李勇

[摘 要] GD包裝機(jī)的主機(jī)和輔機(jī)之間通過(guò)輸送跑道相連，輔機(jī)停機(jī)后可以緩存10秒左右，實(shí)際使用中遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。文章研究一種新型的煙包在線緩存裝置，采用回轉(zhuǎn)式技術(shù)，較以往產(chǎn)品在存儲(chǔ)數(shù)量相同的情況下大大縮小了產(chǎn)品尺寸和安裝高度，與整個(gè)GD包裝機(jī)配套完美。采用成熟的鏈條傳動(dòng)方案運(yùn)行穩(wěn)定可靠，應(yīng)用PLC和觸摸屏作為控制器，控制可靠穩(wěn)定，采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，使得位置控制更加精準(zhǔn)。應(yīng)用該裝置能有效地提高主機(jī)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，值得推廣。

[關(guān)鍵詞] GD包裝機(jī)；鏈條傳動(dòng)；PLC；中斷；觸摸屏；伺服電機(jī)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 23. 046

[中圖分類號(hào)] F273 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2018）23- 0107- 02

1 概 述

香煙的包裝是卷煙生產(chǎn)中非常重要的工序，現(xiàn)有技術(shù)中，香煙包裝的機(jī)械化、自動(dòng)化程度已經(jīng)很高，技術(shù)非常成熟，尤其是GD包裝機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)緊湊，香煙輸送速度快，更是獲得了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為目前煙廠生產(chǎn)中的主力機(jī)型。GD包裝機(jī)包含主機(jī)和輔機(jī)兩部分，中間通過(guò)小包皮帶機(jī)相連，但皮帶機(jī)一般就幾米長(zhǎng)，同時(shí)GD包裝機(jī)不配備小包在線緩存裝置，如果輔機(jī)停機(jī)超過(guò)10秒，由于包裝輸送線路上煙包阻塞，主機(jī)就被迫停機(jī)，導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停止運(yùn)轉(zhuǎn)，影響其正常生產(chǎn)，頻繁的停開機(jī)不僅降低了工作效率，而且會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量，增加更多的殘次品。

原有的煙包在線緩存裝置加裝在小包輸送帶的上面，整體高度有2米高，長(zhǎng)度有1.8米，在車間里非常突兀，影響美觀。本文研究利用成熟的鏈條傳動(dòng)技術(shù)，基于PLC和觸摸屏控制，使用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，設(shè)計(jì)的煙包在線緩存裝置，小包皮帶機(jī)從中穿過(guò)，整體高度不超過(guò)1.1米，長(zhǎng)度為1.5米，較以往產(chǎn)品在存儲(chǔ)數(shù)量相同的情況下大大縮小了產(chǎn)品尺寸和安裝高度，與整個(gè)GD包裝機(jī)配套完美。鏈條傳動(dòng)方案運(yùn)行穩(wěn)定可靠，應(yīng)用PLC和觸摸屏作為控制器，控制可靠穩(wěn)定，采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，使得位置控制更加精準(zhǔn)。應(yīng)用該裝置能在GD包裝機(jī)輔機(jī)單次停機(jī)5分鐘內(nèi)不需要GD包裝機(jī)主機(jī)停機(jī)，能有效提高GD包裝機(jī)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，非常值得推廣。

2 設(shè)計(jì)思路

為了利用低于小包皮帶機(jī)的空間，就需要傳動(dòng)部件在存儲(chǔ)器和小包皮帶機(jī)之間傳送，采用回環(huán)式的鏈條傳動(dòng)是比較合適的。鏈條傳動(dòng)在鏈輪的作用下能改變傳送路徑，這樣就能最大限度的利用存儲(chǔ)空間，在有限的空間里緩存更多的煙包。

存儲(chǔ)器采用柵格結(jié)構(gòu)，每個(gè)煙道是一面開放的型材結(jié)構(gòu)，型材采用上寬下窄的特殊結(jié)構(gòu)訂制拉伸出來(lái)，既要兼顧結(jié)實(shí)性又要重量輕，每個(gè)型材與兩端的鏈條固定在一起。鏈條的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)型材一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從皮帶機(jī)上方經(jīng)過(guò)，正常時(shí)某一個(gè)型材恰好在皮帶機(jī)的上方，作為煙包的輸送通道，如果需要存煙時(shí)則擋住型材出口處，使得煙包存滿在型材里，然后鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)，煙包就存到存儲(chǔ)器的一個(gè)通道里了，如此反復(fù)，則煙包逐漸存到存儲(chǔ)器里，直到存滿，排煙時(shí)是反向操作，直到排空。

