【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 煙草機(jī)械有限責(zé)任公司 利用交流伺服系統(tǒng)對(duì) ZJ15 卷接機(jī)組進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn) ， 改進(jìn)后原設(shè)備傳動(dòng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化 [12]。 主要改進(jìn)是 采用交流伺服系統(tǒng)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)粗、細(xì)鉤子輥， 解決 ZJ15 機(jī)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(jī)還對(duì) 卷煙供絲 系統(tǒng) 中所應(yīng)用的交流伺服控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、伺服 電動(dòng)機(jī) 的工作特性及其性能 進(jìn)行總結(jié) [14]， 闡述了卷接機(jī)組中所應(yīng)用的交流伺服伺服控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、采用的技術(shù)路線及其性能優(yōu)點(diǎn) ， 著重介紹了 交流伺服驅(qū)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由主 電動(dòng)機(jī) 、齒輪、皮帶組成的傳動(dòng)方式 [15]。 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 湖北 中煙 工業(yè)有限責(zé)任 公司 武漢卷煙廠針對(duì) PROTOS70 卷煙機(jī)的工作特點(diǎn) ， 采用交流伺服系統(tǒng)替代原直流調(diào)速主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ， 同時(shí)改用電氣制動(dòng)取代原機(jī)組的氣囊剎車系統(tǒng) [17]。 常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司 則利用 流化床技術(shù)改進(jìn)供絲系統(tǒng)，煙絲由機(jī)械傳送改為氣流輸送，減少了煙絲與機(jī)械零件的接觸，從而降低了煙絲碎絲率 [18]。 同年， 許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司 對(duì) PASSIM 卷煙機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的紙張力伺服控制裝置 進(jìn)行 改進(jìn) ， 增加一個(gè)氣缸和 PID 速度 調(diào)節(jié)器 ， 對(duì)控制電路作相應(yīng)的調(diào)整 ， 使紙張力伺服控制裝置工作穩(wěn)定 ， 避免斷紙和探測(cè)臂抖動(dòng)現(xiàn)象[19]。 20xx 年 湖南 中煙 工業(yè)有限責(zé)任 公司 長(zhǎng)沙卷煙廠 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]。 同年， 許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司 在卷煙機(jī)中采用交流伺服驅(qū)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳動(dòng)方式 ， 采用速度環(huán)和位置環(huán)嵌套的閉環(huán)控制技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤 ， 以減小傳動(dòng)誤差、減小噪音 ，增強(qiáng)機(jī)組的控制精度與穩(wěn)定性 ， 簡(jiǎn)化機(jī)電系統(tǒng)的維護(hù)與修理 [21]。 20xx 年 營(yíng)口卷煙廠用伺服系統(tǒng)改造帕西姆卷接機(jī)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(jī)械有限責(zé)任公司提出采用博世交流伺服電動(dòng)機(jī) 解決兩者的同步問題 ， 并對(duì)電氣系統(tǒng)的構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了論述 [23]。 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]。 20xx 年 常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司 引入色標(biāo)負(fù)反饋環(huán)節(jié)對(duì)鋼印的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè) ， 以構(gòu)成鋼印閉環(huán) 伺服 控制 ， 防止 煙支鋼印跑偏 [25]。 常德煙機(jī) 還在PASSIM12K 卷接機(jī)組改造中，采用了電子同步方式，解決了機(jī)械傳動(dòng)中的抖動(dòng)，保證了煙支交接的穩(wěn)定性 [26]。 同年， 許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司 在 總結(jié)了 倫茨9400 系列伺服在卷煙機(jī)中的運(yùn)用 ， 伺服系統(tǒng)與 S7— 300PLC 之間的通訊配置 ， 伺服系統(tǒng)的調(diào)整 等內(nèi)容 [27]。 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]。 20xx年 川渝 中煙 工業(yè) 有限責(zé)任 公司 涪陵卷煙廠 對(duì) PASSIM卷接機(jī)組 換紙驅(qū)動(dòng)進(jìn)行改造， 采用交流 伺服 系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng) 卷煙紙 ， 與主機(jī)同步速度快 ，以保持 卷煙 紙產(chǎn)生的 張力 均勻 ， 實(shí) 現(xiàn) 在高速運(yùn)行時(shí) 自動(dòng) 拼接 [29]。 陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 寶雞卷煙廠用交流伺服 控制技術(shù)對(duì) PASSIM卷煙機(jī)后身供絲系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn) ， 改造后設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定 ， 減少了煙支空頭 [30]。 陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 總結(jié)了 伺服控制系統(tǒng)在煙機(jī)設(shè)備上的應(yīng)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(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]。 