论文部分内容阅读
[摘 要] GD包裝机的主机和辅机之间通过输送跑道相连，辅机停机后可以缓存10秒左右，实际使用中远远不够。文章研究一种新型的烟包在线缓存装置，采用回转式技术，较以往产品在存储数量相同的情况下大大缩小了产品尺寸和安装高度，与整个GD包装机配套完美。采用成熟的链条传动方案运行稳定可靠，应用PLC和触摸屏作为控制器，控制可靠稳定，采用伺服电机作为动力源，使得位置控制更加精准。应用该装置能有效地提高主机的生产效率和产品质量，值得推广。
[关键词] GD包装机；链条传动；PLC；中断；触摸屏；伺服电机
doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 23. 046
[中图分类号] F273 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2018）23- 0107- 02
1 概 述
香烟的包装是卷烟生产中非常重要的工序，现有技术中，香烟包装的机械化、自动化程度已经很高，技术非常成熟，尤其是GD包装机，由于其结构紧凑，香烟输送速度快，更是获得了广泛的应用，已经成为目前烟厂生产中的主力机型。GD包装机包含主机和辅机两部分，中间通过小包皮带机相连，但皮带机一般就几米长，同时GD包装机不配备小包在线缓存装置，如果辅机停机超过10秒，由于包装输送线路上烟包阻塞，主机就被迫停机，导致整条生产线停止运转，影响其正常生产，频繁的停开机不仅降低了工作效率，而且会降低产品质量，增加更多的残次品。
原有的烟包在线缓存装置加装在小包输送带的上面，整体高度有2米高，长度有1.8米，在车间里非常突兀，影响美观。本文研究利用成熟的链条传动技术，基于PLC和触摸屏控制，使用伺服电机作为动力源，设计的烟包在线缓存装置，小包皮带机从中穿过，整体高度不超过1.1米，长度为1.5米，较以往产品在存储数量相同的情况下大大缩小了产品尺寸和安装高度，与整个GD包装机配套完美。链条传动方案运行稳定可靠，应用PLC和触摸屏作为控制器，控制可靠稳定，采用伺服电机作为动力源，使得位置控制更加精准。应用该装置能在GD包装机辅机单次停机5分钟内不需要GD包装机主机停机，能有效提高GD包装机的生产效率和产品质量，非常值得推广。
2 设计思路
为了利用低于小包皮带机的空间，就需要传动部件在存储器和小包皮带机之间传送，采用回环式的链条传动是比较合适的。链条传动在链轮的作用下能改变传送路径，这样就能最大限度的利用存储空间，在有限的空间里缓存更多的烟包。
存储器采用栅格结构，每个烟道是一面开放的型材结构，型材采用上宽下窄的特殊结构订制拉伸出来，既要兼顾结实性又要重量轻，每个型材与两端的链条固定在一起。链条的转动带动型材一起转动，从皮带机上方经过，正常时某一个型材恰好在皮带机的上方，作为烟包的输送通道，如果需要存烟时则挡住型材出口处，使得烟包存满在型材里，然后链条转动，烟包就存到存储器的一个通道里了，如此反复，则烟包逐渐存到存储器里，直到存满，排烟时是反向操作，直到排空。
为了烟包进入型材快速准确，型材的停止位置必须保持一致，即型材定位需要精准，应采取PLC加伺服电机进行控制，同时由于链条传动的位置有一定的偏差，因此需要加装传感器检测型材的实际位置，PLC以中断方式处理传感器的接入，一旦检测到位后立即通知伺服控制器停止伺服电机。
2.1 链条传动
链条传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。链传动是啮合传动，平均传动比是准确的。它是利用链与链轮轮齿的啮合来传递动力和运动的机械传动。
链传动有许多优点，与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高；传递功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小；所需张紧力小，作用于轴上的压力小；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。链传动的缺点主要有：仅能用于两平行轴间的传动，成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在急速反向的传动中。
