LYP1050轮转胶印机控制系统设计

王 奔，朱龙彪，沈祖军，陈小林

（1.南通大学机械工程学院，江苏南通226019；2.如皋中罗印刷机械有限公司，江苏如皋226553）

印刷业是我国国民经济的重要组成部分，印刷 产品广泛应用于生产、生活领域［1］。印刷机作为印刷的关键设备，其设计与制造水平随着印刷业的发展不断提高。轮转胶印机是一种采用间接印刷方式的平版印刷机，印刷时先将印版上的图文印到橡皮布滚筒上，再通过滚筒转印到承印物上。由于具有印刷速度快、印刷效率高、印刷质量好、印刷周期短和印版制作成本低等优点，轮转胶印机被广泛应用于书刊、报纸、发票和薄膜等印刷品上［2-3］。德国、日本和荷兰等发达国家拥有完整、独立的现代化印刷机械体系，其印刷设备的自动化程度普遍较高。例如：德国曼罗兰公司的UNⅠSET系列轮转印刷机采用无轴传动技术，其最高印刷速度可达80 000份/h，印版滚筒的转速可达40 000 r/h；日本三菱公司的DⅠAMOND3000TP双面印刷机的套色精度可达0.04 mm。近年来，我国印刷机械的研发也取得了长足进步，涌现了一批以陕西北人印刷机械有限责任公司和天津长荣科技集团股份有限公司为代表的实力强劲的大型印刷机企业［4-5］。其中，天津长荣科技集团股份有限公司推出的MKR983卷筒纸印刷机的机速最高可达350 m/min，处于行业领先水平。但是，国内许多中小型印刷机械公司由于科研能力较弱，其生产的印刷设备多采用德国力士乐、西门子以及奥地利贝加莱等公司的无轴控制系统，这些控制系统的硬件价格昂贵，且操作和维修都不够方便［6］。同时，由于受技术水平限制，国内中小型印刷机械公司生产的印刷设备也无法满足高速、高效率的平稳运行要求，且无法解决高速运行下套色精度不高的问题。这主要是由印刷过程中印刷速度和纸卷外径的变化、机械振动、纸卷外圆不规则及卷芯偏心等导致的张力改变以及印刷轴之间同步性较差等引起的［7-9］。

为解决现有轮转胶印机存在的技术瓶颈，提高其印刷速度和套色精度，研制开发了一种基于国产运动控制器的LYP1050 轮转胶印机控制系统，重点对其多轴同步控制、闭环速度和收卷锥度张力控制以及自动套色控制方法进行研究，并通过套色试验对该控制系统的可靠性进行验证，旨在为国产轮转胶印机的高精度、高效率印刷提供有效指导。

1 LYP1050 轮转胶印机的基本结构及工艺流程

1.1 基本结构

LYP1050 轮转胶印机主要由放卷单元、输入牵引单元、印刷单元（由4个印刷色组组成）、翻转纠偏单元、输出牵引单元、裁切单元、收纸单元以及收卷单元等组成（如图1所示），其各印刷色组采用独立伺服电机驱动，无机械耦合关系，即无轴（电子轴）传动［10］。

