西门子伺服传动技术在凹印机领域的应用———西门子伺服传动技术

摘要：本文介绍西门子Masterdirves VC/MC(6SE70)在软包装电子轴凹版印刷机上的应用。电子轴传动凹印机是凹印领域在过去近10年时内最引人注目的技术进展之一。世界各大伺服驱动产品供应商都在针对这一课题开展研发工作，但都没有取得非常满意的结果。 西门子公司虽进入这个领域比较晚，但在最近和松德包装印刷公司进行的项目中，已经取得了令人非常满意的结果。产品成功参展于2006上海全印展。本文将对此一项目做一基本介绍，此项目中，针对印刷工艺段的要求，采用西门子6SE70 MC 伺服控制器；针对自动接料，采用西门子的6SE70 VC 控制器及T400 工艺板。
关键词：6SE70 VC/MC、电子轴、凹印机
Abstract: This article introduces the application of 6SE70 VC/MC on a shaftless rotogravure printing machine. The shaftless rotogravure machine has been becoming the most remarkable new development in printing technology during last 10 years. Most famous Motion control products manufactures are investing in developing this new technology, but till now there is no perfect system that has been successfully developed. Siemens was late in this area, but with big effort recently, we have make breakthrough in this area with cooperation from Songde Packaging& Printing Co., Ltd.  The successful running machine also shown at “ALL in Print Exhibition 2006” in Shanghai . According to the printing characters, we used SIEMENS  6SE70 MC product, According to winder and auto splicing, we used SIEMENS 6SE70 VC product and T400 board.
Key word: 6SE70 VC/MC, shaftless, Rotogravure, Electrical Line Shaft
   
  一． 项目介绍
        本项目目的是于广州中山松德包装印刷有限公司共同合作，开发出全国第一，世界领先的新一代电子轴软包装印刷机。
1.印刷机
      印刷机按压印形式可分为平压平型，园压平型，园压园型。按输纸方式可分为单张纸印刷机，卷筒纸印刷机。印刷机的种类繁多， 用途各异， 其组成也各不相同， 主要部件有：传动部件， 输纸部件， 定位部件，传纸部件， 印刷部件，输墨部件， 收纸部件， 控制系统。
     根据印版的种类不同，印刷机还可分为柔版印刷机(Flexo)， 平版印刷机， 凹版印刷机(Rotogravure)和孔板印刷机。
  2. 凹版印刷机
       凹版印刷机主要由给纸装置(放卷和进料牵引)、印刷装置、干燥装置、收纸装置(收卷和收料牵引)及附属装置等组成。其中印刷装置由多个机组组成，纸张依次通过各个机组，完成不同颜色的印制。干燥装置位于各个印刷机组之间，可以采用红外线干燥、蒸气干燥以及空气干燥等，油墨干燥的速度应与印刷速度相匹配。
  
  
       凹版印刷印版的印刷部分低于空白部分,印刷时在版面涂布油墨后，用刮刀刮去平面上（即空白部分）的油墨，使油墨只保留在版面低凹的印刷部上，再在版面上放置吸墨力强的承印物，施以较大的压力，使版面上印刷部分的油墨转移到承印物上，获得印刷品。凹版印刷品的图像层次由印版表面凹槽的深浅程度决定：凹陷越深，印刷品表面留下的墨层越厚；凹陷越浅，墨层越薄。
  

