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立式小型包裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)及對(duì)整機(jī)的影響

來(lái)源:   2007年02月05日 11:12  
  摘要:通過(guò)分析立式小型包裝機(jī)的機(jī)構(gòu)組成和傳動(dòng)系統(tǒng),論述了機(jī)電一體化技術(shù)在包裝機(jī)械中的應(yīng)用及其相關(guān)內(nèi)容,如傳遞函數(shù)、傳動(dòng)程序、觸摸屏與PLC:并敘述了傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)本機(jī)的影響。   

    在率、成批量生產(chǎn)的食品、醫(yī)藥行業(yè),包裝機(jī)械具有特殊的意義。它既反映了勞動(dòng)生產(chǎn)率提高的現(xiàn)狀,又體現(xiàn)了科技進(jìn)步的程度。本文以一種立式小型包裝機(jī)為例,論述包裝機(jī)械中的機(jī)電一體化技術(shù)。   

1、概況   

    該機(jī)集機(jī)械、電氣、氣壓傳動(dòng)為一體,采用PLC和彩色觸摸屏(工業(yè)控制屏)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和人機(jī)對(duì)話,可自動(dòng)完成提升(送料)、走膜(制袋)、落料(填充)、熱封(橫封和豎封)、切斷、計(jì)數(shù)、打印的全過(guò)程。適用于粉粒物料的大批量、小包裝生產(chǎn)。   

    包裝的主要參數(shù):塑料薄膜單面厚度≥50μm,袋寬分別為125、140、160mm,袋長(zhǎng)可調(diào)而且誤差≤±2mm,填充重量250~1000克/袋,包裝速度40~60袋/分鐘。   

    整機(jī)結(jié)構(gòu)上由3個(gè)獨(dú)立部分——輸送機(jī)、提升機(jī)、制袋機(jī)構(gòu)成,傳動(dòng)系統(tǒng)分四個(gè)支系統(tǒng)。   

    機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng):制袋機(jī)上有行星輪、蝸輪蝸桿減速器,用于走膜、轉(zhuǎn)盤、量杯和走膜框機(jī)構(gòu)。走膜機(jī)構(gòu)由行星減速器傳動(dòng),套筒滾子鏈傳動(dòng),同步齒形帶傳動(dòng)等3部分組成:轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)是蝸輪蝸桿減速器傳動(dòng);量杯機(jī)構(gòu)和走膜框機(jī)構(gòu)均由蝸輪蝸桿減速器和螺旋傳動(dòng)組成。提升機(jī)由減速器和螺旋輸送機(jī)組成。輸送機(jī)由減速器和皮帶傳送機(jī)組成。   

    氣壓傳動(dòng)系統(tǒng):采用單氣源集中供氣,氣缸執(zhí)行往返循環(huán)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)走膜機(jī)構(gòu)的剎車和對(duì)包裝袋的橫、豎封口,切斷等工步。  
 
    電氣傳動(dòng)系統(tǒng):以PLC為控制中心,觸摸屏、探測(cè)器(分別為熱電偶、光電探頭、60°轉(zhuǎn)盤探測(cè)器)、同態(tài)開(kāi)關(guān)及保護(hù)器、接觸器為PLC的I/O接口設(shè)備;電動(dòng)機(jī)、電磁鐵(振動(dòng)器、換向閥)為拖動(dòng)執(zhí)行件。

    電熱溫控系統(tǒng):二套電加熱管及熱電偶探測(cè)器分別裝在豎封、橫封機(jī)構(gòu)上,隨氣缸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)塑料袋封口的加熱。溫度控制由溫控器進(jìn)行,與PLC程序無(wú)關(guān)。   

2、傳動(dòng)系中的機(jī)電一體化   

    機(jī)電一體化技術(shù)要涉及到動(dòng)力學(xué)分析、接口、程序問(wèn)題,下面就這幾個(gè)方面對(duì)本包裝機(jī)作一些分析。  
 
2.1走膜機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)   

    走膜機(jī)構(gòu)是本機(jī)中機(jī)械傳動(dòng)鏈zui多的機(jī)構(gòu),決定了包裝袋的尺寸質(zhì)量,對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析并建立傳遞函數(shù),用以研究機(jī)構(gòu)及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響是很有必要的。 
                                    
