【摘 　 要】：摘 要：研討層疊式柔版印刷機(jī)和衛(wèi)星式柔版印刷機(jī)得歐姆龍系統(tǒng)產(chǎn)品的解決方案 。研討重點(diǎn)是基于日本歐姆龍NJ運(yùn)動(dòng)控制器的印刷機(jī)解決方案

關(guān)鍵詞：柔版印刷 運(yùn)動(dòng)控制 無(wú)軸

1 引言

柔版印刷（flexography）以其清潔、環(huán)保、高效、成本低等優(yōu)勢(shì)，早已經(jīng)成為西方工業(yè)文明國(guó)家食品、醫(yī)藥等行業(yè)的主導(dǎo)印刷包裝工藝，被認(rèn)為是世界上最先進(jìn)、最有前途的印刷方式。柔版印刷產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)與膠版、凹印印刷技術(shù)相媲美。由于柔版印刷所用油墨符合FDA（美國(guó)食品與藥品管理局）衛(wèi)生要求，特別是光敏油墨柔版印刷的全生命周期環(huán)境友好性，現(xiàn)在很多跨國(guó)公司的藥品、食品的外包裝，都要求使用用柔版印刷。西方國(guó)家在食品、藥品類(lèi)企業(yè)產(chǎn)品的包裝己經(jīng)成為柔版印刷的主要客戶源，前景廣闊，它在西方發(fā)達(dá)國(guó)家已被證實(shí)是一種最優(yōu)秀、最有前途的印刷方法。

數(shù)字印刷設(shè)備以極快的速度完成了產(chǎn)業(yè)化，形成難以抗拒的全球化產(chǎn)業(yè)潮流和發(fā)展趨勢(shì)，但是，這種趨勢(shì)在中國(guó)市場(chǎng)的增長(zhǎng)非常緩慢，印刷機(jī)械數(shù)字化進(jìn)程緩慢得多。盡管中國(guó)是全球位居第三的印刷產(chǎn)值大國(guó)，但是相當(dāng)多的印刷機(jī)械甚至只相當(dāng)于西方上世紀(jì)80年代水平。由于印刷機(jī)械裝備制造業(yè)原始創(chuàng)新匱乏，缺失核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力導(dǎo)致低端同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)，加之環(huán)境管理落后的綜合結(jié)果，在西方國(guó)家高速發(fā)展的柔版印刷產(chǎn)業(yè)，卻在中國(guó)有著極其巨大的裝備發(fā)展空間。隨著可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，柔版印刷是中國(guó)包裝印刷產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必經(jīng)之路。

本文以重點(diǎn)研討層疊式柔版印刷機(jī)和衛(wèi)星式柔版印刷機(jī)歐姆龍系統(tǒng)產(chǎn)品的解決方案 。對(duì)于基于NJ運(yùn)動(dòng)控制器的印刷機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)有專(zhuān)門(mén)篇章深入研討。

2 柔版印刷工藝

2.1 印版

印版是用于傳遞油墨至承印物上的圖文載體。印版是任何印刷過(guò)程最基本也是最重要的工藝單元印版上有圖文部分和非圖文部分。非圖文部分在印刷過(guò)程中不吸附油墨。又稱(chēng)空白部分。

2.2 柔版印刷

相對(duì)于通常的剛性印版，柔版印刷是使用柔性的感光樹(shù)脂印版，通過(guò)特有的網(wǎng)紋傳墨輥傳遞油墨施印的一種印刷方式。

柔版印刷具有獨(dú)特的靈活性、經(jīng)濟(jì)性，并對(duì)保護(hù)環(huán)境有利。 通常柔版印刷速度可以達(dá)到100 m/min以上，一臺(tái)柔印機(jī)效率差不多等于兩臺(tái)甚至三臺(tái)輪轉(zhuǎn)凸印刷機(jī)的效率。更主要的是，現(xiàn)在的柔性版印刷機(jī)同時(shí)安裝了很多印后加工裝置，可以實(shí)現(xiàn)快速的壓痕、燙金、模切〈包括卷到卷、卷到單張〉一站式的加工成型，及時(shí)有效地保障交貸。根據(jù)印刷部分的排列方式，柔版印刷機(jī)分為層疊式、衛(wèi)星式和機(jī)組式三類(lèi)。本文重點(diǎn)研討層疊式與衛(wèi)星式柔版印刷機(jī)運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。

