摘要：通过分析立式小型包装机的机构组成和传动系统，论述了机电一体化技术在包装机械中的应用及其相关内容，如传递函数、传动程序、触摸屏与PLC：并叙述了传动系统对本机的影响。

在高效率、成批量生产的食品、医药行业，包装机械具有特殊的意义。它既反映了劳动生产率提高的现状，又体现了科技进步的程度。本文以一种立式小型包装机为例，论述包装机械中的机电一体化技术。

1、概况

该机集机械、电气、气压传动为一体，采用PLC和彩色触摸屏(工业控制屏)实现自动控制和人机对话，可自动完成提升(送料)、走膜(制袋)、落料(填充)、热封(横封和竖封)、切断、计数、打印的全过程。适用于粉粒物料的大批量、小包装生产。

包装的主要参数：塑料薄膜单面厚度≥50μm，袋宽分别为125、140、160mm，袋长可调而且误差≤±2mm，填充重量250～1000克／袋，包装速度40～60袋／分钟。

整机结构上由3个独立部分——输送机、提升机、制袋机构成，传动系统分四个支系统。

机械传动系统：制袋机上有行星轮、蜗轮蜗杆减速器，用于走膜、转盘、量杯和走膜框机构。走膜机构由行星减速器传动，套筒滚子链传动，同步齿形带传动等3部分组成：转盘机构是蜗轮蜗杆减速器传动；量杯机构和走膜框机构均由蜗轮蜗杆减速器和螺旋传动组成。提升机由减速器和螺旋输送机组成。输送机由减速器和皮带传送机组成。

气压传动系统：采用单气源集中供气，气缸执行往返循环运动，实现对走膜机构的刹车和对包装袋的横、竖封口，切断等工步。

电气传动系统：以PLC为控制中心，触摸屏、探测器(分别为热电偶、光电探头、60°转盘探测器)、同态开关及保护器、接触器为PLC的I／O接口设备；电动机、电磁铁(振动器、换向阀)为拖动执行件。

电热温控系统：二套电加热管及热电偶探测器分别装在竖封、横封机构上，随气缸运动实现对塑料袋封口的加热。温度控制由温控器进行，与PLC程序无关。

2、传动系中的机电一体化

机电一体化技术要涉及到动力学分析、接口、程序问题，下面就这几个方面对本包装机作一些分析。

2.1走膜机构的传递函数

走膜机构是本机中机械传动链最多的机构，决定了包装袋的尺寸质量，对其进行动力学分析并建立传递函数，用以研究机构及参数对系统性能的影响是很有必要的。

走膜机构传动链如图1

4个带齿轮与2条橡胶带(中间还有压紧齿轮)分别组成2组，对称成形器轴线两侧安装。橡胶带与成形器筒外壁紧密接触，并产生一定压力。当异步电动机受PLC控制瞬间启动输出转矩时，2条橡胶带(同步齿形带)被传动链传动而同步运动。包装薄膜被橡胶带产生的摩擦力带动作直线移动，并形成袋状。

根据力学理论和控制理论，把走膜机构传动系看作绕I轴回转的物体，建立动力学方程并作转换等效(忽略非线性量，如机构间隙等；并将摩擦视为粘性摩擦)。

则有轴I上转矩



等效粘性阻尼系数 等效转动惯量



等效扭转刚度

走膜长度x＝θ3r且
式中：f1，J1，K1，θ1分别为轴I的粘性阻尼系数，转动惯量，刚度，输出转角 f2，J2，K2，θ2分别为轴Ⅱ的粘性阻尼系数，转动惯量，刚度，输出转角 f3，J3，K3，θ3分别为等效轴Ⅲ的粘性阻尼系数，转动惯量，刚度，输出转角 (等效轴Ⅲ是同步齿形带轴的折算轴)
i1，i2分别为传动比i12，i23。θm为轴I的输入转角。r为橡胶同步带轮回转半
径。

整理得

令

作拉氏变换

得输出走膜长度与输入转角的传递函数



在此基础上，进一步可研究系统频率响应函数H(jω)、幅频特性函数A(ω)和相频特性函数Ф(ω)等。



为保证系统的动态特性，可研究其横向动力学性能：



式中m1，Jdi，Jpi(i＝1，2，…，N)分别表示传动轮的质量，直径转动惯量和极转动惯量。
 

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