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前言:近年來，氣動技術(shù)在包裝機(jī)械行業(yè)得到了 廣泛地應(yīng)用,使包裝機(jī)械行業(yè)有了長足的發(fā)展。由 于氣動和度算機(jī)控制等先進(jìn)技術(shù)的大量介入，使現(xiàn) 代包裝機(jī)械的機(jī)械結(jié)構(gòu)大為簡化、降低了設(shè)備造價(jià), 同時(shí)也提高了包裝速度和產(chǎn)品外觀技師設(shè)備的自動 化程度和可靠性都得到了大幅度提高。

氣動機(jī)構(gòu)動作輕快,不污染環(huán)境,能夠很好地滿 足包裝機(jī)械對速度和環(huán)境的要求。現(xiàn)代包裝機(jī)械一 般采用氣紅做執(zhí)行元件，主要是利用氣缸具有直線 輸出和速度可調(diào)等特點(diǎn)，這樣就摒充了傳統(tǒng)的由旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動到直線運(yùn)動的減速和轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),有效地簡化 了包裝機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)，降低了成本，縮短了生產(chǎn)周 期。另外,采用氣缸做執(zhí)行元件，通過調(diào)整控制軟件 就可以解決整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作的時(shí)序要求。這 一點(diǎn)與傳統(tǒng)的凸輪控制機(jī)構(gòu)相比，可以節(jié)省大量的 安裝調(diào)試工作，這也是氣動技術(shù)在包裝機(jī)械行業(yè)得 到普及的一個(gè)重要原因。氣動執(zhí)行元件具有很好的 柔性，或者說氣缸活塞的運(yùn)動速度和行程可受其它 機(jī)構(gòu)的約束。利用氣動執(zhí)行元件的這一特性，可以 設(shè)計(jì)成氣動和機(jī)械組合的復(fù)合機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的 動行協(xié)調(diào)和同步,也可設(shè)計(jì)成柔性的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用 這種柔性機(jī)構(gòu)可以完成一些特定工作。包括機(jī)氣動 張力控制機(jī)構(gòu)就是利用氣缸柔性進(jìn)行工作的一個(gè)實(shí) 例。

1包裝機(jī)氣動卷材張力控制機(jī)構(gòu)簡介

包裝機(jī)氣動卷材張力控制分為二個(gè)時(shí)段：

1）開膜時(shí)段:如圖1所示，伺服電機(jī)不運(yùn)行，真 空吸盤吸住包材，同時(shí)供膜視制動氣缸松開供膜輻 制動盤，供膜輾處于自由狀態(tài),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 包材牽引供膜輻轉(zhuǎn)動，進(jìn)行開膜。當(dāng)擺動桿向下運(yùn) 行到接近開關(guān)的作用位置時(shí)，傳感器發(fā)岀信號,PLC 收稿日期：2003 - 09-12 控制制動氣缸對供膜輻制動，同時(shí)控制拉膜浮動氣 缸向下擺動的電磁閥關(guān)斷，擺動桿在重力作用下自 然下垂。

 

 

圖1包裝機(jī)氣動卷材張力控制機(jī)構(gòu)組成示意圖

 

 

圖2包裝機(jī)氣動卷材張力控制系統(tǒng)原理圖

2）拉膜時(shí)段：首先真空吸盤解除真空放開包 材，同時(shí)控制拉膜浮動氣缸向上運(yùn)行的兩位三通電 磁閥得電，使氣缸產(chǎn)生向上的推力。通過調(diào)節(jié)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?。ㄒ话阆嗖?.5 ~2Kg），這時(shí)拉膜浮 動氣缸的活塞桿并不運(yùn)動，拉膜浮動氣缸此時(shí)的作 用只是減輕擺動桿的重量，同時(shí)使包材有具有一定 的張力，隨后伺服電機(jī)開始拉膜。伺服電機(jī)拉膜運(yùn) 動是間歇的，每次拉膜的長度由包材上的定位色標(biāo) 確定。包材上的色標(biāo)為等間距，當(dāng)顏色傳感器檢測 到包材定位色標(biāo)，發(fā)出信號給PLC.PLC確定定位膜 塊控制伺服電機(jī)快速停止,實(shí)現(xiàn)快速定長拉膜。同 時(shí)控制電磁閥使真空吸盤吸住包材,減小包材前沖， 并且同時(shí)關(guān)斷控制浮動氣缸向上運(yùn)動的電磁閥，使 擺動桿自然下垂，否則包材前沖大時(shí)，雖然浮動氣缸 向上產(chǎn)生的推力比擺動桿的自重小，但由于浮動氣 缸的下腔已有壓縮空氣，擺動桿靠自重有時(shí)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(shí)放掉，等擺動桿完全回落后再打開控制浮 動氣缸向上運(yùn)動的電磁閥，為下次拉膜做好準(zhǔn)備。 這種機(jī)構(gòu)可使包材具有很小的恒定張力，同時(shí)又有 足夠的開膜張力，提高了包裝速度。這種機(jī)構(gòu)利用 氣動執(zhí)行元件的柔性工作，既可以使擺動桿強(qiáng)制向 下擺動開膜，又具有浮動的特點(diǎn)。該機(jī)構(gòu)應(yīng)用于 400g全自動充氮奶粉包裝機(jī),使用效果很好。

