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引言
天津市起士林食品廠的大咖啡糖是輕工業(yè)部的名憂產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)外享有很高的聲譽(yù)。但這種產(chǎn)品一直采用手工生產(chǎn)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能満足外貿(mào)出口，因此廠方希望能用機(jī)器代替手工包裝。但由于糖型特殊，猶如一金元寶，工藝要求包裝紙上的地圖商標(biāo)定位在糖的球面上.目前，國(guó)內(nèi)外尚沒有這種憶型的包裝機(jī)，曾與外商洽淡，約需15萬(wàn)美元研制費(fèi)，因耗資太高而告吹。我們包裝機(jī)研制小組,經(jīng)過(guò)多年努力，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于研制出大咖啡糖包裝機(jī)樣機(jī)，去年三月逋過(guò)了專家鑒定，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求°本文著重分析機(jī)器的標(biāo)紙自動(dòng)定位系統(tǒng).
1-釆用標(biāo)紙自動(dòng)定位系統(tǒng)的必要性
大咖啡糖包裝機(jī)釆用卷筒型包裝紙，紙上印有商標(biāo)。當(dāng)機(jī)器開動(dòng)時(shí)，包裝紙由送紙相牽引向機(jī)器內(nèi)輸送，再經(jīng)切紙刀相將連續(xù)標(biāo)紙分切成單張的包裝紙。刀輾每旋轉(zhuǎn)一周.切下一張包裝紙。
在包裝機(jī)的工作過(guò)程中，卷筒的半徑逐漸減小，標(biāo)紙所受張力發(fā)生變化；送紙輻與包裝紙之間摩擦系數(shù)又受環(huán)境溫度和濕度的影響.還有其它一些因素，使得刀輾的實(shí)際切紙線偏離理論切紙線，即使這種偏差很小。例如，每一張標(biāo)紙偏差只有0.1mm,包裝機(jī)的包裝速度為200顆/min,機(jī)器運(yùn)行一分鐘以后，偏差即達(dá)20mm.此時(shí)，包裝紙上的囲案就會(huì)明顯地偏離糖的球面位置，不符合工藝要求。
為解決上述問(wèn)題，必須在包裝機(jī)上設(shè)計(jì)標(biāo)紙自動(dòng)定位系統(tǒng)。
2.設(shè)計(jì)方案的選擇
標(biāo)紙的自動(dòng)定位系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是要求調(diào)節(jié)標(biāo)紙輸送速度跟隨刀相的切紙速度，屬于隨動(dòng)系統(tǒng)。若單純從電的角度完成隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是相當(dāng)復(fù)雜的，會(huì)大大提高包裝機(jī)的制造成本.顯然，這種方案是不可取的.
本機(jī)釆用了機(jī)電結(jié)合的補(bǔ)償式調(diào)節(jié)系統(tǒng),可以簡(jiǎn)化控制線路，降低設(shè)備成本，而且操作簡(jiǎn)單.工作可靠。

3.標(biāo)紙自動(dòng)定位系統(tǒng)
為解決標(biāo)紙的自動(dòng)定位.設(shè)計(jì)了補(bǔ)償式調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。下面對(duì)系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)進(jìn)行分析計(jì)算.
3.1差動(dòng)輪系
在補(bǔ)償式調(diào)節(jié)系統(tǒng)里采用了差動(dòng)輪系，如圖2所示。差動(dòng)輪系具有二個(gè)輸入軸和一個(gè)輸出軸，能起速度合成的作用。
輪系中齒輪3由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，齒輪1與主傳動(dòng)相連，轉(zhuǎn)臂H則帶動(dòng)送紙相。

圖2差動(dòng)輪系
根據(jù)差動(dòng)輪系轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的速比公式

通辻以上計(jì)算可以看出，伺服電機(jī)有三種工作狀態(tài),利用差動(dòng)輪系速度合成的作用,控制送紙根。使之旋轉(zhuǎn)速度或不變，或加速，或減速，從而可以調(diào)節(jié)卷筒包裝紙的線速度適應(yīng)刀輾切紙線速度。
3.2凸輪
在主憧動(dòng)軸上裝有兩個(gè)凸輪.分別控制兩個(gè)微動(dòng)開關(guān)（1CK.2CK）,凸輪設(shè)計(jì)成三個(gè)可控區(qū)域，如圖3所示。

圖3凸輪與徳動(dòng)開關(guān)示意圖
從電氣原理圖可以看出,光電開關(guān)輸出信號(hào)經(jīng)整形和分頻，控制靈敏繼電器JD。
若標(biāo)紙的輸送速度與刀輾線速度相等，JD動(dòng)作時(shí)間對(duì)應(yīng)凸輪的】區(qū)域，中間繼電器JR、JF均無(wú)電，此時(shí)伺服電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)*
若標(biāo)紙的輸送速度落后于刀輾的線速度，JD動(dòng)作時(shí)間對(duì)應(yīng)凸輪的I區(qū)域，中間繼電器JR接通，伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)差動(dòng)輪系增加送紙輾的速度，從而使標(biāo)紙輸送速度得到正的補(bǔ)
若標(biāo)紙的輸送速度超過(guò)刀輾的線速度，JD動(dòng)作時(shí)間對(duì)應(yīng)凸輪的U區(qū)域，中間繼電器JF接通，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，適過(guò)差動(dòng)輪系減慢送紙輾的速度，從而使標(biāo)紙輸送速度得到負(fù)的補(bǔ)償.
設(shè)計(jì)凸輪完成了兩種速度的比較，直接由繼電器控制伺服電機(jī)，大大減化了電子線路，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。
3.3定時(shí)器
只有控制伺服電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短，才能控制每一張標(biāo)紙的補(bǔ)償量，因此必須設(shè)計(jì)定時(shí)器。
釆用集成元件555組成單穩(wěn)態(tài)電路，555的輸出端接靈敏繼電器JS,JS吸合時(shí)間長(zhǎng)知即

