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高速自動(dòng)分切機(jī)設(shè)計(jì) 39
摘要
分切機(jī)是一種將寬幅紙張或薄膜分切成多條窄幅材料的機(jī)械設(shè)備，常用于造紙機(jī)械及印刷包裝機(jī)械。然而，目前國(guó)內(nèi)分切機(jī)的現(xiàn)狀及其與一些國(guó)際知名品牌之間存在的較大大差距，因此分析國(guó)內(nèi)分切機(jī)特點(diǎn)，結(jié)合一些國(guó)際知名品牌設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，吸取國(guó)內(nèi)外一些知名品牌制造廠商的控制經(jīng)驗(yàn)和新的控制思想。從基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)思路、張力檢測(cè)及控制、等方面進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)國(guó)產(chǎn)設(shè)備逐步取代進(jìn)口設(shè)備具有非常重要的意義。
關(guān)鍵詞：分切機(jī)，造紙機(jī)械，單片機(jī)控制，張力控制，糾偏控制
ABSTRACT
Slitter is a wide-format paper or film to be cut into more than a narrow range of materials machincal equipment， commonly used in paper making machinery and printing and packaging machinery. However， the current status is which has large gaps between a number of international brands and domestic slitter. Therefor， analysis the characteristics of domestic cutting machine， combined with some international famous brand design experience， to learn some domestic and abroad well-known brand manufacturers controling experience and the new controling ideas. Improving it in the basic structure， design ideas， tension measurement， control， and other aspects.It has very important significance that ??equipment made by domestic to gradually replace the imported equipment.
Key words:slitter, Paper Machinery, MCU control, tension control, corrective control
目 錄
1 緒論 1
1．1 選題背景及其意義 1
1.2 文獻(xiàn)綜述（國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)） 1
1.3 研究?jī)?nèi)容 2
2 分切機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì) 3
2．1課題需要解決的問(wèn)題以及相關(guān)參數(shù)設(shè)定 3
2．2分切機(jī)的總體方案的確定 3
2．3分切機(jī)的糾偏控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4
2．4氣脹軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 12
2．5分切機(jī)的張力控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
3 分切機(jī)電氣控制部分設(shè)計(jì) 23
3．1分切機(jī)的糾偏控制 23
3．2分切機(jī)的張力控制 24
3．3分切機(jī)的收卷電機(jī)控制 27
4 結(jié)論 36
參考文獻(xiàn) 37
致謝 38
1 緒論
1．1 選題背景及其意義
隨著科技的發(fā)展、社會(huì)文明的進(jìn)步，人們對(duì)紙的需求越來(lái)越大，促使近年來(lái)我國(guó)造紙行業(yè)的迅速蓬勃發(fā)展，作為配套的分切機(jī)在產(chǎn)品的分切及質(zhì)量控制方面起著關(guān)鍵的作用，分切是寬幅紙張生產(chǎn)線或印后加工的最后一道工序，在整個(gè)生產(chǎn)流程中占有十分重要的地位。鑒于我國(guó)分切機(jī)仍與一些國(guó)際的品牌存在著較大的差距，分切機(jī)又有其特有的專一性，我們有責(zé)任和義務(wù)，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)分切機(jī)的現(xiàn)狀及其與一些國(guó)際知名品牌之間存在的較大大差距，并吸取國(guó)內(nèi)外一些知名品牌制造廠商的控制經(jīng)驗(yàn)和新的控制思想，從結(jié)構(gòu)及人性化設(shè)計(jì)、電氣控制、生產(chǎn)制造等方面嚴(yán)格要求，在不斷學(xué)習(xí)國(guó)外知名品牌的先進(jìn)理念的同時(shí)，要勇于開(kāi)拓創(chuàng)新、大膽走出自己的特色，研制出控制先進(jìn)、操作方便可靠、更加人性化、外形簡(jiǎn)潔美觀的適合用戶的分切機(jī)。
1.2 文獻(xiàn)綜述（國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)）
目前我國(guó)的分切機(jī)與一些國(guó)際的品牌(如德國(guó)的康普KAMPE、英國(guó)的埃特拉斯ATLAS、意大利的鐵坦TITAN、日本的不--FUJI等)之間仍存在著較大的差距，國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的分切機(jī)自動(dòng)化水平還停留在中下游水平上，雖說(shuō)對(duì)國(guó)內(nèi)外控制原器件運(yùn)用已非常普及，價(jià)格也較低廉，但國(guó)內(nèi)分切機(jī)廠家在使用時(shí)，對(duì)分切工藝及材料特性等的理解深度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家水平，特別是在控制系統(tǒng)上與分切機(jī)的結(jié)構(gòu)、和所分切的物料上缺乏有機(jī)的結(jié)合，在這個(gè)層面上講，國(guó)產(chǎn)分切機(jī)絕大多數(shù)還停留在粗線條上，還沒(méi)有更深入領(lǐng)會(huì)分切機(jī)控制系統(tǒng)的嚴(yán)密性和合理性。在科學(xué)技術(shù)日新月異發(fā)展的當(dāng)今時(shí)代，隨著現(xiàn)代造紙機(jī)械的發(fā)展，為滿足當(dāng)代消費(fèi)者對(duì)商品包裝多樣化、精美化的需要。隨之人們對(duì)造紙機(jī)械的高自動(dòng)化、人性化及高的安全可靠性等要求也越來(lái)越高，伴隨著計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的日益廣泛和深入，同時(shí)將微電子技術(shù)、新傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、新工藝技術(shù)、新材料技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)等技術(shù)的應(yīng)用迅速滲透到造紙機(jī)械制造領(lǐng)域，這反映出我國(guó)現(xiàn)代造紙機(jī)械向高科技水平發(fā)展。隨著工業(yè)控制技術(shù)水平的提高，尤其是微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，微處理器與可編程控制器等大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，將它們與傳統(tǒng)工業(yè)控制相結(jié)合，加速了工業(yè)自動(dòng)化水平的提高。越來(lái)越多的工業(yè)控制過(guò)程在使用單片機(jī)，并在實(shí)時(shí)控制方面取得了很好的效果。
以TEMPO、FUJI、TEKKO等為代表的世界先進(jìn)制造廠商，主要從以下幾個(gè)方面提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能：
1采用對(duì)話式鍵盤操作，同時(shí)數(shù)據(jù)化顯示卷取數(shù)據(jù)，
2使操作不會(huì)因人而異
3操作方便可靠、更加人性化、外形美觀大方
1.2.1、國(guó)產(chǎn)分切機(jī)特點(diǎn)
（1）分切盤紙質(zhì)量不高
