戴团结基于伺服控制技术的ZJ17卷接机组供纸印刷系统技术改造0415.docx
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戴团结基于伺服控制技术的ZJ17卷接机组供纸印刷系统技术改造0415
分类号________密级____公开_____
收藏编号___________学号N090221019
学校代码10386编号_____________
基于伺服控制技术的ZJ17卷接机组供纸印刷系统技术改造
学科专业：
机械工程
研究方向：
机械设计
研究生姓名：
戴团结
指导教师、职称：
杨晓翔教授
所在学院：
机械工程及自动化学院
答辩委员会主席签名：
二〇一四年月
基于伺服控制技术的ZJ17卷接机组供纸印刷系统技术改造
答辩时间：
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答辩地点：
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答辩委员会成员名单：
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□本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。
2、非保密论文：
□本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。
研究生本人签名：
签字日期：
2014年月日
研究生导师签名：
签字日期：
2014年月日
基于伺服控制技术的ZJ17卷接机组供纸印刷系统技术改造
中文摘要
ZJ17卷接机组是由常德烟草机械有限责任公司生产的滤嘴卷烟自动生产线，是国内卷烟厂烟支卷制的主要生产设备，具有20世纪90年代初期国际先进水平。
ZJ17机组虽然具有比较稳定的性能、单箱消耗低、烟支空头少、对烟丝适应能力强等特点，但其供纸印刷系统的差动齿轮箱故障周期短，卷烟纸补偿装置的补偿精确性、稳定性、能力方面存在不足，系统的故障维修时间和维修费用偏高。
本论文通过分析ZJ17机组供纸印刷系统存在的问题，借鉴德国虹霓公司新推出的新一代PROTOS-M系列采用伺服控制系统直接驱动第一供纸辊的技术，提出了对ZJ17机组的供纸印刷系统的卷烟纸补偿传动进行伺服控制和对供纸印刷系统的传动链进行改进。
本论文分析了ZJ17卷接机组供纸印刷系统的工作时的受力和能耗情况，结合伺服控制系统性能要求，对卷烟纸补偿的伺服系统硬件，包括伺服电动机、轴编码器、伺服控制器和上位控制器进行选型。
还对卷烟纸补偿伺服系统的传动轴和编码器传动装置进行结构设计，然后采用ANSYS软件建立三维有限元模型，对传动轴进行结构静力分析。
从有限元分析与现场试验结果得知，传动轴的静强度满足要求，从机械方面保证伺服系统能够稳定、可靠地工作。
论文还对卷烟纸补偿伺服系统系统的调试过程进行总结，对碰到的问题进行优化、解答。
实践证明，ZJ17卷接机组供纸印刷系统伺服控制改造，提高卷烟纸补偿装置的补偿能力和设备生产率，减少了设备维护保养工作量和维修费用。
本文的研究方法和控制理论，可为烟草机械传动环节进行改进设计提供可选方案，具有较强的实用性。
关键词：
补偿装置，伺服控制，优化
TheApplicationofServoControlTechnologyinpapermarkprintingsystemofZJ17
Abstract
TheZJ17CigartteMakerisautomaticproductionlineproducedbyChangdeTobaccoMachineryCo.Ltd.,whichisthemainproductionequipmentofthedomesticcigarettefactory,andthemostadvancedinearlynineteennintiesintheworld.AlthoughTheZJ17CigartteMakerhasstableperformance,lowconsumption,lesslooseendCigarttesandStrongabilitytoadaptdifferenttobacco,thefaultperiodofdifferentialgearboxinpapermarkprintingsystemisshort,alsolessaccuracy,lessstabilitybuthighfaultrepairtimeandmaintenancecostsinthecigarettepapercompensationdeviceofpapermarkprintingsystem.
BasedontheproblemsofthepapermarkprintingsystemofZJ17andthelateastCigartteMakerPROTOSMseriesinHAUNI.ThispaperproposesservocontrolimprovementforthecigarettepapercompensatingdrivingofpaperprintingsystemforZJ17CigartteMakerandthetransmissionchainforpaperprintingsystemimprovement.
