机电一体化在包装机械中的运用1.doc

机电一体化在包装机械中的运用 机械工程 学院 专业学 号 学生姓名 指导教师 二一一年一月一 前言未来市场的竞争，更多的是技术的竞争，包装产业更是如此。在当前科学技术日新月异的时代，各种新技术、新工艺、新材料、新设备的出现，已不再是单纯某一门学科的发展，而是各门相关学科、多种先进技术的互相渗和相辅相成的结果。机电一体化技术就是一种这样的新技术，它是在信息论、控制论和系统论的基础上建立起来的综合技术，其实质是从系统观点出发，运用过程控制原理，将机械、电子与信息、检测等有关技术进行有机地组合，实现整体最佳化。传统的包装机械多采用机械式控制，如凸轮分配轴式，后来又出现了电子控制、光电控制、气动控制等控制形式。但是，随着生产力的日益提高，包装参数的随机多变，这些控制系统已越来越难以满足新形势的发展。机电一体化从根本上改变了包装机械的面貌。具体地讲，它是将微机技引入到包装机械中。在这种包装机械内，微机作为它的大脑，取代了常规的控制系统。机械结构是其主体和躯干；各种仪器、仪表、传感器是其感官，它们感受各种包装参数的变化，并反馈到大脑（微机）中；各种执行机构则是它的手足，用以完成包装操作所必需的动作。一个完整的机电一体化系统，一般包括微机、传感器、动力源、传动系统、执行机构等部分。它摒弃了常规包装机械中的繁琐和不合理部分，而将机械、微机、微电子、传感器等多种学科的先进技术融为一体，给包装机械在设计、制造和控制方面都带来了深刻的变化，从根本上改变了包装机械的面貌。在发达国家，包装机械设计广泛应用机电一体化技术已是十分成熟的技术，它们可使传统的机械设备变得简单可靠，在实现其复杂包装功能的过程中，离开机电一体化，其制造和控制几乎是不可能的。具体地说就是要在包装材料上线拆、卸垛机和卸箱机、成品下线装箱(纸箱和塑箱)机和码垛机、多样化成品包装的贴标机、在线检测和控咆装材料和成品的自动检测、工况参数检测显示和自控、多样化成品包装、输送系统自动控制和监测管理、自动控制系统等方面运用先进技术。推广应用CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、FMs柔性加丁系统、计算机MIs系统管理下的立体仓库和物流系统、在信息集成基础上的营销服务系统、以节能和环保为前提的新型包装材料的研制开发、自动生产线监测、管理和故障诊断系统等先进技术，使包装机械制造业提高到一个更高的水平。二 机电一体化在包装机械上的作用 一种新技术，一旦变成生产力，常常会起到巨大的作用，如光电定位的误差远小于机械定位、微波干燥的效果远好于电加热干燥等。机电一体化技术用于包装机械上的时间虽不长，但效果是明显的，作用是巨大的。具体可以从以下几个方面来进行阐述：1.使机械结构大为简化微电子技术的应用，可以大大简化机械本体。传统的包装机械控制系统多采用继电器、接触器控制电路，其复杂程度随着执行机构的增多，以及调整部位的增加而加大，使得机器越来越复杂，给制造、调整、使用和维修均带来不便。采用微机、传感技术、新型传动技术，使控制系统模块化，设备机械模块化，取代笨重的电气控制柜和驱动装置，使零部件数量剧减，结构大为简化，体积也随之缩小。2. 提高了产品质量微机内有一个巨大的存贮系统，人们可预先将影响包装机工作的各参数及有关数据存入微机，它能自动跟踪生产过程。当一个参数或几个参数发生变化，这种变化在瞬间反馈至微机，微机对这些变化参数进行识别、判断并及时进行相应修正，使包装机随时保持最佳工作状态。而传统包装机在工艺参数变化时，其调整多凭经验，这就难以找到最佳参数，若是几个工艺参数同时改变，更是无所适从。如最常见的塑料袋封口机，其封口质量与包装材料、热封温度和运行速度等有关。如材料发生变化（材质、厚度），那温度和速度也要随之改变，但变化多少却难把握。