图1 LYP1050轮转胶印机结构组成Fig.1 Structure composition of LYP1050 rotary offset press

在LYP1050 轮转胶印机中，放卷单元主要包括新、旧纸卷，储纸架，控制装置和粘结装置等，其作用是将快用完的旧纸卷的纸带准确粘在新纸带上，在不停机状态下完成接纸工作。输入牵引单元负责将纸带送入印刷色组Ⅰ，其核心部件是由伺服电机驱动的输入牵引辊，可通过调节输入牵引辊的速度来改变纸带张力。在纸带进入印刷色组Ⅰ前，利用超声波纠偏传感器（ES100）来检测纸带边缘位置，输入牵引单元中的纠偏装置根据超声波纠偏传感器检测到的偏斜信号来调整纸带，使纸带回到正确的位置和方向上，以持续向印刷色组Ⅰ供应纸带。翻转纠偏单元由导纸辊、转向辊和中间纠偏装置等组成，当进行双面印刷时，纸带由2 个相互垂直放置的转向辊实现180°翻转，之后经中间纠偏装置进入印刷色组Ⅲ和印刷色组Ⅳ，以完成反面印刷。根据不同工艺需求，输出牵引单元将印刷好的纸带从印刷色组Ⅳ中引出至裁切单元或收卷单元。若印刷好的纸带进入裁切单元，则裁切单元负责把纸带裁切成单张纸，并将其送入收纸单元。收纸单元由主、副收纸台组成，主收纸台先接收裁切好的单张纸，副收纸台在主收纸台收满纸后接着进行收纸工作，实现不停机收纸。若印刷好的纸带进入收卷单元，则收卷单元直接用卷筒卷取纸带。输出牵引单元的输出牵引辊与裁切单元的裁切滚筒均由伺服电机驱动，收卷单元的收卷辊由变频调速电机驱动。

LYP1050 轮转胶印机的4 个印刷色组均由输墨装置、润湿装置和印刷装置组成。为了方便调节水、墨量，水辊和墨辊由独立的交流异步电机驱动，通过主控制器和变频器的控制可实现无级调速。各印刷装置中的印版滚筒均由独立的伺服电机控制，其位置和速度可单独控制，这在很大程度上缩短了对版时间，且保证了各印刷色组之间的同步性［11］。

1.2 工艺流程

LYP1050 轮转胶印机的工艺流程如图2 所示。首先，通过放卷单元进行不停机放卷，纸带在输入牵引单元的连续牵引以及自动纠偏下依次进入印刷色组Ⅰ和Ⅱ，以进行正面印刷；然后，完成正面印刷的纸带经翻转纠偏单元翻转纠偏后进入印刷色组Ⅲ和Ⅳ，以进行反面印刷；最后，完成双面印刷的纸带在输出牵引单元的牵引下进入裁切单元或收卷单元，以完成裁切或收卷，裁切好的单张纸进入收纸单元以完成收纸工作。

图2 LYP1050轮转胶印机的工艺流程Fig.2 Process flow of LYP1050 rotary offset press

2 LYP1050轮转胶印机控制系统硬件设计

LYP1050轮转胶印机控制系统的硬件结构如图3所示，主要由主控制器、以太网交换机、伺服驱动单元、变频调速单元、人机交互单元以及输入/输出单元等组成，其中输入/输出单元包括数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。LYP1050轮转胶印机控制系统采用国产汇川AC810运动控制器作为主控制器，其具备良好的运动控制性能；采用EtherCAT通信型ⅠS810N 系列伺服驱动器来控制伺服电机；采用EtherCAT作为现场总线，实现主控制器与伺服驱动单元之间的通信；采用汇川MD330H张力控制专用变频器来实现纸卷收放的张力控制；采用MD500T矢量变频器实现水辊、墨辊的变频调速，变频器与主控制器之间基于MODBUS RTU通信协议进行信息交互；采用汇川ⅠT6000系列触摸屏作为人机交互界面（human machine interface），并在汇川ⅠnoTouchPad 组态软件中对触摸屏界面进行组态、编译、调试以及上/下载等操作；采用汇川AM600系列数字量及模拟量输入/输出模块获取各传感器的信号，并对相应的元器件进行控制。采用台达DⅤS-016W01型以太网交换机实现不同通信协议间的数据交互。LYP1050轮转胶印机控制系统各硬件结构的具体型号如表1所示。

3 LYP1050轮转胶印机控制方法设计

3.1 多轴同步控制

LYP1050轮转胶印机在每个印刷周期内进行印刷工作时，4个印刷色组的印刷轴、输入/输出牵引辊与裁切滚筒之间需保持精确的同步运行［12-15］。因此，各轴、辊和滚筒采用独立的伺服电机驱动。利用汇川AC810运动控制器中电子齿轮功能块设立虚拟主轴的方法实时发出同步运行指令，并通过EtherCAT通信协议传送给伺服驱动器，以实现虚拟主轴与各印刷轴的电子齿轮耦合，从而实现印刷过程中的多轴同步运行。

