基于伺服控制技术的ZJ17卷接机组供纸印刷系统技术改造毕业论文

1、伺服控制技术在ZJ17纸标打印系统中的应用摘 要ZJ17型卷烟机是常德烟草机械有限公司生产的全自动生产线，是国内卷烟厂的主要生产设备，是十九世纪九十年代初世界上最先进的卷烟机。 ZJ17型卷烟机虽然性能稳定、消耗低、烟头松散少、适应不同烟草的能力强，但纸标打印系统差速齿轮箱故障周期短、精度低、稳定性差但故障修复时间长纸标打印系统卷烟纸补偿装置的维护成本。针对ZJ17卷烟机纸标打印系统和HAUNI最新卷烟机PROTOS M系列存在的问题，针对ZJ17卷烟机卷烟机卷烟纸补偿驱动及卷烟机传动链提出伺服控制改进方案。系统改进。本文分析了纸张标记打印系统的工作力和能耗，以及伺服控制系统的性能要求。根据理

2、论分析，完成卷烟纸补偿的硬件伺服系统选型，包括伺服电机、轴编码器、伺服控制器和控制器的选型。然后设计了卷烟纸补偿伺服系统结构的传动轴和轴编码器传动，并建立了三维有限元模型，利用ANSYS软件对传动轴上的静态结构进行了分析。最后，根据有限元分析和现场试验结果，伺服系统可以稳定、可靠地工作。本文还总结了卷烟补偿伺服系统的调试过程。众所周知，伺服控制技术在纸标打印系统中的应用提高了卷烟纸补偿装置的补偿能力和设备的生产效率，降低了设备维护和维修成本。卷烟机 的 设计 提供 了 替代 方案.关键词：补偿装置，伺服控制，优化目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc384555

3、969 第一章绪论 PAGEREF _Toc384555969 h 1 HYPERLINK l _Toc384555970 1.1选题的背景和意义 PAGEREF _Toc384555970 h 1 HYPERLINK l _Toc384555971 1.2伺服控制系统应用概述 PAGEREF _Toc384555971 h 3 HYPERLINK l _Toc384555972 1.3伺服控制系统在卷取机 PAGEREF _Toc384555972 h 3中的应用 HYPERLINK l _Toc384555973 1.4本文研究内容 PAGEREF _Toc384555973 h 6 HY

4、PERLINK l _Toc384555974 第二章卷烟补偿伺服控制系统设计 PAGEREF _Toc384555974 h 7 HYPERLINK l _Toc384555975 2.1伺服控制系统的组成与发展 PAGEREF _Toc384555975 h 7 HYPERLINK l _Toc384555976 2.2伺服控制系统的性能要求 PAGEREF _Toc384555976 h 8 HYPERLINK l _Toc384555977 2.3伺服系统性能影响因素 PAGEREF _Toc384555977 h 9 HYPERLINK l _Toc384555978 2.3.1伺服

5、电机 PAGEREF _Toc384555978 h 9 HYPERLINK l _Toc384555979 2.3.2编码器 PAGEREF _Toc384555979 h 10 HYPERLINK l _Toc384555980 2.3.3伺服控制器 PAGEREF _Toc384555980 h 10 HYPERLINK l _Toc384555981 2.3.4机械传动 PAGEREF _Toc384555981 h 10 HYPERLINK l _Toc384555982 2.3.5加载 PAGEREF _Toc384555982 h 11 HYPERLINK l _Toc38455

6、5983 2.4送纸打印系统的传输 PAGEREF _Toc384555983 h 12 HYPERLINK l _Toc384555984 2.4.1主传动输出轴传动计算 PAGEREF _Toc384555984 h 13 HYPERLINK l _Toc384555985 2.4.2第一送料辊驱动的计算 PAGEREF _Toc384555985 h 14 HYPERLINK l _Toc384555986 2.4.3第二送料辊传动计算 PAGEREF _Toc384555986 h 14 HYPERLINK l _Toc384555987 ZJ17 15号机组给纸打印系统存在的问题 P

7、AGEREF _Toc384555987 h HYPERLINK l _Toc384555988 2.5.1差速器故障分析 PAGEREF _Toc384555988 h 15 HYPERLINK l _Toc384555989 2.5.2印刷机组运行分析 PAGEREF _Toc384555989 h 16 HYPERLINK l _Toc384555990 2.5.3卷烟纸补偿装置补偿能力分析 PAGEREF _Toc384555990 h 16 HYPERLINK l _Toc384555991 2.6进纸印刷系统技术改造总体设计 PAGEREF _Toc384555991 h 17 H

8、YPERLINK l _Toc384555992 2.6.1卷烟补偿伺服控制系统改进设计 PAGEREF _Toc384555992 h 18 HYPERLINK l _Toc384555993 2.6.2进纸打印系统传动链的改进设计 PAGEREF _Toc384555993 h 18 HYPERLINK l _Toc384555994 2.7章节总结 PAGEREF _Toc384555994 h 19 HYPERLINK l _Toc384555995 第三章 PAGEREF _Toc384555995 h 卷烟补偿伺服控制系统硬件设计20 HYPERLINK l _Toc3845559

9、96 3.1伺服电机选型 PAGEREF _Toc384555996 h 20 HYPERLINK l _Toc384555997 3.1.1电机转矩计算 PAGEREF _Toc384555997 h 20 HYPERLINK l _Toc384555998 3.1.2电机功率计算 PAGEREF _Toc384555998 h 21 HYPERLINK l _Toc384555999 3.1.3选择 PAGEREF _Toc384555999 h 21 HYPERLINK l _Toc384556000 3.2轴编码器选择 PAGEREF _Toc384556000 h 22 HYPERL

