【正文】 技術改造 答辯時間： ___________________________ 答辯地點： ____________________________ 答辯委員會成員名單： _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ 一 遵守學術行為規(guī)范承諾 本人已熟知并愿意自覺遵守《福州大學研究生和導師學 術行為規(guī)范暫行規(guī)定》的所有內(nèi)容，承諾所提交的畢業(yè)和學位論文是終稿，不存在學術不端行為，且論文的紙質(zhì)版與電子版內(nèi)容完全一致。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 研究生本人簽名： 簽字日期： 20xx 年 月 日 研究生導師簽名： 簽字日期： 20xx 年 月 日 I 基于 伺服控制技術 的 ZJ17 卷接機組 供紙印刷系統(tǒng) 技術改造 中文摘要 ZJ17 卷接 機組 是由 常德 煙 草機械有限責任公司生產(chǎn) 的濾嘴卷煙自動生產(chǎn)線，是國內(nèi)卷煙廠 煙支卷制 的主要生產(chǎn)設備，具有 20世紀 90年代初期國際先進水平。 還 對 卷煙紙補 償 伺服系統(tǒng) 的 傳動軸和編碼器傳動裝置 進行結(jié)構 設計， 然后采用 ANSYS 軟件建立三維有限元模型，對傳動軸進行結(jié)構靜力分析。 本文的研究方法和 控制理論， 可 為煙草機械傳動環(huán)節(jié) 進行改進設計 提供可選方案 ，具有較強的實 用性。 因此，對現(xiàn)有設備 ，包括 ZJ17 機組進行改進設計是煙草企業(yè)技術改造的一個方向。每套裝置 均 由 油墨輥、傳墨輥、鋼印輥、勻墨輥、壓印輥等 組成 。 補償輥 在下 接近開關 B27 位置 時 ， 則 對應 卷煙紙 張力過大，差動 電動機 帶動差動 齒輪箱 沿 卷煙紙 運行方 向 轉(zhuǎn) 動， 讓 第一供紙輥 加速， 使 卷煙紙 張力逐步回歸正常。 而 21 世紀德國虹霓（ 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 第一 供紙輥 ， 自動控制 伺服 電動機 的 速度來達到調(diào)節(jié) 卷煙紙 張力目的，即 供紙印刷系統(tǒng) 取消 卷煙紙補償裝置 。 伺服控制系統(tǒng)應用 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（或給定量）任意變化的自動控制系統(tǒng) [3]。 20xx 年美國 密蘇里堪薩斯大學 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]。 伺服控制系統(tǒng) 在卷接機組的 應用 國外，現(xiàn)在世界上所有的卷接機組仍然在使用的吸絲成型技術于 1959 年被世界前三大卷接機組制造商之一 — 英國 MOLIN 公司從法國 DECOUFLE 公司取得。由于傳動鏈較長，加上加工與裝配精度、運行過程磨損等問題，機組的累積誤差逐漸增大。 改革開放前，國內(nèi)卷接機組制造基本是空白。 20xx 年 許昌煙機還對 卷煙供絲 系統(tǒng) 中所應用的交流伺服控制系統(tǒng)的基本結(jié)構、伺服 電動機 的工作特性及其性能 進行總結(jié) [14]， 闡述了卷接機組中所應用的交流伺服伺服控制系統(tǒng)的基本結(jié)構、采用的技術路線及其性能優(yōu)點 ， 著重介紹了 交流伺服驅(qū)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由主 電動機 、齒輪、皮帶組成的傳動方式 [15]。 