基于歐姆龍NJ運(yùn)動控制器的柔版印刷機(jī)解決方案

【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)動控制器的印刷機(jī)解決方案

關(guān)鍵詞：柔版印刷 運(yùn)動控制 無軸

1 引言

柔版印刷（flexography）以其清潔、環(huán)保、高效、成本低等優(yōu)勢，早已經(jīng)成為西方工業(yè)文明國家食品、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)在很多跨國公司的藥品、食品的外包裝，都要求使用用柔版印刷。西方國家在食品、藥品類企業(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)國家已被證實是一種最優(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，但是，這種趨勢在中國市場的增長非常緩慢，印刷機(jī)械數(shù)字化進(jìn)程緩慢得多。盡管中國是全球位居第三的印刷產(chǎn)值大國，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)競爭力導(dǎo)致低端同質(zhì)化競爭，加之環(huán)境管理落后的綜合結(jié)果，在西方國家高速發(fā)展的柔版印刷產(chǎn)業(yè)，卻在中國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，柔版印刷是中國包裝印刷產(chǎn)業(yè)升級的必經(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 。對于基于NJ運(yùn)動控制器的印刷機(jī)無軸傳動有專門篇章深入研討。

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程中不吸附油墨。又稱空白部分。

2.2 柔版印刷

相對于通常的剛性印版，柔版印刷是使用柔性的感光樹脂印版，通過特有的網(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，一臺柔印機(jī)效率差不多等于兩臺甚至三臺輪轉(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)同時安裝了很多印后加工裝置，可以實現(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。本文重點(diǎn)研討層疊式與衛(wèi)星式柔版印刷機(jī)運(yùn)動控制問題。

2.3無軸傳動

傳動是所有印刷工藝過程的工作基礎(chǔ)。

無軸傳動是印刷機(jī)械行業(yè)的專有技術(shù)名詞。無軸傳動的工業(yè)自動化工程定義是直軸傳動或者多軸傳動。直軸傳動的由來是相對于工業(yè)革命早期的共軸或者主軸或者單軸傳動，甚至可以追溯到原始的河谷水輪動力時代……

進(jìn)入變頻伺服控制器傳動時代以來，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，開創(chuàng)了直軸傳動機(jī)械新技術(shù)系統(tǒng)取代主軸傳動，直軸傳動的精致、準(zhǔn)確、超高速、穩(wěn)定、柔性化、綜合聯(lián)動集成制造等等一系列的技術(shù)優(yōu)勢，從動力傳動數(shù)字化智能化的基礎(chǔ)上，推動了輕紡包裝裝備產(chǎn)業(yè)的階躍型裝備進(jìn)步。

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

3 NJ控制器概要

日本歐姆龍公司的NJ系列機(jī)器自動化控制器，是運(yùn)動控制、邏輯控制、視覺控制三位一體Sysmac自動化平臺的核心控制器。Sysmac自動化平臺于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)動控制系列；涵括最多64軸的NJ5電子凸輪多軸運(yùn)動控制系列。

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

4 層疊式印刷機(jī)運(yùn)動控制

4.1 系統(tǒng)分析

層疊式柔版印刷機(jī)，有時也稱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。每個印刷單元由安裝在主墻板上的齒輪轉(zhuǎn)動。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)工藝自動化需求分析參見圖1所示。

（1）層疊式柔版印刷機(jī)的傳動機(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)工藝自動化需求

