（机械工程专业论文）多工位卷筒包装机折边臂控制系统设计与研究.pdf

摘要 本文研究开发了多工位卷筒包装机折边臂控制系统的改造升级。 本课题源于实际项目，该公司专业生产纸卷自动包装设备和纸卷输送线，目 前正着力研发多工位卷筒包装机。多工位卷筒包装机的研发对纸厂工业自动化的 发展起到了促进作用，高技术的多工位卷筒包装机既节省了人力，物力，又提高 了纸厂的生产效率。随着改革开放的发展，我国的工业自动化水平在一步步向前 迈进，正在逐步摆脱靠廉价的人工劳动力，向着发达国家高水平的工业自动化靠 拢。多工位卷筒包装机在国外已经发展好多年，如日本的m a r u r i s h i ，荷兰的美 卓，德国的福伊特等，但由于设备昂贵，技术难度大，国内的多工位卷筒包装机 只是刚刚处于起步阶段，目前只有为数不多的企业在努力使设备实现国产化。 本文根据日本w a r u i s h i 多工位包装机在实际运行过程中遇到的问题：由气缸 带动的折边臂在运行过程中晃动，容易造成折边臂损坏。提出了由p l c 控制液压 站的方式来带动折边臂运行的解决方案，使包装机在运行过程中更加平稳，安静， 且使用寿命更长，从而使问题得到解决。同时也有助于设备早日实现国产化，由 于技术的改进也使国产化的设备更加完美，先进，可靠。本文构想和完成的主要 工作为： 1 ) 详细的介绍了多工位卷筒包装机，包括工作原理，机械系统组成部分，控 制系统部分，并指出了包装机折边臂在运行过程中不稳定的问题。 2 ) 根据包装机遇到的实际问题，重新设计了卷筒包装机折边臂的控制系统， 包括液压站部分的设计，p l c 控制程序的设计，硬件的选型等，并对系统的人机 操作界面进行了仿真。通过对包装机控制部分的重新设计并对设计的程序进行仿 真模拟，确保程序可执行，使问题得到解决。 关键词：折边臂；p l c ；液压站：自动控制 l i a bs t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ed e v e l o p m e n to fm u l t ir e e lp a c k a g i n gm a c h i n ef o l d i n ga r m c o n t r o ls y s t e mu p g r a d i n g t h i s t o p i co r i g i n a t e d f r o mt h ea c t u a lp r o je c t ，t h ec o m p a n ys p e c i a l i z e s i n p r o d u c i n gp a p e rr o l l sa u t o m a t i cp a c k a g i n ge q u i p m e n ta n dt r a n s m i s s i o n l i n e s ，t h e c o m p a n yi sf o c u s i n go nd e v e l o p i n gm u l t ir e e lp a c k a g i n gm a c h i n e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm u l t i - s t a t i o nr o l lp a c k a g i n gm a c h i n eh a da c a t a l y t i ce f f e c to nt h ea u t o m a t i o no fp a p e r - m a k i n gf a c t o r y t h eh i g h - t e c hm u l t i 。s i t e r o l l p a c k a g i n gm a c h i n e n o to n l ys a v e sm a n p o w e r ，m a t e r i a lr e s o u r c e s ，b u t a l s o i m p r o v et h em i l l sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e f o r ma n do p e n i n g u p ，c h i n a sl e v e lo fi n d u s t r i a la u t o m a t i o nt om o v ef o r w a r di nas t e pb ys t e p ，g r a d u a l l y g e tr i do fr e l y i n go nc h e a pm a n u a ll a b o rt o m o v ec l o s e rt o w a r d st h ed e v e l o p e d c o u n t r i e sah i g hl e v e lo fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n m u l t i - p o s i t i o nr e e lp a c k a g i n gm a c h i n e h a sb