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崭新的第三代立式纸箱包装机
作者:Al Presher    来源:DESIGN NEWS
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恐怕没人愿意在开发新机器时,进行跟别人一模一样的设计。Ultra Packaging公司将这一概念发挥到了极致,在最新推出的立式纸箱包装机中,该公司以伺服和同步齿形带替换了早期设计中的全部滚珠链条,结果造就了一台全新的具备快速品种转换能力的全电动机器,可选择连续或者间歇运行动作,并且生产效率高达每分钟120箱。

改头换面

“我们清楚地知道针对我们想要服务的细分市场,就需要快捷的品种转换能力,”Ultra Packaging公司(www.ultrapackaging.com) 副总裁Bob Stockus说道,“这促使我们马上去探究伺服驱动技术如何用于新型机器和电控化传动,我们的目标就是要消除立式纸箱包装机中所有的链条、链轮、轴承和齿轮等传统零件。”

Stockus将这种新型立式纸箱包装机称作Veronica,消除了过去由于链条伸长和反向间隙引起的令人头疼的维护难题。作为替代手段,新机型设计配备了8套伺服和同步齿形带,以控制纸箱传送带和系统中的动力传动元件。

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在最新的纸箱包装生产线中,Ultra Packaging公司完全避免使用
任何滚珠链条,并消除了由链条伸长和反向间隙导致的控制问题。

系统采用一套Bosch Rexroth公司(www.boschrexroth.com)的PPC(PowerPC)运动和逻辑控制器,Ecodrive伺服驱动器和装有绝对编码器的交流伺服电机,以及用于辅助机器功能的直流驱动,从而控制整个包装过程。纸箱传送带,加上所有辅助的翻盖折叠和纸箱旋转送进都由伺服驱动。

与先前链条驱动的机器相比,这种新型设计造就了一台运行更安静、更平稳的机器,而且允许更加快捷的品种转换。“该机器可提供快捷的品种转换,这归功于通过伺服完成的自动调整功能。”已连续使用该系统达8个月之久的Packaging Division Industries LLC公司(www.packdiv.com)的Rey Interian这样说。

“由于用户能够为不同尺寸的纸箱存储不同的程序,我们只需切换程序,就可以让机器自动调整到所需的包装尺寸,这将节省大量时间,相比之下,过去转换一个常规纸箱尺寸需要花4到6个小时,新机器则能够在30分钟之内转换一个可用程序。”

工程挑战

设计没有任何滚珠链条的机器存在多方面的困难。Stockus说一开始他们以为可以毫无困难地将同步齿形带安装在主要驱动元件上,“但是,在我们经历了机器设计的不同阶段后,才发觉仍存在一些点可能需要以1英尺左右的40号链条来驱动一些辅助元件。事实表明,这些点就是挑战,必须仔细设计那些辅助元件,以完全消除对链条的依赖。有时候,我们无法为极小节距的链条找到替代品,或者只能代之以标准的同步齿形带。”

解决工程问题需要努力工作并与供应商广泛交流,Ultra公司的工程师一边向供应商准确描述具体需求,一边要求他们提供如何替代滚珠链条的方法,并探索如何由同步齿形带获得相同性能。问题的解决过程是一项百折不挠的试错工程,也消耗了大量同步齿形带样品。

而且,自始至终他们都必须维持机器的基本设计不变,“我们需要某种元件来执行那些已经由链条执行了许多年的某些极为特殊的功能,我们不得不采用试错法来保证该功能能够由同步齿形带完成。”

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使用更少部件的简洁而干净的设计使得Ultra Packaging公司的新型立
式纸箱包装机消除了许多机械磨损点。

同步伺服驱动

另一项挑战来自于系统中8套伺服的同步运动和复杂编程需求。纸箱包装机的传送带由三条同步齿形带构成,一台伺服驱动顶置和底置同步齿形带或者推进拨片,并作为同步机器上所有电机的主位置参考,另一台安装在中置同步齿形带上的小一点的伺服完成纸箱传送。

一台伺服控制旋转纸箱所需的双头送进动作。一台可选配的伺服能够处理纸箱进给量,以调整纸箱的宽度或厚度尺寸。还有3台伺服负责前向防尘盖折叠器、底面拖曳式防尘盖折叠器、以及顶面拖曳式防尘盖折叠器。在操作人员将产品放入每个纸箱之前,所有的翻盖都已折好,然后,封盖被折叠压合或者粘合,使底面得以密封。放入产品后,纸箱的顶面也以折叠压合或者粘合的方式进行密封。

早期的机器通过物理调整以适应新的产品尺寸,新机型则只需要在HMI上发出指令就可以通过伺服自动完成这些工作。同步各个折叠操作所需的相位偏置也同样可以通过这种方式进行调整。

