CN106274032B - 基于fpga的多色柔版辊印刷机的自动调压系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统，用于解决现有多色柔版辊印刷机中存在的调压效率低的技术问题，包括人机界面、控制器和多个多色调压机构，控制器包括均以FPGA作为处理器的主控制器和多个从控制器；多色调压机构包含多个单色调压机构，每个单色调压机构包括四个伺服电机驱动器、四个伺服电机、版辊、墨辊和压印辊；主控制器与多个从控制器直接相连，并根据人机界面指令并行控制多个从控制器，各从控制器控制对应的多色调压机构的不同的伺服电机驱动器，伺服电机驱动器控制伺服电机驱动版辊和墨辊移动，实现对着墨压力和印刷压力的调节。本发明可用于多色柔版辊印刷机领域。

Description

基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统

技术领域

本发明属于印刷机械控制技术领域，涉及一种多色柔版辊印刷机的自动调压系统，具体设计一种基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统，可用于多色柔版辊印刷机领域。

背景技术

柔性印版是由橡胶板、感光性树脂版等材料制成的凸版，所以柔性版印刷属于凸版印刷的范畴。柔性版印刷兼有凸印、胶印和凹印三者之特性。从印版结构来说，它的图文部分凸起，高于空白，具有凸印的特性；从其印刷适性来说，他是柔性的胶印面与印刷纸张接触，具有胶印特性；从其输墨机构来说，它的结构简单，与凹印相似，具有凹印特性。柔版辊印刷机由于构造相对简单，因此设备投资低于相同规模的胶印机或凹印机，同样色组的印刷设备，柔性版印刷生产线比胶印机价格低40％～60％，为凹印生产线价格的三分之一。柔性版印刷生产线可使用水溶性或UV油墨，对环境无污染，对人体无危害，柔印水墨是目前所有油墨中唯一一种经美国食品药品协会认可的无毒油墨，因此，柔性版印刷又被人们称为绿色印刷，被广泛用于食品和药品包装，柔性版印刷以其水基油墨的印刷方式、不含挥发性有机化合物，成为公认的绿色环保的印刷方式。柔性版印刷属于轻压力印刷，印刷压力的调节至关重要，如何高效地精确地完成压力的调节是印刷机实现高质量印刷的关键。

印刷机的调压直接影响着印刷是否达标，印刷机的压力包括版辊与墨辊之间的着墨压力以及版辊与压印辊之间的印刷压力；压力过小，图文转移不完整，引出来的图文发虚、不清晰锐利；压力过大，则使得油墨转移量过多，使印刷品图文失真，印刷色调不准。同时，压力使用不当，则容易出现一系列的印刷故障，如“网点变形”、“花版”、“墨杠”等，同时还会使印刷辊筒产生不必要的应力和变形，缩短设备的使用寿命。

印刷机的调压系统实质上是通过调节版辊和墨辊的位移来实现调压的，在多色的印刷过程中每一色都有其对应的版辊与墨辊，在调压过程中需要对其进行精密的位移控制，传统的印刷机调压是通过手动调节来实现的，通过读取刻度盘与指针信息手动调节版辊和墨辊的位置来达到调压的效果，但合适的压力通常由工人的经验来进行判断，效率与质量均不高。随着技术的发展，自动化程度的提高，现在较先进的多色柔版辊印刷机中的调压系统是通过控制器来控制伺服电机系统进而实现调压的，其中控制器包括主控器和从控制器(运动控制器)，主控制器与从控制器通过总线的方式进行连接，主控制器需要通过依次寻址将信息发送给对应的从控制器，现在市面上主控制器和从控制器的处理器大部分均采用PLC。然而主控制器通过总线方式与多个从控制器连接，使得主控制器与多个从控制器的通讯周期较长，且易出现卡顿现象，调压时间较长，调压效率较低。