e e nd e v e l o p e dm a n yy e a r si nf o r e i g nc o u n t r i e s ，s u c ha sj a p a n sm a r u i s h i ，t h e n e t h e r l a n d s sm e t s o ，g e r m a n y sv o i t h ，e t c ，b u td u et oe x p e n s i v ee q u i p m e n t ，t e c h n i c a l d i f f i c u l t i e s ，d o m e s t i cm u l t i s i t er o l lp a c k a g i n gm a c h i n ei so n l yj u s t i ni t si n f a n c y , o n l y af e wc o m p a n i e st r y i n gt om a k ee q u i p m e n tt oa c h i e v el o c a l i z a t i o n m a r u i s h im u l t i s t a t i o np a c k a g i n gm a c h i n ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h ea c t u a l r u n n i n gp r o c e s s ，t h i sp r o b l e mi s t h ec y l i n d e r - d r i v e nf o l d i n ga r ms h a k i n g ，l i k e l yt o c a u s ea r l nd a m a g ed u r i n go p e r a t i o n t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h ef o l d i n ga r m ，d r i v e nb y t h ep l cc o n t r o lh y d r a u l i cs t m i o nt ot h ep a c k a g i n gm a c h i n ei s m o r es t a b l ed u r i n g i i l o p e r a t i o n ，q u i e t ，a n dp a c k a g i n gm a c h i n e sl a s tl o n g e r ，s oa st os o l v et h ep r o b l e m s u c h i m p r o v e m e n t sa l s oh e l pt h ee q u i p m e n ta ss o o na sp o s s i b l et oa c h i e v el o c a l i z a t i o n a s t e c h n o l o g yi m p r o v e st h el o c a l i z a t i o n o ft h em o r ep e r f e c ta n da d v a n c e d ，r e l i a b l e e q u i p m e n t t h i si d e aa n dc o m p l e t e dw o r ki s ： 1 ) ad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h em u l t i p o s i t i o nr e e lp a c k a g i n gm a c h i n e s ，i n c l u d i n g t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h em e c h a n i c a ls y s t e mc o m p o n e n t s ，c o n t r o ls y s t e mp a r t s ，a n d p o i n t e do u tt h a tt h ei n s t a b i l i t yo ft h ep a c k a g i n gm a c h i n ed u r i n go p e r a t i o no ft h e f o l d i n ga r m 2 ) a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lp r o b l e m so fp a c k a g i n go p p o r t u n i t i e s ，t h ea r t i c l e r e d e s i g n e dr e e lp a c k a g i n gm a c h i n ef o l d i n ga r mc o n t r o ls y s t e m ，h y d r a u l i cs t a t i o n ， p l cc o n t r o lp r