。

4 全伺服自动控制系统结构
       图2为典型的Lenze无轴印刷全伺服控制系统结构图，主要硬件结构包含Lenze触摸屏MP1000、3200C运动控制器、Lenze伺服控制器及Lenze伺服电机。

图2 全伺服控制系统结构图

       3200C运动控制PLC是整个运动控制系统的核心，它包含了设备运行所需要的虚拟主轴控制、电子凸轮控制、相位同步控制等印刷所需要的核心控制功能。3200C与伺服9400、伺服驱动器i700通讯采用通讯速率高达100Mbps的通讯网EtherCAT。EtherCAT 是一种实时工业以太网技术，它充分地利用了以太网的全双工特性[3]。除具备高速通讯速率外，使用EtherCAT作为总线使方案拓展更具灵活性，符合EtherCAT协议的设备均可拓展到此系统结构上。3200C则通过EtherCAT网络统一协调所有设备的运转。

       伺服驱动器使用Lenze性价比较高的i700驱动器，i700是Lenze在伺服驱动器领域的新产品，i700分为单轴和双轴模块，双轴模块可以分别独立驱动两台伺服电机。i700内部不包含驱动程序，仅包含最基本的位置环、速度环、电流环等控制闭环，所有的设定值、控制命令等设定数据均由3200C通过EtherCAT过程数据通道下发。此外，部分设备如前缘进纸功率较大，因此需采用伺服9400，伺服9400采用Lenze CIA402模式，其控制思路与方法则与i700相同，均由3200C通过EtherCAT总线下发设定值和控制字等命令来控制驱动器。

       Lenze触摸屏MP1000通过DVI线与3200C通讯。由于运动控制器3200C支持OPC Server及以太网自由口通讯，3200C可以与支持OPC协议或者以太网自由口通讯的触摸屏通讯。伺服电机则采用Lenze自身品牌的伺服电机。

       系统电源供电较为灵活，i700伺服驱动器可由i700电源模块直流DC母线供电，并可以根据负载大小调整电源供电模块数量，电源模块之间并联连接；9400则可以外接380V，也可以选择一款大功率的供电模块，通过直流DC母线同时为9400及i700供电。

5 系统主要功能
       1) 无轴印刷
       在3200C中，使用虚拟主轴取代机械主轴作为设备控制的主轴，避免机械主轴的设备维护成本及控制精度差的特点。所有印刷单元及其它设备均根据虚拟主轴运行，以保证印刷设备动作的统一协调性和印刷精度。这样，通过控制虚拟主轴的运转就可以控制印刷全线的运转。

       2) 相位同步
       相位同步是印刷中极为重要的功能，相位同步控制精确与否直接影响到产品的印刷精度。在多色印刷中，为保证印刷精度和印刷图案精美，必须保证多色印刷单元的十字标紧紧的重合在一起，就需要精确的相位同步控制，同时提高系统的鲁棒性。

       3) 相位回零
       在操作人员进行印刷单元维护或者在更换印版时，进行点动或其它操作使各印刷单元相位偏离原来的初始印刷位置。为了使各印刷单元十字标重合，再次印刷之前，需要将各印刷单元相位调整到初始设定好的某一固定位置。

       4) 印版压力修正
       在印刷过程中，由于印版压力的影响，会导致印刷在纸板上的图案整体拉伸或者压缩，进而影响后续印刷精度或则图案精美度。为减小压力对纸板印刷的影响，可通过Lenze电气控制程序上来补偿此压力影响。

       5) 凸轮曲线控制
       在前缘进纸单元中，纸张进入拉纸辊或者印刷单元前，需要达到生产线速度。因此，纸张需要从静止加速到同步生产线速度，实现此要求还需要抬板动作进行配合。这样，进纸轮和抬板就需要在运动控制器3200C中使用不同的凸轮曲线进行协调控制纸张进纸速度。

       6) 印刷单元双伺服控制
       通常，印刷单元滚筒和传送轮由一台伺服电机控制，滚筒和传送轮之间通过同步带或者机械齿轮耦合。这样会带来两种问题，一是滚筒和传送轮之间多一级机械结构，就会带来多一级的机械误差，这会直接影响印刷精度；二是无法通过电气程序对印版压力进行修正，当印刷图案整体拉长或者压缩时，电气无法通过伺服驱动对滚筒和传送轮分别进行相位调整。为解决这些问题，印刷滚筒和传送轮可采用双伺服电机分别控制相位的方式。

6 Lenze亮点
       1) 运动控制器3200C具备强大的运算功能，在多达20根轴的情况下，程序运行时间1~2ms。
       2) 3200C虚拟主轴概念的使用实现了无轴印刷，使全线设备控制更具协调性。
       3) Lenze新产品i700的使用不仅具备较高的伺服控制精度，还具备较高的性价比。
       4) 总线EtherCAT不仅具备较高的通讯速率，其协议的开放性也使方案扩展变得极为容易。
       5) 工程人员可通过以太网远程监控、维护客户现场设备，快速响应现场客户需求及降低成本。

7 结论
       我国瓦楞纸箱印刷行业的起步较晚，但发展较为迅速。目前，市场竞争激烈，如何印刷出精美的图案，提高市场竞争力是企业的迫切需求。Lenze公司在这一领域有整套电气解决方案。其强大的运动控制器 3200C和高性能的伺服9400、i700及同步伺服电机是高精度电气控制的重要保证。EtherCAT总线的应用为系统的扩展性提供了极大的便利，i700伺服驱动器双轴模块、单轴模块是较高性价比的伺服驱动器。随着行业的发展，Lenze公司将为客户提供更为优质的服务和系统解决方案，Lenze将与客户共同发展。

8 参考文献
       1．张学中. 国内外瓦楞纸箱的发展和未来趋势[EB／OL]. http://news.pack.cn/hydt/xzyc/2007-03/2007031510192743.shtml, 2007-03-15
       2. 唐万有，蔡圣燕，王丰军等. 《印后加工技术》[M]. 北京；中国轻工业出版社，2007. 46。
       3. 郇极 刘艳强 .《工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用》[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社，2010.03. 5