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Lenze 全伺服系统解决方案在瓦楞纸无轴印刷中的应用

日期: 06-03 10:47
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随着社会消费水平的提高,人们对商品包装的要求也不断提高。如何展现包装魅力、美化商品图案也是增加企业竞争力的一个重要因素。瓦楞纸箱的印刷逐步向高档次、高质量、多色彩方向发展,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。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,使用电子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。


本文从典型的开槽模切印刷设备介绍了Lenze应用系统解决方案。


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。


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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


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伦茨9400伺服控制器


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。





伦茨控制器3200C

伦茨3200C控制器

9400系列伺服是Lenze新一代高端伺服系列产品,分为单轴和多轴两 种系列。产品采用32位操作系统以确保伺服的高效稳定运行,产品内部可支持 Modular工作方式和余数补偿机制,有效避免了计算误差和累积误差的产生。此外, 9400还采用简单易学的CFC编程语言,具有多任务处理系统,并使用全新的安装 方式,具有模块化设计、易于集成等优点,标配CAN总线接口以及8路开关量输入、 4路开关量输出、2路模拟量输入和2路模拟量输出;


全伺服自动控制系统

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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。


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Lenze Technical Article Publish: Mar, 2014 Author: Tang Tongguo Released: Yvonne Yu Page: 5/7 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。



全伺服自动控制系统主要功能

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。Lenze Technical Article Publish: Mar, 2014 Author: Tang Tongguo Released: Yvonne Yu Page: 6/7 


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。





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