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立式小型包裝機的傳動系統(tǒng)及對整機的影響

來源:   2007年02月05日 11:12  
  摘要:通過分析立式小型包裝機的機構(gòu)組成和傳動系統(tǒng),論述了機電一體化技術(shù)在包裝機械中的應(yīng)用及其相關(guān)內(nèi)容,如傳遞函數(shù)、傳動程序、觸摸屏與PLC:并敘述了傳動系統(tǒng)對本機的影響。   

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

1、概況   

    該機集機械、電氣、氣壓傳動為一體,采用PLC和彩色觸摸屏(工業(yè)控制屏)實現(xiàn)自動控制和人機對話,可自動完成提升(送料)、走膜(制袋)、落料(填充)、熱封(橫封和豎封)、切斷、計數(shù)、打印的全過程。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。   

    整機結(jié)構(gòu)上由3個獨立部分——輸送機、提升機、制袋機構(gòu)成,傳動系統(tǒng)分四個支系統(tǒng)。   

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

    氣壓傳動系統(tǒng):采用單氣源集中供氣,氣缸執(zhí)行往返循環(huán)運動,實現(xiàn)對走膜機構(gòu)的剎車和對包裝袋的橫、豎封口,切斷等工步。  
 
    電氣傳動系統(tǒng):以PLC為控制中心,觸摸屏、探測器(分別為熱電偶、光電探頭、60°轉(zhuǎn)盤探測器)、同態(tài)開關(guān)及保護器、接觸器為PLC的I/O接口設(shè)備;電動機、電磁鐵(振動器、換向閥)為拖動執(zhí)行件。

    電熱溫控系統(tǒng):二套電加熱管及熱電偶探測器分別裝在豎封、橫封機構(gòu)上,隨氣缸運動實現(xiàn)對塑料袋封口的加熱。溫度控制由溫控器進行,與PLC程序無關(guān)。   

2、傳動系中的機電一體化   

    機電一體化技術(shù)要涉及到動力學(xué)分析、接口、程序問題,下面就這幾個方面對本包裝機作一些分析。  
 
2.1走膜機構(gòu)的傳遞函數(shù)   

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



     4個帶齒輪與2條橡膠帶(中間還有壓緊齒輪)分別組成2組,對稱成形器軸線兩側(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)異步電動機受PLC控制瞬間啟動輸出轉(zhuǎn)矩時,2條橡膠帶(同步齒形帶)被傳動鏈傳動而同步運動。包裝薄膜被橡膠帶產(chǎn)生的摩擦力帶動作直線移動,并形成袋狀。   
  
      根據(jù)力學(xué)理論和控制理論,把走膜機構(gòu)傳動系看作繞I軸回轉(zhuǎn)的物體,建立動力學(xué)方程并作轉(zhuǎn)換等效(忽略非線性量,如機構(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)動慣量



等效扭轉(zhuǎn)剛度

走膜長度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    

得輸出走膜長度與輸入轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)

    

在此基礎(chǔ)上,進一步可研究系統(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)的動態(tài)特性,可研究其橫向動力學(xué)性能:



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

    通過對以上式子的求解,可揭示系統(tǒng)的傳動性能,并可用測試技術(shù)作驗證,實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計.
 

2.2包裝機傳動程序 

    包裝機傳動程序有閉環(huán)程序和開環(huán)程序。開環(huán)程序包括:單個功能調(diào)節(jié)程序、輸送機啟動程序、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)程序有提升機啟動程序、制袋機循環(huán)程序。其中制袋機循環(huán)程序如表1。
 

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

2.3氣壓傳動程序
  
    氣壓電氣傳動如圖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的二個缸,一個進時另一個則退,同時帶動2個加熱橫封壓塊相對運動將薄膜夾緊。各工步間采用并行順序控制原則,電磁換向閥的電信號來自PLC,機控閥的信號來自走膜機構(gòu)的擺動壓塊。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是在回退時實現(xiàn)工步功能,既表1中的啟動)
  
 

 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個屏幕畫面,分別是運行、設(shè)定、鍵操作、輸入信號指示、輸出信號指示、報警畫面。觸摸屏與PLC間信息、數(shù)據(jù)的傳輸、交換,通過PLC的I/O設(shè)置、存儲器設(shè)置及控制程序?qū)崿F(xiàn)。   

    如“運行畫面”,該畫面有6個屏幕畫面切換觸摸按鈕,3個顯示單元,6個工作觸摸按鈕。其:I/O設(shè)置內(nèi)部繼電器:R1對應(yīng)電源;R4、R5、R6、R7、R8、R9分別對應(yīng)切換按鈕中的急停、設(shè)定、輸入、輸出、報警、鍵操作;R24、R25、R26、R27、R28、R29分別對應(yīng)工作按鈕中的聯(lián)動、制袋、增重、減重、左移、右移。存儲區(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,大包計數(shù)DT15,小包計數(shù)DT16,…(與“運行畫面”無關(guān)的設(shè)置省略)等。   

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


3、傳動系統(tǒng)對整機的影響   

    由傳動系統(tǒng)建立的模型——傳遞函數(shù),可以確定機構(gòu)的動、靜態(tài)指標(biāo).明確影響系統(tǒng)性能的主要因素。如走膜機構(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)動而回轉(zhuǎn)誤差偏大時,輪緣上點的線速度嚴(yán)重不均等,使左右橡膠帶移動時產(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。   

    傳動系統(tǒng)和程序,體現(xiàn)了機電一體化技術(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。傳動程序是傳動系統(tǒng)的信息流,它明確了機構(gòu)中各部件的作用及相互關(guān)系.并可由微機實現(xiàn)軟、硬件的結(jié)合,有效地提高自動化程度。如制袋機循環(huán)程序,就表明了各探測信號、各步指令所對應(yīng)的傳動系統(tǒng)的機構(gòu),以及各工步的順序;zui主要的,它是PLC存儲器設(shè)置、I/O設(shè)置(包括觸摸屏)與控制程序編制的依據(jù).手動和自動控制程序均由此確定。   

    機電一體化的一個*性,在于控制能力的強化。如包裝機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改為機械傳動;此時整機工作程序未變,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)置中對應(yīng)的X、Y更改,梯形圖和指令略作變更,就能確保傳動系統(tǒng)和傳動程序的協(xié)調(diào)配合。

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