印刷機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)的特性分析

任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)都離不開(kāi)動(dòng)力，而印刷機(jī)動(dòng)力需要具備以下條件:持續(xù)穩(wěn)定性；滿足印刷操作要求，具備連續(xù)調(diào)速的特性。
在印刷機(jī)引進(jìn)無(wú)軸傳動(dòng)以前，報(bào)紙印刷機(jī)經(jīng)歷了兩代電動(dòng)調(diào)速控制。20世紀(jì)70年代以前，報(bào)紙印刷機(jī)廣泛采用的滑環(huán)式交流電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，這種控制技術(shù)可稱為報(bào)紙印刷機(jī)的第一代電動(dòng)調(diào)速拖動(dòng)控制。20世紀(jì)70年代以后，隨著直流調(diào)速技術(shù)的進(jìn)步，直流調(diào)速和滑差電機(jī)調(diào)速在印刷機(jī)中得到廣泛的采用，這種控制技術(shù)可稱為報(bào)紙印刷機(jī)的第二代電動(dòng)調(diào)速拖動(dòng)控制。1992年力士樂(lè)研制出第一套用于印刷機(jī)驅(qū)動(dòng)的無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)synax，隨后十年，無(wú)軸調(diào)速已經(jīng)取代了其它報(bào)紙印刷機(jī)的調(diào)速控制。
第一部份 無(wú)軸傳動(dòng)概述
無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)已逐漸成為印刷機(jī)技術(shù)的新概念。突破機(jī)械界限，無(wú)軸傳動(dòng)為印刷機(jī)設(shè)計(jì)和印刷機(jī)制造帶來(lái)升級(jí)和突破。印刷機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)，是以1992年力士樂(lè)研制的第一套用于印刷機(jī)驅(qū)動(dòng)的無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)synax為起點(diǎn)，發(fā)展起來(lái)的一種印刷機(jī)傳動(dòng)控制技術(shù)，全球已經(jīng)在多家制造驅(qū)動(dòng)專業(yè)制公司擁有此項(xiàng)技術(shù)。
1 印刷機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)
1)無(wú)軸傳動(dòng)通訊
無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)采用分散式智能技術(shù)，采用國(guó)際傳動(dòng)通訊標(biāo)準(zhǔn)sercos(串行實(shí)時(shí)通訊系統(tǒng)serial real time communication system)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)光導(dǎo)纖維以數(shù)字方式實(shí)時(shí)傳輸控制信息。每組電機(jī)采用一種可以控制40個(gè)位置的電機(jī)的分散式智能卡，分散式智能卡發(fā)出的控制信息，能靈活控制馬達(dá)的運(yùn)行位置。分散式智能卡光纖通訊技術(shù)把32個(gè)卡連接在一起，組成一個(gè)多達(dá)1000個(gè)位置的電機(jī)控制群。
2)印刷機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)同步
印刷機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)由智能型數(shù)字變頻器、交流電機(jī)和32位數(shù)字編碼閉環(huán)反饋系統(tǒng)三部份組成。印刷機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)同步依靠32位數(shù)字編碼閉環(huán)反饋系統(tǒng)控制，在一秒內(nèi)對(duì)交流電機(jī)的位置完成4000次的定位效正。智能型數(shù)字變頻器對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行200萬(wàn)個(gè)單位的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)接口的光纖數(shù)字傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)連接，充分滿足印刷品質(zhì)要求的印刷分辨率和套印精度。
2 印刷機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)給印刷控制帶來(lái)的優(yōu)越性
1)印刷機(jī)驅(qū)動(dòng)的分散化、模塊化。實(shí)現(xiàn)多紙路印刷配置的驅(qū)動(dòng)小型化，比如，羅蘭單幅雙倍徑的八色塔h型印刷機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)由原來(lái)的單個(gè)電機(jī)容量≥90kw，調(diào)整為單個(gè)電機(jī)容量≤27kw，設(shè)備起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊降低了3倍以上；