10、INK l _Toc384556001 3.3伺服控制器选择 PAGEREF _Toc384556001 h 23 HYPERLINK l _Toc384556002 3.4上位控制器（ PLC ）的选择 PAGEREF _Toc384556002 h 24 HYPERLINK l _Toc384556003 3.5章节总结 PAGEREF _Toc384556003 h 24 HYPERLINK l _Toc384556004 第四章伺服控制系统主要部件设计 PAGEREF _Toc384556004 h 25 HYPERLINK l _Toc384556005 4.1连接电机的驱动轴设计

11、PAGEREF _Toc384556005 h 25 HYPERLINK l _Toc384556006 4.1.1轴的材料选择 PAGEREF _Toc384556006 h 25 HYPERLINK l _Toc384556007 4.1.2轴的结构设计 PAGEREF _Toc384556007 h 26 HYPERLINK l _Toc384556008 4.1.3轴强度检查 PAGEREF _Toc384556008 h 27 HYPERLINK l _Toc384556009 4.1.4平键连接强度校核 PAGEREF _Toc384556009 h 29 HYPERLINK l

12、_Toc384556010 4.1.5轴的刚度检查 PAGEREF _Toc384556010 h 29 HYPERLINK l _Toc384556011 4.2编码器驱动设计 PAGEREF _Toc384556011 h 30 HYPERLINK l _Toc384556012 4.2.1同步带的选择 PAGEREF _Toc384556012 h 31 HYPERLINK l _Toc384556013 4.2.2同步带轮设计 PAGEREF _Toc384556013 h 31 HYPERLINK l _Toc384556014 4.2.3支架设计 PAGEREF _Toc38455

13、6014 h 32 HYPERLINK l _Toc384556015 4.3章节总结 PAGEREF _Toc384556015 h 33 HYPERLINK l _Toc384556016 第五章卷烟补偿伺服控制系统调试与优化 PAGEREF _Toc384556016 h 34 HYPERLINK l _Toc384556017 5.1卷烟纸补偿伺服控制系统调试 PAGEREF _Toc384556017 h 34 HYPERLINK l _Toc384556018 5.1.1控制程序流程图设计 PAGEREF _Toc384556018 h 34 HYPERLINK l _Toc384

14、556019 5.1.2系统电气接线 PAGEREF _Toc384556019 h 35 HYPERLINK l _Toc384556020 5.1.3 PLC程序填写 PAGEREF _Toc384556020 h 36 HYPERLINK l _Toc384556021 5.1.4 LENZE控制器程序填充 PAGEREF _Toc384556021 h 36 HYPERLINK l _Toc384556022 5.1.5 LENZE控制器参数设置 PAGEREF _Toc384556022 h 37 HYPERLINK l _Toc384556023 5.2伺服系统优化 PAGEREF

15、 _Toc384556023 h 38 HYPERLINK l _Toc384556024 5.2.1伺服系统优化的关键 PAGEREF _Toc384556024 h 38 HYPERLINK l _Toc384556025 5.2.2电流环、速度环、位置环的优化 PAGEREF _Toc384556025 h 38 HYPERLINK l _Toc384556026 5.3卷烟纸补偿伺服控制系统优化 PAGEREF _Toc384556026 h 39 HYPERLINK l _Toc384556027 5.3.1编码器速度跟踪点的选择 PAGEREF _Toc384556027 h 39

16、 HYPERLINK l _Toc384556028 5.3.2控制器参数优化 PAGEREF _Toc384556028 h 40 HYPERLINK l _Toc384556029 5.4章节总结 PAGEREF _Toc384556029 h 41 HYPERLINK l _Toc384556030 结论与展望 PAGEREF _Toc384556030 h 42 HYPERLINK l _Toc384556031 参考文献 PAGEREF _Toc384556031 h 44 HYPERLINK l _Toc384556032 至 PAGEREF _Toc384556032 h 46第

17、一章介绍1.1 选题背景及意义ZJ17机组是烟草机械XX公司引进德国虹霓公司设计制造的世界著名卷烟机组PROTOS70技术后生产的过滤嘴卷烟自动生产线。是国家卷烟厂卷烟的主要生产设备。 1990年代初的国际先进水平 1 。 ZJ17机组虽然具有性能相对稳定、每箱消耗低、烟短少、对烟丝适应性强等特点，但随着国外烟草设备制造的快速发展，超高速卷取的推广应用单位、烟草生产企业对现有卷取设备的稳定性和可靠性提出了更高的要求。但ZJ17机组与企业要求还有差距。因此，改进包括ZJ17机组在内的现有设备的设计，是烟草企业技术改造的一个方向。现有ZJ17机组的改进设计包括改进结构设计、优化结构参数和应用新技术

18、。本文主要关注新技术伺服控制系统的应用。如图1-1所示， ZJ17机组的送纸印刷系统主要由卷烟补偿装置1、印刷装置2、3、第二送纸辊4等组成，完成卷烟送纸任务。和商标印刷。1卷烟补偿装置； 2第一印刷装置； 3二次打印装置； 4第二送纸辊；图1-1送纸打印系统示意图ZJ17机组有两套印刷单元：第一套印刷单元2和第二套印刷单元3，分别在线完成一个彩色商标的印刷。每套装置由墨辊、传墨辊、网板辊、配墨辊、压花辊等组成。墨辊将油墨从供墨装置中取出，配墨辊使油墨均匀分布。传墨辊表面的油墨，传墨辊将油墨从配墨辊转移到钢网辊上，钢网辊使商标印在卷烟纸上，压花辊的作用是使钢网辊在卷烟纸上印刷油墨而不损坏卷烟纸

