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    科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了報(bào)紙印刷行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，從80年代起，我國各級(jí)報(bào)社印刷廠陸續(xù)告別了鉛與火的印刷方式，逐步使用膠印輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)印刷報(bào)紙。膠印輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)也隨著新技術(shù)、新工藝、新材料的應(yīng)用。其功能越來越完備，印刷質(zhì)量也越來越穩(wěn)定。
        圖1所示為一臺(tái)典型的國產(chǎn)四色膠印輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)的示意圖。圖1中，印刷機(jī)組由4個(gè)B-B印刷滾筒垂直排列。多色膠印輪轉(zhuǎn)機(jī)是一種復(fù)雜控制、精度要求極高的設(shè)備，為保證套印精度，對(duì)各個(gè)印刷滾筒的轉(zhuǎn)速精度、位置精度和同步性能要求非常高，早期的印刷機(jī)是采用一個(gè)主電機(jī)來帶動(dòng)各個(gè)印刷滾筒，各印刷滾筒和主電機(jī)間用一根主傳動(dòng)軸進(jìn)行鋼性聯(lián)接，這種方式通常稱為有軸式的輪轉(zhuǎn)機(jī)。由于傳動(dòng)軸的存在帶來了諸如體積大、造價(jià)高、占地大、不靈活等一系列問題。
         所謂無軸傳動(dòng)就是用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)印刷滾筒，取代了傳動(dòng)齒輪、軸傳動(dòng)，從而使機(jī)器的制造、安裝、保養(yǎng)更簡單，減少了機(jī)械故障。由于使用了無軸傳動(dòng)技術(shù)，各滾筒和印刷單元由獨(dú)立電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)，滾筒和印刷單元之間的同步由電氣控制，操作使用容易，而且暫時(shí)不用的印刷滾筒及印刷單元也可方便地離合。
采用無軸無齒輪傳動(dòng)技術(shù)。每個(gè)印刷滾筒都獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用最新的伺服電機(jī)和數(shù)字技術(shù)，能充分保證橡皮滾筒和印版滾筒之間的同步運(yùn)轉(zhuǎn)要求。
        圖1所示的設(shè)備，可以每個(gè)H印刷單元配置一個(gè)伺服電機(jī)獨(dú)立控制，折頁傳動(dòng)也無軸技術(shù)，折頁滾筒和無頭輥各有一個(gè)伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。

多軸同步伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。圖2中:
人機(jī)接口采用一個(gè)觸摸屏，負(fù)責(zé)整個(gè)設(shè)備與操作人員間的交流。





圖1 典型的國產(chǎn)四色膠印輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)的示意圖
       上位機(jī)計(jì)劃采用一臺(tái)臺(tái)灣研華的P4級(jí)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，主要負(fù)責(zé)設(shè)備的總體控制、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、加載、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控等功能。
        PLC作為實(shí)際的執(zhí)行環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)將上位機(jī)的相應(yīng)的控制信息轉(zhuǎn)換為一系列的可執(zhí)行的操作和動(dòng)作，并實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。
        虛擬主軸采用一臺(tái)同步控制器，采用雙DSP的結(jié)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)根據(jù)PLC傳過來的控制指令生成相應(yīng)的虛擬主軸的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)其狀態(tài)控制各伺服系統(tǒng)的相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)，并負(fù)責(zé)各伺服系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)時(shí)將伺服系統(tǒng)的相關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)的信息回傳給PLC。
        伺服系統(tǒng)主要由交流伺服驅(qū)動(dòng)器、交流伺服電機(jī)、編碼器、通訊端口等組成，主要任務(wù)是根據(jù)從虛擬主軸傳送過來的控制指令，控制自身的運(yùn)行姿態(tài)，保證各組間的轉(zhuǎn)速和相位的同步。
張力控制系統(tǒng)根據(jù)虛擬主軸的控制指令以及張力的設(shè)定值和檢測(cè)值，經(jīng)相應(yīng)運(yùn)算，生成給紙機(jī)構(gòu)的運(yùn)行控制指令，控制給紙伺服系統(tǒng)的工作姿態(tài)，從而保證印刷的精度和速度。
        由PLC控制的其它功能，如拉版控制、離合壓控制、水墨控制等控制功能均采用印刷機(jī)原有控制方式和設(shè)計(jì)，在此不加描述。

伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的原理
        本系統(tǒng)共配置6臺(tái)伺服系統(tǒng)，如圖2所示，其中系統(tǒng)1、2控制折頁部分、系統(tǒng)3、4、5、6各控制一組H印刷單元的2個(gè)B-B印刷滾筒。





圖2 系統(tǒng)總體框圖
各伺服系統(tǒng)的組成如圖3所示:





