ZJ17卷煙機平準器獨立伺服驅動的改造方法

林拓?楊曉翔

摘 要：前國外廠家研發的最新的卷煙機在全國卷煙制造企業當中，廣泛使用ZJ17卷接機組作為卷煙卷制環節的主力機型，該機型的卷制成形機其主傳動系統中大量采用了皮帶傳動和齒輪傳動。本文主要分析了ZJ17卷煙機平準器傳動過程的缺陷，針對伺服獨立驅動技術的特點，提出了在ZJ17卷煙機上應用獨立伺服驅動技術替代原來齒輪傳動模式的解決辦法。

關鍵詞：ZJ17；平準器；伺服驅動

ZJ17卷煙設備是中國煙草目前主要的卷煙生產設備，生產過程中，因煙絲里偶爾含有雜質，容易造成劈刀、傳動齒形帶以及傳動箱內部的零部件損壞，修復設備造成的停機時間較長，且維修勞動強度高，維修后對設備的傳動精度有影響。平準器是煙支重量控制系統的重要組成部分，直接關系到煙支的各項物理指標是否符合工藝要求。若要減少該設備的維修工作量且提高煙支重量、空頭率等關鍵物理指標必須對平準器的傳動方式進行改進。

1 平準器傳動過程的缺陷

1. 平準器處于傳動鏈的末端，主電機通過主傳動齒輪箱、同步齒形帶、吸絲傳動齒輪箱傳動平準器，傳動路線長，涉及的零件多，當平準器因為煙絲雜質而卡死時，常常造成較大范圍的機械損傷，維修時間長、強度高。

2. 齒輪、同步齒形帶等零件磨損，直接影響平準器的運動精度、位置精度及運行平穩性，從而影響卷煙的產品質量。

3. 吸絲傳動齒輪箱、平準器采用集中強制潤滑，零件磨損、密封件老化等原因引起齒輪箱漏油，產品安全存在隱患。

4. 齒輪防過載能力差，若平準器卡到異物易引起吸絲傳動齒輪箱、平準器中齒輪的損壞，維修時間長，工作強度大。

2 平整器伺服控制的總體思路

采用伺服系統替代原有的平整盤傳動系統，取消帶傳動。改進思路主要解決四個問題：減少傳動鏈特別是帶傳動；減少傳動的漏油點；精確實現平整器與刀盤的同步運動；劈刀盤凹槽相對于刀盤切刀同步位置；實現平整器對重量的精確調整。

新型的平整器傳動系統主要由伺服電機，伺服控制器，軸編碼器，可視化操作屏以及電控軟件程序等組成。工作原理如圖1所示，軸編碼器跟蹤卷煙機主傳動（主傳動箱刀盤）的速度，由上位機設置劈刀盤凹槽相對于刀盤切刀同步性參數，而伺服控制器檢測劈刀盤凹槽相對于刀盤切刀同步性，當兩者同步性與上位機設置的參數位置出現偏差時，可通過其位置反饋于伺服電機，通過伺服電機實現對平整器速度的調整，使之與卷煙機主傳動速度同步，從而實現平整器與卷煙機主傳動的同步調節。

3 改進實施

3.1 確定電機安裝位置

伺服獨立驅動改造就是將原機傳統的齒輪傳動、帶傳動改為伺服電機獨立驅動。因此需要通過分析上述原機傳動路線圖來確定伺服電機的安裝位置和連接形式，并且要考慮改造后因潤滑點的減少，造成原潤滑系統各潤滑定的壓力和流量產生的變化。

3.1.1.取消原先的齒形帶、張緊輥、齒形帶輪Z=20或Z=16）、輸入軸101和齒輪系（Z=20、Z=34和Z=20）。伺服電機通過法蘭盤安裝在供料成條機吸絲傳動齒輪箱的前蓋板上，伺服電機通過聯軸器與平準器的傳動軸103連接。

