运动控制把墨水放在纸上

从杂志和名片到纸盒和包装，印刷业蓬勃发展。今天的印刷机已经超越了纸张，可以在从纸到塑料薄膜等各种材料的网上印刷文字和图形。印刷机可以包含多达100个轴，所有轴都必须精确同步，以保持卷筒纸张力和印刷对准。保持同步呢?运动控制。

该公司应用工程总监雷•塞弗特(Ray Seifert)表示:“现代机器使用它来控制卷筒纸张力、转动打印头和墨辊。Baumuller Inc .)(康涅狄格州布卢姆菲尔德)。传统的机械设计通常以齿轮箱连接到主传动轴，以同步滚子或以成比例的速度运行。这样的系统需要机械调整，这需要时间，而且从改变网厚到校正配准，通常都需要停机。Seifert说:“通过电子设备，你可以很容易地使用虚拟电子驱动轴来实现同步运动。”运动控制的伺服电机和步进电机系统不仅同步滚筒，他们纠正印刷配准和加速从卷筒纸材料的类型到设计中使用的颜色数量的一切转换。

紧张的胜利
今天的印刷大多是使用柔版印刷，在柔版印刷中，带有正版母像的柔性橡胶或聚合物版被包裹在称为版筒的滚筒上。另外一组辊子将油墨从贮水池转移到印版滚筒上。当腹板运行在版筒与其相对的压印筒之间时，来自版筒柔性表面的文字和图像就转移到腹板表面。

在标准的四色印刷工艺中，每种颜色(青色、品红、黄色和黑色)通常应用在单独的印刷模块中，具有自己的油墨库、转移辊、印版滚筒和压印滚筒。此外，辊子将卷筒纸送入机器，并在整个过程中保持张力，很容易看出一些报纸印刷机可以采用数十个轴。

为了让这一切开始，一个进料筒将卷筒纸从收卷机中拉出，并将其送入机器的其余辊子中。除了打印模块中的圆柱体外，其他圆柱体支撑网，确保其平稳移动。用于麦片盒的轻质纸板相当坚固，但对于薄纸和塑料薄膜等易碎材料，张力控制至关重要。

“卷筒网张力控制是高质量印刷过程的重要组成部分，”塞弗特说。“这也需要通过运动控制来实现。每2毫秒或4毫秒或任何选择的循环通信速率，你的主控制器就会向从控制器发出位置命令。在生产线后面的夹辊，实际上是通过机器拉网，将运行主命令，这将运行几乎同步，但逐步进入和退出，以保持张力在它需要的地方。”

公司高级应用工程师Brian Schmidt表示:“我们使用电子线路轴系与内部生成的主信号或外部信号(如上游机器上的编码器)同步博世力士乐公司(霍夫曼地产，伊利诺伊州)。“进给轴与这个相同的信号同步，所以卷的速度是正确的，但在基本速度的基础上，也会有一些修正来保持张力。”

尽管该设计似乎最适合集中式控制架构，但高轴计数反而会导致雏菊链控制器或plc的混合架构。“在我们的系统上，我们确实有一个相当分散的控制概念，”施密特说。“我们的控制器可以在一个控制器上协调多达64个轴，但如果你的机器有100个轴，那么你肯定需要多个控制器。当然，有一个中心控制点将一切联系在一起，”他补充道。

张力调节的反馈可以来自测压元件，但首选的解决方案是一种称为舞者的气动辊臂，它对腹板下方的相对辊施加压力，并根据腹板移动过快或过慢而改变位置。舞者通过它施加的力来建立张力，同时它向舞者控制提供反馈，从而加速或减慢输入以保持舞者的稳定。通过平衡舞者施加的力，该系统既控制舞者的位置，又间接控制网张力。施密特说:“我们在基本速度的基础上增加或减少一些速度，以保持张力或舞者的设定值。”“你可以通过参数来确定控制器对张力或舞者位置错误的反应。”舞者也可以吸收一定的张力干扰。