2.3無(wú)軸傳動(dòng)

傳動(dòng)是所有印刷工藝過(guò)程的工作基礎(chǔ)。

無(wú)軸傳動(dòng)是印刷機(jī)械行業(yè)的專(zhuān)有技術(shù)名詞。無(wú)軸傳動(dòng)的工業(yè)自動(dòng)化工程定義是直軸傳動(dòng)或者多軸傳動(dòng)。直軸傳動(dòng)的由來(lái)是相對(duì)于工業(yè)革命早期的共軸或者主軸或者單軸傳動(dòng)，甚至可以追溯到原始的河谷水輪動(dòng)力時(shí)代……

進(jìn)入變頻伺服控制器傳動(dòng)時(shí)代以來(lái)，西方印刷紡織包裝等傳統(tǒng)意義的輕工紡織行業(yè)中的高端制造商，開(kāi)創(chuàng)了直軸傳動(dòng)機(jī)械新技術(shù)系統(tǒng)取代主軸傳動(dòng)，直軸傳動(dòng)的精致、準(zhǔn)確、超高速、穩(wěn)定、柔性化、綜合聯(lián)動(dòng)集成制造等等一系列的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從動(dòng)力傳動(dòng)數(shù)字化智能化的基礎(chǔ)上，推動(dòng)了輕紡包裝裝備產(chǎn)業(yè)的階躍型裝備進(jìn)步。

推動(dòng)印刷機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展的基礎(chǔ)，是以無(wú)軸傳動(dòng)為代表的高精度運(yùn)動(dòng)控制。本文介紹的日本歐姆龍自動(dòng)化公司最新的NJ系列化高性能控制器，就是適用于高端無(wú)軸傳動(dòng)控制工程的技術(shù)代表。

3 NJ控制器概要

日本歐姆龍公司的NJ系列機(jī)器自動(dòng)化控制器，是運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制、視覺(jué)控制三位一體Sysmac自動(dòng)化平臺(tái)的核心控制器。Sysmac自動(dòng)化平臺(tái)于2011年推出。歐姆龍NJ控制器家族涵括4-8軸的NJ3電子凸輪多軸運(yùn)動(dòng)控制系列；涵括最多64軸的NJ5電子凸輪多軸運(yùn)動(dòng)控制系列。

歐姆龍NJ控制器簡(jiǎn)約概括：一個(gè)Sysmac NJ控制器。外加一個(gè)Sysmac Studio軟件平臺(tái)，等于歐姆龍自動(dòng)化全面高性能機(jī)器自動(dòng)化控制。

4 層疊式印刷機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

4.1 系統(tǒng)分析

層疊式柔版印刷機(jī)，有時(shí)也稱(chēng)為堆積型柔版印刷機(jī)。獨(dú)立的印刷單元上下層疊，排列在印刷機(jī)主墻板的一端或兩端，或者在機(jī)架上安裝各色印刷單元。每個(gè)印刷單元由安裝在主墻板上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。層疊式油印機(jī)可以印刷1-8色，但是通常為6色。層疊式柔版印刷機(jī)工藝自動(dòng)化需求分析參見(jiàn)圖1所示。

（1）層疊式柔版印刷機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由“前牽引單元、印刷單元、后牽引單元組成。

（2）每組印刷機(jī)組需要配4套伺服電機(jī)，以6色印刷為例，共需要伺服27軸。

圖1 層疊式柔版印刷機(jī)工藝自動(dòng)化需求

4.2 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）最高設(shè)計(jì)速度：300m/min。