如中国专利申请，授权公告号为CN 101714846 B，名称为“卫星式柔版辊印刷机的自动伺服调压方法及装置”的发明专利，公开了一种卫星式柔版辊印刷机的自动伺服调压方法和装置，其中调压方法包括快速进位和快速退位、防挤版辊、根据版辊周长的自动定位、根据不同印刷速度的自动调压、自动配方、断电记忆；调压装置：主PLC控制器与电源模块和人机界面连接，主PLC控制器与若干组伺服电机的双电机驱动模块连接，各个双电机驱动模块依次通过伺服轴、伺服电机再与各自的版辊座连接，主PLC控制器的内部包括主模块与若干组六轴驱动控制模块，主模块与各组六轴驱动控制模块通过DP总线连接，各组六轴驱动控制模块分别通过DRIVER QLIQ电缆线与电源模块连接。其有较好的自动化程度，以及较好的稳定性。但是该装置存在的不足之处是：主PLC控制器中主模块和若干组六轴驱动控制模块的处理器均采用PLC，且主模块与若干组六轴驱动控制模块通过DP总线连接，在运行过程中主模块需要通过寻址方式对各个六轴驱动控制模块进行控制，在实际操作中易出现卡顿现象，通讯周期较长，调压效率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统，用于解决现有调压系统中存在的调压效率低的技术问题。

本发明的技术思路是，主控制器和多个从控制器均采用FPGA作为处理器，主控制器与多个从控制器直接连接，使得主控制器能够并行控制多个从控制器，每个从控制器控制一个多色调压机构的不同伺服电机驱动器，伺服电机驱动器控制伺服电机驱动版辊和墨辊的移动，实现对着墨压力和印刷压力的调节。

根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案为：

一种基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统，包括人机界面1、控制器2和多个多色调压机构，多色调压机构包括多个单色调压机构，每个单色调压机构包括四个伺服电机驱动器3、四个伺服电机4、版辊5、墨辊6和压印辊7；控制器2，包括主控制器21和多个从控制器22，主控制器21与人机界面1相连，每个从控制器22通过其连接的多色调压机构对应的伺服电机驱动器3控制伺服电机4，驱动版辊5和墨辊6移动，用以调节版辊5与墨辊6之间的着墨压力和版辊5与压印辊7之间的印刷压力；主控制器21和从控制器22的处理器均采用FPGA，且主控制器21与多个从控制器22直接相连，用于实现并行控制。

上述的基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统，主控制器21，包括相互连接的主FPGA控制模块211和主控制器外围电路模块212。

上述的基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统，主FPGA控制模块211，包括人机通讯模块2111、指令解析模块2112、主从交互模块2113和存储器驱动模块2114，人机通讯模块2111和主从交互模块2113，用于实现主FPGA控制模块211通讯所用的通讯协议；指令解析模块2112，用于解析人机界面指令；存储器驱动模块2114，用于实现存储器的驱动。

上述的基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统，主控制器外围电路模块212，包括主模块晶体振荡器2121、主模块程序配置模块2122、人机通讯接口模块2123、存储器模块2124和主从通讯接口模块2125，主模块晶体振荡器2121，用于产生主FPGA控制模块211所需的稳定的时钟信号；主模块程序配置模块2122，用于提供主FPGA控制模块211的程序配置的电路；人机通讯接口模块2123和主从通讯接口模块2125，用于提供主FPGA控制模块211所需的通讯接口；存储器模块2124，用于信息的存储。

上述的基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统，从控制器22，包括相互连接的从FPGA控制模块221和从控制器外围电路模块222。

上述的基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统，从FPGA控制模块221，包括从主交互模块2211、调压闭环运算模块2212、控制电机驱动器模块2213和编码器计数模块2214，从主交互模块2211，用于实现从FPGA控制模块221通讯所用的通讯协议；调压闭环运算模块2212，用于计算版辊5和墨辊6两端理论调压位移值与实际调压位移值的差值，并通过差值计算实际调压位移值的补偿量；控制电机驱动器模块2213，用于产生调压位移的控制信号；编码器计数模块2214，用于计算实际调压位移值。

