【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(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(xiàn)，是國(guó)內(nèi)卷煙廠(chǎng) 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]。 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。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(kāi)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。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]。 20xx 年 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與 技術(shù)研究所 開(kāi)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(chǎng)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(guó)通過(guò)“技貿(mào)結(jié)合”方式，引進(jìn)同期國(guó)際先進(jìn)的煙機(jī)，開(kāi)發(fā)出了 ZJ17 等型號(hào)的卷接機(jī)組。 20xx 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(guò)長(zhǎng) ， 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(guò)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]。 20xx 年 湖南 中煙 工業(yè)有限責(zé)任 公司 長(zhǎng)沙卷煙廠(chǎng) 在 小普托卷接機(jī)采用伺服放 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 5 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(zhǎng)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(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(chǎng) 提出了利用伺服控制技術(shù) ， 降低標(biāo)準(zhǔn)偏差的對(duì)策 、 措福州大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 6 施 [36]。 本文 研究?jī)?nèi)容 本課題擬 通過(guò)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 B2 B2 B29 三個(gè)接近開(kāi)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(lái)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(guò)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(guó)內(nèi)， 70 年代我國(guó)開(kāi)始跟蹤并開(kāi)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(guó)產(chǎn)伺服品牌（廠(chǎng)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(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(guò) 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù) 來(lái)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(guó)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(lái)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(wú)法達(dá)到閉環(huán)控制要求 。 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 11 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)前數(shù)據(jù)輸入通道上傳動(dòng)裝置 G1 的間隙對(duì)伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性無(wú)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(dòng)機(jī)； 2— 第二供紙輥 ； 3— 副傳動(dòng)箱 ； 4第 二 印刷裝置 ； 5 第 一 印刷裝置 ； 6差動(dòng)齒輪箱； 7— 第一供紙輥； 8— 布帶輪 ； 圖 23 ZJ17 傳動(dòng) 示意圖 主傳動(dòng)輸出軸 53 將運(yùn)動(dòng)分三路傳出：一路通過(guò)同步帶輪（ Z=34）將運(yùn)動(dòng)傳給對(duì)接傳動(dòng)箱；一路通過(guò)同步帶輪（ Z=36）經(jīng)同步帶帶動(dòng)同步帶輪（ Z=18） ，將運(yùn)動(dòng)傳至軸 56；另一路通過(guò)一組斜齒圓柱齒輪（ Z=ZL/ Z5=34/ Z6=50）將運(yùn)動(dòng)傳至軸 54。 ZJ17 機(jī)組的 供紙印刷傳動(dòng)系統(tǒng)主要由 副傳動(dòng)齒輪箱 第二供紙輥 印 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 13 刷裝置 4 和 差動(dòng)齒輪箱 6組成。同步帶 C 驅(qū)動(dòng)差動(dòng)齒輪箱 （見(jiàn)圖 24） 內(nèi)與帶輪做成一體的齒輪 9(Z=24)，再通過(guò)齒輪 9(Z=24)傳動(dòng)齒輪 5(Z=20)，將運(yùn)動(dòng)傳至軸 10，軸 10 通 過(guò)一對(duì)齒輪 (Z=22／ Z=22)將運(yùn)動(dòng)傳至軸 11，軸 11 帶動(dòng)第一供紙輥運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了第一供紙輥傳動(dòng)。而 ZJ17 卷接機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)， n 主 =，則 此時(shí)可計(jì)算 主傳動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速， rpm； D D2—— 電動(dòng)機(jī) 帶輪和從動(dòng)帶輪直徑； 第一供紙輥傳動(dòng) 計(jì)算 第一供紙輥 的傳動(dòng)路線(xiàn)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(jī) 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(zhǎng)度為 64mm的煙支時(shí)， 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(cè)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(jī)組 供紙印刷系統(tǒng) 存在的問(wèn)題 供紙印刷系統(tǒng)主要存在的問(wèn)題為差動(dòng)齒輪箱容易發(fā)生故障，卷煙紙補(bǔ)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(dòng)齒輪箱采取油裕潤(rùn)滑方式，采用的潤(rùn)滑油是殼牌 150 號(hào)中負(fù)荷工業(yè)齒輪油， 具有 卓越的潤(rùn)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(zhǎng) 傳動(dòng)零件的 使用壽命 ， 提高系統(tǒng)效率等顯著優(yōu) 點(diǎn) 。 由于 差動(dòng)齒輪箱 箱體經(jīng)常處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，故沒(méi) 設(shè)計(jì) 油氣 排 泄 口 。 印刷 裝置運(yùn)行分析 在每班花費(fèi) 10 分鐘左右對(duì)印刷裝置與油墨接觸的零件進(jìn)行清洗、保養(yǎng)的情況下， ZJ17 卷接機(jī)組在線(xiàn)印刷商標(biāo)出現(xiàn)模糊、錯(cuò)位、偏移等質(zhì)量問(wèn)題占煙支外觀不合格的比例仍在 75%以上。而且據(jù)統(tǒng)計(jì)，印刷裝置故障處理時(shí)間可占 ZJ17 卷接機(jī)組所有故障處理時(shí)間的 10%以上，這意味著維修時(shí)間、維修費(fèi)用上的很大浪費(fèi)。 補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性 因?yàn)?ZJ17 卷接機(jī)組 機(jī)座后身安裝位置有限，所以卷煙紙補(bǔ)償裝置的 差動(dòng) 電動(dòng)機(jī) 選用 低速微型 電動(dòng)機(jī) 。 圖 2— 5 差動(dòng) 電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速線(xiàn)圖 補(bǔ)償?shù)木窒扌? ZJ17 卷接機(jī)組生產(chǎn)時(shí)， 卷煙紙 出現(xiàn)過(guò)緊或過(guò)松現(xiàn)象 ， 即卷煙紙 張力增大還或 減小， 卷煙紙張力 補(bǔ)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(bǔ)償 速度 有局限性 ，無(wú)法根據(jù)運(yùn)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(bǔ)償 伺服控制原理圖 卷煙紙補(bǔ)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(jī) 和 PLC 控制器組成， 由伺服控制器采樣旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)來(lái)跟蹤機(jī)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(bǔ)償?shù)?伺服控制系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì) 完成了 ZJ17 卷機(jī)組 卷煙紙補(bǔ)償 伺服控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)方案后，還需對(duì)伺服系統(tǒng)的部件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)， 以充分發(fā)揮伺服系統(tǒng)的性能，滿(mǎn)足技術(shù)改造的需要。 其中 所選 系列 交流無(wú)刷 伺服 電動(dòng)機(jī) ，轉(zhuǎn)子 采用永磁 體代替電勵(lì)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(jí) ， 防水等級(jí)為 4級(jí)。 該 電動(dòng)機(jī) 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(dòng)機(jī) 示意圖 軸 編碼器選型 構(gòu)建 ZJ17卷接機(jī)組 卷煙紙補(bǔ)償 伺服控制系統(tǒng)，需要 用 旋轉(zhuǎn) 編碼器 精確測(cè)定 設(shè)備 主 電動(dòng)機(jī) 的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，將 測(cè)量 信號(hào) 反饋 給 伺服 電動(dòng)機(jī) ， 實(shí)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(zhǎng)春一光禹衡 品牌 ，型號(hào)為 的