微电机在包装印刷机中的应用

　　包装印刷机中的电机分类

　　包装印刷机中常用的电机通常分为两类，一类主要用于拖动生产机械完成各种生产任务，称为动力电机。动力电机一般功率较大，在数十kw以上；另一类是在自动控制系统中或计算装置中作为执行元件、检测元件用的电动机，称为控制电机。控制电机一般来讲功率比较小，通常在数十千瓦以下，如直流伺服电机、交流伺服电机等。还有一些是作为驱动元件用的微电机，如单相交流异步电动机、永磁直流减速电动机等，习惯上我们统称为微电机。

　　伺服电机

　　伺服又称为执行电机，它根据输入到电机中的电压大小和方向就可以改变伺服电机的转速和转向。它严格执行控制信号的命令，具有“伺服”性质。当无信号输入时，转子不动；施加控制信号以后，转子立即动作；信号消失时，转子立即停止运转。伺服电机分为交流伺服电机和直流伺服电机。直流伺服电机通常用在功率稍大的系统中，其输出功率约为1～600W，但也有的可达数kw；交流伺服电机输出功率约为0.1～100W，其中最常用的是30W以下。直流伺服电机具有良好的特性，在自动控制系统中得到了广泛的应用。

　　有些包装印刷机中的出墨辊和出水辊采用伺服电机单独驱动而不用主电机进行拖动，例如JJ201型对开双面双色胶印轮转印刷机四个出水辊和四个出墨辊全部使用直流伺服电机驱动，通过控制系统的控制实现伺服电机的无级变速控制。印刷状态不同需要的水墨量不同时，可以分别调节水墨辊电机的转速达到调节水量墨量大小的目的。同时水墨辊电机可以跟踪主机的速度进行变化，保证水墨量与印刷速度对应。

　　近年来，随着伺服驱动与控制技术快速发展，高性能的印刷机械电伺服系统大多数采用交流传动伺服技术（也称无轴传动和电子轴传动技术）。所谓无轴传动技术就是用交流伺服电动驱动的（虚拟的）电子轴线取代传统复杂的机械传动轴。这种系统的驱动和控制，使用电子同步数字化交流伺服电机，依赖精确同步控制的交流伺服电机的驱动，代替迄今为止使用普遍但价格昂贵的机械齿轮箱、纵轴、万向轴以及凸轮。这样就不再需要额外附加的动力了，比如专门的齿轮箱或是设定机器的每个驱动单元具有独立的套准系统，套准控制反应快，控制信号直接作用于交流伺服电机，而电机直接作用于调节印版滚筒的相位，这就为快速反应提供了可靠保证。如在2005年中国国际瓦楞展上，北京万源多贝克(TOPACK)包装印刷机械有限公司展出的多贝克TP系列柔版纸箱直接印刷机，其单机采用交流伺服电机直接驱动，各单机之间无主轴及差动齿轮系统联接，从而减少了机械传动误差，且采用美国产微处理器多轴控制卡，每个控制卡可以控制8个轴，也就是说可以控制一台七色印刷机，经扩展后可以最多控制到15个机组。2005年，宁波欣达集团印刷机器有限公司推出了YA901050FWZ无轴传动印刷机，该机采用交流伺服传动及控制系统，由15台伺服电机进行15轴联动，实现了从放料——印刷——收料全过程的电子轴（无轴）传动。

　　步进电机

　　步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定的角度（或长度），若不改变励磁状态则保持在一定的静止位置，从而实现印刷包装设备一定的准确位移。步进电机具有易于控制、响应性好、精度高以及停止时具有自锁功能等特点，因而在包装印刷机械中得到广泛应用。

　　步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用一个专门的电源——步进电机驱动电源进行供电，提供步进电机需要的脉冲信号。步进电机驱动系统的性能，除与电机自身的性能以外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。因此，对步进电机驱动器的研究几乎是与对步进电机的研究同步进行的。

　　步进电机驱动器的主要构成如图1所示，一般由环形分配器、信号处理器、推动级、驱动级等部分组成，用大功率的步进电机的驱动器还要有多种保护线路。

（图1  步进电机驱动器构成）

　　环型分配器用来接收来自控制器的CP脉冲，并按步进电机状态转换表要求的状态产生各相导通或截止的信号。每来一个脉冲，环型分配器的输出转换一次。因此，步进电机转速的高低、升速或降速起动或停止都完全取决于CP脉冲的有无频率。同时，环型分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定其输出的状态是按正序或按反序转换，于是就决定了步进电机的转向。接受CP脉冲和方向电平是环型分配器的最基本功能。

　　从环型分配器输出的各相导通或截止的信号送入信号放大处理级。信号放大的作用是将环型分配器输出信号加以放大，变成足够大的信号送入推动级，这中间一般既需电压放大，也需电流放大。信号处理是实现信号的某些交换、合成功能，产生斩波、抑制等特殊信号，从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与各种保护电路、各种控制电路组合在一起，形成较高性能的驱动输出。