o g r a m ，h a r d w a r es e l e c t i o ne t c ，a n dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo ft h e s y s t e mb yl i n es i m u l a t i o n b yr e d e s i g n i n gt h ep a c k a g i n gm a c h i n ec o n t r o lp a r ta n d t h e d e s i g np r o c e d u r es i m u l a t i o n ，e n s u r e t h a tt h ee x e c u t a b l ep r o g r a m ，t h ep r o b l e mi s r e s o l v e d k e yw o r d s ：o r i g a m ia r m p l c h y d r a u l i cs t a t i o n ：a u t o m a t i cc o n t r o l i v 第一章绪论 1 1 课题来源及研究背景 本课题源于公司的实际项目，该公司主要生产纸卷的自动包装系统和输送线， 目前公司正着力研发多工位卷筒包装机。多工位卷筒包装机的开发对提高造纸厂 的工业自动化水平有着很大的贡献，节省了人力，物力。 多工位卷筒包装机在外国发展时间较长，技术比较成熟，如德国的福伊特、 荷兰的美卓等；国内的多工位卷筒包装机只是刚刚处于起步阶段，大多数的造纸 企业目前都是采用国外进口的设备。目前国内只有为数不多的企业在努力研发多 工位卷筒包装机，但由于多工位卷筒包装机是个大型的包装设备，技术难度大， 结构复杂，因此造成了国产的多工位卷筒包装机系统不太稳定，包装的效果有时 并不太理想。 1 2 国内外的发展 1 2 1 国外现状 多工位卷筒包装机国外发展比较成熟，如德国的v o i t h ，日本的m a r u i s h i 等。 德国的包装机械在产量、制造、技术性能方面都可以算是世界一流，尤其是 散体物料包装机，发展历史相对较长。该国生产的包装机成套设备生产速度快、 可靠性好、自动化程度高。主要是表现在：机械与计算机紧密结合，实现机电一 体控制、生产效率高，生产工期短以及降低工艺流程成本的要求等；该国的设备 具有更高的柔性、灵活性以及可靠性等优点。主要体现在生产的快速性、构造的 灵活性以及物流的方便性，从而加快了包纸机更新换代的速度；使用计算机和软 件的仿真技术提供成套设备，可以降低设备的故障率，也可以进行远程诊断服务； 环保意识性强，主要包括设备可靠性好、噪音小、资源利用率高以及垃圾的污染 度小口1 。 日本的包装机械，从1 9 6 0 年到1 9 9 0 经历了三十几年的高速发展，虽然以 中小单机为主，但设备体积小、精度高、易于安装、操作方便、自动化程度较高。 意大利是全球第二大包装机械出口大国，在意大利生产的包装机械中，食品 包装机械占4 0 左右，如糖果包装机、软管旋盖机、浆糊贴标机等。吹瓶机吹 塑机产品的特点是外观美观、性能好、价格相对适中。意大利包装机械行业的最 大优势就在于可以按照用户的要求进行设计和生产，并能保证很好地完成设计、 生产、试验，实现监督、检验、组装、调整和用户需求分析等。 1 2 2 国内现状 我国的包装机械起步比较晚，目前国内大多数还都是一些小型的包装机设备 厂，如塑料袋的包装机械，食用盐的包装机械等，但大型包装机生产厂却寥寥无 几，且在设备的自动化、先进程度上尤为突出，更是远远落后于发达国家，再加 上科研投入上还不够大，从而导致我国的卷筒包装机几乎全是国外的品牌，开发 属于我们自己的品牌从而就显得尤为重要。要想在短时间内跟上国外包装机前进 的步伐，单凭自己闭门研发是远远不够的，通常的做法就是买来国外的先进设备， 努力实现零部件的国产化，然后开始批量组装乜巧1 。其实国外先进的设备通常也存 在一些小的问题，我们应该在国外先进设备基础上进行消化，吸收，改进，再升 级。有时一些小改进起到了四两拔千斤的作用，小改进大作用，不可忽视和小看， 改的是效益，改的是费用，改的是质量和效率，这样便可创造出属于我们自己的 品牌。 1 3 本文研究内容 本文主要研究了对多工位卷筒包装机折边臂控制系统的升级改造。针对多工 位卷筒包装机折边臂在工作过程中不稳定，动作过大，容易损坏的情况，提出了 一种对卷筒包装机折边臂控制方式改进的具体方案。该方案可使卷筒包装机折边 臂在工作过程中更加稳定，安静，且不易损坏，使用寿命更长。 在纸卷包装过程中，多工位卷筒包装机折边臂负责将包装在纸卷上的包装纸 打弯折边，将包装纸包装在纸卷上。卷筒包装机折边臂传统的控制方式是通过气 缸，控制臂的上下移动，通过臂自身的重量将包装纸压弯，然后进行折边。由于 折边臂过于沉重，因此在气缸的带动下，厚重的折边臂上下来回运动，由于惯性 很难实现立刻停止。折边臂在晃动过程中，很容易造成气缸损坏。本文通过p l c 控制液压站的方式来实现卷筒包装机折边臂的移动，从而可大大提高设备的可靠 性。 