Thispaperanalyzedpapermarkerprintingsystemworkforceandenergyconsumption,aswellastheservocontrolsystemperformancerequirements.Accordingtothetheoreticalanalysis,finishthehardwareservosystemselectionforthecompensationofcigarettepaper,includingselectionofservomotor,shaftencoder,servocontrollerandcontroller.AndthendesigntheDriveshaftandtheshaftencodertransmissionalsoofcigarettepapercompensatingservosystemstructure,andestablishathree-dimensionalfiniteelementmodel,analysisstaticstructureonthetransmissionshaftbytheANSYSsoftware.Finally,accordingtothefiniteelementanalysisandfieldtestresults,theservosystemcanworkstable,reliable.
ThispaperalsosummarizedThedebuggingprocessofcigarettepapercompensatingservosystem.Asweknow,theApplicationofServoControlTechnologyinpapermarkprintingsystemimprovethecompensationabilityofcigarettepapercompensatingdeviceandtheproductivityoftheequipment,reducingequipmentmaintenanceandrepaircosts.
ResearchmethodsandcontroltheoryinthispaperarepracticalandprovidealternativestoimprovethedesignfortheCigartteMaker.
Keywords:
Compensationdevice，Servocontrol，Optimization
目录
第一章绪论1
1.1选题的背景和意义1
1.2伺服控制系统应用综述3
1.3伺服控制系统在卷接机组的应用3
1.4本文研究内容6
第二章卷烟纸补偿伺服控制系统的设计7
2.1伺服控制系统的组成和发展7
2.2伺服控制系统的性能要求8
2.3伺服系统性能的影响因素9
2.3.1伺服电动机9
2.3.2编码器10
2.3.3伺服控制器10
2.3.4机械传动10
2.3.5负载11
2.4供纸印刷系统传动12
2.4.1主传动输出轴传动计算13
2.4.2第一供纸辊传动计算14
2.4.3第二供纸辊传动计算14
2.5ZJ17机组供纸印刷系统存在的问题15
2.5.1差动齿轮箱故障分析15
2.5.2印刷装置运行分析16
2.5.3卷烟纸补偿装置的补偿能力分析16
2.6供纸印刷系统技术改造总体设计17
2.6.1卷烟纸补偿伺服控制系统的改进设计18
2.6.2供纸印刷系统传动链的改进设计18
2.7本章小结19
第三章卷烟纸补偿的伺服控制系统硬件设计20
3.1伺服电动机选型20
3.1.1电动机转矩计算20
3.1.2电动机功率计算21
3.1.3选型21
3.2轴编码器选型22
3.3伺服控制器选型23
3.4上位控制器（PLC）选型24
3.5本章小结24
第四章伺服控制系统主要零件的设计25
4.1与电动机连接传动轴的设计25
4.1.1轴的材料选择25
4.1.2轴的结构设计26
4.1.3轴的强度校核27