  
      凹版印刷机具有以下特点：1. 印刷色彩层次丰富；2. 由于制版是在滚筒上直接进行, 所以制版时间较长；3. 耐印率高达几百万， 适合大批量印刷；4. 整体机器造价较高。凹印作为一种主要的印刷工艺，由于其拥有较高的耐印率，极好的印刷质量和较快的印制速度，使其在印刷领域不断扩展着市场份额。传统意义上，凹印机适用于印量超过60，000份的生产作业， 但是由于自动化程度的提高和滚筒准备时间的缩短， 所以，凹印机的适用范围也在不断拓宽。目前，凹印这一技术在国际上得到了广泛应用，欧洲企业近几年制造的高档印刷机已广泛采用这一技术。凹版印刷主要用在纸包装印刷；塑料软包装印刷；出版印刷；装饰印刷；有价证券印刷。
         在欧洲包装领域，基于许多品牌拥有者都在致力于印刷质量的提高，凹印在多种印刷方式中占据着绝对的市场份额，并逐渐地夺回了柔印（主要的竞争对手）曾经夺走的市场。
在装饰凹印领域，凹印主要用于印制墙纸，地板革以及纺织品等。
       在出版凹印领域，包括印杂志，目录以及大量发行的邮寄广告。凹印同样也适用于大量发行的报纸扩充版， 例如在星期天发行的周报附加版。在产品目录领域，欧洲凹印有很大的发展潜力。据统计，仅瑞士的家具零售商IKEA一家每年都要用凹印印1.5亿张的产品目录。在出版领域，出现百万的出版发行数量还是比较普遍的。另外，在出版凹印中降低单位成本方面，欧洲的一些凹印企业则选择了引进宽幅凹印机的方式，幅宽通常在4米以上。同时，这也一定程度上提升了企业的竞争力，促进了集团化的发展。Arvato公司位于德国纽伦堡的Maubelser凹印厂已购
        买了两台幅宽达4.32米的KBA凹印机（运用西门子伺服控制系统），成为世界上首家采用4米宽以上的凹印机印刷目录册和杂志的凹印企业。目前这两台凹印机已投入正式生产。
  3. 无轴技术在凹印机中的应用
        随着电气技术的不断进步， 很多印刷企业都在研发及生产无轴传动凹印机。所谓无轴传动，又称电子轴，就是把机械传动改为电子传动，通过运算直接输入，由单独的伺服电机驱动各个轴，省掉了原来有形的机械轴。无轴传动相比于有轴传统传动所带来的好处有：
· 料带路径缩短。由于省掉了套准补偿辊机构，过渡辊的数量也可减少，印刷副之间的距离缩小。因此材料运行状态会更好，从而也提高了套准精度、并降低了废品率。
· 套准控制的反应更快。因为套准控制信号直接作用于独立伺服电机，通过伺服电机来调节。印版滚筒的相位，比机械传动凹印机套准系统响应更快，便于提高套准精度、降低废品率。
· 印刷机调整和维护更方便。因为不采用机械主轴，因此操作者和维修人员更容易接近机器各部位，并且机械维护成本也得到降低。
· 消除了齿轮副传递力矩，机器总体噪音较低、能耗较低、效率较高。
· 紧急停车更容易，因为系统的制动靠各伺服电机完成， 使制动更容易。
· 各个色组分别操作更方便。
· 更容易增添色组 。由于不需要将机械主轴延长，因此对今后电子轴传动的旧设备进行增加色组更方便。生产效率更高，电子轴凹印机升降速可以更快捷地实现。   
  
但无轴技术又在实际应用时带来了很大的技术难度：
  · 纸张在印刷中收缩严重。由于受外界温度、湿度的影响，加上印刷车间温、湿度控制不当，对纸张干湿性产生一定影响。印刷时，各色组烘干箱温度设置过高，纸张严重收缩，各色组套印识标产生不同程度偏差、跳动，这就要求伺服驱动器能快速响应，及时做出调整，来弥补由于上述因素所造成的偏差，降低其对印品质量的影响。
  
· 自动套准系统传递信号量与伺服驱动器调节量不协调，造成套印不准自动套准跟踪系统是印刷套准的“神经中柢”，它把来自跟踪电眼的光信号经电脑分析处理，把处理后的控制指令输送到各印刷色组的伺服控制单元，进行自动调整套印偏差。但往往由于套准系统与伺服驱动器不协调,系统不能及时纠正套印偏差，印品出现套印不准现象。
  
