單元式卷筒紙印刷機(jī)通常由進(jìn)紙單元，印刷單元，張緊單元，處理單元和復(fù)卷單元組成。在傳統(tǒng)的軸驅(qū)動(dòng)式印刷機(jī)中，電源由異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶輪驅(qū)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)機(jī)械長(zhǎng)軸（約10-20m），然后驅(qū)動(dòng)齒輪，凸輪，連桿和其他傳動(dòng)元件。為了完成機(jī)器的輸入和輸出工作，傳動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)機(jī)器的運(yùn)行元件。

卷筒紙印刷機(jī)需要300m/min的印刷速度和≤0.03mm的套印精度，并且每個(gè)單元的定位精度需要≤0.03mm才能滿足套印精度。在印刷機(jī)的印刷過(guò)程中，要求每個(gè)單位軸與機(jī)械主軸保持恒定的同步運(yùn)動(dòng)關(guān)系，而每個(gè)單位軸之間的同步關(guān)系是否得到良好實(shí)現(xiàn)，直接影響印刷速度和套印精度。其中，進(jìn)紙器和打印單元的要求與主軸的轉(zhuǎn)速成正比，張緊單元根據(jù)打印速度調(diào)整張緊系數(shù)。處理單元必須保持凸輪與凸輪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。重繞器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于要求，并且隨著紙卷直徑的增加而減小。

如圖1所示，以機(jī)器的主軸為主軸（參考軸），以每個(gè)打印單元軸為從動(dòng)軸。每個(gè)從動(dòng)軸和主軸具有同步關(guān)系θ1=f1（θ），θ2=f2（θ），θ3=f3（θ）.其中θ是主軸的位置和旋轉(zhuǎn)角度θ1 θ2，θ3·主軸的位置和旋轉(zhuǎn)角度。血液同軸。

圖1主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間的同步關(guān)系

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到印刷機(jī)復(fù)雜的同步運(yùn)動(dòng)關(guān)系，高套印精度，多個(gè)印刷設(shè)備，分散化，多個(gè)工作分站，較長(zhǎng)的印刷生產(chǎn)線等因素，采用完全分散的全數(shù)字和完全開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS。總線選擇選擇CAN總線。

為了實(shí)現(xiàn)每個(gè)打印設(shè)備的復(fù)雜同步關(guān)系，每個(gè)電機(jī)的主控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器都連接到CAN總線，以打印機(jī)控制器為核心形成一個(gè)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。在圖2中。

控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器配有CAN總線控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250通信適配器卡。通過(guò)連接到打印機(jī)控制器的CAN通信適配器卡，控制器可以輕松快速地相互通信。每個(gè)伺服單元的命令和定位，實(shí)時(shí)獲取每個(gè)伺服電機(jī)的狀態(tài)信息，根據(jù)需要實(shí)時(shí)修改伺服參數(shù)，每個(gè)伺服單元可以通過(guò)CAN總線及時(shí)交換數(shù)據(jù)。每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器在接收到自己的位置參考命令后都會(huì)緊緊跟隨位置命令。由于控制器的位置命令直接輸入到每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，因此每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器都會(huì)獲得不受其他因素影響的同步運(yùn)動(dòng)控制命令，也就是說(shuō)，伺服單元不受其他伺服單元的干擾影響。在該系統(tǒng)中，控制器和每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器均充當(dāng)形成CAN控制網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，它使用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，因此可以根據(jù)打印規(guī)模擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

圖2同步控制系統(tǒng)圖

編碼器和伺服電機(jī)的選擇

在大慣性負(fù)載打印系統(tǒng)中，編碼器和伺服系統(tǒng)的選擇尤為重要。以BF4250卷筒紙印刷機(jī)為例，負(fù)載慣性矩很大，柔版印刷單元為0.13 kg m2，膠版印刷單元的最大慣性矩為0.33 kg m2。

由于考慮到負(fù)載的慣性較大，系統(tǒng)的定位精度要求≤0.03mm，因此控制周期設(shè)置為2ms，位置環(huán)的穩(wěn)態(tài)誤差要求為±1。脈沖。根據(jù)定位精度和穩(wěn)態(tài)誤差，編碼器行數(shù)可以轉(zhuǎn)換為17000行，但是在實(shí)際打印過(guò)程中，必須不斷調(diào)整不同單元的位置。如果編碼器分辨率為17000行，則由于調(diào)整打印輥時(shí)設(shè)備的慣性矩較大，因此會(huì)產(chǎn)生較大的角加速度，從而導(dǎo)致較大的扭矩。例如，對(duì)于膠印設(shè)備，如果調(diào)整后的角加速度超過(guò)700 rad/s2，并且調(diào)整后的轉(zhuǎn)矩超過(guò)200 N m，則通用電動(dòng)機(jī)將無(wú)法滿足要求。

