吳國良

浙江桐鄉(xiāng)市朝暉過濾技術(shù)股份有限公司

伺服步進(jìn)式自動成袋機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

吳國良

浙江桐鄉(xiāng)市朝暉過濾技術(shù)股份有限公司

采用傳統(tǒng)機(jī)械式滾超機(jī)生產(chǎn)無紡布集塵過濾袋，工序多、效率低、尺寸偏差大，且不同規(guī)格的產(chǎn)品須配備一副特定的掛輪和打孔滾模，生產(chǎn)及運(yùn)行成本較高。新研制的伺服步進(jìn)式自動成袋機(jī)基本解決了上述集塵過濾袋生產(chǎn)過程中的一些問題。

集塵過濾袋；無紡布；伺服控制；步進(jìn)式；光電跟蹤；成袋機(jī)

1 前言

在環(huán)保理念日益重視的今天，家用吸塵器配件無紡布集塵過濾袋的需求量逐年增加，有取代紙質(zhì)集塵過濾袋的趨勢。傳統(tǒng)無紡布集塵過濾袋的生產(chǎn)是將袋子的上下層無紡布料通過超聲波滾超封固兩邊，然后由機(jī)械牽引至定長尺寸經(jīng)甩刀切斷，再經(jīng)過超聲波熔焊機(jī)工序完成兩端的封口，再經(jīng)絲網(wǎng)印刷等工序印刷產(chǎn)品圖案。工序多、生產(chǎn)效率低、且尺寸精度差，定長尺寸偏差達(dá)±5mm。并且滾超工序必須為超聲波熔焊封口工序預(yù)留布袋加長量，增加了材料損耗，同時不同規(guī)格的產(chǎn)品都需定制一副傳動齒輪（掛輪）及打孔滾模，增加了不少成本。為解決上述生產(chǎn)過程中存在的弊端，筆者開發(fā)了伺服步進(jìn)式自動成袋機(jī)，該設(shè)備集滾超封邊、切邊、打孔、橫超封口、切斷于一體，減少了工序，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約人工，并且取消了掛輪系統(tǒng)，無需為不同規(guī)格的產(chǎn)品配備一副打孔滾模和掛輪，簡化了系統(tǒng)降低了成本。經(jīng)過一年多的生產(chǎn)實(shí)踐和探索，并不斷進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，現(xiàn)已成功應(yīng)用于批量生產(chǎn)中，原先無法制作的超長袋子現(xiàn)在亦可以通過本機(jī)完成。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

自動成袋機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示，無紡布卷料2事先采用柔版印刷機(jī)印上產(chǎn)品圖案和色標(biāo)，統(tǒng)一印刷可以提高色標(biāo)的印刷精度，從而可以保證本機(jī)的控制精度，同時也解決了產(chǎn)品成袋后采用單獨(dú)手工絲網(wǎng)印刷效率低、工序多的問題。

光電傳感器3跟蹤卷料上的色標(biāo)，根據(jù)安裝在連續(xù)牽引輥19上的編碼器信號，由PLC計(jì)算出打孔窗口距離A，并由伺服電機(jī)驅(qū)動打孔滾模4進(jìn)行間歇性旋轉(zhuǎn)超孔。滾模6和7分別完成超聲波連續(xù)滾邊與切邊動作。牽引輥19由變頻電機(jī)驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)運(yùn)行速度來實(shí)現(xiàn)不同的產(chǎn)品規(guī)格及工藝對線速度的要求。

圖1 伺服步進(jìn)式自動成袋機(jī)原理圖

1-下層無紡布卷料；2-上層無紡布卷料；3-打孔光電傳感器；4-超聲打孔滾模；5-導(dǎo)向輥；6-超聲滾邊模；7-超聲切邊模；8-封口光電傳感器；9-超聲封口模及驅(qū)動氣缸；10-脫模機(jī)構(gòu)；11-袋長調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；12-動切刀及往復(fù)機(jī)構(gòu)；13-張緊輥；14-定切刀；15-步進(jìn)牽引輥；16-定長輥；17-封口超聲波換能器；18-浮動輥；19-連續(xù)牽引輥；20-切邊超聲波換能器；21-滾邊超聲波換能器；22-打孔超聲波換能器；A=打孔窗口距離；B=封口窗口距離

在這里打孔伺服電機(jī)必須嚴(yán)格控制兩個關(guān)鍵變量，一是啟動時刻，涉及到窗口距離A的計(jì)算，二是必須保證使打孔滾模與卷料牽引線速度完全同步。這兩點(diǎn)都是通過PLC計(jì)算編碼器傳來的位移及速度信號配合伺服驅(qū)動實(shí)現(xiàn)的。因此編碼器的安裝方式與結(jié)構(gòu)有著舉足輕重的關(guān)系，輕微的擾動都會干擾編碼器每轉(zhuǎn)數(shù)千脈沖的信號，在這里筆者專門設(shè)計(jì)了編碼器安裝座與牽引輥軸承座一體式結(jié)構(gòu)如圖2，并巧妙安排相關(guān)尺寸鏈，使軸承和編碼器的兩個安裝圓一次車加工成型，從而保證了同心度及垂直度。