19、。如图1-2所示，卷烟纸补偿装置主要由差速电机6和差速齿轮箱4组成，其调节原理为：在卷烟纸的输送过程中，卷烟纸的受力（ F =3N ）带动无动力补偿辊，左侧的三个接近开关B27、B28、B29通过感应位置确定卷烟纸的受力补偿辊，反馈信号输出到差速器。启动电机控制单元，判断是否启动电机。当补偿辊在上下接近开关B27和B29（包括B28的检测区域）内时，视为卷烟纸正常，力适中，电机不工作。补偿辊在下接近开关B27位置，对应卷烟纸力过大，差动电机带动差速齿轮箱沿卷烟纸运行方向转动，使第一供纸辊加速，使卷烟纸力逐渐恢复正常。当补偿辊在上接近开关B29位置时，相应的卷烟纸力较小，差动电机带动差动齿轮箱向

20、卷烟纸运行的相反方向转动，使第一供纸滚筒减速，卷烟纸力恢复正常。补偿装置的设计加减速率是固定的。当力达到设计的极限位置B27 和 B29 时，差动电机将启动，使第一个送纸辊在原始速度上增加或减少3 rpm 2 。B2914B2914B27B28B27B28226653531补偿辊； 2压辊； 3第一送料辊； 4差速器齿轮箱； 5第一送料辊轴； 6差动电机；图1-2卷烟纸补偿装置示意图运行中发现ZJ17卷取装置的送纸打印系统存在以下问题：差速器故障间隔时间明显低于维修手册推荐的维修周期；卷烟纸补偿装置的补偿精度、稳定性和快速性不足。 ;系统故障维修时间和维修费用高。21世纪，德国HAUNI公司推

21、出新一代PROTOS-M系列，采用伺服控制系统直接驱动第一送纸辊，自动控制伺服电机的转速，达到调节的目的卷烟纸的力量。纸张打印系统取消了卷烟纸补偿装置。因此， PROTOS-M系列送纸打印系统的机械结构大大简化，维护简单，运行噪音低。因此，借鉴新一代拼接单元的技术，对ZJ17单元的送纸印刷系统进行改进，是一种挖掘老设备潜力的途径。通过本文的研究，可以了解ZJ17卷取装置的送纸印刷系统的工作原理和设计问题，利用伺服控制技术改进系统设计，最后通过实验优化改进方案，减少维修时间和保养。降低成本，提高设备效率。1.2 伺服控制系统应用概述伺服控制系统是一种自动控制系统，可以使输出的物体的位置、方位、状

22、态等受控量跟随目标（或给定量）并任意变化 3 。随着伺服控制系统技术的发展，其成本逐渐逼近纯机械方案，其高精度、高速度、高效率、高可靠性的优势日益突出，在众多行业得到广泛应用 4 .近年来，各国在伺服系统的应用方面取得了许多成就，如：2008年，加拿大瑞尔森大学提出了一种视觉伺服控制方法，可以实现微型机器人的六自由度控制 5 。2009 年，新加坡国立大学引入了一种新的自适应神经网络补偿器，可以提高闭环伺服系统的控制精度 6 。2010 年，美国堪萨斯大学美里分校提出了一种新的液压伺服系统，可以提高控制系统的性能 7 。2011 年，美国国家标准与技术研究院开发了一种用于光学轮廓仪的伺服聚焦锁

23、定跟踪系统 8 。2012 年，土耳其伊斯坦布尔大学设计了一种可用于无人机的视觉伺服控制方法 9 。2013 年，日本名古屋大学研究生院设计了一种控制器来提高双主轴伺服系统的同步性 10 。1.3伺服控制系统在卷取机组中的应用在国外，目前世界上所有卷取机仍在使用的吸塑成型技术是1959年由世界三大卷取机制造商之一的英国MOLIN公司从法国DECOUFLE公司获得的。很快，MOLIN公司制造了MK8卷烟机，这是卷烟厂广泛使用的第一代吸塑卷烟机。 1980年代德国HAUNI公司生产的PROTOS70型络筒机以其简单紧凑的机械结构和稳定可靠的产品质量迅速占领了国际络筒机市场的最大份额。上述两种机型的

24、传动均采用交流变频调速电机作为主驱动的驱动电机，机组上还有需要位置和速度同步的部件，如送纸、打印系统等。 PROTOS70卷取装置。皮带传动迎接。由于传动链长、加工装配精度高、运转时磨损等原因，机组的累积误差逐渐增大。在电控系统方面，两种机型均以继电器和分立元件为主要元件，组成逻辑电路板系统。21世纪德国研制的以PROTOS-M系列为代表的新型卷取机组采用高性能变频通讯控制，大量伺服控制系统代替机械传动，采用变频器，与S7通讯-400 通过 PROFIBUS-DP 和 S7-400。 PLC通讯，更精确地控制电机的启停和转速的变化，大大提高了机组的性能，维护和操作更方便 11 。在旧机型的改造

25、方面，国外的卷取机和拼接机厂家很少涉及。改革开放前，全国线圈拼接机组的制造基本上是空白。 1990年代以后，我国通过“技贸结合”的方式，同时引进国际先进的油烟机，研制出ZJ17等型号的卷取机组。在国民烟机伺服改进的研究与应用方面，主要有：2003年，烟草机械XX公司对ZJ15卷取机组采用交流伺服系统进行技术改进。改进后，原设备的传动结构大大简化 12 。主要改进是采用交流伺服系统独立驱动粗细钩辊，解决ZJ15机组二次定量供给烟丝供给不均的问题 13 。 2004年卷烟机还总结了卷烟送丝系统使用的交流伺服控制系统的基本结构、伺服电机的工作特点和性能 14 ，阐述了卷取机使用的交流伺服伺服控制系统

