【正文】 主要零件的設(shè)計(jì) 25 25 25 26 27 29 29 30 31 31 32 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 34 34 35 PLC程序灌裝 36 36 37 38 3速度環(huán)和位置環(huán)的優(yōu)化 38 39 39 40 41結(jié)論與展望 42參考文獻(xiàn) 44致 謝 4647 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)改造第一章 緒 論ZJ17機(jī)組是引進(jìn)德國虹霓（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年代初期國際先進(jìn)水平[1]?，F(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。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。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。所以PROTOSM系列供紙印刷系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化了，維護(hù)簡便，運(yùn)行噪聲低。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]。2011年美國國家標(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]。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。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)。而二十世紀(jì)九十年代后，我國通過“技貿(mào)結(jié)合”方式，引進(jìn)同期國際先進(jìn)的煙機(jī)，開發(fā)出了ZJ17等型號(hào)的卷接機(jī)組。2004年河南科技大學(xué)楊欣在碩士論文中指出：ZJ15卷接機(jī)組存在著傳動(dòng)鏈過長，傳動(dòng)齒輪箱體容易漏油等嚴(yán)重影響運(yùn)行穩(wěn)定性、精度和煙支質(zhì)量的缺點(diǎn)，提出了以交流伺服系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的以一個(gè)動(dòng)力源通過齒輪傳動(dòng)或同步帶才能取得固定傳動(dòng)比的全新的卷接機(jī)組運(yùn)動(dòng)控制方式[16]。2006年湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司長沙卷煙廠在小普托卷接機(jī)采用伺服放大器、伺服電動(dòng)機(jī)以及圖形操作終端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙支長度的控制[20]。2008年江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司與四川大學(xué)為了提高卷接機(jī)組交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提出了一種基于卷接機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的軟件設(shè)計(jì)方法，根據(jù)機(jī)組運(yùn)動(dòng)功能要求和交流伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)，確定了卷接機(jī)組的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其關(guān)系[24]。許昌煙機(jī)還介紹了伺服控制系統(tǒng)在煙機(jī)中的運(yùn)用情況，以及伺服系統(tǒng)的配置與工作原理[28]。許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司總結(jié)了PLC、伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器在煙機(jī)存儲(chǔ)輸送裝置YF17中的運(yùn)用，以及系統(tǒng)的配置與工作原理[32]。湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司恩施卷煙廠提出了利用伺服控制技術(shù)，降低標(biāo)準(zhǔn)偏差的對(duì)策、措施[36]。本課題擬通過改造，取消原機(jī)的機(jī)械差動(dòng)機(jī)構(gòu)，并改進(jìn)傳動(dòng)鏈，換用伺服電動(dòng)機(jī)，加裝軸編碼器獲取主機(jī)速度，將原機(jī)的B2B2B29三個(gè)接近開關(guān)的信號(hào)輸送給伺服控制器，由控制器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快慢來實(shí)現(xiàn)卷煙紙張力調(diào)節(jié)。（3）第三部分，介紹了系統(tǒng)調(diào)試過程，探討伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)化方法。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，因此在許多行業(yè)得到廣泛采用。為了得到高的響應(yīng)速度，即高的加速度，一般伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都比較小。而在國內(nèi)，70年代我國開始跟蹤并開發(fā)交流伺服技術(shù)，科研單位和高等院校是主要研究力量，應(yīng)用方向主要集中在軍工和宇航衛(wèi)星方面。目前影響較大的的國產(chǎn)伺服品牌（廠家）有華中數(shù)控、廣州數(shù)控、大森數(shù)控、凱奇數(shù)控等?？