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.docx

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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

工程硕士专业学位研究生学位（毕业）论文

基于伺服控制技术的ZJ17卷接机组供纸印刷系统技术改造

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

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指导教师签名：

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使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

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日期：

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

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