包裝機氣動卷材張力控制機構設計

   前言：近年來，氣動技術在包裝機械行業得到了廣泛地應用，使包裝機械行業有了長足的發展。由於氣動和度算機控制等先進技術的大量介入，使現代包裝機械的機械結構大為簡化、降低了設備造價，同時也提高了包裝速度和產品外觀技師沒備的自動比程度和可靠性都得到了大幅度提高。
   氣動機構動作輕快，不污染環境，能夠很好地滿足包裝機械對速度和環境的要求。現代包裝機械一般採用氣缸做執行元件，主要是利用氣缸具有直線輸出和速度可調等特點，這樣就摒充了傳統的由旋轉運動到直線運動的減速和轉換機構，有效地簡化了包裝機械的傳動機構，降低了成本，縮短了生產周期。另外，採用氣缸做執行元件，通過調整控制軟體就可以解決整個執行機構協調工作的時序要求。這一點與傳統的凸輪控制機構相比，可以節省大量的安裝調試工作，這也是氣動技術在包裝機械行業得到普及的一個重要原因。氣動執行元件具有很好的柔性，或者說氣缸活塞的運動速度和行程可受其它機構的約束。利用氣動執行元件的這一特性，可以設計成氣動和機械組合的複合機構，來實現準確的動行協調和同步，也可設汁成柔性的執行機構，利用這種柔性機構可以完成一些特定工作。包括機氣動張力控制機構就是利用氣缸柔性進行工作的一個實例。
   1、包裝機氣動卷材張力控制機構簡介
   包裝機氣動卷材張力控制分為二個時段：
   1)開膜時段：如圖1所示，伺服電機不運行，真空吸盤吸住包材，同時供膜輥制動氣缸鬆開供膜輥制動盤，供膜輥處於自由狀態，在擺動桿和拉膜浮動氣缸向下拉力的共同作用下，擺動桿向下擺動，通過包材牽引供膜輥轉動，進行開膜。當擺動桿向下運行到接近開關的作用位置時，感測器發出信號，PLC控制制動氣缸對供膜輥制動，同時控制拉膜浮動氣
缸向下擺動的電磁閥關斷，擺動桿在重力作用下自然下垂。
   2) 拉膜時段：首先真空吸盤解除真空放開包材，同時控制拉膜浮動氣缸向上運行的兩位三通電磁閥得電，使氣缸產生向上運行的推力。通過調節減壓閥(圖2)使氣缸向上的推力比擺動桿重力作用到氣缸桿上的合力小(一般相差1.5-2Kg)，這時拉膜浮動氣缸的活塞桿並不運動，拉膜浮動氣缸此時的作用只是減輕擺動桿的重量，同時使包材有具有一定的張力，隨後伺服電機開始拉膜。伺服電機拉膜運動是間歇的，每次拉膜的長度由包材上的定位色標確定。包材上的色標為等間距，當顏色感測器檢測到包材定位色標，發出信號給PLC，PLC確定定位膜塊控制伺服電機快速停止，實現快速定長拉膜。同時控制電磁閥使真空吸盤吸住包材，減小包材前沖，並且同時關斷控制浮動氣缸向上運動的電磁閥，使擺動桿自然下垂，否則包材前沖大時，雖然浮動氣缸向上產生的推力比擺動桿的自重小，但由於浮動氣缸的下腔已有壓縮空氣，擺動桿靠自重有時不能完全回落拉緊包桿，因此需要將浮動氣缸的下腔壓縮空氣暫時放掉，等擺動桿完全回落後再打開控制浮動氣缸向上運動的電磁閥，為下次拉膜做好準備。這種機構可使包材具有很小的恆定張力，同時又有足夠的開膜張力，提高了包裝速度。這種機構利用氣動執行元件的柔性工作，既可以使擺動桿強制向下擺動開膜，又具有浮動的特點。該機構應用於400g全自動充氮奶粉包裝機，使用效果很好。
   2 包裝機氣動卷材張力控制機構動力學參數計算
   2、1 開卷張力計算
   包材卷膜轉動慣量由兩部分組成，一是卷膜膨脹軸本身的轉動慣量，一是包材卷自身的轉動慣量。膨脹軸的轉動慣量可按圓柱體計算，其公式為
   J! == 1/2m·R12 (1)
   式中；J1——膨脹軸的轉動慣量，Aem2 ；
   m1——膨脹軸的質量，Kg ；
   R1——膨脹軸的半徑，m。
   卷膜本身的轉動慣量可以按圓筒體轉動慣量計算，其公式為
   J2 == 1/2 m2 (R22+ r2 ) (2)
   式中 J2——卷膜的轉動慣量，Kgm2；
   m2－－卷膜的質量，Kg；
   R2——卷膜的外徑，m；
   r－一卷膜的內徑，m。
   應當注意的是卷膜的質量和外徑在工作過程中是逐漸減小的，在包裝機工作過程中卷膜輥的轉動慣量是變化的，同時包材張力作用半徑也是變化的。為了求出開卷最大張力，應在二種極限狀態下分別計算。取其最大值作為選擇系統參數的依據。根據包裝機的動作要求，開卷時間t≤0.4S；包材開卷長度L≥0.2m，計算開卷所需的張力F。

