【文章內容簡介】 煙草機械有限責任公司 利用交流伺服系統(tǒng)對 ZJ15 卷接機組進行了技術改進 ， 改進后原設備傳動結構大大簡化 [12]。 主要改進是 采用交流伺服系統(tǒng)獨立驅動粗、細鉤子輥， 解決 ZJ15 機組 二次定量供絲存在煙絲供給不均勻的問題 [13]。 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)的基本結構、伺服 電動機 的工作特性及其性能 進行總結 [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]。 20xx 年河南科技大學楊欣在碩士論文中 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重影響運行穩(wěn)定性、精度和煙支質量的缺點 ，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 湖北 中煙 工業(yè)有限責任 公司 武漢卷煙廠針對 PROTOS70 卷煙機的工作特點 ， 采用交流伺服系統(tǒng)替代原直流調速主驅動系統(tǒng) ， 同時改用電氣制動取代原機組的氣囊剎車系統(tǒng) [17]。 常德煙草機械有限責任公司 則利用 流化床技術改進供絲系統(tǒng)，煙絲由機械傳送改為氣流輸送，減少了煙絲與機械零件的接觸，從而降低了煙絲碎絲率 [18]。 同年， 許昌煙草機械有限責任公司 對 PASSIM 卷煙機獨立驅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 調節(jié)器 ， 對控制電路作相應的調整 ， 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象[19]。 20xx 年 湖南 中煙 工業(yè)有限責任 公司 長沙卷煙廠 在 小普托卷接機采用伺服放 基于伺服控制技術的 ZJ17 卷接機組供紙印刷系統(tǒng)技術改造 5 大器、伺服 電動機 以及圖形操作終端 ， 實現了對煙支長度的控制 [20]。 同年， 許昌煙草機械有限責任公司 在卷煙機中采用交流伺服驅動代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳動方式 ， 采用速度環(huán)和位置環(huán)嵌套的閉環(huán)控制技術進行實時跟蹤 ， 以減小傳動誤差、減小噪音 ，增強機組的控制精度與穩(wěn)定性 ， 簡化機電系統(tǒng)的維護與修理 [21]。 20xx 年 營口卷煙廠用伺服系統(tǒng)改造帕西姆卷接機組 卷煙 紙更換系統(tǒng)中的 離合器 ， 取得了良好效果 [22]。 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)的構成及實現進行了論述 [23]。 20xx 年 江西中煙 工業(yè) 有限責任 公司 與四川大學 為了提高卷接機組交流伺服驅動系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ， 提出了 一種基于卷接機組運行狀態(tài)的軟件設計方法 ， 根據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)及其關系 [24]。 20xx 年 常德煙草機械有限責任公司 引入色標負反饋環(huán)節(jié)對鋼印的位置進行實時動態(tài)檢測 ， 以構成鋼印閉環(huán) 伺服 控制 ， 防止 煙支鋼印跑偏 [25]。 常德煙機 還在PASSIM12K 卷接機組改造中，采用了電子同步方式，解決了機械傳動中的抖動，保證了煙支交接的穩(wěn)定性 [26]。 同年， 許昌煙草機械有限責任公司 在 總結了 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)的調整 等內容 [27]。 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]。 20xx年 川渝 中煙 工業(yè) 有限責任 公司 涪陵卷煙廠 對 PASSIM卷接機組 換紙驅動進行改造， 采用交流 伺服 系統(tǒng) 驅動 卷煙紙 ， 與主機同步速度快 ，以保持 卷煙 紙產生的 張力 均勻 ， 實 現 在高速運行時 自動 拼接 [29]。 陜西中煙工業(yè)有限責任公司 寶雞卷煙廠用交流伺服 控制技術對 PASSIM卷煙機后身供絲系統(tǒng)進行了技術改進 ， 改造后設備運行穩(wěn)定 ， 減少了煙支空頭 [30]。 陜西中煙工業(yè)有限責任公司 總結了 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]。 許昌煙草機械有限責任公司 總結了 PLC、伺服 電動機 及驅動器在 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]。 