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一、前言

       無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代末90年代初出現(xiàn)的新的傳動(dòng)技術(shù)。到了90年代后期已應(yīng)用到各類(lèi)卷筒紙和部分其它印刷機(jī)上。它在單張紙膠印機(jī)，表格印刷機(jī)上都有應(yīng)用。例如卷筒紙膠印機(jī)各機(jī)組間，印刷機(jī)組和折頁(yè)機(jī)組，印刷機(jī)組和給紙機(jī)組之間都是由一個(gè)主電機(jī)帶動(dòng)主傳動(dòng)軸和斜齒輪傳遞到個(gè)印刷機(jī)組的。各印刷機(jī)組依靠機(jī)械軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)完成印刷任務(wù)即為有軸傳動(dòng)。由于科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，到了20世紀(jì)90年代中期推出了印刷機(jī)的各印刷機(jī)組由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)組之間不設(shè)有機(jī)械軸，各機(jī)組不再依靠機(jī)械軸同步運(yùn)行而是由電子軸來(lái)完成印刷任務(wù)了。即無(wú)軸傳動(dòng)印刷機(jī)，它實(shí)際上是一種伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控制量能夠跟隨輸入目標(biāo)值或給定值的任意變化而變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它采用眾多的伺服電機(jī)來(lái)分別驅(qū)動(dòng)各機(jī)組的伺服運(yùn)行，這些伺服電機(jī)并非各自為政，而是緊密相連相約的，它們的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由不同層次的網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)來(lái)控制，從而在瞬間實(shí)現(xiàn)協(xié)作和機(jī)組的同步運(yùn)行，這些驅(qū)動(dòng)設(shè)備以及各種網(wǎng)絡(luò)形成了一條“虛擬軸”從而取代了機(jī)械軸即有軸來(lái)帶動(dòng)印刷機(jī)組同步運(yùn)行，因此稱這樣的一種自動(dòng)化控制系統(tǒng)為無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)。

二、博世力士樂(lè)(Bosch Rexroth)  SYNAX200無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)

       我們廠于2007年11月引進(jìn)的瑞典D390塔式高速輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)就是應(yīng)用了全套博世力士樂(lè)(Bosch Rexroth )SYNAX200無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)。SYNAX 200驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)取代了迄今為止仍然經(jīng)常使用但較為昂貴的機(jī)械齒輪箱、萬(wàn)向軸聯(lián)結(jié)、傳動(dòng)長(zhǎng)軸和凸輪等機(jī)械裝置與機(jī)構(gòu)，而代之以數(shù)字化智能伺服驅(qū)動(dòng)、精確的電子同步系統(tǒng)，從而無(wú)需為不同的齒輪箱或滿足各種特殊功能再配備額外的輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。從而提高了印刷質(zhì)量，并且也極大地減少了機(jī)器起動(dòng)和剎車(chē)時(shí)造成的印廢量。整個(gè)印刷過(guò)程由系統(tǒng)內(nèi)部的功能來(lái)支持，它們是電子減速器、電子凸輪盤(pán)、牽引張力控制器、對(duì)版控制器、跳動(dòng)控制器。SYNAX 200控制系統(tǒng)為每個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算出同步的虛擬“電子軸”位置，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的SERCOS(光纖維)驅(qū)動(dòng)界面上（IEC61491）的期望值，通過(guò)光纖維以一定的周期傳送到印刷機(jī)的無(wú)軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，完全可以不受任何干擾。每個(gè)無(wú)軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置（或相位）控制都是如此，從而確保了整臺(tái)印刷機(jī)在印刷過(guò)程中的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。將信號(hào)無(wú)干擾地傳遞給單個(gè)驅(qū)動(dòng)器。帶伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的印刷裝置單驅(qū)動(dòng)器是通過(guò)電子齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)在每次更換報(bào)紙印刷任務(wù)時(shí)所必須進(jìn)行的傳動(dòng)匹配工作的。這種電子齒輪能夠與所需的印刷任務(wù)達(dá)到理想的銜接。這就允許相應(yīng)于所要求的報(bào)紙印刷任務(wù)完成圖案的CMYK顏色的縱向匹配。由此可以完全取消迄今為止所必須的精密機(jī)械齒輪。其結(jié)果是費(fèi)用降低。精密機(jī)械齒輪的取消，免去了每次更換印刷任務(wù)時(shí)，很麻煩的進(jìn)放嚙合過(guò)程。伺服驅(qū)動(dòng)器的絕對(duì)值傳感器技術(shù)保證印刷滾筒快速準(zhǔn)確地校準(zhǔn)對(duì)版位置。除此之外，還可能使印刷長(zhǎng)度的修正量達(dá)到十萬(wàn)分之一的精度。其結(jié)果就是在高度生產(chǎn)可靠性的條件下印廢量的急劇減少。印刷裝置的設(shè)定，同樣也配備了力士樂(lè)的智能型伺服驅(qū)動(dòng)器和分辨精度高達(dá)四百線的高精度伺服電機(jī)。它能夠在1 m的范圍內(nèi)對(duì)印版滾筒進(jìn)行校準(zhǔn)，由此而在全部工作區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了理想的精密顏色套準(zhǔn)。印刷裝置首次可以在紙帶全速的情況下，不停機(jī)地接通。如果當(dāng)前的報(bào)紙印刷任務(wù)僅需10個(gè)印刷裝置中的4個(gè)，這時(shí)其它的6個(gè)就可以為下個(gè)報(bào)紙印刷任務(wù)做準(zhǔn)備.圖1為SYNAX200的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：