國(guó)產(chǎn)分切機(jī)自動(dòng)化控制程度低，操作不方便，油路、各線路不封閉，機(jī)架材質(zhì)差。需要人工使用吊車上輥、卸輥；卷紙輥采用的是光輥，由于設(shè)計(jì)精度不高，分盤時(shí)需借用外力開(kāi)盤，導(dǎo)致盤紙達(dá)不到工藝要求，卷煙廠家上機(jī)時(shí)易產(chǎn)生搖擺，影響使用質(zhì)量。
（2）設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量差
一方面，國(guó)產(chǎn)分切機(jī)使用一臺(tái)電機(jī)來(lái)完成牽引，這臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)牽引輥勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，牽引輥牽引分切材料恒線速度運(yùn)行，同時(shí)牽引輥帶動(dòng)磁粉離合器輸入軸，輸入軸帶動(dòng)分切軸運(yùn)行。由于分切材料直徑不斷增大，為了保持分切材料的恒線速度運(yùn)行，分切軸的轉(zhuǎn)速必須不斷減小，就導(dǎo)致輸出、輸入軸的轉(zhuǎn)差不斷增大，增大的轉(zhuǎn)差全都由磁粉離合器轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉。由于磁粉離合器熱功率有限，因此就限制了分切機(jī)的運(yùn)行速度。另一方面，因磁粉離合器的熱量隨轉(zhuǎn)差增大而升高，過(guò)高的溫度常常將磁粉離合器的磁粉和軸承燒結(jié)，摩擦系數(shù)隨之增大，因此必須經(jīng)常更換磁粉和軸承，嚴(yán)重時(shí)必須更換新的離合器。而且，摩擦系數(shù)的變化和離合器轉(zhuǎn)差增大直接影響扭力，使分切材料質(zhì)量受到影響。
（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理
國(guó)產(chǎn)分切機(jī)退紙架較低，不能分切輥徑過(guò)大的紙輥，因此增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度。沒(méi)有斷紙吸走裝置，當(dāng)紙輥由于紙病在分切過(guò)程中產(chǎn)生單盤斷紙時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)纏繞底刀現(xiàn)象，造成跳刀，使整輥盤紙起毛、起刺。在安全設(shè)計(jì)方面沒(méi)有任何聯(lián)鎖裝置、剎車裝置，也沒(méi)有安全防護(hù)裝置，安全系數(shù)幾乎為零。
總之，控制先進(jìn)、操作方便可靠、更加人性化、高效節(jié)能、外形簡(jiǎn)潔美觀是目前分切機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。
1.3 研究?jī)?nèi)容
本課題的主要是借鑒國(guó)外先進(jìn)分切機(jī)制造技術(shù)，結(jié)合自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一臺(tái)具有結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，高質(zhì)量分切盤紙的分切機(jī)。
1.3.1、分切機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要完成以下機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)
放卷裝置
分切裝置
收卷裝置
1，3-導(dǎo)向輥；2-張力控制輥；4，5，6，7，9，11，12，13- 導(dǎo)向輥；
9-刀槽輥 13-壓輥；14-跟蹤輥；15裝卸卷芯小車
結(jié)構(gòu)圖
1.3.2、在完成機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)的同時(shí)，采用單片機(jī)對(duì)分切機(jī)進(jìn)行糾偏及張力控制。提高分切機(jī)人性化、自動(dòng)化程度。
2 分切機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)
2．1課題需要解決的問(wèn)題以及相關(guān)參數(shù)設(shè)定
2.1.1 本課題需要解決的問(wèn)題
（1）確定分切機(jī)布置的合理方案；
（2）分切機(jī)的糾偏控制；
（3）收放卷裝置的設(shè)計(jì)；
（4）分切機(jī)的張力控制；
2.1.2 相關(guān)參數(shù)
（1）分切材料為紙張；
（2）材料分切速度5～160m/min；
（3）分切卷材最大寬度1100mm；
（4）分切卷材最大直徑φ600mm；
（5）糾偏誤差＜±0.5mm。
2．2分切機(jī)的總體方案的確定
分切機(jī)布置的方案
采用收卷輥、放卷輥置于分切機(jī)左右兩端，導(dǎo)向輥置于收卷放卷輥之間，并具有一定高度，這樣變不會(huì)被操作人員碰到，而造成危險(xiǎn)。
導(dǎo)向輥軸承校核
導(dǎo)向輥處軸承選用軸承6015
其中：內(nèi)徑：；
外徑：；
額定靜載荷：。
導(dǎo)向輥為選用部件，質(zhì)量未知，為此假設(shè)起為45#鋼（導(dǎo)向輥質(zhì)量遠(yuǎn)小于同體積45#鋼，），密度，
對(duì)導(dǎo)向輥的重量進(jìn)行近似計(jì)算，
導(dǎo)向輥體積：；
導(dǎo)向輥的質(zhì)量：；
脹軸的重力：。
軸承承受的軸向力：
由于軸承只受軸向力，初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷：
軸承的壽命（其中對(duì)球軸承）
軸承的壽命足夠。
2．3分切機(jī)的糾偏控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.3.1糾偏控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
引起跑偏的主要原因有：張力不適應(yīng)或張力波動(dòng)大、輥系不的不平行、棍子的偏心或有錐度、紙帶的厚度不均勻及橫向彎曲等，跑偏控制的作用在于使機(jī)組中收卷紙卷的定位，避免紙帶跑偏過(guò)大，而造成斷帶停產(chǎn)，同時(shí)由于實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)卷齊。使紙卷質(zhì)量高。
本設(shè)計(jì)是采用直流伺服電機(jī)帶動(dòng)與之連接的滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)收卷部分工作臺(tái)移動(dòng)，在收卷部分跑偏是，檢測(cè)裝置檢測(cè)到跑偏信號(hào)，通過(guò)電路控制直流伺服電機(jī)，推動(dòng)收卷部分支架的移動(dòng)，從而達(dá)到糾偏的控制。本系統(tǒng)中，由于檢測(cè)裝置安裝在卷取移動(dòng)部件上，檢測(cè)裝置也隨著收卷部分支架的移動(dòng)而移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了直接位置反饋。
2.3.2直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型
1.1、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算
卷筒紙的重量估算算
查有關(guān)數(shù)據(jù)知：
單位面積普通紙張重量：
普通紙張厚度：
由以上兩式得普通紙張的密度：；
卷筒紙的體積：；
卷筒紙的質(zhì)量：；
卷筒紙的力： ；
收卷部分支架采用槽鋼焊接而成，所使用的槽鋼總長(zhǎng)約為：；
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》知 單位長(zhǎng)度槽鋼的質(zhì)量；
收卷部分支架的質(zhì)量；
收卷部分支架的力；
直流電機(jī)Z4-100-1的質(zhì)量；
直流電機(jī)的力
收卷部分的力…………（1）
考慮到此為估算值，故留余量，取
由以上知，導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件，包括電路板、電機(jī)、工作臺(tái)等，估計(jì)重量約為
1.2、受力的計(jì)算
導(dǎo)軌僅受徑向力的作用： …………（2）。
1.3、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型
（1）滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取
工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本次設(shè)計(jì)的工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支撐形式。最大工作載荷，
查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-41（P48），根據(jù)工作載荷，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA—LG35型，其額定動(dòng)載荷，額定靜載荷。