如采用微机控制，将各种包装材料的封口温度和速度的最佳参数匹配输入微机存贮器，再配上必要的传感器，组成自动跟踪系统，这样，不管哪个工艺参数改变，都能保证最佳的封口质量。在瓦楞纸板生产线上，安装用微机控制的张力检测系统，可以实时地测量出纸的张力，操作者可以方便的调节气压的大小，将废品控制到最低限度。株洲工学院研制开发的微机张力检测系统在国内本行业中得到了广泛的应用。因此，采用微机控制，参数变化越多，调整部分越多，机电一体化的优越性也越大，这是一般控制方式无法相比的。3. 计算机辅助设计纸箱生产行业中，瓦楞辊是瓦楞纸板生产线上最昂贵的心脏部件，它的楞型合理性和制造精度、耐磨耐压性能、使用寿命和运行速度是衡量其品质和经济性的主要技术指标，是满足我国纸箱行业的进口和国产瓦楞纸板生产线趋向纸幅愈来愈宽、运行速度越来越快的需要，直接关系到纸箱企业的产品质量和经济效益。它的合理性设计是直接衡量瓦楞辊质量的重要经济指标。我国海力公司采用计算机辅助计算，科学设计楞型，用户在修理和新制瓦楞辊时可以直接参与设计，运用软件可以对各种楞型方案的经济性、合理性快捷地作出评估和选择。同时，用电脑数控磨床精密研磨楞型和鼓形，生产出高品质的产品。4. 功能增多，操作简便，可靠性提高机电一体化除可保持原来包装机的功能外，还可赋予其它许多功能。如液体饮料软包装机，它在气动、电气和机械的共同配合下，可具有制盒、灭菌、灌装、封口等功能，但若将微机引入控制系统，则还可存贮如生产速率、产品数量、故障现象、故障原因等数据，具有数字显示和多种信息的高度集中显示，同时能对这些数据根据实际情况进行相应处理，并把结果打印出来，或在屏幕上显示，大大方便了操作。减少了操作按钮和手柄，由于程序控制等功能，使操作程序大为减少，操作人员也易于培训了，人为误差相对减少。另外，机电一体化还将赋予包装机以自动监控、动态检测、报警等功能。具有安全联锁控制、过载和失控保护等功能，使包装机的可靠性大为提高。5. 降低劳动强度，提高生产效益常规包装机多采用异步电动机驱动，实际上多处于轻负载工作状态，能源浪费大。机电一体化技术，用变频电动机代替了异步电动机，由微机自动寻找最佳工作点，随机调整变频电动机的输出功率，一般可节约40%的能源。此外，它的可靠性提高了，产品质量得到保证，效益也提高了。三 应用实例1. 高精度药丸计数系统的机电一体化设计 从药仓中每次取出100粒药丸，采用转鼓式机械充填装置。其取药计数机械机构原理图如图一所示。数粒转筒6使用壁厚为8mm的无毒不锈钢圆筒，可以绕中心轴匀速转动。在薄壁上沿径向钻有6400个阶梯状通孔5，每孔由两个通心通孔组成，在圆筒外壁上的大孔直径为3.5mm，内壁上小孔直径为2.2mm,见图二所示。处壁孔恰好能落入一粒药丸，而且把内壁孔堵住。其中大孔为取药之用，小孔为光电计数器的光通道。当壁筒6转到下方时，处壁孔中的药丸可以自动落下，半圆筒形档板7保证药丸在转筒6的正下方落入漏斗9中，并从漏斗装入异形甁内。6400个阶梯孔按对称分布成64个方形阵列，每个阵列有1010个孔，孔间距为5mm，恰能存入100粒药丸。64个阵列沿转筒母线方向均匀排成8横排，每排8个阵列。沿转筒圆周方向上均匀竖排成8列，每列8个阵列，见图一。相邻阵列间有较大的间距，以示区别。注意到所有的阶梯孔的中心都按上下左右严格对齐，以利于光电计数。当转筒6旋转一周时，便可从其上方大药仓中分8批共取出64份药，每份100粒。同时按批次装入64个药甁中。共有8个漏斗排成一排，每批同时装8个药甁。图一中扫轮3是用橡胶制成的转辊，把每一个阶梯孔上多余的药丸挡住，保证每孔只落入一个药丸。在转筒内部的下方还设有一排堆丸机构（图中未画出），保证每一粒药丸必须落入漏斗中。该装置的电子计数原理为：在图一中扫轮3的下方设置一横排光电对射计数器4，共80个。