（机械制造及其自动化专业论文）基于plc的全自动纸纱复合制袋机生产线的研究与开发.pdf

硕上学位论文 摘要 随着白色污染的日益加重，寻找一种能替代现行塑料袋性能，又不造成白色污染的 替代品，这是各厂家急需解决的难题。正是在这样的背景下，人们才着力于发展以纸包 装为主流的绿色包装产业。本纸纱复合创袋机投入割袋市场虽然有一段时闻了，但制袋 机备功能的电气控制还没有系统地研究和开发，许多控制还停留在继电器一接触器分离 的基础上，制袋的生产速度、精度和自动化程度都比较低，为了提高产品的质量和经济 效益，满足不同层次客户的需求，研究和开发基于p l c 的全自动纸纱复合制袋机生产线 具有深远的意义。 本课题是基p l c 的纸纱复合制袋机生产线应用技术的研究和开发。首先从纸纱复 合捌袋枫的机械结构入手，分析了制袋工艺及实现过程。在深入分析研究的基础上，找 出了制袋设备运行过程巾存在许多闯题的原因，如：怎样控制生产过程中胶槽温度、袋 长与剪切速度之间的协调关系、怎样简化操作工艺及怎样实现多晶种批量化纸袋的生产 加工等等；进而对纸纱复合制袋机部分机械机构和控制系统进行了全新的设计。在机械 设计方面，主要改进了剪切刀的结构和传动路线，由伺服电机单独驱动；在硬件电路方 面，以p l c 为控制核心，并带个位置控制模块，实现了剪切刀速度与走袋速度的协调 控制。整个硬件电路图的设计具体包括系统的强电电路原理、输入输出信号的控制电路、 饲服接翻电路等。最后阐述了势切伺服协调控制的实现，并对人机界西作了实时设计。 本课题综合运用了可编程控制器( p l c ) 、变频器、编码器、伺服驱动等现代控制部 件，实现了以p l c 为控制核心的纸纱复合制袋工艺的自动化生产，解决了原制袋机使 用中存在的问题和不足。即走袋电机和纬纱绕线电机的速度主要由p l c 控制变频器进行 平滑调速及速比匹配，转切刀电机通过p l c 扩充定位模块单元控制伺服电机系统实现 剪切的准确定位，同时用人机界面进行实时显示。相比原制袋机，系统的稳定性、灵活 性、自动纯程度得至l 了提高，生产线适应范圈更宽更广，灵活性更高，并且废品率大大 降低，提高了纸袋的加工精度和质量，给企业带来了可观的经济效益，提高了企业的市 场竞争力，满足了不同层次客户的需求。 关键词：p l c ；制袋机；交流伺服系统；温度控制；定位模块控制单元；编码器； 变频器；人机界面。 基予p l c 的全颤动纸纱复合制袋机生产线的磋究开发 a b s t r a c t 砧鳓g 谢氇剿a t 主潍i 藏翱潲通妇o fp 文l 荫潍氤l mp l i 疲i cw 碱e s ，i 警i sd i 爨c l l l 毫 p b l e m 勤fe a c h 量矗渤猡约l o 故南f 峭多蹯t l ys 曲s i t l l t e 贼娃c hf 印l a c c 跚戤瓜p e f l b 越a 薹l c eo f p l a s t i cb a g sa n dd on o tr c s u l ti np o l l u t i o n 丘o mp l a s t i cw a s t e s j u s ta b o u ts u c hb a c k g r o u n d ， p e o p l ea r ej u s tp u tf o r t he f 南r ti nm ed e v e l o p 】舭e n to f 黟e e np a c l 【i n gi n d u s 白叮w 1 1 i c hm 珈 s 订e 锄i sp a p e rp a e l ( i n g a l m o u g hp r o d u c tl i n eo fp a p e ra n d ，铆mc o m p o u n d i n gb 蟹m a k i n g m 舳e 纛a sc o m e 弧t o 氆e 越a 成e 耄f o r 鑫p e 矗o do ft i m o ，髓蕊文e e 融c 主t y n 拍lo f 1 a g 一檄越纛g 掇础i n e 歉a s n tb e e ns 搬d i c da n de x p l o i t e ds y s t e 嫩融i c 巍l l y ，m 曩l l y n 的l ss t i l ls 畦c ko ns 印a r 戳e 如u n d a t i o no fe l e c t r i cr c l a ya n dc o n t a c t o r ，t l l ey i e l d i n gs p e e d ，a c c u r a c ya i l da u t o m a t i o nd e g r e e i sa 1 1l o w 睨i no r d e rt oe x a l t a t i o nf o rq u a l i t yo fp r o d u c ta i l de c o n o m i cb e n e 髓t ，s a t i s 研n gw i t h r e q u e s to fe a c hl a y 甜c l i e n 乜i th a sp f o f o u n dm e a n i n g t or e s e a rc _ ha n de x p l o i tt h e 氏l l - a u t o m a t i c p f o d 毽霞l i n eo fp 礞露a 砖y a m m p o 糊d i 藏gb a 分m 轰赫矬g 掇a c _ h i 稳eb a s 酣。