工作臺(tái)面尺寸為，行程范圍很小，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-35（P45），按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為
（2）距離額定壽命的計(jì)算
由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》式（3-33 P46）知距離額定壽命的計(jì)算公式為：
…………（3）
上述選取的KL系列JSK—LG35型導(dǎo)軌副的滾道硬度為，工作溫度小于，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級(jí)，載荷不大。查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-36~表3-40 分別取硬度系數(shù)、溫度系數(shù)、接觸系數(shù)、精度系數(shù)、載荷系數(shù)，代入式（3），得距離壽命：
遠(yuǎn)大于期望值，距離額定壽命滿足要求。
2.3.3滾珠絲杠副選型和計(jì)算
（1）最大工作載荷的計(jì)算
如前所述，工作臺(tái)受垂直方向的力（與工作臺(tái)面垂直）G=5KN。按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算。查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-29(P38)，知最大工作載荷計(jì)算公式為：
…………（4）
取顛覆力矩影響系數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)，代入式（4），求得滾珠絲杠副的最大工作載荷為：
（2）最大動(dòng)載荷的計(jì)算
由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》式（3-23 P38）得最大動(dòng)載荷的計(jì)算公式為：
…………（5）
設(shè)最快速度：；
初選絲杠導(dǎo)程：；
則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速：。
取滾珠絲杠的使用壽命，代入，得絲杠壽命系數(shù)：（單位為：r）。查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-30（P39），取載荷系數(shù)，滾道硬度為時(shí)，取硬度系數(shù)，代入式（5），求得最大動(dòng)載荷為：
（3）初選型號(hào)
根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-31（P39），選擇G系列4006—3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為，導(dǎo)程為，循環(huán)滾珠為3圈x1列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為，大于，滿足要求。
（4）傳動(dòng)效率的計(jì)算
由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》式（3-24 P39）知道滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率計(jì)算公式為：
…………（6）
將公稱直徑，導(dǎo)程，代入，得絲杠螺旋升角。將摩擦角代入式（6），得傳動(dòng)效率為：
（5）剛度的驗(yàn)算
1）絲杠的拉伸或壓縮變形量的計(jì)算
在總變形量中占得比重較大可按根據(jù)《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》公式（3-25 P41）計(jì)算。其中，“+”號(hào)用于拉伸，“-”號(hào)用于壓縮。由于轉(zhuǎn)矩M一般較小，式中第2項(xiàng)在計(jì)算時(shí)可酌情忽略。
工作臺(tái)滾珠絲杠副的支撐均采用“雙推-簡(jiǎn)支”的方式。絲杠一端安裝推力角接觸球軸承和深溝球軸承，另一端僅安裝深溝球軸承，左、右支撐的中心距離約為；鋼的彈性模量；查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-31（P39），得
滾珠直徑：，
絲杠底徑：，
絲杠截面積：。
忽略式中第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉壓變形量為：
2）滾珠與滾道間的接觸變形量的計(jì)算
根據(jù)《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》式（3-26）和（3-27 P41），滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量的計(jì)算公式為：
無(wú)預(yù)緊時(shí) …………（7）
有預(yù)緊時(shí) …………（8）
當(dāng)滾珠絲杠副有預(yù)緊力，且預(yù)緊力達(dá)軸向工作載荷的時(shí)，值可減小一半左右。
根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)：；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為，代入公式：，得滾珠總數(shù)量：。絲杠無(wú)預(yù)緊時(shí)，則由式（7），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量：。
因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的，所以實(shí)際變形量可減小一半，?。?。
3）將以上算出的和代入，求得絲杠的總變形量
。
本次設(shè)計(jì)中，絲杠的有效行程很小，由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-27（P35）知，5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在<315mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到23μm，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。
（6）壓桿穩(wěn)定性校核
根據(jù)《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》公式（3-28 P42）知，滾珠絲杠失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷應(yīng)滿足：
…………（9）
查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-34（P42），取支承系數(shù)；由絲杠底徑，求得截面慣性；壓桿穩(wěn)定系數(shù)?。ńz杠臥式水平安裝）；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離α取最大值。代入式（9），得臨界載荷：
遠(yuǎn)大于工作載荷，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
綜上所述，初選滾珠絲杠副滿足使用要求。
2.3.4直流伺服電機(jī)選型和計(jì)算
（1）計(jì)算加在直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
已知：滾珠絲杠的公稱直徑，總長(zhǎng)，導(dǎo)程，材料密度；移動(dòng)部件總重量
根據(jù)《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表4-1（P56）常用部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式算得各零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：
滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
初選直流伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)為安川直流伺服電機(jī)SGMGH-03A B型，查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
（2）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩
1）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》式（4-8 P61）知包括三部分：即快速起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩、移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩和滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副的傳動(dòng)效率很高，且相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)，則有：
