直線電機在煙草包裝機中的應用

張杰

摘要：隨著市場對個性化煙草包裝的需求，新技術在不斷應用到煙草包裝中。在保潤保香包裝機中，應用兩個直線電機實現煙包在包裝輪之間的交接。1號直線電機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號直線電機將煙包推入薄膜紙包裝輪。兩個直線電機的應用使煙包在保證包裝質量的同時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.

關鍵詞：直線電機；煙草包裝；保潤保香

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

中圖分類號：TS43 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）08-0118-02

0 引言

直線電機是一種將電能直接轉化為直線機械運動，不需要任何中間傳動機構的電機。[1]由于消除了傳統機械傳動機構帶來的摩擦、震動、彈性形變以及磨損等問題，直線電機具有更好的快速反應能力和控制精度。[2][3]從1840年惠斯特提出和制造并不成功的直線電機雛形開始，到二十世紀中葉，直線電機的研究一直處于探索與試驗階段。[4]二十世紀六十年代開始，直線電機逐漸進入開發應用階段，在磁流體泵、縫紉機、空氣壓縮機上得到了應用。[5]隨著控制理論和電子技術的發展，直線電機的發展進入了實用商品階段，在起重機、電梯、機床、輸送裝置等領域得到了廣泛的應用，特別是磁懸浮列車上取得了可喜的應用成果。我國的直線電機研究和應用起步較晚，二十世紀七十年代一些大專院校和科研單位開始對直線電機進行理論和實際應用的研究。[6]

ZB45硬盒硬條包裝機組是從意大利GD公司引進的煙草包裝機組，經消化吸收后國產化的高速卷煙包裝設備，其最高產能為400包/分鐘。因其生產效率高、運行穩定、易于操作等特點深受全國各煙廠的歡迎。隨著卷煙技術的發展和人民生活水平的提高，市場對個性化包裝的需求越來越高，軟盒硬包、超細支、短支、雙鋁包等個性化包裝相繼問世。大部分個性化包裝機組都是基于ZB45包裝機組，改進工藝過程、機械零件和控制方式等形成的新型包裝機組。

隨著煙廠與市場對煙包個性化包裝的需求，對原機器結構的改進和新技術的應用必不可少。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框紙用薄膜紙和框架紙取代，以達到保持已拆煙包煙支的濕度和香度的目的。在機械結構上，框架紙包裝輪和薄膜紙包裝輪成垂直設計，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，達到流暢交接煙包的目的。

1 設計方案選擇

根據設計要求和目的，目前控制推桿運動的方式主要有凸輪機構、氣缸、伺服電機和直線電機，幾種設計方案的對比如表1所示。

氣缸控制方式的穩定性和控制精度無法滿足包裝機高穩定和高精度的要求，首先排除。凸輪機構雖然穩定可靠，但是設計復雜、對機器結構的改變大、成本高，不宜采用。伺服電機與直線電機性能有很多相似之處，但其需要設計傳動機構，需要的安裝空間大。直線電機無需傳動機構、結構簡單、適應性強。對比幾種方案，最終選擇采用直線電機的控制方案。

2 總體設計方案

裝置的機械結構如圖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，由凸輪機構帶動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，為防止在推動過程中出現散包的現象，因此采用1號直線電機帶動的1號推桿在薄膜紙包裝輪的出口處迎接煙包。接下來由2號直線電機控制的2號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

兩個直線電機的運動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。直線電機的驅動電源電壓為交流220V，控制電路電源電壓為直流24V。直線電機的主軸編碼器與機器的主編碼器相連，絕對值光柵反饋給直線電機驅動器電機當前位置信號。B0-B3為驅動器接收的從PLC發送過來的輸入信號，其中，B0為直線電機驅動電源的使能信號，B1為直線電機的CAM使能信號，B2為PLC發送給直線電機的尋零信號，B3為PLC發送給直線電機的故障復位信號。Y0-Y2為驅動器發送給PLC的輸出信號，其中，Y0為直線電機驅動器故障信號，Y1為用戶自定義信號，Y2為直線電機驅動器尋零完成信號。

2.2 軟件設計

直線電機的編程軟件采用CME2 V7.1編譯器，可在Windows XP和Windows 7系統下運行。凸輪軌跡可以直接導入到編譯器或手動設置，PID參數需根據直線電機的運動軌跡手動設置。

直線電機的控制流程圖如圖3所示。PLC上電時，直流24V電源直接與直線電機驅動器聯通，此時交流220V電源處于斷開狀態，當PLC準備就緒，發出驅動器使能信號使220V聯通。PLC根據主編碼器的相位判斷是否到達直線電機尋零相位，如果未到達尋零相位，需操作人員手動盤車到直線電機的尋零相位，當到達尋零相位時，按下尋零按鈕，直線電機開始尋零。尋零結束后，按下啟動按鈕，PLC判斷主編碼器是否到達直線電機的CAM使能相位，當到達CAM使能相位時，PLC發出CAM使能信號，直線電機按照設定好的凸輪軌跡運動。當直線電機運動過程中出現故障時，向PLC發出故障信號，PLC接到直線電機發送的故障信號后，斷開直線電機驅動信號，直線電機、主電機停車。

3 結論

直線電機因其結構簡單、運行穩定、精度高、易于安裝和維護等特點開始被廣泛應用在工程技術領域，但在煙草包裝機的應用還處在起步階段。經過多次的運行調試實驗，直線電機應用在煙草包裝機推桿的往復運動中，運行穩定可靠，效果良好，能夠滿足煙草包裝機高穩定性和高精度的要求。而且，直線電機簡單的結構簡化了煙草包裝機復雜的凸輪機構。直線電機適應性強，在改變煙包包裝規格時，易于操作，成本低，更能體現直線電機的優勢。

參考文獻：

[1]葉云岳編著，直線電機原理與應用[M].機械工業出版社， 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.直線電機的控制策略及其在電梯上的應用研究[D].中南大學，2008.

[5]蔣朝霞.直線電機在數控車床上的應用[J].電機與控制應用，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.