同年， 許昌煙草機械有限責任公司 對 PASSIM 卷煙機獨立驅(qū)動的紙張力伺服控制裝置 進行 改進 ， 增加一個氣缸和 PID 速度 調(diào)節(jié)器 ， 對控制電路作相應的調(diào)整 ， 使紙張力伺服控制裝置工作穩(wěn)定 ， 避免斷紙和探測臂抖動現(xiàn)象[19]。 而 許昌煙草機械有限責任公司提出采用博世交流伺服電動機 解決兩者的同步問題 ， 并對電氣系統(tǒng)的構成及實現(xiàn)進行了論述 [23]。 同年， 許昌煙草機械有限責任公司 在 總結(jié)了 倫茨9400 系列伺服在卷煙機中的運用 ， 伺服系統(tǒng)與 S7— 300PLC 之間的通訊配置 ， 伺服系統(tǒng)的調(diào)整 等內(nèi)容 [27]。 陜西中煙工業(yè)有限責任公司 總結(jié)了 伺服控制系統(tǒng)在煙機設備上的應用 ， 分析了伺服控制系統(tǒng)的基本工作原理以及系統(tǒng)硬件組成 ， 說明了伺服控制系統(tǒng)的工作過程 ， 指出了伺服控制系統(tǒng)在使用過程中注意的問題 [31]。 川渝 中煙 工業(yè)有限責任 公司 重慶卷煙廠通過對后身原電磁離合器傳動系統(tǒng)進行改造 ， 采用伺服 電動機 獨立驅(qū)動后身供絲系統(tǒng) ，解決 后身供絲不均勻 問題 [35]。 20xx 年 至 20xx 年我 公司與 南京金茂林電子科技有限公司 合作， 對 ZJ17 卷接機組的供紙印刷系統(tǒng)進行改進，有效減少了該系統(tǒng)的故障 維修時間和維修費用 。 （ 2） 第二部分 ， 介紹 卷煙紙補償?shù)?伺服控制系統(tǒng)硬件 選型過程和 伺服控制系統(tǒng) 主要零件 設計 ，包括與伺服 電動機 連接傳動軸和編碼器傳動零件的設計過程， 并校核 軸的強度、剛度，平鍵連接的剛度，從 控制和 機械方面保證伺服系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地工作 。 伺服 控制系統(tǒng)的任務是按照命令要求，對功率進行放大、變換和調(diào)控等處理，靈活、方便地控制驅(qū)動裝置輸出的位置、速度和力矩。 伺服 電動機 是 伺服 控制 系統(tǒng) 的 控制對象， 作用是通過 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角 等形式，將電勢能轉(zhuǎn)化為機械能，以 實現(xiàn) 設計者對 運動機械的運動要求。 90 年代初，又出現(xiàn)了具有直接驅(qū)動能力的各類直線伺服電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)，揭開了交流直線伺服控制系統(tǒng)取代交流旋轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)的序幕，其中以永磁交流伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展最快，在當前已占據(jù)了主導地位。 福州大學工程碩士學位論文 8 20xx 年之后，隨著中國制造業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)對伺服控制系統(tǒng)的需求也越來越大，這時期國內(nèi) 很多有遠識的廠商 推出的自主品牌的伺服產(chǎn)品影響逐步加大。 伺服系統(tǒng) 要求具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應能力和很強的抗干擾的能力。 精度 是指 輸出量復現(xiàn)輸入指令信號的精確程度 。 很多 伺服系統(tǒng) 要求 低速加工 、 高速返回 ，而這可以通過 調(diào)速范圍來衡量。 轉(zhuǎn)矩波動直接影 響 提高伺服系統(tǒng)的位置和速度精度 ， 轉(zhuǎn)矩波動是由驅(qū)動器、電動機 以及負載共同決定的。 