3.1.2.取消原先的齒形帶、張緊輥、齒形帶輪（Z=34）、輸入軸109和齒輪系（Z=68、Z=68、Z=37和Z=51）。伺服電機通過法蘭盤安裝在供料成條機吸絲傳動齒輪箱的后箱體上，伺服電機通過聯軸器與吸絲成形的萬向聯軸節W1連接。

3.2 伺服控制器確定

伺服控制器（MDX61B）是整個系統運行的核心部件，它集成有IPOS定位和順序控制系統，通過選用相關的擴展功能插件，除了相關標配的功能以外，此伺服控制器還具有“電子凸輪”和“內部同步”應用功能；在此改造系統中，主要利用伺服控制器的“內部同步”功能，結合對卷煙機平準器機械結構的分析，在卷煙機后身的第二道同步帶輪處安裝系統選用的絕對值編碼器（AV1H），通過計算平準器和安裝編碼器處同步帶輪齒數比，得到內部同步所需的電子齒輪比（平準器同步帶輪齒數/安裝編碼器處齒數=20 / 40）；得到位置同步功能所需要的絕對位置比例關系（20/40）后，使用SEW自帶的MOVITOOLS軟件編輯自己所需要的邏輯關系，實現相應系統工作工藝與控制要求。

3.3. 電機控制信號采集

原機在平準器傳動方面使用齒形帶輪與同步皮帶進行傳動，因齒形帶輪的齒數的不同，形成了機器在不同部位所需要的不同速度和一定的相位比例；使用伺服獨立驅動難點就是要使得主機傳動與平準器要保證一定的相位關系。

特引入同步伺服控制系統中“電子齒輪比”概念，通常機械傳動是利用一定的齒數比實現定比傳動，實現數控后，最大的變化就是直驅。電子齒輪比一般是利用旋轉軸裝配的角度編碼器或旋轉編碼器的分度功能，使用數控或驅動裝置中的計數功能，使兩軸按一定比例旋轉，這就是電子齒輪比。

使用“電子齒輪比”實現機械上一定傳動比例關系就要使用相應的檢測元器件（編碼器），編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。

編碼器產生電信號后由數控制置CNC、可編程邏輯控制器PLC、控制系統等來處理。在ELTRA編碼器中角位移的轉換采用了光電掃描原理。讀數系統是基于徑向分度盤的旋轉，該分度由交替的透光窗口和不透光窗口構成的。此系統全部用一個紅外光源垂直照射，這樣光就把盤子上的圖像投射到接收器表面上，該接收器覆蓋著一層光柵，稱為準直儀，它具有和光盤相同的窗口。接收器的工作是感受光盤轉動所產生的光變化，然后將光變化轉換成相應的電變化。一般地，旋轉編碼器也能得到一個速度信號，這個信號要反饋給變頻器，從而調節變頻器的輸出數據。

按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。增量式編碼器以轉動時輸出脈沖，通過計數設備來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數設備的內部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何的移動，當來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計數設備記憶的零點就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的生產結果出現后才能知道。解決的方法是增加參考點，編碼器每經過參考點，將參考位置修正進計數設備的記憶位置。在參考點以前，是不能保證位置的準確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點，開機找零等方法。

多圈絕對式編碼器。編碼器生產廠家運用鐘表齒輪機械的原理，當中心碼盤旋轉時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎上再增加圈數的編碼，以擴大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復，而無需記憶。多圈編碼器另一個優點是由于測量范圍大，實際使用往往富裕較多，這樣在安裝時不必要費勁找零點，將某一中間位置作為起始點就可以了，而大大簡化了安裝調試難度。多圈式絕對編碼器在長度定位方面的優勢明顯，已經越來越多地應用于工控定位中。

通過對編碼器相關概念的了解，綜合原機平準器傳動技術要求；通過實驗驗證發現，采用多圈絕對值編碼器作為電機的速度與相位信號，能完全達到原機的同步帶輪以帶輪的齒數比實現相關控制要求。

參考文獻

1 YJ17-YJ27卷煙機組/《YJ17-YJ27》編寫組編.-北京：中國科學技術出版社.2001.8

2 德國HAUNI公司.PROTOS機械操作手冊