建p 毛c 弧l 主sp a p 蹦f e s e 勰c h e sa 砖e x p l o i t st h e 兔l l a u t a t 沁p r o d u c tl i n eo fp a p 糕a n dy a m c o m p o u n d i n gb a g - m a k i n gm a c m n eb a s e do np l c c o 舢m e n c i n g 舶mm e c h a i l i c a ls t r u c 舢o f i t ，a n a i ) ，z em eb a g m a l ( i n gc r a ra i l dc a r r 姐n go u tp r o c e s s i nm ef o u n d a t i o ng o i n gd e e p l yi n t o a l l a l y s i si n v e s t i g a t i o n ，f i n d so u tr e a s o n so fe x i s tl n u c hp r o b l e m si ne q u i p m e n tm o v e m 蹴t p f o c e s s ，s 毽e h 黼：h o w 埝鞋耋lm et 锄p 嚣舔善辩o f 磐u eg 釉o v 敬囊o w o 旌拯d lc o 嚣e s p o 砖 f e l a 虹o nb e 嘲e 铋b a gw a l k i n gs p e e da n d 锘i 技i n gs p e 以，h o wt 0s i m p l i 每o p 栏琶t i o nc r a 鑫a n d h o wt oc a r r yo u tv o l u l n e p r o d u c t i o na n ds oo n r e f o r m sa 1 1 dd e s i g n sf i r e - n e wc o n t r 0 1s y s t e m t ob a g - m a l ( i n gm a c m n e 1 1 1m em e c h a l l i c a ld e s i 辨，m a i n l yi m p r o v es t r u c t l l r ea n dt r m s m i s s i o n l i n eo ft h es h e a r 妇i f e ，s e p a r a t d yd f i v i n gb yt h es e om o t o r fi n 馈l eh a r d w a r ee i r c u i t ，t 撕n g 鑫p o s 主鼍i o 糕嫩l 撒o d u l e ，f e a 董i z e 臻ee o o 砖i n 雒i o 魏c o 鑫t 羚lb e 专w e 鼬m es 轴豺虹i f e 黼d 也e m o v eb a gb yp l 氢踏t h ec o n lc o 。w h o l eh 莉w a r ed e s i 黟o fc i r c u i ta n ? a n g e n l e n t i n c l u d e ss 仃o n ge l e c t c i t yp r i n c i p l e ，c o n t r o lc i r c u i to fi r i p u ta n do u u ts i g n a la n ds e n ，o i n t e r f a c ec i r c u i te t c a tm ee n d ，s t a t e si nd e t a i lr e a l i z i n gp r i n c i p l eo fs e ：r v o c u t t i n g c o o r d i n a t i o nc o n t r o l ，m o f v 钟m a k e sr e a 重一t 主m ed e s i g 簸t o 斑em a n m a c h i n ei n t e 】骸c e 弧ep 鑫p e fs 弦氇e 童主c a l l y 辩酞e s 疆s e 醴m o d e 腿n 幻le l e 掇e 睡娥曲a sp 羚野珊m 曲l e c 0 纳o l l 砥p l c ) ，行e q u e