2)消除了機(jī)械傳動(dòng)帶來(lái)的印刷套印誤差。有資料統(tǒng)計(jì)，配有8個(gè)印刷裝置的印刷機(jī)，存在每個(gè)機(jī)械同步的運(yùn)動(dòng)的各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)容差，第1印刷裝置和第8印刷裝置的誤差往往比第1印刷裝置和第2印刷裝置的誤差大7倍。直到機(jī)械齒輪和轉(zhuǎn)軸達(dá)到連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種誤差才有可能消除；
3)減少印刷機(jī)開(kāi)機(jī)準(zhǔn)備時(shí)間。無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)甚至可以實(shí)現(xiàn)印刷裝置每個(gè)色組獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，整個(gè)印刷機(jī)可以由多人做印刷準(zhǔn)備工作。比如，羅蘭八色塔式印刷機(jī)采用4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，高寶八色塔式印刷機(jī)采用8個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；
4)印刷機(jī)控制的互換性。無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)采了國(guó)際傳動(dòng)通訊標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行信息傳輸功能，任何無(wú)軸傳動(dòng)的印刷機(jī)都沒(méi)有專利限制；
5)提供可靠的故障診斷。采用串行實(shí)時(shí)通訊系統(tǒng)，制造商可以把印刷機(jī)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)制定在系統(tǒng)中，再采集印刷機(jī)運(yùn)行參數(shù)與之比較，就可知道設(shè)備故障位置；
6)無(wú)軸傳動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輥的速度調(diào)節(jié)精度達(dá)0.01%，能精確控制印刷紙帶拉紙輥速度，有效控制多紙路印刷走紙穩(wěn)定性、張力均勻性、裁切一致性等，印刷過(guò)程的不確定性；
7)應(yīng)用無(wú)軸傳動(dòng)的定位精度，提高了自動(dòng)換版的可靠性，提高了印刷套印和裁切套準(zhǔn)的反應(yīng)速度，極大地減少了廢品率。
第二部份 變頻調(diào)速技術(shù)
印刷機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)軸驅(qū)動(dòng)與變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展和運(yùn)用休戚相關(guān)。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用了三相異步電機(jī)的主要特性，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度調(diào)節(jié)。
1 三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性
三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速:n=60f/p，也就是說(shuō)，三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n決定于電流頻率f和磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)p，而制造好電動(dòng)機(jī)后，磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)是不能改變的。所以，三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電流頻率是正比的關(guān)系，變頻調(diào)速技術(shù)也就是利用此特殊的性質(zhì)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)輸出的速度大小。
2 印刷機(jī)無(wú)軸驅(qū)動(dòng)ac變頻調(diào)速原理
20世紀(jì)80年代末，一種新型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(igbt)問(wèn)世，變頻調(diào)速的電機(jī)特性有了提高，印刷機(jī)開(kāi)始引入變頻驅(qū)動(dòng)調(diào)速技術(shù)。三相異步電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)，由變頻器和三相異步電機(jī)組成，廣泛采用的變頻形式為“交-直-交”電壓型。由于“交-直-交”型容易實(shí)現(xiàn)恒電流控制，與印刷機(jī)恒力矩控制特性相近。印刷機(jī)變頻控制采用這種“交-直-交”型控制形式。這種控制形式功率小，工業(yè)控制也叫交流伺服控制或ac控制。