20xx 年 中國(guó) 電子科技集團(tuán)介紹了 PASSIM卷接機(jī)組 卷煙 紙拼接控制系統(tǒng)的電氣改造 ， 采用獨(dú)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(zé)任 公司 駐馬店卷煙廠在 ZJ15XG 型機(jī)組上構(gòu)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(fèi)用較高的問題 [34]。 川渝 中煙 工業(yè)有限責(zé)任 公司 重慶卷煙廠通過對(duì)后身原電磁離合器傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造 ， 采用伺服 電動(dòng)機(jī) 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)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(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 、 措福州大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 6 施 [36]。 川渝 中煙 工業(yè)有限責(zé)任 公司 黔江 煙廠 采用基于 PLC 控制的伺服 電動(dòng)機(jī) 柔性控制技術(shù) ， 對(duì)供料系統(tǒng)高速軸傳動(dòng)進(jìn)行改進(jìn) ， 提高了供絲均勻性 [37]。 20xx 年 許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司 介紹 了 BOSCH 伺服控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于ZJ19B 卷接機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)中，使機(jī)器供絲、供紙、刀頭、嘴機(jī)部分各個(gè)電機(jī)的運(yùn)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(duì) ZJ17 卷接機(jī)組的供紙印刷系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，有效減少了該系統(tǒng)的故障 維修時(shí)間和維修費(fèi)用 。 本文 研究?jī)?nèi)容 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 B2 B2 B29 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)。 本課題 將 闡述 所采用 伺服控制 系統(tǒng)各硬件 的 選型 和機(jī)械 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 過程， 分析了系統(tǒng)的 工作原理 ， 總結(jié) 伺服控制系統(tǒng)在使用過程中的問題 并進(jìn)行優(yōu)化， 比較改進(jìn)前后技術(shù)路線及其性能優(yōu)點(diǎn) 。 其中主要內(nèi)容如下： （ 1） 第一部分 ， 在 對(duì) ZJ17 卷接機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行 介紹的基礎(chǔ) 上，詳細(xì)分析 供紙印刷系統(tǒng)存在的問題， 并 提出 卷煙紙補(bǔ)償 伺服控制系統(tǒng) 和 供 紙印刷 系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的改進(jìn)設(shè)計(jì) 方案 ，為供紙印刷系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化打下基礎(chǔ)。 （ 2） 第二部分 ， 介紹 卷煙紙補(bǔ)償?shù)?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(shè)計(jì) ，包括與伺服 電動(dòng)機(jī) 連接傳動(dòng)軸和編碼器傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)過程， 并校核 軸的強(qiáng)度、剛度，平鍵連接的剛度，從 控制和 機(jī)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(diào)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(shù)的 ZJ17 卷接機(jī)組供紙印刷系統(tǒng)技術(shù)改造 7 第二章 卷煙紙補(bǔ)償伺服控制系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì) 在對(duì) ZJ17 卷接機(jī)組供紙印刷系統(tǒng)進(jìn)行伺服控制技術(shù)改造設(shè)計(jì)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(dá)到 改造 目標(biāo) 。 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(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 伺服 控制系統(tǒng)的任務(wù)是按照命令要求，對(duì)功率進(jìn)行放大、變換和調(diào)控等處理，靈活、方便地控制驅(qū)動(dòng)裝置輸出的位置、速度和力矩。 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。 例如在 數(shù)控機(jī)床 中 ，伺服 控 制 系統(tǒng) 可以按照編程產(chǎn)生的 位移、速度指令，經(jīng) 處理后 由 伺服 電動(dòng)機(jī) 和 機(jī)械 傳動(dòng) 系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)機(jī)床 的 主軸，帶動(dòng) 執(zhí)行部件 ——刀具 做出 各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，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(cè)的實(shí)際運(yùn)行值的差，調(diào)節(jié)控制量 。 伺服 電動(dòng)機(jī) 是 伺服 控制 系統(tǒng) 的 控制對(duì)象， 作用是通過 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角 等形式，將電勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，以 實(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì)者對(duì) 運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。 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 。 二十世紀(jì) 80 年代初， 隨著 電動(dòng)機(jī) 技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制技術(shù)等支撐技術(shù)的 發(fā)展，交流 伺服技術(shù)的發(fā)展極為迅速，先前困擾 交流 伺服系統(tǒng)的控制技術(shù)過于復(fù)雜、調(diào)速性能差等問題得以解決 ， 以 交流伺服電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。