【正文】 ............................. 15 印刷裝置運(yùn)行分析 ......................................... 16 卷煙紙補(bǔ)償 裝置的補(bǔ)償能力分析 ............................. 16 供紙印刷 系統(tǒng)技術(shù)改造總體設(shè)計(jì) ................................. 17 卷煙紙補(bǔ)償 伺服控制系統(tǒng) 的改進(jìn)設(shè)計(jì) ......................... 18 供紙印刷系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的改進(jìn)設(shè)計(jì) ............................. 18 本章小結(jié) ..................................................... 19 第三章 卷煙紙補(bǔ)償?shù)?伺服控制系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì) ............. 20 IV 伺服電動(dòng)機(jī)選型 ............................................... 20 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算 ........................................... 20 電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算 ........................................... 21 選型 ..................................................... 21 軸編碼器選型 ................................................. 22 伺服控制器選型 ............................................... 23 上位控制器（ PLC）選型 ........................................ 24 本章小結(jié) ..................................................... 24 第四章 伺服控制系統(tǒng)主要零件的設(shè)計(jì) ................. 25 與電動(dòng)機(jī)連接傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) ..................................... 25 軸的材料選擇 ............................................. 25 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................................. 26 軸的強(qiáng)度校核 ............................................. 27 平鍵連接的強(qiáng)度校核 ....................................... 29 軸的剛度校核 ............................................. 29 編碼器傳動(dòng) 設(shè)計(jì) ............................................... 30 同步帶的選擇 ............................................. 31 同步帶輪的設(shè)計(jì) ........................................... 31 支架的設(shè)計(jì) ............................................... 32 本章小結(jié) ..................................................... 33 第五章 卷煙紙補(bǔ)償 伺服控制系統(tǒng)的調(diào)試與優(yōu)化 ........... 34 卷煙紙補(bǔ)償 伺服控制系統(tǒng)的調(diào)試 ................................. 34 控制程序流程圖設(shè)計(jì) ....................................... 34 系統(tǒng)電氣接線 ............................................. 35 PLC 程序灌裝 ............................................. 36 控制器程序灌裝 ...................................... 36 控制器參數(shù)設(shè)定 ...................................... 37 伺服系統(tǒng)的優(yōu)化 ............................................... 38 伺服系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵 ....................................... 38 V 電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的優(yōu)化 ............................. 38 卷煙紙補(bǔ)償 伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)化 ................................. 39 編碼器速度跟蹤點(diǎn)的選擇 ................................... 39 控制器參數(shù)優(yōu)化 ........................................... 