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前言:近年來，氣動技術在包裝機械行業(yè)得到了 廣泛地應用,使包裝機械行業(yè)有了長足的發(fā)展。由 于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設備的自動 化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(huán)境,能夠很好地滿 足包裝機械對速度和環(huán)境的要求。現代包裝機械一 般采用氣紅做執(zhí)行元件，主要是利用氣缸具有直線 輸出和速度可調等特點，這樣就摒充了傳統(tǒng)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,采用氣缸做執(zhí)行元件，通過調整控制軟件 就可以解決整個執(zhí)行機構協調工作的時序要求。這 一點與傳統(tǒng)的凸輪控制機構相比，可以節(jié)省大量的 安裝調試工作，這也是氣動技術在包裝機械行業(yè)得 到普及的一個重要原因。氣動執(zhí)行元件具有很好的 柔性，或者說氣缸活塞的運動速度和行程可受其它 機構的約束。利用氣動執(zhí)行元件的這一特性，可以 設計成氣動和機械組合的復合機構，來實現準確的 動行協調和同步,也可設計成柔性的執(zhí)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 包材牽引供膜輻轉動，進行開膜。當擺動桿向下運 行到接近開關的作用位置時，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。

 

 

圖1包裝機氣動卷材張力控制機構組成示意圖

 

 

圖2包裝機氣動卷材張力控制系統(tǒng)原理圖

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，使氣缸產生向上的推力。通過調節(jié)減壓 閥（圖2）使氣缸向上的推力比擺動桿重力作用到氣 缸桿上的合力小（一般相差1.5 ~2Kg），這時拉膜浮 動氣缸的活塞桿并不運動，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，隨后伺服電機開始拉膜。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，當顏色傳感器檢測 到包材定位色標，發(fā)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， 并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，但由于浮動氣 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，等擺動桿完全回落后再打開控制浮 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恒定張力，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(zhí)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。該機構應用于 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

Ji = (1)

式中Ji 膨脹軸的轉動慣量,姐皿2；

m, 膨脹軸的質量,&g;

Ri——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 = ｝明2(足 + r²) (2).

式中J₂ 巻膜的轉動慣量,Agm2；

m₂ 卷膜的質量,&g;

R₂ 卷膜的外徑,m；

r 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輟的轉動 慣量是變化的，同時包材張力作用半徑也是變化的。 為了求岀開卷最大張力，應在二種極限狀態(tài)下分別 計算。取其最大值作為選擇系統(tǒng)參數的依據。根據 包裝機的動作要求，開卷時間tW0.4S；包材開卷長 度LN0.2m,計算開卷所需的張力F_o

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 = — • 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——開卷時間，s。

圓周運動的加速度計算公式為

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)可得包材張力計算公式

F = 2H • J/R² - t² (5)

式中J =Ji+J₂ -卷膜輻總的轉動慣量,kgm。

在全自動400g充氮奶粉包裝機氣動卷材張力 控制機構的參數如表1所示。

                                                                                            表1氣動卷材張力控制機構的參數

膨脹軸 質量	膨脹軸 半徑	膨脹軸 轉動慣量	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氣虹拉力計算

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，下面根據這 個拉力來計算氣缸的缸徑。

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] 擺動桿的質量，kg；

L——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；

L,——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

擺動桿	包材的張力作用到擺動桿上合力的	擺動桿的質心到擺動	擺動桿氣缸拉力作用點與擺
的質量	作用點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