n c y n v 鳅e n c o d e ra 1 1 d s e r 旧d r 噎v e re t c ，a n da c h i e v e s 纨e a u t o m a t i cp r o d u c t i o no ft h ep a p e rb a go fy a mc o m p o u n d i n gp r o c e s sb yac o r ep l cf o rt h e c o n t r o l ，a n ds o l u t e st h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n ds h o r t c o m i n g so ft h eo r i 昏n a lb a g 1 1 1 a ti st o s a y ，饿ee l e c t f i c 舔m o t o fs p e 酣o fw a l l ( 赫gb a g ，鑫l l i n gy a ma n d i l i n g 鼬e 勰a f em 斑l y i i 硕士学位论文 c h a n g 甜s m o o 伽y t oc o n 昀lt h ec o n v 瞰e f st oa d j u s ta 越ma t 讯s p e e db yp l c 髓e e l e 嘲c a le n 勘e 耐n go fh 戚n gs l i r e a l i z e sm ea c 删ef i x c dp o s i t i o nb ym cp l c 翎矗鹕锄懿t 蠡x e dp o s i t 主o nt m i tt oc o n t r o lt 董l es e 押od e c 舔e a le n 西n e e 矗n gs y s t 铋，锻砖w i 氇 t h om a n - m a c h i n ei n t e r f a c es h o w i n g c o m p a r e da i lo r i 舀n a ld e c t r i c i t yc o n t r 0 1s y s t e m ，i ti sn o t o 砖ys 妇p l i 纛甜c o n 的ls y s t 鼬a n d 氇ep r o 笋瑚搬曲l ew o 浓o f 也ec u s t o m b 罐蔹s o 掰s 甜 t h ea c c i 玳璩y ，虹l es 组b i l i t y ，a u t o m a t i cd e g r e eo fs y s t e m i ti sm a d et h es c o p eo ft l l ep r o m l c t i o n l i 躺a 趣醉擞o f e 酶醚饿雒d 程玲f ew i 如也ev 主v i dl s 醯酿嚣a n d 蠡s e 戚i n gf 敷ei sl w 拢薹ti s r a i s e dm ep r o c e s sa c c u r a c ya 1 1 dm ep r o d u c tq u a l i 咄b r i n 百n gc o n s i d c r a b l e o n o m i c p 酬融m 鲶f o f 也。t 吲啦s e ，蹴惑鹅氇e 攥撼坟到? 兹t i 鼹曲i l i 锣o f 氇ec 纛l 唧疸s c ， s a t i s 驰gm en e e do f d i 触c u s t o m 既 k e y 黼f d s ：p ；船b a g - m a k i 甥m a 如i n e ； a cs 艄s y s t ；l 锄p 勰船o l ； p o s i t i o m r 培c o n 仃o lu n i t ；e n d e ；m ec o n v e r t e r s ；m a i l m a c 拉n ei n t e r f a c e 珏1 基于p l c 的全自动纸纱复合制袋机生产线的研究与开发 插图索引 图2 1 纸纱复合袋剖面结构示意图5 图2 2 纸纱复合制袋机生产线流程图6 图2 3 牵引机构链传动简图6 图2 4 纬纱绕线机构传动简图7 图2 5 转切刀传动机构简图7 图2 6 转切刀传动机构图lo 图2 7 切断刀辊结构图1 1 图3 1 p l c 组成系统图1 7 图3 2 纸纱复合制袋机控制系统结构框图2 1 图4 1 增量式编码器输出脉冲典型波形2 4 图4 2 制袋机操作控制面板2 5 图4 3 控制系统功能模块组成2 6 图4 4 伺服驱动器方框图3 2 图4 5 压辊气压原理示意图3 3 图5 1 强电电路原理图一3 5 图5 2 强电电路原理图二3 6 图5 3 p l c 输入端子配置图3 7 图5 4 p l c 输出端子配置图3 9 图5 5 伺服接口电路图4 0 图5 6 定位模块与伺服端子接线图4 2 ： 图5 7 变频器接口4 3 图5 8 温度模块接线图4 