Elke mechanische beweging heeft een aandrijfbron nodig, en de aandrijving van een drukpers moet meer doen dan een as ronddraaien. De aandrijving moet een constante snelheid aanhouden, reageren op de operator en een continue snelheidsregeling bieden wanneer de opdracht verandert. Voordat aandrijvingen zonder as hun intrede deden, doorliepen krantenpersen twee generaties elektrische snelheidsregeling. Sleepring-AC-motoren domineerden tot de jaren zeventig en kunnen als de eerste generatie worden beschouwd. Vanaf de jaren zeventig bracht de vooruitgang in DC-snelheidsregeling DC-aandrijvingen en sleepringmotoren in breed gebruik, de tweede generatie. Het beeld veranderde in 1992, toen Rexroth SYNAX bouwde, het eerste aandrijfsysteem zonder as dat voor een drukpers was ontworpen. Binnen een decennium had snelheidsregeling zonder as de oudere methoden op krantenpersen vervangen.
Aandrijving zonder as als nieuw persconcept
Aandrijving zonder as is een nieuw concept geworden in de persbouw. Het doorbreekt de beperkingen die een gemeenschappelijke mechanische as oplegt aan de machine-indeling, en het biedt ruimte voor nieuwe ontwerpen in zowel persontwikkeling als persproductie. De technologie stamt uit dat SYNAX-systeem van 1992 en heeft zich sindsdien verspreid naar een aantal aandrijfspecialisten wereldwijd.
Communicatiestandaarden binnen een aandrijving zonder as
Het systeem is gebouwd op gedistribueerde intelligentie en volgt SERCOS, het Serial Real time Communication System, een internationale communicatiestandaard voor aandrijvingen. Besturingsinformatie wordt digitaal in realtime via glasvezel verzonden. Elke motorgroep gebruikt een gedistribueerde intelligente kaart die 40 motorposities kan aansturen, en de kaarten kunnen via glasvezel worden gekoppeld tot een besturingsgroep die maar liefst 1000 posities omvat uit 32 aangesloten kaarten.
Hoe de eenheden synchroon blijven
Synchronisatie berust op drie onderdelen: een intelligente digitale frequentieomvormer, AC-motoren en een 32-bits digitale encoder met gesloten-lus-terugkoppeling. Het encodersysteem corrigeert de motorpositie 4000 keer per seconde, terwijl de frequentieomvormer de AC-motor in stappen van twee miljoen aanstuurt. Glasvezel digitale transmissie via een Ethernet-interface draagt die gegevens over met de resolutie en registernauwkeurigheid die de drukkwaliteit vereist.
Wat aandrijving zonder as oplevert voor persbesturing
Gedistribueerd en modulair aandrijfontwerp. Bij configuraties met meerdere banen kunnen kleinere aandrijfeenheden worden gebruikt. Op een Roland-torenpers met enkele omtrek, dubbele diameter en acht kleuren gingen de aandrijfmotoren bijvoorbeeld van een enkele motor van 90 kW of meer naar afzonderlijke motoren van 27 kW of minder, en de belasting op het elektriciteitsnet bij het starten daalde met meer dan een factor drie.
Registerfouten door mechanische overbrenging verdwijnen. Gepubliceerde cijfers voor een pers met acht drukgroepen tonen dat de variatie tussen groep 1 en groep 8 zeven keer groter kan zijn dan de variatie tussen groep 1 en groep 2, omdat elk mechanisch gesynchroniseerd onderdeel zijn eigen tolerantie heeft. Die fout verdwijnt pas wanneer tandwielen en assen continu draaien.
De voorbereidingstijd daalt. Elke kleurgroep kan afzonderlijk worden aangedreven, zodat meerdere mensen de pers tegelijk kunnen voorbereiden. Een Roland-torenpers met acht kleuren gebruikt vier aandrijfmotoren, en een KBA-torenpers met acht kleuren gebruikt er acht.
De besturing wordt uitwisselbaar. Omdat het systeem een internationale communicatiestandaard voor aandrijvingen gebruikt, rust er op geen enkele pers zonder as een patentbeperking op informatieoverdracht.
Foutdiagnose is betrouwbaar. Met SERCOS kan de fabrikant de standaardbedrijfsparameters in het systeem opslaan, live parameters van de pers verzamelen en de twee vergelijken om een fout te lokaliseren.
