伺服系统在ZJ17卷烟机盘纸张力控制中的应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：朱克非（1974），男，汉族，湖南常德人，大专，研究方向为工控。-195-伺服系统在 ZJ17 卷烟机盘纸张力控制中的应用 朱克非 任晓林 中烟机械常德烟草机械有限责任公司,湖南 常德 415000 摘要：摘要：ZJ17 卷接机组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。虽然 ZJ17卷接机组具有运行稳定、消耗低、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，系统维修费用偏高。采用伺服系统取代 ZJ17 卷接机组原机的卷烟纸张力装置，以提高设备运行稳定性。伺服系统的设计选型既要满足负载需求，又要考虑其对伺服系统性能影响和设备结构要求，本文通过计算伺服系统的转矩和功率要求，通过分析计算确定伺服系统的选型。关键词：关键词：卷烟纸补偿装置:伺服系统:伺服电机；张力控制；应用 中图分类号：中图分类号：TB4 1 背景技术 ZJ17 卷接机在生产运行过程中，卷烟纸受材料、传动速度变化及传动机构的调整或磨损等多种因素的影响，使得卷烟纸的张力会发生变化，卷烟纸张力的变化轻者影响烟支的成型质量，重则造成设备停机，不仅带来卷烟材料浪费、增加操作工劳动强度，更严重影响设备生产效率，为此卷烟机设备都设计有卷烟纸张力调整机构。图 1 卷烟纸输送示意图 ZJ17（PROTOS70）卷烟机组的卷烟纸输送过程原设计如图一所示，盘纸（卷烟纸）由引纸辊带动，压纸辊将卷烟纸与引纸辊紧密接触，避免卷烟纸在 引纸辊上滑动，引纸辊由差动齿轮箱转动机构驱动（如图二所示）。卷烟机的纸张力调整的控制原理为：卷烟纸的张力由配重块的重量决定，正常工作时卷烟纸张力约为 3N，配重块基本处于水平位置，当卷烟纸张力增大时，通过卷烟纸带动配重块旋转，当纸张力大到触发检测传感器 B27 时，纸张力控制器控制 M11电机正转使得卷烟纸的输送速度在原来机械传动速度的基础上增加 3 r/min，从而减小卷烟纸的张力，使配重块向水平位置旋转，当卷烟纸张力（速度）变化带动配重块顺时针旋转到水平位置触发检测传感器 B28时，M11 电机停止运转，一次调整结束。反之，而当卷烟纸张力过小触发检测传感器 B29 时，纸张力控制器控制 M11 电机反转使得卷烟纸的输送速度在原来机械传动速度的基础上减少 3 r/min，从而加大卷烟纸的张力。当卷烟纸张力（速度）变化带动配重块逆时针旋转到水平位置触发检测传感器 B28 时，M11 电机停止运转，一次调整结束。图 2 卷烟纸输送及调整机构示意图 基于上述分析，在设备运行过程中，当卷烟纸张中国科技期刊数据库 工业 A-196-力变化时，卷烟纸张力补偿调整机构对卷烟纸张力调整精确度、平稳性、调整能力及可靠性等几个方面都存在设计缺陷。为此，本文研究采用伺服控制系统取代原设备的卷烟纸张力补偿装置，取消原设备的 B27、B28 和 B29传感器，在原设备增加跟踪机器运行速度的编码器和配重块转角位置角度传感器，采用伺服控制器接收速度编码器信号及角度传感器信号，然后根据要求对控制器编程，驱动伺服电机调节供纸辊转速，实现卷烟纸拉力平衡。2 系统配置与选型 为了充分发挥伺服系统的性能，满足技术改造的需要，对伺服系统的部件进行选型设计非常重要。为了简化系统的结构，本文采用德国 LENZE 公司集控制与驱动一体化的 I950 运动控制器，其选型参数依赖与伺服电机的配置，伺服电机作为伺服控制系统的核心，首先需要对伺服电机的选型进行选择。以下简要说明新系统伺服电机的选择过程:2.1 伺服电机转矩负转计算 根据 ZJ17 卷接机组使用手册得知，工作时盘纸张力 F=3N。