无轴和有轴的优缺点

无轴和有轴的优缺点

20多年前，博世力士乐与KBA印刷设备公司合作开发了全球第一台无轴传动报纸印刷机，在Drupa（德鲁巴）印刷展上亮相后，从此引发了全球印刷机无轴化的热潮。如今，全球印刷企业用户和生产商都将目光聚集在无轴传动技术的发展上，而Dr. Klaus Peters的预言也逐渐被市场证实。

无轴传动系统取代原有的机械传动系统，使得设计更为简便，系统扩展更为容易，增强了易操作性并降低了维护成本。

“有轴传动会逐渐失去市场，无轴传动将逐渐占领市场。”无轴传动概念的创始人Dr. Klaus Peters曾经这样预言。

无轴传动，又被称为电子轴传动或独立传动，采用直接驱动电机取代原有的齿轮和轴杆传动系统。这种做法带给印刷机械的好处是多方面的，由于去掉了各印刷单元的机械传动链，从而消除了由于传动所造成的对印刷质量的影响，比如因为不可避免的扭力不稳定性及齿轮的滞后性所导致的套准飘移，加速或减速时容易套印不准。如果传动轴和齿轮的数目越多，其积累误差系数就越大。不过利用无轴传动技术则可完全避免这种误差。至于开机时间的缩短、操作简便性的增强、控制精度的提高等优点也是众多印刷机械制造商选择无轴传动技术的原因。

对于印刷机械制造商来说，是否采用无轴传动一方面出于技术方面的考虑，另一方面也会考虑经济方面的因素。目前，国外的印刷机械制造商已全面采用了无轴传动技术，国内一些生产印刷机械的企业如北人、上海高斯、上海紫光也都已经研制设计了不同类型的无轴传动印刷机。据国内印刷机械的专业人士预计，无轴传动技术在未来的5年内将会在中国有很大的发展。现在，我们一起来看看国内外同行采用无轴传动技术的实际经验吧。

博世力士乐：柔版印刷机

上海紫光机械有限公司是专门制造柔版印刷机的企业，2005年推出的YR420WZ据称是国内首款带有无轴传动系统的柔版印刷机，这款印刷机在设计过程中选择了博世力士乐公司专门针对印刷及纸张处理行业的无轴传动系统SYNAX200。

    图1:电子轴

上海紫光机械有限公司的总工陈金成先生是YR420WZ柔版印刷机研发设计的主要负责人，据他介绍，无轴传动印刷机要达到的基本控制要求主要有三点：收放卷平稳；张力恒定；套印准确。而博世力士乐的SYNAX200系统提供的同步控制、收放卷控制、张力控制、自动套准控制这几种功能在YR420WZ柔版印刷机上得到了很好的应用。

那么，SYNAX200系统的这几种功能在YR420WZ柔版印刷机上是如何实现的呢？陈金成先生和博世力士乐中国电子传动与控制部门的凌俊先生给我们做了详细的介绍。

印刷机的同步控制包括位置同步、速度同步以及电子凸轮的同步，SYNAX200系统中的运动控制器PPC-R22.1可不间断地计算产生虚拟主轴的位置，并通过光缆即时传送至各个驱动器IndraDrive C/M，从而实现印刷过程的同步运作。

图2：虚拟主轴及机械主轴的比较和工作原理。

SYNAX200系统可以提供三种收放卷的方式：浮动辊、张力传感器、甚至无传感器方式。上海紫光的YR420WZ柔版印刷机采用的是根据浮动辊的位置来调整收放卷的速度，收放卷系统包括一台伺服电机（用它来驱动放卷的轴），一个浮动辊，一个相位传感器以及伺服驱动器。相位传感器根据浮动辊摆动的不同位置产生不同的电压信号，输送到伺服驱动器来控制伺服电机的转动。可以将相位传感器在浮动辊摆动到中间位置时产生的电压信号作为设定值，位置检测值是根据浮动辊的不同位置不断变化的，伺服驱动器通过一系列的运算调节速度调整量来进行速度控制。“实际应用中，纸卷不会是很圆的，有可能是扁的，所以

收放卷一定要保证平稳，这个系统的运行效果还是不错的。”陈金成先生评价说。

图3：采用Cartridge DDRTM进行重新设计
后的印刷机组比以前的结构简单许多。

因为张力对印刷套准的影响非常大，所以张力控制的要求是保证张力恒定。在检测辊的两端安装张力传感器，通过对信号的放大转换成驱动器能接受的模拟信号，通过一系列的运算来调节初始辊的转速，以保证表面线速度的一致，达到控制张力恒定的目的。除了收放卷，还需要对进出印刷及加工处理单元（模切、烫金等）的纸张进行进一步的张力控制，以使印刷处于最佳状态。

利用基本型的IndraDrive伺服驱动器和MAD电机做收放卷，以及MSK电机进行二次张力控制，操作人员只需从VEP-力士乐嵌入式终端输入简单的参数，系统就可以自动完成上面这两项工作。

对于自动套准来说，它的控制比张力控制更为复杂，因为张力的初始设定值是恒定的，而套准控制中色标位置的目标值和检测值都是变化的，并且自动套准对色标传感器的处理时间也有相当高的要求。色标传感器将检测到的纸张上的色标位置信息进行高速处理后传输给配有高速数据端口（响应时间<1us）的伺服驱动器，而后利用MSK电机执行动态的相位偏置达到精确套准的目的。