4 图6 1 剪切伺服控制系统4 6 图6 2 剪切伺服控制过程4 6 图6 3 转切刀控制流程图4 7 图7 1 软件的设计环境4 9 图7 2 触摸屏首页画面5 1 图7 3 触摸屏状态信息基本画面5 1 图7 4 触摸屏运行状态监视画面5 2 图7 5 触摸屏参数设置画面5 3 图7 6 触摸屏故障画面5 3 i v 硕1 ：学位论文 附表索引 表4 1 d 、，p 0 l p u h 功能规格一2 7 表4 2 d v p o l p u h 输入输出端子信号2 8 表4 3 d v p 舛p 珏功能规格2 8 表4 4 d v p 0 4 d a h 功能规格2 9 表5 1 饲服驱动器主要输入信号及功麓4 薹 表5 2 伺服驱动器主要输出信号及其功能k 4 l v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律后果由本人承担。 作者签名：s ：丽菜 冒期：。参年6 胃l1 日 作者签名：o 心蕊噫豸弋 冒期：。葶年 6 胃 l1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，t 即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 作者签名： 导师签名： 丽泉 t 努 日期：秒孑年石月f1 日 日期：谚年石月，o 日 文琴 硕士学像论文 第1 章绪论 。1 纸纱复合制袋机生产线改进背景及意义 白色污染已构成人类生活环境恶化的重要因素。虽然塑料袋给人们的生活带来了便 利，但也使人们的生活质量又大大下降，世界各嚣都在呼吁解决嬲色污染阀题。从节约 资源的角度出发，由于塑料袋主要来源是面临枯竭的石油资源，应尽可能回收，但由于 现阶段再回收的生产成本远高于直接生产成本，在现行市场经济条件下难以做到。面对 爵益严重的白色污染阊题，各国都希望能寻找一种能替代现行塑料袋，又不造成白色污 染的塑料袋的替代品，从丽从环保的角度提出了纸包装是绿色包装的主流。“以纸代塑 是绿色包装发展的必然趋势，绿色包装最重要的含义是保护环境，同时也兼具资源再生 的意义。随着全球性环境污染和生态环境破坏程度的加剧，树立环境意识，大力发展绿 色包装产业，缩短我国包装业与发达国家的差距，这是包装工监可持续发展的必然选择。 乖是在这样的背景和形势下，发展绿色包装产业，提高软包装的制袋效率和质量、 操作的安全性以及自动化，已成为各制袋机生产厂家急需解决的主要问题1 。软包装 行业是轻工监的重要分支，软包装已成为商晶生产过程中的必需晶，其需求量十分巨大。 透过对市场现状的调查和了解，某包装有限公司生产一种纸纱复合制袋机设备，该设备 的制造工艺是采用纸纱复合的方式制备包装袋。这种纸纱复合袋既解决了传统纸袋强度 不够的问题，又解决了塑料袋的白色污染，袋子废弃后，废纸的原料主要是天然植物纤 维和棉纱等材料，它们在自然界中会很快降解丽被土壤吸收，不会造成对环境的污染， 也可以回收重新造纸。隧前，该公司用p l c 来实现制袋机各功能的电气控制还没有系 统地开发和研究，许多控制还停留在继电器接触器分离的系统上，纸纱复合制袋机的 生产速度、精度和自动化程度都比较低，为了提高产品的质量和经济效益，满足不同层 次客户的需求，所以开发和研究基于p k 的全盘动纸纱复合制袋枫生产线有着深远的 意义。 1 2 纸纱复合制袋机国内外状况及发展趋势 制袋过程是软包装生产线的最后一道工序，该工序涉及定长、定位、牵引和裁切等 诸多工艺环节与参数的相互协调控制。作为最后一道工序的制袋橇，它的工艺水平直接 影响到最终的产品质量，各个环节的机械及电气设备都在不断地完善翱发展。制袋枫已 经从普通的机械结构发展到采用光、电、磁、遥控、传感等多学科交融的领域，诈在向 自动化、智能化、集成化、信息化的方向发展。纸纱复合制袋机作为绿色环保产业化的 制袋设备，是种综合性较强的高效连续自动化生产机械，最大特点是动作复杂、频繁， 且有较多的执行组件，它的发展也不例终，在向省力、高效、自动化方面发展，目的是 撼于p l c 的纸纱复合制袋机生产线的研究j 开发 生产多种物品的包装袋，适应各个包装行业的需要。国外先进企业十分重视基础理论研 究，注重科技成果转换，在该领域内广泛应用先进的控制技术，走在行业的前端。 目前，国内制袋机设备虽然有了一定的发展，但和国外相比，还有相当的差距，尤 其纸纱复合制袋机不仅自动化程度低，工作稳定性差，而且生产效率也比较低，当纸纱 袋产品的规格需要变化时，设备预调整的工作量和原材料的损耗都比较大。为了提高纸 纱复合制袋机的自动化水平和层次，响应环保、可持续发展之路，解决纸纱复合制袋机 的关键技术，即如何保证袋子定长、定位剪切的准确性及自动化的实现程度，同时能够 保证纸纱袋纬纱密度的要求、温控下纸纱均匀粘合程度以及剪切口的质量等。 