圖4電氣原理圖

圖5電氣原理圖

為單穩(wěn)態(tài)的輸出脈沖寬度卜
t〉=RCln3—1.IRC
上式中R為18k。的電阻和22kQ多圏電位器串聯(lián)組成，C=20nF.采用多圈電位器可以均勻調(diào)節(jié)脈沖寬度。
所以歸=0.26~0.66(s),連續(xù)可調(diào)。
555屬于中規(guī)模集成電路，外接元件少，輸出電流可達(dá)200mA,工作可靠，定時(shí)準(zhǔn)確。
3.4脈沖整形電路
由于光電開關(guān)的觸頭常有輕微顫抖，易引起虛假信號(hào)，使控制系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。因此，光電輸出信號(hào)必須經(jīng)脈沖整形。
整形電路構(gòu)思新穎，利用D觸發(fā)器直接置“0”端和直接置“1”端的功能，它的工作原理是這樣的。
將光電開關(guān)常開觸頭與常閉觸頭的公共端接地，常開觸頭與常閉觸頭又分別連接D發(fā)器的直接置“1”端和直接置％”端.當(dāng)光電開關(guān)不動(dòng)作時(shí)，它的常閉觸頭閉合，D觸發(fā)器置%”，Q端為低電平。
當(dāng)光電開美動(dòng)作時(shí)，常閉觸頭斷開，常開觸頭閉合，D觸發(fā)器畳"]”，Q端為高電平。這樣標(biāo)紙?jiān)谳斔瓦^(guò)程中，由于光電頭的檢測(cè)，每通過(guò)一個(gè)色點(diǎn)，即一張標(biāo)紙，光電開頭就動(dòng)作一次，與之相接的D觸發(fā)器則輸出一個(gè)矩形脈沖.
該電路經(jīng)實(shí)踐此明，輸出波形好，抗干擾能力強(qiáng)。
3.5分頻電路
利用何服電機(jī)進(jìn)行標(biāo)紙輸送速度的補(bǔ)償，由于受傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電偵量的影響，每次可靠的動(dòng)作時(shí)間需1秒左右，而包裝機(jī)一般包糖速度為200顆/min,即每秒種產(chǎn)生光電脈沖3?4個(gè)。若直接用光電膿沖控制伺服電機(jī)，那么伺服電機(jī)通電時(shí)間太短，而不能有效的工作•
設(shè)計(jì)分頻電路可以解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楣怆娦盘?hào)經(jīng)過(guò)分頻以后，相鄰的兩個(gè)有效光電信號(hào)之間的時(shí)間間隔加長(zhǎng)，從而伺服電機(jī)有充裕的工作時(shí)冋。
分頻電路由5個(gè)D觸發(fā)器組成,接成移位寄存器的形式，第1個(gè)D觸發(fā)器的輸入端固定接高電平，脈沖整形電路輸出豚沖投制各觸發(fā)器的CP端，每輸出一個(gè)脈沖，寄存器依次右移—位“
變換分頻器的輸出位置，可以得到不同的分頻頻率，以適應(yīng)包裝機(jī)的不同包裝速度。
寄存器的復(fù)位依靠接在各觸發(fā)器置“0”端的繼電器JD常開觸頭。
分頻電路輸出脈沖，首先經(jīng)過(guò)緩沖器，然后由施密特觸發(fā)器來(lái)控制靈敏繼電器施密特觸發(fā)器具有良好的開關(guān)性能，避免岀現(xiàn)誤動(dòng)作，
3.6光電開關(guān)
光電系統(tǒng)采用機(jī)電部電氣傳動(dòng)研究所研制的最新產(chǎn)品，光源進(jìn)行脈沖調(diào)制.釆用Gg紅外發(fā)光二扱管，與傳統(tǒng)的白熾燈光源相比，使用壽命長(zhǎng)，對(duì)外界雜亂光和電氣噪聲的抗干擾能力強(qiáng)。
該產(chǎn)品投光器、受光器合為一體，體積小結(jié)構(gòu)緊奏，可以利用反射光檢測(cè)卷簡(jiǎn)型標(biāo)紙上的色點(diǎn)，這對(duì)于不透明的大咖啡糖包裝紙十分重要，避免了在將紙上打檢測(cè)孔，只需要在設(shè)計(jì)糖果包裝紙商標(biāo)圖案時(shí)加上檢測(cè)用的色點(diǎn)即可，
4-系統(tǒng)定位誤差的計(jì)算機(jī)輔助分析
在考慮標(biāo)紙定位系統(tǒng)方案時(shí)，有必要對(duì)系統(tǒng)定位誤差進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析，從而可以不斷修改和完善定位系統(tǒng)，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)省費(fèi)用，機(jī)器制成以后，它可以幫助我們進(jìn)行調(diào)試.
關(guān)于具體的樸償調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，氛紙定位誤差的“流程框圖”和計(jì)算程序，再作專題論述.

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