…………（10）
根據(jù)《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》式（4-9 P61），考慮傳動(dòng)鏈的總效率，得快速起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式為：
…………（11）
式中：——對(duì)應(yīng)最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，
單位為r/min（）；
——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位s。
設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間，傳動(dòng)鏈總效率，其中。
代入式（11）求得：
根據(jù)《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》式（4-10 P61），移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式為：
…………（12）
取滾動(dòng)導(dǎo)軌的導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，取傳動(dòng)鏈總效率，
代入式（12），得：
把和代入式（10），求得快速起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 。
（3）直流伺服電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定
考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓的影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，要考慮安全系數(shù)。本次設(shè)計(jì)取安全系數(shù)，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：
由以上參數(shù)，選擇安川直流伺服電機(jī) SGMGH-03A B型
額定功率：；
額定轉(zhuǎn)矩：；
瞬間最大轉(zhuǎn)矩：；
額定轉(zhuǎn)速：；
最高轉(zhuǎn)速：；
轉(zhuǎn)子慣量：；
允許負(fù)載慣量 電機(jī)慣量5倍以下
額定功率響應(yīng)率：。
2．4氣脹軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
2．4.1主要結(jié)構(gòu)及其工作原理
脹軸是卷筒紙分切機(jī)上的關(guān)鍵設(shè)備之一， 它的好壞直接影響著卷筒紙卷材的分切質(zhì)量， 其中包括容易造成的卷材邊部翹邊、錯(cuò)層等質(zhì)量缺陷。
氣脹軸結(jié)構(gòu)圖
該脹軸主要由軸向移動(dòng)的活塞體、脹軸主體、脹縮滑塊、兩端軸頭及充氣裝置組成?；钊w從充氣的傳動(dòng)側(cè)氣腔中獲得軸向推力，通過(guò)T 形塊把推力傳遞給下滑塊，由上下滑塊的摩擦斜面轉(zhuǎn)變?yōu)樯匣瑝K的徑向推力，從而使脹軸脹開(kāi)。相反， 脹軸傳動(dòng)側(cè)氣腔停止充氣后，活塞體在非傳動(dòng)側(cè)的彈簧的力的作用下，通過(guò)T 形塊把推力傳遞給下滑塊，使得上滑塊失去徑向推力的作用，從而使脹軸不在脹開(kāi)。下面分別敘述各部件的結(jié)構(gòu)和作用。
（1）活塞體
活塞體由組合密封、T 形塊等組成， 裝入脹軸主體中， 它在脹軸主體中可以作軸向滑動(dòng)。當(dāng)氣體進(jìn)入脹軸傳動(dòng)側(cè)氣腔中時(shí)， 活塞體就會(huì)被軸向推動(dòng)， 從而帶動(dòng)T 形塊軸向移動(dòng)。而當(dāng)停止通氣時(shí)，在非傳動(dòng)側(cè)彈簧力的作用下，活塞體將回復(fù)初始狀態(tài)。
（2）脹軸主體
脹軸主體是整個(gè)脹軸的最重要的構(gòu)件， 它支撐著整個(gè)脹軸的重量， 同時(shí)支撐著鋁卷材的重量， 它兩端內(nèi)壁是組成脹軸氣缸的氣缸筒， 活塞體在它內(nèi)部軸向滑動(dòng)， 同時(shí)脹軸主體兩端連接軸頭， 外部溝槽是脹縮滑塊的導(dǎo)向槽及支撐體。選用剛性較好且不易銹蝕的材料制造。
（3）脹縮滑塊
脹縮滑塊由上滑塊和下滑塊組成， 上滑塊和下滑塊的摩擦面與軸心線成一個(gè)角度， 當(dāng)傳動(dòng)側(cè)氣腔充氣時(shí)， 活塞體通過(guò)T 形塊帶動(dòng)下滑塊向非傳動(dòng)側(cè)方向作軸向移動(dòng)， 下滑塊的斜面和軸頭端面合力迫使上滑塊作徑向移動(dòng)，形成脹軸的脹開(kāi)。
（4）軸頭和充氣裝置
傳動(dòng)側(cè)軸頭上0形密封圈的端面和脹軸主體內(nèi)壁、活塞體組成一個(gè)氣腔，傳動(dòng)側(cè)軸軸頭氣嘴接一個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭， 脹軸工作時(shí)它一直給脹軸充氣， 以保證脹軸不會(huì)因震動(dòng)或其它原因縮回， 避免了上滑塊和卷芯內(nèi)壁可能產(chǎn)生的松動(dòng)。
2．4.2技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特性
主要技術(shù)參數(shù)：
(1) 脹軸正圓直徑為：148mm；
脹軸脹開(kāi)直徑為：150mm (最大) ；
脹軸收縮直徑為：146mm (最小) ；
(2) 速度為：2630r/min (最大) ；
(3) 壓縮空氣為：700kPa；
(4) 使用卷芯規(guī)格：寬度為1100mm (最大) ；
內(nèi)徑為150±2mm；
(5) 卷重為：310kg (最大)。
技術(shù)特性：
1) 采用標(biāo)準(zhǔn)密封件， 標(biāo)準(zhǔn)螺釘?shù)葮?biāo)件， 方便以后的維護(hù)和備件管理；
2) 采用通用的工業(yè)氣源；
3) 由于該脹軸有自鎖性， 即使有一定的漏氣，也不會(huì)對(duì)卷取產(chǎn)生大的影響。
2．4.3幾個(gè)主要參數(shù)的計(jì)算
（1）上下滑塊摩擦斜面與軸心夾角的確定
由于脹軸脹縮時(shí)主要摩擦力集中在上下滑塊間的摩擦面和下滑塊與脹軸主體的摩擦面，所以忽略其它影響較小的摩擦力和下滑塊的重量，主要分析上下滑塊間的摩擦面和下滑塊與脹軸主體的摩擦面的摩擦力。當(dāng)脹軸套上卷芯脹開(kāi)后，氣缸卸壓，由于卷芯的張力和彈簧回復(fù)力的作用，通過(guò)扇形塊傳遞給上滑塊一個(gè)壓力，該壓力又被上滑塊傳遞給下滑塊，使下滑塊產(chǎn)生一個(gè)向右滑動(dòng)的趨勢(shì)。
下滑塊所受水平方向合力(向右為正) ：
… ………………………（1）
由得：
…………………………（2）
………………………………（3）
…………（4）
(2) (3) (4) 代入(1) 得：
…………（5）
式中： ——下滑塊兩個(gè)相同摩擦副的摩擦系數(shù)；
——上滑塊和下滑塊斜面正壓力；
——脹軸主體對(duì)下滑塊的支撐力(上滑塊的徑向脹力) ；
——上滑塊和下滑塊斜面的摩擦力；
——下滑塊和脹軸主體的摩擦力。
由(5) 式可知，的取值在0～ 45°間，當(dāng)時(shí)，時(shí)，下滑塊將不能自鎖，會(huì)向右移動(dòng)； 當(dāng) 時(shí)，下滑塊將能自鎖，但數(shù)值將隨著A的減小而負(fù)增大(此時(shí)即摩擦阻力變大) ，它將消耗活塞體提供的動(dòng)力， 并且容易造成脹軸卡死。因此合適選擇A角度將會(huì)更有利于脹軸的使用。值可參照表1選用。
選擇45#鋼做為脹軸的材料，查上表得：
…………（6）
將其代入，求得：
…………（7）
由已知得：
…………（8）
將（6）（7）（8）式代入（5）式得：
（2）活塞直徑和氣源氣壓的確定
脹軸收縮時(shí)，活塞體向下滑塊提供的軸向力， 即：
…………（9）
選取彈簧使得在壓緊狀態(tài)時(shí)：
…………（10）
脹軸脹開(kāi)時(shí)，活塞體向下滑塊提供的軸向力：
…………（11）
將（2）、（3）、（4）、（6）、（7）式代入（11）式中，得：
…………（12）
為了制造方便，讓脹軸兩側(cè)氣腔活塞直徑相同，只用分析脹軸脹開(kāi)時(shí)活塞體向下滑塊提供的軸向力的氣壓即可。
…………（13）
將(12) 式代入（13) 式中得：
…………（14）
式中： ——脹軸主體對(duì)下滑塊的支撐力(上滑塊的徑向脹力) ；
——脹軸收縮時(shí)活塞體向下滑塊提供的軸向力；
——脹軸脹開(kāi)時(shí)活塞體向下滑塊提供的軸向力；
——活塞直徑；
—— 空氣壓力；
由(14) 式可知，當(dāng)上滑塊需要的徑向力 (即脹軸的脹開(kāi)力) 一定時(shí)，活塞直徑 越大，所需要的空氣壓力就越小。為了讓空氣壓力的值在通用工業(yè)氣源范圍內(nèi)，在不影響脹軸主體強(qiáng)度的情況下，盡可能擴(kuò)大活塞直徑 的尺寸。
綜合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及氣壓參數(shù)等選取直徑：得：
即所提供的氣壓應(yīng)大于0.5Mpa。
（3）脹軸重量估算
脹軸大部分材料為45#鋼， 故用45#鋼的密度（即?。?
