包装机气动卷材张力控制机构设计

        摘要：介绍一种新型的包装机械包材张力控制构机。该机构利用气动执行元件的柔性特性，使包装机既能实现高速开卷，又保证使包材的张力小而恒定，从而满足现代高速包装机构对其包材开卷的要求。
   

       前言：近年来，气动技术在包装机械行业得到了广泛地应用，使包装机械行业有了长足的发展。由于气动和度算机控制等先进技术的大量介入，使现代包装机械的机械结构大为简化、降低了设备造价，同时也提高了包装速度和产品外观技师没备的自动比程度和可靠性都得到了大幅度提高。
      气动机构动作轻快，不污染环境，能够很好地满足包装机械对速度和环境的要求。现代包装机械一般采用气缸做执行元件，主要是利用气缸具有直线输出和速度可调等特点，这样就摒充了传统的由旋转运动到直线运动的减速和转换机构，有效地简化了包装机械的传动机构，降低了成本，缩短了生产周期。另外，采用气缸做执行元件，通过调整控制软件就可以解决整个执行机构协调工作的时序要求。这一点与传统的凸轮控制机构相比，可以节省大量的安装调试工作，这也是气动技术在包装机械行业得到普及的一个重要原因。气动执行元件具有很好的柔性，或者说气缸活塞的运动速度和行程可受其它机构的约束。利用气动执行元件的这一特性，可以设计成气动和机械组合的复合机构，来实现准确的动行协调和同步，也可设汁成柔性的执行机构，利用这种柔性机构可以完成一些特定工作。包括机气动张力控制机构就是利用气缸柔性进行工作的一个实例。
    1、包装机气动卷材张力控制机构简介
    包装机气动卷材张力控制分为二个时段：
    1)开膜时段：如图1所示，伺服电机不运行，真空吸盘吸住包材，同时供膜辊制动气缸松开供膜辊制动盘，供膜辊处于自由状态，在摆动杆和拉膜浮动气缸向下拉力的共同作用下，摆动杆向下摆动，通过包材牵引供膜辊转动，进行开膜。当摆动杆向下运行到接近开关的作用位置时，传感器发出信号，PLC控制制动气缸对供膜辊制动，同时控制拉膜浮动气
缸向下摆动的电磁阀关断，摆动杆在重力作用下自然下垂。
    2) 拉膜时段：首先真空吸盘解除真空放开包材，同时控制拉膜浮动气缸向上运行的两位三通电磁阀得电，使气缸产生向上运行的推力。通过调节减压阀(图2)使气缸向上的推力比摆动杆重力作用到气缸杆上的合力小(一般相差1.5-2Kg)，这时拉膜浮动气缸的活塞杆并不运动，拉膜浮动气缸此时的作用只是减轻摆动杆的重量，同时使包材有具有一定的张力，随后伺服电机开始拉膜。伺服电机拉膜运动是间歇的，每次拉膜的长度由包材上的定位色标确定。包材上的色标为等间距，当颜色传感器检测到包材定位色标，发出信号给PLC，PLC确定定位膜块控制伺服电机快速停止，实现快速定长拉膜。同时控制电磁阀使真空吸盘吸住包材，减小包材前冲，并且同时关断控制浮动气缸向上运动的电磁阀，使摆动杆自然下垂，否则包材前冲大时，虽然浮动气缸向上产生的推力比摆动杆的自重小，但由于浮动气缸的下腔已有压缩空气，摆动杆靠自重有时不能完全回落拉紧包杆，因此需要将浮动气缸的下腔压缩空气暂时放掉，等摆动杆完全回落后再打开控制浮动气缸向上运动的电磁阀，为下次拉膜做好准备。这种机构可使包材具有很小的恒定张力，同时又有足够的开膜张力，提高了包装速度。这种机构利用气动执行元件的柔性工作，既可以使摆动杆强制向下摆动开膜，又具有浮动的特点。该机构应用于400g全自动充氮奶粉包装机，使用效果很好。
    2 包装机气动卷材张力控制机构动力学参数计算
    2、1 开卷张力计算
    包材卷膜转动惯量由两部分组成，一是卷膜膨胀轴本身的转动惯量，一是包材卷自身的转动惯量。膨胀轴的转动惯量可按圆柱体计算，其公式为
     J! == 1/2m·R12 (1)
    式中；J1——膨胀轴的转动惯量，Aem2 ；
    m1——膨胀轴的质量，Kg ；
    R1——膨胀轴的半径，m。
    卷膜本身的转动惯量可以按圆筒体转动惯量计算，其公式为
    J2 == 1/2 m2 (R22+ r2 ) (2)
    式中 J2——卷膜的转动惯量，Kgm2；
    m2－－卷膜的质量，Kg；
    R2——卷膜的外径，m；
    r－一卷膜的内径，m。
    应当注意的是卷膜的质量和外径在工作过程中是逐渐减小的，在包装机工作过程中卷膜辊的转动惯量是变化的，同时包材张力作用半径也是变化的。为了求出开卷最大张力，应在二种极限状态下分别计算。取其最大值作为选择系统参数的依据。根据包装机的动作要求，开卷时间t≤0.4S；包材开卷长度L≥0.2m，计算开卷所需的张力F。