變頻器的工作分為兩個(gè)過(guò)程，第一步，先將電源的三相(或單相)固定頻率的交流電源經(jīng)整流橋轉(zhuǎn)換成直流。第二步，把直流轉(zhuǎn)變成交流，這個(gè)過(guò)程叫直流“逆變”。變頻調(diào)速過(guò)程就是控制直流“逆變”輸出的頻率，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流“逆變”過(guò)程是橋式整流的相反過(guò)程，整流電路也叫“逆變”橋電路。印刷機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)的“逆變”橋電路采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管電路進(jìn)行直流逆變，如圖2。這是一種電壓控制器件，控制功率小，開(kāi)關(guān)頻率≤20khz的高效率開(kāi)關(guān)電路，具有以下特點(diǎn):電流波型更接近交流電源，控制的電機(jī)保持了更多三相電機(jī)的特性；電磁噪音小；電路簡(jiǎn)單；常見(jiàn)故障的自處理能力強(qiáng)，故障率小；變頻器自身?yè)p耗小。
3 印刷機(jī)ac變頻調(diào)速控制的基本方式
印刷機(jī)因結(jié)構(gòu)決定了負(fù)載不均勻性，而印刷適性要求運(yùn)行必須平穩(wěn)的，印刷質(zhì)量才能穩(wěn)定，達(dá)到印刷復(fù)制的效果。印刷機(jī)由直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為交流調(diào)速驅(qū)動(dòng)是否有印刷復(fù)制效果的變化，或者，如何克服交流調(diào)速控制的不足，是我們最想了解的。使用和維修印刷機(jī)時(shí)，會(huì)注意到在無(wú)軸驅(qū)動(dòng)的印刷機(jī)上，有些電機(jī)帶編碼器，有些電機(jī)并未帶編碼器，這兩類電機(jī)是如何同步的，應(yīng)先了解交流變頻調(diào)速控制的基本方式。
1)矢量控制法
直流電機(jī)有兩個(gè)互相垂直的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，控制垂直磁場(chǎng)大小，實(shí)現(xiàn)速度控制的同時(shí)，也控制了電機(jī)的機(jī)械特性。而三相交流異步電動(dòng)機(jī)只有瞬間存在垂直的磁場(chǎng)。交流變頻調(diào)速控制基本點(diǎn)是對(duì)三相“逆變”橋的控制實(shí)現(xiàn)控制瞬間垂直磁場(chǎng)，提高交流變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)機(jī)械特性。這種控制瞬間垂直磁場(chǎng)的三相“逆變”橋的過(guò)程稱為等效矢量控制法，如圖3所示。等效分矢量控制法兩個(gè)過(guò)程：
第一步，處理給定信號(hào)。變頻器控制電路將給定信號(hào)假想地分解成旋轉(zhuǎn)著的兩個(gè)互相垂直的直流信號(hào)，分別稱為磁場(chǎng)分量im和轉(zhuǎn)矩分量it；模擬直流電機(jī)的兩個(gè)磁場(chǎng)。
第二步，等效轉(zhuǎn)換。根據(jù)電動(dòng)機(jī)參數(shù)，將互相垂直的旋轉(zhuǎn)著的直流磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行一系列的等效變換，把它們變換成控制三相逆變橋的控制信號(hào)ia、ib、ic。
2)無(wú)反饋矢量控制
無(wú)軸驅(qū)動(dòng)印刷機(jī)常見(jiàn)的一類電機(jī)不帶編碼器，但是，并不是沒(méi)有速度控制的開(kāi)環(huán)控制。這類電機(jī)的同步，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的端電壓和電流，計(jì)算轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)子角速度，推算圖3中磁場(chǎng)分量im和轉(zhuǎn)矩分量it結(jié)合特定電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行等效變換的無(wú)反饋矢量控制。這類控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力略差，印刷色序套印驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用這種控制，印刷機(jī)的套印會(huì)因速度變化而有細(xì)微差別。
3)反饋矢量控制
無(wú)軸驅(qū)動(dòng)印刷機(jī)根據(jù)印刷適性要求，需要精確控制其速度，比如，印刷機(jī)生產(chǎn)速度的確定，印刷色序套印速度控制，等等。這類電機(jī)直接在電機(jī)上安裝編碼器，獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，進(jìn)行等效變換，實(shí)現(xiàn)矢量控制，嚴(yán)格控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速同步。這類控制具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，印刷色序套印驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用這種控制，印刷機(jī)的套印不會(huì)因速度變化而變化。


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