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步进电机在包装机械中的应用
2006年4月20日 13:53  

  本文论述了步进电机的工作原理及使用特点,介绍了步进电机在包装机械中的几个应用实例,指出步进电机在包装机械中具有的广阔应用前景。 

  我国的包装机械经过近20年的发展,已经取得了长足的进步,但与国外相比,还存在着比较大的差距,差距空间在什么地方呢?我们认为主要在于控制方面。鉴于此,温州大学的杨福餐和河南科技大学的吴龙奇两位专家,就他们所从事的研究内容写成系列文章,希望能对有关业内人士有所启发。
    
  一、步进电机工作原理
    
  步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
    
  给定一个电脉冲信号,步进电机转子就转过相应的角度,这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1.8度(俗称一步)或0.9度(俗称半步)。以步距角为0.9度的进步电机来说,当我们给步进电机一个电脉冲信号,步进电机就转过0.9度;给两个脉冲信号,步进电机就转过1.8度。以此类推,连续给定脉冲信号,步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系,使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。 
    
  步进电机的使用至少需要三个方面的配合,一是电脉冲信号发生器,它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号,目前这种信号大多数由可编程控制器或单片机来完成;二是驱动器(信号放大器),它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外,还可以通过它改善步进电机的使用性能,事实上它在步进电机系统中起着重要的作用,一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种驱动器;三是步进电机,它有多种控制原理和型号,现在常用的有反应式、感应子式、混合式等。
    
  步进电机的速度控制是通过输入的脉冲频率快慢实现的。当发生脉冲的频率减小时,步进电机的速度就下降;当频率增加时,速度就加快。还可以通过频率的改变而提高步进电机的速度或位置精度。
    
  步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲,转过一个步距角,当停止的位置确定以后,也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。在包装机控制中,给定脉冲数的多少,还与机构的参数有关,例如螺杆的直径等。
    
  在包装机械中,很多情况下需要控制执行机构的运行速度和运行位置,以前都是通过机械或其它方式来完成的,机构复杂、调节不易。改用步进电机后,不仅能使包装机械结构变得简单、调节方便、可靠性增加,而且粗度会得到很大提高。
    
  二、步进电机在物料计量方面的应用
    
  1.粉状物料的计量
    
  螺杆计量是常用的容积式计量方式,它是通过螺杆旋转的圈数多少来达到计量的多少,为了达到计量大小可调和提高计量精度的目的,要求螺杆的转速可调和位置定位准确,使用步进电机可以同时满足这两个方面的要求。
    
  例如粉剂包装机的计量采用了步进电机控制螺杆的转速和转数,不仅简化了机械结构,而且使得控制非常方便。在不过载的情况下,步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,这与电磁离合器控制的螺杆计量相比,具有明显的精度优势,更加适合于比重变化比较大的物料计量。
    
  步进电机与螺杆采用直接连接的方式,结构简单,维修方便。值得指出的是,如步进电机的过载能力较代,当轻微过载时,就会出现相当大的噪声。因此,在计量工况确定以后,就要选用较大的过载系数,以保证步进电机平衡工作。
    
  2.粘稠体物料的计量
    
  步进电机控制齿轮泵也可以实现精确计量。齿轮泵在输送粘稠体方面得到了广泛的应用,例如糖浆、豆沙、白酒、油料、番茄酱等的输送。目前在对这些物料的计量方面大多使用活塞泵,存在着调整困难、结构复杂、不便维修、功耗大、计量不准等缺点。
    
  齿轮泵计量是靠一对齿轮啮合转动计量的,物料通过齿与齿的空间被强制从进料口送到出料口。动力来自步进电机,步进电机转动的位置及速度由可编程控制器控制,计量精度高于活塞泵的计量精度。
    