20xx 年 中國 電子科技集團介紹了 PASSIM卷接機組 卷煙 紙拼接控制系統(tǒng)的電氣改造 ， 采用獨立的交流伺服系統(tǒng)替代磁粉離合器裝置 [33]。 河南 中煙 工業(yè)有限責任 公司 駐馬店卷煙廠在 ZJ15XG 型機組上構建了由伺服系統(tǒng)、微型 PLC 組成的 重量 控制系統(tǒng) ， 有效地解決了重量控制精度偏低、維修費用較高的問題 [34]。 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 獨立驅動后身供絲系統(tǒng) ，解決 后身供絲不均勻 問題 [35]。 湖北 中煙 工業(yè)有限責任 公司 恩施卷煙廠 提出了利用伺服控制技術 ， 降低標準偏差的對策 、 措福州大學工程碩士學位論文 6 施 [36]。 川渝 中煙 工業(yè)有限責任 公司 黔江 煙廠 采用基于 PLC 控制的伺服 電動機 柔性控制技術 ， 對供料系統(tǒng)高速軸傳動進行改進 ， 提高了供絲均勻性 [37]。 20xx 年 許昌煙草機械有限責任公司 介紹 了 BOSCH 伺服控制系統(tǒng)成功應用于ZJ19B 卷接機組傳動系統(tǒng)中，使機器供絲、供紙、刀頭、嘴機部分各個電機的運行更加穩(wěn)定，控制精度顯著提高 [38]。 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 。 本文 研究內容 本課題擬 通過改造，取 消原機的機械差動機構 ，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 三個接近開關的信號輸送給伺服控制器，由控制器驅動 電動機 轉速快慢來實現 卷煙紙張力 調節(jié)。 本課題 將 闡述 所采用 伺服控制 系統(tǒng)各硬件 的 選型 和機械 結構 設計 過程， 分析了系統(tǒng)的 工作原理 ， 總結 伺服控制系統(tǒng)在使用過程中的問題 并進行優(yōu)化， 比較改進前后技術路線及其性能優(yōu)點 。 其中主要內容如下： （ 1） 第一部分 ， 在 對 ZJ17 卷接機組的傳動系統(tǒng)進行 介紹的基礎 上，詳細分析 供紙印刷系統(tǒng)存在的問題， 并 提出 卷煙紙補償 伺服控制系統(tǒng) 和 供 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。 （ 2） 第二部分 ， 介紹 卷煙紙補償的 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 。 （ 3） 第三部分 ， 介紹 了 系統(tǒng)調試過程， 探討 伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)化 方法 。 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 7 第二章 卷煙紙補償伺服控制系統(tǒng) 的 設計 在對 ZJ17 卷接機組供紙印刷系統(tǒng)進行伺服控制技術改造設計之前， 需要 分析伺服控制系統(tǒng)組 成部件的影響因素和供紙印刷系統(tǒng)存在的問題， 充分分析改造的可行性和必要性， 才能有效 達到 改造 目標 。 伺服控制系統(tǒng)的組成 和 發(fā)展 伺服 兩字系英語“ servo” 的音義，是指系統(tǒng)由外部命令控制，按照人們規(guī)定的位置、速度和力矩進行運動。 伺服 控制系統(tǒng)的任務是按照命令要求，對功率進行放大、變換和調控等處理，靈活、方便地控制驅動裝置輸出的位置、速度和力矩。 隨著 伺服控制 系統(tǒng)技術的發(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。 例如在 數控機床 中 ，伺服 控 制 系統(tǒng) 可以按照編程產生的 位移、速度指令，經 處理后 由 伺服 電動機 和 機械 傳動 系統(tǒng) 驅動機床 的 主軸，帶動 執(zhí)行部件 ——刀具 做出 各種復雜的運動，加工出 使用者 所要求的工件。 控制器 是 伺服 控制 系統(tǒng) 的核心，它 按照給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調節(jié)控制量 。 伺服 電動機 是 伺服 控制 系統(tǒng) 的 控制對象， 作用是通過 轉矩、轉速和轉角 等形式，將電勢能轉化為機械能，以 實現 設計者對 運動機械的運動要求。 為了得到高的響應速度 ，即高的 加速度 ， 一般 伺服 電動機 轉動慣量 都比較小 。 二十世紀 80 年代初， 隨著 電動機 技術、電力電子技術、控制技術等支撐技術的 發(fā)展，交流 伺服技術的發(fā)展極為迅速，先前困擾 交流 伺服系統(tǒng)的控制技術過于復雜、調速性能差等問題得以解決 ， 以 交流伺服電動機為執(zhí)行元件的交流伺服控制系統(tǒng)逐漸取代直流伺服電動機。在交流伺服控制系統(tǒng)中，先后出現了感應式交流系統(tǒng)，永磁交流系統(tǒng) ， 以及磁阻交流系統(tǒng) 。 