4.1.4平键连接的强度校核29
4.1.5轴的刚度校核29
4.2编码器传动设计30
4.2.1同步带的选择31
4.2.2同步带轮的设计31
4.2.3支架的设计32
4.3本章小结33
第五章卷烟纸补偿伺服控制系统的调试与优化34
5.1卷烟纸补偿伺服控制系统的调试34
5.1.1控制程序流程图设计34
5.1.2系统电气接线35
5.1.3PLC程序灌装36
5.1.4LENZE控制器程序灌装36
5.1.5LENZE控制器参数设定37
5.2伺服系统的优化38
5.2.1伺服系统优化的关键38
5.2.2电流环、速度环和位置环的优化38
5.3卷烟纸补偿伺服控制系统的优化39
5.3.1编码器速度跟踪点的选择39
5.3.2控制器参数优化40
5.4本章小结41
结论与展望42
参考文献44
致谢46
第一章绪论
1.1选题的背景和意义
ZJ17机组是引进德国虹霓（HAUNI）公司设计制造的世界著名卷接机组PROTOS70技术后，由常德烟草机械有限责任公司生产的滤嘴卷烟自动生产线，是国内卷烟厂烟支卷制的主要生产设备，具有20世纪90年代初期国际先进水平[1]。
ZJ17机组虽然具有比较稳定的性能、单箱消耗低、烟支空头少、对烟丝适应能力强等特点，但随着国内外烟草设备制造业的飞速发展，超高速卷接机组的推广应用，烟草生产企业对现有卷接设备的稳定性、可靠性方面有了更高的要求。
而ZJ17机组与企业要求仍有差距。
因此，对现有设备，包括ZJ17机组进行改进设计是烟草企业技术改造的一个方向。
现有的ZJ17机组改进设计包括完善结构设计、优化结构参数和新技术应用等部分，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机组的供纸印刷系统主要由卷烟纸补偿装置1、印刷装置2和3、第二供纸辊4等组成，完成卷烟纸供给和商标印刷任务。
1—卷烟纸补偿装置；2—第一印刷装置；3—第二印刷装置；4—第二供纸辊；
图1-1供纸印刷系统示意图
ZJ17机组有两套印刷装置：
第一印刷装置2和第二印刷装置3，各自在线完成一种颜色商标的印刷。
每套装置均由油墨辊、传墨辊、钢印辊、匀墨辊、压印辊等组成。
油墨辊将油墨从供墨装置中取出，匀墨辊使油墨均匀并涂布于传墨辊的表面上，传墨辊将油墨从匀墨辊传送到钢印辊上，钢印辊则使商标印刷到卷烟纸上，压印辊的作用是使钢印辊能将油墨印刷到卷烟纸上而又不损坏卷烟纸。
如图1-2所示，卷烟纸补偿装置主要由差动电动机6、差动齿轮箱4组成，其调节原理是：
卷烟纸传送过程中，卷烟纸张力（F=3N）带动无动力的补偿辊，左侧的三个接近开关B27、B28、B29通过感应补偿辊位置来判断卷烟纸张力大小，反馈信号输出到差动电动机控制单元，再由其判断是否启动电动机。
补偿辊在在上、下接近开关B27、B29之间（包括B28检测区域）都视为卷烟纸正常状态，张力适中，电动机不工作。
补偿辊在下接近开关B27位置时，则对应卷烟纸张力过大，差动电动机带动差动齿轮箱沿卷烟纸运行方向转动，让第一供纸辊加速，使卷烟纸张力逐步回归正常。
补偿辊在上接近开关B29位置时，对应卷烟纸张力偏小，差动电动机带动差动齿轮箱沿卷烟纸运行相反方向转动，让第一供纸辊减速，使卷烟纸张力回归正常。
补偿装置设计的加减速率是固定，张力到达设计的极限位置B27、B29时差动电动机将启动，使第一供纸辊在原速度上加、减3rpm[2]。
B29
1
4
B27
B28
2
6
5
3
1—补偿辊；2—压辊；3—第一供纸辊；4—差动齿轮箱；5—第一供纸辊轴；6—差动电动机；
图1-2卷烟纸补偿装置示意图
运行中发现，ZJ17卷接机组供纸印刷系统存在以下问题：
差动齿轮箱故障间隔时间明显低于维修手册推荐的保养周期；卷烟纸补偿装置的补偿精确性、稳定性、快速性方面存在不足；系统的故障维修时间和维修费用偏高。
而21世纪德国虹霓（HAUNI）公司新推出了新一代的PROTOS-M系列则采用了伺服控制系统直接驱动第一供纸辊，自动控制伺服电动机的速度来达到调节卷烟纸张力目的，即供纸印刷系统取消卷烟纸补偿装置。
