自行封装的烟草打包装置机械式均载控制技术_范忠.pdf

第4 1卷 第1期2 0 2 3年1月MA CH I N E R Y&E L E C T R ON I C SV o l.4 1N o.1J a n.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2 0 1 2 4作者简介:范 忠(1 9 7 3-),男,湖北建始人,维修技师,技术工程师,研究方向为烟草及其制品封装机械。自行封装的烟草打包装置机械式均载控制技术范 忠,熊 涛,刘礼欲,胡晓蕾(湖北中烟工业有限责任公司恩施卷烟厂,湖北 恩施4 4 5 0 9 9)摘 要:为了合理控制烟草打包装置电机的驱动轴扭矩与负载扭矩,提出自行封装的烟草打包装置机械式均载控制技术。设计自行封装的烟草打包装置,在该装置内搭建压紧平台以及压紧面板,使烟草打包密度更高;采用P L C同步控制系统控制装置的打包过程,实现烟草打包装置自行封装;根据力学中的定轴转动原理,分析烟草打包装置电机齿轮在转动时产生的均载冲击,并采用基于幂函数速度曲线的启停速度算法,控制启动与制动状态下的烟草打包装置电机受到的均载冲击,实现装置机械式均载控制。经实验验证,应用该技术后,停机次数较少,且有效控制电机的驱动轴扭矩与负载扭矩,提升烟草打包密度与产量。关键词:自行封装;烟草打包装置;机械式;均载控制;启停速度算法;幂函数中图分类号:T S 4 3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1 2 2 5 7(2 0 2 3)0 1 0 0 3 0 0 5M e c h a n i c a lL o a dE q u a l i z a t i o nC o n t r o lT e c h n o l o g yf o rS e l f e n c a p s u l a t i n gT o b a c c oP a c k a g i n gD e v i c eF A NZ h o n g,X I O N GT a o,L I UL i y u,H UX i a o l e i(E n s h iC i g a r e t t eF a c t o r y,C h i n aT o b a c c oH u b e i I n d u s t r i a lL L C,E n s h i 4 4 5 0 9 9,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t or e a s o n a b l yc o n t r o l t h ed r i v i n gs h a f t t o r q u ea n dl o a dt o r q u eo f t h em o t o ro f t h et o b a c c op a c k a g i n gd e v i c e,am e c h a n i c a l l o a dc o n t r o l t e c h n o l o g yo ft h es e l f e n c a p s u l a t i n gt o b a c c op a c k a-g i n gd e v i c e i sp r o p o s e d.As e l f e n c a p s u l a t i n gt o b a c c op a c k a g i n gd e v i c e i sc r e a t e d,a n dac o m p r e s s i o np l a t-f o r ma n dc o m p r e s s i o np a n e l a r eb u i l t i n t h ed e v i c e t o i n c r e a s e t h e t o b a c c op a c k a g i n gd e n s i t y;P L Cs y n c h r o-n o u sc o n t r o l s y s t e mi su s e d t oc o n t r o l t h ep a c k a g i n gp r o c e s so f t h ed e v i c e t oa c h i e v e t h e s e l f p a c k a g i n go ft h e t o b a c c op a c k a g i n gd e v i c e.A c c o r d i n gt ot h ef i x e da x i sr o t a t i o np r i n c i p l e i nm e c h a n i c s,t h e l o a ds h a r i n gi m p a c t c a u s e db yt h e r o t a t i o no f t h em o t o rg e a ro f t h e t o b a c c op a c k a g i n gd e v i c e i sa n a l y z e d,a n dt h es t a r ts t o ps p e e da l g o r i t h mb a s e do n t h ep o w e r f u n c t i o ns p e e dc u r v e i su s e d t oc o n t r o l t h e l o a ds h a r i n g i m p a c t o nt h em o t o ro f t h e t o b a c c op a c k a g i n gd e v i c eu n d e r t h e s t a r t i n ga n db r a k i n gs t a t e s oa s t o r e a l i z e t h em e c h a n i-c a l l o a