煽匦院檬侵缚刂菩盘?hào)消失后，系統(tǒng)應(yīng)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。衡量交流伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)包括定位精度、調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性等。調(diào)速范圍是指伺服電動(dòng)機(jī)最低平穩(wěn)轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速的比值。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是通過轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)來定量描述的，可表示為一周期內(nèi)的最大轉(zhuǎn)矩與最小轉(zhuǎn)矩之差對(duì)其和的比值。與國產(chǎn)產(chǎn)品相比較，主流進(jìn)口伺服系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性方面仍然占有很大優(yōu)勢(shì)。由于輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)振幅絕對(duì)值不大，若伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在中高速，波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)讓伺服電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，影響了伺服控制系統(tǒng)的低速運(yùn)行穩(wěn)定性能和定位精度。 　　　　編碼器通常用來做伺服驅(qū)動(dòng)的速度反饋，編碼器的選用是影響伺服系統(tǒng)性能好壞的一個(gè)非常重要的因素。與通用變頻器相比，伺服驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能等指標(biāo)一般都比較好，而且它可以連接編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，而通用變頻器則無法達(dá)到閉環(huán)控制要求。圖21 摩擦力矩與電動(dòng)機(jī)角速度關(guān)系圖 零件的耐磨性也影響伺服系統(tǒng)精度。閉環(huán)后位置輸出通道上傳動(dòng)裝置G4的間隙對(duì)伺服穩(wěn)定性無影響，但影響伺服精度。如圖23所示，ZJ17機(jī)組主電動(dòng)機(jī)1為一無級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī)，最大轉(zhuǎn)速為3040rpm,功率12kW。主傳動(dòng)箱將運(yùn)動(dòng)傳至副傳動(dòng)箱的傳動(dòng)軸57后，將運(yùn)動(dòng)分兩路傳出：一路通過同步帶輪（Z=17）經(jīng)同步帶將運(yùn)動(dòng)傳入供料成條機(jī)吸絲成形傳動(dòng)；另一路通過一對(duì)斜齒圓柱齒輪（Z9=35/Z10=35）將運(yùn)動(dòng)傳至軸58。機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在電控系統(tǒng)的控制下，伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓紙輥繞供紙輥往復(fù)擺動(dòng)，這樣無論在何種速度下，商標(biāo)相對(duì)于煙支切口的位置均可保持不變。圖2—4 差動(dòng)齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖主傳動(dòng)輸出軸53（見圖23）的傳動(dòng)路線為：主電動(dòng)機(jī) 軸51 軸52 輸出軸53。上式表明：若電動(dòng)機(jī)帶輪和從動(dòng)帶輪直徑之比I主（=D1/D2）一定時(shí)，改變主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或改變與煙支中煙體長度相關(guān)的變換齒輪齒數(shù)ZL，均能改變第一供紙輥轉(zhuǎn)速ne。這樣第一、第二供紙輥之間的卷煙紙受到的力逐步加大，補(bǔ)償輥在張力作用下慢慢地回到B28位置，然后電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，第一供紙輥速度與煙條速度又等速。當(dāng)卷煙紙傳送速度受卷煙紙材料、第一供紙輥與第二供紙輥傳動(dòng)零件加工精度和裝配精度等因素影響發(fā)生改變時(shí)，為了保持卷煙紙張力穩(wěn)定，差動(dòng)齒輪箱需做順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)第一供紙輥的轉(zhuǎn)速。而且，齒輪箱內(nèi)的潤滑油由于箱體旋轉(zhuǎn)頻繁被攪動(dòng)剪切，容易氧化變質(zhì)而降低潤滑效果，加劇內(nèi)部齒輪、軸承等零件的磨損，影響卷煙紙傳動(dòng)穩(wěn)定性。我企業(yè)也不例外，絕大部分產(chǎn)品已無需在ZJ17卷接機(jī)組上在線印刷商標(biāo)。而卷煙紙補(bǔ)償裝置是通過同步帶、齒輪副的配合來傳遞動(dòng)力的，傳動(dòng)零件的加工和裝配精度對(duì)補(bǔ)償精確性有很大影響。低速微型電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能，即讓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來并達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速后而正常運(yùn)行的過程，是由啟動(dòng)時(shí)間t和啟動(dòng)平滑性決定的。 