第一供纸辊直径为 63.66mm，则负转矩：TL=F*R=3Nx 0.06366/2=0.09549Nm.2.2 启动转矩计算：电机传动轴和第一供纸辊尺寸如图三所示 传动轴及第一供纸辊绕轴线旋转运动，实心圆柱体绕轴线旋转的转动惯量计算公式为 J=MR2/2=MD2/8（其中 M 为圆柱体质量，R 为圆柱体半径，D 为圆柱体直径），则负载总转动惯量为：JL=Mi*Di2/8=Di4Li/32=3.14*7.85*Di4Li/32=0.000536273KgM2（其中钢的密度=7.85，Di和 Li分别表示每一段的直径和长度）图 3 第一供纸辊及传动轴尺寸 由于设备要求 0.2s 至 1s 将第一供纸加速至2240 rpm（即对应生产速度为 7500 支/分钟），则启动转矩最大为：TMAX=JL*=0.000536273 x 10 x2240/60/0.2=1.001Nm.3 伺服电机选型（1）电机负载功率：P=TL*=TL*2V/60=2*2240*0.09549/60=22.40 W（2）电机启动功率 P=TMAX*=TMAX*2V/60=2*2240*1.001/60=234.8W.根据伺服电机选型原则:a)伺服电机最大转矩启动转矩，电机额定转矩负载转矩；b)服电机功率 x85%负载功率；c)伺服电动机最大转速负载转速。考虑到卷烟纸在第一供纸辊有压纸轮的压力对负载扭矩的影响及ZJ17卷接机组需要伺服电动机稳定工作速度为 2240rpm，同时考虑系统的动态响应特性和设备运行的稳定性等因素，综合考虑后选择德国 LENZE公司生产的型号为 MCS06F41-RS0B0 的伺服电动机。其参数如下表 1 所示：德国 LENZE 交流同服电动机以设计理论先进、机械零件加工精密、电动机检测手段完善而闻名。其 MCS系列伺服同步电机广泛用于精确运动控制。转矩范围:0.5 至 72Nm(0.25 至 15.8kW)。尤其适用于：要求动态性能佳、精度高且结构紧凑的应用。其产品特点：结构紧凑，可安装在严密的空间内；转动惯量低，动态响应性能好；可插拔连接设计，安装快速简单，便于维护；旋转变压器作为反馈，还可使用增量编码器或绝对值编码器替换。4 运动控制器选型：考虑到设备结构的紧凑型，选用运动控制器与伺服驱动器一体化的 I950 运动控制器。i950 伺服控制器是 LENZE 自动化平台的扩展，可以很容易地集成到伺服驱动系统中。I950 具有如下技术特点：中国科技期刊数据库 工业 A-197-表 1 伺服电机参数表 额定功率（W）静态扭矩（N.M）额定扭矩（N.M）额定速度（RPM）额定电流（A）额定电压（V）效率（）转动惯量（kgcm2）510 1.5 1.2 4050 1.5 320 0.77 0.22 i950 伺服控制器是高品质的伺服控制器。i950 伺服控制器基于 IEC 61131-3,PLCopen 和CiA 402 的标准，可用于各种机器任务。这种面向未来的平台架构确保了最大的可重用性，保证工程投资的安全性。高度用户友好-创新的交互选项，使更好的调试时间比以往任何时候。使用 SD 卡作为存储介质，可以方便地在设备之间传输数据。i950 伺服控制器可以很容易地用于多轴系统与控制器。与 Lenze 控制单元的集成和调试根据类似的原理进行。这促进了自动化机器模块的趋势。根据伺服电机的选定型号配置运动控制器型号为i95AE155F1AV10Z0，运动控制器参数表：表 2 运动控制器参数表 额定功率（W）供电电压（VAC）电机连接（轴）安全功能 防护等级 电磁干扰 SD卡 编码器 550 380 单轴 STO IP20 RFI 200 旋编 5 主机速度编码器选型 根据系统响应速度及分辨率要求，采用德国 SICK公司的增量式旋转编码器，分辨率为 4096 线，型号选择为：DFS60B-S4AK04096。6 应用注意事项（1）根据不同的负载，选用合适的伺服电机。（2）注意设备的电磁干扰问题，如果电机靠近变压器和发射机等强电设备，则必须采取屏蔽措施。（3）在使用过程中，要注意根据设备的实际运行情况及时对伺服系统进行校正。（4）在使用过程中要注意观察设备运行情况，及时处理发现的问题。6.1 技术改进效果 经过一段时间的改造，ZJ17 卷接机组原有的卷接工艺参数得到了有效改进，卷烟纸张力补偿调整机构也得到了有效改进。其主要效果有以下几个方面：（1）消除了由于卷烟纸张力变化引起的卷接工艺参数不稳定问题。通过调整卷烟机供纸伺服系统，使其能够稳定运行在卷接工艺参数要求范围内，使卷烟机生产运行平稳，提高了卷烟纸的质量。（2）提高了卷烟纸张力控制精度和卷接速度稳定性。（3）提高了设备运行可靠性和稳定性。通过对原卷接机组卷烟纸张力补偿调整机构进行改造，使得该机构能够适应各种不同负载变化和故障状况下的运行需求，提高了设备运行可靠性和稳定性。