圖3 伺服系統(tǒng)的組成
圖3中:
         總線接口采用SERCOS總線協(xié)議;該模塊負(fù)現(xiàn)接收虛擬主軸下傳送的運(yùn)行速度指令及相位同步信號(hào)，并回傳本伺服系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行頻率、相位以及本系統(tǒng)的工作狀態(tài)信號(hào)等;
        伺服電機(jī)采用三相交流異步伺服電動(dòng)機(jī)，電機(jī)軸安裝高精度編碼器，輸出軸經(jīng)減速齒輪(減速比2:1)連接到各印刷滾筒伺服驅(qū)動(dòng)器的的系統(tǒng)原理框圖如圖4所示;

圖4 伺服驅(qū)動(dòng)器的的系統(tǒng)原理框圖
        驅(qū)動(dòng)單元采用矢量控制方式, 以高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP 為核心, 以大規(guī)模專用集成電路、高速功率模塊作為實(shí)現(xiàn)電路, 使驅(qū)動(dòng)單元具有體積小、重量輕、運(yùn)算速度高、位置控制定向時(shí)間短、易于高速準(zhǔn)停等諸多優(yōu)點(diǎn)。該驅(qū)動(dòng)單元能接受數(shù)字速度給定, 也能接受模擬速度給定, 具備過流、過壓、過載、欠壓、過熱、過速等多項(xiàng)保護(hù)的監(jiān)控和診斷功能, 具有通訊功能, 準(zhǔn)停參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)設(shè)置既可以通過PC 機(jī)預(yù)置也可以手動(dòng)輸入, 設(shè)計(jì)緊湊, 使用方便。
編碼器采用一臺(tái)2的20次方精度的增量式光電編碼器。
        當(dāng)印刷機(jī)工作于最高速度45000 sph(sheets per hour,頁/小時(shí))時(shí)，對(duì)應(yīng)于印刷滾筒的轉(zhuǎn)速為 750r/min，由于電機(jī)軸到印刷滾筒有一個(gè)2:1的減速，則要求伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為:
750×2=1500r/min
印刷滾筒直徑為173.8 mm，周長為L=173.8×π=546mm。
編碼器采用一臺(tái)2的20次方精度的增量式光電編碼器，加之電機(jī)輸出到滾筒有一個(gè)2:1的減速比，檢測(cè)環(huán)節(jié)的分辨率為:

或者:

虛擬主軸與現(xiàn)場總線
         有軸式的輪轉(zhuǎn)機(jī)中采用一臺(tái)主電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)主軸，各個(gè)機(jī)組通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與主軸相連，用機(jī)械的方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)印刷機(jī)組之間的運(yùn)轉(zhuǎn)速度與相位的同步。
        本方案中取消了機(jī)械主軸，而代之以一個(gè)虛擬的電子主軸，由虛擬主軸控制器(以下簡稱VMC)虛擬出一個(gè)主軸的運(yùn)行狀態(tài)，再通過高速現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)將虛擬主軸的運(yùn)行狀態(tài)傳送給各個(gè)伺服系統(tǒng)，各個(gè)伺服系統(tǒng)各自組成閉環(huán)，精確控制自身的運(yùn)行姿態(tài)，在VMC的同步信號(hào)的控制下，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行速度與相位的高速精確同步，從而構(gòu)成一個(gè)高速精密的主從型伺服控制系統(tǒng)。
VMC采用雙CPU的結(jié)構(gòu)，采用高速信號(hào)處理器TMS320F2812,VMC的功能框圖如圖5所示。

圖5 VMC的功能框圖
同步信號(hào)的傳輸以及虛擬主軸控制器與各伺服系統(tǒng)間的信息交換采高速現(xiàn)場總線(SERCOS)完成。
        要求兩個(gè)從站的速度相同，即角速度和相位相同。如果有一個(gè)從站不同步，隨著時(shí)間增加，兩個(gè)從站的同步誤差就會(huì)累積，從而不能滿足高速印刷的要求。采用SERCOS無軸傳動(dòng)和獨(dú)立的定位控制，能夠解決這個(gè)難題。當(dāng)出現(xiàn)不同步時(shí)，從站發(fā)送伺服電報(bào)，把它的相關(guān)信息傳送給主站，主站數(shù)據(jù)電報(bào)就將對(duì)相應(yīng)的傳動(dòng)裝置進(jìn)行新的設(shè)定，發(fā)送給從站，從站接收數(shù)據(jù)后根據(jù)主站的設(shè)定改變其速度和相位，從而始終保證同步誤差維持在允許的范圍內(nèi)，不再進(jìn)行累加，保證了高速印刷同步的要求。

結(jié)語
         由多軸同步伺服傳動(dòng)控制技術(shù)構(gòu)成的無軸傳動(dòng)印刷機(jī)，與采用一臺(tái)主電機(jī)拖動(dòng)的有軸式傳動(dòng)的印刷機(jī)相比，其生產(chǎn)能力和印品加工質(zhì)量有較大提高，系統(tǒng)配置的靈活性增加，操作簡單，生產(chǎn)成本降低，系統(tǒng)工作更加安全可靠。