包装机气动卷材张力控制机构设计
摘要：介绍一种新型的包装机械包材张力控制构机。该机构利用气动执行元件的柔性特性，使包装机既能实现高速开卷，又保证使包材的张力小而恒定，从而满足现代高速包装机构对其包材开卷的要求。
关键词：包装机；气动元件；包材；张力控制
前言：近年来，气动技术在包装机械行业得到了广泛地应用，使包装机械行业有了长足的发展。由于气动和度算机控制等先进技术的大量介入，使现代包装机械的机械结构大为简化、降低了设备造价，同时也提高了包装速度和产品外观技师没备的自动比程度和可靠性都得到了大幅度提高。
气动机构动作轻快，不污染环境，能够很好地满足包装机械对速度和环境的要求。现代包装机械一般采用气缸做执行元件，主要是利用气缸具有直线输出和速度可调等特点，这样就摒充了传统的由旋转运动到直线运动的减速和转换机构，有效地简化了包装机械的传动机构，降低了成本，缩短了生产周期。另外，采用气缸做执行元件，通过调整控制软件就可以解决整个执行机构协调工作的时序要求。这一点与传统的凸轮控制机构相比，可以节省大量的安装调试工作，这也是气动技术在包装机械行业得到普及的一个重要原因。气动执行元件具有很好的柔性，或者说气缸活塞的运动速度和行程可受其它机构的约束。利用气动执行元件的这一特性，可以设计成气动和机械组合的复合机构，来实现准确的动行协调和同步，也可设汁成柔性的执行机构，利用这种柔性机构可以完成一些特定工作。包括机气动张力控制机构就是利用气缸柔性进行工作的一个实例。
1、包装机气动卷材张力控制机构简介
包装机气动卷材张力控制分为二个时段：
1)开膜时段：如图1所示，伺服电机不运行，真空吸盘吸住包材，同时供膜辊制动气缸松开供膜辊制动盘，供膜辊处于自由状态，在摆动杆和拉膜浮动气缸向下拉力的共同作用下，摆动杆向下摆动，通过包材牵引供膜辊转动，进行开膜。
当摆动杆向下运行到接近开关的作用位置时，传感器发出信号，PLC控制制动气缸对供膜辊制动，同时控制拉膜浮动气缸向下摆动的电磁阀关断，摆动杆在重力作用下自然下垂。
2) 拉膜时段：首先真空吸盘解除真空放开包材，同时控制拉膜浮动气缸向上运行的两位三通电磁阀得电，使气缸产生向上运行的推力。通过调节减压阀(图2)使气缸向上的推力比摆动杆重力作用到气缸杆上的合力小(一般相差1.5-2Kg)，这时拉膜浮动气缸的活塞杆并不运动，拉膜浮动气缸此时的作用只是减轻摆动杆的重量，同时使包材有具有一定的张力，随后伺服电机开始拉膜。伺服电机拉膜运动是间歇的，每次拉膜的长度由包材上的定位色标确定。
包材上的色标为等间距，当颜色传感器检测到包材定位色标，发出信号给PLC，PLC确定定位膜块控制伺服电机快速停止，实现快速定长拉膜。同时控制电磁阀使真空吸盘吸住包材，减小包材前冲，并且同时关断控制浮动气缸向上运动的电磁阀，使摆动杆自然下垂，否则包材前冲大时，虽然浮动气缸向上产生的推力比摆动杆的自重小，但由于浮动气缸的下腔已有压缩空气，摆动杆靠自重有时不能完全回落拉紧包杆，因此需要将浮动气缸的下腔压缩空气暂时放掉，等摆动杆完全回落后再打开控制浮动气缸向上运动的电磁阀，为下次拉膜做好准备。这种机构可使包材具有很小的恒定张力，同时又有足够的开膜张力，提高了包装速度。这种机构利用气动执行元件的柔性工作，既可以使摆动杆强制向下摆动开膜，又具有浮动的特点。该机构应用于400g全自动充氮奶粉包装机，使用效果很好。
2 包装机气动卷材张力控制机构动力学参数计算
2、1 开卷张力计算
包材卷膜转动惯量由两部分组成，一是卷膜膨胀轴本身的转动惯量，一是包材卷自身的转动惯量。膨胀轴的转动惯量可按圆柱体计算，其公式为
J! == 1/2m·R12 (1)
式中；J1——膨胀轴的转动惯量，Aem2 ；
m1——膨胀轴的质量，Kg ；
R1——膨胀轴的半径，m。
卷膜本身的转动惯量可以按圆筒体转动惯量计算，其公式为
J2 == 1/2 m2 (R22+ r2 ) (2)
式中 J2——卷膜的转动惯量，Kgm2；
m2－－卷膜的质量，Kg；
R2——卷膜的外径，m；
r－一卷膜的内径，m。
应当注意的是卷膜的质量和外径在工作过程中是逐渐减小的，在包装机工作过程中卷膜辊的转动惯量是变化的，同时包材张力作用半径也是变化的。为了求出开卷最大张力，应在二种极限状态下分别计算。取其最大值作为选择系统参数的依据。根据包装机的动作要求，开卷时间t≤0.4S；包材开卷长度L≥0.2m，计算开卷所需的张力F。