其中本文的主要内容包括： ( 1 ) 对多工位卷筒包装机经行了详细的论述，包括设备的工艺流程和各个工位 的组成部分； ( 2 ) 介绍了设各控制部分的组成和系统主电路； ( 3 ) 对多工位卷筒包装机在实际工作中遇到的问题，提出了解决方案： ( 4 ) 对提出的方案进行设计，包括液压站设计，人机交互界面进行设计等； ( 5 ) 对控制系统进行p l c 编程及硬件选型，并对编写的p l c 程序进行模拟仿 真，以确保程序的可行性。 第二章多工位卷筒包装机机械系统分析 2 1 多工位包装机系统组成 多工位卷筒包装机是几个典型的机电一体化系统。机电一体化技术又称机械 电子技术，英文称为m e c h a t r o n i c s ，机电一体化是机械技术、电工电子技术、传 感检测技术、伺服传动技术、信息技术等多种技术融合在一起的产物，机电一体 化系统一般由5 个组成部分构成即：机械本体、电子控制单元、检测传感部分、 执行器和动力源7 | 。 多工位包装机系统结构上主要分为四大部分，即测量工位，折边工位，贴标 签工位，热压合工位。这四大组成部分又是由很多个零部件组成，其中主要由以 下部件组成，如下图2 1 所示： 1 入口踢纸器2 沉重装置 3 测量纸卷长度装置4 测量纸卷直径装置5 缓冲踢纸器 6 折边装置7 工位移动装置8 打印机9 一出口缓冲器1 0 贴标签机器人手臂 1 1 顶升装置1 2 一热压盘1 3 放外封头机器人手臂1 4 - 夕h 封头纸垛1 5 放内封头装置 1 6 一内封头纸垛 17 一放内封头机器人手臂 图2 1多工位包装机系统结构示意图 4 2 2 多工位卷筒包装机的工作原理 纸卷从复卷机下来后，经过链板输送机进入到本系统中。 1 号对中称重工位：纸卷从外部系统进到包装系统之后，达到踢纸器处，经 过踢纸器移动后，到达对中称重装置，即1 号工位。该工位负责测量纸卷的重量， 纸卷的长度，纸卷侧面直径，并将测量的数据跟随纸卷传送到2 号，3 号，4 号工 位。后面工位的机械手臂选择内封头，包装纸型号选择，外封头选择都是根据在 此处测量的值相对应选择的。并将测量的实际重量与之前系统设定好的重量进行 比较，若在标准范围内，踢纸器将纸卷踢出一号工位。工位移动装置将其送到下 一工位，否则系统报警。 2 号折边工位：在整个包装过程中，2 个折边工位是最主要，也是最复杂的工 位。纸卷在1 号工位称重测量完毕，2 号工位折边完毕送走后，纸卷经过踢纸器， 在工位移动装置的带动下，到达2 号工位。两个机械手臂将内封头吸起，然后放 在内封头放置装置上，待纸卷在2 号工位停稳后，内封头放置下降，将内封头放 在纸卷两层，通过折边装置上的吹气臂吹气力的作用，将内封头紧紧贴在纸卷的 两侧。根据1 号工位测量的纸卷的长度，选择不同的包装纸，包装纸通过送纸辊， 进入折边装置中，当包装纸到达切刀位置时，胶机开始喷胶，使包装纸能够更好 的贴在纸卷的表面。通过设定的程序，可以选择纸卷包3 层或者4 层，也可以根 据现场实际情况或者甲方要求包装。当包装达到要求的层数时，切刀动作，将包 装纸切断。在切刀动作之前，胶机再次喷胶，使包装纸的末端牢牢的包装在纸卷 上。由于包装纸要比纸卷的长度要长，因此多余在纸卷两侧的包装纸，在折边臂 电机的带动下，折边轮将其打弯折边，从而使包装纸在该工位对纸卷进行侧面包 装。动作完毕后，被工位移动装置送到下一工位。 3 号贴标签工位：纸卷包装完毕后进入3 号工位，该工位将纸卷在1 号工位 测量的重量，体积，经打印机打印，当纸卷停稳后，通过机械手臂，将打印机打 印出来的标题，贴在纸卷的侧面。当贴好，贴标签机械手臂回位后，纸卷在原位 置在驱动辊的带动下，开始旋转1 周，此时通过的纸卷的旋转，运用自身的重量 将标签紧紧贴在纸卷的侧面，旋转完毕后通过工位移动装置运往下一个工位。 4 号热压合工位：纸卷在3 号工位贴标签完毕后，经工位移动装置进入4 号 热压合工位。在该工位，两个机械手臂将外封头放在热压盘上，通过热压盘外部 风机的抽风，将纸卷吸附在热压盘上。当放外封头机械手臂回位后，热压盘通过 内部电阻丝的加热，将热压盘加热，通过对压盘对外封头进行加热，外封头表面 薄薄的塑料开始融化，里面的胶显露出来，通常热压盘温度会达到8 0 摄氏度左右， 在热压盘的带动下，被加热的外封头向已经停在4 号工位的纸卷移动，最后将纸 卷的两个底面进行压合包装。包装完毕之后，通过踢纸器将纸卷移出该工位，整 个系统动作完毕，最后经过链板输送机和升降机将包装好的纸卷运送到仓库。 2 3 多工位包装机机械系统主要部件 多工位纸卷包装机是一个大型的包装机械，由多个系统组成，各个系统又有 很多小的部件构成。其中多工位卷筒包装机主要由纸卷对中系统、折边系统、热 压合系统、切刀系统，喷胶系统、移动装置系统、送纸系统等几部分构成，这些 系统包含在四个工位中。其中纸卷对中系统包括：踢纸器缓冲器、称重装置、测 量装置、翻板装置；热压合系统包括左右热压盘、踢纸器，推纸器，缓冲器等几 部分；折边系统是最复杂的也是最重要的系统，其中包括左右移动小车、吹臂、 卷边臂、护臂、送纸辊、折边轮等几部分；纸喷胶系统位于折边系统后面，包括 切刀装置、喷胶机两部分；送纸系统包括放纸架、夹纸器、压纸辊、送纸辊等几 部分。 6 2 3 1 踢纸器缓冲器 链板输送线上输送过来的纸卷，移动到入1 ：3 缓冲器上或纸卷在一号工位沉重 测量好滚到移动装置时，使纸卷在滚动过程中缓慢下降，起缓冲作用。