  · 送纸张力设置不当或张力不稳
        凹印机色组较多，走纸距离长，为确保输纸稳定，一般在入纸口和出纸口设置了一套牵引驱动器。第一部分是从给料到给料牵引辊。如果套印误差是由于材料的伸长或缩短引起的，在容许范围内控制一定的伸长量，张力控制是最有效的。根据纸张的不同特性（如纸张厚、薄；干、湿度；环境温度、湿度等）而设置张力大小，如果张力参数设置不当，或张力不稳，将会使印刷色相十字识标不能保持在有效范转内，印品出现偏差。第二部分是从收料牵引辊到收料后各部，应注意对收料卷松紧、齐整、可靠等因素进行张力控制。
   
   
  
· 伺服电机与版轴之间非硬性连接
       国内凹印机一般的上版方式为气顶上版，从而使版轴与伺服电机之间的连接只能通过齿轮皮带，此连接属于软性连接。将导致印版滚筒在高速动态运转时可能出现前后移动，造成套印不准。这就需要伺服电机有更高的动态响应及极强的抗干扰功能。
  二．控制系统简介
  1.  西门子伺服技术在凹印机领域的技术应用
   
   
   
   
   
   
   
  西门子公司和Expert工业集团共同研发的ExperPAC4000 型全无轴薄膜凹印机
  
        西门子公司，作为世界上最大的电气工程和电子公司之一。运用其先进的无轴伺服驱动技术在凹印机制造领域的电气配套上和欧洲各着名凹印机制造商都开展了积极的合作。例如，在德国，西门子公司和高宝凹印机制造公司合作，共同研制?改造用于杂志印刷的半无轴凹印机，带有西门子伺服驱动技术的高宝凹印机已销往英国，法国，美国，东欧以及日本。在意大利， 西门子公司分别和ACOM,ROTOMEC及赛鲁迪凹印机制造公司合作，共同生产全无轴凹印机，产品销往澳大利亚、墨西哥、美国、西班牙及欧洲。在印度，西门子公司和Expert工业集团，polygragh工业集团分别合作，利用西门子伺服控制系统开发出8色全无轴薄膜凹印机，套印精度达到了0.04mm。西门子公司和Expert工业集团共同开发的ExperPAC 4000 型全无轴薄膜凹印机还成功地参展于2004 年举办的DRUPA 2004 印刷展览会。
         在中国，西门子公司也在积极地寻找当地合作伙伴一同开发全无轴凹印机，将成熟，先进的伺服控制技术引进中国，惠顾于广大的中国印刷企业。在近期，应用西门子电子轴解决方案的松德SAY31000D凹版印刷机成功地参加了在上海举办的全印展。这台电子轴凹印机是国内首台真正意义上运用世界先进技术的电子轴凹印机。当之无愧地成为整个展览会最大的亮点。她的成功，既展示了西门子运动控制产品和解决方案在电子轴凹印机上的强大优势，又昭示着西门子在国内高端印刷机械解决方案应用上取得了一个里程碑式的巨大突破。
  
2.  西门子伺服控制系统介绍
   
          西门子用于此电子轴凹印机印刷单元的伺服驱动器为Masterdrives MC, 开复卷为Masterdrives VC, 伺服电机为1PH7 型异步伺服机。通过AFE 提供母排直流电。
        Masterdrives MC 是西门子运动控制部及其成熟的伺服产品。通过其强大灵活的自由功能块及完善的伺服功能包F01, 工程技术人员可以很灵活的进行系统设计。同时，通过Mathcad驱动优化软件对控制器进行快速复利叶变换调整，可以使伺服电机达到很好的动态及抗干扰特性。
  三．系统控制、工艺介绍
控制原理大致为：
      在其中一伺服器中生成一虚拟主轴， 产生的位置及速度信号传送到SIMOLINK总线上，然后所有伺服驱动器同时从总线上接收位置和速度信号， 进行位置同步运行。当然，由于辊筒直径的不同，Masterdrives 可以通过添加电子齿轮比进行调节。在驱动原理上，牵引单元和印刷单元需要保持位置同步，开复卷单元只需要进行张力控制就行了。但牵引单元还需要把张力信号引入控制器，进行基于位置同步上的张力调节。
      在与松德公司共同开发的软包装凹印机上，自动套印系统选用了奥特美系统。套印偏差量通过快速开关量输入点传给伺服驱动器。伺服驱动器带动电机进行纵向调整。
  