對(duì)脹軸的重量進(jìn)行近似計(jì)算，
脹軸體積：；
脹軸的質(zhì)量：；
脹軸的力：；
支撐脹軸所需的力；
初選選取氣缸：缸徑：；
活塞桿直徑：；
氣缸推力：；
即工作壓力即可。
2．5分切機(jī)的張力控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.5.1張力控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
分切機(jī)采用直流電機(jī)控制主動(dòng)收卷，被動(dòng)放卷，放卷輥軸端安裝摩擦片，控制增加放卷阻尼，進(jìn)行初步的張力控制，再在放卷與收卷部分安裝張力傳感器、氣缸及力控制輥，張力傳感器檢測(cè)張力大小，用此信號(hào)控制氣缸上下移動(dòng)，氣缸與張力控制輥的一端相連，氣缸上下移動(dòng)，通過(guò)張力控制輥上的支點(diǎn)，控制另一端上下移動(dòng)從而達(dá)到進(jìn)一步控制張力的目的。
張力控制部分簡(jiǎn)圖
2.5.2傳感器的選型
普通紙張張力一般小于30N。由此選擇張力傳感器：
ABB張力傳感器：Rectangular load cells PFVL 141V，
Measurement range 0.63 – 56 N ，
380X130
其中 、 、。
2.5.3氣缸的選型及計(jì)算
由杠桿的平衡公式：，得：
因?yàn)闅鈮焊姿苿?dòng)的力較小，選擇較小的氣壓缸即可
選取氣缸：缸徑：；
活塞桿直徑：。
由活塞桿直徑求得氣缸推力：
氣壓缸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)杠桿的另一端向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)所受的力不受影響；氣壓缸向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)杠桿另一端向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)所施加的力應(yīng)大于紙張張力，所以氣缸的推力應(yīng)滿足：
即工作壓力
取即氣缸所需的氣壓為0.3Mpa
2.5.4直流電機(jī)的選型及同步帶的計(jì)算
（1）直流電機(jī)的選型
收卷部分采用直流電機(jī)收卷。由設(shè)計(jì)要求知：
分切卷材最大直徑 …………（1）；
材料分切速度： …………（2）；
收卷脹軸的直徑可視為最小直徑： …………（3）
分切材料為紙張，查得紙張張力不得大于，故?。骸?）
當(dāng)分切速度不變時(shí)，卷筒紙卷徑越小，轉(zhuǎn)速越大，所以:
將（2）式代入（5）式中得：
當(dāng)紙張張力不變時(shí)，卷筒紙卷徑越大，所需的力矩越大，所以：
根據(jù)的值，初選直流電機(jī)Z4-100-1。
其中：
由公式：
知：
故直流電機(jī)Z4-100-1符合要求。
其中：最高轉(zhuǎn)速：；
線速度：；
最低轉(zhuǎn)速 。
（2）同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
同步帶傳動(dòng)是一種新型的機(jī)械傳動(dòng)。由于它是一種嚙合傳動(dòng)，因而帶和帶輪之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，從而使主、從輪間的傳動(dòng)達(dá)到同步。
同步帶傳動(dòng)和V帶、平帶相比具有：
(1)傳動(dòng)準(zhǔn)確，無(wú)滑動(dòng)，能達(dá)到同步傳動(dòng)的目的；
(2)傳動(dòng)效率高·一般可達(dá)馳蓐；
(3)速比范圍大 允許線速度也高；
(4)傳遞功率范圍大。從幾十瓦到幾百千瓦；
(5)結(jié)構(gòu)緊湊，還適用于長(zhǎng)軸傳動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。
因此， 同步帶傳動(dòng)已日益引起各方面的注意和重視，并把這種傳動(dòng)應(yīng)用到各種機(jī)械設(shè)備上。相應(yīng)地設(shè)計(jì)者要求有一種設(shè)計(jì)方法來(lái)臺(tái)理地選擇同步帶傳動(dòng)的各項(xiàng)參數(shù)。
一、同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
同步帶傳動(dòng)是以帶齒與輪齒依次嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力。達(dá)到同步傳動(dòng)的目的。因此，在同步帶傳遞扭矩時(shí)，帶將受拉力作用。帶齒承受剪切，而帶齒的工作表面在進(jìn)入和退出與輪齒嚙合的過(guò)程中將被磨損。因此同步帶的主要失效形式有如下三種：
(1)同步帶承載繩(又稱骨架繩)的疲勞斷裂；
(2)帶齒的剪切破裂：
(3)帶齒工作表面磨損。失去原來(lái)的形狀。
根據(jù)試驗(yàn)分析，當(dāng)同步帶繞于帶輪時(shí)，在所包圓弧內(nèi) 帶齒與帶輪齒的嚙合齒數(shù)z．大于6時(shí) 帶齒的剪切強(qiáng)度將大干帶的抗拉強(qiáng)度。同時(shí)，隨著粘附于帶齒工作表面上的尼龍包布層的設(shè)置．使帶齒的耐磨性有了很大的提高。因此在同步帶正常工作條件下，同步帶的主要失效形式是帶在變拉力作用下的疲勞斷裂 所以同步帶傳動(dòng)是根據(jù)帶的抗拉強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。
1、確定同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率
式中：——載荷修正系數(shù)，
——工作機(jī)上的電機(jī)功率：
根據(jù)原動(dòng)機(jī)工作類型和每日運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等因素查表8-7（機(jī)械設(shè)計(jì)第八版.濮良貴主編），載荷變動(dòng)微小，每天工作小時(shí)<10h，?。篕=1.0，則：
2、確定帶的型號(hào)和節(jié)距
根據(jù)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率和小帶輪轉(zhuǎn)速，查得帶的型號(hào)為L(zhǎng)型，對(duì)應(yīng)節(jié)距（見(jiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》）
3、選擇小帶輪齒數(shù)