綜合考慮，編碼器分辨率選擇為40,000行，因此在調(diào)節(jié)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)加速度減小，并且調(diào)節(jié)扭矩減小。例如，在具有最大負(fù)載慣量的膠版印刷設(shè)備中，調(diào)整后的角加速度為78.6 rad/s2，調(diào)整后的轉(zhuǎn)矩為26 N m。開(kāi)啟電氣公司的90M系列伺服電機(jī)可以完全滿足您的要求。

時(shí)鐘同步機(jī)制

在分布式無(wú)軸變速器同步控制系統(tǒng)中，每個(gè)打印設(shè)備必須以集成且協(xié)調(diào)的方式工作，因此每個(gè)打印設(shè)備必須具有集成的時(shí)間系統(tǒng)以協(xié)調(diào)工作并完成打印作業(yè)。

特定的時(shí)鐘同步實(shí)現(xiàn)方法分為硬件時(shí)鐘同步，同步消息定時(shí)同步和協(xié)議定時(shí)同步。

（1）硬件時(shí)鐘同步。硬件時(shí)鐘同步是指使用某些硬件功能（例如gps接收器，UTC接收器，專用時(shí)鐘信號(hào)線等）的本地時(shí)鐘之間的同步，并且操作對(duì)象是計(jì)算機(jī)的硬件時(shí)鐘。硬件同步可以實(shí)現(xiàn)很高的同步精度（通常為10-9秒到10-6秒）。

（2）同步消息定時(shí)同步。在每個(gè)通信周期的開(kāi)始，主站以廣播的形式發(fā)送同步消息。例如，在SERCOS協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸層中，每個(gè)SERCOS通信周期的開(kāi)始由主戰(zhàn)場(chǎng)發(fā)送的同步消息MST指示。 MST中的數(shù)據(jù)字段非常短，僅占用1個(gè)字節(jié)。 MST消息的同步精度非常高，如果使用光纜作為傳輸介質(zhì)，則同步精度可以在4微秒內(nèi)。

（3）合同時(shí)間同步。協(xié)議時(shí)間服務(wù)也稱為軟件時(shí)間服務(wù)，這意味著使用網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將主時(shí)鐘源發(fā)送到其他子系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步。可以通過(guò)計(jì)算從發(fā)送主時(shí)鐘信息到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到該信息并產(chǎn)生中斷之間的時(shí)間差來(lái)獲得延遲時(shí)間。然后通過(guò)延遲補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。軟件時(shí)間服務(wù)成本較低，但由于網(wǎng)絡(luò)上同步信息的傳輸具有較大的延遲和較大的不確定性，因此時(shí)間服務(wù)的準(zhǔn)確性較低（通常為10-6秒至10-3秒）。

綜合考慮本文中的時(shí)鐘同步方法后，將使用硬件時(shí)鐘同步，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)根據(jù)分配給系統(tǒng)的主時(shí)鐘來(lái)調(diào)整其時(shí)鐘。具體的實(shí)現(xiàn)方法如下：通過(guò)添加硬件時(shí)鐘同步信號(hào)線CONCLK來(lái)發(fā)送的時(shí)間同步信號(hào)，同步控制信號(hào)的周期為2ms，并且將同步信號(hào)的上升沿用作同步點(diǎn)。在控制器上設(shè)置一個(gè)同步信號(hào)發(fā)生器，并在每個(gè)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)置一個(gè)同步接收設(shè)備。在驅(qū)動(dòng)程序從站的同步接收設(shè)備檢測(cè)到主CONCLK的上升沿之后，每個(gè)從站的時(shí)鐘會(huì)同時(shí)被清除。這種周期性的刪除不僅保持了每個(gè)從站的時(shí)鐘一致性，而且還防止了同步錯(cuò)誤的積累。為了改善模塊同步信號(hào)的抗干擾功能，使用平衡差分驅(qū)動(dòng)模式傳輸同步信號(hào)。使用光耦合器隔離可確保來(lái)自主站和從站的信號(hào)不會(huì)相互干擾。主從同步信號(hào)電路如圖3所示。

