（测试计量技术及仪器专业论文）纸箱印刷成套设备可重构数控技术应用研究.pdf

摘要 摘要 开放式数控系统是一个可重构、易扩展、柔性高、灵活性强、模块化、集成 化和标准化的软硬件控制系统，可重构性是开放式数控系统主要研究方向之一。 重构不是目的，只是开放式数控平台因外部条件改变而升级或重组的一种手段， 在数控平台上，外部执行机构的增加、单元部件的升级、外部硬件条件改变将导 致控制软件生命周期终结，不得不对控制系统软件进行升级或重新开发，在已有 数控平台和控制软件的基础上，采取重构的方式，使系统原有软件可以复用。本 文是结合广州市科技攻关项目“包装机械嵌入式数控系统设计 ，利用现代自动化 伺服控制技术、电子凸轮、无轴传动技术和有限状态机理论展开可重构技术在电 子轴瓦楞纸印刷成套设备数控系统上的应用研究。本文的主要内容是利用有限状 态机理论对电子轴瓦楞纸印刷成套设备建立状态机软件模型，将状态机模型与嵌 入式l i n u x 操作系统软件开发架构综合，通过l i n u x 多线程编程挂载状态机模型。 论文首先分析了纸箱印刷设备的关键技术和开放式数控系统的研究现状；接着论 述了电子轴瓦楞纸印刷成套设备工作原理，并介绍了施耐德和博世力士乐公司电 子轴印刷机方案；然后介绍了状态机经典建模原理和方法，并通过状态机对电子 轴印刷机执行部件进行状态行为分析，建立状态机软件模型，定义了状态机模型 的数据结构框架，事件和状态函数框架，并将状态机模型与嵌入式l i n u x 操作系 统软件开发架构综合，通过l i n u x 多线程编程挂载状态机模型；最后提出以嵌入 式微处理器$ 3 c 2 4 4 0 为核心的硬件设计方案和实现，搭建控制系统硬件平台。 采用状态机模型在嵌入式l i n u x 操作系统平台上开发控制系统应用软件编程 方法是现代软件技术和嵌入式技术结合的产物。基于层次式状态机的建模方法为 可重构数控技术提供了理论依据，为分析数控系统执行部件行为模型提供了更严 谨、更灵活、更完善的方法。在开放式数控系统软件模型的早期采用状态机设计 方法，可以防止以后的重构；而当重构不可避免时，状态模型能为重构提供方便 的目标。 关键词：电子轴、可重构、状态机、伺服控制、嵌入式数控 广东工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t o p e na r c h i t e c t u r ec o n t r o ls y s t e mi sar e c o n f i g u r a b l e ，e a s i l ye x t e n s i b l e ，h i g h l y f l e x i b l e ，m o d u l a r ，i n t e g r a t e da n ds t a n d a r d i z e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n t r o ls y s t e m r e c o n f i g u r a b i l i t yi s o n eo ft h em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o n si no p e n a r c h i t e c t u r ec n c s y s t e m r e c o n f i g u r a b i l i t yi sn o tt h ep u r p o s eo fo p e nc n cp l a t f o r m ，b u tam e a n so f e x t e r n a lc o n d i t i o n su p g r a d eo rr e s t r u c t u r i n gw h e ni tc h a n g e s o nt h eo c n c p l a t f o r m ， t h ei n c r e a s eo fe x t e r n a li m p l e m e n t i n ga g e n c i e s ，t h eu p g r a d eo fc o m p o n e n t sa n d c h a n g e so ft h ee x t e r n a lc o n d i t i o n sw i l ll e a dt ot h ee n do ft h el i f ec y c l eo fc o n t r o l s o f t w a r e w h i c hr e s u l t i nh a v i n gt ob e u p g r a d e do rr e d e v e l o p m e n tf o rc o n t r o l s o f t w a r e s y s t e m b a s e do nt h e e x i s t i n g c o n t r o l p l a t f o r m a n d s o f t w a r e ， r e c o n f i g u r a b i l i t yc a nr e u s ee x i s t i n gs o f