（2）可以印周長(zhǎng)1000mm，寬1500mm的1-6色圖案 。

（3）印刷精度：±0.1mm。

4.3 裝備選型

（1）NJ501-1400+CJ模塊。

（2）G5 ECT型伺服27軸。

（3）NS10觸摸屏。[!--empirenews.page--]

4.4 方案解決課題

（1）網(wǎng)紋輥伺服、版輥伺服、前牽引伺服、后牽引伺服共15軸保持同步。

（2）同步精度10um。

（3）印刷過(guò)程中張力保持。

（4）版輥和網(wǎng)紋輥線速度一致。

（5）不同紙厚版輥間隙可調(diào)。

層疊式柔版印刷機(jī)工藝自動(dòng)化解決方案如圖2所示。

5 衛(wèi)星式印刷機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

衛(wèi)星式柔版印刷機(jī)， 有時(shí)又稱(chēng)為共用壓印滾筒式柔版印刷機(jī)。 各印刷單元圍繞著一個(gè)共用壓印滾筒安裝在兩個(gè)墻板之間。承印材料圍繞在共用壓印滾筒上進(jìn)行套色印刷。因?yàn)辇X輪直接傳動(dòng)，所以不論是紙張或或薄膜，即使沒(méi)有加裝特別的控制裝置，仍然可以套印的很準(zhǔn)確，而且印刷工藝穩(wěn)定，常用來(lái)印刷彩色產(chǎn)品。有人曾預(yù)言，衛(wèi)星式柔印將是21世紀(jì)柔印的新主流。

由于柔印機(jī)的印版滾筒、網(wǎng)紋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)壓印滾筒齒輪帶動(dòng)印版滾筒齒輪，印版滾筒齒輪帶動(dòng)網(wǎng)紋輥的齒輪，形成同步轉(zhuǎn)動(dòng)。印刷品的重復(fù)長(zhǎng)度取決于印版滾筒和印版滾筒的齒輪，而齒輪受到節(jié)距和模數(shù)的限制，因此，印刷品的重復(fù)周長(zhǎng)與齒輪的節(jié)距相同。而無(wú)軸柔印機(jī)網(wǎng)紋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)印版滾筒直接帶動(dòng)的，解決了柔印機(jī)印刷產(chǎn)品重復(fù)長(zhǎng)度受齒輪節(jié)距限制的問(wèn)題。衛(wèi)星式無(wú)軸傳動(dòng)柔印機(jī)的每個(gè)印刷機(jī)組由多個(gè)馬達(dá)帶動(dòng)，其中4個(gè)馬達(dá)帶動(dòng)印版滾筒、網(wǎng)紋輥的前後移動(dòng)，1個(gè)馬達(dá)控制印版滾筒的縱向套準(zhǔn)和轉(zhuǎn)動(dòng)，1個(gè)馬達(dá)控制印版滾筒的橫向套準(zhǔn)和印版滾筒的橫行移動(dòng)，1個(gè)馬達(dá)帶動(dòng)網(wǎng)紋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)。裝版後輸入印版滾筒的印版滾筒周長(zhǎng)，通過(guò)PLC控制，使印版滾筒和網(wǎng)紋輥達(dá)到預(yù)印刷、預(yù)套準(zhǔn)位置，大大縮短了印刷壓力和印刷套準(zhǔn)時(shí)間，同時(shí)也節(jié)省了原材料。同時(shí)由于采用無(wú)軸傳動(dòng)，因此更換不同周長(zhǎng)的印刷產(chǎn)品時(shí)，不需要更換齒輪。無(wú)軸傳動(dòng)衛(wèi)星式柔印機(jī)更換一個(gè)機(jī)組上的柔性版滾筒和網(wǎng)紋輥僅需1分鐘，大大縮短了更換產(chǎn)品時(shí)換版滾筒和網(wǎng)紋輥所花費(fèi)的時(shí)間。

