0 引言

　　目前全球印刷企业用户和设备生产厂商都将目光聚集于一项新兴控制技术——无轴传动控制。尤其是应用在凹版印刷机上，其优势更为突出。

　　传统的机组式凹版印刷机（有轴印刷）依靠一根机械主轴通过涡轮蜗杆向各个印刷单元传递动力，并以此来保证各色组版辊的运动同步，动力来源于由矢量控制变频器控制的三相异步电动机，其传动精度差，机械结构复杂。印刷图案的套准控制则是通过控制专门的浮动辊的运动，并通过控制张力以控制承印物的拉伸来实现的。

　　所谓无轴印刷，就是采用虚拟电子轴取代传统的机械主传动轴，并取消套色系统所需的浮动辊机构，而将传动与套色融为一体，直接作用于印刷版辊的一种印刷方式。

　　用于凹印机的无轴传动控制系统分为两种流派：其一是以日本住友、西门子、力士乐等公司为代表的“传动系统+套色系统”的复合式流派，另一种则是以贝加莱公司为代表的集传动与套色为一体的富有创新意义的集成式流派。该集成型系统的显著特点是简洁、高效以及成本的竞争力。

1 无轴传动凹印技术的特点 

1）无轴印刷传动技术的分类

　　无轴印刷传动技术在发展过程中形成了以下三种类型的系统：亚无轴传动控制系统、准无轴传动控制系统和集成型无轴传动控制系统。

（１） 亚无轴传动控制系统

　　仅仅去掉了传统的机械主传动轴，每一印刷单元采用独立驱动机构，保留了套色系统所需的浮动辊机构且完全独立。该系统很难达到完全协调和稳定，结构复杂，而且色组之间的过料长度较长，很难实现高速、高精度的印刷工艺。它是无轴控制系统的前身。

（２） 准无轴传动控制系统

　　不仅去掉了传统的机械主传动轴，同时也去掉了套色系统所需的浮动辊机构，每一印刷单元采用独立驱动机构，以保证印刷版辊的速度同步。同时，由相对独立的套色系统提供套色误差信号，结合速度同步信号和套色误差信号，统一协调工作。它是无轴控制系统的发展。

（３） 集成型无轴传动控制系统

　　该系统采用基于伺服控制技术的虚拟电子轴传动来取代传统的机械主传动轴，彻底摒弃了套色系统所需的浮动辊机构，而将传动与套色融为一体，各个印刷单元均配置独立的伺服电机及相应的减速机构对该单元的版辊独立驱动，直接作用于印刷版辊。在套色控制上，是在保证各轴同步的基础上，通过控制版辊的相位来实现的。这是一种真正意义上的无轴传动控制系统，也是本文论述的主题。

2） 集成型无轴传动控制系统的机组式凹印机特点

　　与传统的机械主轴凹印机相比，采用集成型无轴传动控制系统的机组式凹印机具有以下优点：

（１） 传动结构简化

　　控制的协调性和稳定性好，走料长度缩短20％，走料时间也相应缩短。

（２） 高精度的预套准和极短的预套准时间

　　伺服系统可自动根据色组间料长来调节版辊相位，将其迅速转动至“印刷位置”。其定位精度可达0.001mm，重复精度为0.01mm，自动预套准的范围可以严格控制到+/-10mm以内。

（３） 采用高性能控制系统以实现高精度、高印速、高套准控制

　　该控制系统以PCC（即可编程计算机控制器）为核心并基于Ethernet POWERLINK实时工业以太网，在控制伺服驱动、数据通信以及数据采集、处理等任务中，大大提高了效率，其处理速度和能力远远超出行业内其它类型的控制器，故它有能力很好地处理套色和同步传动的统一。
以总线的方式进行远程I/O的配置和通信，节省了配线，并大大降低了系统的干扰和故障，使设备的维护简化。