ds h a r i n gc o n t r o lo ft h ed e v i c e.E x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h a tt h ea p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l o g yl e a d s t o l e s sd o w n t i m e,e f f e c t i v e l yc o n t r o l s t h em o t o rd r i v es h a f t t o r q u ea n dl o a dt o r q u e,a n di m p r o v e st o-b a c c op a c k a g i n gd e n s i t ya n dy i e l d.K e yw o r d s:s e l f e n c a p s u l a t i o n;t o b a c c op a c k i n gd e v i c e;m e c h a n i c a l;l o a ds h a r i n gc o n t r o l;s t a r t s t o ps p e e da l g o r i t h m;p o w e r f u n c t i o n0 引言在2 0世纪8 0年代以前,国内烟草企业逐渐发展,在企业发展初期,通常按照生产自动化方向为主进行设计,使得生产加工更为简便1,但这种模式下,并没有为烟草输送自动化预留合理的外部条件,使得企业在后续改进过程中存在条件差等问题。后来随着部分烟草企业的改建2,大多数企业03范 忠等:自行封装的烟草打包装置机械式均载控制技术自动控制与检测统一设计生产与物流自动化模式,使自动化烟草机械具有更大的应用前景,同时,随着烟草机械的快速发展,机械的自动化程度也日益完善3,其中,烟草打包装置在烟草的物流传输自动化过程中显得尤为重要,但打包装置在日常运行过程中,通常存在运动速度、加速度难以精确控制等问题4,导致烟草打包效率变低。为此,盛凯等5研究青贮秸秆高压缩比打包机压缩装置的控制,但该控制方法不适用于烟草打包装置,且在控制后依然存在较高的电机故障现象;张秀丽等6研究烟草颗粒肥配比混施装置控制,但该控制技术应用后仍然无法提高烟草打包产量。总结以往研究经验,本文提出自行封装的烟草打包装置机械式均载控制技术,采用幂函数速度曲线算法实现烟草打包装置电机的均载控制。1 烟草打包装置机械式均载控制1.1 自行封装的烟草打包装置设计由于现有烟草打包方法操作时间过长,耗费人力过多,导致打包效率低下78,为此设计一种自行封装的烟草打包装置,如图1所示。?2?1图1 自行封装的烟草打包装置在自行封装的烟草打包装置中,主要利用电机实现整体运行。在装置横向设置压紧平台,在该平台上方设计移动式压紧面板,并将液压杆放置在压紧面板两侧,通过液压缸驱动液压杆,使该液压杆可以完成竖向移动91 1,带动压紧面板同时可以竖向移动。在压紧面板下端面,与压紧平台的上端面对齐,并在压紧平台外侧装置第1竖向板,该板与平台上端面对齐;同时在第1竖向板的上端面中,均匀装置连接帽嵌置孔,在孔内装置连接帽,在压紧面板外侧装置第2竖向板,其下端与压紧面板下端平齐,并在该竖向板下端装置连接销嵌置槽,在槽内装置连接销,且每个连接销均与连接帽相对应,在2个竖向板的下端与上端长度之和与设想打包的烟草厚度相等。1.2 自行封装的烟草打包装置同步控制系统本文采用P L C控制器搭建烟草打包装置的控制系统,实现该装置的打包控制任务。P L C控制器可实现自动控制1 21 3,完成烟草的自动打包,其可以控制烟草打包装置完成烟草的输送和打包等工作,全部动作程序均按照P L C控制自动完成。该烟草打包装置控制器的工作流程如图2所示。?？2?？1?NYNYNYNY图2 烟草打包装置控制系统流程根据图2可知,在烟草打包装置控制程序中,采用多流程控制,因此,需采用均载控制技术对打包装置电机进行控制。1.3 自行封装的烟草打包装置机械式均载控制方法 由于自行封装的烟草打包装置在日常运行时速度较高,使得装置在启动与制动过程中伺服电机对装置造成冲击1 41 5,导致烟草打包装置出现机械式故障。为此,本文提出烟草打包装置同步控制技术,使装置机械式均载得到控制,以降低烟草打包装置的齿轮磨损程度,从而延长装置使用时间。1.3.1 机械式均载控制技术按照力学中的定轴转动理论,若刚体按照固定轴进行转动,则刚体在进行转动时产生的转动惯量与固定轴的角加速度相乘,可以得出刚体沿固定轴转动时的合外力矩,具体计算式为Jddt=J=M(1)J为刚体的转动惯量;为角速度;为角加速度;M为合外力矩。烟草打包装置采用电机驱动齿132 0 2 3(1)轮,因此针对齿轮进行研究。在合外力矩中,主要包含电机驱动力、机械传动装置齿轮摩擦力等,推导式(1)能够得出M=Jddt=J dd(2)为转动角度。对式(2)两边积分,可得21Md=J21d=12J 22-12J 21(3)通过式(3)可以计算得到,当刚体处于定轴转动时,转动动能产生的增量与刚体产生合力矩过程中制造的功相等。因此,在某一时间段内合外力矩对齿轮所做的功一致,即在该时间段内,齿轮转动时的动能变化率未出现变化,说明在进行齿轮加减速时烟草打包装置受到的冲击为均载冲击。设转动动能为E,则式(4)成立,即dEdt=d12J 2dt=12J2ddt=J ddt=J=K(4)K、J为常量值,则为常量,即通过常量值可以描述刚体角速度与角加速度的乘积时,转动动能变化率不会发生变化,在此时满足均载冲击。利用如下方法判定启停算法能否满足均载冲击。1.3.2 基于幂函数速度曲线的启停速度算法在当前工业装置控制系统中,几乎都需要使用加减速算法来控制机械运动状态。传统控制系统中通常会选用梯形速度曲线实现控制,本文采用幂函数速度曲线,对烟草打包装置机械式均载进行控制。设角速度为=t;角加速度为=ddt=12t,则两者存在=t12t=12。利用假设