  步进电机适于在低速下运行,当速度加快时,步进电机的噪声会明显加大,其它经济指标会显著下降。对于转速比较高的齿轮泵来说,选用升速结构比较好。我们在粘稠体包装机上开始采用的是步进电机直联齿轮泵的结构,结果声难以噪声难以避免,可靠性下降。后来采用直齿轮升速的办法,降低了步进电机的速度,噪声得到了控制,可靠性也有所提高,计量精度得到了保证。
    
  三、步进电机在供送包装膜中的应用
    
  在制袋、充填、封口为一体的包装机中,要求包装用塑料薄膜定位定长供给,无论间歇供给还是连续供给,都可以用步进电机来可靠完成。
    
  1.用于间歇式包装机
    
  间歇式包装机使用步进电机供膜,可靠性可以得到提高。以前的包装膜供送多采用曲柄连杆机构间歇拉带方式,结构复杂,调整困难,特别是当需要更换产品时,不仅调节困难,而且包装膜浪费很多。采用步进电机与拉带滚轮直接连接拉带,不仅结构得到了简化,而且调节极为方便,只要通过控制面板上的按钮就可以实现,这样既节省了调节时间,又节约了包装材料。
    
  在间歇式包装机中,包装材料的供送控制可以采用两种模式:袋长控制模式和色标控制模式。袋长控制模式适用于不带色标的包装膜,通过预先设定步进电机转速的方法实现,转空比的设定通过拨码开关就可以实现。色标模式配备有光电开关,光电开关检测色标的位置,当检测到色标时,发出控制开关信号,步进电机按到信号后,停止转动,延时一定时间后,再转动供膜,周而复始,保证按照色标的位置定长供膜。
    
  2.用于连续式包装机
    
  在连续工包装机中,步进电机是连续转动的,包装膜被均匀的连续输送,当改变袋长时,只需通过拨码开关就可以实现。
    
  四、步进电机在横封中的应用
    
  在连续式包装机中,横封是一个很重要的执行机构,也是包装机中比较复杂的机构之一。特别对于有色档的包装膜,其封口和切断位置要求极其严格,为了提高切断的准确性,人们先后研制了偏心链轮机构、曲柄导杆机构等,但这些机构都存在着调整十分麻烦、可靠性低的缺点。造成这些缺点的主要原因是工艺要求横封轮定速横封和定位切断。
    
  步进电机直接驱动横封轮可以实现速度同步。连续式包装机的供膜轮是连续供膜的,横封时要求横封的线速度与薄膜供送的速度同步,以免出现撕裂薄膜和薄膜堆积的情况,由于横封轮的直径是恒定的,当改变袋长时,就需要通过改变横封轮的转速来改变,但是横封需要一定的时间,就是说横封轮与薄膜从接触到离开需要恒定的时间,否则封口吵严。横封轮每转一周的总时间与横封所需要的时间都是恒定的,要满足速度同步的要求,可以将步进电机一周内的转速分成两部分,一部分首先满足速度同步的要求,而另外空载的部分满足一周总时间的要求。
    
  为了实现良好的封口质量,还可以通过步进电机对横封轮实现非衡速的控制模式,就是在横封的每一点上都实现速度同步,限于篇幅,这里不再陈述。
    
  步进电机的特点主要归于三个方面,一是过载性好。其转速不受负载大小的影响,不像普通电机,当负载加大时就会出现速度下降的情况,所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合;二是控制方便。步进电机是以“步”为单位旋转的,数字特征比较明显,这样就给计算机控制带来了很大的方便,反过来,计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场;三是整机结构简单。传统的机械速度和位置控制结构比较复杂,调整困难,使用步进电机后,使得整机的结构变得简单和紧凑。
    
  步进电机在包装机械中的就用还刚刚开始,原来许多传统的机械控制方式都可以用步进电机来替代,除了上面介绍的一些用途外,它还在印刷、灌装、囊包等方面得到了应用,相信在较短的时间内,我国的包装机械行业定能在步进电机技术的平台上跃上一个新的水平。 

 
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