全套气动 控制和踢纸接纸系统，全身采用悬臂钢结构框架，弹辊机构，所需的自控元件及 安装支架，敷设电缆及气管的电缆桥架，气动控制阀安装在气控箱内，用气点连接 至气点附近的气压总站并配截止阀。踢纸器主要由四部分组成：气压缸，支座， 底座，踢纸装置，踢纸器简意图如下图所示： 心 多 毋 _ 一 i一 1 气缸2 支座3 底座4 。踢纸装置 图2 2 踢纸器示意图 2 3 2 称重装置 纸卷进入称重装置停稳后，气缸拉动两端板使纸卷对中并测出其宽度，安装 在机架下的称重模块测出其实际重量，并将数据传输给数据管理系统( 即称重信 息与扫描数据传送到商标打印系统和甲方的e r p 系统中，打印机打印商标和条形 码；同时纸卷数据信息被传送到卷筒包装机，用于包装机选择包装纸的宽度和计 算包装纸的长度) 。称重装置测量纸卷的实际重量，并与标准值相比较，在误差范 围内的，纸卷进入下一个工位，并将纸卷的称重重量记录下来，传给打印机，在 贴标签工位将其打印出来，贴在纸卷上。 称重显示仪表的作用是将传感器输出的信号经放大、滤波、a d 转换、数据 处理后显示屏上显示；同时将数据经过数据输出口输出至外设。其中模拟传感器 作用是将加到秤台上的重量通过弹性体的变形引起电阻应变计的阻值变化转变为 成比例的电信号输出。称重传感器是一种力传感器，通过把被测量质量转换成另 一种被测量来测量质量的传感器，是称重装置的重要部件阳1 。信号传递过程如下图 所示： 图2 - 3 信号传递过程 2 3 3 折边装置 由驱动辊，送纸辊，胶机，切刀，吹气臂，折边臂等部分组成，在整个多工 位包装设备中是核心部分，也是最复杂的部件。将工位移动装置运送过来的纸卷， 将其侧面包装好，并在纸卷的顶面和地面放上内封头，工作完成后送入下一个工 位。折边装置作为多工位的核心部分，其包装速度的快慢，也决定了整个设备的 包装速度。通常提高设备的节拍都是先从折边装置入手。 1 折边轮2 气缸3 折边轮电机4 支撑装置 图2 4 折边装置结构示意图 2 3 4 工位移动装置 作为纸卷的运送设备，在整个多工位设备中，起着重要作用。负责将纸卷从 1 号工位运送到2 号工位，2 号工位运送到3 号工位，3 号工位运送到4 号工位， 且从上一工位运送到下一工位时，3 个运送过程时同步执行，在整个机器中起着 贯穿的作用，是使用频率最高，承担负荷最重的设备。由电机作为动力源，在电 机的带动下，当纸卷到位或者1 ，2 ，3 ，4 工位完毕后，工位移动装置开始运行。 1 进纸口2 电机3 一盛纸装置4 一挡纸板5 盛纸装置6 出纸口 图2 5 工位移动装置结构示意图 9 2 3 5 热压盘 由圆盘，风机，内部电阻丝等组成。外封头包装纸通过风机的吸气，将外封 头包装纸牢牢的吸附在圆盘上，圆盘内部电阻丝通过加电压，发热，将圆盘加热 到8 0 摄氏度左右，将外封头外部的薄膜烤热脱落，在在电机的带动下，圆盘向纸 卷靠拢，最终使圆盘紧紧压在纸卷上，一段时间后，圆盘离开纸卷，外封头通过 自身粘稠性和压盘的压合力，从而使外封头紧紧贴在纸卷的上下底面，整个纸卷 也包装完毕。 1 热压盘2 右热压盘3 顶升装置4 阻纸板 图2 6 热压盘结构示意图 2 3 6 机械手臂 机械手臂作为一种先进的工业技术装备，它能模仿人体肢体某些动作，在生 产过程中代替人搬运物件或操持工具进行操作旧1 。在整个包装设备中，有三个地 方要用到机械手臂，分别是折边工位，机械手臂负责将内封头放到纸卷上；贴标 签工位，机械手臂负责将打印机打印好的标签，贴到纸卷上；压合工位，机械手 臂负责将外封头放到热压盘上。机械手可以通过安装不同的手臂，完成不同的动 1 0 作。机械手臂节约了大量的人力，使整体设备的自动化水平也有了质的提升。 每个工位的机械手臂都有不同的功能，因此结构上也有略微的差别，主要体 现在机械手臂的头部，但原理是一样的。以2 号折边工位的机械手臂为例，机械 手臂主要分为三部分：机械臂头部，转动轴，底座。机械臂头部装有许多个吸气 孔，当头部靠近内封头时，通过装在手臂头部的吸气孔将内封头牢牢的吸附在机 械手臂上。自动包装机机器人手臂是一种多自由度的机械装置，其具有一定的复 杂动力特性n0 | 。整个机械手臂一个有6 个转动轴，从而可以实现机械手臂3 6 0 度 左右旋转和上下运动，充分体现了机械手臂的灵活性，且运动速度快。底座一方 面是将机械手臂牢牢的固定在地面，另一方面底座内部装有吸气泵，充分配合手 臂头部的吸气孔。 1 吸纸装置2 转动轴3 底座 图2 7 机械手臂示意图 2 4 多工位卷筒包装机工艺流程 纸卷从外部系统进来，进入入口输送机后对中停下，由入口踢纸器将纸卷从 链板输送机上踢出，经过一个坡度将纸卷平稳地接入对中称重系统。停稳后，电 机推动两端板使纸卷对中并测出其宽度，安装在机架下的称重模块测出其重量， 并将数据传输给数据管理系统( 即称重信息传送到商标打印系统和甲方的e r p 系 统中，当纸卷离开此此工位时打印机打印商标和条形码；同时纸卷数据信息被传 送到2 号工位，用于折边工位选择第几道包装纸。) 对中称重完毕后，由对中机踢 纸器将纸卷推出，入口缓冲器将纸卷平稳地接入工位移动装置。纸卷停稳后，工 位移动装置在油缸的作用下上升，上升到位后，移动，将纸卷送入2 号折边工位， 然后下降并退回。