与带传动相比，链传动没有弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比；需要的张紧力小，作用于轴的压力也小，可减少轴承的摩擦损失；结构紧凑；能在温度较高、有油污等恶劣环境条件下工作。与齿轮传动相比，链传动的制造和安装精度要求较低，中心距较大时其传动结构简单。瞬时链速和瞬时传动比不是常数，因此传动平稳性较差，工作中有一定的冲击和噪声。链传动平均传动比准确，传动效率高，轴间距离适应范围较大，能在温度较高、湿度较大的环境中使用；但链传动一般只能用作平行轴间传动，且其瞬时传动比波动，传动噪声较大。
2.2 伺服电机
伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机。目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。
2.3 位置控制
本研究选用的某厂家PLC具有原点回归控制指令，可以利用这个指令来实现位置控制。指令：ZRN（S1，S2，S3，D）；S1：原点回归速度；S2：寸动速度；S3：近点信号（DOG）；D：脉冲输出装置。执行该指令时，伺服电机首先以S1原点回归速度运行，当接近目标时S3近点信号上升沿，伺服电机开始降速，以S2寸动速度运行，当S3近点信号下降沿时，伺服电机立即停止，这样使得每个型材停止的位置保持一致。 3 系统设计
3.1 系统结构
整个系统分为机械和电机两部分，二者共同合作配合完成烟包在线缓存功能。即实现正常时的烟包正常顺滑的通过，辅机异常时在线存储烟包，辅机正常时把在线存储的烟包逐渐排出，等待下一次辅机异常。
3.2 机械设计
依据本装置的负载和功能需求，采用回环式存储是比较理想的，如图1所示。主要结构包括：①机体框架；②U型条槽；③链条；④输送皮带机；⑤链轮；⑥进出翻板；⑦进出翻板驱动机构；⑧托板；⑨链条驱动机构。
机体框架由两个端板和型材构成，端板采用整板由加工中心加工而成，保证了各链轮轴的位置准确。由10根型材连接两个端板保证了机体框架整体稳固不变形。U型条槽是订制的特殊尺寸的铝型材，共有200根，既作为小包通道又可以存储小包。链条包含两根800节的链条。输送皮带机是GD包装机原来就的。链轮单侧由两个大链轮和6各小链轮组成。进出翻板连同进出翻板驱动机构是由气缸驱动的活动部件，使得烟包进出输送皮带机时更顺滑，不卡烟。托板是由有机玻璃制作的，保证烟包顺着规定的轨迹滑行。链条驱动机构由伺服电机及附加驱动结构组成，用于精确的位置定位。
3.2 电气设计
依据本装置的负载和功能需求，电气部件包括PLC、触摸屏、伺服系统、传感器、气动元件。由PLC作为主控制部件，实时检测各传感器信息，同时根据逻辑处理驱动伺服系统、各气动元件，完成在线存烟和排烟的功能，触摸屏显示运行信息、报警、配置参数、实时监控等。
PLC逻辑处理对存烟和排烟分别采用顺序流控技术编写，逻辑清晰，处理可靠，存、排烟之间随时切换，而又各自独立，互相不干扰。系统包含丰富的功能，触摸屏上运行信息包括烟包总数量、存烟总数量、当前存烟数量、存烟次数、当前状态（存烟、排烟、待机）等。
3.3 控制方法
当需要储存小盒烟包时，烟包阻挡装置将位于输送皮带机上的上下游小盒烟包进行等数量阻挡固定，确保小盒烟包储存装置内的烟包数量在规定之内。进出翻板机构动作将进出翻板倾斜一定的角度，以便小盒烟包能够顺利进入到托板上。链条驱动机构上的伺服电机带动环形链条转动，环形链条带动U型条槽移动，这样一排小盒烟包便随着U型条槽进入了托板上。等距的另一个U型条槽进入到输送皮带机上，上游烟包阻挡装置打开，小盒烟包进入储存装置内，同时下游烟包阻挡装置关闭，相同数量的小盒烟包进入到储存装置内时，上游烟包阻挡装置关闭，进入下一个储存动作循环，直至将整个小盒储存装置存满。
当需要将小盒烟包储存装置内的小盒烟包排出时，上游烟包阻挡装置关闭，同时下游的烟包阻挡装置打开，进出翻板机构动作将进出翻板反方向倾斜一定的角度，以便小盒烟包顺利进入到输送皮带机上，链条驱动机构上的伺服电机带动两条环形链条反向转动，鏈条带动等距的U型条槽反向移动，这样U型条槽内的小盒烟包便随着U型条槽平移到了输送皮带机上，并随输送皮带机带离小盒储存装置，如若继续排出小盒烟包，则伺服电机继续运行，直至将整个小盒储存装置内的烟包排空。
4 总 结
本文对一种烟包在线缓存装置进行了研究，经过前期充分的理论分析和方案论证，首台样机经过测试达到了设计要求。但同时装置还有一些改进的空间，如机械安装上还有些不方便的地方，没有提供手工放烟的方法等，后继应继续改进提高并加以推广，以充分发挥装置的价值。
主要参考文献
[1]中达电通股份有限公司.台达DVP-PLC应用技术手册[Z].2012.
