步進電機在包裝機械中的應用
我ls螺旋輸送機國的包裝機械經(jīng)過近20年的發(fā)展,已經(jīng)取得了長足的進步,但與國外相比,還存在著比較大的差距,差距空間在什么地方呢?我們認為主要在于控制方面。鑒于此,溫州大學的楊福餐和河南科技大學的吳龍奇兩位專家,就他們所從事的研究內(nèi)容寫成系列文章,希望能對有關(guān)業(yè)內(nèi)人士有所啟發(fā)。
一礦石粉碎機、步進電機工作原理
步進電機是將給定的電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰茙捷斔蜋C或線位移的開環(huán)控制元件。
給定一制砂石設(shè)備個電脈沖信號,步進電機轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過相應的角度,這個角度就稱作該步進電機的步距角。目前常用步進電機的步距角大多為1.8度(俗稱一步)或0.9度(俗稱半步)。以步距角為0.9度的進步電機來說,當我們給步進電機一個電脈沖信號,步進電機就轉(zhuǎn)過0.9度;給兩個脈沖信號,步進電機就轉(zhuǎn)過1.8度。以此類推,連續(xù)給定脈沖信號,步進電機就可以連續(xù)運轉(zhuǎn)。由于電脈沖信號與步進電機轉(zhuǎn)角存在的這種線性關(guān)系,使得步進電機在速度控制、位置控制等方面得到了廣泛的應用。
步進電機的使用至少需要三個方面的配合,一是電脈沖信號發(fā)生器,它按照給定移動皮帶機的設(shè)置重復為步進電機輸送電脈沖信號,目前這種信號大多數(shù)由可編程控制器或單片機來完成;二是驅(qū)動器(信號放大器),它除了對電脈沖信號進行放大、驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動以外,還可以通過它改善步進電機的使用性能,事實上它在步進電機系統(tǒng)中起著重要的作用,一般一種步進電機可以根據(jù)不同的工況具有多種驅(qū)動器;三是步進電機,它有多種控制原理和型號,現(xiàn)在常用的有反應式、感應子式、混合式等。
步進電機的速度控制是通過輸入的脈沖頻率快慢實現(xiàn)的。圓管帶式輸送機當發(fā)生脈沖的頻率減小時,步進電機的速度就下降;當頻率增加時,速度就加快。還可以通過頻率的改變而提高步進電機的速度或位置精度。
步進電機的位置控制是靠給定的脈沖數(shù)量控制的。給定一個脈沖,轉(zhuǎn)過一個步距角,當停止的位置確定以后,也就決定了步進電機需要給定的脈沖數(shù)。在包裝機控制中,給定脈沖數(shù)的多少,給料機還與機構(gòu)的參數(shù)有關(guān),例如螺桿的直徑等。
在包裝機械中,很多情況下需要控制執(zhí)行機構(gòu)的運行速度和運行位置,以前都是通過機械或其它方式來螺旋輸送器完成的,機構(gòu)復雜、調(diào)節(jié)不易。改用步進電機后,不僅能使包裝機械結(jié)構(gòu)變得簡單、調(diào)節(jié)方便、可靠性增加,而且粗度會得到很大提高。
二砂石分離機、步進電機在物料計量方面的應用
1.垂直提升機粉狀物料的計量
螺桿計量是常用的容積式計量方式,它是通過螺桿旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)多少來達到計量的多少,為了冷礦振動篩達到計量大小可調(diào)和提高計量精度的目的,要求螺桿的轉(zhuǎn)速可調(diào)和位置定位準確,使用步進電機可以同時滿足這兩個方面的要求。
例如粉劑包裝機的計量采用了步進電機控制螺桿的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù),不僅簡化了機械結(jié)構(gòu),而且使得控制非常方便。在不過載的情況下,步進電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于慣性電機脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),而不受負載變化的影響,這與電磁離合器控制的螺桿計量相比,具有明顯的精度優(yōu)勢,更加適合于比重變化比較大的物料計量。
步進電機與螺桿采用直接連接的方式,結(jié)構(gòu)簡單,維修方便。值得指出的是,如步進電機的過載能力較代,當輕微過載時,就會出現(xiàn)相當大的噪聲。因此,在計量工況確定移動式皮帶機以后,就要選用較大的過載系數(shù),以保證步進電機平衡工作。
2.粘煤粉篩稠體物料的計量
步進電機控制齒輪泵碎石生產(chǎn)設(shè)備也可以實現(xiàn)精確計量。齒輪泵在輸送粘稠體方面得到了廣泛的應用,例如糖漿、豆沙、白酒、油料、番茄醬等的輸送。目前在對這些物料的計量方面大多使用活塞泵,存在著調(diào)整困難、結(jié)構(gòu)復雜、不便維修、功耗大、計量不準等缺點。