         在现场调试过程当中，对于驱动系统和自动套印系统的配合， 我们选择了已经和西门子成功合作过的奥特美公司，我们驱动器的套印偏差信号能够通过快速开关量输入点从奥特美系统得到， 同时，奥特美系统的套印偏差调整速度需要和我们驱动的调节速度匹配。这一点需要进行大量的测试来得到。对于自动套印系统的选取，就目前国内的情况，还没有一家套印企业能够生产出合格的电子轴自动套印系统。所以选择成熟的套印设备，也是这次成功合作的关键。
      在现场调试过程当中， 对料带的张力控制好与坏也是调试成功的关键。张力传感器一般设置在开复卷和牵引单元之间以及牵引单元和印刷单元之间。对开复卷和牵引单元之间的张力控制， 影响到卷曲取的质量。对牵引单元和印刷单元之间的张力控制，直接影响到印刷品的印刷质量。对张力传感器类型的选择，是影响张力控制的关键。在这里，我们选取了浮动滚进行张力控制，因为料带松紧时，张力变化很大，驱动器很难进行很好的控制。在选取了浮动滚进行张力控制后，料带的张力得到了很好的保持。
       当然，如果伺服驱动器的动态性能不好，也不可能达到理想的结果。在调试当中， 我们对Masterdrives MC 进行了动态优化，通过对印刷单元进行快速付利叶变换(FFT)，和对驱动进行滤波处理，我们使印刷单元达到了很好的抗干扰特性。大大抑制了由于机器及外界因素对驱动器的影响，同时也带来了很好的印制结果。
  
四．项目运行验收
        在对系统进行了两个星期的短暂调试后，此凹印机已达到了很高的印刷精度和印刷速度， 超出了用户的预期，使此印刷机成为目前为止，国内最领先的凹印机之一。
· 机器印刷速度: 300m/min
· 自动接换料速度在 250m/min
· 套印精度在应刷全过程小于0.1 毫米
   
  
使用西门子公司伺服驱动系统的松德凹印机
  
五．西门子自动化及驱动集团运动控制部门简介
         西门子自动化及驱动集团运动控制部门是西门子公司主要部门之一，作为西门子自动化及驱动集团运动控制部门产品之一的西门子变频器已有快四十年的发展历史,其功率范围广、控制精度高已广泛的应用在各个行业。它的主要变频器产品包括Masterdrives VC/MC， Simodrive, Simotion and Sinamics等。 应用于包括纺织，包装，印刷，金属加工，塑料及橡胶， 玻璃等各种轻工业领域。西门子及其在国内的合资厂，致力于提供面向印刷机及其他机械产品的高性能自动化解决方案，研发适合于中国及国际市场的设备技术，为印刷及其他各个工业领域提供最先进的伺服驱动运动控制产品，并通过遍布世界各主要地区西门子运动控制部门技术应用中心为用户提供革新化的解决方案，以及高附加值的服务。
       西门子自动化和驱动集团通过其全球化的服务热线系统为全国各地的用户及全球用户提供专业快捷的服务。西门子拥有一批高素质的技术人员，提供全套自动化与驱动产品相关的高质量的技术和工程服务。同时，西门子技术管理培训中心负责为中国客户提供完善的技术培训，并通过在当地建立的培训中心，进行广泛的技能培训与技术转让。西门子在中国拥有广泛的本地生产基地.西门子公司本着真诚合作，共创未来的宗旨，为人类的文明发展和世界的进步做出应有的贡献。