為了煙包進(jìn)入型材快速準(zhǔn)確，型材的停止位置必須保持一致，即型材定位需要精準(zhǔn)，應(yīng)采取PLC加伺服電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)由于鏈條傳動(dòng)的位置有一定的偏差，因此需要加裝傳感器檢測(cè)型材的實(shí)際位置，PLC以中斷方式處理傳感器的接入，一旦檢測(cè)到位后立即通知伺服控制器停止伺服電機(jī)。

2.1 鏈條傳動(dòng)

鏈條傳動(dòng)是通過(guò)鏈條將具有特殊齒形的主動(dòng)鏈輪的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞到具有特殊齒形的從動(dòng)鏈輪的一種傳動(dòng)方式。鏈傳動(dòng)是嚙合傳動(dòng)，平均傳動(dòng)比是準(zhǔn)確的。它是利用鏈與鏈輪輪齒的嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。

鏈傳動(dòng)有許多優(yōu)點(diǎn)，與帶傳動(dòng)相比，無(wú)彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，工作可靠，效率高；傳遞功率大，過(guò)載能力強(qiáng)，相同工況下的傳動(dòng)尺寸小；所需張緊力小，作用于軸上的壓力小；能在高溫、潮濕、多塵、有污染等惡劣環(huán)境中工作。鏈傳動(dòng)的缺點(diǎn)主要有：僅能用于兩平行軸間的傳動(dòng)，成本高，易磨損，易伸長(zhǎng)，傳動(dòng)平穩(wěn)性差，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加動(dòng)載荷、振動(dòng)、沖擊和噪聲，不宜用在急速反向的傳動(dòng)中。

與帶傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)沒(méi)有彈性滑動(dòng)和打滑，能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比；需要的張緊力小，作用于軸的壓力也小，可減少軸承的摩擦損失；結(jié)構(gòu)緊湊；能在溫度較高、有油污等惡劣環(huán)境條件下工作。與齒輪傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)的制造和安裝精度要求較低，中心距較大時(shí)其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。瞬時(shí)鏈速和瞬時(shí)傳動(dòng)比不是常數(shù)，因此傳動(dòng)平穩(wěn)性較差，工作中有一定的沖擊和噪聲。鏈傳動(dòng)平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高，軸間距離適應(yīng)范圍較大，能在溫度較高、濕度較大的環(huán)境中使用；但鏈傳動(dòng)一般只能用作平行軸間傳動(dòng)，且其瞬時(shí)傳動(dòng)比波動(dòng)，傳動(dòng)噪聲較大。

2.2 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)（servo motor）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。交流伺服電機(jī)也是無(wú)刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)。目前運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。

2.3 位置控制

本研究選用的某廠家PLC具有原點(diǎn)回歸控制指令，可以利用這個(gè)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)位置控制。指令：ZRN（S1，S2，S3，D）；S1：原點(diǎn)回歸速度；S2：寸動(dòng)速度；S3：近點(diǎn)信號(hào)（DOG）；D：脈沖輸出裝置。執(zhí)行該指令時(shí)，伺服電機(jī)首先以S1原點(diǎn)回歸速度運(yùn)行，當(dāng)接近目標(biāo)時(shí)S3近點(diǎn)信號(hào)上升沿，伺服電機(jī)開始降速，以S2寸動(dòng)速度運(yùn)行，當(dāng)S3近點(diǎn)信號(hào)下降沿時(shí)，伺服電機(jī)立即停止，這樣使得每個(gè)型材停止的位置保持一致。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)分為機(jī)械和電機(jī)兩部分，二者共同合作配合完成煙包在線緩存功能。即實(shí)現(xiàn)正常時(shí)的煙包正常順滑的通過(guò)，輔機(jī)異常時(shí)在線存儲(chǔ)煙包，輔機(jī)正常時(shí)把在線存儲(chǔ)的煙包逐漸排出，等待下一次輔機(jī)異常。

3.2 機(jī)械設(shè)計(jì)

依據(jù)本裝置的負(fù)載和功能需求，采用回環(huán)式存儲(chǔ)是比較理想的，如圖1所示。主要結(jié)構(gòu)包括：①機(jī)體框架；②U型條槽；③鏈條；④輸送皮帶機(jī)；⑤鏈輪；⑥進(jìn)出翻板；⑦進(jìn)出翻板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；⑧托板；⑨鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

