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直接驱动技术显著提高柔版印刷质量和产能

柔性印刷技术越来越受到欢迎,正是源于它可以更容易保证印刷质量,并降低启动时间和浪费。

但是柔印质量取决于保持网纹辊与每个印刷机组中使用的印版滚筒高精度同步。传统方式中,这通常有两种方式来完成,一种是通过网纹辊与印版滚筒的齿轮连接,采用一个单独的交流感应电机驱动,另一种采用独立的伺服电机通过齿轮箱驱动每个轴。随着印刷速度和印刷质量要求越来越高,那么齿轮系统中的机械误差不可避免的显现出来,成为制约柔印质量和速度的主要因素。

随着近年来的技术进步,使得网纹辊与印版滚筒高精度水平上的同步成为可能,即采用闭环控制技术并采用直接驱动电机(DDR)驱动,从而避免了传动中的机械误差。消除机械误差可以使伺服环增益变大,进而增加了伺服环的带宽。由于没有齿隙,网纹辊与印版滚筒的速度控制和相位调整可以被很好地控制,因此为提高印刷质量提供更高的速度和精度。同时,因为更高的控制环增益使得机器更块的运转,从而提高产能。本文会分详解对柔印设备中DDR系统的发展趋势,及其可选择的解决方案。


网纹辊与印版滚筒同步的重要性

柔性印刷过程中,网纹辊紧密连接携带图文印版的滚筒。印版上的图文部分像吸盘一样从网纹辊那里吸附墨水。提供稳定均匀的墨水覆盖程度对印刷质量至关重要,并且这取决于保持网纹辊和印版滚筒表面之间的持续运动。只要印版滚筒运转快于网纹辊,导致印刷滚筒上的着墨量不够,导致该印刷区域颜色较浅。只要印版滚筒运转慢于网纹辊,导致印刷滚筒上的着墨量超出正常量,导致该印刷区域颜色较深。

传统的方式将网纹辊与印版滚筒同步,通常采用从动齿轮连接到中心的压印滚筒,从而同时驱动他们(见图1)。这种方法的问题是在机械传动系统中齿轮间隙是不可避免的。甚至当齿轮系统被调整的非常紧密,在很短的时间内,齿轮就会磨损并出现间隙。当齿牙前后运动时,齿隙导致网纹辊与印版滚筒快速的加速与减速。有时这就导致了印刷品在水平方向颜色深浅交替。采用无齿轮印刷方式,每个网纹辊独立地由一台减速电机(有电机+齿轮箱组合而成)驱动。每个网纹辊,滚筒,及压印滚筒都采用独立伺服驱动。但是,齿轮箱的采用导致负载和反馈之前出现误差,结果是在这样的一个无齿轮系统中通常的定位精度在+/- 1 弧分到 +/- 10弧分之间。在齿轮系统中加减速也同样被传动齿轮间隙所限制。过度增加加速度会导致系统不稳定以及齿轮损坏的问题。一些印刷公司就因为频繁地调整印刷中消隙控制系统而陷入如此的困境,有时甚至是每周都出现这类问题。因为没有解决的问题导致了机器停工的发生。
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图1–在齿轮印刷方案配置中,所有印辊都通过齿轮连在一起,通过一台单独的电机驱动。
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图2–在无齿轮印刷方案配置中,每一个印辊有一个独立的电机+齿轮箱驱动。

消除机械传动

过去十年运动控制以及电机技术的发展,使网纹辊和印版滚筒的电子同步成为可能,印刷机通过一个闭环控制系统采用直接驱动方式,消除机械传动系统,实现更高精度的印刷水平(见图3)。基本思想是网纹辊和印版滚筒通过直驱电机独立驱动。伺服电机中自带的高精度正弦反馈编码器提供给印刷控制系统更高精度和速度信息,根据运动曲线对比位置误差,通过算法来发出速度指令控制驱动器,从而控制电机。运动曲线定义了每个伺服电机每一个循环时间的运动位置和速度。在实际中,网纹辊和印版滚筒在速度和相位实现同步,确保网纹辊表面的每个点与印版滚筒同步。
 
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图3-在直接驱动印刷方案配置中,每一个印辊由一个直驱电机独立地直接驱动,不需要齿轮或者齿轮箱。
 
直接驱动旋转(DDR)系统装备最新一代伺服驱动器,可以接收高达27位分辨率的反馈编码器,64位定位分辨率,125微秒位置环扫描时间,62.5微秒速度环,和0.670微秒电流环。即,比起卓越的机械传动系统,甚至是配有立即调整的消隙系统,直驱系统能供更好地精度。通常,直驱(DDR)系统可以提供精度为+/- 25弧秒的系统精度,这比传统的齿轮伺服系统提高多达20倍精度。这个结果实实在在地提高了印刷质量。
 