  图4：利用直接驱动技术可以很方便将这款

5 色印刷机扩展为10色

“采用了无轴传动的技术，提高了印刷机的模块化程度以及减少了辅助时间，使得印刷纸张张力的稳

定性有很大提高，套准精度由原来±0.127mm提高到±0.06mm，套准速度快而且材料损耗少。这项技术的应用也使上海紫光机械有限公司填补了国产伺服传动柔版机这一空白。”陈金成介绍说。

Danaher Motion:瓦楞纸印刷设备

Danaher Motion的一家客户在对自己的瓦楞纸印刷机组进行重新设计的时候选用了Danaher Motion公司提供的Cartridge DDR™（直接驱动旋转电机），整个机组减少了2000多个部件，使得设计更加简单，印刷定位精度也大大提高，同时增强了易操作性并降低了维护成本。

这家印刷设备制造商介绍说，长期以来，他们使用的是另外一家供应商的配套产品，当了解到Cartridge DDR电机的诸多优点之后，决定在机组的印刷单元和冲压剪裁单元采用这种电机。重新设计后的印刷机组中每个印刷单元采用3个CDDR，冲切单元采用了3个CDDR，纵向定程进刀采用2个CDDR。另外，还选用了传统的伺服电机AKM作为辅助传动设备以及500系列滚柱和BS&A滚珠丝杠，驱动器选用了SERVOSTAR?S600系列，利用SERCOS来完成设备之间的通信。

这个被重新设计的印刷设备是5色柔版印刷机，在重新设计之前，整个印刷机组采用的是机械传动方式，每个印刷单元的各个版辊靠齿轮连起来，各印刷单元也是靠一个长的机械边轴相连，由一个大功率的电机来拖动。这种印刷机体积庞大，运转速度相对低，但印刷精度要求高，对它来说，控制各个版辊之间的相位同步是个难题，每个版辊长约3m，质量大，惯量也大，进行工艺调整时，相当的麻烦，费时、费力，甚至无法实现。“采用直接驱动技术进行重新设计之后，每个版辊都由DDR电机来驱动，去掉了原来机械传动所需的齿轮和机械长轴，各个轴可以根据相位要求单独调整，各个印刷单元的调速比可以在调速范围内随意调整，整个机组的灵活性和印刷定位精度都得到了提高。”Danaher Motion公司的大客户经理单汝国先生介绍说。

利用CDDR除了能提高易用性和印刷定位精度外，对工艺的调整以及系统的配置都更为灵活，它可以将印刷机的各个印刷单元独立设置为“工作状态”和“停运状态”，这样，当产品在其他印刷单元工作的时候可以同时配置一个或多个印刷单元。这种“

运转同时配置”的功能大大提高了机器的利用率，对小型批量的生产任务特别有用，而如果使用原来的齿轮和机械长轴的传动方式不可能做到这一点。“像现在这款5色的印刷机，如果要扩展为10色，利用直接驱动技术是完全可以实现的。”

“直接驱动技术并不是Danaher Motion独有的，许多供应商都能够提供直接驱动电机，而Danaher Motion的CDDR技术之所以能够在众多竞争对手中被客户选中，除了能够满足各项技术指标之外，其独特的结构设计使得安装极为方便也是一个重要因素，Cartridge DDR电机采用的是紧缩式结构，能够即装即用，从安装到完全运转只需要不到30分钟的时间。”

单汝国先生还介绍说，无轴传动印刷机的设计主要有两个难点，一个是电机的选择，另一个就是算法，包括相位同步和套准控制，这款印刷机选择的与CDDR配套的SERVOSTAR 600伺服驱动器，以及MEI的运动控制卡，相应的开发了针对印刷行业的相位同步和套准控制的功能。

无轴技术在北人报纸印刷机上的应用

北人印刷机械股份有限公司是国内较早涉足无轴传动技术的印刷机械制造企业。从2001年开始，“北人”就先后分别与博世力士乐公司和鲍米勒公司合作研发设计无轴传动印刷机。2006年推出的75A报纸印刷机是与日本西研图文株式会社共同合作开发的，采用三菱无轴传动技术，印刷单元采用流行的H型结构，一个H单元使用两个电机，各驱动一个B-B单元，方便不同色组同时进行不同的操作。

75A报纸印刷机适用于卷筒纸双面四色报纸印刷，也可用于多种不同方式的组合印刷，例如：4+4彩色印刷、2+2套色印刷及多纸路印刷等，折页机具有动态尺寸调整和存页选择等功能，最多可进行8纸路折页。同时，该机器采用模块化的设计理念与无轴技术的应用，更能满足不同用户的需要，随着用户业务的扩展进行设备的配置扩展。

据北人股份卷筒纸胶印机制造分公司技术人员介绍，75A报纸轮转印刷机在印刷速度上达到了7.5万印张/小时的国内最高水平。“这款印刷机采用无轴传动技术，扩展性非常好，易于增加印刷品的版数；并且在印刷精度、速度以及稳定性方面都有了很大提高。在我们进行的多次印刷实验中，机器运行状态一直很稳定，这更增强了我们的自信心。目前产成的三个塔式机组全部形成销售，其中一个塔机被西研回购，另外两个塔机被体育日报社购买。”