包裝設備中電機和氣缸的研究

趙悅 河北省科技工程學校

一、電動機的選取

電動機是伺服控制系統的動力部件，它能夠將電能轉換成為機械能，它可以在很寬的速度和負載范圍內進行連續、精確的控制，所以在各種機電一體化系統中得到了廣泛的應用。常用的電動機有：步進電動機、直流伺服電動機、交流伺服電動機和直線電動機等等。

1. 步進電動機的工作原理

步進電動機是將電脈沖控制信號轉換成機械角位移的執行元件。一個脈沖對應轉過一個相應的步距角，只要控制輸入的脈沖量、頻率及電動機繞組通電相序就可以得到所需要的轉角、轉速及轉向了。

2. 步進電動機的特點

①轉向可以改變：改變通電順序就可以實現。

②具有自鎖能力：停止輸入脈沖，只要維持繞組通電，電動機就可以保持在該固定位置上。

③不易受干擾：如電源電壓的波動、電流的大小和波形的變化、溫度等等都不易影響其正常工作，除非干擾未引起步了進電動機產生“丟步”。

④誤差不會長期積累。

⑤易于直接與微機的I/O 接口，構成開環位置伺服系統。

3. 步進電動機的驅動控制

步進電動機的運行特性與配套使用的驅動電源緊密相關，驅動電源有環形脈沖分配器和功率放大器組成。

4. 步進電動機的選用

選用步進電動機時，首先根據要求計算精度所取步距角的范圍及大致轉數，初步考慮步距角的選取并參考電氣技術數據表和力矩測試數據表考慮此電動機是否為最佳選擇；再根據機械結構，計算機械傳動裝置及負載折算到電動機軸上的等效轉動慣量，然后分別計算各種情況下所需要的等效力矩，再根據步進電動機最大靜轉矩和起動、運行矩頻等特性選擇合適的步進電動機。

為了實現包裝技術，在整個裝置中選用了適量的步進電動機，下面對電動機選用做詳細分析：

（1）精度分析

(2）轉數分析

根據設備在中送料速度，用送料速度與送料輥周長成正比關系算的每秒的轉數。查看步進電動機力矩測試數據說明，分析合理轉速。

(3）受力分析

分析整個工藝流程中的受力,如果步進電動機能夠實現要求的過程,步進電動機能提供的拉力和克服的慣性力、阻力、摩擦力。

(4）校核

為了使步進電動機具有良好的起動能力和較快的響應速度就要滿足它的兩個匹配條件：

經查步進電動機表得到步進電動機的最大靜轉矩，步進電動機轉子的最大轉動慣量,經過檢驗都符合要求，從而選取相應型號的電動機。

二、氣缸的選取

1. 氣壓傳動系統的工作原理

利用空氣壓縮機將電動機或者其他原動機輸出的機械能轉變為空氣的壓力能，然后在控制元件的控制和輔助元件的配合下，通過執行元件把空氣的壓力能轉變為機械能，從而完成直線或回轉運動并對外做功。

2. 氣壓傳動系統的組成

氣壓傳動系統由發生裝置、控制元件、執行元件、輔助元件組成。發生裝置完成能量的轉換，將機械能轉化為壓力能。控制元件是利用壓力閥、流量閥、方向閥等控制壓縮空氣的壓力、流量、氣流方向等來確保氣壓傳動正常運作。執行元件同樣是能量轉換裝置，它將氣體壓力能轉化為機械能。輔助元件是在氣壓傳動過程中完成氣體凈化、元件潤滑、連接和消聲等輔助空氣正常運行的裝置。

3. 氣壓傳動的特點

(1）優點：介質為空氣，容易獲得；排氣流向大氣中，處理方便環保；空氣粘度為液壓油粘度的萬分之一，空氣流動損失小，壓縮空氣可集中供氣，遠距離輸送；相對液壓傳動而言，氣動動作迅速、反應快，一般只需要0.002—0.3 秒就可達到工作壓力和速度；氣體壓力具有較強的自保持能力，即使壓縮機停機，關閉氣閥，但裝置中仍然可以維持一個穩定的壓力；氣動元件可靠性高、壽命長；具有良好的工作環境適應性，即使工作在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射、振動等惡劣環境中；氣動裝置結構簡單、成本低、維護方便、過載能自動保護。

(2）缺點：因空氣的可壓縮性較大，氣動裝置的動作穩定性較差；工作壓力較低，因而輸出力和力矩受到了限制；氣動裝置中的信號傳動速度比光電控制速度慢，氣動系統噪聲很大；工作介質空氣本身沒有潤滑性，需另加裝置進行給油潤滑。

4. 氣缸類型的選擇

包裝機械中的氣動執行元件都是由氣缸來實現的。氣缸是一種內部有活塞，并且允許活塞上下往復的容器，通過里面的氣體、缸徑直徑和活塞桿直徑來確定活塞桿上的推力和拉力。應用氣缸主要是用來實現切斷機構和夾持機構直線往復運動的。按工作原理來劃分，氣缸分為單作用和雙作用兩種。單作用氣缸僅有一腔通入壓縮空氣，壓縮空氣只能使柱塞向一個方向運動。與單作用氣缸相比，雙作用氣缸可使活塞向兩個方向運動。單作用活塞氣缸多用于短行程，且推力及運動速度都不能過大，一般在氣吊、定位等情況下可使用。

5.負載大小

氣缸工作過程中產生推力和拉力。作用在不同的物體上，力的大小不同，選擇的氣缸型號也就不同。一般均按外載荷理論平衡條件所需氣缸作用力，根據不同速度選擇不同的負載率，使氣缸輸出力稍有余量。

6.確定缸徑

氣缸的缸徑選擇很重要，缸徑過小，無法滿足物體規定的動作。缸徑過大，這樣成本又會提高,設備又沉重笨拙，嚴重浪費資源。

氣缸的缸徑簡化計算：

活塞桿伸出時驅動理論負載——推力公式：

D——活塞直徑

P——工作壓力

活塞桿縮回時驅動理論負載——拉力公式：

d——活塞桿直徑

7. 行程大小

氣缸的行程與機構的行程有關，同樣使用場合的不同影響其大小。同過設計時計算各個機構的行程，來確定氣缸的行程范圍。多數情況下不應使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機構，為保證加緊效果，必須將行程多加10mm 至20mm 的行程余量。

8. 氣缸輔助元件的選擇

氣動輔助元件是氣動系統的連接元件，主要用于對空氣壓縮機產生的壓縮空氣進行降溫、凈化、穩壓、干燥等，以提高系統的可靠性和使用壽命。常用的氣動輔助元件有氣動三聯件(分水濾氣器、減壓閥、油霧器)、消音器、干燥器、壓力繼電器等。

9. 氣缸的選取

根據結構可選用氣缸的機構，其結構的選擇主要考慮設備的負載力。分析氣缸推力的情況時，則需要滿足：重力+推力 慣性力+執行力。分析氣缸拉力的情況時，需要滿足安全系數1.2，即需要滿足：拉力 （重力+慣性力） 1.2。

本文中對包裝機械中合理選擇電機和氣缸進行研究分析，對于多種包裝設備中動力機構部分的選擇和改進提供了更多信息。