作为新型制袋工艺的纸纱复合制袋机在运行过程中还存在许多问题，就如何降低生 产过程中的机械调整难度、简化操作步骤、提高制袋的速度和生产的自动化程度，适应 多品种纸袋的加工要求，这是纸纱复合制袋机行业发展的一个前景和方向“引，只有这 样才能更好地解决生产过程中的胶槽温度、袋长和剪切速度之间的协调关系，且对于相 同材料的不同产品规格，当袋长或加工速度变化时，无需熏新调整更多的操作步骤，能 适应多样化、批量化的纸袋加工。此外，如何对制袋机控制系统的运行状况进行远程监 控与诊断，是制袋机控制系统未来发展的一个重要功能。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题是基于p l c 的纸纱复合制袋机生产线控制系统的开发，包括制袋机剪切机 构的优化结构及生产线电气系统的开发设计，电气系统主要控制包括；牵弓| 纸袋的线速 控制、切断刀的转速控制、纬纱密度控制、上胶湿度控制、压辊加压控制等技术要求， 使整机系统能稳定协调和可靠地工作。给出一种基于p l c 的制袋控制过程系统方案， 研究定长、定位剪切的伺服控制方法，以及纸袋线速度与袋长、纬纱密度问的协调关系 的控制，给坦优化运行操作的指导，从而提出系统的实施方案，设计入梳操作界面与系 统控制软件，以实现纸纱复合制袋机的自动化功能。其研究的主要内容有： 1 全自动纸纱复合制袋机应具有如下控制功能： ( 1 ) 自动连续地完成上纸、布纱、折边、翻边、上胶、控温、剪切； ( 2 ) 剪切后的成品纸袋自动下祝； ( 3 ) 自动检测故障并能紧急停机显示； ( 4 ) 剪切无色标袋和各种图案的色标袋： ( 5 ) 袋长在6 0 0 1 2 0 0 m m 范围内可任意设置； ( 6 ) 能储存多种基本袋长，并根据具体情况，用户能实现随时更改； ( 7 ) 能预置袋子的工件数，并实现自动记录完成工件数； ( 8 ) 安全功麓：机构的异常检测，检测后自动停杌显示； 2 实现的主要技术参数： 2 硕士学位论文 ( 1 ) 袋长的定位误差在3 m m 之内； ( 2 ) 纬纱密度3 根l o o o m m ； ( 3 ) 转切刀最高剪切速度：3 8 r i n i n ； ( 4 ) 胶槽温度控制范围2 5 8 0 ，误差3 ； ( 5 ) 剪切纸袋长度的不合格率控制在o 。编以内。 3 整机系统的稳定性和可靠性： ( 1 ) 当小芯胎错位时，牵引电机和纬纱电机应立即停止； ( 2 ) 纸纱复合制袋机在连续的生产过程中，系统不应出现失控死机，切袋长度不合 格率控制在o 2 以内； ( 3 纸纱复合翩袋机在加减速运行过程中，系统都应可靠稳定的工作，确保纸袋各 项参数都在要求的范围内。 。4 本课题研究的主要目的 本课题旨在改造原有纸纱制袋枕的控制系统，用交流调速同步传动系统来替代原机 械传动系统，提高纸纱复合制袋过程的生产效率和质量，以实现优化协调控制及对制袋 机进行监控，提高纸纱复合制袋机的自动化技术水平，简化操作，减轻工人劳动强度， 设计一种基于p l c 控制的能实现自动布纱、自动上纸、上胶、自动折边、扎微孔、岛 动控温、自动势切、计数等自动化功能的全融动纸纱复合制袋机。改善原有制袋过程的 不协调因素，减少生产过程中的操作步骤，提高生产速度，减少操作的调整工作量以及 减少调整过程中的废品率，以实现生产线在启动、停止中平稳协调过渡，即通过触摸屏 进行系统的参数设置，只要改变一个参数，其余参数通过系统设嚣进行变化，同时进行 相关参数的实时显示，使操l 乍人员直接妇显示屏就可掌握生产过程中的参数变化情况， 由显示屏可人为对生产过程中的参数进行改变；及时了解生产过程的故障问题，提高系 统的自动化过程。 根据制袋工艺更改控制逻辑只需修改工艺参数，无需对枕械、硬件作改动。提高生 产效率和产品的竞争力，使该产品向自动化、智能化、集成化、信息化的方向发展，同 现代自动化技术接轨。 整个系统开发完成，除了在价格上其有一定的优势外，功能上将向着操作更简洁， 管理维修更方便的方向发展，系统在设计时增加了自动报警功能，并能实时的显示各种 报警状态，就如现在人们时常提起的“将更具人性化的功能n 。 1 。5 本章小结 本章酋先阐述了纸纱复合制袋机生产线改进背景和意义，介缁了制袋规国内外的发 展状况，提出了纸纱复合制袋机的控制内容及本课题所研究的目的。 慕于p l c 的纸纱复合制袋机生产线的研究与开发 第2 章制袋机系统结构与改进 2 1 纸纱复合制袋机的产生及技术发展 2 1 1 纸纱复合制袋机的产生及市场应用情况 纸纱复合制袋机是某包装有限公司( 民营企业) 自行研发的一种新型包装袋工艺。 把褊纱、牛皮纸复合酋先应用于制造包装袋产品，根据这种工艺鲁行研发设计了制袋机 生产线，是对制袋机产品的一次创新，作为一项绿色产品的技术开发专利，技术水平属 国内独创。由于一台纸纱复合制袋机可替代常规制袋机所必须的拉丝、绕丝、圆织、腹 膜、印刷等五套设备“1 ，因此该制袋机的设计思路新颖，工艺先进，也是纸袋一次成 型的流水线作业。