　　推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动级输入的较大信号。有时，推动级还承担电平转换的作用。保护级的作用保护是驱动级的安全。一般可根据需要设置过电保护、过热保护、过压保护、欠压保护。有时还需要对输入信号进行监护，发现异常也提供保护作用。

　　海德堡四色胶印机配有步进电机完成分区墨量控制代替手动墨量调节。

　　力矩电机

　　力矩电机是一种由伺服电动机和驱动电动机结合起来发展而成的特殊电机。它不经过齿轮等特殊结构而直接驱动负载，并由输入的控制电压信号直接调节负载的转速。在位置控制方式的伺服系统中，它可以工作在堵转状态；而在速度控制方式的伺服系统中，又可以工作在低转速状态，且输出较大的转矩。所以力矩电动机是一种直接驱动负载的执行元件。

　　力矩电机与其它执行元件相比，具有快速响应、速度和位置精度高、特性的线性度好以及运行可靠、维护简便、振动小、机械噪声小和结构紧凑等特点，因此能获得很好的静态和动态性能，在无爬行的平稳低速运行方面尤为显著，这是齿轮传动或液压传动系统无法比拟的。采用力矩电机与高精度的检测元件、放大部件及其他校正环节等所组成的闭环伺服系统，平稳运行的速度可达到15°/h，甚至更低。调速范围可达几万甚至数十万，位置精度可为角秒级。

　　例如，GOSS UNIVERSAL45卷简纸印刷机中采用力矩电机作为拉版电机。通常在印刷过程中经常要调节印版的位置，调节主要包括横向、纵向。通过力矩电机和机械机构使印版滚简移动、转动一定的位置或角度。此外，PZ4880对开四色胶印机中每色组中采用两个直流力矩电机分别用于横向、纵向的调版。

测速发电机

　　测速发电机主要用于对转速进行测量，它将机械转速变为电压信号，输出的电压与转速成正比关系。

　　通过测量测速发电机输出的电压而得到电动机转速。印刷机中电动机速度的测量，以及某些转轴转速的测量经常采用测速发电机。测速发电机分直流测速发电机和交流测速发电机。

　　直流测速发电机按其激磁方式可分为电磁（他激）式和永磁式。永磁式受温度变化的影响较小，结构简单。电磁式的激磁磁通受电源环境、电源等影响因素较大，输出电压随之而变。交流测速发电机有同步测速发电机、鼠笼转子异步测速发电机和空心杯转子异步测速发电机等几类。同步测速发电机因其输出电压频率随转速而变，一般不宜用于自动控制系统中，多半作为转速的直接测量用。鼠笼转子异步测速发电机因其输出特性的线性度差，仅用于要求不高的场合作反馈阻尼。空心杯转子测速发电机，由于其噪音低、无干扰、结构简单、体积小，且技术指标较前者为佳等优点，而得到广泛应用。

　　例如：PZ4880对开四色胶印机和J2108型对开单色胶印机主电机采用滑差电机，该电机轴上联接有测速发电机用于测量电机的转速，测速发电机输出的电压值与电机的转速成正比，测速发电机的功率约为2～5W。

　　锥形转子电机

　　小型锥形转子电动机在印刷机中通常作为驱动电机使用。因电机的转子和定子外圆均为圆锥形，故称之为锥形转子电动机。电机通电工作时，产生电磁力分解为径向力和轴向力。在轴向力的作用下，电动机转子带动固定在轴右端的风扇制动轮由大端向小端运动，将压缩弹簧压紧，松开风扇制动轮，当需要纸台停止升降时，断开电动机电源，转子的轴向力消失，靠压缩弹簧的作用使风扇制动轮紧紧压在制动鼓上从而产生制动力，使电动机立即停止。

　　SZ206、SZP880—01自动输纸机纸台升降的驱动力来源于锥形转子电动机，保持纸台升降之后立即保持原位，制动力的大小可以进行调节。

　　——  结束语  ——

　　近年来，包装印刷机的制造水平和印刷速度有了明显提高，其自动化、数控化、信息化的程度越来越高，特别是无轴传动技术在包装印刷机中的应用，使得的应用更加广泛。目前欧洲50％的凹印机采用了无轴技术，日本也有30％以上采用。其他采用无轴传动的机械包括卷筒纸印刷机、柔印机、上光机、烫金机、模切机等各类包装印刷设备。这一领域最顶级的伺服控制解决方案提供商是来自德国的力士乐、伦茨、日本的住友和奥地利的贝加莱。

　　国内目前仅有个别厂家进行无轴传动包装印刷机的开发，部分规格的性能指标接近国际水平，但是其采用的电子轴传动伺服系统和套准控制系统均来自日本和欧洲，国内相关伺服厂家还鲜有涉足。国产伺服和控制系统要达到这个领域的要求，需要顶级的技术水平和对这个行业的透彻理解。

　　因此，我国印机配套行业应抓住这一契机，利用行业的优势，研究和开发一批适于我国包装印刷设备需要的各类微电机及其交流伺服传动系统，为国产包装印刷机的全面升级换代提供强有力的技术支持。