針對(duì)供紙印刷系統(tǒng)存在問題進(jìn)行的技術(shù)改造由兩部分組成：一是對(duì)卷煙紙補(bǔ)償裝置進(jìn)行伺服控制改進(jìn)設(shè)計(jì)，二是對(duì)傳動(dòng)鏈進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。如圖26，在ZJ17卷接機(jī)組傳動(dòng)鏈方面，斷開差動(dòng)齒輪箱與主傳動(dòng)輸入端的連接，取消用于卷煙紙補(bǔ)償張力的差動(dòng)齒輪箱，用伺服電動(dòng)機(jī)6直接給第一供紙輥5提供動(dòng)力；卸下副傳動(dòng)齒輪箱2與第一印刷系統(tǒng)齒輪箱3之間的同步帶，第一印刷系統(tǒng)齒輪箱與第二印刷系統(tǒng)齒輪箱4之間的同步帶，第二印刷系統(tǒng)齒輪箱與差動(dòng)齒輪箱之間的同步帶，斷開兩個(gè)印刷系統(tǒng)的輸入動(dòng)力，以便在無需在線印刷商標(biāo)情況，印刷系統(tǒng)避免作無效運(yùn)動(dòng)。負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算由手冊(cè)查得ZJ17卷接機(jī)組盤紙張力F=3N，則負(fù)載轉(zhuǎn)矩Nm （31）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算測(cè)量第一供紙輥和傳動(dòng)軸尺寸如圖31所示，圖31 第一供紙輥和傳動(dòng)軸示意圖則當(dāng)負(fù)載繞其軸中心線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kgm2 （32） rpm,則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大為Nm （33）負(fù)載功率計(jì)算W (34)啟動(dòng)功率W (35)根據(jù)電動(dòng)機(jī)選型的原則：伺服電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩，伺服電動(dòng)機(jī)功率85%負(fù)載功率，伺服電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速負(fù)載轉(zhuǎn)速,加上ZJ17卷接機(jī)組需要伺服電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作速度為2240rpm左右，且要求轉(zhuǎn)速波動(dòng)和齒槽效應(yīng)對(duì)其影響較小，故綜合考慮后選擇LENZE公司生產(chǎn)的型號(hào)為SCSRS0B0的伺服電動(dòng)機(jī)。 最小化的制動(dòng)扭矩可保證非常平滑的運(yùn)行特征，達(dá)到優(yōu)異的控制響應(yīng)。因?yàn)榈诙┘堓伜椭鱾鲃?dòng)箱輸出軸(軸53)都滿足上述要求，且其輸入軸端外無其它零件遮擋，有利于編碼器安裝，所以作為編碼器的安裝備選點(diǎn)。它也滿足ZJ17機(jī)組在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠快，以縮短過程產(chǎn)品圓周波動(dòng)的控制需要。3C0560／2，C0560／6，C0560／10下位減速：在機(jī)器啟動(dòng)或新舊盤紙拼接時(shí)，補(bǔ)償輥若跳到下極限位置，通過這三個(gè)參數(shù)設(shè)定可使第一供紙輥減速以便讓補(bǔ)償輥加速離開下極限位置。7C0O70速度增益，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，范圍在0255。其參數(shù)如表34：表34 S7—200參數(shù)表輸入電壓(V)傳輸速率(kb/s)CPU響應(yīng)時(shí)間(μs)接口工作環(huán)境溫度（OC）DC24集成RS485水平：0～55垂直：0～45S7—200系列小型可編程邏輯控制器可應(yīng)用于各種小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)，具有高集成度設(shè)計(jì)、低廉成本的優(yōu)點(diǎn)。軸的材料一般使用碳素鋼、合金鋼、球墨鑄鐵。價(jià)格便宜不采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼 優(yōu)質(zhì)碳素鋼具有一定的機(jī)械性能，又有良好的工藝性能，經(jīng)調(diào)質(zhì)后綜合力學(xué)性能良好； 優(yōu)質(zhì)碳素鋼對(duì)應(yīng)力集中較不敏感； 常用的優(yōu)質(zhì)碳素鋼牌號(hào)有45和50鋼，隨著含碳量變高，強(qiáng)度、硬度愈高，但會(huì)變脆。 mm、內(nèi)徑16 mm的圓柱輥輪，結(jié)合其結(jié)構(gòu)取dmin=16mm。 根據(jù)傳動(dòng)軸上所安裝零件的軸向尺寸及需要的調(diào)整空間尺寸，初步確定各軸段的長度；最終確定各軸段長度時(shí)，還要考慮讓傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡量緊湊。圖41 傳動(dòng)軸零件圖傳動(dòng)軸的裝配示意圖如圖42所示。ANSYS公司于二十世紀(jì)七十年代成立，ANSYS 軟件現(xiàn)在已經(jīng)是融電磁學(xué)、聲學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、流體學(xué)為一體的軟件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、航空航天、石油化工、造船、醫(yī)學(xué)等行業(yè)，目前幾乎所有的CAE/CAD軟件均開發(fā)了與ANSYS的專用接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。