t w a r es y s t e m t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h e a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fr e c o n f i g u r a b l ec n ct e c h n o l o g yi ne q u i p m e n t sf o rp r i n t i n gt h e c a r d b o a r db o x c o m b i n i n g w i t h t h e “g u a n g z h o u s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a l p r o je c t ”， ”e m b e d d e dc n c s y s t e md e s i g no fp a c k a g i n gm a c h i n e r y ”，t h i sa r t i c l em a i n l yf o c u so n t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fr e c o n f i g u r a b l et e c h n o l o g yi ne - a x i sc o r r u g a t e dp r i n t i n g e q u i p m e n tc n cs y s t e m ，c o n b i n a t i n gm o d e ma u t o m a t i o ns e r v oc o n t r o lt e c h n o l o g y ， e l e c t r o n i cc a m ，n o n s h a f td r i v et e c h n o l o g ya n dt h e o r yo ff i n i t e s t a t em a c h i n e t h e c o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d eu s i n gt h et h e o r yo ff i n i t es t a t em a c h i n et oe s t a b l i s has e t o fs o f t w a r em o d e lf o re a x i sc o r r u g a t e dp r i n t i n ge q u i p m e n tc n c s y s t e m ，i m e g r a t i n g t h es t a t em a c h i n em o d e la n dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tf r a m e w o r ko fe m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e m ，a n dl o a d i n gt h e s t a t em a c h i n em o d e lb yl i n u xm u l t i - t h r e a d e d p r o g r a m m i n g t h ep a p e rf i r s ta n a l y z e st h ek e yt e c h n o l o g yo fp r i m i n gt h ec a r d b o a r d b o xe q u i p m e n t a n dr e s e a r c hs t a t u so fa no p e n a r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m a n dt h e n d i s c u s s e st h ew o r km e c h a n i s mo f e - a x i sc o r r u g a t e d p r i m i n ge q u i p m e n t ，a l s o i n t r o d u c e st h ee - a x i sp r e s sp r o g r a mi ns c h n e i d e ra n db o s c hr e x r o t h n e x ti st o i n t r o d u c et h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so ft h ec l a s s i c a lm o d e l i n gi ns t a t em a c h i n e w i t h i i a b s t r a c t t h es t a t ea n db e h a v i o ra n a l y s i so fi m p l e m e n t a t i o nc o m p o n e n t si ne - a x i sp r e s s ， s o f t w a r em o d e li ns t a t em a c h i n ei se s t a b l i s h e d ，t h ef r a m e w o r ko fe v e n t s ，s t a t e f u n c t i o na n dt h ed a t as t r u c t u r ei sa l s od e f i n e d ，a n dt h es t a t em a c h i n em o d e la n dt h e s o f t w a r ed e v e l o p m e n tf r a m e w o r ko fe m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma r ei n t e g r a t e d ， a n dt h es t a t em a c h i n em o d e li sl o a d e db yl i n u xm u l t i t h r e a d e dp r o g r a m m i n g f i n a l l y , t h ea r t i c l eg i v e st h eh a r d w a r ed e s i g ns c h e m ea n di m p l e m e n t a t i o nb a s e do ne m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0 ，c o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r mi sb u i l tt o o t h ep r o g r a m m i n gm e t h o d so fa p p l i c a t i o ns o f t w a r eu s i n gs t a t em a c h i n em o d e li n t h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r mi st h ec o m m o np r o d u c tb e t w e e na m o d e ms o f t w a r et e c h n o l o g ya n de m b e d d e dt e c h n o l o g y t h em o d e l i n gm e t h o db a s e d o nh i e r a r c h i c a ls t a t em a c h i n ep r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rr e c o n f i g u r a b l ec n c t e c h n o l o g y ，a n da l s o o f f e r sam o r er i g o r o u s ，m o r ef l e x i b l ea n dm o r ec o m p r e h e n s i v e m e t h o df o ra n a l y z i n gt h eb e h a v i o ro fi m p l e m e n t a t i o np a r t si nc n cs y s t e m s i nt h e e a r l i e ro p e n - a r c h i t e c t u r ec n c s y s t e ms o f t w a r em o d e l ，t h ed e s i g nw a y so fa d o p t i n gt h e s t a t em a c h i n ec a np r e v e n tt h el a t e rr e c o n f i g u r a b i l i t y w h e nt h er e c o n f i g u r a b i l i t yi s i n e v i t a b l e ，t h es t a t em o d e lc a np r o v i d et h ef a c i l i t a t eg o a lf o rr e c o n f i g u r a b i l i t y k e y w o r d s ：e - a x i s ；r e c o n f i g u r a b l e ；f s m ；s e r v oc o n t r o l ；e m b e d d e dn c i i i 广东工业大学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 加p 肌 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早殖下匕 瓦楞纸箱是用瓦楞纸板制成的包装运输纸箱，是家电、食品、医药、日化、 纺织、交通工具、烟酒等行业必不可少的包装容器。