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FFS包裝機(jī)伺服電子定量秤研究

發(fā)布時(shí)間:2021-04-25 15:15:47 |來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

FFS包裝機(jī)是集成型(forming)-填充(filling)-封合(sealing)為一體的典型的機(jī)電一體化設(shè)備,能同時(shí)實(shí)現(xiàn)物料的稱重、制袋、裝袋、封口(底封、腳封和頂封)等作業(yè)的全自動(dòng)化包裝機(jī)。定量秤是FFS包裝機(jī)的關(guān)鍵部件,也是物料實(shí)現(xiàn)精確包裝的關(guān)鍵[1-3]。在物料稱重過(guò)程中,機(jī)械動(dòng)作、物料落差、控制器反應(yīng)速度、物料沖擊、料流變化等均可產(chǎn)生稱重誤差。傳統(tǒng)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其控制器所引起的開合動(dòng)作緩慢、定位不精確、開口大小變化不連續(xù)等故障,是導(dǎo)致定量秤稱重誤差大、工作效率低的根本原因[4-8]。為解決此問(wèn)題,本研究設(shè)計(jì)了FFS包裝機(jī)伺服電子定量秤。伺服電子定量秤采用稱重控制器、PLC和給料伺服驅(qū)動(dòng)器為主要控制器件,稱重控制器檢測(cè)稱重傳感器的信號(hào),將動(dòng)作指令發(fā)送給PLC,PLC負(fù)責(zé)控制伺服減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)給料機(jī)構(gòu)的動(dòng)作,加快落料閘門的開啟和閉合速度,同時(shí)使落料閘門在工作過(guò)程中開口大小連續(xù)變化,并且在稱重過(guò)程中總是能從秤體的中心給料,使物料在秤體內(nèi)分布均勻,而且在給料階段可以減少對(duì)秤體的沖擊,以此達(dá)到提高稱量速度、精度的目的。
1伺服電子定量秤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理
伺服電子定量秤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示,主要由伺服減速電機(jī)、稱重傳感器、翻門氣缸、落料箱、落料箱閘門、稱重箱、稱重箱翻門、機(jī)架等組成。該電子秤為單秤結(jié)構(gòu),由稱重箱吊掛在機(jī)架上吊掛稱重。伺服減速電機(jī)控制落料閘門的開閉,翻門氣缸控制稱重箱翻門開閉。

伺服電子定量秤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

首先,粗給料,伺服電子定量秤稱重箱翻門關(guān)閉,落料箱閘門在伺服減速電機(jī)的作用下完全打開,物料落入稱重箱,開始粗給料。此時(shí),傳感器開始工作,將采集的重量信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)輸出。當(dāng)稱量輸出值達(dá)到設(shè)定的粗給量值時(shí),落料箱閘門關(guān)小。然后,通過(guò)細(xì)流口進(jìn)行精給料,當(dāng)稱重輸出值達(dá)到額定重量值時(shí),落料閘門完全關(guān)閉。當(dāng)物料稱重完畢,稱重箱翻門完全打開,開始卸料,物料全部落入包裝袋中。
但是,當(dāng)落料閘門完全關(guān)閉,物料穩(wěn)定,而此時(shí)重量仍尚有些許欠缺,便需要“補(bǔ)秤”,伺服減速電機(jī)可以快速控制落料箱閘門開閉,進(jìn)行“補(bǔ)秤”,直到達(dá)到額定重量值時(shí),稱重結(jié)束,伺服電子定量秤完成一個(gè)稱重循環(huán)。
該電子定量秤采用伺服減速電機(jī)控制,電機(jī)功率為2.39kW。電子定量秤采用伺服減速電機(jī)控制給料箱落料閘門的開合,加快了落料閘門的開啟和閉合速度,同時(shí)也使落料閘門在工作過(guò)程中開口大小連續(xù)變化,并且在稱重過(guò)程中總是能從秤體的中心給料,使物料在秤體內(nèi)分布均勻,而且在精給料階段減少了對(duì)秤體的沖擊,以此達(dá)到提高稱量精度的目的。
2伺服電子定量秤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
定量秤的主要控制器件為附帶有觸摸屏控制界面的稱重控制器、PLC以及給料伺服驅(qū)動(dòng)器。稱重控制器檢測(cè)稱重傳感器的信號(hào),將動(dòng)作指令發(fā)送給PLC,PLC負(fù)責(zé)控制伺服給料機(jī)構(gòu)、卸料機(jī)構(gòu)的動(dòng)作,并接收/發(fā)送與FFS包裝機(jī)的聯(lián)鎖信號(hào)。
2.1PLC的輸入輸出點(diǎn)分配設(shè)計(jì)
伺服電子定量秤采用SIEMENSS7226可編程控制器,定量秤PLC為單模塊設(shè)計(jì),包括24點(diǎn)DC輸入及16點(diǎn)繼電器輸出。其中DC輸入用于連接操作盤按鈕開關(guān)、稱重控制器信號(hào)、伺服驅(qū)動(dòng)器信號(hào)及低料位和聯(lián)鎖信號(hào),繼電器輸出用于連接稱重控制器信號(hào)、伺服驅(qū)動(dòng)器信號(hào)及電磁閥和指示燈。
PLC控制器原理圖見(jiàn)圖2,定量秤PLC輸入輸出點(diǎn)分配見(jiàn)表1。