       1.PPC主控單元及PROFIBUS RS485 RS422總線的運(yùn)用

       PPC是SYNAX 200驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的核心，它是博世力士樂(lè)(Bosch Rexroth)電氣傳動(dòng)與控制技術(shù)集團(tuán)提供的小型獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制器，單CPU，通過(guò)分時(shí)完成對(duì)運(yùn)動(dòng)和內(nèi)嵌PLC的同步控制。根據(jù)其應(yīng)用和所配軟件，該平臺(tái)可當(dāng)作PLC和運(yùn)動(dòng)控制器。還可通過(guò)分組多個(gè) PPC 控制臺(tái)和主操作系統(tǒng)解決復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)，也可管理兩級(jí)聯(lián)式主操作系統(tǒng)和SERCOS環(huán)內(nèi)最多40個(gè)從動(dòng)軸。瑞典D390高速輪轉(zhuǎn)塔式印刷機(jī)沒(méi)有使用傳統(tǒng)的可編程控制器做運(yùn)動(dòng)控制，而是用Bosch Rexroth的高性能PPC控制器進(jìn)行控制。D390印刷機(jī)是由1個(gè)折頁(yè)機(jī)組(報(bào)頭)和3個(gè)印刷塔組成,4個(gè)部分間無(wú)機(jī)械軸連接,依靠先進(jìn)的SERCOS（光纖）環(huán)路作為虛擬軸連接,如圖所示: 每個(gè)印刷塔都由主控電柜中的單個(gè)PPC通過(guò)SERCOS（光纖）環(huán)路控制自己塔內(nèi)的所有的伺服控制系統(tǒng),并形成閉環(huán).見(jiàn)圖2(略)。PPC系統(tǒng)在所有軸向上都提供了全部同步化運(yùn)動(dòng)，以及對(duì)D390機(jī)上的24伏直流I/O連接的邏輯編程。PPC內(nèi)嵌PLC通過(guò)PROFIBUS總線來(lái)控制印刷塔機(jī)上電箱中的PLC輸入輸出的模塊,通過(guò)RS485 串行總線控制自動(dòng)噴霧系統(tǒng),通過(guò)RS422串行總線控制遙控墨鍵系統(tǒng):如圖3(略)所示。而每個(gè)PPC之間通過(guò)SERCOS（光纖）環(huán)路連通,并形成雙閉環(huán)。見(jiàn)圖2(略)。

       2.光纖回路的運(yùn)用

       PPC之間，PPC與伺服驅(qū)動(dòng)器間，伺服驅(qū)動(dòng)器之間都采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的SERCOS數(shù)字光纖網(wǎng)絡(luò)控制，SERCOS與其他串行現(xiàn)場(chǎng)總線相比，有效數(shù)據(jù)傳輸率高，例如Ethement以100Mbit/s速度傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，有效數(shù)據(jù)傳輸率為5～10Mbit/s；SERCOS以16Mbit/s速度傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，有效數(shù)據(jù)傳輸率為11Mbit/s。另一個(gè)特點(diǎn)是它光纖噪聲抑制能力強(qiáng)、傳輸可靠性高,信號(hào)通過(guò)光纖維以一定的周期傳送到印刷機(jī)的無(wú)軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，完全可以不受任何干擾。SERCOS目前已能滿足在2ms內(nèi)，使一臺(tái)PPC控制器與多達(dá)32個(gè)伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,為系統(tǒng)里的每個(gè)交流伺服系統(tǒng)提供32位的命令信號(hào)和診斷分析反饋。另PPC控制器之間的雙閉環(huán)分主環(huán)和副環(huán),主環(huán)通常被用做通訊,當(dāng)主環(huán)正常運(yùn)行時(shí)副環(huán)只用來(lái)傳輸診斷信號(hào),如果主環(huán)停止傳輸信號(hào)后,副環(huán)將用來(lái)傳輸冗余或備份的信號(hào),但副環(huán)連接的方向必須與主環(huán)相反.為了保證虛擬軸能正常運(yùn)轉(zhuǎn)這樣雙保險(xiǎn)的設(shè)計(jì)還是值得稱道的。見(jiàn)圖5。另附PPC的一些參數(shù)設(shè)置的截圖見(jiàn)圖6,7,8(略)。