由小帶輪轉(zhuǎn)速和L型帶，查表（見(jiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》）得小帶輪最小許用齒數(shù)：， 取
由 ，
得大齒輪齒數(shù)：
4、確定帶輪節(jié)圓直徑：
5、確定同步帶的節(jié)線長(zhǎng)度
式中（以a=600mm計(jì)）則：
6、計(jì)算同步帶齒數(shù)
同步帶齒數(shù)：
7、確定同步帶設(shè)計(jì)功率為時(shí)所需帶寬
（1）計(jì)算所選型號(hào)同步帶的基準(zhǔn)額定功率
式中： ——許用工作拉力；
——單位長(zhǎng)度質(zhì)量；
—— 線速度；
查表（見(jiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》）得：、。
同步帶的速度：
其中，代入上式得：
（2）計(jì)算小帶輪嚙合齒數(shù)
小帶輪的嚙合齒數(shù)：
（3）確定實(shí)際所需帶寬
式中：——帶所能傳遞功率 kW
——嚙合系數(shù)， 因時(shí)
——帶寬系數(shù) ，，查表1L型帶
將式代入，則：
取標(biāo)準(zhǔn)寬度：
（見(jiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》）
8、驗(yàn)算
額定功率大于設(shè)計(jì)功率，則帶的傳動(dòng)能力已足夠，所選參數(shù)合格。
9、結(jié)果整理
(1)帶：選用L型同步帶
其中：節(jié)距：
帶長(zhǎng)：
齒數(shù)：
標(biāo)準(zhǔn)寬度：
(2)帶輪：齒數(shù)：
直徑：
3 分切機(jī)電氣控制部分設(shè)計(jì)
3．1分切機(jī)的糾偏控制
3.1.1控制原理
直流伺服電機(jī)控制常見(jiàn)的跑偏控制系統(tǒng)有氣液和光電伺服控制系統(tǒng)。兩者的工作原理相同，區(qū)別僅在于檢測(cè)裝置的不同。前者為氣動(dòng)檢測(cè)裝置和氣、液伺服閥，后者為光電檢測(cè)裝置和直流伺服電機(jī)。他們各有所長(zhǎng)。采用光電檢測(cè)裝置和直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)有信號(hào)傳輸快、反饋方便，光電檢測(cè)裝置安裝方便等特點(diǎn)，但系統(tǒng)較復(fù)雜。下面對(duì)該系統(tǒng)的控制原理進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。
系統(tǒng)由光電檢測(cè)裝置，電放大器，直流伺服電機(jī)、卷取機(jī)所組成。光電檢測(cè)裝置用來(lái)檢測(cè)紙帶的橫向跑偏及方向，它由電源和光電管接收器組成。利用光電管作為一個(gè)橋臂構(gòu)成的電橋電路，輸出的電壓信號(hào)是反映帶邊偏離的偏差信號(hào)，送入放大器。當(dāng)紙帶正常運(yùn)行時(shí)，光電管的一半接受光照，其電阻值為R1=a，調(diào)整電阻R2、R3使R1*R3=R2*R4，電橋平衡無(wú)輸出。當(dāng)紙帶跑偏，帶邊偏離檢測(cè)裝置的中央位置時(shí)光電管接收的光照發(fā)生變化，電阻值也隨之變化，使電橋失去平衡，從而產(chǎn)生偏差信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)放大器放大后輸入直流伺服電機(jī)，直流伺服電機(jī)獲得信號(hào)后，正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再在通過(guò)滾珠絲杠副帶動(dòng)滾珠絲杠副上的收卷部分支架向向跑偏的方向跟蹤，當(dāng)跟蹤位移和跑偏的位移相等時(shí)，偏差信號(hào)等于零，卷筒停止移動(dòng)。在新的平衡狀態(tài)下卷取，完成了自動(dòng)糾偏過(guò)程。此外，將檢測(cè)裝置安裝在收卷部分支架上，使得檢測(cè)裝置隨著支架的移動(dòng)而移動(dòng)，檢測(cè)裝置的隨動(dòng)在完成糾偏后，檢測(cè)裝置的偏差信號(hào)變?yōu)?，從而形成自動(dòng)糾偏控制。
X
光電
檢測(cè)器
運(yùn)算
放大器
直流伺服電機(jī)
卷取機(jī)
X
+
-
Xe
Xp
Ug
差動(dòng)
電流
跟蹤
位移
跑偏控制系統(tǒng)工作原理圖
3.1.2硬件接線
跑偏控制系統(tǒng)電路圖
放大倍數(shù)的計(jì)算
由電路結(jié)構(gòu)分析可知：
通常電路中，則對(duì)差模輸入電壓，測(cè)量放大器的增益為：
3．2分切機(jī)的張力控制
3.2.1控制原理
紙帶張力控制由張力控制輥、收卷電機(jī)、放卷部分摩擦片來(lái)組建立。卷筒紙帶以直流電機(jī)作牽引帶動(dòng)收卷脹軸，安裝在軸端的摩擦片產(chǎn)生放卷負(fù)載以造成所需的張力。但由于系統(tǒng)各部件慣性大，時(shí)間滯后大，當(dāng)外界干擾引起紙帶的內(nèi)張力波動(dòng)時(shí)，不能及時(shí)調(diào)整。其控制精度低，不能滿足要求。為了滿足張力波動(dòng)控制要求，在張力輥組之間設(shè)立一氣壓張力伺服控制系統(tǒng)來(lái)提高控制精度。他的工作原理如下：在一導(dǎo)向輥的左右兩軸承座下各安裝一力傳感器作為檢查裝置。兩傳感器檢查所得信號(hào)的平均值與給定的信號(hào)值比較。出現(xiàn)偏差時(shí)，信號(hào)經(jīng)測(cè)量放大器放大后輸入伺服閥。若實(shí)際張力與給定值相等，則偏差信號(hào)為零，伺服閥無(wú)輸出，氣壓缸保持不動(dòng)。當(dāng)張力增大時(shí)，偏差信號(hào)使伺服閥在某一方向產(chǎn)生開(kāi)口量，輸出一定電流，使氣壓缸向上移動(dòng)，抬起張力控制輥，張力減小到額定值。反之張力減小時(shí)，則產(chǎn)生的偏差信號(hào)使伺服閥控制氣壓缸向下運(yùn)動(dòng)，張力控制輥下移張緊紙帶，使張力升高到額定值。因此系統(tǒng)是一個(gè)恒值控制系統(tǒng)。他保證紙帶張力符合要求，提高了卷紙的質(zhì)量。
X
運(yùn)算
放大器
電氣
伺服閥
氣壓缸
張力
調(diào)節(jié)器
給定張力X
+
-
Xp
張力
傳感器
實(shí)際張力
張力控制系統(tǒng)工作原理圖
3.2.2硬件接線
張力控制系統(tǒng)電路圖
(1) 反相電路
反相放大器的原理：
根據(jù)分析可知：
；
如圖可列出：
由此得出：
則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：
反相放大器