上述的基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统，从控制器外围电路模块222，包括从模块晶体振荡器2221、从模块程序配置模块2222、高速光耦隔离输出模块2223、高速光耦隔离输入模块2224和从主通讯接口模块2225，从模块晶体振荡器2221，用于产生从FPGA控制模块221所需的稳定的时钟信号；从模块程序配置模块2222，用于提供从FPGA控制模块221程序配置的电路；高速光耦隔离输出模块2223和高速光耦隔离输入模块2224，用于实现信号的转换；从主通讯接口模块2225，用于提供从FPGA控制模块221所需的通讯接口。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明由于控制器中主控制器和多个从控制器，其处理器均采用FPGA，且主控制器与多个从控制器直接连接，使得主控制器能够并行控制多个从控制器，避免了主控器依次寻址控制多个从控制器的过程且不会出现卡顿现象，缩短了通讯周期，调压过程流畅且迅速，与现有技术相比，有效地提高了调压的效率。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的主控制器结构示意图；

图3为本发明的从控制器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

参照图1，本发明包括人机界面1、控制器2和多个多色调压机构；其中，

人机界面1，采用HMI，包括数据输入界面、指令发送界面和数据显示界面，用于进行人机交互。

控制器2，包括主控制器21和多个从控制器22，主控制器21的结构如图2所示，其处理器采用FPGA，该FPGA包括150个I/O接口、1840个逻辑数组块、4个收发器和29440个逻辑元件，总内存为1080bit，最大工作频率为200MHz，数据速率为2.5Gbps；从控制器22的结构如图3所示，其处理器采用FPGA，在本实施例中从控制器22的FPGA与主控制器21的FPGA使用同一型号；主控制器21与多个从控制器22通过网线直接相连，实现了主控制器21对多个从控制器22的并行控制，主控制器21通过与从控制器22之间信息的交互实现对从控制器22的控制。

一个多色调压机构包括多个单色调压机构，每个单色调压机构包括四个伺服电机驱动器3、四个伺服电机4、一个版辊5、一个墨辊6和一个压印辊7，用于单色的调压，版辊5、墨辊6和压印辊7通过各自的辊筒底座安装在单色调压机构上，且该三个辊筒的轴心相互平行，版辊5和墨辊6，用于油墨的传递，压印辊7，用于放置承印物，在工作过程中，版辊5与墨辊6的辊面相互接触形成着墨压力，版辊5与压印辊7的辊面接触形成印刷压力；伺服电机驱动器3，采用交流伺服电机驱动器，与对应伺服电机4形成电连接，实现对伺服电机4的控制，不同的伺服电机驱动器3控制其对应的伺服电机4驱动版辊5和墨辊6，用以调节印刷压力和着墨压力；伺服电机4，采用带编码器的交流伺服电机，通过传动装置与版辊5和墨辊6两端的辊筒底座相连，用于提供本调压系统的驱动力并实现对伺服电机转动量的测量与发送，在本实施例中采用带绝对式编码器的交流伺服电机。

人机界面1、控制器2和多个多色调压机构依次相连，主控制器21，与人机界面1形成电连接，实现了与人机界面1的信息交互；一个从控制器22与一个多色调压机构相连，该连接实质上为从控制器22与对应的多色调压机构的全部伺服电机驱动器3相连接，实现了对一个多色调压机构的控制。

在本实施例中，该调压系统控制的是十二色的柔版辊印刷机的调压，若初次使用或遇到故障重新上电使用该调压系统，需根据实际情况在人机界面1上输入信息，该人机界面指令信息包括各色彩的版辊5和墨辊6所需的位移量以及对应版辊5的半径参数信息，主控制器21通过解析该信息，并行控制多个从控制器22，每个从控制器22控制一个多色调压机构进行调压，若结果不满足调压要求，重复上述操作，直至满足调压要求为止，从控制器22将各色彩的版辊5和墨辊6两端的位移信息发送给主控制器21，主控制器21对各色彩版辊5和墨辊6的位移信息以及对应版辊5的半径参数信息进行存储；若为正常使用即既不是初次使用也不是遇到故障重新上电使用的情况下，主控制器21接收并解析人机界面1发送的人机界面指令信息，该信息包括各色彩的版辊5的半径参数信息，通过程序读取主控制器21以前存储的版辊5和墨辊6两端的位移信息以及其对应版辊5的半径参数信息，并运算出当前各色彩的版辊5和墨辊6两端所需要的位移量并设置为理论调压位移值，主控制器21将指令并行传输给三个从控制器22，各从控制器22并行控制伺服电机驱动器3驱动伺服电机4，伺服电机4通过传动装置驱动版辊5和墨辊6移动，从控制器22通过伺服电机驱动器3读取伺服电机4上的编码器采集的位移信息，运算出实际调压位移值并通过程序计算各色彩的版辊5和墨辊6的实际调压位移值与理论调压位移值的差值，若差值不满足要求，则说明调压并不精确，则从控制器22通过程序继续并行控制伺服电机驱动器3驱动伺服电机4转动，直至满足要求，实现了对调压的闭环控制，从控制器22将各色彩版辊5和墨辊6的位移信息发送给主控制器21，主控制器21对该信息以及其对应版辊5的半径参数信息进行存储。