由于瓦楞纸箱既轻便又牢固， 能起到保护商品的作用，又便于装卸运输，因此得到广泛的应用。瓦楞纸箱还是 一种十分优良的包装材料，可以纸代木、以纸代塑，加上纸材料可以回收利用， 是绿色包装材料，因而在越来越重视环保的今天备受青睐，具有良好的发展前景。 随着我国经济的高速发展，相关行业对包装纸箱的需求量也日益增加，纸箱 行业得到了迅猛发展，对作为包装行业后序设备的纸箱包装机械成套设备的需求 也剧增，据中国印刷及设备器材工业协会的统计，2 0 0 6 年包装印刷工业产值实现 了1 2 3 5 亿元，较上年增长1 4 ，占全国整个印刷工业总产值3 5 0 0 亿元的3 8 4 3 ， 包装装潢印刷品出口额在2 7 0 亿元左右。又据中国印刷及设备器材工业协会包装 印刷分会2 0 0 6 年对2 8 7 家包装印刷企业经济效益情况进行的统计，2 0 0 6 年包装 印刷盈利企业2 4 7 家，占统计企业总数的8 6 3 6 。其中：1 0 0 万元以上的9 1 家， 占3 1 3 1 ，3 0 0 万元以上的5 4 家，占1 8 8 3 ，1 0 0 0 万元以上的2 9 家，占1 0 1 3 。 2 0 0 6 年实现利税千万元以上的3 5 家，实现利税5 0 0 万元以上的5 2 家。据公布的 印刷业最新年检数据表明，截至2 0 0 8 年4 月3 0 日，我国各类印刷企业1 0 2 0 4 3 家，复印打字业户8 5 2 6 2 家，两项之和为1 8 7 3 0 5 家，从业人员3 4 8 6 7 万人，印 刷工业总产值超过4 6 0 0 亿元，占国内生产总值的2 0 2 ，已经提前完成了印刷业 “十一五，发展规划确定的年产值4 4 0 0 亿元的发展目标【1 】【2 】【3 1 。2 0 0 8 年金融危机的 到来，对我国整个印刷工业有一定的影响，但这并没有使我国包装印刷设备制造 业前进的步伐停滞不前，仍然得到了一定的发展，只是中国乃至世界印刷业面临 重新洗牌。 包装印刷设备制造业的发展同时对纸箱包装机械成套设备的各项性能指标也 提出了更高的要求，这就使得企业不得不对已有的设备进行技术改造，开发出高 性能的新产品。在当前各种因素的影响下，电子轴瓦楞纸印刷成套设备取代传统 机械轴印刷成套设备势在必行，实现瓦楞纸印刷成套设备的无轴化，也是在当前 广东t 业大学硕士学位论文 经济形势下包装企业占领包装印刷业的制高点必不可少的因素。 借助现代智能控制技术、嵌入式技术可实现对瓦楞纸印刷成套设备控制系统 进行技术改造，研发伺服控制高精度纸箱印刷成套设备数控系统。数控系统已在 工业控制领域得到广泛应用，其开放性便于主机厂进行二次开发，以发挥其技术 特色，其技术上的成熟度使其可靠性大大超过了以往的封闭式数控系统，并为用 户提供了强大的联网能力，使d n c ( 直接数控) 和单元控制功能得以实现，促进 系统集成化和信息综合化。嵌入式数控系统结合了计算机技术、电子技术，其在 各个行业中的具体应用，被看作技术密集，不断创新的知识集成系统。面向机械 装备的可重构嵌入式系统具有可移植性、互操作性、可扩展性、可重用性、低成 本等特性，能更加方便地适应面向机械装备特别是机床进行数控化改造的需要， 且成本较低，开放式数控系统是现代数控技术的发展方向。 1 2 课题来源、目的及意义 本课题的基础是校企产学研项目即广东工业大学与广州科盛隆纸箱包装机械 有限公司合作承担的广州市科技攻关项目“包装机械嵌入式数控系统设计” ( 2 0 0 7 2 2 一d 3 1 6 1 ) ，该项目是研发基于机械轴的瓦楞纸包装机械成套设备嵌入式 数控系统，取得了预期科研成果。本文是结合该项目利用有限状态机技术、现代 自动化伺服控制技术、电子凸轮无轴传动技术和信息化技术等研发无轴瓦楞纸印 刷成套设备数控系统，突出嵌入式数控系统可重构性研究。 本课题研究开发面向机械装备的可重构嵌入式数控系统，目的是为数控系统 建立一个规范的嵌入式软硬件公共平台，充分利用嵌入式操作系统的实时性与嵌 入式控制器的高速运算能力，提高控制精度，通过扩充使其适用于不同的控制对 象，如玻璃机械、木工机械、陶瓷机械、包装机械、机床等，提高数控系统的模 块化、网络化、智能化等功能，从而允许数控机械装备制造商以及数控装备的最 终用户进行二次开发，形成有竞争力的特色产品1 3 】。本课题的研究与应用能增加 数控系统的开放性，缩短二次开发周期，提高系统的可伸缩性、可移植性、可互 换和互操作性，有利于拉近我国数控技术与国外先进水平的差距，满足我国现阶 段传统机械装备进行数控化改造的需要，促进数控技术的发展。 2 第一章绪论 1 3 纸箱印刷成套设备发展现状 从印刷工艺、印刷方式和控制系统的发展角度看纸箱包装印刷机械的发展趋 势，包装印刷设备正在向综合应用多学科多技术实现多色高效高速高精度方向发 展，综合应用自动化伺服控制技术、智能控制技术、电子凸轮无轴传动技术和网 络化技术等，实现数字化集成化高速化，并伴随着传动技术从有轴( 机械轴) 向 无轴( 电子轴) 的趋势发展，进一步向高效高速高精度方向发展。 1 3 1 印刷工艺、方式发展现状 从印刷方式角度，目前常规纸板主要有胶印、柔印两种。