控制系统根据已经检测出的纸卷规格参数，自动选定所需的包装 纸卷尺寸，由送纸分配器输送包装纸。纸卷到达折边工位的同时，放内封头机器 人手臂将合适的内封头自动放置在内封头置入装置上准备好。 当包装纸带通过送纸分配器和切纸槽到达喷胶胶部位后，纸头停止，包装机 左右臂向内靠近，在接近纸卷两端面时停下并放下左右护臂，然后两个胶枪由纸 卷中部向两侧移动并喷洒热熔胶。同时内封头置入装置待机器人将内封头放好后， 将内封头自动分别放在纸卷端部，护纸臂上的气阀吹气将内封头压护在纸卷端部。 第一次喷胶完后纸卷驱动辊启动，使纸卷开始转动，送纸辊启动继续将包装纸头送 至纸卷和主驱动辊之间，放纸系统自动调节其张力以保证包装纸紧贴在纸卷上。 根据设定的包装层数和纸卷直径，系统自动算出包装纸长度。第一层包装纸 送出纸头时，胶枪固定向包装纸两边喷胶。当达到设定的包装层数时，驱动辊自动 停止，此时胶枪动作，由两边向中部移动喷胶。切纸刀动作将包装纸切断。与此同 时，折纸叶轮下降压向纸卷末端，开始折纸动作。驱动辊转动，待包装纸尾端全 部与纸卷贴合且全部打折后，包卷结束。工位移动装置在油缸的作用下上升，将纸 卷输送至等待工位，同时等待工位的纸卷进入3 号贴标签工位。贴标签机器人将 打印机打出的商标纸吸住，移动至喷水装置喷水后，将其贴在纸卷的侧面。之后， 工位移动装置升起，将纸卷送入热压合工位。 纸卷到达热压合工位的同时，放外封头机器人将合适的外封头自动放置在热 压盘上加热预备，纸卷到达后两端热压盘转动并自动向中移动，将外封头压贴在 1 2 纸卷两边端部，并加压保持5 秒( 时间可以在触摸屏上更改) ，使外封头上的胶熔 粘在纸卷端部，同时也将折纸压平成型，然后两热压盘退回，并转动复位。 热压盘工位上的顶升装置顶升，将包装好的纸卷推出热压合工位，纸卷经出 口缓冲器缓冲后平稳停在链板输送机上，经链板输送机送入仓库。在工艺分析中， 对包装物体的特性，包装过程作了详细的分析，设备中每个不同部分都有其不同 的功能，具体工艺流程如下图所示n 卜1 33 ： 2 5 控制系统组成 图2 8 包装机工艺流程图 控制系统采用现今工业控制中最先进、最可靠的p l c 控制系统，其中央处理 器为西门子3 0 0 型p l c 专用c p u ；带总线连接，能可靠的与计算机等设备通讯； 采用分布式控制，抗干扰性强。对需要软停软启的一些设备，大多采用了频器控 制。整个系统稳定可靠，能充分满足工业现场的要求。控制系统由以下部分组成： 一一n 0 1p l c 控制柜 内置：西门子p l c 的中央控制器( c p u ) 以及一部分输入输出模块等设备。 n 0 2p l c 动力配电柜 内置：热压盘动力回路。 n o 3p l c 动力配电柜 内置：电源进线处；上送纸辊、纸卷驱动辊、1 # 包装纸折边轮、弹辊器前链 板机、进包装机前链板机动力回路( 前门布置) ；包装机链板输送机、左卷边臂小 车、右卷边臂小车、包装折边后链板机、出热压盘后链板机动力回路( 后门布置) n o 4 操纵台 内置：一部分输入输出模块等设备；触摸屏；热压盘温度显示仪。 在操纵台上可以查看报警信息，设置包装机包装纸卷工作参数，切换包装机 系统手动自动状态转换，控制包装机链板输送机、液压站、纸卷驱动辊、切刀、 卷边臂、左右小车、夹纸器等设备。 多工位卷筒包装机控制系统可以由如图3 2 所示来表示： 控幺笔 q 图2 9 包装机控制系统组成 1 4 2 6 系统主电路 由于多工位卷筒包装机是一个大型的复杂设备，结构比较复杂，电路系统也 很复杂，这里只对系统的主电路做简单介绍，其中主电路中所有电气元件的型号 图纸上己表明1 4 1 。 系统一号和三号工位主电路图如下图3 3 所示，多工位卷筒包装机系统主电 路回路采用三相五线制，3 8 0 v 交流，5 0 h z 。在电源和q a 之间有个小指示灯h l ， 方便随时观察电源是否有电。q a l 为系统的主断路器，它是一种既有手动开关作 用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器对电源线路，整个系统 的各个电气装置及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等 故障时能自动切断电路，主电源断电，则整个系统会因断电而停止运行，从而对 系统起到安全保护作用。在各个子系统中也都分别设有不同型号的自动开关，用 来保护各个子系统。 1 拌为一号工位的翻板机子系统，1 q a 主要起保护作用，作用同前面介绍的 q a l ，1 k m 接触器用来控制翻板电机的运行。其中1 y b 为翻板机刹车，通过它 可以帮助翻板机到达指定位置时迅速停止。q a 4 1 为包装机系统中机械手臂的自 动开关，并通过2 5 s p 型号的电缆将电源引导各个机械手臂上，以供机械手臂作 为动力源。2 m 为升降链板输送机液压站电源，当其保护开关2 q a 5 h 4 处于闭合 状态，液压站电机得电时，链板输送机已经做好升降准备，得到来自p l c 的上升 或者下降信号后，链板机开始升降，次过程运用在纸卷进去或者送出链板输送机 时。3 拌为对中机系统，3 u 为变频器，主要工作是调节控制对中机的速度快慢，3 f u 为快速熔断器，当变频器电流过大时，快速熔断器快速熔断。