伺服驱动在印刷性能中起到了很重要的左右,因为它必须保持低噪音与高增益,才能达到伺服环系统所需的带宽。因为没有齿轮箱带来的机械优势,所以伺服环增益必须高于标准齿轮传动系统,这使得低噪音、高增益成为需要。直驱(DDR)系统通常提供一个单独、高刚性的部件,同时,系统中仍需要使用高级观测器和双节滤波器,使得卓越带宽成为可能。伺服驱动必须为整个系统提供这些关键功能才能实现印刷质量的飞跃。
   

驱动与控制技术的进步所带来的优势

通过与Cartridge DDR电机技术相结合,驱动与控制技术的最新进步带来了更多的优势。

例如,凭借标准的伺服电机、电动缸和直线型定位器,最新版的伺服驱动器提供了真正的即插即用式操作能力。在印刷机装配工人简单地将电机和反馈装置插入驱动器后,驱动器会自行调整所有参数来匹配电机和反馈装置。这些驱动器可以支持多种反馈装置。

就每一种打印台的编程而言,现代化的控制与驱动系统可以针对系统同步提供多轴、协作式的运动控制。

针对复杂凸轮,可使用IEC 61131-3 标准语言和定制的SW进行编程。整台多色印刷机仅使用一套PAC (可编程自动控制器)即可实现控制,而后者将为机器上的每个运动轴提供单点访问能力。作为一种替代方案,也可将每个打印台作为一个单独的运动子集来进行操控,随后再将之嵌入主控制器。在此过程中,只需对I/O、HMI(人机界面)和其它机器设备作出简单的拖放配置。

提高印刷产能

 

当负载被直接耦合,调整时间不再被机械传动限制,所以伺服环增益可以被增加。这使得伺服系统提高刚性成为可能,出色地完成在网纹辊、印版滚筒和压力滚筒之间速度调节。由于去除机械传动系统精度限制,所以采用直接驱动技术可以提高印刷速度。

并且,切换为直驱方案可以通过减低启动与维护时间提高印刷产量。一个典型带有齿轮箱的柔性印刷伺服系统,要求定期的消隙控制系统调节,以此补偿齿轮磨损。另一方面,直接驱动(DDR)系统,因为是直接与负载耦合,所以不需要周期性调整,完全取消了齿隙和消隙控制。随着技术多年的发展之后,调试设置通常就在机器安装当天完成。在机器试运行期间,操作人员仅仅按一个按钮,那么自动调节功能就可以在几秒钟就可以调整到卓越性能,包括所有的环路,滤波器,增益,观测器等。自动调节帮助实现所有电机的精确控制及负载变动补偿。

简单易用的图形用户界面(GUI)有利于快速调试和故障检测。工程师和技术人员可以快速检测问题,方式非常方便,通过以太网连到驱动器或控制器上,包括实现距离现场几公里外运动控制专家的远程诊断分析。其他设计者必要的驱动器软件工具如下:

● 简单易用的多通道示波器
● 一键自动调节功能
● 多功能波特图
● 通过Email快速分享机器性能数据

这些要素,伴随伺服基本性能,提供了必要的引擎,来完成直接驱动(DDR)技术极大提高印刷质量。

降低材料、维护、要求成本

通常,部件数与材料成本紧密相关,直接驱动印刷技术将每个颜色机组降低十个部件。机械的简单化使得更快速的安装机器,减少维护成本,和更少机器部件的备件采购。表一对比了一个典型的齿轮传动解决方案和直接驱动系统。如果是10套色印刷设备,超过100个部件会从采购物料清单中去除。当网纹辊和印版滚筒通过齿轮系统被同一个电机驱动时,很难做到将两个轴分别维护和交换印刷套筒或滚筒。在直接驱动(DDR)配置中,网纹辊,印版滚筒,和CI drum可以独立的移动,方便维护、清洗,以及更换。因为辊筒可以被独立控制,这可以被看做是一种安全性的改进。

