Každý mechanický pohyb potřebuje zdroj energie a pohon tiskového stroje musí dělat víc než jen otáčet hřídelí. Musí udržovat stálou rychlost, reagovat na obsluhu a umožňovat plynulé nastavení rychlosti podle měnící se zakázky. Než přišly bezřídící pohony, prošly novinové tiskové stroje dvěma generacemi elektrického řízení rychlosti. Do 70. let dominovaly asynchronní motory s kroužky, což lze nazvat první generací. Od 70. let pokrok v řízení stejnosměrných motorů přinesl široké použití stejnosměrných pohonů a kroužkových motorů, druhé generace. Obraz se změnil v roce 1992, kdy Rexroth postavil SYNAX, první bezřídící pohonný systém navržený pro tiskový stroj. Během desetiletí bezřídící řízení rychlosti nahradilo starší metody na novinových tiskových strojích.
Bezřídící pohony jako nový koncept tiskového stroje
Bezřídící přenos se stal novým konceptem v konstrukci tiskových strojů. Odstraňuje omezení, která společná mechanická hřídel klade na uspořádání stroje, a otevírá prostor pro nové konstrukce ve vývoji i výrobě tiskových strojů. Technologie vychází ze systému SYNAX z roku 1992 a od té doby se rozšířila k řadě specialistů na pohony po celém světě.
Komunikační standardy uvnitř bezřídícího pohonu
Systém je postaven na distribuované inteligenci a řídí se standardem SERCOS, Serial Real time Communication System, mezinárodním standardem pro komunikaci pohonů. Řídicí informace se přenášejí digitálně v reálném čase po optickém vlákně. Každá skupina motorů používá distribuovanou inteligentní kartu, která zvládne 40 pozic motorů, a karty lze propojit vláknem do řídicí skupiny pokrývající až 1000 pozic z 32 připojených karet.
Jak jednotky zůstávají synchronizované
Synchronizace stojí na třech částech: inteligentní digitální frekvenční měnič, asynchronní motory a 32bitový digitální enkodér se zpětnou vazbou. Enkodérový systém koriguje polohu motoru 4000krát za sekundu, zatímco frekvenční měnič krokuje asynchronní motor v jednotkách čítajících dva miliony. Digitální přenos po optickém vlákně přes ethernetové rozhraní přenáší tato data s rozlišením a přesností soutisku, kterou tisková kvalita vyžaduje.
Co bezřídící pohon přináší do řízení tiskového stroje
Distribuované a modulární provedení pohonu. Vícewebové konfigurace mohou použít menší pohonné jednotky. Například na osmibarevné věžové tiskárně Roland s jedním obvodem a dvojnásobným průměrem se pohony motorů přesunuly z jednoho motoru o výkonu 90 kW nebo více na jednotlivé motory o výkonu 27 kW nebo méně a ráz do elektrické sítě při spuštění klesl více než třikrát.
Chyba soutisku z mechanického přenosu mizí. Publikované údaje pro tiskový stroj s osmi tiskovými jednotkami ukazují, že odchylka mezi jednotkou 1 a jednotkou 8 může být sedmkrát větší než odchylka mezi jednotkou 1 a jednotkou 2, protože každá mechanicky synchronizovaná část nese svou vlastní toleranci. Tato chyba mizí, až když ozubená kola a hřídele dosáhnou nepřetržité rotace.
Doba přípravy se zkracuje. Každou barevnou jednotku lze pohánět samostatně, takže několik lidí může připravovat stroj současně. Osmibarevná věžová tiskárna Roland používá čtyři pohony a osmibarevná věžová tiskárna KBA používá osm.
Řízení se stává zaměnitelným. Protože systém používá mezinárodní standard pro komunikaci pohonů, žádný bezřídící stroj nemá patentové omezení přenosu informací.
Diagnostika poruch je spolehlivá. Díky SERCOS může výrobce uložit standardní provozní parametry do systému, shromažďovat živé parametry ze stroje a porovnat je k lokalizaci poruchy.
Regulace rychlosti na tažných válcích dosahuje přesnosti 0,01 procenta, což umožňuje přesné řízení rychlosti tažného válce, stabilní pohyb pásu, rovnoměrné napětí a konzistentní řezání napříč více pásy.