26、。单元。重点介绍了基本结构、采用的技术路线及其性能优势，重点介绍了交流伺服驱动器，以取代传统的由主电机、齿轮和皮带组成的传动方式 15 。2004年科技大学辛教授在硕士论文中指出： ZJ15卷取机组存在传动链条过长、传动齿轮箱易漏油等缺点，严重影响了卷烟的运行稳定性、精度和质量，并提出 交流 伺服 系统 .它取代了传统的全新的拼接单元运动控制方法，通过齿轮传动或同步带，可以通过动力源获得固定的传动比16 。2005年，根据PROTOS70卷烟机的工作特点，中烟XX公司卷烟厂采用交流伺服系统代替原来的直流调速主传动系统，改用电制动代替气囊制动系统。原单位 17 。烟草机械XX公司采用流化床技术改

27、进切丝系统，将烟丝由机械传动改为空气输送，减少了烟丝与机械部件的接触，从而降低了烟丝率 18 。同年，烟草机械XX公司改进了PASSIM卷烟机独立驱动的纸力伺服控制装置，增加了气缸和PID调速器，并相应调整控制电路，使纸力伺服控制装置工作稳定，避免纸破损。并检测手臂晃动现象 19 。2006年，中烟XX公司卷烟厂在小型普陀卷烟机中采用伺服放大器、伺服电机和图形操作终端控制卷烟长度 20 。同年，烟草机械XX公司在卷烟机中用交流伺服驱动取代了传统的传动方式，采用嵌套的速度环和位置环的闭环控制技术进行实时跟踪，以减少传动误差，降低噪音，提高机组的控制精度。和稳定性，简化机电系统的维护和维修 21

28、。2007年，卷烟厂在Passim卷取机组的卷烟纸更换系统中采用伺服系统改造离合器，取得了良好的效果 22 。烟草机械XX公司提出采用博世交流伺服电机解决两者的同步问题，并讨论了电气系统的组成和实现 23 。2008年，为提高卷取机组交流伺服驱动系统的稳定性，中烟XX公司与大学提出了一种基于卷取机组运行状态的软件设计方法。拼接单元的各种运动状态及其关系24 。2009年，烟草机械XX公司引入色标负反馈环节，对钢网位置进行实时动态检测，形成钢网闭环伺服控制，防止钢网跑偏 25 。该卷烟机还在改造PASSIM12K卷烟单元，采用电子同步方式解决机械传动中的抖动，保证卷烟交接的稳定性 26 。同年，

29、烟草机械XX公司总结了Lenze 9400系列伺服在卷烟机上的应用，伺服系统与S7-300PLC的通讯配置，伺服系统的调整 27 。烟机还介绍了伺服控制系统在烟机中的应用，以及伺服系统的配置和工作原理 28 。2010年，川渝中烟XX公司卷烟厂对PASSIM拼接机组换纸驱动进行了改造。卷烟纸采用交流伺服系统驱动，与主机同步速度快，使卷烟纸产生的力保持均匀，实现高速运转。自动拼接 29 。中烟XX公司卷烟厂对PASSIM卷烟机后送丝系统采用交流伺服控制技术进行了技术改进。中烟XX公司总结了伺服控制系统在烟机设备中的应用，分析了伺服控制系统的基本工作原理和系统硬件组成，阐述了伺服控制系统的工作过程

30、，并指出伺服控制系统的使用过程。 31中指出的问题。烟草机械XX公司总结了PLC、伺服电机和驱动器在卷烟机储运装置YF17中的应用，以了解系统的配置和工作原理 32 。2011年，中国电子科技集团对PASSIM卷取单元的卷烟纸拼接控制系统进行了电气改造，采用独立的交流伺服系统替代磁粉离合器装置 33 。中烟XX公司卷烟厂在ZJ15XG机组上搭建了由伺服系统和微PLC组成的重量控制系统，有效解决了重量控制精度低、维护成本高等问题34 。川渝中烟XX公司卷烟厂对原有的后身电磁离合器传动系统进行改造，采用伺服电机独立驱动后身送丝系统，解决了后身送丝不均匀的问题。 35 。中烟XX公司卷烟厂提出了利用

31、伺服控制技术降低标准差的对策和措施 36 。川渝中烟XX公司潜江烟厂采用基于PLC控制的伺服电机柔性控制技术，改进了送丝系统的高速轴传动，提高了送丝的均匀性 37 。2012年，烟草机械XX公司引进BOSCH伺服控制系统，成功应用于ZJ19B卷取机组的传动系统，使机器的送丝、送纸、刀盘、喷嘴等各电机运行更加稳定，控制精度显着提高 38 。2009年至2013年，我司与金茂林电子科技合作，对ZJ17拼接单元的送纸打印系统进行了改进，有效降低了系统的故障维修时间和维修成本。1.4 本文研究内容本项目拟取消原机机械差速机构，改进传动链，更换伺服电机，安装轴编码器获取主机转速，传递三个接近开关B27、

32、B28、和原机的B29。对伺服控制器，控制器驱动电机转速，实现卷烟纸力的调节。本课题将介绍所用伺服控制系统的硬件选型和机械结构设计过程，分析系统工作原理，总结伺服控制系统使用中存在的问题并进行优化，比较技术路线和性能。改进前后的优势。主要如下：(1) 第一部分在介绍ZJ17接纸单元传动系统的基础上，详细分析了送纸印刷系统存在的问题，提出了改进的卷烟纸补偿伺服控制系统设计方案，送纸印刷系统的传动链，为送纸印刷系统的改进设计和优化奠定了基础。（2）第二部分介绍了卷烟纸补偿伺服控制系统的硬件选型过程和伺服控制系统主要部分的设计，包括驱动轴与伺服电机连接和编码器驱动的设计过程零件，并检查轴的强度，刚度