PLC控制器原理圖

定量秤PLC輸入輸出點(diǎn)分配表

2.2伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)
根據(jù)工藝的要求,同時(shí)為避免設(shè)備振動(dòng)過(guò)大,定量秤給料機(jī)構(gòu)需要根據(jù)不同物料進(jìn)行不同的開關(guān)速度和位置調(diào)節(jié),為此,定量秤采用伺服驅(qū)動(dòng)器用于落料箱閘門伺服減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制,可快速、勻速、穩(wěn)定地控制落料閘門的關(guān)閉。
通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)應(yīng)用專用軟件設(shè)定伺服驅(qū)動(dòng)器的位置回路增益、往復(fù)運(yùn)動(dòng)的位移、速度、速度增益、加/減速度以及電子齒輪變比等參數(shù)。伺服驅(qū)動(dòng)器的I/O 信號(hào)可通過(guò)軟件進(jìn)行定義,并通過(guò)X101口端子與PLCI/O端子連接。
本系統(tǒng)中定義的伺服驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)有準(zhǔn)備就緒輸出信號(hào)———RELAY1、初始化或位置操作結(jié)束輸出信號(hào)———BA1、故障報(bào)警輸出信號(hào)———BA2。
本系統(tǒng)中定義的伺服驅(qū)動(dòng)器接收PLC發(fā)出的輸入信號(hào)有5個(gè),分別是:
(1)位置控制參數(shù)塊選擇信號(hào)———BE1,用于選擇給料機(jī)構(gòu)開關(guān)速度和位置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)塊;
(2)位置控制啟動(dòng)信號(hào)(POSITION-START)———BE2,用于啟動(dòng)給料機(jī)構(gòu)開關(guān);
(3)參考點(diǎn)信號(hào)輸入端(REF-INPUT)———BE3,用于伺服上電尋找外部參考位置時(shí)的參考點(diǎn)告知;
(4)伺服驅(qū)動(dòng)器故障報(bào)警復(fù)位信號(hào)(FAULT-RE-SET)———BE4,用于伺服驅(qū)動(dòng)器的故障報(bào)警、復(fù)位;
(5)數(shù)字量信號(hào)輸入(ENABLE)———BE1~4,該信號(hào)為ON時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)器才能自動(dòng)尋找參考點(diǎn)或啟動(dòng)運(yùn)行某一個(gè)參數(shù)塊。
本系統(tǒng)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)有單獨(dú)的保護(hù)斷路器,在伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)生過(guò)載和短路時(shí)切斷其輸入電源。伺服驅(qū)動(dòng)器本身在電機(jī)發(fā)生過(guò)載等故障時(shí),也可自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)并停止輸出。
2.3軟件設(shè)計(jì)
定量秤的工作流程:系統(tǒng)上電后,給料伺服機(jī)構(gòu)初始化,稱重啟動(dòng),系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)按照粗給料、精給料、等待卸料、卸料的順序循環(huán)動(dòng)作,完成定量稱重。工作流程見(jiàn)圖3,PLC控制程序梯形圖見(jiàn)圖4,在Step7-Micro/WIN環(huán)境下完成對(duì)軟件編程。