圖3主站和從站同步信號(hào)電路圖

上位機(jī)同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)生成工作放置在由北京首科凱奇電氣技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的軟plc-ComacPLC系統(tǒng)中。該公司的軟PLC系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)使用工業(yè)計(jì)算機(jī)平臺(tái)，而操作系統(tǒng)使用Microsoft發(fā)布的WinCE嵌入式操作系統(tǒng)。在該軟PLC系統(tǒng)中，設(shè)置了高速邏輯任務(wù)和慢速邏輯任務(wù)，并且在需要大量時(shí)間（例如緊急處理和高精度采樣）的情況下使用高速邏輯，并且主要使用慢速邏輯任務(wù)在正常時(shí)間。要求。如果高。高速邏輯任務(wù)是需要定期運(yùn)行的任務(wù)（類似于中斷服務(wù)例程）。該任務(wù)必須在系統(tǒng)采樣期內(nèi)執(zhí)行。緩慢的邏輯任務(wù)是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，可以在多個(gè)系統(tǒng)采樣中完成。期間[2]。高速邏輯任務(wù)由定時(shí)控制器8254定時(shí)，定時(shí)周期為1毫秒。在執(zhí)行過(guò)程中，每個(gè)采樣周期執(zhí)行一次快速邏輯任務(wù)，并生成同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。設(shè)置運(yùn)動(dòng)參考數(shù)據(jù)源，以虛擬化主軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以保持每個(gè)從軸與主軸的同步關(guān)系。在每個(gè)系統(tǒng)采樣周期中，根據(jù)虛擬主動(dòng)軸的運(yùn)行狀態(tài)和每個(gè)從動(dòng)軸的同步運(yùn)行要求，分別計(jì)算每個(gè)從動(dòng)軸的位置信息，并生成每個(gè)從動(dòng)軸的同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。然后將其放入CAN控制器中，等待發(fā)送隊(duì)列的發(fā)送隊(duì)列，如圖4所示。為了確保運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性能，將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的生成和計(jì)算置于快速邏輯任務(wù)中。

圖4同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)創(chuàng)建

同步接口技術(shù)協(xié)議

該系統(tǒng)的總線傳輸速率設(shè)置為1Mbps，位傳輸時(shí)間τbit為1×10-6秒。每個(gè)數(shù)據(jù)幀由8個(gè)字節(jié)組成，傳輸?shù)南?shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度固定為131位（29位標(biāo)識(shí)符），反饋消息的長(zhǎng)度為99位。數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)間Cm=131μs。同步控制信號(hào)線（CONCLK）用作同步周期信號(hào)線和消息的參考信號(hào)線。同步控制信號(hào)的周期為2ms，高電平有效，信號(hào)電平寬度為10。在正常通信期間，CAN網(wǎng)絡(luò)可以在一個(gè)控制周期內(nèi)發(fā)送16條同步數(shù)據(jù)消息。控制器在CONCLK沿之后的50μs內(nèi)發(fā)送命令消息，驅(qū)動(dòng)器在接收到命令消息后100μs內(nèi)發(fā)送反饋消息。命令消息的內(nèi)容包括位置命令值和邏輯接口信號(hào)輸入，位置命令占4個(gè)字節(jié)（32位），邏輯接口信號(hào)輸入占1個(gè)字節(jié)。邏輯接口信號(hào)輸入包括命令，例如驅(qū)動(dòng)器使能和復(fù)位。反饋消息中的通信順序包括伺服運(yùn)行狀態(tài)信息和錯(cuò)誤信息，如圖5所示。

圖5通訊序列圖

結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)傳統(tǒng)的機(jī)械長(zhǎng)軸印刷機(jī)同步控制系統(tǒng)，本文提出了一種以控制器為核心的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，并利用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器與伺服器之間的通訊。該解決方案不僅克服了傳統(tǒng)機(jī)械長(zhǎng)軸控制方案中各種機(jī)械部件的缺點(diǎn)，而且具有同步性能好，伺服單元之間無(wú)相互干擾，控制精度高，維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。

這種同步方法的特點(diǎn)是使用CAN總線，具有可靠性高，傳輸時(shí)間短，抗干擾性強(qiáng)，數(shù)字伺服器的定位精度高以及完全閉環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。