                                   走膜機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈如圖1



     4個(gè)帶齒輪與2條橡膠帶(中間還有壓緊齒輪)分別組成2組,對(duì)稱成形器軸線兩側(cè)安裝。橡膠帶與成形器筒外壁緊密接觸,并產(chǎn)生一定壓力。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)受PLC控制瞬間啟動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩時(shí),2條橡膠帶(同步齒形帶)被傳動(dòng)鏈傳動(dòng)而同步運(yùn)動(dòng)。包裝薄膜被橡膠帶產(chǎn)生的摩擦力帶動(dòng)作直線移動(dòng),并形成袋狀。   
  
      根據(jù)力學(xué)理論和控制理論,把走膜機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系看作繞I軸回轉(zhuǎn)的物體,建立動(dòng)力學(xué)方程并作轉(zhuǎn)換等效(忽略非線性量,如機(jī)構(gòu)間隙等;并將摩擦視為粘性摩擦)。

則有軸I上轉(zhuǎn)矩



等效粘性阻尼系數(shù) 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量



等效扭轉(zhuǎn)剛度

走膜長(zhǎng)度x=θ3r且    
式中:f1,J1,K1,θ1分別為軸I的粘性阻尼系數(shù),轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,剛度,輸出轉(zhuǎn)角  f2,J2,K2,θ2分別為軸Ⅱ的粘性阻尼系數(shù),轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,剛度,輸出轉(zhuǎn)角  f3,J3,K3,θ3分別為等效軸Ⅲ的粘性阻尼系數(shù),轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,剛度,輸出轉(zhuǎn)角    (等效軸Ⅲ是同步齒形帶軸的折算軸)   
i1,i2分別為傳動(dòng)比i12,i23。θm為軸I的輸入轉(zhuǎn)角。r為橡膠同步帶輪回轉(zhuǎn)半
徑。 

整理得  

令    

作拉氏變換    

得輸出走膜長(zhǎng)度與輸入轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)

    

在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步可研究系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)H(jω)、幅頻特性函數(shù)A(ω)和相頻特性函數(shù)Ф(ω)等。


    
為保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,可研究其橫向動(dòng)力學(xué)性能:



    式中m1,Jdi,Jpi(i=1,2,…,N)分別表示傳動(dòng)輪的質(zhì)量,直徑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。   

    通過(guò)對(duì)以上式子的求解,可揭示系統(tǒng)的傳動(dòng)性能,并可用測(cè)試技術(shù)作驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì).
 

2.2包裝機(jī)傳動(dòng)程序 

    包裝機(jī)傳動(dòng)程序有閉環(huán)程序和開(kāi)環(huán)程序。開(kāi)環(huán)程序包括:?jiǎn)蝹€(gè)功能調(diào)節(jié)程序、輸送機(jī)啟動(dòng)程序、量杯升降容積調(diào)節(jié)程序、走膜框左右偏移調(diào)節(jié)程序。   

    閉環(huán)程序有提升機(jī)啟動(dòng)程序、制袋機(jī)循環(huán)程序。其中制袋機(jī)循環(huán)程序如表1。
 

    表中橫封、豎封、打印、切斷為氣壓傳動(dòng);發(fā)出是探測(cè)器信號(hào),執(zhí)行是PLC指令。 

2.3氣壓傳動(dòng)程序
  
    氣壓電氣傳動(dòng)如圖2。圖中氣缸1為豎封,氣缸2為橫封,氣缸3為切斷,氣缸4為剎車,氣缸5為打印。所有氣缸都是雙作用氣缸回路,其中氣缸1、氣缸2采用排氣節(jié)流調(diào)速。氣缸2的二個(gè)缸,一個(gè)進(jìn)時(shí)另一個(gè)則退,同時(shí)帶動(dòng)2個(gè)加熱橫封壓塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)將薄膜夾緊。各工步間采用并行順序控制原則,電磁換向閥的電信號(hào)來(lái)自PLC,機(jī)控閥的信號(hào)來(lái)自走膜機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)壓塊。根據(jù)工步順序可列出各氣缸程序如表2。(注意缸1、缸2Ⅱ、缸3是在回退時(shí)實(shí)現(xiàn)工步功能,既表1中的啟動(dòng))
  