De snelheidsregeling op de aandrijfrollen bereikt een nauwkeurigheid van 0,01 procent, wat een precieze regeling van de trekrilsnelheid mogelijk maakt, evenals een stabiele baanloop, gelijkmatige spanning en consistent snijden over meerdere banen.
Positioneringsnauwkeurigheid verhoogt de betrouwbaarheid van automatisch plaatwisselen en verkort de reactietijd van druk- en snijregister, wat afval vermindert.
Frequentiegeregelde snelheidsregeling en de driefasemotor
De aandrijving zonder as van een pers is sterk afhankelijk van frequentiegeregelde snelheidsregeling. Die techniek sluit aan bij de belangrijkste eigenschappen van een driefasige asynchrone motor, waarvan het toerental volgt uit n = 60f/p. Het toerental n wordt bepaald door de frequentie f en het aantal poolparen p, en de poolparen kunnen niet meer worden gewijzigd zodra de motor is gebouwd. Het motortoerental is dus evenredig met de frequentie, en een frequentieregelaar gebruikt precies dat verband om het uitgaande toerental in te stellen.
De AC-frequentieregelaar op een pers
Eind jaren tachtig verbeterde een nieuwe veldeffecttransistor, de IGBT, het gedrag van frequentiegeregelde motoren, en persen gingen frequentieregeling toepassen. De opstelling combineert een omvormer met een driefasige asynchrone motor en gebruikt meestal het AC-DC-AC-spanningstype. Dat type is geschikt voor stroomregeling met constante stroom, wat past bij de constante koppelvraag van een pers, en het werkt bij laag vermogen, waardoor de industriële besturing het ook AC-servoregeling noemt. De cyclus heeft twee fasen. Eerst wordt de driefasige voeding met vaste frequentie gelijkgericht naar gelijkstroom. Daarna wordt de gelijkstroom weer omgezet naar wisselstroom, en door de frequentie van die omgezette uitgang te regelen wordt het motortoerental geregeld. De omvormerbrug op een aandrijving zonder as gebruikt IGBT-schakelingen, spanningsgestuurde componenten met laag stuurvermogen en schakelfrequenties tot 20 kHz. Het resultaat is een stroomvorm die dichter bij de netvoeding ligt, een motor die meer van zijn driefasengedrag behoudt, minder elektromagnetische ruis, een eenvoudiger schakeling, betere zelfafhandeling van veelvoorkomende storingen, een lager uitvalpercentage en minder verliezen in de omvormer zelf.
Drie manieren om een AC-frequentieregelaar te regelen
De persstructuur maakt de belasting ongelijkmatig, maar de bedrukbaarheid vereist een gelijkmatige loop voor constante kwaliteit. Daaruit volgen twee praktische vragen: verandert het gedrukte resultaat door de overgang van DC- naar AC-aandrijving, en hoe worden motoren gesynchroniseerd wanneer sommige een encoder hebben en andere niet?
Vectorregeling. Een DC-motor draait op twee loodrechte magneetvelden, en door één veld te regelen worden zowel het toerental als het mechanische gedrag geregeld. Een driefasige asynchrone motor handhaaft een loodrecht veld slechts kortstondig. Vectorregeling stuurt de omvormerbrug aan zodat het momentane loodrechte veld wordt geregeld. De eerste stap splitst het setpointsignaal in twee roterende DC-componenten, de veldcomponent iM en de koppelcomponent iT. De tweede stap zet die componenten, met behulp van de motorparameters, om in de stuursignalen iA, iB en iC voor de driefasige omvormerbrug.
Vectorregeling zonder terugkoppeling. Een veelvoorkomend motortype op persen zonder as heeft geen encoder, maar werkt niet als open-loop regeling zonder toerentalregeling. De synchronisatie komt van het meten van klemspanning en stroom, het berekenen van de rotorflux en de hoeksnelheid van de rotor, en het gebruiken van die waarden met de motorparameters in dezelfde transformatie. De dynamische respons is iets zwakker, en een pers die deze regeling op de kleurregistermotoren gebruikt, kan kleine registerverschillen vertonen bij snelheidsveranderingen.
Vectorregeling met terugkoppeling. Waar de bedrukbaarheid exacte snelheidsregeling vereist, zoals het instellen van de productiesnelheid of het vasthouden van de kleurregistersnelheid, wordt een encoder direct op de motor gemonteerd. Die meldt het rotortoerental voor de transformatie en houdt het motortoerental nauw afgestemd op het setpoint. De dynamische respons is sterk, en het register verschuift niet bij snelheidsveranderingen.