【正文】 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 ............................................. 44 致 謝 .............................................. 46 基于伺服控制技術(shù)的 ZJ17 卷接機組供紙印刷系統(tǒng)技術(shù)改造 1 第一章 緒 論 選題的背景和意義 ZJ17 機組 是引進德國虹霓（ HAUNI）公司設(shè)計制造的世界著名卷接機組PROTOS70 技術(shù)后，由 常德 煙 草機械有限責(zé)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(shè)備，具有 20 世紀(jì) 90 年代初期國際先進水平[1]。 現(xiàn)有的 ZJ17 機組改進設(shè)計包括完善結(jié)構(gòu)設(shè)計、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。 補償輥 在 上接近開關(guān) B29 位置 時 ， 對應(yīng) 卷煙紙 張力 偏小 ，差動 電動機 帶動差動 齒輪箱 沿 卷煙紙 運行相反方 向 轉(zhuǎn) 動， 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B28 B27 B29 2 3 5 4 1 6 基于伺服控制技術(shù)的 ZJ17 卷接機組供紙印刷系統(tǒng)技術(shù)改造 3 印刷系統(tǒng) 的 機械結(jié)構(gòu) 大大 簡化了 ， 維護簡便，運行噪聲低。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)點日益凸顯，在許多行業(yè)得到廣泛采用 [4]。 20xx 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 焦點鎖定跟蹤系統(tǒng) [8]。不久， MOLIN 公司制成 MK8 卷接機組，即第一代被卷煙廠廣泛使用的吸絲成型卷接機組 。電控系統(tǒng)方面， 兩種機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，引進同期國際先進的煙機，開發(fā)出了 ZJ17 等型號的卷接機組。 20xx 年河南科技大學(xué)楊欣在碩士論文中 指出 ： ZJ15 卷接機組存在著傳動鏈過長 ， 傳動齒輪箱體容易漏油等嚴(yán)重影響運行穩(wěn)定性、精度和煙支質(zhì)量的缺點 ，提出了以交流伺服系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的以一 個動力源通過齒輪傳動或同步帶才能取得固定傳動比的全新的卷接機組運動控制方式 [16]。 20xx 年 湖南 中煙 工業(yè)有限責(zé)任 公司 長沙卷煙廠 在 小普托卷接機采用伺服放 基于伺服控制技術(shù)的 ZJ17 卷接機組供紙印刷系統(tǒng)技術(shù)改造 5 大器、伺服 電動機 以及圖形操作終端 ， 實現(xiàn)了對煙支長度的控制 [20]。 20xx 年 江西中煙 工業(yè) 有限責(zé)任 公司 與四川大學(xué) 為了提高卷接機組交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ， 提出了 一種基于卷接機組運行狀態(tài)的軟件設(shè)計方法 ， 根據(jù)機組運動功能要求和交流伺服系統(tǒng)的特點 ， 確定了卷接機組的各種運動狀態(tài)及其關(guān)系 [24]。 許昌煙機 還 介紹 了 伺服控制系統(tǒng)在煙機中的運用 情況 ，以及伺服系統(tǒng)的配置與工作原理 [28]。 許昌煙草機械有限責(zé)任公司 總結(jié)了 PLC、伺服 電動機 及驅(qū)動器在 煙機 存儲輸送裝置 YF17中的運用 ， 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)偏差的對策 、 措福州大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 6 施 [36]。 本文 研究內(nèi)容 本課題擬 通過改造，取 消原機的機械差動機構(gòu) ，并改進傳動鏈 ，換用伺服 電動機 ，加裝軸編碼器獲取主機速度，將原機的 B2 B2 B29 三個接近開關(guān)的信號輸送給伺服控制器，由控制器驅(qū)動 電動機 轉(zhuǎn)速快慢來實現(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 電動機 轉(zhuǎn)動慣量 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。 