所以PROTOS-M系列供纸印刷系统的机械结构大大简化了，维护简便，运行噪声低。
因此，借鉴新一代卷接机组的技术对ZJ17机组的供纸印刷系统进行改进，是挖掘老设备潜力的一个途径。
通过本文的研究，可以了解ZJ17卷接机组供纸印刷系统的工作原理和设计方面存在问题，通过运用伺服控制技术对系统进行改进设计，最后通过实验对改进方案予以优化，达到降低维修时间和维修费用，提高设备效率目的。
1.2伺服控制系统应用综述
伺服控制系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随目标（或给定量）任意变化的自动控制系统[3]。
随着伺服控制系统技术的发展，其成本也逐渐接近纯机械的方案，而它具有的高精度、高速度、高效率和高可靠性的优点日益凸显，在许多行业得到广泛采用[4]。
近年来，各国在伺服系统应用方面取得不少成果，如：
2008年加拿大瑞尔森大学提出了一个视觉伺服控制方法，可实现六自由度控制微型机器人[5]。
2009年新加坡国立大学介绍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年美国密苏里堪萨斯大学提出了一种新型液压力伺服系统，可提高控制系统的性能[7]。
2011年美国国家标准与技术研究所开发了一种用于光学轮廓仪的伺服焦点锁定跟踪系统[8]。
2012年土耳其伊斯坦布尔大学设计了一种可用于无人机上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，用于提高双主轴伺服系统的同步性[10]。
1.3伺服控制系统在卷接机组的应用
国外，现在世界上所有的卷接机组仍然在使用的吸丝成型技术于1959年被世界前三大卷接机组制造商之一—英国MOLIN公司从法国DECOUFLE公司取得。
不久，MOLIN公司制成MK8卷接机组，即第一代被卷烟厂广泛使用的吸丝成型卷接机组。
而德国ＨＡＵＮＩ公司二十世纪八十年代生产的PROTOS70卷接机组以其简洁紧凑的机械结构、稳定可靠的产品质量，迅速在国际卷接机组市场上占据最大份额。
上述两种机型的传动方面都采用交流变频调速电动机作为主传动的驱动电动机，而机组上有位置和速度同步要求的部件，如PROTOS70卷接机组的供纸印刷系统，通过齿轮副或同步带传动来满足。
由于传动链较长，加上加工与装配精度、运行过程磨损等问题，机组的累积误差逐渐增大。
电控系统方面，两种机型都以继电器和分离元件为主组成逻辑电路板系统。
二十一世纪，以德国开发的PROTOS-M系列为代表的新型卷接机组，采用高性能的变频通讯控制，用大量伺服控制系统取代机械传动，采用变频器，通过PROFIBUS-DP与S7-400PLC通信，更加精确的控制电动机的启停和速度的改变，大大提高机组性能，而且维护和操作更加方便[11]。
而旧机型改造方面，国外卷接机组制造商涉及很少。
改革开放前，国内卷接机组制造基本是空白。
而二十世纪九十年代后，我国通过“技贸结合”方式，引进同期国际先进的烟机，开发出了ZJ17等型号的卷接机组。
国内烟机伺服改进研究与应用方面，主要有：
2003年许昌烟草机械有限责任公司利用交流伺服系统对ZJ15卷接机组进行了技术改进，改进后原设备传动结构大大简化[12]。
主要改进是采用交流伺服系统独立驱动粗、细钩子辊，解决ZJ15机组二次定量供丝存在烟丝供给不均匀的问题[13]。
2004年许昌烟机还对卷烟供丝系统中所应用的交流伺服控制系统的基本结构、伺服电动机的工作特性及其性能进行总结[14]，阐述了卷接机组中所应用的交流伺服伺服控制系统的基本结构、采用的技术路线及其性能优点，着重介绍了交流伺服驱动代替传统的由主电动机、齿轮、皮带组成的传动方式[15]。
2004年河南科技大学杨欣在硕士论文中指出：
ZJ15卷接机组存在着传动链过长，传动齿轮箱体容易漏油等严重影响运行稳定性、精度和烟支质量的缺点，提出了以交流伺服系统取代传统的以一个动力源通过齿轮传动或同步带才能取得固定传动比的全新的卷接机组运动控制方式[16]。
