印刷機のシャフトレス駆動技術：モーター、同期、速度制御
あらゆる機械運動には動力源が必要であり、印刷機の駆動装置はシャフトを回すだけでは済みません。安定した速度を維持し、オペレーターの指示に応答し、ジョブの変更に合わせて連続的な速度調整を提供する必要があります。シャフトレス駆動が登場する前、新聞輪転機は2世代の電気的速度制御を経てきました。1970年代まで主流だったスリップリングACモーターは第1世代と呼べます。1970年代以降、DC速度制御の進歩によりDCドライブとスリップモーターが広く使われるようになり、これが第2世代です。状況が変わったのは1992年、Rexrothが印刷機向けに設計された最初のシャフトレス駆動システムSYNAXを開発したときです。10年以内に、シャフトレス速度制御は新聞輪転機の旧方式に取って代わりました。
新しい印刷機コンセプトとしてのシャフトレス駆動
シャフトレス伝達は印刷機工学における新しいコンセプトとなっています。共通の機械シャフトが機械レイアウトに課す制限を打破し、印刷機の開発と製造の両方で新しい設計の余地を広げます。この技術は1992年のSYNAXシステムに始まり、その後世界中の多くの駆動専門メーカーに広がりました。
シャフトレス駆動内部の通信規格
このシステムは分散インテリジェンスに基づいて構築され、国際的な駆動通信規格であるSERCOS（Serial Real time Communication System）に準拠しています。制御情報は光ファイバーを介してリアルタイムでデジタル伝送されます。各モーターグループは40のモーター位置を管理できる分散インテリジェントカードを使用し、カードはファイバーで接続して、32枚の接続カードから最大1000位置をカバーする制御グループを形成できます。
ユニットが同期を保つ仕組み
同期は3つの部分に依存します。インテリジェントデジタル周波数コンバーター、ACモーター、および閉ループフィードバック付き32ビットデジタルエンコーダーです。エンコーダーシステムは毎秒4000回モーター位置を補正し、周波数コンバーターはACモーターを200万単位でステップさせます。イーサネットインターフェース上の光ファイバーデジタル伝送は、印刷品質が要求する分解能と見当精度でそのデータを伝送します。
シャフトレス駆動が印刷機制御にもたらすもの
分散型でモジュール式の駆動設計。マルチウェブ構成ではより小さな駆動ユニットを使用できます。例えば、Rolandの単一周長・二倍径8色タワー印刷機では、駆動モーターは90kW以上の単一モーターから27kW以下の個別モーターに移行し、起動時の電力網への衝撃は3倍以上減少しました。
機械伝達による見当誤差がなくなります。8つの印刷ユニットを備えた印刷機の公表数値によると、ユニット1とユニット8の間の変動は、ユニット1とユニット2の間の変動の7倍以上になることがあります。これは機械的に同期された各部品が独自の公差を持つためです。その誤差は、ギアとシャフトが連続回転に達して初めて薄れます。
段取り時間が短縮されます。各色ユニットを個別に駆動できるため、複数の作業者が同時に印刷機を準備できます。Rolandの8色タワー印刷機は4つの駆動モーターを使用し、KBAの8色タワー印刷機は8つを使用します。
制御が交換可能になります。システムが国際的な駆動通信規格を使用しているため、シャフトレス印刷機には情報転送に関する特許制限がありません。
故障診断が信頼できます。SERCOSにより、メーカーは標準動作パラメータをシステムに保存し、印刷機からライブパラメータを収集し、両者を比較して故障を特定できます。
駆動ローラーの速度調整は0.01パーセントの精度に達し、引張ローラー速度の精密制御、安定したウェブ走行、均一な張力、複数ウェブ間の一貫した切断を可能にします。
位置決め精度は自動版替えの信頼性を高め、印刷と断裁の見当合わせの反応時間を短縮し、ロスを削減します。
可変周波数速度制御と三相モーター
シャフトレス印刷機の駆動は、可変周波数速度制御に深く依存しています。この技術は三相誘導電動機の主要特性と組み合わせて機能し、その回転速度は n = 60f/p に従います。速度 n は現在の周波数 f と磁極対数 p によって決まり、磁極対数はモーターの製造後に変更できません。したがってモーターの回転速度は周波数に比例し、可変周波数ドライブはまさにその関係を利用して出力速度を設定します。
印刷機におけるAC可変周波数ドライブ
1980年代後半に新しい電界効果トランジスタであるIGBTが登場し、可変周波数モーターの挙動が改善され、印刷機は可変周波数ドライブ制御を採用し始めました。この構成はインバーターと三相誘導電動機を組み合わせたもので、多くの場合AC-DC-AC電圧型を使用します。この方式は定電流制御に適しており、印刷機の定トルク要求に合致し、低電力で動作するため、産業制御ではACサーボ制御とも呼ばれます。サイクルは2段階あります。まず、固定周波数の三相電源が直流に整流されます。次に、その直流が再び交流に逆変換され、その逆変換出力の周波数を制御することでモーター速度を制御します。シャフトレス駆動のインバーターブリッジはIGBT回路を使用し、これは電圧制御デバイスで制御電力が小さく、スイッチング周波数は最大20 kHzです。その結果、電流波形は商用電源に近づき、モーターは三相特性をより多く維持し、電磁ノイズが減少し、回路が簡素化され、一般的な故障への自己対処能力が向上し、故障率が低下し、インバーター自体の損失も低減します。
AC可変周波数ドライブを制御する3つの方法
印刷機の構造は負荷を不均一にしますが、印刷適性には安定した品質のための円滑な運転が求められます。ここで2つの実用的な疑問が生じます。DCからAC駆動への変更は印刷結果を変えるのか、また一部がエンコーダーを備え他が備えない場合、モーターはどのように同期されるのか。
ベクトル制御。DCモーターは2つの直交する磁界で回転し、一方の磁界を制御することで速度と機械的挙動の両方を制御します。三相誘導電動機は直交磁界を一瞬だけ保持します。ベクトル制御はインバーターブリッジを制御して、瞬間的な直交磁界を制御します。最初のステップでは、設定値信号を2つの回転DC成分、磁界成分 iM とトルク成分 iT に分割します。2番目のステップでは、モーターのパラメータを用いてこれらの成分を三相インバーターブリッジ用の制御信号 iA、iB、iC に変換します。
フィードバックなしのベクトル制御。シャフトレス印刷機で一般的なモータータイプはエンコーダーを備えていませんが、速度調整なしの開ループ制御として動作するわけではありません。同期は、端子電圧と電流を測定し、回転子磁束と回転子角速度を計算し、それらの値をモーターのパラメータとともに同じ変換で使用することで得られます。動的応答はやや弱く、この制御を色見当モーターに使用する印刷機では、速度変化に伴い小さな見当のずれが生じることがあります。
フィードバック付きのベクトル制御。生産速度の設定や色見当速度の維持など、印刷適性が正確な速度制御を要求する場合、エンコーダーがモーターに直接取り付けられます。エンコーダーは変換のために回転子速度を報告し、モーター速度を設定値に厳密に一致させます。動的応答は強力で、速度が変化しても見当はずれません。