（4）节省了能源消耗和维修成本。通过采用伺服系统取代原设备的卷接工艺参数调整装置，可以大大降低系统能耗，节省生产成本。同时还可以缩短设备大修时间，节约大修费用。7 伺服系统的重要性 伺服系统作为一种能够代替传统机械传动的自动控制系统，具有很强的适应性，可以实现柔性制造，并可提供精确的位置和速度控制。在机械装备制造业中，伺服系统可应用于各种定位精度要求高、传动精度高、运动速度快、运动惯性小等场合。ZJ17 卷接机组原卷烟机供纸伺服系统存在着控制精度差、控制方式落后、电机过热等问题，由于设备生产效率低，经济效益差，生产过程中经常出现断纸或多纸等现象，严重影响了设备的生产效率。通过对ZJ17 卷接机组的改造，采用德国 LENZE 公司生产的交流同服电机和运动控制器一体化的 I950 运动控制器，可以较好地解决原设备存在的问题。该系统具有控制精度高、控制方式先进、响应速度快等特点，可以较好地满足卷接工艺参数调整和生产需求。改造后的设备运行稳定可靠，减少了停机维修时间，提高了设备运行效率。通过对 ZJ17 卷接机组的技术改造实践表明：采用德国 LENZE 公司生产的交流同服电机和运动控制器一体化的I950运动控制器作为核心控制部件可以满足现代卷接机组对卷烟机供纸伺服系统高精度、高速度、高柔性要求，大大提高了卷接机组的运行可靠性和稳定性。本文对 ZJ17 卷接机组卷烟机供纸伺服系统改造过程中遇到的问题进行分析和研究，并通过对电机及中国科技期刊数据库 工业 A-198-运动控制器选型设计、系统调试及应用等方面进行总结归纳和提炼，为以后类似卷接机组改造提供一定的参考。8 伺服系统的未来发展 目前，随着全球经济一体化和信息技术的发展，工业自动化已成为现代工业生产发展的必然趋势。而伺服系统作为先进的自动化控制技术，是工业自动化领域的重要组成部分。目前，随着国内经济的快速发展，企业对产品的质量要求也越来越高，而伺服系统作为生产过程中的关键设备，其性能和质量对产品质量具有决定性作用。因此，如何提高伺服系统性能、延长使用寿命和提高生产效率是企业面临的主要问题。目前，国内伺服系统主要以进口为主，随着国产化进程的加快和国家对民族产业发展的支持力度不断加大，伺服系统在我国工业生产中得到了广泛应用。但是国产伺服系统在精度、稳定性、可靠性和响应速度方面与进口伺服系统还存在一定差距。在今后工作中我们应加大力度，在工业应用领域不断探索创新，充分发挥国产伺服系统优势，推动国产伺服系统在国内工业领域得到更广泛应用。随着信息化社会的到来，现代制造业正在向智能制造迈进。未来生产制造中将广泛采用先进、智能、自动化技术及设备，推动企业向数字化、网络化、智能化方向发展。随着智能制造的不断推进和推广应用以及国家对先进装备制造业发展支持力度的不断加大，数控机床、机器人等高端装备产业将迎来新一轮快速发展。伺服系统作为高端装备制造业中的关键设备将会迎来更大发展机遇。今后应加大对国产伺服系统在科研和生产领域应用力度和技术支持力度，加快推动我国高端装备制造业升级发展。9 结语 本文通过对ZJ17卷接机组卷烟机供纸伺服系统改造实践的研究，提出了伺服系统在卷接机组中应用的必要性，并介绍了系统的组成及工作原理，提出了改造方案。通过对改造后的设备运行情况的观察，证实了改造后设备运行稳定可靠、生产效率提高、能源消耗降低、维修成本降低和生产成本降低等效果。本文的研究结果表明，采用伺服系统取代原卷烟机供纸伺服系统可以大大提高卷接机组的生产效率和产品质量，并且减少了系统停机时间，降低了能源消耗和维修成本。因此，采用伺服系统对原卷烟机供纸伺服系统进行改造是完全可行的，具有很高的推广价值。本文所论述的ZJ17卷接机组卷烟机供纸伺服系统改造过程中遇到的问题以及解决方案，为其它卷接机组供纸伺服系统改造提供了一定参考和借鉴。随着自动化技术及装备不断发展，生产制造中将会越来越多地采用先进、智能、自动化技术及设备。在今后工作中应加大对国产伺服系统在科研和生产领域应用力度和技术支持力度，加快推动我国高端装备制造业升级发展。参考文献 1李久国.ZJ17 型卷接机组培训教材M.北京:机械工业出版社,2021.2黄伟.电气技师手册M.北京:机械工业出版社,2021.3李方圆.变频器工程案例精讲M.北京:化学工业出版社,2023.4沙欣 费力扎德.电机及其传动系统M.北京:机械工业出版社,2021.