2005年湖北中烟工业有限责任公司武汉卷烟厂针对PROTOS70卷烟机的工作特点，采用交流伺服系统替代原直流调速主驱动系统，同时改用电气制动取代原机组的气囊刹车系统[17]。
常德烟草机械有限责任公司则利用流化床技术改进供丝系统，烟丝由机械传送改为气流输送，减少了烟丝与机械零件的接触，从而降低了烟丝碎丝率[18]。
同年，许昌烟草机械有限责任公司对PASSIM卷烟机独立驱动的纸张力伺服控制装置进行改进，增加一个气缸和PID速度调节器，对控制电路作相应的调整，使纸张力伺服控制装置工作稳定，避免断纸和探测臂抖动现象[19]。
2006年湖南中烟工业有限责任公司长沙卷烟厂在小普托卷接机采用伺服放大器、伺服电动机以及图形操作终端，实现了对烟支长度的控制[20]。
同年，许昌烟草机械有限责任公司在卷烟机中采用交流伺服驱动代替传统传动方式，采用速度环和位置环嵌套的闭环控制技术进行实时跟踪，以减小传动误差、减小噪音，增强机组的控制精度与稳定性，简化机电系统的维护与修理[21]。
2007年营口卷烟厂用伺服系统改造帕西姆卷接机组卷烟纸更换系统中的离合器，取得了良好效果[22]。
而许昌烟草机械有限责任公司提出采用博世交流伺服电动机解决两者的同步问题，并对电气系统的构成及实现进行了论述[23]。
2008年江西中烟工业有限责任公司与四川大学为了提高卷接机组交流伺服驱动系统的稳定性，提出了一种基于卷接机组运行状态的软件设计方法，根据机组运动功能要求和交流伺服系统的特点，确定了卷接机组的各种运动状态及其关系[24]。
2009年常德烟草机械有限责任公司引入色标负反馈环节对钢印的位置进行实时动态检测，以构成钢印闭环伺服控制，防止烟支钢印跑偏[25]。
常德烟机还在PASSIM12K卷接机组改造中，采用了电子同步方式，解决了机械传动中的抖动，保证了烟支交接的稳定性[26]。
同年，许昌烟草机械有限责任公司在总结了伦茨9400系列伺服在卷烟机中的运用，伺服系统与S7—300PLC之间的通讯配置，伺服系统的调整等内容[27]。
许昌烟机还介绍了伺服控制系统在烟机中的运用情况，以及伺服系统的配置与工作原理[28]。
2010年川渝中烟工业有限责任公司涪陵卷烟厂对PASSIM卷接机组换纸驱动进行改造，采用交流伺服系统驱动卷烟纸，与主机同步速度快，以保持卷烟纸产生的张力均匀，实现在高速运行时自动拼接[29]。
陕西中烟工业有限责任公司宝鸡卷烟厂用交流伺服控制技术对PASSIM卷烟机后身供丝系统进行了技术改进，改造后设备运行稳定，减少了烟支空头[30]。
陕西中烟工业有限责任公司总结了伺服控制系统在烟机设备上的应用，分析了伺服控制系统的基本工作原理以及系统硬件组成，说明了伺服控制系统的工作过程，指出了伺服控制系统在使用过程中注意的问题[31]。
许昌烟草机械有限责任公司总结了PLC、伺服电动机及驱动器在烟机存储输送装置YF17中的运用，以及系统的配置与工作原理[32]。
2011年中国电子科技集团介绍了PASSIM卷接机组卷烟纸拼接控制系统的电气改造，采用独立的交流伺服系统替代磁粉离合器装置[33]。
河南中烟工业有限责任公司驻马店卷烟厂在ZJ15XG型机组上构建了由伺服系统、微型PLC组成的重量控制系统，有效地解决了重量控制精度偏低、维修费用较高的问题[34]。
川渝中烟工业有限责任公司重庆卷烟厂通过对后身原电磁离合器传动系统进行改造，采用伺服电动机独立驱动后身供丝系统，解决后身供丝不均匀问题[35]。
湖北中烟工业有限责任公司恩施卷烟厂提出了利用伺服控制技术，降低标准偏差的对策、措施[36]。
川渝中烟工业有限责任公司黔江烟厂采用基于PLC控制的伺服电动机柔性控制技术，对供料系统高速轴传动进行改进，提高了供丝均匀性[37]。
2012年许昌烟草机械有限责任公司介绍了BOSCH伺服控制系统成功应用于ZJ19B卷接机组传动系统中，使机器供丝、供纸、刀
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