張杰

摘要：隨著市場對(duì)個(gè)性化煙草包裝的需求，新技術(shù)在不斷應(yīng)用到煙草包裝中。在保潤保香包裝機(jī)中，應(yīng)用兩個(gè)直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)煙包在包裝輪之間的交接。1號(hào)直線電機(jī)用來將未封膠的煙包從框架紙包裝輪出口處迎到薄膜紙包裝輪入口處，2號(hào)直線電機(jī)將煙包推入薄膜紙包裝輪。兩個(gè)直線電機(jī)的應(yīng)用使煙包在保證包裝質(zhì)量的同時(shí)順利完成在包裝輪之間的交接。

Abstract： With the market demand for personalized tobacco packer， new technologies are applied continuously. In moisture-holding and fragrance-holding packer， two linear motors are used to make sure unglued packages can be transferred between two packing wheels. No.1 linear motor is used to receive packages to the film packing wheel enter that come from the frame label packing wheel， while No.2 linear motor is used to push packages into the film packing wheel. The application of two linear motors makes packages transfer between two packing wheels successfully， while ensuring the quality of packing.

關(guān)鍵詞：直線電機(jī)；煙草包裝；保潤保香

Key words： linear motor；tobacco machinery；moisture-holding and fragrance-holding

中圖分類號(hào)：TS43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）08-0118-02

0 引言

直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)化為直線機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不需要任何中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)。[1]由于消除了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來的摩擦、震動(dòng)、彈性形變以及磨損等問題，直線電機(jī)具有更好的快速反應(yīng)能力和控制精度。[2][3]從1840年惠斯特提出和制造并不成功的直線電機(jī)雛形開始，到二十世紀(jì)中葉，直線電機(jī)的研究一直處于探索與試驗(yàn)階段。[4]二十世紀(jì)六十年代開始，直線電機(jī)逐漸進(jìn)入開發(fā)應(yīng)用階段，在磁流體泵、縫紉機(jī)、空氣壓縮機(jī)上得到了應(yīng)用。[5]隨著控制理論和電子技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了實(shí)用商品階段，在起重機(jī)、電梯、機(jī)床、輸送裝置等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別是磁懸浮列車上取得了可喜的應(yīng)用成果。我國的直線電機(jī)研究和應(yīng)用起步較晚，二十世紀(jì)七十年代一些大專院校和科研單位開始對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行理論和實(shí)際應(yīng)用的研究。[6]

ZB45硬盒硬條包裝機(jī)組是從意大利GD公司引進(jìn)的煙草包裝機(jī)組，經(jīng)消化吸收后國產(chǎn)化的高速卷煙包裝設(shè)備，其最高產(chǎn)能為400包/分鐘。因其生產(chǎn)效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、易于操作等特點(diǎn)深受全國各煙廠的歡迎。隨著卷煙技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，市場對(duì)個(gè)性化包裝的需求越來越高，軟盒硬包、超細(xì)支、短支、雙鋁包等個(gè)性化包裝相繼問世。大部分個(gè)性化包裝機(jī)組都是基于ZB45包裝機(jī)組，改進(jìn)工藝過程、機(jī)械零件和控制方式等形成的新型包裝機(jī)組。

隨著煙廠與市場對(duì)煙包個(gè)性化包裝的需求，對(duì)原機(jī)器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和新技術(shù)的應(yīng)用必不可少。保潤保香是近期提出的新型煙包包裝形式，是將原硬盒包裝中的鋁箔紙和內(nèi)框紙用薄膜紙和框架紙取代，以達(dá)到保持已拆煙包煙支的濕度和香度的目的。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，框架紙包裝輪和薄膜紙包裝輪成垂直設(shè)計(jì)，因此在框架紙包裝輪和薄膜紙包裝輪之間需要增加煙包推桿，將框架紙包裝輪出來的煙包推入薄膜紙包裝輪，達(dá)到流暢交接煙包的目的。

1 設(shè)計(jì)方案選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和目的，目前控制推桿運(yùn)動(dòng)的方式主要有凸輪機(jī)構(gòu)、氣缸、伺服電機(jī)和直線電機(jī)，幾種設(shè)計(jì)方案的對(duì)比如表1所示。

氣缸控制方式的穩(wěn)定性和控制精度無法滿足包裝機(jī)高穩(wěn)定和高精度的要求，首先排除。凸輪機(jī)構(gòu)雖然穩(wěn)定可靠，但是設(shè)計(jì)復(fù)雜、對(duì)機(jī)器結(jié)構(gòu)的改變大、成本高，不宜采用。伺服電機(jī)與直線電機(jī)性能有很多相似之處，但其需要設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，需要的安裝空間大。直線電機(jī)無需傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)比幾種方案，最終選擇采用直線電機(jī)的控制方案。