33、，平键连接的刚度，从控制和机械方面确保伺服系统能够稳定可靠地工作。(3)第三部分介绍了系统调试过程，讨论了伺服控制系统的优化方法。第二章卷烟补偿伺服控制系统设计在对ZJ17卷取机送纸印刷系统进行伺服控制技术改造设计之前，需要分析伺服控制系统各组成部分的影响因素及送纸印刷系统存在的问题，充分分析改造的可行性和必要性，以有效实现改造目标。2.1 伺服控制系统的组成与发展伺服一词是英文“servo ”的读音和含义，意思是系统受外部指令控制，按照人指定的位置、速度和扭矩进行运动。伺服控制系统的任务是根据指令要求对功率进行放大、变换和调节，灵活方便地控制驱动装置的输出位置、速度和转矩。随着伺服控制系统技

34、术的发展，其成本逐渐逼近纯机械方案，其高精度、高速度、高效率、高可靠性的优势日益突出，因此被广泛应用于众多行业。例如，在数控机床中，伺服控制系统可以根据编程产生的位移和速度指令，通过伺服电机和机械传动系统驱动机床的主轴，并驱动执行部件刀具进行制造。加工机床的各种复杂动作。用户请求的工件。控制器是伺服控制系统的核心。它根据给定值与反馈装置检测到的实际运行值之间的差异来调整控制量。伺服电机是伺服控制系统的控制对象。其作用是将电势能通过转矩、转速、转角等形式转化为机械能，从而实现设计者对运动机械的运动要求。为了获得高响应速度，即高加速度，伺服电机的转动惯量一般都比较小。初，随着电机技术、电力电子技术

35、、控制技术等配套技术的发展，交流伺服技术的发展极为迅速。为解决这一问题，以交流伺服电机为执行元件的交流伺服控制系统逐渐取代直流伺服电机。在交流伺服控制系统中，先后出现了感应交流系统、永磁交流系统、磁阻交流系统。1990年代初，各种具有直接驱动能力的直线伺服电机及其驱动系统的出现，拉开了交流直线伺服控制系统替代交流旋转伺服控制系统的序幕。其中，永磁交流伺服电机驱动系统发展最快。 , 目前占主导地位。在中国，1970年代，我国开始跟踪和发展交流伺服技术。科研单位和高等院校是主要研究力量，应用方向主要集中在军工和航天卫星。 1980年代以后，交流伺服技术开始大规模进入我国民用工业。但2000年以前，

36、国内伺服控制系统总体还是小批量、价格高、技术水平低，难以满足工业自动化发展的需要。2000年以后，随着我国制造业的快速发展，国家对伺服控制系统的需求也随之增加。在此期间，国内众多有远见的厂商推出的自主品牌伺服产品的影响力逐渐提升。目前国内影响较大的伺服品牌（厂家）有华中数控、数控、大森数控、凯奇数控等。2.2 伺服控制系统的性能要求对伺服系统的基本要求是稳定性高、可控性好、响应快、精度高。高稳定性是指系统在输入指令信号的作用下，在系统的扰动消失后恢复到原来的稳定状态或达到新的稳定运行状态的能力。伺服系统要求对温度、湿度、振动等环境有很强的适应能力，抗干扰能力强。良好的可控性是指控制信号消失后系

37、统应立即停止运行。快速响应有两层含义，一是动态响应过程中输出随输入指令信号变化的快慢，二是动态响应过程结束的快慢。为保证生产效率和加工质量，除了定位精度高外，还要求具有良好的快速响应特性，即要求对跟踪指令信号的响应要快，因为系统在启动和减速时都需要加减速。刹车。足够大，可以缩短供料系统的过渡过程时间，减少过渡误差。精度是指输出量再现输入指令信号的精度。测量交流伺服系统的定位精度、速度控制范围、转矩波动、动态响应和运行稳定性。定位精度是判断伺服系统定位精度的关键指标。指交流伺服系统最终定位点与指令目标值之间的静态误差。现在主流交流伺服系统的定位精度可以达到1脉冲。许多伺服系统要求低速处理和高速返

38、回，这可以通过速度控制圈来衡量。调速范围是指伺服电机的最低稳定转速与最高转速之比。交流伺服系统的调速范围从高到低分为三个档次：低档范围为1：1000-1：5000 ，中档范围为1：5000-1：10000 ，高档-等级范围为1:10000或更大。为了满足低速加工和高速返回的要求，速度控制圈需要在高端以上。转矩波动直接影响伺服系统的位置和速度精度。转矩波动由驱动器、电机和负载共同决定。转矩脉动用转矩脉动系数定量描述，可表示为一个周期内最大转矩与最小转矩之差与总和的比值。通常动态响应是通过系统的最高响应频率来衡量的。测量方法是：输入一个具有一定频率的正弦速度指令。如果系统输出速度波形的相位滞后小于

39、90 O或幅度大于50% ，则正弦速度指令可以达到 最大频率，即最高响应频率。主流进口伺服电机最高响应频率可达900Hz以上，而国产伺服电机一般在200-500Hz之间。运行稳定性是指伺服系统在电压波动和负载波动等系统因素以及外部环境的影响下，保持在内容范围内的能力。与国产产品相比，主流进口伺服系统在运行稳定性方面仍有很大优势。2.3 伺服系统性能影响因素只有综合分析伺服控制系统主要部件的影响因素，才能在系统设计过程中采取措施加以克服。2.3.1伺服电机伺服电机对伺服系统性能的主要影响是转矩脉动和齿槽效应。2.3.1.1 转矩脉动的影响使用伺服系统时，伺服电机的输出转矩T不是恒定的，而是始终有