[2]郑魁敬.运动控制技术及工程实践[M].北京：中国电力出版社，2009.
[3]孟繁忠.链传动技术手册[M].北京：机械工业出版社，2016.
[关键词] GD包装机；链条传动；PLC；中断；触摸屏；伺服电机
doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 23. 046
[中图分类号] F273 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2018）23- 0107- 02
1 概 述
香烟的包装是卷烟生产中非常重要的工序，现有技术中，香烟包装的机械化、自动化程度已经很高，技术非常成熟，尤其是GD包装机，由于其结构紧凑，香烟输送速度快，更是获得了广泛的应用，已经成为目前烟厂生产中的主力机型。GD包装机包含主机和辅机两部分，中间通过小包皮带机相连，但皮带机一般就几米长，同时GD包装机不配备小包在线缓存装置，如果辅机停机超过10秒，由于包装输送线路上烟包阻塞，主机就被迫停机，导致整条生产线停止运转，影响其正常生产，频繁的停开机不仅降低了工作效率，而且会降低产品质量，增加更多的残次品。
原有的烟包在线缓存装置加装在小包输送带的上面，整体高度有2米高，长度有1.8米，在车间里非常突兀，影响美观。本文研究利用成熟的链条传动技术，基于PLC和触摸屏控制，使用伺服电机作为动力源，设计的烟包在线缓存装置，小包皮带机从中穿过，整体高度不超过1.1米，长度为1.5米，较以往产品在存储数量相同的情况下大大缩小了产品尺寸和安装高度，与整个GD包装机配套完美。链条传动方案运行稳定可靠，应用PLC和触摸屏作为控制器，控制可靠稳定，采用伺服电机作为动力源，使得位置控制更加精准。应用该装置能在GD包装机辅机单次停机5分钟内不需要GD包装机主机停机，能有效提高GD包装机的生产效率和产品质量，非常值得推广。
2 设计思路
为了利用低于小包皮带机的空间，就需要传动部件在存储器和小包皮带机之间传送，采用回环式的链条传动是比较合适的。链条传动在链轮的作用下能改变传送路径，这样就能最大限度的利用存储空间，在有限的空间里缓存更多的烟包。
存储器采用栅格结构，每个烟道是一面开放的型材结构，型材采用上宽下窄的特殊结构订制拉伸出来，既要兼顾结实性又要重量轻，每个型材与两端的链条固定在一起。链条的转动带动型材一起转动，从皮带机上方经过，正常时某一个型材恰好在皮带机的上方，作为烟包的输送通道，如果需要存烟时则挡住型材出口处，使得烟包存满在型材里，然后链条转动，烟包就存到存储器的一个通道里了，如此反复，则烟包逐渐存到存储器里，直到存满，排烟时是反向操作，直到排空。
为了烟包进入型材快速准确，型材的停止位置必须保持一致，即型材定位需要精准，应采取PLC加伺服电机进行控制，同时由于链条传动的位置有一定的偏差，因此需要加装传感器检测型材的实际位置，PLC以中断方式处理传感器的接入，一旦检测到位后立即通知伺服控制器停止伺服电机。
2.1 链条传动
链条传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。链传动是啮合传动，平均传动比是准确的。它是利用链与链轮轮齿的啮合来传递动力和运动的机械传动。
链传动有许多优点，与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高；传递功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小；所需张紧力小，作用于轴上的压力小；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。链传动的缺点主要有：仅能用于两平行轴间的传动，成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在急速反向的传动中。
与带传动相比，链传动没有弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比；需要的张紧力小，作用于轴的压力也小，可减少轴承的摩擦损失；结构紧凑；能在温度较高、有油污等恶劣环境条件下工作。与齿轮传动相比，链传动的制造和安装精度要求较低，中心距较大时其传动结构简单。瞬时链速和瞬时传动比不是常数，因此传动平稳性较差，工作中有一定的冲击和噪声。链传动平均传动比准确，传动效率高，轴间距离适应范围较大，能在温度较高、湿度较大的环境中使用；但链传动一般只能用作平行轴间传动，且其瞬时传动比波动，传动噪声较大。