可控性好是指控制信號消失后，系統(tǒng)應(yīng)立即停止運轉(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、 動態(tài)響應(yīng)和運行穩(wěn)定性 等 。調(diào)速范圍是指伺服 電動機 最低平穩(wěn)轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速的比值。 轉(zhuǎn)矩波動 是通過 轉(zhuǎn)矩波動系數(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 對其和 的 比 值。與國產(chǎn)產(chǎn)品相比較，主流進口伺服系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性方面仍然占有很大優(yōu)勢。由于 輸出 轉(zhuǎn)矩 波動 振幅絕對值不大 ， 若伺服 電動機 運行在 中高速 ，波 動對系統(tǒng)的影響可以忽略不計 。 齒槽轉(zhuǎn)矩會讓伺服電動機產(chǎn)生噪聲和轉(zhuǎn)矩波動， 影響了 伺服 控制系統(tǒng)的低速運行穩(wěn)定 性能 和 定位 精 度。 編碼器通常用來做伺服驅(qū)動的速度反饋 ， 編碼器的選用是影響 伺服系統(tǒng) 性能好壞的一個非常重要的因素。 與 通用變頻器 相比， 伺服 驅(qū)動器 的穩(wěn)態(tài)精度和動態(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 則無法達到閉環(huán)控制要求 。 基于伺服控制技術(shù)的 ZJ17 卷接機組供紙印刷系統(tǒng)技術(shù)改造 11 圖 21 摩擦力矩與 電動機 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)前數(shù)據(jù)輸入通道上傳動裝置 G1 的間隙對伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性無影響，但影響伺服精度。 彈性變形 的 固有 頻率是 系統(tǒng)的阻尼、慣量等結(jié)構(gòu)因素 的函數(shù) 。 1— 主 電動機； 2— 第二供紙輥 ； 3— 副傳動箱 ； 4第 二 印刷裝置 ； 5 第 一 印刷裝置 ； 6差動齒輪箱； 7— 第一供紙輥； 8— 布帶輪 ； 圖 23 ZJ17 傳動 示意圖 主傳動輸出軸 53 將運動分三路傳出：一路通過同步帶輪（ Z=34）將運動傳給對接傳動箱；一路通過同步帶輪（ Z=36）經(jīng)同步帶帶動同步帶輪（ Z=18） ，將運動傳至軸 56；另一路通過一組斜齒圓柱齒輪（ Z=ZL/ Z5=34/ Z6=50）將運動傳至軸 54。 ZJ17 機組的 供紙印刷傳動系統(tǒng)主要由 副傳動齒輪箱 第二供紙輥 印 基于伺服控制技術(shù)的 ZJ17 卷接機組供紙印刷系統(tǒng)技術(shù)改造 13 刷裝置 4 和 差動齒輪箱 6組成。同步帶 C 驅(qū)動差動齒輪箱 （見圖 24） 內(nèi)與帶輪做成一體的齒輪 9(Z=24)，再通過齒輪 9(Z=24)傳動齒輪 5(Z=20)，將運動傳至軸 10，軸 10 通 過一對齒輪 (Z=22／ Z=22)將運動傳至軸 11，軸 11 帶動第一供紙輥運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了第一供紙輥傳動。而 ZJ17 卷接機組正常運行時， n 主 =，則 此時可計算 主傳動輸出軸 53的 轉(zhuǎn)速 n 為 ： 12 2 6 9 2 . 33 4 3 8 2 0 8 3 4 3 86 8 7 6 1 6 0 6 8758 7 6 rpDn mn D? ? ? ? ? ? ? ??主 rpm （ 21） 福州大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 14 式中 n 主 —— 主電動機轉(zhuǎn)速， rpm； D D2—— 電動機 帶輪和從動帶輪直徑； 第一供紙輥傳動 計算 第一供紙輥 的傳動路線為： 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 9 1 3111 0 1 22 0 1 35 7 5 8 5 9 6 0 6 12 8 1 3LZZ ZZZZ Z Z Z Z?? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???軸 軸 軸 軸 軸 1 5 1 7 1 91 4 1 6 1 8 2 0216 1 6 2 6 3 718L Z Z ZZ ZZ Z Z Z Z? ? ? ? ? ??? ???? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????? ? ? ? ? ? ?軸 軸 軸（第一供紙輥） 。 第 二 供紙輥 的 轉(zhuǎn)速 方程式 為 ： 123 4 3 8 3 4 3 4 3 5 2 06 8 7 6 3 4 5 0 1 7 3 5 2 0lL ZDnn D? ? ? ? ? ? ? ? ?主 （ 25） 當(dāng)生產(chǎn)煙 體長度為 64mm的煙支時， 變換齒輪齒數(shù) ZL=64,則 2 0 8 3 4 3 8 6 4 2 6 9 2 . 3 2 2 4 03 4 3 4 3 5 2 01 6 0 6 8 7 6 3 4 5 0 1 7 3 5 2 8Ln ? ? ? ? ? ????? rpm （ 26） 第二供紙輥圓周速度 VL（測量得 DL=)為： 224 7 . 4 6 60 6 3 . 6 66 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0LLL nDV ? ?? ??????m/s （ 27） 機組 供紙印刷系統(tǒng) 存在的問題 供紙印刷系統(tǒng)主要存在的問題為差動齒輪箱容易發(fā)生故障，卷煙紙補償裝置能力存在缺陷。 福州大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 16 差動齒輪箱采取油裕潤滑方式，采用的潤滑油是殼牌 150 號中負(fù)荷工業(yè)齒輪油， 具有 卓越的潤滑性能 ， 優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和防老化性，杰出的防銹和防腐蝕性 ，能 延長 傳動零件的 使用壽命 ， 提高系統(tǒng)效率等顯著優(yōu) 點 。 由于 差動齒輪箱 箱體經(jīng)常處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，故沒 設(shè)計 油氣 排 泄 口 。 印刷 裝置運行分析 在每班花費 10 分鐘左右對印刷裝置與油墨接觸的零件進行清洗、保養(yǎng)的情況下， ZJ17 卷接機組在線印刷商標(biāo)出現(xiàn)模糊、錯位、偏移等質(zhì)量問題占煙支外觀不合格的比例仍在 75%以上。而且據(jù)統(tǒng)計，印刷裝置故障處理時間可占 ZJ17 卷接機組所有故障處理時間的 10%以上，這意味著維修時間、維修費用上的很大浪費。 補償?shù)姆€(wěn)定性 因為 ZJ17 卷接機組 機座后身安裝位置有限，所以卷煙紙補償裝置的 差動 電動機 選用 低速微型 電動機 。 圖 2— 5 差動 電動機 轉(zhuǎn)速線圖 補償?shù)木窒扌? ZJ17 卷接機組生產(chǎn)時， 卷煙紙 出現(xiàn)過緊或過松現(xiàn)象 ， 即卷煙紙 張力增大還或 減小， 卷煙紙張力 補償裝置 只能使第一供紙輥速度比第二供紙輥 速度快或慢3rpm，即 補償 速度 有局限性 ，無法根據(jù)運行情況 快速使張力恢復(fù)正常。 其主要控制原理如圖 25 所示 : 圖 25 卷煙紙補償 伺服控制原理圖 卷煙紙補償?shù)?伺服控制系統(tǒng) ，在硬件上主要由 編碼器、伺服控制器、伺服 電機 和 PLC 控制器組成， 由伺服控制器采樣旋轉(zhuǎn)編碼器信號來跟蹤機器速度，保證第一供紙輥、 第二供紙輥、煙絲條保持同步。 福州大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 20 第三章 卷煙紙補償?shù)?伺服控制系統(tǒng)硬件 設(shè)計 完成了 ZJ17 卷機組 卷煙紙補償 伺服控制系統(tǒng) 設(shè)計方案后，還需對伺服系統(tǒng)的部件進行選型設(shè)計， 以充分發(fā)揮伺服系統(tǒng)的性能，滿足技術(shù)改造的需要。 其中 所選 系列 交流無刷 伺服 電動機 ，轉(zhuǎn)子 采用永磁 體代替電勵磁， 扭矩 選擇 范圍 在 ～ 64 Nm， 輸出 功率 在 ～ 10kW之間 ， 輸出 轉(zhuǎn)速 選擇范圍為 3000～ 4000rpm， 封裝 防塵為 5 級 ， 防水等級為 4級。 該 電動機 結(jié)構(gòu)如 圖 32: 福州大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 22 圖 32 電動機 示意圖 軸 編碼器選型 構(gòu)建 ZJ17卷接機組 卷煙紙補償 伺服控制系統(tǒng)，需要 用 旋轉(zhuǎn) 編碼器 精確測定 設(shè)備 主 電動機 的運轉(zhuǎn)速度，將 測量 信號 反饋 給 伺服 電動機 ， 實現(xiàn) 第一供紙輥 的 轉(zhuǎn)速控制 ，保證供紙精確 。綜合考慮系統(tǒng)精度、工作環(huán)境和成本要求， 選擇 長春一光禹衡 品牌 ，型號為 的