40、微小的波动。由于输出转矩波动幅度的绝对值不大，如果伺服电机在中高速运行，波动对系统的影响可以忽略不计。伺服电机在低速工作时，由于定子绕组上的控制信号很小，输出转矩波动产生的扰动信号可能接近或超过控制信号。此时伺服系统的输出会出现波动，破坏伺服系统的运行。稳定。2.3.1.2 齿槽效应的影响永磁伺服电机转动时，定子铁芯的齿槽交替通过转子磁场，磁阻的变化作用在电机轴上的周期性转矩，这就是齿槽转矩。伺服电机的转子和齿槽结构、气隙大小、磁场分布等都会影响齿槽转矩，而绕组的放置与齿槽转矩的变化无关。齿槽转矩会使伺服电机产生噪声和转矩波动，影响伺服控制系统的低速运行稳定性和定位精度。2.3.2 编码器编码

41、器是将角位移或线性位移转换为电信号的装置。前者常称为码盘，后者称为码尺。编码器按读码方式可分为接触式和非接触式两种：接触式编码器采用有刷输出，通过有刷接触导电区或绝缘区来指示编码器状态是否正常。代码为“1”或“0”；非接触式编码器的接收敏感元件为光敏元件或磁敏元件。使用感光元件时，用透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”。编码器按工作原理可分为增量式和绝对式两种：增量式编码器是将位移转换成周期性电信号，再将电信号转换成计数脉冲，用脉冲个数来表示。移位;绝对值编码器的每个位置都对应一个数字编码，所以它的指示只与测量的起止位置有关，与测量的中间过程无关。编码器通常用于伺服驱动器的速度反

42、馈。编码器的选择是影响伺服系统性能的一个非常重要的因素。特别是位置的分辨率和一个信号周期的位置误差对编码器的性能影响很大。选择哪种编码器技术完全取决于相关应用的精度要求。2.3.3伺服控制器伺服驱动器，也称为“ HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/2221601.htm t _blank 伺服驱动器”和“ HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/1431082.htm t _blank 伺服放大器” ，是控制伺服电机的单元。它们可以控制输入到电机的电流、电压、

43、励磁频率，或设置目标参数以实现输出。精确控制扭矩、速度和位置。与通用变频器相比，伺服驱动器的稳态精度和动态性能普遍较好，可以连接编码器或旋转变压器组成闭环控制系统，而通用变频器不能满足闭环控制控制要求。2.3.4 机械传动机械传动对伺服系统性能的影响主要是摩擦磨损和传动间隙。2.3.4.1 摩擦磨损的影响伺服控制系统执行 器与被控 对象之间 的摩擦.当系统处于中高速状态时，执行器的摩擦力矩基本保持不变，当系统处于低速状态时，摩擦力矩与伺服电机的摩擦力矩相同。角速度形成函数关系（如图 2-1 所示）。因此，伺服控制系统执行器的摩擦力对伺服系统的低速特性有不良影响。图2-1摩擦力矩与电机角速度的关

44、系零件的耐磨性也会影响伺服系统的精度。耐磨性的提高应从设计、工艺、材料、热处理和使用等方面综合考虑。从设计角度提高耐磨性的基本思路是尽量做到无磨损，当磨损不可避免时，力求磨损少、磨损均匀、磨损后补偿，从而提高使用寿命。2.3.4.2 传动间隙的影响图2-2典型伺服系统框图如图 2-2 所示，在系统稳定的前提下，闭环正向通道上的功率传输 G2 的间隙对伺服精度没有影响。闭环前数据输入通道上传输G1的间隙对伺服系统的稳定性没有影响，但会影响伺服精度。闭环反馈数据通道中传输G3的间隙不仅影响舵机的稳定性，也影响舵机的精度。闭环后位置输出通道上齿轮G4的间隙对伺服稳定性没有影响，但会影响伺服精度。2.

45、3.5 加载伺服控制系统中的机械零件，如电机轴、传动轴、齿轮、联轴器等传动轴，连同传动齿轮箱、机座等，在电机负载时会产生一定的弹性变形。弹性变形的固有频率是系统的阻尼、惯性和其他结构因素的函数。机械部分的固有频率对伺服控制系统的性能有一定的影响：如果伺服控制系统的精度不高，由于系统的频带宽比较低，只需要设计刚度即可。机械传动部分的要比较大，而机械部分的固有频率引起的结构共振的影响比较小；对于精度和动态响应要求较高的控制系统，由于需要增加系统的频带宽，机械部分的固有频率会接近甚至达到系统的带宽，从而导致发生自激振荡和不能工作。2. 4 送纸打印系统驱动如图2-3所示， ZJ17机组主电机1为无级

46、调速电机，最高转速3040rpm，功率12kW 。主传动轴51由平带轮驱动，然后主传动轴将其运动一路传递给刀盘传动箱；另一种方式是通过一对斜齿轮圆柱齿轮（Z 1 =34/Z 2 =68）将运动传递给轴52，再通过一对斜齿轮（Z 3 =38/Z 4 =76)。1 主电机； 2第二进料辊； 3 辅助变速箱； 4 第二印刷单元； 5 第一印刷单元； 6差动齿轮箱；7第一送纸辊； 8 -布轮；图2-3 ZJ17传动示意图主驱动输出轴53通过三种方式传递运动：一种通过同步带轮（Z=34）将运动传递给对接传动箱；一种方式是通过同步带驱动同步带轮（Z=36）=18），运动传递到轴56；另一种方式是通过一组斜

47、齿轮（Z=Z L / Z 5 =34/ Z 6 =50）将运动传递到轴54。轴54则通过两种方式传递运动：一种方式通过同步带轮（Z=34）并通过同步带驱动同步带轮（Z=17），并将运动传递给轴56并进入副变速器方框3；另一路通过一个斜圆柱齿轮（Z 7 =29/ Z 8 =41）将运动传递到轴55以驱动磁带卷盘8。主传动箱将运动传递给副传动箱的驱动轴57后，通过两种方式传递运动：一种通过同步带轮（Z=17），将运动引入送料机和线材通过同步带吸入成型传动。 ;另一种方式通过一对螺旋正齿轮（Z 9 =35/Z 10 =35）将运动传递到轴58。轴58则通过两种方式传递运动：一种方式通过同步带轮（Z=

