应用丨Lenze全伺服系统案在瓦楞纸无轴印刷中的应用
Lenze 公司主要进行高精度、高性能的伺服驱动产品的研发，致力于为客户提供优质的印刷自动化系统伺服解决方案，本文从典型的开槽模切印刷设备介绍了此应用系统解决方案。
瓦楞纸印刷设备类型是多种多样的，但主体结构主要由送纸单元、印刷单元、干燥单元、模切单元等组成，如图 1 所示。其中，由于设备功能不同，部分印刷设备会将模切单元更换为其他设备。
送纸单元主要由进纸轮、抬板、挡板、送纸辊等组成。挡板可上下移动，根据瓦楞纸原料厚度上下调整，以保证送纸轮每次仅送进去一张瓦楞纸，上面一张纸则被挡板挡住；
抬板可通过两种方式进行驱动，一种是通过机械凸轮耦合方式与主轴相连，通过主轴驱动抬板做凸轮运动；另外一种方式则通过伺服电机驱动，使抬板进行凸轮运动。进纸轮由四组滚轮组成，主要将印刷纸板送入后续印刷单元中，进纸轮由一台伺服电机驱动。为灵活适用多种产品规格印刷及维护方便，目前比较流行的方式为进纸轮和抬板均采用伺服电机驱动方式；
送纸辊由一台伺服电机驱动，将印刷纸板送入后续印刷单元中。纸板在进入送纸辊之前，线速度需达到送纸辊线速度，即生产线速度，以保证纸板在送纸辊之间不会发生打滑或者拉伸，进而影响后续印刷精度。
产品介绍
1、 LENZE伦茨控制器 3200C
3200C 是 Lenze 推出的一款强大的高性能运动控制器 PLC，主要用于高精度、高动态响应的运动控制。操作系统采用 WinCE 系统，软件开发平台为 CoDeSys 平台，最小运行扫描时间为 1ms。
内置两个 Ethernet 百兆以太网口、一个百兆 EtherCAT 接口、一个 DVI 接口。通讯可选件包含 Profibus DP master、Profibus DP Slave、CANopen 模块。
可扩展 IO 模块，IO 模块包含数字量输入 DI、数字输出 DO、模拟量输入 AI、模拟量输出 AO、编码器速度测量等模块。
2、LENZE伺服 9400
伺服 9400 是 Lenze 高精度伺服控制器，尤其适用于集中式、紧凑型单轴、多轴安装系统。该伺服采用 32 位处理器，具备极高的运算及控制精度；伺服内部具备 PLC 编程功能，客户不同的需求可以通过编程灵活实现，扫描时间达到 1ms；此外，通过选择不同的通讯模块，9400 伺服控制器可以快捷地与第三方 PLC 或者其他伺服驱动器通讯，如 Profibus DP、 ProfiNet、EtherCAT 等模块。
3、LENZE伺服驱动器 i700
伺服驱动器 i700 是 Lenze 公司最新推出的一款多轴伺服驱动器，除具备伺服 9400 高精度的特性外，还具备较高的性价比。伺服轴模块分为单轴模块、双轴模块，使用时可以灵活组合，轴模块之间通过母线并联，轴模块供电集中统一通过直流母线供电；通讯采用集成的高速工业以太网 EtherCAT 与 3200C 或者第三方运动控制器 PLC 通讯。安装方式有冷板安装，推出式散热，柜内安装三种安装方式，功率范围为 0.75kW 到 15 kW。
4、LENZE全伺服自动控制系统结构
图 2 为典型的 Lenze 无轴印刷全伺服控制系统结构图，主要硬件结构包含 Lenze 触摸屏 MP1000、3200C 运动控制器、Lenze 伺服控制器及 Lenze 伺服电机。
3200C 运动控制 PLC 是整个运动控制系统的核心，它包含了设备运行所需要的虚拟主轴控制、电子凸轮控制、相位同步控制等印刷所需要的核心控制功能。3200C 与伺服 9400、伺服驱动器 i700 通讯采用通讯速率高达 100Mbps 的通讯网 EtherCAT。EtherCAT 是一种实时工业以太网技术，它充分地利用了以太网的全双工特性[3]。除具备高速通讯速率外，使用 EtherCAT 作为总线使方案拓展更具灵活性，符合 EtherCAT 协议的设备均可拓展到此系统结构上。3200C 则通过 EtherCAT 网络统一协调所有设备的运转。