参照图2，主控制器21包括主FPGA控制模块211和主控制器外围电路模块212；其中，

主FPGA控制模块211包括人机通讯模块2111、指令解析模块2112、主从交互模块2113和存储器驱动模块2114，人机通讯模块2111，用于通过程序实现控制器2与人机界面1之间的通讯的通讯协议；指令解析模块2112，用于解析人机界面1发送到主控制器21上的信息；主从交互模块2113，用于实现主FPGA控制模块211与多个从控制器22信息交流的通讯协议，该交流的信息包括各色彩版辊5和墨辊6两端所需的位移信息；存储器驱动模块2114，用于驱动存储器，使得存储器可以读出和写入信息。

主控制器外围电路模块212包括主模块晶体振荡器2121、主模块程序配置模块2122、人机通讯接口模块2123、存储器模块2124和主从通讯接口模块2125，该五个模块分别与主FPGA控制模块211相连，主模块晶体振荡器2121，用于提供主FPGA控制模块211工作的时钟信号，在本实施例中采用50MHz晶体振荡器；主模块程序配置模块2122，用于提供对主FPGA控制模块211进行程序配置的电路，在本实施例中采用AS模式进行配置，所用串行配置器件型号为EPCS64；人机通讯接口模块2123，采用RS-485接口模块，与人机界面1相连，其芯片电路型号为SN75LBC184；存储器模块2124，采用SD模块作为存储器，用于存储各色彩的版辊5和墨辊6的位移信息以及各色彩的版辊5的半径参数信息；主从通讯接口模块2125，采用网口通讯电路，在本实施例中该模块包括三个网口通讯电路。

参照图3，从控制器22，包括从FPGA控制模块221和从控制器外围电路模块222；其中，

从FPGA控制模块221包括从主交互模块2211、调压闭环运算模块2212、控制电机驱动器模块2213和编码器计数模块2214，从主交互模块2211，用于通过程序实现主控制器21与从控制器22之间信息交流的从FPGA控制模块221通讯所用的通讯协议，该交流的信息包括各色彩的版辊5和墨辊6的位移信息；调压闭环运算模块2212，用于计算各色彩版辊5和墨辊6的理论调压位移值与实际调压位移值的差值，并通过差值计算实际调压位移值的补偿量，在本实施例中通过程序设置一个标差值，若差值大于标差值则计算出补偿量，若差值小于标差值则补偿量设置为零；控制电机驱动器模块2213，用于控制伺服电机驱动器3，且设置同时并行控制同一个版辊5或墨辊6所对应的两个伺服电机驱动器3，在本实施例中一个从控制器22控制十六个伺服电机驱动器3；编码器计数模块2214，用于处理通过各伺服电机驱动器3读取的伺服电机4的编码器采集的位移信息，计算出各色彩版辊5和墨辊6两端的实际位移值。