在交流伺服控制系統(tǒng)中，先后出現(xiàn)了感應(yīng)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(xiàn)了具有直接驅(qū)動(dòng)能力的各類直線伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，揭開了交流直線伺服控制系統(tǒng)取代交流旋轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)的序幕，其中以永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展最快，在當(dāng)前已占據(jù)了主導(dǎo)地位。 而在國(guó)內(nèi)， 70 年代我國(guó)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。 八十年代以后，交流伺服技術(shù)開始成規(guī)模進(jìn)入我國(guó)的民用工業(yè)領(lǐng)域。但是在 20xx 年前，國(guó)產(chǎn)的伺服控制系統(tǒng)的總體狀況仍然是小批量、高價(jià)格、技術(shù)水平低，難以滿足工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的需要。 福州大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 8 20xx 年之后，隨著中國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)伺服控制系統(tǒng)的需求也越來越大，這時(shí)期國(guó)內(nèi) 很多有遠(yuǎn)識(shí)的廠商 推出的自主品牌的伺服產(chǎn)品影響逐步加大。 目前影響較大的的國(guó)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。 伺服控制系統(tǒng)的性能要求 對(duì)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(yīng)性 、 高 精度 。 高 穩(wěn)定性是指 作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行或者在輸入指令信號(hào)作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力 。 伺服系統(tǒng) 要求具有較強(qiáng)的溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)能力和很強(qiáng)的抗干擾的能力。 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)。 快速響應(yīng)性有兩方面含義，一是指動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量隨輸入指令信號(hào)變化的迅速程度，二是指動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度 。 為了保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)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(yīng)特性，即要求跟蹤指令信 號(hào)的響應(yīng)要快，因?yàn)橄到y(tǒng)在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大，縮短進(jìn)給系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間，減小過渡誤差。 精度 是指 輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的精確程度 。 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 。 定位精度 是 判斷 伺服系統(tǒng)定位準(zhǔn)確度的關(guān)鍵指標(biāo) ， 是指交流伺服 系統(tǒng) 的 最終定位點(diǎn) 和 指令目標(biāo)值的靜態(tài)誤差 ，現(xiàn)在主流交流伺服 系統(tǒng) 的 定位精度都能達(dá)到177。1 個(gè)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(diào)速范圍來衡量。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。交流 伺服 系統(tǒng) 的調(diào)速范圍從高到低分為三個(gè)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(dá)到 低速加工和高速返回的要求 ， 則調(diào)速范圍需要在高檔以上。 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)直接影 響 提高伺服系統(tǒng)的位置和速度精度 ， 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是由驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī) 以及負(fù)載共同決定的。 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。 通常動(dòng)態(tài)響應(yīng)是通過系統(tǒng)最高響應(yīng)頻率來衡量的，其測(cè)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(shù)的 ZJ17 卷接機(jī)組供紙印刷系統(tǒng)技術(shù)改造 9 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(dòng)機(jī)的最高響應(yīng)頻率可達(dá)到 900Hz 以上，而國(guó)產(chǎn)伺服 電動(dòng)機(jī) 則一般在 200～ 500Hz之間。 運(yùn)行穩(wěn)定性，是指伺服系統(tǒng)在電壓波動(dòng)、負(fù)載波動(dòng)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(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)。 伺服系統(tǒng)性能的影響因素 對(duì) 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(jì)過程中采取措施予以克服。 伺服 電動(dòng)機(jī) 伺服電動(dòng) 機(jī) 對(duì)伺服系統(tǒng)性能的 主要影響是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和齒槽效應(yīng)。 轉(zhuǎn) 矩 波動(dòng) 的影響 伺服系統(tǒng) 使用 過程中， 伺服 電動(dòng)機(jī) 的 輸出 轉(zhuǎn)矩 T 不是恒定的， 而是 始終 處于輕微波動(dòng) 。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) 。 而伺服 電動(dòng)機(jī) 工作在 低速 時(shí) ， 由于 定子繞組上的控制信號(hào) 很小 ， 輸出轉(zhuǎn)矩