【文章內(nèi)容簡介】 值大于50%，則正弦速度指令能達(dá)到最大頻率即為最高響應(yīng)頻率。主流進(jìn)口伺服電動機的最高響應(yīng)頻率可達(dá)到900Hz以上，而國產(chǎn)伺服電動機則一般在200～500Hz之間。運行穩(wěn)定性，是指伺服系統(tǒng)在電壓波動、負(fù)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。與國產(chǎn)產(chǎn)品相比較，主流進(jìn)口伺服系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性方面仍然占有很大優(yōu)勢。 對伺服控制系統(tǒng)的主要部件的影響因素進(jìn)行全面的分析，才能在系統(tǒng)設(shè)計過程中采取措施予以克服。 伺服電動機對伺服系統(tǒng)性能的主要影響是轉(zhuǎn)矩波動和齒槽效應(yīng)。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。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。而伺服電動機工作在低速時，由于定子繞組上的控制信號很小，輸出轉(zhuǎn)矩波動所產(chǎn)生的擾動信號大小可能接近或超過控制信號，這時伺服系統(tǒng)輸出將會產(chǎn)生波動，破壞伺服系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性。當(dāng)永磁伺服電動機旋轉(zhuǎn)時，定子鐵心的齒槽交替經(jīng)過轉(zhuǎn)子磁場，變化的磁阻會產(chǎn)生一個作用于電動機軸的周期性力矩，這就是齒槽力矩。伺服電動機轉(zhuǎn)子和齒槽的結(jié)構(gòu)、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(guān)。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。 編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置，前者常被稱為碼盤，后者被稱碼尺。按照讀出方式，編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種：接觸式編碼器采用電刷輸出，以電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”；非接觸式編碼器的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”。 　　 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??；絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng)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(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。 　　　　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。特別是位置的分辨率及一個信號周期內(nèi)的位置誤差對編碼器性能影響非常明顯。選用哪種編碼器技術(shù)完全取決于相關(guān)應(yīng)用的精度要求。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(shè)定目標(biāo)參數(shù)來實現(xiàn)輸出力矩、速度、位置的精確控制。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(dá)到閉環(huán)控制要求。 機械傳動對伺服系統(tǒng)性能的影響主要是摩擦磨損、傳動間隙。伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件與受控對象之間不可避免存在著摩擦，當(dāng)系統(tǒng)處于中高速狀態(tài)時，執(zhí)行元件的摩擦力矩大致保持恒定，而系統(tǒng)在低速狀態(tài)時，摩擦力矩則與伺服電動機角速度形成函數(shù)關(guān)系（如圖21所示）。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。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。提高耐磨性應(yīng)從設(shè)計、工藝、材料、熱處理、使用等各方面綜合考慮。從設(shè)計的角度提高耐磨性的基本思路是：盡量爭取無磨損，在磨損無法避免時盡量爭取少磨損、均勻磨損、以及磨損后能夠補償，以便提高使用期限。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。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。閉環(huán)內(nèi)反饋數(shù)據(jù)通道中傳動裝置G3的間隙，既影響伺服穩(wěn)定性，又影響伺服精度。閉環(huán)后位置輸出通道上傳動裝置G4的間隙對伺服穩(wěn)定性無影響，但影響伺服精度。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(fù)載工作時，都將產(chǎn)生一定的彈性變形。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)。機械部分的固有頻率對伺服控制系統(tǒng)的性能有一定影響：如果伺服控制系統(tǒng)的精度要求不高，因為系統(tǒng)的頻帶寬度相對較低，所以只需把機械傳動部分的剛度設(shè)計得比較大，機械部分的固有頻率引起的結(jié)構(gòu)諧振問題影響就比較?。粚τ诰?、動態(tài)響應(yīng)要求較高的控制系統(tǒng)，因為需要提高系統(tǒng)的頻帶寬度，所以會使機械部分的固有頻率接近乃至達(dá)到系統(tǒng)的帶寬，導(dǎo)致產(chǎn)生自激振蕩而無法工作。如圖23所示，ZJ17機組主電動機1為一無級調(diào)速電動機，最大轉(zhuǎn)速為3040rpm,功率12kW。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。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。軸54再將運動分兩路傳出：一路通過同步帶輪（Z=34）經(jīng)同步帶帶動同步帶輪（Z=17），將運動傳至軸56進(jìn)入副傳動箱3；另一路通過一對斜齒圓柱齒輪（Z7=29/ Z8=41）將運動傳至軸55，帶動布帶盤8。主傳動箱將運動傳至副傳動箱的傳動軸57后，將運動分兩路傳出：一路通過同步帶輪（Z=17）經(jīng)同步帶將運動傳入供料成條機吸絲成形傳動；另一路通過一對斜齒圓柱齒輪（Z9=35/Z10=35）將運動傳至軸58。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。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刷裝置4和差動齒輪箱6組成。第二供紙輥的作用除了對卷煙紙進(jìn)行牽引外，還用來調(diào)整印刷后的商標(biāo)相對于煙支切口的位置，以補償在機器起動及停止的過渡過程中造成的商標(biāo)相對于切口位置的飄移。