在印刷機(jī)械行業(yè)中，多電機(jī)的同步控制是一個(gè)非常重要的問題。由于印刷產(chǎn)品的特殊工藝要求，尤其是對于多色印刷，為了保證印刷套印精度（一般≤0.05mm），要求各個(gè)電機(jī)位置轉(zhuǎn)差率很高（一般≤0.02%）。在傳統(tǒng)的印刷機(jī)械中，以往大都采用以機(jī)械長軸作為動力源的同步控制方案，但機(jī)械長軸同步控制方案易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，各個(gè)機(jī)組互相干擾，而且系統(tǒng)中有許多機(jī)械零件，不方便系統(tǒng)維護(hù)和使用。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)不斷應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域并得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對機(jī)組式印刷機(jī)械的同步需求，提出了一種基于CAN現(xiàn)場總線的同步控制解決方案，并得以驗(yàn)證。
無軸傳動印刷機(jī)控制系統(tǒng)的同步需求
機(jī)組式卷筒印刷機(jī)一般由給紙機(jī)組、印刷機(jī)組、張力機(jī)組、加工機(jī)組和復(fù)卷機(jī)組等機(jī)組組成。在傳統(tǒng)的有軸傳動印刷機(jī)中，動力源由異步電機(jī)通過皮帶輪帶動一根機(jī)械長軸（約10-20m），然后通過長軸帶動各機(jī)組的齒輪、凸輪、連桿等傳動元件，再通過傳動元件帶動設(shè)備的執(zhí)行元件完成設(shè)備的輸人、輸出任務(wù)。
卷筒印刷機(jī)要求印刷速度為300m/min，套印精度≤0.03mm，為了滿足套印精度，要求在各個(gè)機(jī)組定位精度≤0.03mm。在印刷機(jī)印刷過程中，要求各機(jī)組軸與機(jī)械長軸保持一定的同步運(yùn)動關(guān)系，能否很好的實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)組軸的同步關(guān)系，將直接影響到印刷速度、套印精度等。其中，給紙機(jī)組、印刷機(jī)組要求與主軸轉(zhuǎn)動速度成一定的比例關(guān)系，張力機(jī)組根據(jù)不同的印刷速度調(diào)整張力系數(shù)，加工機(jī)組需要與主軸保持凸輪運(yùn)動關(guān)系，而復(fù)卷機(jī)組的運(yùn)動規(guī)律，要求隨著紙卷直徑的增大而減小。
我們把機(jī)械長軸作為主軸（參考軸），各印刷機(jī)組軸為從動軸，如圖1，各從動軸與主軸要滿足同步關(guān)系θ1=f1（θ） ，θ2=f2（θ） ，θ3=f3（θ） ··· ，其中，θ為主軸位置轉(zhuǎn)角，θ1、θ2、θ3···為從動軸位置轉(zhuǎn)角。
圖 1 主從軸同步關(guān)系
考慮到印刷機(jī)中同步運(yùn)動關(guān)系復(fù)雜，套印精度高、印刷機(jī)組點(diǎn)多、分散，多操作子站，印刷生產(chǎn)線長等特點(diǎn)，采用全分散、全數(shù)字、全開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS，總線的選擇選用CAN總線。
為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)印刷機(jī)組的復(fù)雜同步關(guān)系，將主控制器和各個(gè)電機(jī)的伺服驅(qū)動器都掛接到CAN總線上，構(gòu)成以印刷機(jī)控制器為核心的CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)，如圖2。
控制器和伺服驅(qū)動器都配有CAN總線控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250的通訊適配卡，通過連接在印刷機(jī)控制器上的CAN通訊適配卡，控制器可以方便、快速的與各伺服驅(qū)動器通訊，向各個(gè)伺服單元發(fā)送控制指令和位置給定指令，并實(shí)時(shí)獲得各個(gè)伺服電機(jī)的狀態(tài)信息，按照需要實(shí)時(shí)地對伺服參數(shù)進(jìn)行修改，各個(gè)伺服單元也可以通過CAN總線及時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。各個(gè)伺服驅(qū)動器在獲得自己的位置參考指令后，緊密的跟隨位置指令。由于控制器的位置指令直接輸入到各個(gè)伺服驅(qū)動器，因此每個(gè)伺服驅(qū)動器都獲得同步運(yùn)動控制指令，不受其他因素影響，即任一伺服單元都不受其他伺服單元的擾動影響。在這個(gè)系統(tǒng)中，控制器和各個(gè)伺服驅(qū)動器都作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，形成CAN控制網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，由于采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，可以根據(jù)印刷規(guī)模，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
圖2 同步控制系統(tǒng)圖
在大慣量負(fù)載印刷系統(tǒng)中，編碼器和伺服系統(tǒng)的選擇尤為重要。以BF4250卷筒紙印刷機(jī)為例，其負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量很大，其中柔印機(jī)組為0.13 kg·m2，膠印機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量最大，為0.33 kg·m2。
由于系統(tǒng)定位精度要求≤0.03mm，考慮到負(fù)載的大慣量性，把控制周期定為2ms，要求位置環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差為±1個(gè)脈沖。根據(jù)定位精度和穩(wěn)態(tài)誤差，可以折算出編碼器線數(shù)為17000線，可是考慮到在實(shí)際印刷過程中，要不斷調(diào)整不同機(jī)組的位置，如果編碼器分辨率選17000線，在調(diào)整印輥時(shí)，由于機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量很大，將會產(chǎn)生很大的角加速度，進(jìn)而產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩。例如對于膠印機(jī)組，調(diào)整角加速度超過700 rad/s2，調(diào)整轉(zhuǎn)矩超過200N·m，一般的電機(jī)無法滿足要求。
綜合考慮，選擇編碼器分辨率為40000線，這樣在調(diào)整過程中，減小了電機(jī)的調(diào)整加速度，進(jìn)而減小了調(diào)整轉(zhuǎn)矩。例如在負(fù)載慣量最大的膠印機(jī)組中，調(diào)整角加速度為78.6rad/s2，調(diào)整轉(zhuǎn)矩為26 N·m，凱奇電氣公司的90M系列伺服電機(jī)完全可以滿足要求。