在链条链轮式机器中,比如想调整产品长度时,需要操作人员移除防护装置,松开导引链轮,取下拨片并用力拉动链条,有时甚至要拉动40到50英尺长,然后手工放置一个纸箱,把它放在推动和牵引拨片之间,再拧紧螺栓,接着操作人员要轻轻摇动机器,查看链条是否太紧或者太松,重复这一过程,直到张力合适为止。现在,同样的转换过程只需花费2到3秒钟,牵引拨片就能移动到所需的精确位置,这一切都归功于精密的伺服系统。

Stockus和工厂经理Rich Peterson都认为,开发机器的复杂控制类应用软件需要耐心和毅力。一家本地系统集成商Custom Control Solutions公司的Dave Stuber编制了客户应用软件。“我们不得不教会他们纸箱成形技术以及机器的应用需求,我们为他提供了立式纸箱成形的速成课。”Peterson声称。

故障恢复

虽然实际应用证明软件集成和运动同步是不小的挑战,不过Stockus认为,一旦把它搞好之后,它就会始终保持良好。在历经痛苦之后,他们还是通过伺服技术和可编程操作在许多方面获益匪浅。

一个主要优点就在于故障恢复过程中极为有限的停机时间。Stockus认为伺服化机型的特点之一在于刀片或者可触及纸箱的机械部分可以直接安装在伺服电机的输出轴上。“出于某些原因,万一时间间隔出现问题,或者操作人员未能把成袋的谷物全部推入纸箱,此时顶面的拖曳式防尘盖折叠器就会遇到阻力,我们能够感受到力矩变化并自动停机,我们从不毁坏任何产品,而是充分把袋子往下推,使其不再超出纸箱的顶面标记线,重启机器并远离即可。这样一个只需花费20秒即可完成的简单操作所能节省的时间是无法用价值来衡量的。”

依靠伺服性能改善机器可操作性的另一项举措是在防尘盖折叠器上采用伺服。在机械式机型中,操作人员需要在机器中放置一个纸箱并点动测试以观察折叠器折叠出正确封盖所需的时间是否充裕或者不足。现在,操作人员可以通过HMI轻松补偿那些调整量。如果操作人员从一种纸箱转向另外一种,并且纸板材质也存在变化时,就有可能引起断续折叠等问题,有了伺服系统,折叠时间点就能够提前或推后半度甚至10度,从而更为平顺地折叠封盖,又不至于压坏纸箱。

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Bosch Rexroth公司基于PPC(PowerPC)的运动
和逻辑控制器。

绝对位置

由于系统中所有电机的反馈环节均采用绝对式编码器,因而机器也就能够从中断或者紧停状况中恢复而不至于丢失位置信息。该应用中采用的Bosch Rexroth电机可以在急停状态下,为这种应用提供一种非常优异的特性,Stockus介绍道:“甚至于在急停时使驱动器掉电,我们也能够满足相应的安全要求,这归功于电机在减速过程中可自行产生的毫安级电流可以维持其原点位置信息。”

他说对于其他可选方案,当电机溜过一个机器导程时就会失去原点位置,这就意味着电机重新找到原点之前,必须首先转动起来,甚至转动多达三次。“当我们重新启动机器时,不会毁坏任何纸箱,因为我们拍下了急停按钮。”

绝对式编码器的另一种独特用途在于使机器具备重归“机器零点”的能力。通过访问维护屏幕,可以命令所有伺服回到某个初始的编程状态,故障排查就是证明该功能价值的一个例证。在某种情形下,机器正在包装冰糖,操作人员发觉系统在抛落纸箱,系统归零后,操作人员发觉有东西弄脏了真空送进机械手,于是请机修工人调整了真空送进机械手,并设置系统返回到运行模式,这样机器就为选定的纸箱重新进行了调整,并从刚才那点开始继续工作。

简洁而干净的设计

Stockus声称尽管他们在机器开发过程中遇到很多挑战,不过由于改用了伺服和同步齿形带,机器的机械设计变得更为简洁。机器中采用了更少的零件和联动装置,这样一来,只要换掉侧面翻盖折叠器的联动装置,在原位置上放置一台电机,就足以消除许多机械磨损点。

“更少的机器零件数量也为我们造就全新的洁净设计提供了机会,”他补充道,“当客户观察机器下面时,他们会称之为‘空旷’的设计,因为那里不存在过多的、容易截留食品或者其他产品的角落和缝隙。”

原有机械式机型的精度受制于链条伸长等简单因素,相比之下,新机器也显然更加精确,Stockus解释道,使用几年以后,链条长度的伸长率可能高达10%,而同步齿形带不会像链条那样伸长,因此机器精度能够以指数规律远远高于机械式机型。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (4/8/2007)
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