 

 2.4觸摸屏與PLC 

    觸摸屏作為PLC的接口既是輸入又是輸出。觸摸屏設(shè)置了6個(gè)屏幕畫面,分別是運(yùn)行、設(shè)定、鍵操作、輸入信號(hào)指示、輸出信號(hào)指示、報(bào)警畫面。觸摸屏與PLC間信息、數(shù)據(jù)的傳輸、交換,通過(guò)PLC的I/O設(shè)置、存儲(chǔ)器設(shè)置及控制程序?qū)崿F(xiàn)。   

    如“運(yùn)行畫面”,該畫面有6個(gè)屏幕畫面切換觸摸按鈕,3個(gè)顯示單元,6個(gè)工作觸摸按鈕。其:I/O設(shè)置內(nèi)部繼電器:R1對(duì)應(yīng)電源;R4、R5、R6、R7、R8、R9分別對(duì)應(yīng)切換按鈕中的急停、設(shè)定、輸入、輸出、報(bào)警、鍵操作;R24、R25、R26、R27、R28、R29分別對(duì)應(yīng)工作按鈕中的聯(lián)動(dòng)、制袋、增重、減重、左移、右移。存儲(chǔ)區(qū)設(shè)置寄存器:屏幕當(dāng)前信息DT1、包裝速度設(shè)定DT12,包裝速度顯示DT13,大包計(jì)數(shù)DT15,小包計(jì)數(shù)DT16,…(與“運(yùn)行畫面”無(wú)關(guān)的設(shè)置省略)等。   

    其梯形圖如圖3(以FP系列機(jī)編程。只編出啟動(dòng)“運(yùn)行畫面”的程序,并省略指令)。啟動(dòng)時(shí).按下“電源”按鈕。屏幕顯示“運(yùn)行畫面”,當(dāng)R3置位后各設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài),并自動(dòng)設(shè)定包裝速度50袋/分。   
 


3、傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)整機(jī)的影響   

    由傳動(dòng)系統(tǒng)建立的模型——傳遞函數(shù),可以確定機(jī)構(gòu)的動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo).明確影響系統(tǒng)性能的主要因素。如走膜機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)G(s),就反映了其性能與同步帶輪回轉(zhuǎn)半徑r密切相關(guān)。當(dāng)帶輪以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)而回轉(zhuǎn)誤差偏大時(shí),輪緣上點(diǎn)的線速度嚴(yán)重不均等,使左右橡膠帶移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生不同步現(xiàn)象,造成薄膜封口尺寸超差。因此,要把保證帶輪及轉(zhuǎn)軸的尺寸精度和形位公差精度作為主要因素,以保證封口尺寸質(zhì)量。   

    傳動(dòng)系統(tǒng)和程序,體現(xiàn)了機(jī)電一體化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的基本形態(tài)及其發(fā)展趨勢(shì)。傳動(dòng)程序是傳動(dòng)系統(tǒng)的信息流,它明確了機(jī)構(gòu)中各部件的作用及相互關(guān)系.并可由微機(jī)實(shí)現(xiàn)軟、硬件的結(jié)合,有效地提高自動(dòng)化程度。如制袋機(jī)循環(huán)程序,就表明了各探測(cè)信號(hào)、各步指令所對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu),以及各工步的順序;zui主要的,它是PLC存儲(chǔ)器設(shè)置、I/O設(shè)置(包括觸摸屏)與控制程序編制的依據(jù).手動(dòng)和自動(dòng)控制程序均由此確定。   

    機(jī)電一體化的一個(gè)*性,在于控制能力的強(qiáng)化。如包裝機(jī)的橫封口工步與落料工步配合不協(xié)調(diào),需要將橫封口的氣壓傳動(dòng)改為機(jī)械傳動(dòng);此時(shí)整機(jī)工作程序未變,但控制程序發(fā)生變化。應(yīng)用PLC可以很容易地解決,將I/O設(shè)置中對(duì)應(yīng)的X、Y更改,梯形圖和指令略作變更,就能確保傳動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)程序的協(xié)調(diào)配合。

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