2包裝機(jī)氣動卷材張力控制機(jī)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)計(jì)算

2.1開卷張力計(jì)算

包材卷膜轉(zhuǎn)動慣量由兩部分組成，一是卷膜膨 脹軸本身的轉(zhuǎn)動慣量，一是包材卷自身的轉(zhuǎn)動慣量。 膨脹軸的轉(zhuǎn)動慣量可按圓柱體計(jì)算，其公式為

Ji = (1)

式中Ji 膨脹軸的轉(zhuǎn)動慣量,姐皿2；

m, 膨脹軸的質(zhì)量,&g;

Ri——膨脹軸的半徑,m。

卷膜本身的轉(zhuǎn)動慣量可以按圓筒體轉(zhuǎn)動慣量計(jì) 算，其公式為

J₂ = ｝明2(足 + r²) (2).

式中J₂ 巻膜的轉(zhuǎn)動慣量,Agm2；

m₂ 卷膜的質(zhì)量,&g;

R₂ 卷膜的外徑,m；

r 卷膜的內(nèi)徑,m。

應(yīng)當(dāng)注意的是卷膜的質(zhì)量和外徑在工作過程中 是逐漸減小的，在包裝機(jī)工作過程中卷膜輟的轉(zhuǎn)動 慣量是變化的，同時(shí)包材張力作用半徑也是變化的。 為了求岀開卷最大張力，應(yīng)在二種極限狀態(tài)下分別 計(jì)算。取其最大值作為選擇系統(tǒng)參數(shù)的依據(jù)。根據(jù) 包裝機(jī)的動作要求，開卷時(shí)間tW0.4S；包材開卷長 度LN0.2m,計(jì)算開卷所需的張力F_o

為了簡化計(jì)算，略去摩擦力的影響，將開卷過程 視為勻加速圓周運(yùn)動，每次開卷包材長度的計(jì)算公 式為

H = — • R • at² (3)

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式中H 包材長度,m；

R——卷膜輻外徑,m；

a 加速度,m/s²;

t——開卷時(shí)間，s。

圓周運(yùn)動的加速度計(jì)算公式為

a = M_g/J = RF/J (4)

式中M_g =RF,其中R― 材外徑,m；

F——包材張力,N。

將式(4)帶入(3)可得包材張力計(jì)算公式

F = 2H • J/R² - t² (5)

式中J =Ji+J₂ -卷膜輻總的轉(zhuǎn)動慣量,kgm。

在全自動400g充氮奶粉包裝機(jī)氣動卷材張力 控制機(jī)構(gòu)的參數(shù)如表1所示。

                                                                                            表1氣動卷材張力控制機(jī)構(gòu)的參數(shù)

膨脹軸 質(zhì)量	膨脹軸 半徑	膨脹軸 轉(zhuǎn)動慣量	卷膜包材 最大半徑	卷膜包材 最大供量	卷膜包材 最大轉(zhuǎn)動慣量
mJ kg)	Rl(m)	JJkgm?)	R2(m)	m2(kg)	J2 ( kgm?)
7.5	0.037	6.8x10-3	0.200	15	248.2x10-3

為了確定開卷張力，必須分別計(jì)算包材外徑最 大和包材外徑最小兩個(gè)極限情況下的開卷張力：

包材最大直徑時(shí)的開卷張力

Fdmax = 14. 04N

包材最小直徑時(shí)的開卷張力

Fdmin = 50. 6N

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，最大張力出現(xiàn)在包材最少 時(shí)，因此，可根據(jù)包材最少時(shí)的張力來確定氣缸尺 寸。

2.2氣虹拉力計(jì)算

在圖(3)中擺動桿的擺動斜度為土 10。,擺動桿 的位置不同各力相對于擺動中心的作用方向發(fā)生變 化。在極限位置需要的氣缸拉力最大，下面根據(jù)這 個(gè)拉力來計(jì)算氣缸的缸徑。

擺動桿力平衡方程為

4F •烏 一 F\F, - F₂L₃ = 0 (6)

F——卷膜的張力， N；

F] 擺動桿的質(zhì)量，kg；

L——包材的張力作用到擺動桿上合力的作 用點(diǎn)到擺動桿擺動中心的距離,m；

L,——擺動桿的質(zhì)心到擺動桿擺動中心的距 離m；

L₃——擺動桿氣缸拉力作用點(diǎn)與擺動桿擺動 中心的垂直距離,m。

表2擺動桿的幾何參數(shù)及力學(xué)參數(shù)

擺動桿	包材的張力作用到擺動桿上合力的	擺動桿的質(zhì)心到擺動	擺動桿氣缸拉力作用點(diǎn)與擺
的質(zhì)量	作用點(diǎn)到擺動桿擺動中心的距離	桿擺動中心的距離	動桿擺動中心的垂直距離
FJkg)	頃m)	L] ( m)	Lj ( m)
12	0.28	0.32	0. 16