2 總體設(shè)計(jì)方案

裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。煙支首先在框架紙輪上完成框架紙的包裝，框架紙包裝完成后，由凸輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)的推桿將煙包推出到薄膜紙包裝輪入口位置，即圖1的煙包入口位置。由于煙包框架紙沒有封膠，為防止在推動(dòng)過程中出現(xiàn)散包的現(xiàn)象，因此采用1號(hào)直線電機(jī)帶動(dòng)的1號(hào)推桿在薄膜紙包裝輪的出口處迎接煙包。接下來由2號(hào)直線電機(jī)控制的2號(hào)推桿將煙包推入薄膜紙包裝輪的入口，在薄膜紙包裝輪上完成薄膜紙的包裝。

2.1 硬件組成

兩個(gè)直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式和控制方式是相同的，因此控制原理圖及接線方式是相同的，其控制原理圖如圖2所示。直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源電壓為交流220V，控制電路電源電壓為直流24V。直線電機(jī)的主軸編碼器與機(jī)器的主編碼器相連，絕對(duì)值光柵反饋給直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電機(jī)當(dāng)前位置信號(hào)。B0-B3為驅(qū)動(dòng)器接收的從PLC發(fā)送過來的輸入信號(hào)，其中，B0為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的使能信號(hào)，B1為直線電機(jī)的CAM使能信號(hào)，B2為PLC發(fā)送給直線電機(jī)的尋零信號(hào)，B3為PLC發(fā)送給直線電機(jī)的故障復(fù)位信號(hào)。Y0-Y2為驅(qū)動(dòng)器發(fā)送給PLC的輸出信號(hào)，其中，Y0為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器故障信號(hào)，Y1為用戶自定義信號(hào)，Y2為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器尋零完成信號(hào)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

直線電機(jī)的編程軟件采用CME2 V7.1編譯器，可在Windows XP和Windows 7系統(tǒng)下運(yùn)行。凸輪軌跡可以直接導(dǎo)入到編譯器或手動(dòng)設(shè)置，PID參數(shù)需根據(jù)直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡手動(dòng)設(shè)置。

直線電機(jī)的控制流程圖如圖3所示。PLC上電時(shí)，直流24V電源直接與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器聯(lián)通，此時(shí)交流220V電源處于斷開狀態(tài)，當(dāng)PLC準(zhǔn)備就緒，發(fā)出驅(qū)動(dòng)器使能信號(hào)使220V聯(lián)通。PLC根據(jù)主編碼器的相位判斷是否到達(dá)直線電機(jī)尋零相位，如果未到達(dá)尋零相位，需操作人員手動(dòng)盤車到直線電機(jī)的尋零相位，當(dāng)?shù)竭_(dá)尋零相位時(shí)，按下尋零按鈕，直線電機(jī)開始尋零。尋零結(jié)束后，按下啟動(dòng)按鈕，PLC判斷主編碼器是否到達(dá)直線電機(jī)的CAM使能相位，當(dāng)?shù)竭_(dá)CAM使能相位時(shí)，PLC發(fā)出CAM使能信號(hào)，直線電機(jī)按照設(shè)定好的凸輪軌跡運(yùn)動(dòng)。當(dāng)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)故障時(shí)，向PLC發(fā)出故障信號(hào)，PLC接到直線電機(jī)發(fā)送的故障信號(hào)后，斷開直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，直線電機(jī)、主電機(jī)停車。

3 結(jié)論

直線電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、精度高、易于安裝和維護(hù)等特點(diǎn)開始被廣泛應(yīng)用在工程技術(shù)領(lǐng)域，但在煙草包裝機(jī)的應(yīng)用還處在起步階段。經(jīng)過多次的運(yùn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)，直線電機(jī)應(yīng)用在煙草包裝機(jī)推桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，效果良好，能夠滿足煙草包裝機(jī)高穩(wěn)定性和高精度的要求。而且，直線電機(jī)簡單的結(jié)構(gòu)簡化了煙草包裝機(jī)復(fù)雜的凸輪機(jī)構(gòu)。直線電機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)，在改變煙包包裝規(guī)格時(shí)，易于操作，成本低，更能體現(xiàn)直線電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉云岳編著，直線電機(jī)原理與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社， 2000.

[2]The application of linear motors. Budig，P -K. Power Electronics and Motion Control Conference，2000.Proceedings.PIEMC 2000.The Third International. 2000.

[3]Implementation of a direct control algorithm for induction motors based on discrete space vector modulation. Casadei D，Serra G，Tani K. IEEE Transactions on Power Electronics. 2000.

[4]鐘聲.直線電機(jī)的控制策略及其在電梯上的應(yīng)用研究[D].中南大學(xué)，2008.

[5]蔣朝霞.直線電機(jī)在數(shù)控車床上的應(yīng)用[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2007（10）.

[6]Based on direct thrust control for linear synchronous motor systems. C C Sung，Y S Huang. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2009.