48、20）并通过同步带驱动同步带轮（Z=20），并将运动传递给第二送料辊2。另一路通过同步带轮（Z=20）通过同步带驱动同步带轮（Z=28），并将运动传递给印刷装置的齿轮箱4。ZJ17机组的送纸印刷传动系统主要由副传动齿轮箱3、第二送纸辊2、印刷装置4、5、差速器齿轮箱6组成。第二送纸辊的作用除了拉动卷烟纸外，其作用是调整打印标签相对于卷烟切口的位置，以补偿因过渡造成的标签相对于切口位置的差异。在启动和停止机器之间。漂移。机器运行时，在电控系统的控制下，伺服电机带动压纸辊围绕送纸辊来回摆动，使标签相对于卷烟切口的位置无论怎样都保持不变。什么速度。副传动齿轮箱输出的动力通过正时皮带A传递到第一印刷单

49、元齿轮箱4，再通过正时皮带B输出到第二印刷单元齿轮箱5，再传送到差速齿轮箱。由同步带C。同步带C带动差动齿轮箱（见图2-4）和带轮制成整体齿轮9（Z=24），再带动齿轮5（Z=20）通过齿轮9（Z=24）将运动传递给轴10，轴10通过一对齿轮（Z=22/Z=22）将运动传递给轴11，轴11带动第一张纸送料辊运行，实现第一送料辊的传动。1差速器正齿轮（Z=79） ； 2同步带轮； 3正齿轮（Z=79） ； 4差动电机； 5斜齿轮（Z=20） ； 6 斜齿轮（Z=22）； 7第一送纸辊轴； 8 斜齿轮（Z=22）； 9斜齿轮（Z=24） ； 10箱体； 11第一送纸辊； 12轴承座。图2-4差速器

50、结构示意图2.4.1 主传动输出轴传动计算主传动输出轴53（见图2-3）的传动路线为：主电机轴51轴52输出轴53。测得与主电机连接的皮带轮直径为D 1 208mm ，与主驱动轴51连接的从动皮带轮直径为D 2 160mm 。 ZJ17卷取机组正常运行时， n main =2692.3rpm，则主驱动输出轴53的转速n可计算为：转 (2-1)式中， n为主电机转速， rpm ；D 1 , D 2 电机皮带轮和从动皮带轮的直径；2.4.2 第一送料辊传动的计算第一送料辊的传动路线为：（第一个进纸辊）。第一送料辊转速的计算公式为：(2-2)式中， Z L 与卷烟中烟身长度有关的变压齿轮的轮齿数。上

51、式表明：若电机皮带轮与从动皮带轮直径之比I main ( = D 1 / D 2 )不变，则改变主电机转速或改变与长度有关的轮齿数Z L卷烟中的卷烟体，可以改变第一送纸辊的转速ne 。生产卷烟体长为64mm的卷烟时，轮齿数Z L = 64。此时第一送纸辊的转速n e可计算为：=2240rpm (2-3)第一个送纸辊的外径D e =63.66mm，则机组正常运行时的圆周速度V e为：米/秒(2-4)2.4.3 第二送料辊传动计算第二送料辊的传动路线为：（第二个进纸辊）。第二送纸辊的转速公式为：(2-5)当生产卷烟长度为64mm的卷烟时，轮齿数Z L = 64 ，则转(2-6)V L （测量为D

52、L =63.66mm ）为：米/秒(2-7)2.5 ZJ17机组进纸打印系统问题给纸打印系统的主要问题是差速器容易出现故障，卷烟纸补偿装置的容量有缺陷。2.5.1 差速器故障分析供纸打印系统卷烟纸补偿装置工作时，差速器的工作过程如下：当补偿辊位于接近开关B29前面时，表示卷烟纸力减小，即第一个送纸辊的速度高于烟杆的速度，则接近开关B29向控制单元A19致信号，启动差动直流电机通过正齿轮气缸。齿轮（ Z=37 ） ，使与差速器箱一体化的差速器正齿轮（Z=79）逆时针转动，使第一送纸辊转速降低3rpm，使第二送纸辊比第一送纸快进料辊 辊速度快 3 rpm。这样，第一、第二送纸辊之间的卷烟纸所受的力

53、逐渐增大，补偿辊在该力的作用下慢慢回到B28位置，然后电机停止运转，第一张纸的速度送料辊和卷烟杆的速度 再等等。接近开关B27，表示卷烟纸力增大，送纸辊速度低于烟杆速度。滚筒转速提高3转/分，第一、第二送纸辊之间的卷烟纸力逐渐减小，补偿辊慢慢回到中间位置，然后电机停止运转，第一送纸辊的转速和烟杆的速度又是同样的速度。差速器齿轮箱采用富油润滑方式，所用润滑油为壳牌150号中负荷工业齿轮油，具有优良的润滑性能、优良的热稳定性和抗老化性、优良的防锈和耐腐蚀性能，完美的表现。延长传动部件使用寿命、提高系统效率等显着优势。齿轮箱前后采用骨架油封密封，将需要润滑的部件与传动部件隔离，防止润滑油外泄。当卷烟