為了保證傳動精度，伺服減速機(jī)采用回程間隙≤10ArcminD的伺服專用行星針輪減速機(jī)，其余傳動全部采用圓錐齒輪和圓柱齒輪傳動替代原滾超機(jī)采用的鏈條傳動，避免鏈條抖動帶來的影響，大幅提高了傳動精度。對于調(diào)整不同規(guī)格產(chǎn)品的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，全部采用直線導(dǎo)軌+滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能，使本機(jī)的產(chǎn)品規(guī)格適應(yīng)性增強(qiáng)，調(diào)整便捷精準(zhǔn)。

步進(jìn)牽引輥15由伺服電機(jī)驅(qū)動作步進(jìn)式牽引，光電傳感器8跟蹤色標(biāo)信號，并根據(jù)伺服電機(jī)編碼器計(jì)算走過的窗口距離B發(fā)出停止信號，此時氣缸9下壓，進(jìn)行超聲波橫向封口，同時由袋長調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)11和定長輥16確定袋長，并由切刀12和14完成切斷動作。

圖2

張緊輥13將切斷的集塵過濾袋送出。此時系統(tǒng)再次發(fā)出牽引信號，循環(huán)上述步驟。

步進(jìn)牽引與前部連續(xù)牽引之間的線速度由浮動輥18進(jìn)行協(xié)調(diào)，通過位置傳感器控制步進(jìn)牽引的線速度，使浮動輥的上下移動范圍自動鎖定在合適的區(qū)段內(nèi)。由于步進(jìn)牽引需要較大的扭矩，且要求準(zhǔn)確啟動與定位停止，因此選擇合理的減速比可最大限度發(fā)揮伺服電機(jī)的扭矩，這樣就可選用較小的電機(jī)功率，降低制造成本。關(guān)于這一點(diǎn)筆者有專門的文章論述。

3 主要技術(shù)參數(shù)

1）最大加工袋寬500mm；

2）最大加工袋長1300mm；

3）最大生產(chǎn)線速度7.5m/min；

4）打孔伺服驅(qū)動功率0.4KW；

5）步進(jìn)牽引（伺服控制）驅(qū)動功率1KW；

6）連續(xù)牽引（變頻控制）驅(qū)動功率2.2KW；

7）產(chǎn)品最大尺寸偏差±2mm。

4 使用效果

1）超聲波打孔、滾邊、切邊并同時橫向封口切斷在一臺機(jī)上全部完成，省去了單獨(dú)超聲封口人工剪邊工序，節(jié)約人力、物力；

2）原滾超機(jī)機(jī)械定長尺寸誤差大，為保證后道超聲波封口工序，每個袋子在滾超甩斷時必須預(yù)留加長量20mm以上，封口后再通過人工剪邊切除。采用本機(jī)生產(chǎn)不需預(yù)留長度，節(jié)約無紡布原材料5%～10%；

3）原滾超機(jī)是采用滾模周長等于袋長的機(jī)械傳動鎖定線速度的原理，每更換一個規(guī)格袋長的產(chǎn)品須制作一個特定直徑的滾模。由于本機(jī)采用光電跟蹤色標(biāo)，通過伺服電機(jī)間歇驅(qū)動控制打孔，因此可采用統(tǒng)一回轉(zhuǎn)直徑超聲波滾模，大幅減少了滾模數(shù)量，節(jié)省了一筆可觀的模具費(fèi)用；

4）原滾超機(jī)須每個規(guī)格袋長制作一副齒輪（掛輪），而本機(jī)采用伺服電機(jī)步進(jìn)驅(qū)動控制袋長與切斷，省去了機(jī)械傳動甩刀定長所必須的掛輪系統(tǒng)，降低了生產(chǎn)運(yùn)行及調(diào)試成本；

5）由于受結(jié)構(gòu)尺寸的限制，原滾超機(jī)掛輪速比是有限制的，并且直徑過大的打孔滾模也無法加工，因此無法生產(chǎn)袋長800mm以上的產(chǎn)品。而本機(jī)不受此限制，由于是步進(jìn)間歇驅(qū)動控制，袋長達(dá)1300mm的產(chǎn)品均可生產(chǎn)。根據(jù)公司現(xiàn)在的定單趨勢，袋長范圍800～1000mm的產(chǎn)品越來越多，因此本機(jī)提高了對產(chǎn)品規(guī)格的適應(yīng)性；

6）采用伺服控制，產(chǎn)品的尺寸精度得到大幅提高，原機(jī)械式滾超機(jī)最大尺寸偏差達(dá)±5mm,本機(jī)最大尺寸偏差±2mm，提高了產(chǎn)品在市場的競爭力；

7）由于采用光電色標(biāo)跟蹤定位，鎖定每個袋子的圖案相對袋子的位置比較容易。因此就可改變印刷工藝，將原先單個布袋絲網(wǎng)印刷改變?yōu)闊o紡布面層卷料事先上柔版印刷機(jī)連續(xù)印刷，印刷產(chǎn)品圖案的同時在卷料的邊緣印刷色標(biāo)，簡化工藝，提高效率，降低成本。