5.1 衛(wèi)星單元分析

由于柔印機(jī)的印版滾筒、網(wǎng)紋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)壓印滾筒齒輪帶動(dòng)印版滾筒齒輪，印版滾筒齒輪帶動(dòng)網(wǎng)紋輥的齒輪，形成同步轉(zhuǎn)動(dòng)。印刷品的重復(fù)長(zhǎng)度取決于印版滾筒和印版滾筒的齒輪，而齒輪受到節(jié)距和模數(shù)的限制，因此，印刷品的重復(fù)周長(zhǎng)與齒輪的節(jié)距相同。而無(wú)軸柔印機(jī)網(wǎng)紋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)印版滾筒直接帶動(dòng)的，解決了柔印機(jī)印刷產(chǎn)品重復(fù)長(zhǎng)度受齒輪節(jié)距限制的問(wèn)題。衛(wèi)星式無(wú)軸傳動(dòng)柔印機(jī)的每個(gè)印刷機(jī)組由多個(gè)馬達(dá)帶動(dòng)，其中4個(gè)馬達(dá)帶動(dòng)印版滾筒、網(wǎng)紋輥的前後移動(dòng)，1個(gè)馬達(dá)控制印版滾筒的縱向套準(zhǔn)和轉(zhuǎn)動(dòng)，1個(gè)馬達(dá)控制印版滾筒的橫向套準(zhǔn)和印版滾筒的橫行移動(dòng)，1個(gè)馬達(dá)帶動(dòng)網(wǎng)紋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)。裝版後輸入印版滾筒的印版滾筒周長(zhǎng)，通過(guò)PLC控制，使印版滾筒和網(wǎng)紋輥達(dá)到預(yù)印刷、預(yù)套準(zhǔn)位置，大大縮短了印刷壓力和印刷套準(zhǔn)時(shí)間，同時(shí)也節(jié)省了原材料。同時(shí)由于采用無(wú)軸傳動(dòng)，因此更換不同周長(zhǎng)的印刷產(chǎn)品時(shí)，不需要更換齒輪。無(wú)軸傳動(dòng)衛(wèi)星式柔印機(jī)更換一個(gè)機(jī)組上的柔性版滾筒和網(wǎng)紋輥僅需1分鐘，大大縮短了更換產(chǎn)品時(shí)換版滾筒和網(wǎng)紋輥所花費(fèi)的時(shí)間。

（1）衛(wèi)星式柔版印刷機(jī)主要由收放卷單元、牽引單元、烘干單元、印刷單元和中心滾筒及部分結(jié)構(gòu)組成。

（2）從電氣控制的角度，印刷單元又可分成輥驅(qū)動(dòng)控制和調(diào)壓控制。

（3）每組印刷機(jī)組需要配6套伺服，以6色印刷為例，共需要伺服電機(jī)46軸。

衛(wèi)星單元無(wú)軸傳動(dòng)示意如圖3所示。圖3中，調(diào)壓控制——伺服傳動(dòng)（軸向）；輥驅(qū)動(dòng)控制——伺服傳動(dòng)（縱向）；版輥橫向位置——普通電機(jī)。

5.2 機(jī)組設(shè)計(jì)規(guī)格

（1）最高設(shè)計(jì)速度：400m/min。

（2）印刷寬度：1000——1400mm。

（3）印刷精度：±0.1mm。

5.3 裝備選型

（1） NJ501-1500+CJ模塊 。

（2） G5 ECT型伺服46軸 。

（3） NS10觸摸屏。

5.4 方案解決課題：

（1）網(wǎng)紋輥、版輥、牽引、收放卷同步控制；

（2）印刷過(guò)程中張力保持；

（3）調(diào)壓控制位置精確；

通過(guò)設(shè)置虛擬主軸和虛擬從軸，在印刷過(guò)程中需要切換色組時(shí)，可通過(guò)建立或解除虛軸之間的關(guān)系，不影響其他正在使用的色組。