通过汇川PC（personal computer，个人计算机）端编程软件ⅠnoProShop编写代码，在汇川AC810运动控制器内部完成虚拟主轴的创建。将各印刷轴看作从轴，通过电子齿轮功能块MC_GearⅠn设定虚拟主轴和印刷从轴的电子齿轮比，以实现虚拟主轴与各印刷从轴之间的速度耦合，完成多轴同步控制。电子齿轮功能块MC_GearⅠn如图4所示，其中“Master”表示虚拟主轴，“Slave”表示印刷从轴，“RatioNumerator”与“RatioDenominator”分别表示虚拟主轴与印刷从轴的电子齿轮比的分子和分母，各印刷从轴的同步速度可根据该电子齿轮比确定。输入/输出牵引辊和裁切滚筒跟随虚拟主轴速度，同样采用电子齿轮耦合控制。

利用电子齿轮功能块MC_GearⅠn输入虚拟主轴与各印刷从轴的电子齿轮比之后，可通过调节虚拟主轴的速度来调节印刷从轴的速度，即能够非常容易地实现主、从轴之间的同步控制［15］。虚拟主轴同步控制原理如图5所示，LYP1050轮转胶印机整机的速度由虚拟主轴控制。此外，电子齿轮功能块MC_GearⅠn还可通过位置补偿法来纠正印刷从轴的位置偏差。根据电子齿轮同步规则，假设虚拟主轴的给定位置为X1，印刷从轴的理想位置为Xm，其满足X1/Xm=i（i为虚拟主轴与印刷从轴的电子齿轮比）；伺服电机编码器反馈的印刷从轴位置为X2，则印刷从轴的位置补偿量ΔX =X2-Xm。

图3 LYP1050轮转胶印机控制系统硬件结构Fig.3 Hardware structure of control system of LYP1050 rotary offset press

表1 LYP1050轮转胶印机控制系统硬件结构型号Table 1 Hardware structure type of control system of LYP1050 rotary offset press

图4 电子齿轮功能块MC_GearInFig.4 Electronic gear function block MC_GearⅠn

图5 虚拟主轴同步控制原理Fig.5 Ⅴirtual spindle synchronization control principle

3.2 张力控制

在LYP1050 轮转胶印机印刷过程中，纸带张力会因纸卷形状、印刷速度以及纸卷直径等变化而变化［16-17］，尤其在高速印刷时，纸带张力的波动更为明显。纸带张力波动会导致图像套色不准。因此，为满足轮转胶印机印刷质量、效率及可靠性的要求，必须确保张力控制的稳定性。

LYP1050轮转胶印机的张力控制是通过控制纸带线速度恒定来实现张力稳定。采用汇川AC810运动控制器来控制纸带线速度：在接收到输入/输出牵引单元及收/放卷单元的摆杆电位器的反馈信号后，执行PⅠD（proportion integration differentiation，比例积分微分）控制并计算纸卷直径，同时将计算结果以模拟量的形式传送给MD330H 张力专用变频器与ⅠS810N伺服驱动器。

放卷单元的闭环速度张力控制原理如图6所示，其中虚拟主轴的线速度为v。汇川AC810 运动控制器通过MODBUS RTU 通信协议向MD330H 变频器传输线速度信号。变频器基于线速度v实时计算纸卷直径R，并根据v=ω1R（纸卷角速度ω1=2πf1）计算同步频率f1；MD330H变频器的AⅠ1通道接收摆杆电位器反馈的张力信号后，基于同步频率f1，利用PⅠD算法计算补偿频率f2，以控制MD330H变频器的输出频率fg（fg=f1+f2）。