4.2 工藝參數(shù)設(shè)計

（1）最高設(shè)計速度：300m/min。

（2）可以印周長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)工藝自動化解決方案如圖2所示。

5 衛(wèi)星式印刷機(jī)運(yùn)動控制

衛(wèi)星式柔版印刷機(jī)， 有時又稱為共用壓印滾筒式柔版印刷機(jī)。 各印刷單元圍繞著一個共用壓印滾筒安裝在兩個墻板之間。承印材料圍繞在共用壓印滾筒上進(jìn)行套色印刷。因為齒輪直接傳動，所以不論是紙張或或薄膜，即使沒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)動是通過壓印滾筒齒輪帶動印版滾筒齒輪，印版滾筒齒輪帶動網(wǎng)紋輥的齒輪，形成同步轉(zhuǎn)動。印刷品的重復(fù)長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)周長與齒輪的節(jié)距相同。而無軸柔印機(jī)網(wǎng)紋輥的轉(zhuǎn)動是通過印版滾筒直接帶動的，解決了柔印機(jī)印刷產(chǎn)品重復(fù)長度受齒輪節(jié)距限制的問題。衛(wèi)星式無軸傳動柔印機(jī)的每個印刷機(jī)組由多個馬達(dá)帶動，其中4個馬達(dá)帶動印版滾筒、網(wǎng)紋輥的前後移動，1個馬達(dá)控制印版滾筒的縱向套準(zhǔn)和轉(zhuǎn)動，1個馬達(dá)控制印版滾筒的橫向套準(zhǔn)和印版滾筒的橫行移動，1個馬達(dá)帶動網(wǎng)紋輥的轉(zhuǎn)動。裝版後輸入印版滾筒的印版滾筒周長，通過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)時間，同時也節(jié)省了原材料。同時由于采用無軸傳動，因此更換不同周長的印刷產(chǎn)品時，不需要更換齒輪。無軸傳動衛(wèi)星式柔印機(jī)更換一個機(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)品時換版滾筒和網(wǎng)紋輥所花費(fèi)的時間。

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)動是通過壓印滾筒齒輪帶動印版滾筒齒輪，印版滾筒齒輪帶動網(wǎng)紋輥的齒輪，形成同步轉(zhuǎn)動。印刷品的重復(fù)長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)周長與齒輪的節(jié)距相同。而無軸柔印機(jī)網(wǎng)紋輥的轉(zhuǎn)動是通過印版滾筒直接帶動的，解決了柔印機(jī)印刷產(chǎn)品重復(fù)長度受齒輪節(jié)距限制的問題。衛(wèi)星式無軸傳動柔印機(jī)的每個印刷機(jī)組由多個馬達(dá)帶動，其中4個馬達(dá)帶動印版滾筒、網(wǎng)紋輥的前後移動，1個馬達(dá)控制印版滾筒的縱向套準(zhǔn)和轉(zhuǎn)動，1個馬達(dá)控制印版滾筒的橫向套準(zhǔn)和印版滾筒的橫行移動，1個馬達(dá)帶動網(wǎng)紋輥的轉(zhuǎn)動。裝版後輸入印版滾筒的印版滾筒周長，通過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)時間，同時也節(jié)省了原材料。同時由于采用無軸傳動，因此更換不同周長的印刷產(chǎn)品時，不需要更換齒輪。無軸傳動衛(wèi)星式柔印機(jī)更換一個機(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)品時換版滾筒和網(wǎng)紋輥所花費(fèi)的時間。

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

5.2 機(jī)組設(shè)計規(guī)格

（1）最高設(shè)計速度：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）印刷過程中張力保持；

（3）調(diào)壓控制位置精確；

通過設(shè)置虛擬主軸和虛擬從軸，在印刷過程中需要切換色組時，可通過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)

對于柔版印刷機(jī)來說，無論是層疊式、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印刷機(jī)械的控制關(guān)鍵點(diǎn)。

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

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

此外，NJ501的編程軟件SYSMAC STUDIO，通過簡單的設(shè)定，即可完成對控制器、網(wǎng)絡(luò)、伺服以及其他現(xiàn)場設(shè)備的配置，通過內(nèi)部功能塊即可完成復(fù)雜的運(yùn)動控制，并可利用先進(jìn)的順序和運(yùn)動控制仿真功能在3D環(huán)境下預(yù)測試運(yùn)動軌跡，縮短了工程師在現(xiàn)場的反復(fù)調(diào)試時間，基于對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STUDIO，是歐姆龍SYSMAC自動化平臺的核心競爭技術(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)定非常簡單：

6.2 通過電子齒輪FB實現(xiàn)同步以及張力調(diào)整

無軸傳動的核心是同步傳動?；赟TUDIO軟件平臺的電子凸輪功能可以輕而易舉的實現(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

收卷牽引輥做主軸，印刷輥及放卷牽引輥做從軸。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啟動主軸，以后PID微調(diào)的MV輸出可通過改變基本電子齒輪比實現(xiàn)，但調(diào)節(jié)范圍要很小，程序?qū)崿F(xiàn)是通過再次啟動MC_GearIN指令建立新的連接實現(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，可以手動或自動調(diào)整版輥的偏移，使用的指令是MC_Phasing：

7 結(jié)束語

通過全新Sysmac家族機(jī)器自動化控制器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，在為客戶帶來新的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型利益過程中，提供更高層的機(jī)器控制解決方案，助力中國產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)增長。

參考文獻(xiàn)（略）