伺服電子定量秤工作流程圖

PLC控制程序梯形圖

3試驗(yàn)驗(yàn)證
3.1試驗(yàn)條件
試驗(yàn)地點(diǎn):將所設(shè)計(jì)的伺服電子定量秤安裝在中國(guó)石化茂名分公司的全自動(dòng)稱重包裝碼垛機(jī)組上;環(huán)境溫度:29℃;環(huán)境濕度:在40℃時(shí)不超過(guò)50%RH;試驗(yàn)材料:聚丙烯粒料;包裝重量:25kg/袋;薄膜厚度:175μm。
3.2試驗(yàn)結(jié)果
對(duì)伺服電子定量秤的稱重能力、單袋誤差、20袋平均誤差進(jìn)行性能測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2,測(cè)試值1為原設(shè)備稱重工作時(shí)所測(cè)值,測(cè)試值2為本設(shè)備稱重工作時(shí)所測(cè)值。結(jié)果表明:稱重標(biāo)準(zhǔn)重量為25kg/袋時(shí),利用原設(shè)備稱重,稱重能力為1600袋/h,利用本設(shè)備稱重,稱重能力為1800袋/h,稱重能力提高200袋/h,與原設(shè)備相比,稱重能力提高了12.5%;利用原設(shè)備稱重,單袋誤差為-25~+75g,20袋平均誤差+25g/袋,相對(duì)誤差率0.1%,利用本設(shè)備稱重,單袋誤差為-15~+35g,20袋平均誤差+15g/袋,相對(duì)誤差為0.06%,與原設(shè)備相比,相對(duì)誤差降低了0.04%,完全能夠達(dá)到電子秤衡器誤差要求,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,效果顯著。

伺服電子定量秤性能試驗(yàn)結(jié)果表

本設(shè)備提高了稱量的速度和精度帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益。在全自動(dòng)稱重包裝碼垛生產(chǎn)線全速運(yùn)行的條件下,稱重能力可達(dá)1800袋/h,與以前1600袋/h相比,稱重速度有了很大提高,稱重速度快,供料可同時(shí)滿足兩套包裝機(jī)組,故稱重、包裝、碼垛效率高,生產(chǎn)線每年節(jié)約能耗約25萬(wàn)元。同等條件下,由稱重精度提高所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益更為可觀。中國(guó)石化茂名分公司生產(chǎn)能力為25萬(wàn)t/年,以4000元/t計(jì)算,每年可節(jié)約4000×250000×0.04%=40(萬(wàn)元)。綜上所述,每年由稱量速度和精度提高帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)65萬(wàn)元,經(jīng)濟(jì)效益明顯。
4結(jié)論
(1)設(shè)計(jì)了一種基于稱重控制器、PLC和給料伺服驅(qū)動(dòng)器的FFS包裝機(jī)伺服電子定量秤,稱重控制器可以檢測(cè)稱重傳感器的信號(hào),將動(dòng)作指令發(fā)送給PLC,PLC可以控制伺服給料機(jī)構(gòu)、卸料機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作,并接收/發(fā)送與FFS包裝機(jī)的聯(lián)鎖信號(hào)。
(2)電子定量秤采用伺服減速電機(jī)控制給料箱落料閘
門的開合,加快了落料閘門的開啟和閉合速度,同時(shí)也使落料閘門在工作過(guò)程中開口大小連續(xù)變化,并且在稱重過(guò)程中總是能從秤體的中心給料,使物料在秤體內(nèi)分布均勻,而且在精給料階段減少了對(duì)秤體的沖擊,提高了稱量精度。
(3)試驗(yàn)驗(yàn)證表明:稱重標(biāo)準(zhǔn)重量為25kg/袋時(shí),本設(shè)備稱重能力為1800袋/h,單袋誤差為-15~+35g,20袋平均誤差+15g/袋,相對(duì)誤差為0.06%;與原設(shè)備相比,本設(shè)備稱重能力提高了12.5%;稱重相對(duì)誤差減小了0.04%,完全能夠達(dá)到電子秤衡器誤差要求,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,效果顯著。

 

 

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