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设备的自动 化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 般采用气紅做执行元件，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,也可设计成柔性的执行机构，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，同时供膜視制动气缸松开供膜辐 制动盘，供膜辗处于自由状态,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 包材牵引供膜辐转动，进行开膜。当摆动杆向下运 行到接近开关的作用位置时，传感器发岀信号,PLC 收稿日期：2003 - 09-12 控制制动气缸对供膜辐制动，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。

 

 

图1包装机气动卷材张力控制机构组成示意图

 

 

图2包装机气动卷材张力控制系统原理图

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

Ji = (1)

式中Ji 膨胀轴的转动惯量,姐皿2；

m, 膨胀轴的质量,&g;

Ri——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 = ｝明2(足 + r²) (2).

式中J₂ 巻膜的转动惯量,Agm2；

m₂ 卷膜的质量,&g;

R₂ 卷膜的外径,m；

r 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辍的转动 惯量是变化的，同时包材张力作用半径也是变化的。 为了求岀开卷最大张力，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tW0.4S；包材开卷长 度LN0.2m,计算开卷所需的张力F_o

为了简化计算，略去摩擦力的影响，将开卷过程 视为匀加速圆周运动，每次开卷包材长度的计算公 式为

H = — • R • at² (3)

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式中H 包材长度,m；

R——卷膜辐外径,m；

a 加速度,m/s²;

t——开卷时间，s。

圆周运动的加速度计算公式为

a = M_g/J = RF/J (4)

式中M_g =RF,其中R― 材外径,m；

F——包材张力,N。

将式(4)带入(3)可得包材张力计算公式

F = 2H • J/R² - t² (5)

式中J =Ji+J₂ -卷膜辐总的转动惯量,kgm。

在全自动400g充氮奶粉包装机气动卷材张力 控制机构的参数如表1所示。

                                                                                            表1气动卷材张力控制机构的参数

膨胀轴 质量	膨胀轴 半径	膨胀轴 转动惯量	卷膜包材 最大半径	卷膜包材 最大供量	卷膜包材 最大转动惯量
mJ kg)	Rl(m)	JJkgm?)	R2(m)	m2(kg)	J2 ( kgm?)
7.5	0.037	6.8x10-3	0.200	15	248.2x10-3

为了确定开卷张力，必须分别计算包材外径最 大和包材外径最小两个极限情况下的开卷张力：

包材最大直径时的开卷张力

Fdmax = 14. 04N

包材最小直径时的开卷张力

Fdmin = 50. 6N

根据上述计算结果，最大张力出现在包材最少 时，因此，可根据包材最少时的张力来确定气缸尺 寸。

2.2气虹拉力计算

在图(3)中摆动杆的摆动斜度为土 10。,摆动杆 的位置不同各力相对于摆动中心的作用方向发生变 化。在极限位置需要的气缸拉力最大，下面根据这 个拉力来计算气缸的缸径。

摆动杆力平衡方程为

4F •烏 一 F\F, - F₂L₃ = 0 (6)

F——卷膜的张力， N；

F] 摆动杆的质量，kg；

L——包材的张力作用到摆动杆上合力的作 用点到摆动杆摆动中心的距离,m；

L,——摆动杆的质心到摆动杆摆动中心的距 离m；

L₃——摆动杆气缸拉力作用点与摆动杆摆动 中心的垂直距离,m。

表2摆动杆的几何参数及力学参数

摆动杆	包材的张力作用到摆动杆上合力的	摆动杆的质心到摆动	摆动杆气缸拉力作用点与摆
的质量	作用点到摆动杆摆动中心的距离	杆摆动中心的距离	动杆摆动中心的垂直距离
FJkg)	顷m)	L] ( m)	Lj ( m)
12	0.28	0.32	0. 16