从控制器外围电路模块222包括从模块晶体振荡器2221、从模块程序配置模块2222、高速光耦隔离输出模块2223、高速光耦隔离输入模块2224和从主通讯接口模块2225，该五个模块均与从FPGA控制模块221电连接，从模块晶体振荡器2221，采用50MHz晶体振荡器，用于提供从FPGA控制模块221工作的时钟信号；从模块程序配置模块2222，用于提供对从FPGA控制模块221进行程序配置的电路，其所用电路与主模块程序配置模块2122的电路一致；高速光耦隔离输出模块2223，包括若干个TLP250芯片电路，用于将从FPGA输出信号转换成伺服电机驱动器3所需的输入信号；高速光耦隔离输入模块2224，包括若干个AM26LS32芯片电路和若干个滤波整形电路，用于将伺服电机驱动器3输出信号转换成从FPGA所需的输入信号；从主通讯接口模块2225，采用网口通讯电路，通过网线与主从通讯接口模块2125相连。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统，包括人机界面(1)、控制器(2)和多个多色调压机构，所述多色调压机构包括多个单色调压机构，每个单色调压机构包括四个伺服电机驱动器(3)、四个伺服电机(4)、版辊(5)、墨辊(6)和压印辊(7)；所述控制器(2)，包括主控制器(21)和多个从控制器(22)，主控制器(21)与人机界面(1)相连，每个从控制器(22)通过其连接的多色调压机构对应的伺服电机驱动器(3)控制伺服电机(4)，驱动版辊(5)和墨辊(6)移动，用以调节版辊(5)与墨辊(6)之间的着墨压力和版辊(5)与压印辊(7)之间的印刷压力；其特征在于，所述主控制器(21)和从控制器(22)的处理器均采用FPGA，且主控制器(21)与多个从控制器(22)直接相连，用于实现并行控制；所述主控制器(21)，包括相互连接的主FPGA控制模块(211)和主控制器外围电路模块(212)；所述主FPGA控制模块(211)，包括人机通讯模块(2111)、指令解析模块(2112)、主从交互模块(2113)和存储器驱动模块(2114)，所述人机通讯模块(2111)和主从交互模块(2113)，用于实现主FPGA控制模块(211)通讯所用的通讯协议；所述指令解析模块(2112)，用于解析人机界面指令；所述存储器驱动模块(2114)，用于实现存储器的驱动。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统，其特征在于，所述主控制器外围电路模块(212)，包括主模块晶体振荡器(2121)、主模块程序配置模块(2122)、人机通讯接口模块(2123)、存储器模块(2124)和主从通讯接口模块(2125)，所述主模块晶体振荡器(2121)，用于产生主FPGA控制模块(211)所需的稳定的时钟信号；所述主模块程序配置模块(2122)，用于提供主FPGA控制模块(211)程序配置的电路；所述人机通讯接口模块(2123)和主从通讯接口模块(2125)，用于提供主FPGA控制模块(211)所需的通讯接口；所述存储器模块(2124)，用于信息的存储。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统，其特征在于，所述从控制器(22)，包括相互连接的从FPGA控制模块(221)和从控制器外围电路模块(222)。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统，其特征在于，所述从FPGA控制模块(221)，包括从主交互模块(2211)、调压闭环运算模块(2212)、控制电机驱动器模块(2213)和编码器计数模块(2214)，所述从主交互模块(2211)，用于实现从FPGA控制模块(221)通讯所用的通讯协议；所述调压闭环运算模块(2212)，用于计算版辊(5)和墨辊(6)两端理论调压位移值与实际调压位移值的差值，并通过差值计算实际调压位移值的补偿量；所述控制电机驱动器模块(2213)，用于产生调压位移的控制信号；所述编码器计数模块(2214)，用于计算实际调压位移值。

5.根据权利要求3所述的基于FPGA的多色柔版辊印刷机的自动调压系统，其特征在于，所述从控制器外围电路模块(222)，包括从模块晶体振荡器(2221)、从模块程序配置模块(2222)、高速光耦隔离输出模块(2223)、高速光耦隔离输入模块(2224)和从主通讯接口模块(2225)，所述从模块晶体振荡器(2221)，用于产生从FPGA控制模块(221)所需的稳定的时钟信号；所述从模块程序配置模块(2222)，用于提供从FPGA控制模块(221)程序配置的电路；所述高速光耦隔离输出模块(2223)和高速光耦隔离输入模块(2224)，用于实现信号的转换；所述从主通讯接口模块(2225)，用于提供从FPGA控制模块(221)所需的通讯接口。