當(dāng)取時(shí)，，反相放大器將傳感器的正信號(hào)變?yōu)樨?fù)信號(hào)，在將它的輸出端接在反相放大器A5的正端進(jìn)行比較。
（2）比較電路
在比較電路中使：，則：
（3）放大電路
通常電路中，則對(duì)差模輸入電壓，測(cè)量放大器的增益為：
3．3分切機(jī)的收卷電機(jī)控制
3.1.1控制原理
由于分切機(jī)的分切速度保持恒定不變，而卷筒紙的直徑不斷減小，為保持分切速度恒定，需要對(duì)收卷裝置進(jìn)行調(diào)速控制。
本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)控制，由鍵盤輸入初始信號(hào)，單片機(jī)輸出脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路，對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，并且對(duì)鍵盤輸入進(jìn)行顯示。
(1)8051單片機(jī)的基本組成
8051單片機(jī)由CPU和8個(gè)部件組成，它們都通過(guò)片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本組成如下圖所示：
8051單片機(jī)基本組成
（2）CPU及8個(gè)部件的作用功能介紹如下
中央處理器CPU：它是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。
內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：8051芯片中共有256個(gè)RAM單元，能作為存儲(chǔ)器使用的只是前128個(gè)單元，其地址為00H—7FH。通常說(shuō)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是指這前128個(gè)單元，簡(jiǎn)稱內(nèi)部RAM。
特殊功能寄存器：是用來(lái)對(duì)片內(nèi)各部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)特殊功能的RAM區(qū)，位于內(nèi)部RAM的高128個(gè)單元，其地址為80H—FFH。
內(nèi)部程序存儲(chǔ)器：8051芯片內(nèi)部共有4K個(gè)單元，用于存儲(chǔ)程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡(jiǎn)稱內(nèi)部ROM。
并行I/O口：8051芯片內(nèi)部有4個(gè)8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。
串行口：它是用來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。
定時(shí)器：8051片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)功能，并且以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。
中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個(gè)中斷源，即外部中斷2個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷2個(gè)和串行中斷1個(gè)。
振蕩電路：它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成8051單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列的時(shí)鐘電路。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為12MHz。
（3）8051單片機(jī)引腳圖
8051單片機(jī)引腳圖
(4)單片機(jī)系統(tǒng)中所用其他芯片簡(jiǎn)介
1.地址鎖存器74LS373
74LS373片內(nèi)是8個(gè)輸出帶三態(tài)門的D鎖存器。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：
74LS373片內(nèi)三態(tài)門的D鎖存
當(dāng)使能端G呈高電平時(shí)，鎖存器中的內(nèi)容可以更新，而在返回低電平的瞬間實(shí)現(xiàn)鎖存。如果此時(shí)芯片的輸出控制端為低，也即是輸出三態(tài)門打開(kāi)，鎖存器中的地址信息便可以通過(guò)三態(tài)門輸出。以下是其引腳圖：
74LS37引腳圖
2.擴(kuò)展模塊8255A芯片的介紹
8255作為主機(jī)與外設(shè)的連接芯片，必須提供與主機(jī)相連的3個(gè)總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時(shí)必須具有與外設(shè)連接的接口A、B、C口。由于8255可編程，所以必須具有邏輯控制部分，因而8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分：與CPU連接部分、與外設(shè)連接部分、控制部分。
CS:芯片選擇信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)，即/CS=0時(shí)，表示芯片被選中，允許8255與CPU進(jìn)行通訊；/CS=1時(shí)，8255無(wú)法與CPU做數(shù)據(jù)傳輸. RD:讀信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)，即/RD=0且/CS=0時(shí)，允許8255通過(guò)數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。
WR:寫(xiě)入信號(hào)，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)，即/WR=0且/CS=0時(shí)，允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫(xiě)入8255。A1，A0:地址選擇線，用來(lái)選擇8255的PA口，PB口，PC口和控制寄存器.
當(dāng)A1=0，A0=0時(shí)，PA口被選擇；
當(dāng)A1=0，A0=1時(shí)，PB口被選擇；
當(dāng)A1=1，A0=0時(shí)，PC口被選擇；
當(dāng)A1=1.A0=1時(shí)，控制寄存器被選擇.