齒輪泵計量是靠一對齒輪嚙合轉(zhuǎn)動計量的,物料通過齒與齒的空間被強制從進料口送到出料口。動力來自步進電機,步進電機轉(zhuǎn)動的位置及速度由可編程控制器控制,計量精度高于活塞泵的計量精度。
步進電機適于在低速下運行,當速度加快時,步進電機的噪聲會明顯加大,其它經(jīng)濟指標會顯著下降。對于轉(zhuǎn)速比較高的齒輪泵來說,選用升速結(jié)構(gòu)比較好。我們在粘稠體包裝機上開始采用的是步進電機直聯(lián)齒輪泵的結(jié)構(gòu),結(jié)果聲難以噪聲難以避免,可靠性下降。后來采用直齒輪升速的辦法,降低了步進電機的速度,噪聲得到了控制,可靠性也有所提高,計量精度得到了保證。
三、步進電機在供送包裝膜中的應用
在制袋、充填、封口為一體的包裝機中,要求包裝用塑料薄膜定位定長供給,無論間歇供給還是連續(xù)供給,都可以用步進電機來可靠完成。
1.用于間歇式包裝機
間歇式包裝機使用步進電機供膜,可靠性可以得到提高。以前的包裝膜供送多采用曲柄連桿機構(gòu)間歇拉帶方式,結(jié)構(gòu)復雜,調(diào)整困難,特別是當需要更換產(chǎn)品時,不僅調(diào)節(jié)困難,而且包裝膜浪費很多。采用步進電機與拉帶滾輪直接連接拉帶,不僅結(jié)構(gòu)得到了簡化,而且調(diào)節(jié)極為方便,只要通過控制面板上的按鈕就可以實現(xiàn),這樣既節(jié)省了調(diào)節(jié)時間,又節(jié)約了包裝材料。
在間歇式包裝機中,包裝材料的供送控制可以采用兩種模式:袋長控制模式和色標控制模式。袋長控制模式適用于不帶色標的包裝膜,通過預先設(shè)定步進電機轉(zhuǎn)速的方法實現(xiàn),轉(zhuǎn)空比的設(shè)定通過撥碼開關(guān)就可以實現(xiàn)。色標模式配備有光電開關(guān),光電開關(guān)檢測色標的位置,當檢測到色標時,發(fā)出控制開關(guān)信號,步進電機按到信號后,停止轉(zhuǎn)動,延時一定時間后,再轉(zhuǎn)動供膜,周而復始,保證按照色標的位置定長供膜。
2.用于連續(xù)式包裝機
在連續(xù)工包裝機中,步進電機是連續(xù)轉(zhuǎn)動的,包裝膜被均勻的連續(xù)輸送,當改變袋長時,只需通過撥碼開關(guān)就可以實現(xiàn)。
四、步進電機在橫封中的應用
在連續(xù)式包裝機中,橫封是一個很重要的執(zhí)行機構(gòu),也是包裝機中比較復雜的機構(gòu)之一。特別對于有色檔的包裝膜,其封口和切斷位置要求極其嚴格,為了提高切斷的準確性,人們先后研制了偏心鏈輪機構(gòu)、曲柄導桿機構(gòu)等,但這些機構(gòu)都存在著調(diào)整十分麻煩、可靠性低的缺點。造成這些缺點的主要原因是工藝要求橫封輪定速橫封和定位切斷。
步進電機直接驅(qū)動橫封輪可以實現(xiàn)速度同步。連續(xù)式包裝機的供膜輪是連續(xù)供膜的,橫封時要求橫封的線速度與薄膜供送的速度同步,以免出現(xiàn)撕裂薄膜和薄膜堆積的情況,由于橫封輪的直徑是恒定的,當改變袋長時,就需要通過改變橫封輪的轉(zhuǎn)速來改變,但是橫封需要一定的時間,就是說橫封輪與薄膜從接觸到離開需要恒定的時間,否則封口吵嚴。橫封輪每轉(zhuǎn)一周的總時間與橫封所需要的時間都是恒定的,要滿足速度同步的要求,可以將步進電機一周內(nèi)的轉(zhuǎn)速分成兩部分,一部分首先滿足速度同步的要求,而另外空載的部分滿足一周總時間的要求。
為了實現(xiàn)良好的封口質(zhì)量,還可以通過步進電機對橫封輪實現(xiàn)非衡速的控制模式,就是在橫封的每一點上都實現(xiàn)速度同步,限于篇幅,這里不再陳述。
步進電機的特點主要歸于三個方面,一是過載性好。其轉(zhuǎn)速不受負載大小的影響,不像普通電機,當負載加大時就會出現(xiàn)速度下降的情況,所以步進電機使用在對速度和位置都有嚴格要求的場合;二是控制方便。步進電機是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的,數(shù)字特征比較明顯,這樣就給計算機控制帶來了很大的方便,反過來,計算機的出現(xiàn)也為步進電機開辟了更為廣闊的使用市場;三是整機結(jié)構(gòu)簡單。傳統(tǒng)的機械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復雜,調(diào)整困難,使用步進電機后,使得整機的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。
步進電機在包裝機械中的就用還剛剛開始,原來許多傳統(tǒng)的機械控制方式都可以用步進電機來替代,除了上面介紹的一些用途外,它還在印刷、灌裝、囊包等方面得到了應用,相信在較短的時間內(nèi),我國的包裝機械行業(yè)定能在步進電機技術(shù)的平臺上躍上一個新的水平。 (
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