應用丨Lenze全伺服係統案在瓦楞紙無軸印刷中的應用

Lenze 公司主要進行高精度、高性能的伺服驅動產品的研發，致力於為客戶提供優質的印刷自動化係統伺服解決方案，本文從典型的開槽模切印刷設備介紹了此應用係統解決方案。 

瓦楞紙印刷設備類型是多種多樣的，但主體結構主要由送紙單元、印刷單元、幹燥單元、模切單元等組成，如圖 1 所示。其中，由於設備功能不同，部分印刷設備會將模切單元更換為其他設備。 

送紙單元主要由進紙輪、抬板、擋板、送紙輥等組成。擋板可上下移動，根據瓦楞紙原料厚度上下調整，以保證送紙輪每次僅送進去一張瓦楞紙，上麵一張紙則被擋板擋住； 

抬板可通過兩種方式進行驅動，一種是通過機械凸輪耦合方式與主軸相連，通過主軸驅動抬板做凸輪運動；另外一種方式則通過伺服電機驅動，使抬板進行凸輪運動。進紙輪由四組滾輪組成，主要將印刷紙板送入後續印刷單元中，進紙輪由一台伺服電機驅動。為靈活適用多種產品規格印刷及維護方便，目前比較流行的方式為進紙輪和抬板均采用伺服電機驅動方式； 

送紙輥由一台伺服電機驅動，將印刷紙板送入後續印刷單元中。紙板在進入送紙輥之前，線速度需達到送紙輥線速度，即生產線速度，以保證紙板在送紙輥之間不會發生打滑或者拉伸，進而影響後續印刷精度。 

產品介紹

1、 LENZE倫茨控製器 3200C

3200C 是 Lenze 推出的一款強大的高性能運動控製器 PLC，主要用於高精度、高動態響應的運動控製。操作係統采用 WinCE 係統，軟件開發平台為 CoDeSys 平台，最小運行掃描時間為 1ms。 

內置兩個 Ethernet 百兆以太網口、一個百兆 EtherCAT 接口、一個 DVI 接口。通訊可選件包含 Profibus DP master、Profibus DP Slave、CANopen 模塊。 

可擴展 IO 模塊，IO 模塊包含數字量輸入 DI、數字輸出 DO、模擬量輸入 AI、模擬量輸出 AO、編碼器速度測量等模塊。

2、LENZE伺服 9400

伺服 9400 是 Lenze 高精度伺服控製器，尤其適用於集中式、緊湊型單軸、多軸安裝係統。該伺服采用 32 位處理器，具備極高的運算及控製精度；伺服內部具備 PLC 編程功能，客戶不同的需求可以通過編程靈活實現，掃描時間達到 1ms；此外，通過選擇不同的通訊模塊，9400 伺服控製器可以快捷地與第三方 PLC 或者其他伺服驅動器通訊，如 Profibus DP、 ProfiNet、EtherCAT 等模塊。 

3、LENZE伺服驅動器 i700

伺服驅動器 i700 是 Lenze 公司最新推出的一款多軸伺服驅動器，除具備伺服 9400 高精度的特性外，還具備較高的性價比。伺服軸模塊分為單軸模塊、雙軸模塊，使用時可以靈活組合，軸模塊之間通過母線並聯，軸模塊供電集中統一通過直流母線供電；通訊采用集成的高速工業以太網 EtherCAT 與 3200C 或者第三方運動控製器 PLC 通訊。安裝方式有冷板安裝，推出式散熱，櫃內安裝三種安裝方式，功率範圍為 0.75kW 到 15 kW。 

4、LENZE全伺服自動控製係統結構 

圖 2 為典型的 Lenze 無軸印刷全伺服控製係統結構圖，主要硬件結構包含 Lenze 觸摸屏 MP1000、3200C 運動控製器、Lenze 伺服控製器及 Lenze 伺服電機。

3200C 運動控製 PLC 是整個運動控製係統的核心，它包含了設備運行所需要的虛擬主軸控製、電子凸輪控製、相位同步控製等印刷所需要的核心控製功能。3200C 與伺服 9400、伺服驅動器 i700 通訊采用通訊速率高達 100Mbps 的通訊網 EtherCAT。EtherCAT 是一種實時工業以太網技術，它充分地利用了以太網的全雙工特性[3]。除具備高速通訊速率外，使用 EtherCAT 作為總線使方案拓展更具靈活性，符合 EtherCAT 協議的設備均可拓展到此係統結構上。3200C 則通過 EtherCAT 網絡統一協調所有設備的運轉。 