90 年代初，又出現了具有直接驅動能力的各類直線伺服電動機及其驅動系統(tǒng)，揭開了交流直線伺服控制系統(tǒng)取代交流旋轉伺服控制系統(tǒng)的序幕，其中以永磁交流伺服電動機驅動系統(tǒng)發(fā)展最快，在當前已占據了主導地位。 而在國內， 70 年代我國開始跟蹤并開發(fā)交流伺服技術，科研單位和高等 院校是主要研究力量，應用方向主要集中在軍工和宇航衛(wèi)星方面。 八十年代以后，交流伺服技術開始成規(guī)模進入我國的民用工業(yè)領域。但是在 20xx 年前，國產的伺服控制系統(tǒng)的總體狀況仍然是小批量、高價格、技術水平低，難以滿足工業(yè)自動化發(fā)展的需要。 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，國內對伺服控制系統(tǒng)的需求也越來越大，這時期國內 很多有遠識的廠商 推出的自主品牌的伺服產品影響逐步加大。 目前影響較大的的國產伺服品牌（廠家）有華中數控、廣州數控、大森數控、凱奇數控等。 伺服控制系統(tǒng)的性能要求 對伺服系統(tǒng)的基本要求有 高 穩(wěn) 定性、 可控性好 和快速響應性 、 高 精度 。 高 穩(wěn)定性是指 作用在系統(tǒng)上的擾動消失后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行或者在輸入指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力 。 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。 可控性好是指控制信號消失后，系統(tǒng)應立即停止運轉。 快速響應性有兩方面含義，一是指動態(tài)響應過程中，輸出量隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動態(tài)響應過程結束的迅速程度 。 為了保證生產率和加工質量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信 號的響應要快，因為系統(tǒng)在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小過渡誤差。 精度 是指 輸出量復現輸入指令信號的精確程度 。 衡量 交流 伺服系統(tǒng) 的性能指標 包括定位精度、 調速范圍、轉矩波動、 動態(tài)響應和運行穩(wěn)定性 等 。 定位精度 是 判斷 伺服系統(tǒng)定位準確度的關鍵指標 ， 是指交流伺服 系統(tǒng) 的 最終定位點 和 指令目標值的靜態(tài)誤差 ，現在主流交流伺服 系統(tǒng) 的 定位精度都能達到177。1 個脈沖。 很多 伺服系統(tǒng) 要求 低速加工 、 高速返回 ，而這可以通過 調速范圍來衡量。調速范圍是指伺服 電動機 最低平穩(wěn)轉速和最高轉速的比值。交流 伺服 系統(tǒng) 的調速范圍從高到低分為三個檔次：低檔范圍 1： 1000～ 1： 5000，中檔 1： 5000～ 1： 10000，高檔 1： 10000 以上。 若要達到 低速加工和高速返回的要求 ， 則調速范圍需要在高檔以上。 轉矩波動直接影 響 提高伺服系統(tǒng)的位置和速度精度 ， 轉矩波動是由驅動器、電動機 以及負載共同決定的。 轉矩波動 是通過 轉矩波動系數 來定量描述的，可表示為 一周 期 內 的最大 轉矩與最小 轉矩 之 差 對其和 的 比 值。 通常動態(tài)響應是通過系統(tǒng)最高響應頻率來衡量的，其測量方法為：輸入一定頻率的正弦速度指令，若系統(tǒng)輸出速度波形的相位滯后小于 90O或者幅值 大于 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 9 50%，則正弦速度指令能達到最大頻率即為最高響應頻率。主流進口伺服 電動機的最高響應頻率可達到 900Hz 以上，而國產伺服 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、負載波動等系統(tǒng)內部因素和外部環(huán)境影響下，系統(tǒng)輸出變化能夠維持允許范圍內的能力。與國產產品相比較，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。 伺服系統(tǒng)性能的影響因素 對 伺服控制系統(tǒng)的主要部件的影響因素進行全面的分析，才能在系統(tǒng)設計過程中采取措施予以克服。 伺服 電動機 伺服電動 機 對伺服系統(tǒng)性能的 主要影響是轉矩波動和齒槽效應。 轉 矩 波動 的影響 伺服系統(tǒng) 使用 過程中， 伺服 電動機 的 輸出 轉矩 T 不是恒定的， 而是 始終 處于輕微波動 。由于 輸出 轉矩 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 ， 輸出轉矩