        3.局域網(wǎng)的運(yùn)用

        在D390系統(tǒng)中使用了一臺(tái)32口的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)用于組建系統(tǒng)內(nèi)部的局域網(wǎng).其中任務(wù)服務(wù)器(press manager)地址為192.168.1.101,報(bào)頭PPC地址為192.168.1.31,可擴(kuò)展到4個(gè)報(bào)頭即地址可延伸到192.168.1.34,印刷塔地址為192.168.1.1,可擴(kuò)展到16個(gè)印刷塔即地址可延伸到192.168.1.16?？刂婆_(tái)地址為192.168.1.51可擴(kuò)展到8個(gè)控制臺(tái)即地址可延伸到192.168.1.58。顏色自動(dòng)校準(zhǔn)的相機(jī)地址為192.168.1.81。VCP25人機(jī)界面地址為192.168.1.111-116。如果說(shuō)SERCOS數(shù)字光纖系統(tǒng)在整個(gè)SYNAX200系統(tǒng)中起著與伺服系統(tǒng)進(jìn)行海量同步數(shù)據(jù)交換的作用且對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求極高,那么局域網(wǎng)對(duì)其就是有益的補(bǔ)充。

        4.伺服控制系統(tǒng)

       D390印刷機(jī)伺服控制系統(tǒng)使用電源模塊和逆變器模塊的單軸方案:單軸應(yīng)用方案是模塊化的IndraDrive M的使用領(lǐng)域.電源模塊為逆變器提供必需的直流母線電壓.緊湊的單軸或雙軸逆變器以及集成電源連接部件的電源模塊可以實(shí)現(xiàn)大型驅(qū)動(dòng)組的應(yīng)用方案.其中電源模塊具有集成主接觸器, 集成制動(dòng)電阻器,節(jié)省能源的電源回饋等優(yōu)點(diǎn).通過(guò)具有回饋功能的電源模塊,可以獲得最高的能源利用率.除了驅(qū)動(dòng)器發(fā)電機(jī)工作方式的電源回饋,它還以其直流母線的調(diào)節(jié)能力而著稱.模塊式逆變器也可通過(guò)共同的直流母線進(jìn)行能量交換.每個(gè)模塊式逆變器的控制模塊采用的型號(hào)是CSH01.1-SE-ENS-NNN-NNN-S1-S-NN-FW.“SE”代表使用SERCOS接口，此控制模塊是使用SERCOS接口的基本型號(hào), SERCOS的顯著特點(diǎn)就是指令值以極小的循環(huán)時(shí)間在控制器與驅(qū)動(dòng)器之間傳遞。結(jié)合準(zhǔn)確的所有驅(qū)動(dòng)器的同步，SERCOS接口實(shí)現(xiàn)了最大的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性和最高的精確度，通過(guò)光纖的信號(hào)傳遞保障了安全的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)具有最方便的接線。為了連接INDRADYN電機(jī)編碼器和其它標(biāo)準(zhǔn)編碼器，比如HIPERFACE編碼器，相應(yīng)的編碼器接口已經(jīng)集成安裝在此控制模塊上。D390印刷機(jī)伺服控制系統(tǒng)使用的是INDRADYNA系列異步伺服電機(jī)MAD電機(jī)系列。大功率密度的特點(diǎn)使其在印刷行業(yè)的伺服與主軸的應(yīng)用上有極大的優(yōu)勢(shì)。高分辨率的單圈或多圈的編碼器反饋系統(tǒng)以極佳的回轉(zhuǎn)質(zhì)量保證了最高的加工精度。除了鍵槽軸和保持制動(dòng)器等選項(xiàng)，電機(jī)還配備有特殊的支座用于高速的應(yīng)用或者徑向負(fù)荷較高的應(yīng)用。MAD電機(jī)系列使用2048線，4096倍分辨率的絕對(duì)值多圈編碼器。這里我們談?wù)劷^對(duì)值多圈編碼器的優(yōu)點(diǎn)(略)。絕對(duì)值多圈編碼器在MAD系列電機(jī)的應(yīng)用為無(wú)軸系統(tǒng)的同步運(yùn)行提供了保障。系統(tǒng)圖見(jiàn)圖11。

       5．強(qiáng)大的SYNTOP診斷系統(tǒng)

       SYNTOP診斷系統(tǒng)其實(shí)是 SYNAX200 系統(tǒng)的調(diào)試軟件。“SynTop”作為命令和診斷工具，可以引導(dǎo)用戶通過(guò)監(jiān)測(cè)器的聯(lián)機(jī)幫助，直接輸入需要的內(nèi)容而進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，從而改變了原來(lái)耗時(shí)長(zhǎng)、成本高的編程工作。以下是SYNTOP軟件在部分重要設(shè)置上的截圖，見(jiàn)圖12-16(略)。