曲面膠印機嵌入式伺服驅動控制系統設計*

王賢淮，陳 忠，王昌佑，王賢洵

（1.廣東隆興包裝實業有限公司，廣東 潮州 515638；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

新型食品包裝容器對于提升食品形象與品牌定位有重要作用。因而食品包裝容器除了要滿足基本的容器功能外，對其外表面的圖案及色彩的表現力提出了更高的要求。對于PET塑料杯外表面上的色彩鮮艷的圖案需要采用特殊的柔性版膠印技術完成印刷，為此須配套高效的錐形容器曲面膠印刷機。為了在錐形容器表面獲得表現細膩、層次感強的多色套印圖案，對印刷系統的同步運動控制提出了更高的要求。傳統的曲面膠印機采用單電機傳動，通過機械傳動鏈保證其同步，但這種傳動模式要使用萬向節（由于需要調整鼓輪與圓錐容器間的接觸壓力），因而限制了其印刷速度以及存在壽命短、關鍵部件易磨損等問題[1]。目前，先進的曲面膠印機均采用獨立驅動方式，通過位置傳感與驅動同步的方式實現更加靈活的同步印刷運動[2-3]。針對這兩種驅動模式，一般采用交流電機、變頻器、PLC實現整機關鍵的印刷同步控制。但這種控制模式存在無法實現精細控制，印刷得到的圖案不夠細膩。

為此，本文針對目前曲面膠印機的印刷同步控制模式的缺點，提出了基于嵌入式控制器的伺服同步控制方法，以確保高速印刷過程中印刷的動態同步性能，提高印刷圖案層次感與表現力。論文首先簡述了曲面膠印機印刷同步控制的特點與要求，其次設計一個用于曲面膠印機同步印刷控制的嵌入式伺服驅動控制系統，包括體系結構設計與軟件模塊設計。所設計的嵌入式伺服驅動同步控制系統在曲面膠印機上得到了成功應用。

1 曲面膠印機的步進同步印刷原理與控制要求[4]

曲面印刷機是一個高度機電一體化的印刷設備，其基本的印刷原理采用柔性凸版與膠印復合印刷模式，因此兼有膠版印刷與柔性版印刷的優點。其結構及印刷示意圖如圖1所示，曲面膠印機通過竄動膠輥2把UV油墨1均勻涂抹到柔性凸版3上；柔性凸版上的單色圖形轉印到鼓輪橡皮布4上，橡皮布上的多色圖形，則通過多組柔性凸版通過恒定機械傳動鏈以同步的方式套印在同一個橡皮布上；大鼓輪5與步進分度模頭7以雙電機獨立控制方式確保橡皮布與步進分度模頭7上的錐形塑杯步進同步接觸滾動印刷。

圖1 錐形塑杯印刷機工作示意圖

為了保證錐形塑杯的印刷質量，需要嚴格保證柔性版驅動軸、大鼓輪驅動軸和分度驅動軸的同步轉動，具體如示意圖2所示。這三個運動軸采用獨立驅動的方式，為此需要準確測量各軸的運動位置，通過運動控制實現各軸的同步。這對控制系統提出了較高的要求。

圖2 錐形塑杯印刷機的印刷工步示意圖

傳統的方法是采用變頻器驅動交流電機的方式實現，其特點是成本低，但控制性能稍差，不能很好地實現動態位置控制。為此，本文對三個驅動軸采用了伺服同步驅動的方式，通過伺服驅動器驅動高性能伺服電機，從而可保證高質量印刷對同步運動控制的要求。

2 曲面膠印機嵌入式伺服驅動控制系統

針對曲面膠印機高性能同步印刷的要求，設計嵌入式伺服驅動控制系統，完成控制體系規劃、軟件系統設計。

2.1 嵌入式伺服同步驅動體系結構

圖3 嵌入式伺服驅動同步控制系統

針對曲面膠印機同步運動高質量印刷的要求，設計如圖3所示的嵌入式伺服運動控制體系結構。其中，采用具有硬件驅動層與上位上層數控層的兩層結構的上位機與下位模塊化嵌入式運動控制系統。該控制系統的硬件驅動層具有硬件透明的接口函數，從而可實現對印刷行業不同嵌入式控制器、基于PLC控制器控制功能的透明調用。同時上位上層數控系統可通過統一的接口函數調用下位不同控制器的控制功能，訪問下位不同的變量以及讀取不同I/O信號，這些都是對硬件透明的。從而上位數控編程或圖形化組態系統得到統一的實現。

下位嵌入式控制器采用實時操作系統，實現曲面膠印機同步運動控制。其核心模塊是三軸聯動控制模塊。這三軸伺服運動，通過各伺服電機帶的旋轉編碼器實現各自的半閉環控制。由于其三軸聯動控制的結果實際上是在一個三維拓撲空間中的插補，根據曲面膠印機同步運動控制的要求，實際上其運動軌跡在這個三維拓撲空間中的運動軌跡是一條直線。

圖4 下位機流程圖

2.2 下位嵌入式軟件系統

由于曲面膠印機三軸伺服聯動的運動軌跡是一條三維拓撲空間中的直線，因此只需要實現一個空間直線插補算法就可以完成控制軟件的核心模塊。但這個空間直線插補算法與一般直線插補算法不同的地方是，其要對各運動軸進行必要的調相控制，以使各運動實現回零。這樣才能保證印刷的初始位置正確，而不能按照傳統的方法進行機械回零。為此實現了下位嵌入式控制的核心軟件流程圖，如圖4所示。

3 結論

隨著對錐形塑杯等食品容器的外包裝要求越來越高，對曲面膠印機高速運行條件下的同步運動控制性能提出了越來越高的要求。本文提出的嵌入式伺服同步驅動控制系統，利用數控系統原理，實現了空間直線插補算法模塊以及特殊的調相回零方法。所設計的曲面膠印機嵌入式伺服控制系統在公司產業化的曲面膠印機上試驗性運行，在36000個印杯/小時運行工況下，塑杯印刷質量達到了要求。

［1］蔡建偉，胡中越.曲面膠印機：中國，200620061956.3［P］.

［2］王賢淮，王昌佑.用于曲面膠印機的多獨立交流伺服電機同步驅動系統：中國，200820135995.2［P］.

［3］王賢淮.用于曲面膠印機的雙電機同步傳動裝置：中國，200620012968.7［P］.

［4］王賢淮，陳忠，王昌佑，等.錐形塑杯曲面膠印機印刷差速分析與鼓輪設計［J］.現代制造工程，2009（6）：128-131.