　　用于版辊位置反馈测量的编码器通过硬件倍频可达到400万线/转的高分辨率，系统控制精度可达0.001mm，套印精度由原来的0.1mm提高到0.05mm。

（４） 特殊印刷工艺更易实现

　　不需改变系统硬件配置即可通过软件来实现各个印刷色组正印和反印的任意转换。对异径涂布功能和定点涂胶功能的实现，较之传统有轴凹版印刷更简单而又可靠。

（５） 色组机的分组使用

　　为多色机的分组使用提供了方便。即在某些色组正常作业时，用户可为剩余色组提前做好订单的装版和匀墨工作，还可依据生产需要将不参加作业的色组置于单动停止状态，达到节能的效果。

2 控制系统的构成及原理

　　集成型无轴传动控制系统的技术方案立足于简化机械结构和提高控制性能。

1） 系统构成

　　型号不同的机组式凹版印刷机的色组单元个数是不同的，下面以一台10色组单元凹版印刷机的控制系统为例，来说明凹印机无轴传动控制系统的构成，如图1所。该系统以B&R X20系列PCC为核心（CPU选用CP1486)，与上位操作监控站（选用PP320触摸屏作为HMI）、10套B&R ACOPOS multi伺服驱动系统和10套色标识别系统一起构成基于Ethernet POWERLINK总线星形网络的无轴凹印机控制系统。
在该网络中， PCC的CPU (CP1486) 模块是中央处理单元，除PCC与操作监控站的通信采用以太网(TCP/IP) 以外，PCC的CPU与各伺服驱动器之间通过Ethernet POWERLINK总线和HUB实现数据通信，各
　　伺服驱动器之间的数据通信也基于Ethernet POWERLINK。   

　　在该Ethernet POWERLINK通信网络中，CPU (CP1486)接口的站点号为00（管理节点MN），各伺服控制器的站号依次为01到10（控制节点CN）。

 图1  机组式凹版印刷机无轴传动控制系统简化原理图

2） 主要控制装置和子系统

（１） 操作监控站（HMI）

　　上位操作监控站是操作人员与系统交换信息的唯一渠道，它实现系统参数读写、系统状态监控、故障提示和配方管理等功能。

　　选用了一款15英寸嵌入式高档人机界面（B&R Power Panel 300 BIOS触摸屏），集成有Ethernet等通信接口，不仅具备人机界面通常所有的功能，同时还可以在其中装入通用操作系统，如Windows XP、Windows CE等，因而可支持目前多种主流的图形组态软件，客户可以根据自己的具体条件选择合适的组态软件。

（２） X20系列PCC

　　其CPU是一款高性能的处理器，具备附加的I/O处理器和浮点处理器FPU，系统单步指令周期最快可达到0.01us，任务循环周期可短至200us。X20 CPU支持多种通信协议，RS232、Ethernet、Ethernet POWERLINK和USB等通信接口已经成为X20 PCC的标准配置。X20系列的控制器也使用B&R的Automation Studio™集成软件平台。

（３） 印刷版辊伺服驱动及控制系统

　　B&R全数字伺服驱动器ACOPOSmulti及伺服电机构成了版辊伺服驱动系统，是该无轴凹印机传动控制系统的基础。

　　ACOPOSmuti是B&R的新一代伺服驱动器，采用共用直流母线集中供电模式和背板式紧凑安装结构。其高效的散热结构、集中供电单元和独特的双轴驱动单元等技术有利于缩小多轴应用的安装空间，共用直流母线技术有利于多轴驱动的负载均衡，加之可逆整流技术更有利于稳定直流母线的电压，并适应更宽范围的交流供电电压，提高系统的功率因数，还能将多余的发电制动能量直接回馈给电网，节能效果明显。加上Ethernet POWERLINK高速实时工业以太网技术和系统安全技术，完美地解决了集中或分布式多轴应用的高速实时同步和安全运行问题。

　　把对每一个电机回路的控制称为对一个“轴”的控制。每个“轴”独立驱动，其控制模式是一致的，控制框架也基本相同。由PCC实现具体的工艺控制和数据处理。然后通过Ethernet POWRELINK总线和HUB口将数据传送到各台用于驱动印刷版辊的伺服电机的伺服驱动器ACOPOSmulti中，伺服驱动器则根据要求对数据进行必要的分析处理，控制相应的伺服电机驱动各自的印刷版辊以实现同步控制。伺服电机的实测速度（位置）由其内置编码器反馈给伺服驱动器的编码器信号分析卡，再由该<