運行穩(wěn)定性，是指伺服系統(tǒng)在電壓波動、負載波動等系統(tǒng)內(nèi)部因素和外部環(huán)境影響下，系統(tǒng)輸出變化能夠維持允許范圍內(nèi)的能力。 轉(zhuǎn) 矩 波動 的影響 伺服系統(tǒng) 使用 過程中， 伺服 電動機 的 輸出 轉(zhuǎn)矩 T 不是恒定的， 而是 始終 處于輕微波動 。 伺服 電動機 轉(zhuǎn)子 和齒槽的 結(jié)構 、氣隙的大小、磁場分布 情況 等 都會影響 齒槽力矩 ，而繞組放置 位置則與 齒槽力矩 變化無關 。 按照工作原理 ， 編碼器可分為增量式和絕對式兩類 ： 增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小 ； 絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。 伺服 控制 器 伺服 控制 器（ servo drives）又稱為 “ 伺服 驅(qū)動 器 ” 、 “ 伺服放大器 ” ， 是 控制伺服 電動機 的單元，可 通過 控制輸入給 電動 機 的電流、電壓、激磁頻率 ，或設定目標參數(shù) 來 實現(xiàn) 輸出 力矩、速度、位置的精確控制 。所以， 伺服 控制 系統(tǒng)執(zhí)行 元件的摩擦力對 伺服系統(tǒng)低速特性 有不良的 影響。 傳動間隙的影響 圖 22 典型 伺服系統(tǒng) 框圖 如圖 22 所示 ， 閉環(huán)內(nèi)前向通道上動力傳動裝置 G2 的間隙在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下對伺服精度無影響。 負載 伺 服 控制 系統(tǒng) 中的 機械 零件，如 電動機 軸 、 傳動軸、齒輪、聯(lián)軸器 等傳動軸，以及 傳動 齒輪 箱 、機器底 座等， 在 電動機 負載工作 時， 都將 產(chǎn)生 一定 的彈性變形 。通過平皮帶輪帶動主傳動軸 51，隨后主傳動軸將其運動一路傳入刀盤 傳 動箱；另一路通過一對斜齒圓柱齒輪（ Z1=34/Z2=68）將運動傳至軸 52，然后通過一對斜齒輪（ Z3=38/ Z4=76）將運動傳至主傳動輸出軸 53。軸 58 再將運動分兩路傳出：一路通過同步帶輪（ Z=20）經(jīng)同步帶帶動同步帶輪（ Z=20） ， 將運動傳至第二供紙輥 2；另一路通過同步帶輪（ Z=20）經(jīng)同步帶帶動同步帶輪（ Z=28），將運動傳入 印刷裝置齒輪箱 4。 副傳動齒輪箱輸出的動力通過同步帶 A 傳遞到 第一印刷裝置齒輪箱 4，再通過同步帶 B輸出至第二印刷裝置齒輪箱 5，然后由同步帶 C 輸送到差動齒輪箱。 測量得， 與主電動機連接的 帶輪 直徑 D1=208mm，與 主傳動軸 51 連接的 從動 帶輪 直徑 D2=160mm 。 當生產(chǎn)煙體長度為 64mm 的煙支時， 變換齒輪齒數(shù) ZL=64,此時可計算 第一供紙輥轉(zhuǎn)速 ne為： 2 0 8 3 4 3 8 6 4 3 4 3 4 3 5 2 0 5 5 4 2 1 31 6 0 6 8 7 6 3 4 5 0 126 7 3 5 29 2 . 3 8 3 3 6 4 1 3en ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? 22222024182155334264 ???? =2240rpm （ 23） 測量 第一供紙輥 外徑 De=，則機組正常運行時其 圓周速度 Ve為： 224 7 . 4 6 60 6 3 . 