图6 闭环速度张力控制原理Fig.6 Closed loop speed tension control principle

收卷单元收卷时的张力控制相对于放卷单元放卷时的张力控制仅增加了锥度控制。收卷张力随纸卷直径的增大而减小，其锥度控制的数学模型为：

式中：F 为实际收卷张力，N；F0为设定的收卷张力，N；K 为锥度系数，%；D0为收卷辊直径，mm，D0=100 mm；D为当前纸卷直径，mm。

通过设置不同的K来控制收卷张力的递减程度，从而满足不同性能的印刷材料对收卷张力的要求。

输入/输出牵引单元同样采用闭环速度张力控制，即由汇川AC810运动控制器编写相应的功能块，根据虚拟主轴速度计算输入/输出牵引辊的同步速度。同时，张力传感器实时反馈张力，汇川AC810运动控制器基于张力给定值和张力反馈值的偏差，利用PⅠD算法计算补偿速度（输入/输出牵引速度=同步速度+补偿速度）。

3.3 自动套色控制

LYP1050轮转胶印机的套色精度取决于套色误差的检测精度［18-19］。为实现各印刷色组的前后、左右四色套印，传统胶印设备采用手动套色方法，即通过人工观察各印刷色组的色标位置偏差，手动叠加适当的位置补偿量，并通过AC810 运动控制器中的MC_MoveSuperⅠmposed 功能块进行位置补偿，此时位置补偿量=目标位置-实际位置+手动补偿量，其中目标位置为印刷轴的理论位置。由于手动套色效率低，且对印刷人员的要求比较高，难以满足印刷速度和套色精度要求，本文提出一种基于光电眼色标传感器的自动套色方案，其基本思想是色标位置偏差补偿，可以准确检测相邻两色的套色误差。

光电眼色标传感器安装在印刷色组（除印刷色组Ⅰ之外）前侧，印刷色组Ⅰ用于刊印黑色色标，其余印刷色组刊印不同颜色的色标。通过光电眼色标传感器检测纸带边缘的色标位置，当检测到色标时，将获得的色标信号转换成脉冲信号，并通过高速输入模块DⅠ将其传送至汇川AC810运动控制器中。然后，汇川AC810运动控制器调用探针功能指令HC_Probe-Control读取并保存印刷轴的实际位置Lact，并与目标位置Ltar（标定的色标参考位置）进行比较。若两者不一致，则对印刷轴进行位置偏差补偿。此时，色标位置偏差量ΔL=目标位置Ltar-实际位置Lact。色标位置偏差补偿方法如图7 所示，汇川AC810 运动控制器利用位置叠加指令MC_MoveSuperⅠmposed 将位置偏差量ΔL与采集到的印刷轴实际位置Lact叠加，从而控制伺服电机以调节印刷轴的相对位置，从而保证不同印刷色组色标之间位置的一致性。自动套色控制原理如图8所示。

图7 色标位置偏差补偿方法Fig.7 Color mark position deviation compensation method

图8 自动套色控制原理Fig.8 Automatic registration control principle

4 LYP1050轮转胶印机控制系统软件设计

4.1 下位机程序设计

基于编程软件ⅠnoProShop，采用ST（structured text，结构化文本）编程语言设计LYP1050 轮转胶印机控制系统的下位机程序，主要包括主控制程序、收放卷变频控制程序、输入/输出牵引伺服控制程序、纸带翻转控制程序、收纸台升降电机正反转控制程序以及故障处理程序等。其中，主控制程序用于实现LYP1050轮转胶印机的参数初始化、启停、待机、版长设定、匀墨、洗墨、穿纸、加减速控制、预套准以及印刷轴数选择等功能，其流程如图9所示。

图9 LYP1050轮转胶印机控制系统主控制程序流程Fig.9 Main control program flow of LYP1050 rotary offset press control system