2.2 伺服电机
伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机。目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。
2.3 位置控制
本研究选用的某厂家PLC具有原点回归控制指令，可以利用这个指令来实现位置控制。指令：ZRN（S1，S2，S3，D）；S1：原点回归速度；S2：寸动速度；S3：近点信号（DOG）；D：脉冲输出装置。执行该指令时，伺服电机首先以S1原点回归速度运行，当接近目标时S3近点信号上升沿，伺服电机开始降速，以S2寸动速度运行，当S3近点信号下降沿时，伺服电机立即停止，这样使得每个型材停止的位置保持一致。 3 系统设计
3.1 系统结构
整个系统分为机械和电机两部分，二者共同合作配合完成烟包在线缓存功能。即实现正常时的烟包正常顺滑的通过，辅机异常时在线存储烟包，辅机正常时把在线存储的烟包逐渐排出，等待下一次辅机异常。
3.2 机械设计
依据本装置的负载和功能需求，采用回环式存储是比较理想的，如图1所示。主要结构包括：①机体框架；②U型条槽；③链条；④输送皮带机；⑤链轮；⑥进出翻板；⑦进出翻板驱动机构；⑧托板；⑨链条驱动机构。
机体框架由两个端板和型材构成，端板采用整板由加工中心加工而成，保证了各链轮轴的位置准确。由10根型材连接两个端板保证了机体框架整体稳固不变形。U型条槽是订制的特殊尺寸的铝型材，共有200根，既作为小包通道又可以存储小包。链条包含两根800节的链条。输送皮带机是GD包装机原来就的。链轮单侧由两个大链轮和6各小链轮组成。进出翻板连同进出翻板驱动机构是由气缸驱动的活动部件，使得烟包进出输送皮带机时更顺滑，不卡烟。托板是由有机玻璃制作的，保证烟包顺着规定的轨迹滑行。链条驱动机构由伺服电机及附加驱动结构组成，用于精确的位置定位。
3.2 电气设计
依据本装置的负载和功能需求，电气部件包括PLC、触摸屏、伺服系统、传感器、气动元件。由PLC作为主控制部件，实时检测各传感器信息，同时根据逻辑处理驱动伺服系统、各气动元件，完成在线存烟和排烟的功能，触摸屏显示运行信息、报警、配置参数、实时监控等。
PLC逻辑处理对存烟和排烟分别采用顺序流控技术编写，逻辑清晰，处理可靠，存、排烟之间随时切换，而又各自独立，互相不干扰。系统包含丰富的功能，触摸屏上运行信息包括烟包总数量、存烟总数量、当前存烟数量、存烟次数、当前状态（存烟、排烟、待机）等。
3.3 控制方法
当需要储存小盒烟包时，烟包阻挡装置将位于输送皮带机上的上下游小盒烟包进行等数量阻挡固定，确保小盒烟包储存装置内的烟包数量在规定之内。进出翻板机构动作将进出翻板倾斜一定的角度，以便小盒烟包能够顺利进入到托板上。链条驱动机构上的伺服电机带动环形链条转动，环形链条带动U型条槽移动，这样一排小盒烟包便随着U型条槽进入了托板上。等距的另一个U型条槽进入到输送皮带机上，上游烟包阻挡装置打开，小盒烟包进入储存装置内，同时下游烟包阻挡装置关闭，相同数量的小盒烟包进入到储存装置内时，上游烟包阻挡装置关闭，进入下一个储存动作循环，直至将整个小盒储存装置存满。
当需要将小盒烟包储存装置内的小盒烟包排出时，上游烟包阻挡装置关闭，同时下游的烟包阻挡装置打开，进出翻板机构动作将进出翻板反方向倾斜一定的角度，以便小盒烟包顺利进入到输送皮带机上，链条驱动机构上的伺服电机带动两条环形链条反向转动，鏈条带动等距的U型条槽反向移动，这样U型条槽内的小盒烟包便随着U型条槽平移到了输送皮带机上，并随输送皮带机带离小盒储存装置，如若继续排出小盒烟包，则伺服电机继续运行，直至将整个小盒储存装置内的烟包排空。
4 总 结
本文对一种烟包在线缓存装置进行了研究，经过前期充分的理论分析和方案论证，首台样机经过测试达到了设计要求。但同时装置还有一些改进的空间，如机械安装上还有些不方便的地方，没有提供手工放烟的方法等，后继应继续改进提高并加以推广，以充分发挥装置的价值。
主要参考文献
[1]中达电通股份有限公司.台达DVP-PLC应用技术手册[Z].2012.
[2]郑魁敬.运动控制技术及工程实践[M].北京：中国电力出版社，2009.
[3]孟繁忠.链传动技术手册[M].北京：机械工业出版社，2016.