6 66 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0eee nDV ? ?? ??????m/s （ 24） 第二供紙輥傳動 計算 第 二 供紙輥 的傳動路線為： 基于伺服控制技術的 ZJ17 卷接機組供紙印刷系統(tǒng)技術改造 15 53112 2 5 6345 1 5 2 5 3 5 44 1 7L ZZD Z Z ZD Z Z Z Z Z??? ? ? ? ??? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ??????? ? ? ? ??主 電 機 軸 軸 軸 軸910205 7 5 8 220Z ZZZ?? ???? ? ? ?? ? ? ??????軸 軸（第 二 供紙輥） 。 當補償輥位于接近開關 B27 前面時，表示卷煙紙張力增大，供紙輥速 度低于煙條速度， B27 發(fā)出信號 給 控制單元， 啟動 電動機 帶動差動圓柱齒輪 順時針旋轉(zhuǎn)，使第一供紙輥速度增加 3rpm， 逐漸降低第一、第二供紙輥之間的 卷煙紙張力，補償輥慢慢地返回到中間位置，然后 電動機 停止運轉(zhuǎn)，第一供紙輥速度與煙條速度又等速。根據(jù)觀察， 差動齒輪箱 每班旋轉(zhuǎn)次數(shù)平均在 80次以上，即每小時 平均 至少 10次。 據(jù)統(tǒng)計， ZJ17機組 差動 齒輪箱 故障周期平均為三個月左右，大大短于生產(chǎn)廠家推薦的維護周期（一年） 。 這意味著 ZJ17 卷接機組的印刷裝置在消耗電能、零件空轉(zhuǎn)同時，沒有有效地創(chuàng)造價值。而且，機組運行一段時間后，隨著同步帶、帶輪、齒輪、鍵等零件的磨損， 補償?shù)木_性 也隨之下降。 如圖 25所示， 由于 差動直流 電動機 加速度較大， 而且每小時需要啟動、制動 10 次左右， 每次工作均為“啟動 加速 全速 減速 制動”，其補償平穩(wěn)性受到影響更大，工作過程中發(fā)現(xiàn) 傳遞動力的 齒輪有振動、沖擊現(xiàn)象。 福州大學工程碩士學位論文 18 卷煙紙補償 伺服控制系統(tǒng) 的改進設計 新設計的 卷煙紙補償 伺服控制系統(tǒng) 擬 采用原機 三 個 接近開關 B2 B28和 B29作為 極限檢測，由伺服跟蹤保持 卷煙紙 張力平衡； 取消差動 齒輪箱、 差動 電動機和輸 入同步帶 傳動 ； 增加編碼器，跟蹤 設備轉(zhuǎn) 速 ； 采用伺服 電動機 獨立驅(qū)動，適時的跟蹤 設備轉(zhuǎn) 速 進行 微調(diào)，使調(diào)整更加精確，保證 卷煙紙 張力穩(wěn)定。 基于伺服控制技術的 ZJ17 卷接機組供紙印刷系統(tǒng)技術改造 19 1— 第二供紙輥 ； 2— 副傳動箱 ； 3— 第一印刷系統(tǒng)齒輪箱 ； 4— 第二印刷系統(tǒng)齒輪箱 ； 5第一供紙輥 ； 6— 伺服 電動機 ； 圖 26 改進后的供紙印刷系統(tǒng)傳動 示意圖 本章小結(jié) 本章 對 伺服控制系統(tǒng)主要組成部件的影響因素和 ZJ17 卷接機 組的傳動系統(tǒng)進行分析，介紹了重要輸出點的轉(zhuǎn)速和線速度計算過程 ， 分析了供紙印刷系統(tǒng) 的差動齒輪箱、傳動鏈設計和卷煙紙補償裝置 存在的問題， 最后提出 了 卷煙紙補償伺服控制系統(tǒng) 和紙印刷系統(tǒng)傳動鏈的改進設計方案 ，為供紙印 刷系統(tǒng)的改進設計和優(yōu)化打下基礎。 其參數(shù)如 表 31： 表 31 伺服 電動機 參數(shù) 表 功率 (W) 額定電壓 (V) 額定電流 (A) 額定轉(zhuǎn)矩 (Nm) 最大 轉(zhuǎn)矩 (Nm) 額定轉(zhuǎn)速 (rpm) 510 320 4000 德國 LENZE 交流伺服 電動機 以 設計 理論 先進、 機械零件 加工 精密 、 電動機 檢測手段 完善而聞名 ， 而且該類型 電動機 可以與 該公司配套的 伺服控制器配