每种衬底材料呈现不同的张力要求，这意味着调整基本速度，以及二次控制回路上的增益。电子轴系的优点是，一旦确定了这些参数，就可以存储起来以备将来检索。运动控制的灵活性还允许操作员根据他们的设计需要的颜色来移动各种打印模块。一个看似单色的蓝色设计可能需要青色、品红和黑色，而另一个可能只需要青色和黑色。运动控制使这种转换简单和快速。

Flex的因素
当然，灵活性并不总是一件好事。电机与负载的耦合所引起的间隙或海绵状会引起张力问题。无框电机方法提供了一种解决方案。取代传统的电机轴联轴器来驱动气缸，一个环轴承永磁体附着在气缸上。安装在机器底盘上的定子围绕着这个环;从本质上讲，机器的部件本身就成了马达。

通过消除联轴器的需要，这种设计提供了更大的刚度。施密特说:“通常情况下，电机和负载之间的耦合是我们控制伺服系统的一个限制因素，因为它增加了一定程度的弹性。”“当我们从方程中去掉弹簧时，我们能够在伺服控制回路上获得更高的增益。我们基本上可以将增益提高一个数量级，从而获得更高的动态范围和精度。”

缺点是无框架方法需要OEM机器制造商付出更多努力。他们必须设计负载——在这种情况下，圆柱体——使它的一部分适合转子。负载也需要一个轴承，虽然传统轴承没有限制规定的电机。机器设计者还需要添加一个反馈装置，以及围绕定子元件的外壳。更换电机不再像解开四个螺栓并安装一个新部件那么容易了。也就是说，应用程序的性能需求可能值得付出额外的努力。

施密特说:“直接驱动电机可以应用于打印气缸，使我们能够控制气缸表面的精度超过千分之一英寸。”有些印刷机是围绕一个直径可达10英尺的普通印模辊设计的。在这样的圆柱体上，即使角速度的微小波动也会产生巨大的影响，使得无框方法成为一种值得的权衡。施密特说:“如果我们把齿轮传动系统和联轴器去掉，换上直接驱动电机，我们就能提高速度平稳性。”“这个滚筒是打印时包裹纸张的表面，所以滚筒转动的速度越平滑，打印对准就越好。”

登记的反应
印刷配准——不同颜色的印刷卷的同步——是高质量印刷的一个关键属性。而不是有这个任务由主运动系统执行，注册调整通常由一个附加的运动系统处理，如步进电机系统。Seifert说:“带宽有点低。“你不需要高速更新。一旦你让(机器)注册，它就会同步运行。”因此，许多机器使用不同的现场总线来运行配准系统，而不是同步辊。他继续说:“步进电机通过差速器变速箱与打印气缸耦合，所以你有一个主同步运行，为你提供同步速度，然后你用这个步进电机以更低的速度进行相位控制。”“它只是通过这个变速箱来增加速度，使它进入相位。”

当然，印刷机还执行其他任务，如切割成品。在那里,观察者控制或者速度前馈/加速度前馈技术可以进一步减小速度波动。施密特说:“在像打印圆筒这样的恒定速度的地方，这通常不是太大的问题，但在我们运行电子凸轮的应用程序中，它必须加速或减速。”“例如，旋转切割机是一个圆柱体，上面有某种刀或模具图案。我们希望能用它切割一定长度的产品。为了做到这一点，我们运行了一个电子凸轮，在圆筒没有接触蜘蛛网的时候，它会加速或减速，以便及时返回，进行下一次切割。”

总的来说，运动控制给印刷带来了巨大的好处。Seifert说:“电子轴系可以灵活地添加颜色，这样你只需要运行特定工作所需的轴。”“采用伺服系统后，我们的柔版印刷工艺在质量上可以与胶印工艺相媲美。”所以，下次你在早餐时阅读可可泡芙包装盒背面的时候，要知道这是你的运动控制技术的功劳。