常规胶印印刷纸板 采用的是间接印刷方式，即先印刷纸箱面纸，再将印好的面纸裱到纸上，目前我 国用于销售包装的高档纸箱绝大多数为胶印产品，印刷产品非常精细，网线数可 以达到2 0 0 线英寸，这种方式对对大批量纸箱生产和出口包装纸箱生产，由于生 产成本高、效率低、周期长，不能满足生产的需要。从国外包装工业的发展趋势 看，胶印再对裱的方法将会淡出纸箱业。常规的柔性版印刷纸箱工艺是直接在纸 板上进行印刷，使用的是水基油墨，这种技术已经被我国纸箱生产企业所接受， 最近几年发展迅速，应用广泛。幅面大，宽幅的柔性版印刷机最大幅面可达到2 5 2 8 m ，可以联动生产，如印刷、开槽、压痕、订( 粘) 箱。 从印刷工艺角度，目前纸板采用的主要工艺有：预印刷和直接印刷。预印刷 主要是指在加工瓦楞纸前，先卷对卷地印刷瓦楞纸板的面纸，再将印好的卷筒面 纸上瓦楞纸板生产线生产瓦楞纸板。预印技术己成为瓦楞纸板印刷的一个重要发 展趋势。特别是大批量高档精美纸箱、包括大型和重型纸箱更适合采用预印刷， 它包括平板胶印印刷、凹版印刷和柔版印刷三种形式。在欧美、日本等发达地区， 因为发达地区柔印预印技术较为成熟，纸箱印刷采用预印的方式已经很普遍，且 柔印预印比凹印预印占的比例大。而在我国，凹印技术比柔印技术更为成熟，且 有牢固的群众基础，故我国目前预印刷以凹印预印为主。在美国的纸板印刷是预 印刷，其中柔印占3 4 ，而其它1 4 几乎被凹印抢占，就是说胶印的比率接近 零。直接印刷包括柔印直接印刷、丝网印刷和直接胶印印刷。柔版直接印刷纸箱 广东工业大学硕学位论文 技术是以单纸复合好的瓦楞白纸板，在多色柔性印刷机上印出彩面瓦楞纸板，然 后模切成型。采用这种工艺，减少了设备的投入，缩短了工序流程，降低了制箱 费用。从印刷工艺角度，目前纸板采用的主要工艺有：预印刷和直接印刷。预印 刷主要是指在加工瓦楞纸前，先卷对卷地印刷瓦楞纸板的面纸，再将印好的卷筒 面纸上瓦楞纸板生产线生产瓦楞纸板。预印技术已成为瓦楞纸板印刷的一个重要 发展趋势。特别是大批量高档精美纸箱、包括大型和重型纸箱更适合采用预印刷， 它包括平板胶印印刷、凹版印刷和柔版印刷三种形式。在欧美、日本等发达地区， 因为发达地区柔印预印技术较为成熟，纸箱印刷采用预印的方式已经很普遍，且 柔印预印比凹印预印占的比例大。而在我国，凹印技术比柔印技术更为成熟，且 有牢固的群众基础，故我国目前预印刷以凹印预印为主，并且已有电子轴凹版印 刷机的研制成功( 2 0 0 4 年陕西北人、2 0 0 8 年顺德德力等企业相继推出自己电子轴 凹版印刷机产品) ，凸版印刷机还停留在机械轴发展阶段，特别是代表凸版印刷技 术典型产品的瓦楞纸印刷机采用电子轴技术的产品研发还刚刚处于起步阶段。在 美国的纸板印刷是预印刷，其中柔印占3 4 ，而其它1 4 几乎被凹印抢占，就 是说胶印的比率接近零1 4 儿5 | 。 直接印刷包括柔印直接印刷、丝网印刷和直接胶印印刷。柔版直接印刷纸箱 技术是以单纸复合好的瓦楞白纸板，在多色柔性印刷机上印出彩面瓦楞纸板，然 后模切成型。采用这种工艺，减少了设备的投入，缩短了工序流程，降低了制箱 费用。这种工艺值得推广，在发达国家纸箱印刷中占有较大的比重。在我国，由 于受到技术、设备等的限制，柔版直接印刷大部分只能印刷中低档的纸箱，印刷 质量有待进一步提高。纸箱直接胶印工艺目前在国外已经比较成熟，它是将纸板 直接上到特殊的胶印机上进行印刷，适于加工薄型纸箱。该工艺既能保证纸箱的 成型性好，又能完成精美的面纸印刷，但所采用的印刷机价格比较昂贵。今后几 年，该工艺可能会成为我国高档纸箱印刷新的发展方向。 在设备方面，凹印预印目前使用的设备主要是卷筒纸凹版印刷机，这种机器 主要有两种机型：卫星式凹版印刷机、机组式凹版印刷机。两种机型当中机组式 凹版印刷机布局更合理，具有较高的技术水平，是目前卷筒纸凹印机的标准机型。 国内目前制造这种设备的厂家也较多，如中山市江南包装机械厂、西安航天华阳 印刷包装公司等。套印精度达到o 1 毫米，印刷速度可达1 5 0 米分钟。柔印预 印目前使用的设备主要是卷到卷柔版印刷机，它主要有三种机型：卫星式柔版印 4 第一章绪论 刷机、机组式柔版印刷机、层叠式柔版印刷机。三种机型当中卫星式柔版印刷机 能满足幅宽及重复长度的要求，且中央压印滚筒恒温能保证承印材料涨缩的稳定 性，比较合理。国内目前使用的卷到卷宽幅柔版印刷设备还主要依靠进口。国外 的卷筒纸柔版印刷机最宽幅面可达1 8 米，卫星式柔版印刷机可作成6 色，机速 一般可达2 5 0 , - 一3 0 0 m i r d 分，纸张从8 0 - - - 4 0 0 9 m 2 均可。国内的柔印机、柔印版材 绝大部分依靠进口。直接彩色印刷是纸箱印刷的发展趋势。在纸板上直接胶印， 德国的海德堡公司、罗兰公司、高宝公司以及日本小森公司都推出了新一代机型， 上海外贸界龙彩印厂自行开发的“直接胶印印刷高档彩色微型瓦楞纸板也获成 功。 综合目前的多种印刷方式和工艺方法，各自都有其优势和劣势。总的发展趋 势为：一、绿色环保印刷成为主流，国际印刷市场的发展表明，在印刷方式中， 柔版印刷方式将快速发展，其市场份额将迅速扩大，尤其在包装印刷领域最为明 显。二、包装印刷设备复合化，指包装产品采用多种印刷方式进行组合印刷，并 且印后工序如压痕、模切等作业在同一台机器上完成，使包装印刷的制造周期大 大缩短，生产效率大大提高。三、应用数控技术，提高设备的自动化水平和实现 印刷机无轴化是当前发展的主要方向。 