機器運轉(zhuǎn)時，在電控系統(tǒng)的控制下，伺服電動機帶動壓紙輥繞供紙輥往復(fù)擺動，這樣無論在何種速度下，商標(biāo)相對于煙支切口的位置均可保持不變。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。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。1—差動圓柱齒輪（Z=79）；2—同步帶輪；3—直齒圓柱齒輪（Z=79）；4—差動電動機；5—斜齒圓柱齒輪（Z=20）；6—斜齒圓柱齒輪（Z=22）；7—第一供紙輥軸； 8—斜齒圓柱齒輪（Z=22）；9—斜齒圓柱齒輪（Z=24）；10—箱體；11—第一供紙輥；12—軸承座。圖2—4 差動齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖主傳動輸出軸53（見圖23）的傳動路線為：主電動機 軸51 軸52 輸出軸53。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 。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：rpm （21）式中 n主——主電動機轉(zhuǎn)速，rpm；DD2——電動機帶輪和從動帶輪直徑；第一供紙輥的傳動路線為： （第一供紙輥）。第一供紙輥的轉(zhuǎn)速方程式為： （22）式中 ZL——與煙支中煙體長度相關(guān)的變換齒輪齒數(shù)。上式表明：若電動機帶輪和從動帶輪直徑之比I主（=D1/D2）一定時，改變主電動機轉(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。當(dāng)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： =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：m/s （24）第二供紙輥的傳動路線為：（第二供紙輥）。第二供紙輥的轉(zhuǎn)速方程式為： （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rpm （26）第二供紙輥圓周速度VL（測量得DL=)為：m/s （27） 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。供紙印刷系統(tǒng)的卷煙紙補償裝置起作用時，差動齒輪箱的工作過程如下：當(dāng)補償輥位于接近開關(guān)B29前面時，表示卷煙紙張力減小，即第一供紙輥速度高于煙條速度，則接近開關(guān)B29發(fā)出信號給控制單元A19，啟動差動直流電動機通過直齒圓柱齒輪（Z=37），使與差動齒輪箱一體的差動圓柱齒輪（Z=79）逆時針方向旋轉(zhuǎn)，第一供紙輥轉(zhuǎn)速降低3rpm，讓第二供紙輥速度比第一供紙輥轉(zhuǎn)速快3rpm。這樣第一、第二供紙輥之間的卷煙紙受到的力逐步加大，補償輥在張力作用下慢慢地回到B28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。當(dāng)補償輥位于接近開關(guān)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。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。齒輪箱前后各使用一個骨架油封密封，將內(nèi)部需要潤滑的零件與傳動零件隔離，防止?jié)櫥托孤．?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零件加工精度和裝配精度等因素影響發(fā)生改變時，為了保持卷煙紙張力穩(wěn)定，差動齒輪箱需做順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)第一供紙輥的轉(zhuǎn)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。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。而這也影響潤滑油產(chǎn)生油氣的排出，造成設(shè)備工作一段時間后，齒輪箱容易因骨架油封失效而發(fā)生泄漏。而且，齒輪箱內(nèi)的潤滑油由于箱體旋轉(zhuǎn)頻繁被攪動剪切，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，影響卷煙紙傳動穩(wěn)定性。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(hù)周期（一年）。前骨架油封在每班花費10分鐘左右對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。因此，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量水平，降低操作工人勞動強度，二十一世紀(jì)后取消卷制環(huán)節(jié)在線印刷，而預(yù)先在接裝紙上印刷商標(biāo)已成為煙草行業(yè)制造企業(yè)的主流。我企業(yè)也不例外，絕大部分產(chǎn)品已無需在ZJ17卷接機組上在線印刷商標(biāo)。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。ZJ17機組運行過程中，當(dāng)卷煙紙張力會出現(xiàn)變化，由于原機結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，卷煙紙補償裝置在補償?shù)木_性、平穩(wěn)性、補償能力方面存在不足：卷煙生產(chǎn)工藝要求：為了保證煙支外觀質(zhì)量和圓周的穩(wěn)定，卷煙紙必須在供紙輥引導(dǎo)和卷煙紙補償裝置的控制下，與煙絲條速度保持同步。而卷煙紙補償裝置是通過同步帶、齒輪副的配合來傳遞動力的，傳動零件的加工和裝配精度對補償精確性有很大影響。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。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。這種低速微型電動機的體積小、重量輕，可以直接輸出較低的轉(zhuǎn)速，無需再使用減速機，同時可以輸出大轉(zhuǎn)矩。低速微型電動機電動機的啟動性能，即讓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來并達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速后而正常運行的過程，是由啟動時間t和啟動平滑性決定的。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。圖2—5 差動電動機轉(zhuǎn)速線圖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。如果補償作用需較長時間才能達(dá)到運行要求，即補償輥較長時間處于B27或B29工作位置時，卷煙紙可能出現(xiàn)松弛造成商標(biāo)或斷裂造成跑條停機。 針對供紙印刷系統(tǒng)存在問題進(jìn)行的技術(shù)改造由兩部分組成：一是對卷煙紙補償裝置進(jìn)行伺服控制改進(jìn)設(shè)計，二是對傳動鏈進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。新設(shè)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(guān)B2B28和B2