由该纸纱复合制袋机生产的纸纱复合包装袋，具有强度高、抗老化、 耐高温、防潮透气、无毒无害等许多优点，是广泛适用于各行的产品用袋，用过的废袋 可经高温水解全部回收利用，不污染环境，属绿色包装产品。由此可知，纸纱复合制袋 桃是一种环保、节能、安全、经济的新型制袋生产设备，有着明显的市场占有地位。但 是通过对市场的调研，该设备在自动化程度上有待进一步完善和提高。 2 。1 。2 纸纱复合制袋机的技术发展现状 某包装有限公司作为国内纸纱复合制袋机设备生产厂家，他们的产品不仅在国内占 有市场，而且出门到老挝、越南等国家，能将拥有企业知识产权的机械产品出阴，标志 着该企业的包装机械产品具有一定的国际竞争力。近年来，受禁绝自色污染的呼声和“以 纸代塑 的冲击，傻该公司找到了产燕的研发方彝，该公司以政策法规为导向，以高新 技术为后盾，抓产品结构调整和新技术开发，开拓新的经济增长点，为企业产品扩大出 翻探索出了一条新路子。 西前，在该企业的生产经营中，为了适应市场竞争的需要，公司针对高日产品质量 要求，按产品质量标准及出口商检的要求，奋力开拓市场，开发使用高精度和离效率的 全自动生产设备，这样才能保证产品质量和提高经济效益，满足不同层次客户的需求， 提高产品的竞争力，因此必须对此原有的机械设备进行适当的更新和改造。但由于该公 司地处偏远的大西北，是蜃起的民营企监，研发产晶的能力有限，在产晶的更新换代、 功能完善、提高机器性能等方面均存在技术力量的不足，尤其在自动化控制方面更为突 出，没有在品种、档次及质量水平上形成自己的独特优势。该企业虽然很想承接此项生 产任务，但企业目前没有一定的实力做到该技术要求。鉴于此，作为横向研究课题，我 们在对该企业纸纱复合割袋机相关生产设备的结构、动作、性能进行调研分析的基础上， 对同类比较前沿的制袋机进行研究的基础上，决定在充分利用原有纸纱复合制袋机设备 的结构、性能特点的情况下进行机电一体化改造，以提高纸纱复合制袋机自动化程度， 提高制袋生产率和制袋的速度和精度，保证产品质量、降低废品率和提高经济效益。 4 硕十学位论文 因此，基于p k 的全自动纸纱复合制袋机生产线的研究，有选择地运用当前高科 技的新技术对该设备进行技术改造，可有效提升该设备的技术含量。运用较少的资金投 入，而获取最大的经济效益，不失为一个节省资金、见效快、能满足客户需求的技术解 决方案。由于纸纱复合制袋机技术含量高、利润也高，在市场上将是一个很好的发展趋 势，只有掌握同类制袋机发展的前沿技术，才能使纸纱复合劁袋机和同类先进设备的差 距有着质的突破。 2 2 纸纱复合制袋机的工艺流程和工作原理 2 。2 。 纸纱复合包装袋的构成 纸纱复合制袋机生产的纸纱袋主要由内外两层牛皮纸和中间的棉纱构成，经纱和纬 纱在经过胶盒时首先布上胶，分别粘贴在内层纸筒经向和纬向的周围，经五级压辊压实， 最后经折叠机构折叠成m 型，其中经纬纱的根数决定着纸纱袋的强度。其剖面结构示 意图如图2 。王所示。 l 内层牛皮纸2 经向捣纱线 3 纬向棉纱线4 胶水5 舛层牛皮纸 圈2 1 纸纱复合袋剖面结构示意图 2 2 2 纸纱复合制袋机工艺流程 本机是一种生产纸纱复合包装袋的包装机械，其制袋过程是：来自牛皮纸卷1 的内层纸 在搭接部位的牛皮纸上上胶，再通过内层牛皮纸折叠装置3 ，变为中间搭接的双层结构， 搭接部位自然粘在一起。经线布线架2 上的经线通过布线器，再通过上胶盒4 的上胶及布 线，沿纸袋的经囱均匀分布在折叠好的纸筒周围，布好经线的纸筒穿过纬线布线机构5 的心部，纬线机构由两个盘形线架组成，两个盘形线架互反转动，把纬线缠绕在走过的 纸筒圆周上，来自牛皮纸卷1 4 的外层纸通过印刷机构1 3 的印花，再由外层纸折叠装置6 的折叠，外层纸包裹在绕好线的纸筒上，通过四个挤压定型辊7 ，使纸筒内外层及经纬 线粘接在一起，同时挤压定型辊7 牵引纸袋连续运动。在藐微孔机构8 处使纸袋藐微孔完 戒放气。由小芯胎折边梳构9 使纸袋两侧成鹾形，由定型棍构1 0 定型后，切断刀l 圭切断成 5 所需要的长度，1 2 为所切断的纸袋的下线机构。生产线的纸袋走速、纬线密度、纸袋的 切断长度等均由入机友好界恧的触摸屏给定。纸纱复合制袋机生产流程图如图2 2 所示。 23 4 5 l 上内层纸2 上经纱3 折叠内层纸4 上胶5 上纬纱6 折叠外层纸7 挤压 8 扎微孔9 小芯臆l o 挤骶定型l l 切断记数1 2 下枫1 3 单色印霉l1 4 上外层纸 图2 。2 纸纱复合制袋机生产线流程图 2 。2 。纸纱复合制袋机机械传动机构 l 。牵雩| 主电机传动机构 牵引主电机由4 级3 麟异步电机经变频器通过羔：5 9 减速器带动两个z = 3 0 的链轮， 再通过两条链条分别将第二压辊和第四压辊轴上z = 2 8 的链轮连接起来，第一压辊由第 二压辊用链轮和链条连起来，第三压辊、第五骶辊由第四压辊用链轮和链条连接起来， 这样就组减了一个缴向运行传动系统，壶各压辊牵弓| 纸袋向前运动。