如圖44，采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元solid185對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，共計(jì)50579個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分20540個(gè)單元。此外，傳動(dòng)軸的兩軸肩處也是應(yīng)力集中的地方。根據(jù)以上計(jì)算，平鍵連接滿足強(qiáng)度要求。變形量微小，不影響傳動(dòng)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足剛度要求。根據(jù)安裝位置條件和加工工藝等因素，最終選用同步帶驅(qū)動(dòng)形式?！? 編碼器傳動(dòng)既要保證精確的傳動(dòng)比，又必須經(jīng)久耐用，而且安裝位置不具備潤滑條件，所以選擇梯形齒同步帶。圖410 編碼器裝配圖編碼器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖如圖411和412所示：1—編碼器；2—支架。 ZJ17卷接機(jī)組卷煙紙補(bǔ)償伺服控制系統(tǒng)的調(diào)試主要包括控制流程圖的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的電氣接線、PLC程序灌裝、控制器程序灌裝與參數(shù)設(shè)定等。1—伺服電動(dòng)機(jī)旋變反饋插頭；2—編碼器插頭；3—熔斷器；4—LENZE濾波器； 圖52 伺服控制器電控柜 圖53 伺服系統(tǒng)電氣接線伺服系統(tǒng)電氣接線如圖53。在下載過程中可能遇到下載故障，具體故障查看S7200系統(tǒng)手冊(cè)。(4)，這時(shí)說明剎車已經(jīng)非常的送，這時(shí)需要機(jī)械上的調(diào)整(5)，這時(shí)說明剎車已經(jīng)非常的緊，這時(shí)需要機(jī)械上的調(diào)整打開LENZE GDC安裝軟件：雙擊圖標(biāo)打開GDC軟件；如果知道程序路徑直接雙擊程序，同樣也能打開GDC軟件。電動(dòng)機(jī)參數(shù)輸入：在使用LENZE電動(dòng)機(jī)情況下，其參數(shù)設(shè)定方法為：在如圖55系統(tǒng)參數(shù)界面的C0086下選擇伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)，控制器將自動(dòng)設(shè)定伺服電動(dòng)機(jī)的其它數(shù)據(jù)。（2）自1起逐步增加C0O70,直到伺服電動(dòng)機(jī)有明顯噪音（系統(tǒng)不穩(wěn)定）。（2）增加C0O71,直到伺服電動(dòng)機(jī)無明顯噪音（系統(tǒng)重新穩(wěn)定）。動(dòng)態(tài)特性：可以通過縮短采樣周期和提高控制器的比例增益提高伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。、速度環(huán)和位置環(huán)的優(yōu)化如圖56，伺服系統(tǒng)通常由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)組成，3個(gè)閉環(huán)由內(nèi)到外互相包容的。需要提醒：電流環(huán)特性不是越硬越好，因?yàn)樵谒俣瓤刂破鬏敵龅募眲≌{(diào)整狀況下，過硬的電流環(huán)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。由于伺服系統(tǒng)位置環(huán)采用比例控制，因此它的主要優(yōu)化參數(shù)是位置環(huán)的比例增益K。表52 速度跟蹤點(diǎn)選擇速度跟蹤點(diǎn)位置優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況結(jié)論第二供紙輥 速比接近于1，第一供紙輥和第二供紙輥同步性好，這樣能最大限度地減少誤差，使檢測(cè)到的速度值穩(wěn)定、準(zhǔn)確，也使調(diào)整更加的直觀、方便；改變煙支長度時(shí)不需要對(duì)伺服控制器設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。由于生產(chǎn)能力趨于飽和，ZJ17卷接機(jī)組煙支長度改變頻率較高。不采用如表52所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)情況，最終確定速度跟蹤點(diǎn)設(shè)在第二供紙輥傳動(dòng)軸。，如果發(fā)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)，補(bǔ)償輥長時(shí)間處于下限運(yùn)行，這時(shí)可將C0560/2絕對(duì)值調(diào)大；補(bǔ)償輥長時(shí)間處于上限運(yùn)行，這時(shí)將C0560/1絕對(duì)值調(diào)大。，如果發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償輥在B28偏上方處擺動(dòng)，這時(shí)將C0560/4絕對(duì)值調(diào)小；如果發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償輥在B28偏下方處擺動(dòng)，這時(shí)將C0560/4絕對(duì)值調(diào)大。，這個(gè)參數(shù)調(diào)的越大則反應(yīng)時(shí)間越長，穩(wěn)定性就越好，但相應(yīng)比較慢。具體的研究結(jié)論如下：ZJ17卷接機(jī)組供紙印刷系統(tǒng)改造前，第一供紙輥原來采用齒輪傳動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)中存在振動(dòng)、沖擊和噪聲，會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)載荷，運(yùn)動(dòng)副之間存在摩擦