40 本章小結(jié) ..................................................... 41 結(jié)論與展望 ........................................... 42 參考文獻(xiàn) ............................................. 44 致 謝 .............................................. 46 基于伺服控制技術(shù)的 ZJ17 卷接機(jī)組供紙印刷系統(tǒng)技術(shù)改造 1 第一章 緒 論 選題的背景和意義 ZJ17 機(jī)組 是引進(jìn)德國(guó)虹霓（ HAUNI）公司設(shè)計(jì)制造的世界著名卷接機(jī)組PROTOS70 技術(shù)后，由 常德 煙 草機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn) 的濾嘴卷煙自動(dòng)生產(chǎn)線，是國(guó)內(nèi)卷煙廠 煙支卷制 的主要生產(chǎn)設(shè)備，具有 20 世紀(jì) 90 年代初期國(guó)際先進(jìn)水平[1]。 ZJ17 機(jī)組雖然具有比較穩(wěn)定的性能 、單箱消耗低、煙支空頭少、對(duì)煙絲適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，但隨著國(guó)內(nèi)外煙草設(shè)備制造業(yè)的飛速發(fā)展，超高速卷接機(jī)組的推廣應(yīng)用，煙草生產(chǎn)企業(yè)對(duì)現(xiàn)有卷接設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性方面有了更高的要求。而 ZJ17 機(jī)組 與企業(yè)要求仍有差距。 因此，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備 ，包括 ZJ17 機(jī)組進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)是煙草企業(yè)技術(shù)改造的一個(gè)方向。 現(xiàn)有的 ZJ17 機(jī)組改進(jìn)設(shè)計(jì)包括完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù) 和 新技術(shù)應(yīng)用等部分，本文主要關(guān)注新技術(shù) 伺服控制系統(tǒng)的 應(yīng)用。 如圖 11 所示， ZJ17 機(jī)組的 供紙印刷系統(tǒng) 主要由 卷煙紙補(bǔ)償裝置 印刷 裝置 2 和 第二供紙輥 4 等組成 ， 完成 卷 煙 紙 供 給 和 商標(biāo) 印刷任務(wù) 。 1— 卷煙紙補(bǔ)償裝置 ； 2— 第一 印刷裝置 ； 3— 第 二 印刷裝置 ； 4— 第二供紙輥 ； 圖 11 供紙印刷系統(tǒng) 示意圖 ZJ17機(jī)組有兩套 印刷 裝置 ： 第一 印刷 裝置 2和 第 二 印刷 裝置 3，各自在線完成一種顏色商標(biāo)的印刷。每套裝置 均 由 油墨輥、傳墨輥、鋼印輥、勻墨輥、壓印輥等 組成 。油墨輥將油墨從供墨裝置中取出，勻墨輥使油墨均勻并涂布于傳墨輥的表面上，傳墨輥將油墨從勻墨輥傳送到鋼印輥上，鋼印輥 則 使 商標(biāo) 印刷到卷煙紙上， 壓印輥 的作用是 使鋼印輥能將油墨印刷到卷煙紙上而又不損壞卷煙紙。 福州大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 2 如圖 12 所示 ， 卷煙紙補(bǔ)償裝 置 主要由 差動(dòng) 電動(dòng)機(jī) 差動(dòng) 齒輪 箱 4 組成 ，其調(diào)節(jié)原理是 ： 卷煙紙 傳送過程中， 卷煙紙 張力 （ F=3N） 帶動(dòng) 無(wú)動(dòng)力的 補(bǔ)償輥 ， 左側(cè)的 三個(gè) 接近開關(guān) B2 B2 B29 通過 感應(yīng) 補(bǔ)償輥 位置來判斷 卷煙紙 張力大小 ，反饋信號(hào) 輸出 到 差動(dòng) 電動(dòng)機(jī) 控制 單元，再由其判斷是否啟動(dòng) 電動(dòng)機(jī) 。 補(bǔ)償輥 在 在上、下 接近開關(guān) B2 B29 之間 （包括 B28 檢測(cè)區(qū)域） 都視為 卷煙紙 正常狀態(tài) ， 張力適中 ， 電動(dòng)機(jī) 不工作 。 補(bǔ)償輥 在下 接近開關(guān) B27 位置 時(shí) ， 則 對(duì)應(yīng) 卷煙紙 張力過大，差動(dòng) 電動(dòng)機(jī) 帶動(dòng)差動(dòng) 齒輪箱 沿 卷煙紙 運(yùn)行方 向 轉(zhuǎn) 動(dòng)， 讓 第一供紙輥 加速， 使 卷煙紙 張力逐步回歸正常。 補(bǔ)償輥 在 上接近開關(guān) B29 位置 時(shí) ， 對(duì)應(yīng) 卷煙紙 張力 偏小 ，差動(dòng) 電動(dòng)機(jī) 帶動(dòng)差動(dòng) 齒輪箱 沿 卷煙紙 運(yùn)行相反方 向 轉(zhuǎn) 動(dòng)， 讓 第一供紙輥 減速 ， 使 卷煙紙 張力回歸正常 。 補(bǔ)償裝置 設(shè)計(jì) 的 加減速率 是 固定，張 力到達(dá)設(shè)計(jì)的極限位置 B2 B29 時(shí) 差動(dòng) 電動(dòng)機(jī) 將啟動(dòng)，使 第一供紙輥 在原速度上加 、 減 3rpm[2]。 1— 補(bǔ)償輥 ； 2— 壓輥 ； 3— 第一供紙輥 ； 4— 差動(dòng)齒輪箱 ； 5— 第一供紙輥軸 ； 6— 差動(dòng) 電動(dòng)機(jī) ； 圖 12 卷煙紙補(bǔ)償裝置示意圖 運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)， ZJ17 卷接 機(jī)組 供紙印刷系統(tǒng) 存在以下問題： 差動(dòng)齒輪箱故障間隔時(shí)間明顯 低于 維修手冊(cè)推薦的保養(yǎng)周期； 卷煙紙補(bǔ)償裝置的 補(bǔ)償精確性、穩(wěn)定性 、快速性 方面存在不足 ； 系統(tǒng)的 故障 維修時(shí)間和維修費(fèi)用偏高。 