1 3 2 印刷设备控制系统发展现状 从印刷颜色的组合数来看，纸箱印刷机械由单色、双色逐步发展到三色至六 色印刷，以及现在正在研制的对开多张纸多色双面印胶印机，达到较好印刷效果a 由上海电气集团印刷包装机械有限公司承担的对开多张纸多色双面印胶印机攻关 与开发项目被纳入“十一五 国家科技重点课题，通过此课题的实施，所形成的 单张纸多色胶印机将达到二十一世纪国际先进水平，填补我国单张纸高速印刷机 领域的空白，将进一步推动我国单张纸胶印机的整体水平的提高。 在传动装置方面，己由传统的机械轴向电子轴发展，电子轴传动技术是凹印 设备领域在近3 0 年时内最引人注目的技术进展之一。与传统机械长轴不同，电子 轴传动采用独立驱动伺服电机作为驱动部件，采用编码器和相位控制技术，通过 电子信号的传送达到整台设备的同步【5 】。传统的机械传动的方式需要复杂的传动 及变速齿轮，机器的生产成本比较高，而采用电子轴传动技术可大大减少色组间 广东工业大学硕士学位论文 走纸的路径，从而可有效地减少试机、起动、调试等的材料浪费，同时提高质量 稳定性和套印精度。 从整机的控制系统来说，p l c 控制系统朝着嵌入式数控系统发展，嵌入式数 控系统避免了p l c 控制系统开发成本高、实时性差的缺点，同时也具有p l c 控 制系统可靠性高、开发周期短的优点，并且其软硬件资源丰富、具有嵌入式实时 操作系统( r t l i n u x 、p c o s i i 、v x w o r k s 、n u c l e u s 等) 和友好的人机界面，可 实现软件系统的可重构，从而开放式数控系统得以真正实现。 我国多色胶印机的科研开发、性能档次、质量稳定、数字化、智能化等诸方 面与国外先进水平相比都存在很大差距。在设计关键核心技术的掌握、制造的精 度、计算机和自动控制的应用和它的稳定性、水墨平衡及其自动跟踪等重要的工 艺技术的研究、以及机器及零部件的材质质量等等还存在很多问题，与国外先进 印刷设备相比还存在很大差距，综合反映出，我国的多色印刷机械还达不到国外 高档机的水平，难以完全替代进口。在国家科技部、中国机械工业联合会和中国 印刷及设备器材工业协会等上级部门的大力支持和关心下，将印刷机械的数字化、 智能化关键技术与装备列入了“十一五”国家科技支撑计划重点项目。 1 4 开放式数控系统( o c n c ) 国内外研究现状 从整体的情况看，我国数控系统技术集成、工程成套、远程服务技术等能力 不强；应用软件设计还不如国外完善；品种覆盖率小，数控产品配套件尚未形成 市场，许多配套件外观、质量均有缺陷，数控系统名牌效应差；数控系统产业集 群化未能形成；以往历次的攻关主要是从技术的角度关注数控产业的问题，而不 是从系统工程的角度去综合考虑影响数控产业化的诸多因素，导致数控技术研究、 开发、生产等环节的脱节；数控装置、驱动、电机的配套脱节；数控系统生产厂 与主机生产厂脱节。总体呈现出以下特点： 1 ) 国产经济型数控系统主导中国市场，高档数控设备主要依靠进口； 2 ) 国产普及型数控系统市场占有率不断提高，外国品牌依然占领国内市场； 3 ) 国产高档数控系统技术有了突破，但差距较大。 当前国内外数控研究正从传统的c n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 转向基于 可重构技术的开放式数控o n c ( o p e nn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 系统研究及其规范的制 6 第一章绪论 订。开放式数控系统的概念是由美国在二十世纪八十年代末提出的，美国提出了 下一代控制器n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) 计划，成立了“美国国家制造科学 中心 ，其主要目的是拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析与规范； 1 9 9 0 年美国启动了o a s y s 项目作为n g c 计划的后续项目，其后，美国的f o r d 、 g m 和c h r y l e r 等公司在n g c 计划的指导下联合提出的“开放的模块结构控制器 ( o m a c ) ”开发计划【6 】，并首次提出了开放式系统结构软件模型；由德国发起、欧 洲各国参与的“自动化开放控制系统结构( o s a c a ) ”计划【7 j ，它将工业控制领域 的开放式系统定义为：“开放式控制系统由一系列逻辑上独立的部件组成”；日本 东芝、丰田、三菱等机床制造商和系统提供商共同参与的“控制器开放环境 ( o s e c ) ”协会，致力于推动数控系统用控制器开放化进程，提出了7 层的开放体 系结构参考模型，并对每一层的功能进行了划分；而这些计划的实施基本上代表 了开放式数控的发展现状并逐步形成了开放式数控系统体系结构标准瞵儿引。 国内o n c 的研究起步于2 0 世纪9 0 年代后期，2 0 0 2 年6 月我国正式颁布了 机械设备一开放式数控系统一总则( g b t1 8 7 5 9 1 - 2 0 0 2 ) 的国家标准，并于 2 0 0 3 年1 月1 日正式生效。