3.1.2鍵盤及顯示的接線圖編程
8051外擴(kuò)1片8255，8255的PA口為輸出口，控制鍵盤列線的掃描，PA口同時(shí)為共陰極顯示器的位掃描口。PB口作為顯示器的段碼口，8255的PC口作為鍵盤行線的輸入口，7407為同向驅(qū)動(dòng)器。
鍵盤及顯示器的硬件接線圖
N
N
Y
Y
Y
有鍵閉合否？
有鍵閉合否？
有鍵閉合否？
返回
輸入鍵號(hào)→A
2次調(diào)用顯示子程序延遲12ms
判斷閉合鍵鍵號(hào)→堆棧
調(diào)用顯示子程序延遲6ms
開(kāi)始
N
鍵盤子程序的流程圖
顯示器緩沖區(qū)指針置初值79H→R0
開(kāi)始
掃描模式置初值01H→R3
取顯示數(shù)據(jù)查表轉(zhuǎn)換為段碼→8255B口
延時(shí)1ms
R3→8255A口
顯示緩沖器指針R0加1
R3左移1位
返回
（R3）.5=1？
Y
顯示子程序流程圖
3.1.3直流電機(jī)PWM控制的接線圖及編程
直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性和良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣；過(guò)載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，最大轉(zhuǎn)矩大，能在寬廣的范圍內(nèi)平滑、經(jīng)濟(jì)地調(diào)速，轉(zhuǎn)速控制容易，調(diào)速后效率很高。與交流調(diào)速相比，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，維護(hù)工作量大。電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要方向之一。采用微機(jī)控制后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，操作維護(hù)方便，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平，靜動(dòng)態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動(dòng)的要求。由于單片機(jī)性能優(yōu)越，具有較佳的性能價(jià)格比，所以單片機(jī)在工業(yè)過(guò)程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。
（1）PWM的基本原理
PWM 調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn):由于PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好；同樣，由于開(kāi)關(guān)頻率高，快速響應(yīng)特性好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可以獲得很寬的頻帶；開(kāi)關(guān)器件只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置效率高。
PWM 調(diào)速系統(tǒng)很早已出現(xiàn)，但是因?yàn)槿狈Ω咚匍_(kāi)關(guān)元件而未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。在近年來(lái)，由于大功率開(kāi)關(guān)器件的制造成功和成本的不斷下降， PWM調(diào)速系統(tǒng)又受到重視。PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。
在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)槿绱耍琍WM又被稱為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。
如下圖所示：
時(shí)序圖
設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為，則電機(jī)的平均速度為V其中Va指的是電機(jī)的平均速度；Vmax 是指電機(jī)在全通電時(shí)的最大速度；是指占空比。
由上面的公式可見(jiàn)，當(dāng)我們改變占空比時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Va，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，平均速度Va 與占空比D并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。
同過(guò)控制PWM的占空比來(lái)控制直流電機(jī)的平均電壓，從而達(dá)到控制直流電機(jī)的目的。
硬件系統(tǒng):
直流電機(jī)調(diào)速的計(jì)算
由體積相等求得卷筒紙的長(zhǎng)度：
已知（其中：——分切速度），得：
，
又已知，得：
由公式知曲線為非線性曲線，為方便控制，根據(jù)卷徑將其近似為3段直線，
在卷徑為0.300~0.225mm時(shí)，速度變化為657.5~876.7r/min，所用時(shí)間63.26min
在卷徑為0.225~0.150mm時(shí)，速度變化為876.7~1315.0r/min，所用時(shí)間42.18min
在卷徑為0.150~0.075mm時(shí)，速度變化為2630~1315.0r/min，所用時(shí)間21.9min
由以上數(shù)據(jù)的到3條曲線。
方波子程序流程圖如下：
讀取輸入卷徑
換算成占空比
給初值
比較占空比大小
設(shè)定計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)次數(shù)2
設(shè)定計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)次數(shù)7
設(shè)定計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)次數(shù)1
調(diào)用方波子程序
占空比加1
是否到執(zhí)行次數(shù)
返回
大
中
小
Y
N
開(kāi)始
占空比是否為0
4 結(jié)論
近半年來(lái)，通過(guò)對(duì)以《告訴自動(dòng)分切機(jī)的設(shè)計(jì)》為題的畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究，使我對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)以及對(duì)機(jī)械電子工程專業(yè)的學(xué)習(xí)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。從總體方案設(shè)計(jì)、方案對(duì)比、確定最終設(shè)計(jì)方案，到分切機(jī)糾偏控制的設(shè)計(jì)、張力控制的設(shè)計(jì)，我獲益匪淺。讀萬(wàn)卷書(shū)，行萬(wàn)里路。從無(wú)從下手到最終完成，這是一種過(guò)程，一種把大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)融合的過(guò)程，是一個(gè)將知識(shí)運(yùn)動(dòng)到實(shí)踐的過(guò)程，更是一條讓我們從學(xué)校慢慢踏上工作的一個(gè)必經(jīng)之路。
作為機(jī)械電子工程專業(yè)的學(xué)生，除了設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，還要涉及電氣控制。利用微機(jī)進(jìn)行編程，對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)然，在編寫(xiě)程序的時(shí)候，會(huì)遇到不少困難，如：對(duì)匯編語(yǔ)言的生疏，PWM控制知識(shí)的模糊、單片機(jī)的硬件接線等等。但是在老師的悉心指導(dǎo)下和閱讀相關(guān)微機(jī)控制以及電機(jī)控制的書(shū)籍后，問(wèn)題都迎刃而解了。
通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，也暴露了一些自己平時(shí)學(xué)習(xí)上的一些不足，比如：專業(yè)知識(shí)不扎實(shí)、一知半解；對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)了解還不夠，包括如何精確定位、如何正確安裝等；計(jì)算機(jī)輔助軟件操作生疏等，但這些不是壞事，反而給我今后的學(xué)習(xí)照亮了方向，明確了學(xué)習(xí)目標(biāo)，相信通過(guò)自己的努力，一定能彌補(bǔ)這些不足。
最終，完成了A0#《分切機(jī)總裝圖》、A1《氣脹軸裝配圖》、A1#《分切機(jī)電氣圖》以及若干零件圖，設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份，開(kāi)題報(bào)告一份，外文文獻(xiàn)翻譯兩篇等。
相信通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)今后從事機(jī)電行業(yè)的我一定能帶來(lái)很大的幫助。
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致謝
我本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是高速自動(dòng)分切機(jī)設(shè)計(jì)，通過(guò)自己的學(xué)習(xí)和韓雄飛老師的耐心指導(dǎo)，按時(shí)完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的過(guò)程，是將知識(shí)付諸實(shí)踐的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)不斷完善所學(xué)的知識(shí)，使設(shè)計(jì)變得更加完整和充實(shí)。
本次設(shè)計(jì)是在尊敬的韓雄飛老師的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的。在辦公室里，他犧牲了自己休息的時(shí)間，認(rèn)真的向我講解分切機(jī)的結(jié)構(gòu)，特別是張力控制系統(tǒng)，糾偏控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其原理；為我指出設(shè)計(jì)中的不足、說(shuō)明書(shū)的缺陷。他以其淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、開(kāi)拓進(jìn)取精神和高度的責(zé)任心和熱情，給我的學(xué)習(xí)、生活以及以后的工作態(tài)度產(chǎn)生了很大的影響，使我受益終生。在此謹(jǐn)向恩師致以最誠(chéng)摯的敬意和深深的感謝。
同時(shí)，我還要感謝每一位老師給予我的幫助、指導(dǎo)與鼓勵(lì)；感謝與我并肩作戰(zhàn)的各位同學(xué)與我一起學(xué)習(xí)，一起探究！謝謝！
由于時(shí)間有限和本人的水平關(guān)系，本論文存在著許多問(wèn)題和不足，希望各位老師批評(píng)指正，特此致以誠(chéng)摯的謝意！
謝謝！