最后,直驱技术的采用还可以减少机械系统中所需的调整,润滑油以及可能的部件更换。


小尺寸电机的采用

因为直接驱动电机与负载直接相连,不同于传统齿轮传动电机,不需要惯量比匹配。传统齿轮传动系统,当力矩波动或共振产生的非线性特性导致扭矩很低时,会产生干扰,电机通常尺寸与负载匹配,为的就是产生足够的扭矩来克服此干扰。然而,带闭环伺服系统不会产生类似的不同步问题和扭矩损失。伺服系统不需要特殊的换向频率或抗阻尼控制,也能维持一个线性及可预测的速度力矩曲线。

基于以上原因,直驱(DDR)电机的尺寸依照所需加速度时间所得的峰值扭矩大小。在直驱系统里,惯量匹配在250:1是非常常见的,甚至惯量比在800:1都可以接受。在很多柔性印刷设备中,惯量匹配要求决定了电机的大小。这样的结果是更小尺寸的电机和高能效的直驱电机被用在越来越多的应用中。

今天,许多机器规格说明,甚至在工业环境,均列出了最大允许听觉范围内的噪音水平。直驱系统的噪音水平同比同类的齿轮传动系统能降低20dB。所以安装一个直驱系统可以帮助客户满足所需的噪音标准。
 
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直接驱动电机的选择
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图4-无框架电机技术设计理念是与机器结构很好的融合。
  直接驱动技术以不断进化的方式发展。最初的无框架直驱电机(图4)是设计在机器结构里,外加一个反馈设备构成机器的一部分。这种方法的好处就是节省空间。另一方面,无框架电机比起完整电机相对昂贵,是因为对机器设计要求比较高。同时无框架电机因为嵌在机器内部,维修会更困难。虽然初始开发成本相对变高,但是对于某一些应用来说高性能、高质量、更小空间要求的价值仍说明这项技术是非常需要的。

下一代的直接驱动(DDR)技术,即常被提起的有框系统(图5),它整合了所有完整电机的部件,包括框架、动子、定子、轴承和反馈设备。设备的轴通过电机孔插入,连接到动子。因为不再需要印刷设备集成电机部件,所以这种方法有效地降低了研发成本。这种方法的劣势是电机和机器的轴承必须准确同心,这项工作非常复杂和耗时间。电机里的轴承和负载直接线性耦合,使得系统部件的同心校准很容易引发轴承故障。直驱旋转系统最新解决方案,即Kollmorgen科尔摩根Cartridge DDR模块式直接驱动旋转伺服电机(图6),它是有框电机,并且安装到机器上简单易行。然而,CDDR不带轴承,需要主设备连到电机的动子。在已有轴承的机器上,尤其是在某些应用上--印刷设备辊筒上已采用重载精密的轴承,这种方法使得直驱技术简单易行。电机在中间有一个孔,通过这个孔,网纹辊、印刷滚筒或者压力滚筒的轴插入与电机相连,用螺栓使得电机与机器框架固定。

 

通常的安装时间少于5分钟。电机套在轴上,直到导向筒和机器紧密相连。框架被螺钉安全固定。然后采用规定扭矩的压紧联轴器使得电机动子和机器辊筒安全相连。电机动子现在严密地与机器轴相连。编码器同心度被事先设定好,所以不需要再次调整。电缆连接好后,电机就可以运转了。
 
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图5- 有框DDR直驱电机系统集成了完整电机的所有部件,包括动子,定子,轴承和反馈。
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图6-科尔摩根模块化电机CDDR伺服电机属于完全封装式,并且易于安装到机器上。在五年以及更长的时间,这些电机可以使得每个伺服轴,相比于传统齿轮伺服系统,减少操作成本达10,000美金。

 


装有科尔摩根Cartridge DDR电机的伺服系统可以工作10 年,无需任何维护。尽管初始设备成本比传凸轮系统要高,通过几年的运行,省去的维修以及维护费用使得整体采用和运行成本费用更低。甚至仅仅高一点的初始成本,超过5年Cartridge DDR电机,比起传统齿轮 系统,每个轴可以降低运行费用达10,000美金。

这就是为什么直驱技术已经越来越多被使用在新的印刷设备上。对于印刷用户,采用直驱技术的高印刷质量和产量就意味着高回报率。对于印刷设备制造商来说,直驱技术提供了明显的竞争优势,同时容易集成在现有或者新的设备中。




 

关于科尔摩根

 

科尔摩根(Kollmorgen)是全球领先的运动控制系统和配件供应商。凭借七十多年的运动控制设计与开发专业经验,科尔摩根公司提供的突破性解决方案便捷可靠,性能无与伦比。科尔摩根拥有世界顶尖的运动控制理念、业内领先的产品质量、以及集成和定制产品的专业能力,致力于为设备制造商创造毋庸置疑的市场竞争优势。

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