機(jī)體框架由兩個(gè)端板和型材構(gòu)成，端板采用整板由加工中心加工而成，保證了各鏈輪軸的位置準(zhǔn)確。由10根型材連接兩個(gè)端板保證了機(jī)體框架整體穩(wěn)固不變形。U型條槽是訂制的特殊尺寸的鋁型材，共有200根，既作為小包通道又可以存儲(chǔ)小包。鏈條包含兩根800節(jié)的鏈條。輸送皮帶機(jī)是GD包裝機(jī)原來(lái)就的。鏈輪單側(cè)由兩個(gè)大鏈輪和6各小鏈輪組成。進(jìn)出翻板連同進(jìn)出翻板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由氣缸驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)部件，使得煙包進(jìn)出輸送皮帶機(jī)時(shí)更順滑，不卡煙。托板是由有機(jī)玻璃制作的，保證煙包順著規(guī)定的軌跡滑行。鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)及附加驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)組成，用于精確的位置定位。

3.2 電氣設(shè)計(jì)

依據(jù)本裝置的負(fù)載和功能需求，電氣部件包括PLC、觸摸屏、伺服系統(tǒng)、傳感器、氣動(dòng)元件。由PLC作為主控制部件，實(shí)時(shí)檢測(cè)各傳感器信息，同時(shí)根據(jù)邏輯處理驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)、各氣動(dòng)元件，完成在線存煙和排煙的功能，觸摸屏顯示運(yùn)行信息、報(bào)警、配置參數(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等。

PLC邏輯處理對(duì)存煙和排煙分別采用順序流控技術(shù)編寫，邏輯清晰，處理可靠，存、排煙之間隨時(shí)切換，而又各自獨(dú)立，互相不干擾。系統(tǒng)包含豐富的功能，觸摸屏上運(yùn)行信息包括煙包總數(shù)量、存煙總數(shù)量、當(dāng)前存煙數(shù)量、存煙次數(shù)、當(dāng)前狀態(tài)（存煙、排煙、待機(jī)）等。

3.3 控制方法

當(dāng)需要儲(chǔ)存小盒煙包時(shí)，煙包阻擋裝置將位于輸送皮帶機(jī)上的上下游小盒煙包進(jìn)行等數(shù)量阻擋固定，確保小盒煙包儲(chǔ)存裝置內(nèi)的煙包數(shù)量在規(guī)定之內(nèi)。進(jìn)出翻板機(jī)構(gòu)動(dòng)作將進(jìn)出翻板傾斜一定的角度，以便小盒煙包能夠順利進(jìn)入到托板上。鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的伺服電機(jī)帶動(dòng)環(huán)形鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)，環(huán)形鏈條帶動(dòng)U型條槽移動(dòng)，這樣一排小盒煙包便隨著U型條槽進(jìn)入了托板上。等距的另一個(gè)U型條槽進(jìn)入到輸送皮帶機(jī)上，上游煙包阻擋裝置打開，小盒煙包進(jìn)入儲(chǔ)存裝置內(nèi)，同時(shí)下游煙包阻擋裝置關(guān)閉，相同數(shù)量的小盒煙包進(jìn)入到儲(chǔ)存裝置內(nèi)時(shí)，上游煙包阻擋裝置關(guān)閉，進(jìn)入下一個(gè)儲(chǔ)存動(dòng)作循環(huán)，直至將整個(gè)小盒儲(chǔ)存裝置存滿。

當(dāng)需要將小盒煙包儲(chǔ)存裝置內(nèi)的小盒煙包排出時(shí)，上游煙包阻擋裝置關(guān)閉，同時(shí)下游的煙包阻擋裝置打開，進(jìn)出翻板機(jī)構(gòu)動(dòng)作將進(jìn)出翻板反方向傾斜一定的角度，以便小盒煙包順利進(jìn)入到輸送皮帶機(jī)上，鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的伺服電機(jī)帶動(dòng)兩條環(huán)形鏈條反向轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈條帶動(dòng)等距的U型條槽反向移動(dòng)，這樣U型條槽內(nèi)的小盒煙包便隨著U型條槽平移到了輸送皮帶機(jī)上，并隨輸送皮帶機(jī)帶離小盒儲(chǔ)存裝置，如若繼續(xù)排出小盒煙包，則伺服電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，直至將整個(gè)小盒儲(chǔ)存裝置內(nèi)的煙包排空。

4 總 結(jié)

本文對(duì)一種煙包在線緩存裝置進(jìn)行了研究，經(jīng)過(guò)前期充分的理論分析和方案論證，首臺(tái)樣機(jī)經(jīng)過(guò)測(cè)試達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。但同時(shí)裝置還有一些改進(jìn)的空間，如機(jī)械安裝上還有些不方便的地方，沒(méi)有提供手工放煙的方法等，后繼應(yīng)繼續(xù)改進(jìn)提高并加以推廣，以充分發(fā)揮裝置的價(jià)值。

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