Přesnost polohování zvyšuje spolehlivost automatické výměny desek a zkracuje reakční dobu soutisku tisku a řezu, což snižuje odpad.
Frekvenční řízení rychlosti a třífázový motor
Bezřídící pohon tiskového stroje úzce závisí na frekvenčním řízení rychlosti. Tato technika vychází z hlavních charakteristik třífázového asynchronního motoru, jehož rychlost se řídí vztahem n = 60f/p. Rychlost n je dána aktuální frekvencí f a počtem párů magnetických pólů p, přičemž počet párů pólů nelze po výrobě motoru změnit. Rychlost motoru je tedy úměrná frekvenci a frekvenční měnič využívá přesně tento vztah k nastavení výstupní rychlosti.
AC frekvenční měnič na tiskovém stroji
Na konci 80. let 20. století nový tranzistor s efektem pole IGBT zlepšil chování frekvenčně řízených motorů a tiskové stroje začaly přebírat řízení frekvenčním měničem. Zapojení kombinuje střídač s třífázovým asynchronním motorem a nejčastěji používá napěťový typ AC-DC-AC. Tento typ se hodí pro řízení konstantního proudu, které odpovídá požadavku tiskového stroje na konstantní moment, a pracuje při nízkém výkonu, proto se v průmyslovém řízení nazývá také AC servo řízení. Cyklus má dvě fáze. Nejprve se třífázové napájení s pevnou frekvencí usměrní na stejnosměrný proud. Poté se stejnosměrný proud převede zpět na střídavý a řízením frekvence tohoto výstupu se řídí rychlost motoru. Střídačový můstek bezřídícího pohonu používá obvody IGBT, což jsou napěťově řízené součástky s nízkým řídicím výkonem a spínacími frekvencemi až 20 kHz. Výsledkem je průběh proudu bližší síťovému napájení, motor, který si více zachovává své třífázové chování, méně elektromagnetického šumu, jednodušší obvod, lepší samočinné zvládání běžných poruch, nižší poruchovost a nižší ztráty ve střídači samotném.
Tři způsoby řízení AC frekvenčního měniče
Konstrukce tiskového stroje způsobuje nerovnoměrné zatížení, přesto tisknutelnost vyžaduje plynulý chod pro stálou kvalitu. Z toho plynou dvě praktické otázky: mění přechod ze stejnosměrného na střídavý pohon výsledek tisku, a jak jsou motory synchronizovány, když některé mají enkodér a jiné ne?
Vektorové řízení. Stejnosměrný motor pracuje se dvěma navzájem kolmými magnetickými poli a řízením jednoho pole se řídí rychlost i mechanické chování. Třífázový asynchronní motor udržuje kolmé pole jen okamžik. Vektorové řízení adresuje střídačový můstek tak, aby se řídilo okamžité kolmé pole. První krok rozdělí signál žádané hodnoty na dvě rotující stejnosměrné složky, složku magnetického pole iM a momentovou složku iT. Druhý krok převede tyto složky pomocí parametrů motoru na řídicí signály iA, iB a iC pro třífázový střídačový můstek.
Vektorové řízení bez zpětné vazby. Běžný typ motoru na bezřídících tiskových strojích nemá enkodér, ale neběží jako otevřené řízení bez regulace rychlosti. Synchronizace vychází z měření svorkového napětí a proudu, výpočtu rotorového toku a úhlové rychlosti rotoru a z použití těchto hodnot s parametry motoru ve stejné transformaci. Dynamická odezva je mírně slabší a tiskový stroj, který toto řízení používá u motorů barevného soutisku, může při změnách rychlosti vykazovat malé rozdíly v soutisku.
Vektorové řízení se zpětnou vazbou. Tam, kde tisknutelnost vyžaduje přesné řízení rychlosti, například při nastavení výrobní rychlosti nebo udržení rychlosti barevného soutisku, se enkodér montuje přímo na motor. Hlásí rychlost rotoru pro transformaci a udržuje rychlost motoru těsně sladěnou s žádanou hodnotou. Dynamická odezva je silná a soutisk se při změnách rychlosti neposouvá.