伺服驱动器使用 Lenze 性价比较高的 i700 驱动器，i700 是 Lenze 在伺服驱动器领域的新产品，i700 分为单轴和双轴模块，双轴模块可以分别独立驱动两台伺服电机。i700 内部不包含驱动程序，仅包含最基本的位置环、速度环、电流环等控制闭环，所有的设定值、控制命令等设定数据均由 3200C 通过 EtherCAT 过程数据通道下发。此外，部分设备如前缘进纸功率较大，因此需采用伺服 9400，伺服 9400 采用 Lenze CIA402 模式，其控制思路与方法则与 i700 相同，均由 3200C 通过 EtherCAT 总线下发设定值和控制字等命令来控制驱动器。
Lenze 触摸屏 MP1000 通过 DVI 线与 3200C 通讯。由于运动控制器 3200C 支持 OPC Server 及以太网自由口通讯，3200C 可以与支持 OPC 协议或者以太网自由口通讯的触摸屏通讯。伺服电机则采用 Lenze 自身品牌的伺服电机。
系统电源供电较为灵活，i700 伺服驱动器可由 i700 电源模块直流 DC 母线供电，并可以根据负载大小调整电源供电模块数量，电源模块之间并联连接；9400 则可以外接 380V，也可以选择一款大功率的供电模块，通过直流 DC 母线同时为 9400 及 i700 供电。
5、系统主要功能
1) 无轴印刷
在 3200C 中，使用虚拟主轴取代机械主轴作为设备控制的主轴，避免机械主轴的设备维护成本及控制精度差的特点。所有印刷单元及其它设备均根据虚拟主轴运行，以保证印刷设备动作的统一协调性和印刷精度。这样，通过控制虚拟主轴的运转就可以控制印刷全线的运转。
2) 相位同步
相位同步是印刷中极为重要的功能，相位同步控制精确与否直接影响到产品的印刷精度。在多色印刷中，为保证印刷精度和印刷图案精美，必须保证多色印刷单元的十字标紧紧的重合在一起，就需要精确的相位同步控制，同时提高系统的鲁棒性。
3) 相位回零
在操作人员进行印刷单元维护或者在更换印版时，进行点动或其它操作使各印刷单元相位偏离原来的初始印刷位置。为了使各印刷单元十字标重合，再次印刷之前，需要将各印刷单元相位调整到初始设定好的某一固定位置。
4) 印版压力修正
在印刷过程中，由于印版压力的影响，会导致印刷在纸板上的图案整体拉伸或者压缩，进而影响后续印刷精度或则图案精美度。为减小压力对纸板印刷的影响，可通过 Lenze 电气控制程序上来补偿此压力影响。
5) 凸轮曲线控制
在前缘进纸单元中，纸张进入拉纸辊或者印刷单元前，需要达到生产线速度。因此，纸张需要从静止加速到同步生产线速度，实现此要求还需要抬板动作进行配合。这样，进纸轮和抬板就需要在运动控制器 3200C 中使用不同的凸轮曲线进行协调控制纸张进纸速度。
6) 印刷单元双伺服控制
通常，印刷单元滚筒和传送轮由一台伺服电机控制，滚筒和传送轮之间通过同步带或者机械齿轮耦合。这样会带来两种问题，一是滚筒和传送轮之间多一级机械结构，就会带来多一级的机械误差，这会直接影响印刷精度；二是无法通过电气程序对印版压力进行修正，当印刷图案整体拉长或者压缩时，电气无法通过伺服驱动对滚筒和传送轮分别进行相位调整。为解决这些问题，印刷滚筒和传送轮可采用双伺服电机分别控制相位的方式。
6 、Lenze 亮点
1) 运动控制器 3200C 具备强大的运算功能，在多达 20 根轴的情况下，程序运行时间1~2ms。
2)3200C 虚拟主轴概念的使用实现了无轴印刷，使全线设备控制更具协调性。
3)Lenze 新产品 i700 的使用不仅具备较高的伺服控制精度，还具备较高的性价比。
4)总线 EtherCAT 不仅具备较高的通讯速率，其协议的开放性也使方案扩展变得极为容易。
5) 工程人员可通过以太网远程监控、维护客户现场设备，快速响应现场客户需求及降低成本。