它又由两排不同器件组成，靠近转筒内壁处设置一排共80路发光二极管；在靠近转筒处壁处设置一排共80路发光二极管，这两排管隔转筒壁一一对射，后者接受前者射出的光束，可以为每一个孔中是否有药丸进行监测。鉴于偶尔有药丸未落入漏斗9中，在漏斗左方又设置了一排80路的光电计数器8。用于逐孔检测未落入漏斗的药丸数。图三绘出了单片机计数系统的原理框图，其中有21路光电信号输入，1路数显并行口输出，1路与工控机通讯通道和1路报警信号输出。2. 基于PLC的自动定量包装装置称量包装装置的结构示意图如图1所示。原料由前一工序的带式输送机装入储料斗1，由PIE控制气缸5打开储料斗仓门，在振动器16振动下物料缓缓流入称量料斗6。当进人称量料斗中料的重量达到设定值时，PIE输出信号迅速关闭储料斗仓门，然后打开称量料斗仓门15，物料落入处于装料工位的包装袋7，至此完成了称量任务。包装机构14由PIE控制几个气缸动作完成包装的扎紧和封口任务。包装袋有装料和封装两个工位。在装料工位完成装料，并由夹紧机构夹住袋口，再向后回拉至封装工位。在封装工位，包装机构完成侧面压紧、热焊针封口、吹气降温及除屑等动作。输送带8将引导槽11落下来的成品袋运往下一工序，刮板10用来防止成品袋下滑。在打开称量料斗仓门15时，有时因为仓门阻塞等原因可能使物料不能完全由称量料斗落入包装袋，为此设置了3个光纤传感器13(对应3种规格的包装重量)来检测物料是否完全进入包装袋。电容式传感器9是负责输送带运行与释放成品袋这两个动作的协调性的，当刮板10转到引导槽口位置时，成品袋也正好落下。称量料斗6悬挂在机架4上，使双孔平行梁3产生变形，从而使贴在梁上的4片电阻式应变片2的阻值发生变化，而这4片应变片又搭接成惠斯通电桥，采用全桥测量的方法使重量信号转变成电压信号，该电压信号再经过AD转换为5位二进制的数字量送入PIE数字量模块输入端。称重电路图如图2所示。称量包装装置采用SIMATIC s5一115U PIE，输入输出量都采用开关量，输入模块采用32 X 24VDC一块，输出模块采用16 X 24VDC一块。为了能与上位机通信，选用了通信处理器CP5431FMS。所用输入点数27个，输出点数13个，考虑今后扩展，预留输入点5个，输出点3个。称量包装装置的软件设计是基于CADEPA开发完成的。CADEPA是一个以Grafcet为核心的面向PLC的程序开发平台，可实现编写控制程序、生成数据库文件、翻译成目标程序、在线监控、生成工程报告文件等一系列工作的管理。基于CADEPA的PLC程序设计包括安全初始化程序图、预处理程序图、正常生产程序图和结束生产程序图等几个部分。安全初始化程序图如图3所示，安全初始化完成后开始预处理过程。预处理程序图如图4所示。该程序图主要用来完成包装工位包装袋的确认、张袋器张开包装袋(6次之内完成，否则无袋报警)、封口针头开始预热和输送机启动。在自动方式下按下启动按钮，在系统进行自动称量包装前先进行预处理，判断袋子的有无、加热针头是否预热、输送机是否启动。正常生产程序图是软件设计的重点，如图5所示。当系统工作在单机、手动方式时，按下对应的按钮应能驱动相应的电磁阀动作。结束生产(即停机过程)程序图如图6所示。按下停机按钮后封口针头加热停止，考虑可能有包装好的成品袋尚未输送至下一个工序，所以程序需保证延时30s后输送机停机。四 小结总之，包装机械未来总的发展趋势是各种高新技术、新机构、新的控制方法不断得到应用。未来包装机械的技术特征趋于“三高”，即高速、高效、高质量。重点发展方向趋于节能降耗，质量和性能可靠，控制水平先进，稳定性好，自重轻，结构紧凑，占地空间小，噪音低，效率高，外观造型适应环境和操作人员心理要求，有利环保等。当前，发达国家一方面为满足现代商品包装多样化的需求，发展适应多品种、小批量的通用包装机械及设备，同时又紧跟当代高科技发展步