这份总则标准集合了我国在开放式数控领域研究的基 础成果，重点在系统总体构成方面作了较为详细而明确的定义。 目前国内机械轴占主流的纸箱印刷机械的种类多种多样且相关技术比较成 熟，然而市场需求与技术进步催生了电子轴印刷机的研发与应用。对于机械制造 企业来说，对产品进行改造，添加新的功能部件是不可避免的，为使控制软件具 有复用性和重构能力，需要研究开放式数控系统控制逻辑的建模方法和软件重构， 实现开放式数控系统的可重构，从而降低开发成本，缩短开发周期【l 。 1 5 开放式数控系统可重构性概述 自从1 9 5 2 年世界上第一台数控机床( 三坐标数控铣床) 在美国麻省理工学院 诞生以来，数控技术经过数十年的发展，无论是理论上还是实际工程应用上都己 取得长足的进步，已由最初的硬件数控系统( n c ) 经过计算机数控系统( c n c ) ， 发展到以微型计算机( 工控机) 为基础的数控系统( m n c ) 、直接数控系统( d n c ) 和柔性制造系统( f m s ) ，直到可重构技术在数控系统的应用形成了可重构制造系 统和开放式数控系统( o c n c ) 研究【2 。 广东工业大学硕。学位论文 开放式数控系统的概念是由美国在二十世纪八十年代末提出的，数控系统的 开放性是二十一世纪数控技术的发展方向。开放式数控系统是一个全新的概念， 目前尚没有统一的定义。1 e e e ( 国际电气电子工程师协会) 的定义为：“开放式控制 系统应提供这样的能力：来自不同厂商的在不同操作平台上运行的应用程序都能 够在系统上实现，并且该系统能够和其它系统应用协调工作。开放式数控系统具 有柔性高、灵活性高、成本低、模块化、易扩展升级、开放性、可重构性和可二 次开发等优点【2 1 】 2 2 1 。综合以上两种定义的共同点和开放式数控系统的特点，可总 结出所谓的开放式数控系统应是一个可重构、易扩展、模块化、集成化和标准化 的软硬件控制系统【9 】。 可重构性是开放式数控系统的一个典型特性，它反映了开放式数控系统的本 质，体现了其开放性。重构不是目的，只是开放式数控平台因外部条件改变而升 级或重组的一种手段。在开放式数控平台上，外部执行机构的增加、单元部件的 升级、外部硬件条件改变等将导致控制软件生命周期终结，不得不对控制系统软 件进行升级或重新开发，在已有数控平台和控制软件的基础上，采取重构的方式， 使系统原有软件可以复用，现在摆在我们面前有一个问题，数控系统的应用软件 在什么平台上开发，采用何种手段、方式、方法开发才能做到数控系统后期的可 复用、可重构? 采用状态机模型在嵌入式l i n u x 操作系统平台上开发控制系统应 用软件编程方法是现代软件技术和嵌入式技术结合的产物【2 4 】。有限状态机在开 放式数控系统中的应用开辟了数控系统数控系统可重构性研究的新途径，像面向 对象设计模式的软件设计方法，状态模式获得由重构状态模型产生的许多结构， 为开放式数控系统重构提供了不同的新方法与新途径，提高了数控系统的可维护 性。在开放式数控系统软件模型的早期采用状态机设计方法，可以防止以后的重 构；而当重构不可避免时，状态模型能为重构提供方便的目标。 1 6 本文研究主要内容 本文是结合广州市科技攻关项目“包装机械嵌入式数控系统设计”，利用现代 自动化伺服控制技术、电子凸轮、无轴传动技术和有限状态机理论展开可重构技 术在电子轴瓦楞纸印刷成套设备数控系统上的应用研究。提出将有限状态机与可 重构相结合，采用层级式状态机描述电子轴瓦楞纸印刷机控制系统执行部件的行 8 第一章绪论 为模型，并建立印刷机基于状态机的软件模型，使系统便于重构，将状态机模型 与嵌入式l i n u x 操作系统软件开发架构综合，通过l i n u x 多线程编程挂载状态机 模型。 本论文旨在对电子轴印刷机控制系统采用层次式状态机进行分析，建立可重 构软件模型，并将软件模型挂载到嵌入式l i n u x 操作系统。主要的内容包括以下 几个部分： 第二章电子轴瓦楞纸印刷成套设备工作原理及构成。介绍了电子轴瓦楞纸印 刷机的研究现状；分析了印刷机机械部件工作原理和伺服控制系统控制过程，详 细阐述了电子轴瓦楞纸印刷成套设备送纸部、印刷部、开槽部和模切部构成和工 作流程；介绍了施耐德和博世力士乐公司电子轴印刷机方案。 第三章基于层次式状态机的瓦楞纸印刷机行为建模。将状态机的一般数学表 达式在数控系统中抽象为四元组，并说明了四元组中的元素在数控系统中的涵义， 利用状态机对电子轴瓦楞纸印刷机执行部件逻辑行为进行了分析，并综合，建立 了印刷机执行部件便于重构的状态机软件行为模型，画出了其基于层次式状态机 的状态图；分析了可配置的人机界面的特点，给出了印刷机人机操作界面。 第四章实现瓦楞纸印刷机基于状态机的行为重构。定义了状态机模型的数据 结构框架，同时也定义了状态机的事件、状态和动作函数框架，并将状态机模型 与嵌入式l i n u x 操作系统软件开发架构综合，通过l i n u x 多线程编程挂载状态机 模型，在多线程程序中采用互斥量实现线程的数据共享，从而实现状态机在嵌入 式l i n u x 下的挂载。 第五章控制系统硬件平台设计。在对电子轴瓦楞纸印刷成套设备控制系统功 能分析的基础上，提出了控制系统总体设计方案，采用两级微处理器控制方案。 