而 21 世紀(jì)德國(guó)虹霓（ HAUNI）公司新推出了新一代的 PROTOSM系列則采用了 伺服控制 系統(tǒng)直接 驅(qū)動(dòng) 第一 供紙輥 ， 自動(dòng)控制 伺服 電動(dòng)機(jī) 的 速度來達(dá)到調(diào)節(jié) 卷煙紙 張力目的，即 供紙印刷系統(tǒng) 取消 卷煙紙補(bǔ)償裝置 。所以 PROTOSM 系列 供紙B28 B27 B29 2 3 5 4 1 6 基于伺服控制技術(shù)的 ZJ17 卷接機(jī)組供紙印刷系統(tǒng)技術(shù)改造 3 印刷系統(tǒng) 的 機(jī)械結(jié)構(gòu) 大大 簡(jiǎn)化了 ， 維護(hù)簡(jiǎn)便，運(yùn)行噪聲低。因此，借鑒新一代卷接機(jī)組的技術(shù)對(duì) ZJ17 機(jī)組的 供紙印刷系統(tǒng)進(jìn) 行改進(jìn)， 是挖掘老設(shè)備潛力 的 一個(gè)途徑 。 通過本文的研究，可以了解 ZJ17 卷接機(jī)組供紙印刷系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方面存在問題，通過運(yùn)用伺服控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)改進(jìn)方案予以優(yōu)化，達(dá)到降低 維修時(shí)間 和 維修費(fèi)用，提高設(shè)備效率目的 。 伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用 綜述 伺服控制系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨目標(biāo)（或給定量）任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng) [3]。隨著伺服控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，其成本也逐漸接近純機(jī)械的方案，而它具有的高精度、高速度、高效率和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)日益凸顯，在許多行業(yè)得到廣泛采用 [4]。 近年來， 各 國(guó)在伺服系統(tǒng)應(yīng)用方面取得不少成果，如： 20xx 年加拿大 瑞爾森大學(xué)提出了一個(gè)視覺伺服控制方法 ，可實(shí)現(xiàn) 六自由度控制 微 型 機(jī)器人 [5]。 20xx 年 新加坡 國(guó)立大學(xué)介紹了一種新的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償器 ，可以提高閉環(huán) 伺服 系統(tǒng)的 控制精度 [6]。 20xx 年美國(guó) 密蘇里堪薩斯大學(xué) 提出了一種 新型液壓力伺服系統(tǒng) ，可 提高控制系統(tǒng)的性能 [7]。 20xx 年 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與 技術(shù)研究所 開發(fā)了一 種用于 光學(xué)輪廓儀 的伺服 焦點(diǎn)鎖定跟蹤系統(tǒng) [8]。 20xx 年 土耳其 伊斯坦布爾大學(xué) 設(shè)計(jì)了一種可用于 無(wú)人機(jī) 上 的視覺伺服控制方法 [9]。 20xx 年 日本 名古屋大學(xué)研究生院 設(shè)計(jì) 了一種控制器 ，用于提高 雙主軸伺服系統(tǒng)的同步 性 [10]。 伺服控制系統(tǒng) 在卷接機(jī)組的 應(yīng)用 國(guó)外，現(xiàn)在世界上所有的卷接機(jī)組仍然在使用的吸絲成型技術(shù)于 1959 年被世界前三大卷接機(jī)組制造商之一 — 英國(guó) MOLIN 公司從法國(guó) DECOUFLE 公司取得。不久， MOLIN 公司制成 MK8 卷接機(jī)組，即第一代被卷煙廠廣泛使用的吸絲成型卷接機(jī)組 。 而 德國(guó)ＨＡＵＮＩ公司 二十世紀(jì)八十年代 生產(chǎn)的 PROTOS70 卷接機(jī)組以其簡(jiǎn)潔緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品質(zhì)量 ， 迅速在國(guó)際 卷 接機(jī)組市場(chǎng)上占據(jù)福州大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 4 最大份額 。 上述 兩種機(jī)型的傳動(dòng)方面都采用交流變頻調(diào)速 電動(dòng)機(jī) 作為主傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī) ，而機(jī)組上有位置和速度同步要求的部件，如 PROTOS70 卷接機(jī)組 的 供紙印刷系統(tǒng)，通過齒輪副或同步帶傳動(dòng)來滿足。由于傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)，加上加工與裝配精度、運(yùn)行過程磨損等問題，機(jī)組的累積誤差逐漸增大。電控系統(tǒng)方面， 兩種機(jī)型都以繼電器和分離元件為主組成邏輯電路板系統(tǒng)。 二十 一世紀(jì)，以德國(guó)開發(fā)的 PROTOSM系列為代表的新型卷接機(jī)組， 采用高性能的變頻通訊控制，用大量伺服控制系統(tǒng)取代機(jī)械傳動(dòng)，采用變頻器，通過PROFIBUSDP 與 S7400 PLC 通信，更加精確的控制 電動(dòng)機(jī) 的啟停和速度的改變，大大提高機(jī)組性能， 而且 維護(hù)和操作更加方便 [11]。 而舊 機(jī)型改造方面，國(guó)外卷接機(jī)組制造商涉及很少 。 改革開放前，國(guó)內(nèi)卷接機(jī)組制造基本是空白。而 二十 世紀(jì) 九十年代后，我國(guó)通過“技貿(mào)結(jié)合”方式，引進(jìn)同期國(guó)際先進(jìn)的煙機(jī)，開發(fā)出了 ZJ17 等型號(hào)的卷接機(jī)組。 國(guó)內(nèi) 煙機(jī) 伺服 改 進(jìn)研究與應(yīng)用 方面，主要有： 20xx 年 許昌