6 NJ控制器方案要點(diǎn)

對(duì)于柔版印刷機(jī)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是層疊式、衛(wèi)星式還是機(jī)組式，網(wǎng)紋輥、版輥和印刷伺服間的同步以及收放卷和牽引電機(jī)間的張力控制總是此類(lèi)印刷機(jī)械的控制關(guān)鍵點(diǎn)。

歐姆龍NJ501型控制器，通過(guò)EtherCAT總線連接多套伺服，正是解決同步控制的最佳組合。

EtherCAT采用分布式時(shí)鐘機(jī)構(gòu)，以100uS的刷新時(shí)間和不超過(guò)1uS的時(shí)基誤差保證各軸之間的同步，當(dāng)仍不讓地成為市場(chǎng)上最快的網(wǎng)絡(luò)。

此外，NJ501的編程軟件SYSMAC STUDIO，通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)定，即可完成對(duì)控制器、網(wǎng)絡(luò)、伺服以及其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的配置，通過(guò)內(nèi)部功能塊即可完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，并可利用先進(jìn)的順序和運(yùn)動(dòng)控制仿真功能在3D環(huán)境下預(yù)測(cè)試運(yùn)動(dòng)軌跡，縮短了工程師在現(xiàn)場(chǎng)的反復(fù)調(diào)試時(shí)間，基于對(duì)變量的操作也大幅提高了生產(chǎn)性。[!--empirenews.page--]

NJ系列高性能機(jī)器控制器的單一軟件平臺(tái)STUDIO，是歐姆龍SYSMAC自動(dòng)化平臺(tái)的核心競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。

6.1 NJ系列PLC伺服控制軸設(shè)定

在STUDIO的MC功能軸設(shè)定處，可以發(fā)現(xiàn)，伺服軸設(shè)定非常簡(jiǎn)單：

6.2 通過(guò)電子齒輪FB實(shí)現(xiàn)同步以及張力調(diào)整

無(wú)軸傳動(dòng)的核心是同步傳動(dòng)?；赟TUDIO軟件平臺(tái)的電子凸輪功能可以輕而易舉的實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)同步與多軸張力調(diào)整：

6.3 同步控制中主軸相位補(bǔ)正FB

6.4 牽引輥和印刷輥之間的張力控制

收卷牽引輥?zhàn)鲋鬏S，印刷輥及放卷牽引輥?zhàn)鰪妮S。首先建立從軸與主軸的基本電子齒輪比，使用MC_GearIN指令建立連接，再使用MC_MoveVelocity啟動(dòng)主軸，以后PID微調(diào)的MV輸出可通過(guò)改變基本電子齒輪比實(shí)現(xiàn)，但調(diào)節(jié)范圍要很小，程序?qū)崿F(xiàn)是通過(guò)再次啟動(dòng)MC_GearIN指令建立新的連接實(shí)現(xiàn)：

6.5 版輥與壓印輥的同步

使用MC_GearIN指令建立壓印輥（主）與版輥（從）的連接，當(dāng)觀察到各色輥套印有偏差發(fā)生時(shí)，可以手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整版輥的偏移，使用的指令是MC_Phasing：

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)全新Sysmac家族機(jī)器自動(dòng)化控制器NJ的柔版印刷機(jī)解決方案研討，全面展示柔版印刷裝備研發(fā)的智能化傳動(dòng)技術(shù)，以及柔版印刷技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)業(yè)意義。最新上市的NJ控制器，是歐姆龍在自動(dòng)化領(lǐng)域的創(chuàng)新奉獻(xiàn)。相信隨著NJ控制器被OEM產(chǎn)業(yè)客戶深入認(rèn)知，在為客戶帶來(lái)新的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型利益過(guò)程中，提供更高層的機(jī)器控制解決方案，助力中國(guó)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)增長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)（略）