包装机气动卷材张力控制机构设计

为了简化计算，略去摩擦力的影响，将开卷过程视为匀加速圆周运动，每次开卷包材长度的计算公式为
    H == 1 /4л·R·at2 (3)
    式中 H——包材长度，m；
    R——卷膜辊外径，m：
    a——加速度，m／S2；
    t——开卷时间，s。
    圆周运动的加速度计算公式为
    a==Mg／J==RF/J (4)
    式中 Mg ==RF，其中R—包材外径，m
    F——包材张力，N。
    将式(4)带入(3)可得包材张力计算公式
    F == 2H·J／R2·t2 (5)
    式中J=J1+ J2—卷膜辊总的转动惯量，kgm2；
    为了确定开卷张力，必须分别计算包材外径最大和包材外径最小两个极限情况下的开卷张力：
    包材最大直径时的开卷张力
    Fdmax==14.04N
    包材最小直径时的开卷张力
    Fdmin==50.6N
    根据上述计算结果，最大张力出现在包材最少时，因此，可根据包材最少时的张力来确定气缸尺寸。
    2.2 气缸拉力计算
    在图(3)中摆动杆的摆动斜度为±10o，摆动杆的位置不同各力相对于摆动中心的作用方向发生变化。在极限位置需要的气缸拉力最大，
下面根据这个拉力来计算气缸的缸径。
    摆动杆力平衡方程为
    4F·L1－F1F2 －F2L3==0 工 (6)
     则气缸拉力计算公式为
    F2 == 4F·L1/L2－F1·L2/L2 (7)
    式中 F2—气缸产生的拉力，N
     F—卷膜的张力． N；
    F1—摆动杆的质量， Kg；
     L2—包材的张力作用到摆动杆上合力的作用点到摆动杆摆动中心的距离，m；
    L1——摆动杆的质心到摆动杆摆动中心的距离m；
    L3——摆动杆气缸拉力作用点与摆动杆摆动中心的垂直距离，m。
    表2 摆动杆的几何参数及力学参数
    包装机系统的工作压力为0.65Mpa，为使浮动气缸的拉力有一定的调节范围，初步确定其工作压力为0.5Mpa，最后根据工作行程和机械安装结构选用 SMC公司的CDM2B32-150气缸。
3 包装机气动卷材张力控制机构的安装调试及使用
    包装机气动卷材张力控制机构是专门为400g全自动充氮
    奶粉包装机设计的，已正式投入生产，运行状态良好。在调试过程中，控制浮动气缸向下拉动的气动回路工作压力的减压阀(2)工作压力设定为0.45Mpa，浮动气缸向上推动减压阀(1)工作压力设定为0．3Mpa，实际测得的开卷时间为0.42s，开卷长度为0．23m，拉膜时段包材的张力为1．8kg，证寮包装机气动卷材张力控制机构能够很好地满足包装机在工作过程中对开卷的工作要求，说明上述的结构方案的可行性与计算的正确性。
    4 结论
    1)本文给出了包装机气动卷材张力控制机构的设计准则，经生产实践证明该系统性能稳定、工作可靠，满足了现代高速包装机械对其包材开卷的要求。
2)气动控制因其柔性、清洁，易构成机电气集成系统，将进一步提升包装机械行业的整体水平。

信息来源：山大学机械工程学院