0 引言
在印刷机械行业中,多电机的同步控制是一个非常重要的问题。由于印刷产品的特殊工艺要求,尤其是对于多色印刷,为了保证印刷套印精度(一般≤0.05mm),要求各个电机位置转差率很高(一般≤0.02%)。在传统的印刷机械中,以往大都采用以机械长轴作为动力源的同步控制方案,但机械长轴同步控制方案易出现振荡现象,各个机组互相干扰,而且系统中有许多机械零件,不方便系统维护和使用。随着机电一体化技术的发展,现场总线技术不断应用到各个领域并得到了广泛的应用。本文针对机组式印刷机械的同步需求,提出了一种基于CAN现场总线的同步控制解决方案www.cechina.cn,并得以验证。
1 无轴传动印刷机控制系统的同步需求
机组式卷筒印刷机一般由给纸机组、印刷机组、张力机组、加工机组和复卷机组等机组组成。在传统的有轴传动印刷机中,动力源由异步电机通过皮带轮带动一根机械长轴(约10-20m),然后通过长轴带动各机组的齿轮、凸轮、连杆等传动元件,再通过传动元件带动设备的执行元件完成设备的输人、输出任务。
卷筒印刷机要求印刷速度为300m/min,套印精度≤0.03mm,为了满足套印精度,要求在各个机组定位精度≤0.03
我们把机械长轴作为主轴(参考轴),各印刷机组轴为从动轴,如图1,各从动轴与主轴要满足同步关系θ1=f1(θ) ,θ2=f2(θ) ,θ3=f3(θ) ··· ,其中,θ为主轴位置转角,θ1、θ2、θ3···为从动轴位置转角。
图 1 主从轴同步关系
Fig.1 The relation between master shaft and slave shaft
2 同步控制系统设计
考虑到印刷机中同步运动关系复杂,套印精度高、印刷机组点多、分散,多操作子站,印刷生产线长等特点,采用全分散、全数字、全开放的现场总线控制系统FCS,总线的选择选用CAN总线。
为了实现各个印刷机组的复杂同步关系,将主控制器和各个电机的伺服驱动器都挂接到CAN总线上,构成以印刷机控制器为核心的CAN现场总线系统,如图2。
控制器和伺服驱动器都配有CAN总线控制器SJA1000和收发器PCA82C250的通讯适配卡,通过连接在印刷机控制器上的CAN通讯适配卡,控制器可以方便、快速的与各伺服驱动器通讯,向各个伺服单元发送控制指令和位置给定指令,并实时获得各个伺服电机的状态信息,按照需要实时地对伺服参数进行修改,各个伺服单元也可以通过CAN总线及时的进行数据交换。各个伺服驱动器在获得自己的位置参考指令后,紧密的跟随位置指令。由于控制器的位置指令直接输入到各个伺服驱动器,因此每个伺服驱动器都获得同步运动控制指令www.cechina.cn,不受其他因素影响,即任一伺服单元都不受其他伺服单元的扰动影响。在这个系统中,控制器和各个伺服驱动器都作为一个网络节点控制工程网版权所有,形成CAN控制网络。同时,由于采用现场总线控制系统,可以根据印刷规模,扩展网络节点个数。
图2 同步控制系统图
Fig.2 Synchronous control system
3 编码器和伺服电机的选择
在大惯量负载印刷系统中,编码器和伺服系统的选择尤为重要。以BF4250卷筒纸印刷机为例www.cechina.cn,其负载转动惯量很大,其中柔印机组为0.13 kg·m2,胶印机组转动惯量最大,为0.33 kg·m2。
由于系统定位精度要求≤0.03mm,考虑到负载的大惯量性,把控制周期定为2ms,要求位置环稳态误差为±1个脉冲。根据定位精度和稳态误差,可以折算出编码器线数为17000线,可是考虑到在实际印刷过程中,要不断调整不同机组的位置,如果编码器分辨率选17000线,在调整印辊时,由于机组转动惯量很大,将会产生很大的角加速度,进而产生很大的转矩。例如对于胶印机组,调整角加速度超过700 rad/s2,调整转矩超过200N·m,一般的电机无法满足要求。
综合考虑,选择编码器分辨率为40000线,这样在调整过程中,减小了电机的调整加速度,进而减小了调整转矩。例如在负载惯量最大的胶印机组中,调整角加速度为78.6rad/s2,调整转矩为26 N·m,凯奇电气公司的90M系列伺服电机完全可以满足要求。
4 时钟同步机制
在分布式无轴传动同步控制系统中www.cechina.cn,需要各个印刷机组之间统一协调地工作,所以各个机组必须要有统一的时间系统,以保证各个印刷机组协调工作,完成印刷任务。
具体的时钟同步实现方法分为硬件时钟同步,