54、纸输送速度受卷烟纸材质、第一、第二送纸辊的加工精度和装配精度等因素影响时，为了保持卷烟纸受力稳定，差动齿轮箱需要顺时针。顺时针或逆时针旋转可调节第一个进纸辊的转速。据观察，差速齿轮箱平均每班转数在80次以上，即每小时至少10次。由于差速器箱体始终处于旋转状态，因此没有设计油气排放口。这也影响了润滑油产生的油气排放，导致齿轮箱在设备工作一段时间后，由于骨架油封失效而容易泄漏。而且，由于箱体的频繁转动，齿轮箱的润滑油受到频繁的搅拌和剪切，容易氧化变质，降低了润滑效果，加剧了齿轮、轴承等零件的磨损，影响卷烟纸的传输稳定性。据统计， ZJ17机组差速器的平均故障周期约为三个月，远低于厂家推荐的维修周期

55、（一年） 。前骨架油封前骨架油封2.5.2 打印设备运行分析在每班10分钟左右对印刷装置与油墨接触的部位进行清洁保养的情况下，ZJ17滚压机在线印刷商标出现模糊、错位、偏移等质量问题组卷烟外观不合格的比例依然占优。超过 75%。因此，为了提高产品质量，减轻操作人员的劳动强度， 21世纪后将取消滚动环节的在线印刷，水松纸上商标预印已成为生产企业的主流。烟草业。我公司也不例外，大部分产品不再需要在ZJ17卷板机上在线打印商标。这意味着ZJ17收卷单元的印刷装置在消耗电能和闲置零件的同时，并不能有效地创造价值。而据统计，印刷装置的故障处理时间可以占到ZJ17收卷机组全部故障处理时间的10%以上，极大

56、地浪费了维修时间和维修成本。2.5.3 卷烟纸补偿装置补偿能力分析ZJ17机组运行过程中，当卷烟纸力发生变化时，由于原机结构设计缺陷，卷烟纸补偿装置在补偿精度、稳定性和补偿能力方面存在不足：2.5.3.1 补偿精度卷烟生产工艺要求：为保证卷烟的外观质量和圆周的稳定性，卷烟纸必须由供纸辊引导，并由卷烟补偿装置控制，以与切丝速度保持同步烟草棒。卷烟纸补偿装置通过同步带和齿轮副的配合来传递动力，传动部件的加工和装配精度对补偿精度有很大影响。而且机组运行一段时间后，随着同步带、皮带轮、齿轮、键等部件的磨损，补偿精度也会下降。2.5.3.2 补偿稳定性由于ZJ17卷烟机底座背面的安装位置有限，卷烟纸补偿

57、装置的差动电机为低速微电机。这种低速微电机体积小、重量轻，无需使用减速机即可直接输出较低的转速，同时可输出较大的扭矩。低速微电机电动机的启动性能，即转子转动并达到所需转速后正常运行的过程，由启动时间t和启动平顺度决定。如图2-5所示，由于差动直流电机的加速度大，每小时需要启动和制动10次左右，每次工作都是“启动-加速-全速-减速-制动”，其补偿稳定 性能受到较大影响，工作中发现传递动力的齿轮有振动和冲击。图 2-5差动电机转速图2.5.3.3 赔偿限制ZJ17卷取机生产时卷烟纸过紧或过松，即卷烟纸力增大或减小。卷烟纸力补偿装置只能使第一送纸辊的速度快于第二送纸辊的速度。或者慢3rpm，即补偿速

58、度有限，不能根据工况快速恢复力正常。如果补偿功能需要较长时间才能满足运行要求，即补偿辊长时间处于B27或B29工作位置时，卷烟纸可能会松弛，导致标签或断裂，导致运行酒吧停下来。2.6送纸印刷系统技术改造总体设计针对供纸打印系统存在问题的技术改造包括两部分：一是改进卷烟纸补偿装置的伺服控制设计，二是改进传动链的设计。卷烟补偿伺服控制系统的改进设计新设计的卷烟纸补偿伺服控制系统拟利用原有的三个接近开关B27、B28、B29作为限位检测，通过伺服跟踪保持卷纸受力平衡；取消差速齿轮箱、差速电机和输入同步带传动；增加了编码器来跟踪设备的速度；伺服电机独立驱动，对设备的速度进行及时跟踪微调，使调整更加准确

59、，保证卷烟纸的稳定性。其主要控制原理如图2-5所示：伺服控制示意图伺服控制系统主要由硬件上的编码器、伺服控制器、伺服电机和PLC控制器组成。两个送纸辊和烟草棒保持同步。 B29、B27接近开关采集卷烟纸力变化数据， PLC控制器反馈给伺服控制器进行编程。当补偿辊在B27 或 B29 停留时间超过设定时间 1 时，伺服电机按设定值增减速度。实现卷烟纸力自动调节；如果 B27 或 B29 超过设定时间 2， PLC 控制器再次反馈伺服控制器，进一步提高补偿速度。2.6.2 送纸印刷系统传动链改进设计如图2-6所示，在ZJ17卷取机组的传动链中，断开差速器与主传动输入端的连接，取消用于补偿卷烟纸力的

60、差速器，用伺服电机6直接供给第一电源。纸辊5提供动力；拆下副传动齿轮箱2与第一打印系统齿轮箱3之间的同步带、第一打印系统齿轮箱与第二打印系统齿轮箱4之间的同步带、第二打印系统齿轮箱4。系统齿轮箱和差速齿轮箱之间的皮带断开了两个打印系统的输入电源，使打印系统在不需要在线打印标签时避免无效运动。1第二送纸辊； 2副传动箱； 3第一印刷系统齿轮箱； 4第二印刷系统齿轮箱； 5第一供纸辊； 6伺服电机；图2-6改进后的送纸打印系统传动示意图2.7章节总结本章分析了ZJ17拼接单元的伺服控制系统和传动系统的主要部件的影响因素，介绍了重要输出点的转速和线速度的计算过程，并分析了差速器的设计。送纸印刷系统的