快速熔断器和断路 器共同作用，对对中机子系统起到双重保护的功能。不同的子系统由于功能不同， 所以用到的短路器也不完全相同，但功能都一样，都是保护设备。 图2 1 0 一号工位及三号工位主电路图 2 号折边工位主电路如下图所示：4 为2 号工位喷枪电机，4 k m l 和4 k m 2 为电机的两个接触器，通过两个接触的相互制约作用，来实现喷枪电机的正转和 反转，从而实现折边工位上胶枪的前进和后退，两个接触器分别和p l c 的i o 点 相连，通过p l c 的输出来实现两个接触器中的哪一个工作。其中当4 k m l 得电时， 胶枪前进，当4 k m 2 得电时，胶枪后退。胶枪前进或后退到接近开关亮时，接触 器同样会得到p l c 的输出，从而胶枪会自动停止。4 y b 为胶枪电机的刹车，当喷 胶电机失电时，刹车得电，促使电机快速停止转动。5 号电机为热熔胶机，热熔 胶机为外部元件，该元件主要目的是将电能转换为热能，将盛放在元件容器内部 的胶粒融化为液态，在喷枪中喷出。5 q a 为保护该元件的自动开关。只有当热熔 胶机准备好( 即热熔胶达到一定的温度并熔化好) 后，喷枪才会向外喷热熔胶。 6 m 为折边轮电机，该电机有两个，分别带动左折边轮和右折边轮转动。工作时 由于两个折边轮一起为纸卷折边，速度上必须是一致的，所以左右折边轮电机共 同由一个6 u 变频器控制速度，即两个电机共同并联在一个变频器上。6 f u 为保 护变频器的快速熔断器。 1 6 图2 1 1 二号折边工位主电路 下图为4 号热压盘工位的主电路图，由于左右热压盘电路一样，这里以左热 压盘为例作简要分析。7 m 为热压盘液压站电机，7 k m 为热压盘液压站电机的接 触器，作用同前面介绍的一样。当主电源和7 k m 接触器吸附接通时，液压站电 机开始运转，当电机启动运行时，代表热压盘电机正在工作。该电机启动后通过 控制热压盘的液压站，来实现左右热压盘的前进和后退。8 m 为左热压盘风机， 左右热压盘风机电路一样，这里以左热压盘为例作简要说明。8 k m 为左热压盘风 机的接触器，用来控制左热压盘风机的启动。当风机启动时，将机械手臂放在热 压盘附近的外封头包装纸吸附在其表面，当包装完毕后，接触器会得到来自p l c 的信号，电机失电停止。9 r 为左热压盘加热控制器，作用是用来给左热压盘加热， 其中热压盘内部有热传感器，当加热到设定的温度时，p l c 会自动给左热压盘加 热控制器信号，使其自动停止加热。 2 8 一v i 4 】 1 2 8 7b 1 0 | 4 1 7 c i 0 1 0 4 1 2 1 8 一n 0 1 0 4 1 1 1 3s !3 ? 一赵4 3峨 13) 毋 一 一 哪一弋 一 hi li ii l8 q ahi | i ii i 1 3 21 4 4 9 q ahi ll il i 6 30 1 芒l di dg v 2 一m 0 8 co _ = i ei e5 v 3 一m e g 3 。1 匕l cl 匕l ； 4 j 3 6 p 6 0 a 1 6 5 q 246 ， 8 k m! ! j8 1a i 7 l l c i - d 1 2 0 i m s 虾 一姐 b ” ， r s n l ( h ! l352 1a 1 2 9 u uvj 1 9 惜伟 且m j y s q k j l 一1 5 0 a 4 5 0 v i _ 、一 f 8 9 6 。l 。j v ；戳彦帮 ) 5 i 1 5 匹一 j 姐 夏 旦c 246 2 2 a 8 里x 2 适 k 2 12 u vv 8 h nn 4 0 0 v 1 5 k v ) 0 v u ! k v 图2 1 2 四号热压盘工位主电路图 下图为操作台内部电路，f n 为c p l 为操作台风扇，作用是给操作台内部的 工控机和各种电气元件降温，以免因操作台内部因温度过高，造成电气元件损坏， 尤其是在炎热的夏天，它也使操作台内部保持通风，i o q a 为常闭开关，只要系 统运行时，操作台内部风扇就开启。e l l 和e l 2 为操作台内部的照明系统，分别 在操作台的正面和侧面，1 1 q a 和1 2 q a 为其开关，连个开关为常开开关，只要 手动闭合照明系统才会启动。x s l 为操作台内的插座，用来在系统调试或者检修 时，为2 2 0 v 电压。d y 为电源，复制将2 2 0 v 的交流电转换为2 4 v 的直流电， 为系统的报警灯，操作指示灯来提供电源。 删 1 2 q a 6 5 n 。2 自 1 3 q a c 6 5 n ，6 a i l p nj 左 莎孟j m + 一 c p i 操作台风扇c p l 操作台照明( 正面) c p l 操作台照明( 反面) c p l 操作台插座2 4 v d c 电源 图2 1 3 操作台内部电路 2 7 本章小结 本章从包装机机械角度和控制系统的角度分别介绍了多工位卷筒包装机。从 机械系统角度讲：纸卷从进入包装机系统开始，经过称重，测量，折边，贴标签 等工序，到最后热压合包装好后，纸卷被送出系统的整个动作过程做了简单的介 绍，同时也说明了多工位卷筒包装机四个工位的工作顺序。画出了多工位包装机 的平面布置图，并简单介绍了多工位包装机系统中几个重要部件，包括机械组成 部分，工作原理以及在整个系统中起到的作用等。