主电机纵向链传动 结构如图2 3 所示 l 一辘2 二辊3 三辊4 四辊6 五辊6 链轮( z = 2 8 ) 7 链条8 链轮( z = 3 0 )9 减速机l o 异步电机 豳2 3 牵引机构链传动简图 2 纬纱电机传动机构 纬纱绕线机构由两个盘形线架组成，纬纱盘由一台4 级3 黼异步电机经变频器、分 向换向机构和两组皮带轮做减速传动，从而驱动两个盘形线架互反转动，一个正转，一 6 硕士学位论义 个反转，使得纬纱盘锭子上的纬纱线均匀交错地缠绕在走过的纸筒圆周上，纬纱绕线机 梅传动组成如图2 4 所示。 345 6 7 图2 4 纬纱绕线枕构传动筮图 3 转切刀伺服传动机构 转切刀的动力源原来是由纸纱复合铜袋机的纸袋牵弓l 机构引出，再经两组挂轮带动 转切刀的主轴，其动力源由走袋共享的异步电机提供，转切刀的速度在整个生产过程中 随走袋速度的变化丽变化，对转切刀的速度控制来说，难以实现变速度的平滑调节和协 调控制。现改为转切刀刀辊由伺服电机通过同步带来驱动，在旋转一圈的周期内作变速 运动，保证转切刀转一转，纸袋刚好走过一个袋长的节距，盛在设定切断区速度最高点 进行瞬闻剪切，在设定非切断区跟踪主机的走袋速度。转切刀传动机构示意图如图2 5 所示。 3 4 l 交流儒撮电枫2 羰速规3 固步警4 甥瞬刃辊5 辘承 图2 + 5 转切刃传动机构筒圈 2 。3 现有纸纱复合制袋机存在的问题和不足 在纸纱复合制袋桃生产设备中，对纸袋的剪切采用气缸驱动，横切刀的动切通过气 7 螭于p l c 的纸纱复合制袋机生产线的研究与开发 缸的上下拖动往复直线运动完成切断任务。剪切过程中纸袋的牵弓l 速度和势切动作不协 调，检测到信号后，刀具刃口接合时纸袋切割点难以准确到位，所以剪切的定位定长准 确度差，而且工作中冲击大、产生大的振动和噪音，往复的频率和次数受到气缸回气速 度的限制，所以生产效率比较低。针对这一闯题，该厂虽然改进了剪切部分的机械传动 结构，把横切刀改为转切刀，其动力源通过纸袋牵弓l 机构弓l 出来驱动，出切断刀辊做旋 转运动进行剪切纸袋。切割纸袋的长度通过更换系列的挂轮来实现。但生产实践证明， 这种改进后的纸纱复合制袋机机械机构也不够合理，电气控制系统对各执行部件基本各 自独立坤1 ，由入工调节电气旋镊设定各执行部件的工作状态，其控制系统的自动化程 度不高，功能不够完善，设备工作中电器故障率高，在功能的实现上存在一系列的闯题 和不足。具体情况如下所述： ( 1 ) 转切刀的动力源是由纸袋牵引机构引出，再经两组挂轮带动转切刀的主轴，其 动力源由走袋共享的异步电机提供，所以剪切纸袋的长度范围受到挂轮组数的限制。网 时剪切的瞬间需要很大的惯性力，此装置在不同的纸袋走速下，对剪切质量影响很大， 从而限制了纸纱复合制袋机牵引机构的工作速度范围，影响了整机的适用能力； ( 2 ) 转切刀的速度在整个生产过程中随走袋速度的变化而变化，因此这样的机构， 对转切刀的速度控制来说，难以实现变速度的平滑调节，转切刀旋转速度较低时剪切速 度无法满足切断要求，使纸袋容易产生撕裂现象，因此开机、停机中纸袋的废品率高； ( 3 ) 难以适应多品种纸纱袋的加工，剪切不同的袋长时通过更换压辊与转切刀传动 轴之闻的挂轮来实现，一螽纸纱复合制袋祝设备剪切不同的袋长时需配备一系列的挂 轮； ( 4 ) 对印有不同花标图案的纸纱复合袋，不能保证每次剪切均在标志条的中间，剪 切袋长的色标定位累计偏差大； ( 5 ) 各级压辊对纸纱袋的牵弓| 速度与转切刀的剪切速度不扔调，剪切过程中两者之 间存在相对速度，所以剪切纸纱袋时，会产生剪切斜角，而且斜角偏差的累计值随成品 袋数量的增加而不断加大，同时使得实际剪切的袋长与给定袋长产生偏差，超差大，废 品率高； ( 6 ) 温控系统的自动化水平低，该系统是独立运行的，主要由人工靠旋钮来进行加 温控制，给用户带来很多麻烦； ( 7 ) 虽然实现了经纱、纬纱自动布设成网，但纬纱的密度不能得到有效控制，根据 袋子强度的需要不能实现所要求的纬纱根数，从而使纸袋强度指标不能稳定： ( 8 ) 各级压辊的压力不能有效地控制，压力的加压和减压动作主要由人工来判别和 操作。 作为横向合作研究项目，本课题针对上述纸纱复合制袋机存在的问题和不足，从机 械传动方案和机电控制理论等方面经过系统研究和可行性地分析，提出了解决问题的实 施计划和电气控制方案，在保证原有机型的基本功能外，增加一些新的机械性能和控制 硕士学位论文 技术，提高自动化程度，最终髫标使重新改进后的纸纱复合制袋机熊够适应多样化和批 量化纸纱袋的加工，提高生产纸纱袋的质量和效率，满足不同层次客户的需求引。 2 4 纸纱复合制袋机剪切机构的改进 针对前面提出的现有纸纱复合制袋机存在的闯题和不足之处，有针对性地欲纸纱复 合制袋机剪切部分的机械传动机构入手，从机电一体化的角度对剪切机构进行系统的分 析和全新的设计。 