采用以$ 3 c 2 4 4 0 和c 8 0 5 1 f 0 4 0 两级处理器为核心的硬件平台，并详细阐述了控制 系统数字输入输出接口电路、人机界面接口电路和c a n 现场总线接口电路设计 等。对c a n 总线应用层协议进行了定义，最后是对全文的总结。 9 广东工业大学硕士学位论文 第二章电子轴瓦楞纸l ；pb , j 成套设备工作原理及构成 “有轴传动会逐渐失去市场，无轴传动将逐渐占领市场。无轴传动概念的创 始人d r k l a u sp e t e r s 曾经这样预言。无轴传动，又被称为电子长轴传动或独立传 动，采用数字化高精度运动控制方案，采用交流伺服系统替代传统普通交流电机 协同编码器驱动控制齿轮和轴杆传动系统。市场对现代印刷及纸张处理机械的要 求越来越高更大的灵活性、更快的速度、更高的精度，电子轴传动印刷机是 科技进步与市场需求的产物。 2 1 电子轴瓦楞纸印刷成套设备研究现状 1 9 9 4 年电子轴运动控制系统方案的实现开创了现代机械工程的新纪元，电子 轴传动应用于印刷设备是具有里程碑式的意义的，这种技术革新给印刷设备带来 的好处是多方面的。完全避免了累积误差，消除了齿轮的滞后性和扭力不稳定性 所带来的套准漂移【l ，减少了废料的产生，精简的机械系统减少了能量的消耗， 智能数字式驱动和灵活性的运动控制功能带来更高的精度、更高的效率、更大的 柔性和更高的经济性。 电子轴传动方式是最近十年来在印刷行业兴起的以高精度伺服系统和高速现 场总线为基础的先进的智能数字式控制技术，在国内最早应用于高速凹版印刷机， 随着技术的进一步发展，电子轴传动方式逐渐向柔版、瓦楞纸印刷等领域进行渗 透，国内瓦楞纸印刷机无轴化刚刚起步。电子轴传动方式在简化设备机械结构的 同时进一步提高了设备的生产速度与调试效率，并使设备达到“模块化”的效果。 设备生产者可以将设备按照所实现的功能“拆分”为不同的“标准件 ；客户使用 者可以根据实际需要购买不同的“标准件”组装为一台“客户化 的设备。通过 这方式，生产者在减少大量的非标件库存的同时，还可以大大缩短了设备的交 货期，从而实现的整个生产环节资源的优化配置。 1 0 第二章电子轴瓦楞纸印刷成套设备工作原理及构成 2 2 电子轴瓦楞纸印刷设备工作原理 无轴( 电子轴) 传动技术在印刷机上应用，是目前全球印刷业和机械制造业的 焦点。无轴传动就是用多个单独的伺服控制模块取代传统的机械传动，伺服控制 模块由伺服电机、编码器和伺服控制器三部分组成，伺服驱动器之间依靠高速现 场总线( c a n 、p r o f i b u s 、s e r c o s 等) 进行联系，保障实时通信与数据共享， 通过实时通信保证各伺服轴保持严格同步。采用无轴传动技术为印刷机的生产制 造、为印刷业服务革命带来了最佳解决方案。包装设备上，采用伺服控制可以提 高单位时间的产量、提高资源利用率、增加品种适应性和提高产品质量，因此交 流伺服在包装机械上的广泛使用只是时间问题。采用数字伺服技术的电子齿轮和 电子凸轮将代替传统机械部件，随着价格的下降，成本也逐渐接近纯机械的方案。 无论是机械轴还是电子轴印刷机，送纸技术与线速度始终是瓦楞纸印刷设备 的关键技术。机械轴印刷机的线速度的一致是通过机械齿轮的传动来保证，而电 子轴印刷机是通过高速高精度伺服控制系统来保证线速度的一致。电子轴印刷机 通过电子凸轮送纸，送纸时机与第一色印版的位置和印刷速度相关，在印刷机各 辊筒的相对位置调校好后，在一定的印刷速度下，当一色印刷滚筒转到某一位置 时开始送纸，以保证印版能每次将图案准确印在纸板的相应位置上。当印版的规 格与印刷速度改变后，印刷机各辊筒的相对位置需重新调校。印版的规格、印刷 速度和调校后的相关参数会存储起来，操作人员可以调出这些参数，系统会立即 自动调整，完成印刷机的自动套印，保证印刷位置准确i l 2 | 。 2 2 1 机械部件工作原理 无轴瓦楞纸印刷设备采用高速高精度伺服控制系统代替传统轴杆加齿轮的， 极大地简化了设备的机械结构。线速度是印刷设备套印精度、套色精度等印刷质 量品质的保证，无轴印刷设备利用伺服控制系统高速光纤网提供的实时数据共享 和执行机构的实时控制来达到高速高精度的控制，改变了机械轴印刷设备由轴杆 加齿轮传动来保证设备各部线速度一致的方案。无轴瓦楞纸印刷设备主要由四大 部件构成，各部件功能的各异决定了机械结构的构成与工作原理的不同，但其有 广东工业大学硕士学位论文 一共同点就是采用滚筒，轴辊机械系统来传输印刷材料。 印刷设备送纸部包括前挡板、后挡板、左挡板、右挡板和电子凸轮进纸机构， 前挡板由电机和编码器构成的精密系统带动其上下移动，并有两个霍尔传感器限 位，防止超位；左右挡板由左右轴承转动带动其左右移动，移动时各由左右限位 开关控制其位置，防止超位，左挡板还附带有拍纸的功能，靠气动阀和拍纸部件 实现。印刷部主要由网辊，刮刀( 胶辊) ，印刷滚筒和压印辊构成；印刷部主要操 作包括：网辊与印刷滚筒间间隙调整、印刷滚筒相位调整、印刷滚筒与压印辊间 间隙调整。开槽部承接印刷完毕的纸板，对纸板进行压痕、修边、开槽、切角、 冲孔等加工。开槽部主要由预压辊、压线辊、过线辊、开槽辊和联锁机构组成， 这些辊均是成对出现。模切部从承接印刷、开槽完毕的纸板，根据具体要求定制 的刀模对纸板进行模切加工。 2 2 2 伺服数控系统控制过程 无轴( 电子轴) 传动技术在印刷机