伺服驅動器使用 Lenze 性價比較高的 i700 驅動器，i700 是 Lenze 在伺服驅動器領域的新產品，i700 分為單軸和雙軸模塊，雙軸模塊可以分別獨立驅動兩台伺服電機。i700 內部不包含驅動程序，僅包含最基本的位置環、速度環、電流環等控製閉環，所有的設定值、控製命令等設定數據均由 3200C 通過 EtherCAT 過程數據通道下發。此外，部分設備如前緣進紙功率較大，因此需采用伺服 9400，伺服 9400 采用 Lenze CIA402 模式，其控製思路與方法則與 i700 相同，均由 3200C 通過 EtherCAT 總線下發設定值和控製字等命令來控製驅動器。 

Lenze 觸摸屏 MP1000 通過 DVI 線與 3200C 通訊。由於運動控製器 3200C 支持 OPC Server 及以太網自由口通訊，3200C 可以與支持 OPC 協議或者以太網自由口通訊的觸摸屏通訊。伺服電機則采用 Lenze 自身品牌的伺服電機。 

係統電源供電較為靈活，i700 伺服驅動器可由 i700 電源模塊直流 DC 母線供電，並可以根據負載大小調整電源供電模塊數量，電源模塊之間並聯連接；9400 則可以外接 380V，也可以選擇一款大功率的供電模塊，通過直流 DC 母線同時為 9400 及 i700 供電。 

5、係統主要功能

1) 無軸印刷

在 3200C 中，使用虛擬主軸取代機械主軸作為設備控製的主軸，避免機械主軸的設備維護成本及控製精度差的特點。所有印刷單元及其它設備均根據虛擬主軸運行，以保證印刷設備動作的統一協調性和印刷精度。這樣，通過控製虛擬主軸的運轉就可以控製印刷全線的運轉。

2) 相位同步

相位同步是印刷中極為重要的功能，相位同步控製精確與否直接影響到產品的印刷精度。在多色印刷中，為保證印刷精度和印刷圖案精美，必須保證多色印刷單元的十字標緊緊的重合在一起，就需要精確的相位同步控製，同時提高係統的魯棒性。 

3) 相位回零

在操作人員進行印刷單元維護或者在更換印版時，進行點動或其它操作使各印刷單元相位偏離原來的初始印刷位置。為了使各印刷單元十字標重合，再次印刷之前，需要將各印刷單元相位調整到初始設定好的某一固定位置。 

4) 印版壓力修正

在印刷過程中，由於印版壓力的影響，會導致印刷在紙板上的圖案整體拉伸或者壓縮，進而影響後續印刷精度或則圖案精美度。為減小壓力對紙板印刷的影響，可通過 Lenze 電氣控製程序上來補償此壓力影響。

5) 凸輪曲線控製

在前緣進紙單元中，紙張進入拉紙輥或者印刷單元前，需要達到生產線速度。因此，紙張需要從靜止加速到同步生產線速度，實現此要求還需要抬板動作進行配合。這樣，進紙輪和抬板就需要在運動控製器 3200C 中使用不同的凸輪曲線進行協調控製紙張進紙速度。 

6) 印刷單元雙伺服控製

通常，印刷單元滾筒和傳送輪由一台伺服電機控製，滾筒和傳送輪之間通過同步帶或者機械齒輪耦合。這樣會帶來兩種問題，一是滾筒和傳送輪之間多一級機械結構，就會帶來多一級的機械誤差，這會直接影響印刷精度；二是無法通過電氣程序對印版壓力進行修正，當印刷圖案整體拉長或者壓縮時，電氣無法通過伺服驅動對滾筒和傳送輪分別進行相位調整。為解決這些問題，印刷滾筒和傳送輪可采用雙伺服電機分別控製相位的方式。 

6 、Lenze 亮點 

1) 運動控製器 3200C 具備強大的運算功能，在多達 20 根軸的情況下，程序運行時間1~2ms。 

2)3200C 虛擬主軸概念的使用實現了無軸印刷，使全線設備控製更具協調性。

3)Lenze 新產品 i700 的使用不僅具備較高的伺服控製精度，還具備較高的性價比。

4)總線 EtherCAT 不僅具備較高的通訊速率，其協議的開放性也使方案擴展變得極為容易。

5) 工程人員可通過以太網遠程監控、維護客戶現場設備，快速響應現場客戶需求及降低成本。