在控制角度，详细介绍了多工 位卷筒包装机的工艺流程，将纸卷从外部系统进入包装机系统后，在系统中经过 入口链板输送机，缓冲器，内风头机械手臂，工位移动装置等各项工序安排的程 序，最后进入仓库的详细过程。并简单介绍了包装机控制系统的主要组成部分， 包括p l c 控制柜、动力配电柜、操作台。最后介绍了系统的电路图，由于多工位 卷筒包装机是一个大型的复杂设备，电路系统很复杂，所以本章只对系统的主电 路做了简要介绍，并对主电路中电气元件的型号也作了说明。 1 9 第三章折边臂液压系统设计 重新设计的折边臂控制系统以液压站作为动力源，当折边臂上升时，p l c 将 上升信号发送到液压站的出油电磁阀，出油电磁阀开启，液压油通过油路进入折 边臂的液压缸，从而在液压缸推动下折边臂升起；当折边臂需要下降时，同样， 回油电磁阀开启，液压油通过回油管路，将折边臂液压缸中的液压油回流入液压 站，从而折边臂下降。 3 1 气动控制折边臂 卷筒包装机折边臂的传统控制方式是气缸，如下图3 1 ，白色部门为气缸， 气缸控制臂的上下移动，通过臂自身的重量将包装纸压弯，然后进行折边。由于 折边臂过于沉重，因此在气缸的带动下，厚重的折边臂上下来回运动，由于惯性 很难实现立刻停止。折边臂在晃动过程中，很容易造成气缸损坏。因此本文通过 用p l c 控制液压站的方式来代替传统的气动控制，从而解决折边臂在工作过程中 不稳定，容易损坏的情况。 2 0 3 2 液压系统主要技术性能要求 l 、油缸的摩擦力为： f u = 一k s 卵。，v i c l v 乞。v l v i 。m 觚 ( 3 一1 ) 其中瓦吲一一密封圈的剪切刚度 v ，一一密封圈与油缸的接触长度 c 一一密封圈的阻尼系数 ，一一油缸速度 油缸活塞移动到极限位置时产生的缓冲力，其中当油缸活塞移动到最小长度 时油缸所产生的缓冲力为： p e n = m a x ( o ，l c + l m m 一，) ( - 2 ) e训焉广咧卜1+百he,viim,1-pen等) ( 3 - 2 ) z 一zz 当油缸活塞移动到最大长度时油缸所产生的缓冲力为： p e n = m a x ( o ，一( ，。一，。) ( 3 3 ) fc=-恕(焉)ecstep(i,-vlim,1-ihe,viim,1+l o e n争 ( 3 - 4 ) 一一 zz 其中：卜一一缸活塞的位移 f c 油缸终点缓冲长度 k 血油缸活塞最小长度 k 。一一缸活塞最大长度 包油缸缓冲刚度 ”一一油缸缓冲力指数 吃一一油缸缓冲回弹率 v i m 一一油缸反弹速度极限 2 l 油缸均为双作用油缸，压合油缸运行速度为0 0 6 m s ，工位车油缸运行速度均为 o o 3 m s ，要求运行平稳，变速无冲击，并且在整个过程中能对速度进行编程控 制。 2 、电磁阀等控制元件均为2 4 v d c ，每个电磁铁功率不大于5 0 w ( 所有插头均 要求带有l e d 指示灯) ，比例压力阀和比例节流阀为0 + 1 0 v 控制，比例方向阀为 正负1 0 v 控制； 3 、液压系统有过滤阻塞旁通及报警、液位报警； 4 、水冷却器为k a m u i 管式； 5 、油缸产生的输出力为： f = f p + f u + f u 其中：c 一一缸所产生的压力 ( 3 5 ) e 缸产生的摩擦力 乃一一油缸产生的缓冲力 液压系统总体试压1 6 0 b a r ，变量泵安全阀压力设定为1 4 5b a r 变量泵压力设定 为1 2 0b a r ，定量泵溢流阀压力设定为1 5 0 b a r ；液压系统在出厂前应保证足够长时 间的动作及压力实验，要求泵站和阀台零泄漏。 6 、接头均为d i n 2 3 5 3 重型，接头管件材质均为不锈钢( 钢管有材质证书) ， 软管接头镀白锌； 7 、液压马达载荷力矩的组成和计算为： ( 1 ) 工作载荷力矩t g 常见的载荷力矩有被驱动轮的阻力矩、液压卷筒的阻 力矩等。 ( 2 ) 轴颈摩擦力矩弓： 弓= u g r ( 3 - 6 ) 其中：g 一一旋转部件施加于轴颈上的径向力 u 一一摩擦系数，一般为0 0 0 5 左右 r 旋转轴的半径 ( 3 ) 惯性力矩t a 死：j c ：j 7 w 式中：，一一回转部件的转动惯量 s 角加速度 v w 一一角加速度变化量 v f 起动或制动时间 起动加速时瓦= 毛+ 弓+ 艺 减速制动瓦= 五+ 弓一乃 稳定运行瓦= t + 弓 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 液压马达载荷转矩t 还要考虑液压马达的机械效率叩。( 取范围0 9 0 9 9 ) ( 3 1 1 ) 液压系统是借助液压油的静压力来传递功率，液压系统要求液压油的可压缩性 尽量小，而且液压油应该有较强的防锈性和抗腐蚀性，所以应采用高品质的液压 油，尤其是重大机电设备液压系统的运行n 5 。1 引； 8 、测压点的压力为：p = p g h + p 。 式中：p 一一迎液面所受压力 p 被测液体密度 旷一当地重力加速度 h 投入液体的深度 风一一液面上大气压 ( 3 1 2 ) 每个工作油口出口要求有测压点，并加装测压接头； 9 、设备出厂时，所有电机上必须标明正确的旋转