2 4 1 影响剪切速度的因素 由于原转切刀的动力源是由纸纱复合制袋机的牵引机构( 牵引机构由异步电机来驱 动) 引出，再经两级链传动来带动转切刀的主轴，这样的机构不仪变速范围有限，而且 传动精度比较低，高速时易弓| 起链条的跳动，运动冲击力大，所以切断刀辊的速度变化 受牵引机构速度的制约，无法在速度最高点剪切。所以此机构只适合于一些速度不太高、 传递力不太大的小型制袋机构。同时转切刀旋转速度较低时剪切速度无法满足切断要 求，使纸袋容易产生撕裂现象，剪切斜危的累计误差值随之增大。 2 。4 2 转切刀机构的改进措施 纸纱复合制袋机的制袋过程的是一个连续的生产过程，转切刀系统是其中最重要的 一个生产环节，生产工艺对转切刀的要求主要有两条：一是保证剪切的精度：二是转切 刀剪切袋子时的速度必须与走袋的前进速度相协调，即在非切断设定区转切刀跟踪走袋 速度，切断设定区转切刀高速旋转剪切，保证在一个袋长的周期l 值内，转切刀正荮转 一转。因此这是一个典型的速度与位置双跟踪的快速高精度定长定位剪切系统，出于转 切刀的速度是变化的，所以对伺服控制提出了较高的要求，这主要取决于两个方面的因 素：一是控制系统要有足够精确与快速的运算能力；二是转切刀刀辊驱动系统要有良好 的动静态跟隧性。 为了提赢制袋机的剪切速度，实现变速度的平滑调节，在制袋过程中，通过严格的 时序分析，知道所要求的最高剪切速度和运行规律，因此要求转切刀电机的启动、停止 的时间一定要快，也就怒电机的响应速度要快，而交流伺服电机从静止加速到其额定转 速仅需凡毫秒。因此，鉴予以上的剪切要求我们决定采用交流伺服控制器与饲服电机相 结合的方式设计出新型的转切刀控制系统。采用交流伺服电机作为执行电机来驱动转切 刀，从而使转切刀的速度在较短的时间内达到所要求的目的，转切刀速度在整个生产过 程中随走袋速度的变化菊变化，达到纸纱复合制袋机的剪切协调控制西的。 因力在设计中我们利用控制精度高、动态响应快的同步带传动的饲服电机驱动转切 刀主轴，所以切断刀辊能够在设定一个袋长的周期内做变速运动，和走袋的牵引速度相 匹配，实现在速度最高点剪切纸纱袋，降低产生剪切斜角的因素，同时使得纸纱复合制 袋机剪切枫构紧凑，传递惯性小，这样可使得剪切的纸袋位置准确，切口的质量好，开 9 基十p l c 的纸纱复合制袋机生产线的研究开发 机、停机中纸袋的疲晶率降低。 2 。5 改进后转切刀机构的传动系统 转切刀的动力源原来是由纸纱复合制袋机的纸袋牵引机构引出，再经两级挂轮由齿 轮的啮合运动来带动转切刀的主轴转动，转切刀的旋转速度在整个生产过程中随走袋速 度的变化而变化，其剪切的旋转速度受牵引速度的制约，受链传动的牵制，切断刀辊不 能有太高的剪切速度。现改为由伺服电机通过同步带传动单独驱动切断刀辊，同步带传 动平稳、速度稳定，对速度控制来说能实现变速度的平滑调节。这样使得转切刀的速度 栽够随时的变化，并虽在一个袋长的周期内能够作加减速运动，在剪切的瞬阆能产生较 高的旋转速度，在纸袋的整个牵引过程中和走袋的牵引速度相匹配，使切断刀辊的速度 不再受牵引速度的制约，实现了在速度最高点剪切纸袋时刀辊产生较大的惯性力，克服 了转切刀旋转速度较低时纸袋产生撕裂的现象，降低开机、停机中纸袋的废品率。伺服 系统是应用闭环控制结构来控制转切刀，使其能够自动、连续、精确地复现输入信号的 变化规律，能够准确的实现纸袋所需剪切位置的控制和转切刀变速度控制，其改进后转 切刀传动机构如图2 6 所示。 l 阏步带轮( z = 1 8 ) 2 8 1 8 减速机( i = 1 7 ) 3 同步带轮( z 翎6 ) 4 转切刀獠5 i 司步带6 机架7 伺服电机( s 涮g h 3 ( ) 舡 a ) 图2 6 转切刀传动机构图 2 6 转切刀结构设计及剪切过程 2 6 1 转切刀的结构 切断刀辊是由无缝钢管和钢板焊接成一个空心的刀辊，然后再在铣床上铣出一个v 型的缺口，此结构能产生比较大的惯性力。再把做好的刀片与刀辊轴心线倾斜一定的角 l o 硕士学位论文 度，直接用压板焊接在切断刀辊上使其成为一个整体。把旋转的切断刀辊称为上刃，下 刀的刀刃固定在机架上，和上刀刃形成平行结构，当切断刀辊旋转时与下刀刃实现剪切 运动，产生剪切的效果m 3 。切断刀辊的结构如图2 7 所示。 a _ a 矗 图2 7切断刃辊结构蚕 2 。8 。2 转切刀的剪切原理 剪切机构的配置方式是把切断刀辊作为上刀进行圆周旋转，把另一刀刃作为下刀按 一定的斜角固定在刀架上，将上刀的转动与下刀的固定结合起来，形成剪刀的剪切原理。 上下刀的调节可通过刀庶上设置的几个微量调节螺丝改变上刀与下刀的间隙，使这个间 隙嚣l 好可以切断经压制复合蜃的纸纱袋厚度为止，间隙调得过大不麓切断纸袋，间隙调 的过小容易损坏刀刃，并且容易产生干涉现象，纸袋容易堵塞。切断刀辊在个袋长的 周期内做变速圆周运动，速度跟随走袋的速度并且相匹配。在整个剪切过程中，两刀刃 的啮合点是从侧向另一侧做点接触运动，克服了原来线接触运动所产生的弊端，从而 将纸袋逐渐剪断，产生剪刀剪纸的效果。 2 。7 本章小结 本章首先介绍了纸纱复合制袋机的产生及该项