4.2 人机交互界面设计

LYP1050轮转胶印机采用汇川ⅠT6000系列触摸屏作为人机交互界面，包括主操作触摸屏和各印刷色组操作屏。汇川ⅠT6000 系列触摸屏支持MODBUS RTU通信协议，可自动、高效地与汇川AC810运动控制器通信。根据LYP1050 轮转胶印机的操作需求，设计的主操作触摸屏界面主要由登录界面、主界面（见图10）、参数设置界面、系统报警界面、套色控制界面、气缸顺序调整界面、张力曲线显示界面以及扭矩曲线显示界面等组成，各界面的功能如表2所示。

图10 LYP1050轮转胶印机主操作触摸屏主界面Fig.10 Main interface of LYP1050 rotary offset press main operation touch screen

表2 LYP1050轮转胶印机主操作触摸屏界面及其功能Table 2 LYP1050 rotary offset press main operation touch screen interface and its functions

印刷色组触摸屏可以实现印刷单元中4个印刷色组的独立操作。各印刷色组操作屏界面主要包含功能显示界面、印刷速度控制界面、水/墨辊控制界面、印版位置调整界面、工艺配方设置界面和气缸状态显示界面等。其中，功能显示界面上设有10个按钮，用于各运行界面的进入与切换，如图11所示。

图11 LYP1050轮转胶印机印刷色组触摸屏功能显示界面Fig.11 Function display interface of LYP1050 rotary offset press printing color group touch screen

5 LYP1050轮转胶印机套色试验

套色精度是最能直观评价LYP1050轮转胶印机控制系统性能的指标。因此，以幅面宽度为1 050 mm的卷筒纸为承印材料，开展套色试验。LYP1050轮转胶印机样机的工艺参数如表3所示。以LYP1050轮转胶印机印刷色组Ⅰ的印刷色为基准，连续采集印刷色组Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ的套色误差，每个印刷色组各采集20个数据。利用MATLAB软件对采集的数据进行处理并绘制套色误差曲线，结果如图12所示。

表3 LYP1050轮转胶印机样机工艺参数Table 3 Process parameters of LYP1050 rotary offset press prototype

图12 LYP1050轮转胶印机样机的套色误差曲线Fig.12 Registration error of LYP1050 rotary offset press prototype

由图12 可知，LYP1050 轮转胶印机样机各印刷色组的套色误差曲线的波动趋势大体相同，各印刷色组的初始套色误差的波动幅度较大。这主要是因为LYP1050轮转胶印机刚开始工作时正处于加速状态，印刷速度变化导致印刷色组的张力发生波动；当经过11 个采样周期后，LYP1050 轮转胶印机的印刷速度已稳定，其印刷色组套色误差的波动幅度明显减小。此外，在印刷过程中，印刷色组Ⅱ，Ⅲ的张力波动会影响印刷色组Ⅳ的套色误差，因此印刷色组Ⅳ较其他2个印刷色组的套色精度要低一些。在整个采样周期过程中，除印刷色组Ⅳ在个别采样周期的套色误差略超过±0.05 mm 外，其他印刷色组的套色误差都维持在±0.05 mm以内，完全满足胶印设备套色要求。

6 结 论

针对LYP1050 轮转胶印机，主要分析了其印刷工艺流程，完成了其整体硬件结构设计，并结合汇川组态软件ⅠnoTouchPad和编程软件ⅠnoProShop，设计了基于汇川AC810运动控制器的控制系统软件。采用电子齿轮功能块，实现了多轴同步运动；采用闭环速度张力控制方法，实现了收/放卷单元和输入/输出牵引单元的张力控制；提出了一种基于色标位置偏差补偿的自动套色控制方法，有效解决了印刷设备在高速运行状态下套色精度不高的问题。最后通过套色试验对所设计的LYP1050轮转胶印机控制系统的可靠性进行了验证。试验结果表明，在卷筒纸幅面宽度为1 050 mm、印刷速度为300 m/min 的情况下，LYP1050 轮转胶印机样机的套色精度为±0.05 mm，达到预定的套色精度要求。所设计的控制系统自动化水平较高，可极大地提升胶印机印刷效率和有效降低企业的生产成本。