包裝機氣動卷材張力控制機構設計

為了簡化計算，略去摩擦力的影響，將開卷過程視為勻加速圓周運動，每次開卷包材長度的計算公式為
   H == 1 /4л·R·at2 (3)
   式中 H——包材長度，m；
   R——卷膜輥外徑，m：
   a——加速度，m／S2；
   t——開卷時間，s。
   圓周運動的加速度計算公式為
   a==Mg／J==RF/J (4)
   式中 Mg ==RF，其中R—包材外徑，m
   F——包材張力，N。
   將式(4)帶入(3)可得包材張力計算公式
   F == 2H·J／R2·t2 (5)
   式中J=J1+ J2—卷膜輥總的轉動慣量，kgm2；
   為了確定開卷張力，必須分別計算包材外徑最大和包材外徑最小兩個極限情況下的開卷張力：
   包材最大直徑時的開卷張力
   Fdmax==14.04N
   包材最小直徑時的開卷張力
   Fdmin==50.6N
   根據上述計算結果，最大張力出現在包材最少時，因此，可根據包材最少時的張力來確定氣缸尺寸。
   2.2 氣缸拉力計算
   在圖(3)中擺動桿的擺動斜度為±10o，擺動桿的位置不同各力相對於擺動中心的作用方向發生變化。在極限位置需要的氣缸拉力最大，
下面根據這個拉力來計算氣缸的缸徑。
   擺動桿力平衡方程為
   4F·L1－F1F2 －F2L3==0 工 (6)
   則氣缸拉力計算公式為
   F2 == 4F·L1/L2－F1·L2/L2 (7)
   式中 F2—氣缸產生的拉力，N
   F—卷膜的張力． N；
   F1—擺動桿的質量， Kg；
   L2—包材的張力作用到擺動桿上合力的作用點到擺動桿擺動中心的距離，m；
   L1——擺動桿的質心到擺動桿擺動中心的距離m；
   L3——擺動桿氣缸拉力作用點與擺動桿擺動中心的垂直距離，m。
   表2 擺動桿的幾何參數及力學參數
   包裝機系統的工作壓力為0.65Mpa，為使浮動氣缸的拉力有一定的調節範圍，初步確定其工作壓力為0.5Mpa，最後根據工作行程和機械安裝結構選用 SMC公司的CDM2B32-150氣缸。
3 包裝機氣動卷材張力控制機構的安裝調試及使用
   包裝機氣動卷材張力控制機構是專門為400g全自動充氮
   奶粉包裝機設計的，已正式投入生產，運行狀態良好。在調試過程中，控制浮動氣缸向下拉動的氣動迴路工作壓力的減壓閥(2)工作壓力設定為0.45Mpa，浮動氣缸向上推動減壓閥(1)工作壓力設定為0．3Mpa，實際測得的開卷時間為0.42s，開卷長度為0．23m，拉膜時段包材的張力為1．8kg，證寮包裝機氣動卷材張力控制機構能夠很好地滿足包裝機在工作過程中對開卷的工作要求，說明上述的結構方案的可行性與計算的正確性。
   4 結論
   1)本文給出了包裝機氣動卷材張力控制機構的設計準則，經生產實踐證明該系統性能穩定、工作可靠，滿足了現代高速包裝機械對其包材開卷的要求。
2)氣動控制因其柔性、清潔，易構成機電氣集成系統，將進一步提升包裝機械行業的整體水平。