ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 2, 2013
АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
УДК 664:(62-5)
© 2013 г. Корендясев Г.К., Саламандра Б.Л., Саламандра К.Б., Тывес Л.И.
ОБ ОДНОЙ СПЕЦИФИЧЕСКОЙ ЗАДАЧЕ СБОРКИ В АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ УПАКОВКИ ТИПА "ФОРМОВКА-ФАСОВКА-УКУПОРКА-ВЫРУБКА"
На примере автоматической линии упаковки пищевых продуктов рассматривается задача автоматической сборки компонентов, расположенных на отдельных ленточных носителях. Описываются способы решения этой задачи и даются их теоретические и экспериментальные обоснования. Особое внимание уделено анализу способа автоматической сборки, базирующегося на управляемом изменении шага подачи ленточных носителей, как наименее чувствительного к механическим свойствам ленточных носителей. Особенности реализации этого способа оцениваются с помощью имитационной модели.
В разработках автоматических линий (АЛ) все шире применяется новая элементная база в области приводов, систем управления с программируемыми контроллерами, датчиков физических, в том числе, механических величин и т.д. Эта элементная база определяет мехатронную структуру АЛ. Она выводит на более высокий научно-технический уровень создаваемое оборудование, повышая его надежность и существенно (в 1,5—2 раза) уменьшая стоимость. Примером такой линии является автоматическая линия для фасовки и упаковки продуктов питания [1].
Технологическая схема линии приведена на рис. 1. Корпусной материал (термопластичный полимер — полистирол, полипропилен и т.п.) проходит через нагреватель, где доводится до высоко пластичного состояния, и поступает на станцию формовки емкостей. Далее, с помощью объемного дозатора емкости заполняются продуктом, накрываются покровным материалом (алюминиевой фольгой, микспапом, полимерной пленкой) с напечатанной этикеткой с одной стороны и слоем термолака с другой и поступают на станцию герметизации емкостей путем термосварки корпусного и покровного материалов. Затем лента с заполненными и запечатанными емкостями поступает на станцию, оснащенную штампом для вырубки отдельных емкостей.
На рис. 2 представлена типовая схема транспортной системы автоматической линии. Транспортер выполнен в виде подвижного стола, на котором закреплены ролик размотки полимерной ленты, ролик размотки покровного материала и подвижный захват ленты, и неподвижного захвата, установленного на станине. При перемещении стола вправо обе ленты, зажатые подвижным захватом, перемещаются вместе со столом. При обратном ходе транспортера подвижный захват отпускается, лента зажима-
№ позиции 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Рис. 1. 1 — рулон корпусного материала, 2 — рулон покровного материала с этикеткой и меткой, 3 — нагрев, 4 — формовка емкостей, 5 — дозирование продукта; 6 — термосварка лент корпусного и покровного материалов, 7 — вырубка
Рис. 2. 1 — лента корпусного материала, 2 — лента покровного материала, 3 — стол подвижный; 4 — пневмо-цилиндр с датчиками положения, 5 — упор, 6 — гидродемпфер-упор, 7 — подвижный захват лент, 8 — неподвижный захват лент
ется неподвижным захватом, а ролики производят размотку рулонов корпусного и покровного материалов. Привод транспортера осуществляется пневмоцилиндром через синусный механизм и имеет регулируемые упоры, определяющие шаг перемещения стола.
Рассматриваемая АЛ относится к классу высокопроизводительных машин-автоматов. Она работает в старт-стопном режиме с циклом 2,5^5 с, при этом 0,8^1 с тратится на перемещение ленты на заданный шаг, а остальное время — на выполнение технологических операций. Программы управления механизмами технологических станций
фиксируют с помощью датчиков конечных положений их исполнительных звеньев времена выполнения отдельных переходов. По ним головной программой обрабатываются и анализируются результаты выполнения каждой упомянутой технологической операции и, в случае отсутствия сбоев по времени и положениям, запускаются очередные элементы цикла. Кроме того, головная программа подключает подпрограммы срабатывания дополнительных механизмов, устанавливаемых на линии для решения задач, связанных с требованиями к выпускаемой продукции.
Одной из таких задач является стабилизация положения этикетки относительно отформованной емкости, обусловленная требованиями к товарному виду продукции. Ее можно отнести к задачам автоматической сборки. В данном случае специфика задачи сборки определена условием совмещения положений компонентов сборки, расположенных на отдельных ленточных носителях: отформованных емкостей в ленте корпусного материала с этикетками (и метками) на ленте покровного материала. Суть проблемы — в невозможности обеспечить равенство шагов между емкостями, формуемыми в процессе работы линии в ленте корпусного материала, и шагов между этикетками, нанесенных заранее в типографии на ленту покровного материала. Действительно (рис. 2) оба рулона разматываются одним приводом, с каждого рулона сматывается одинаковая длина лент, равная шагу движения стола. При сколь угодно точной настройке шага движения стола (т.е. шага по емкостям) невозможно добиться его идеального равенства шагу печати этикеток на покровном материале. В результате имеющееся рассогласование будет накапливаться от цикла к циклу, приводя к постепенному смещению этикетки относительно емкости.
Когда смещение этикетки относительно емкости достигает некоторого предельного значения, что на АЛ фиксируется оптическим датчиком, необходимо произвести автоматическую коррекцию: либо изменяя шаг между этикетками с меткой на покровном материале при фиксированном шаге между формуемыми емкостями в ленте корпусного материала, либо наоборот, подстраивая шаг между формуемыми емкостями в ленте корпусного материала под постоянный шаг между метками на ленте покровного. В первом случае постоянный шаг между емкостями гарантирует постоянство относительных положений технологических станций, что является существенным преимуществом. Широкому распространению этого варианта автоматической коррекции способствовали физико-механические свойства алюминиевой фольги, которую до недавнего времени использовали в качестве покровного материала.
Способ совмещения положений компонентов сборки путем пластической деформации покровного материала. В основе этого способа лежит зависимость деформации ленты от прилагаемой нагрузки. Ленту (в частности, фольгу) вытягивают, доводя ее до состояния пластической деформации. Примерный вид диаграммы растяжения и сброса нагрузки алюминиевой фольги представлен на рис. 3: О — нагрузка в Н; А — деформация образца в мм; А: — максимальное удлинение образца под нагрузкой пластической деформации О; А2 — остаточная деформация образца после снятия нагрузки.
Проведенные с помощью катетометра КМ-6 (с ценой деления 0,01 мм) испытания образцов фольги толщиной 0,05 мм, шириной 20 мм, длиной между захватами 80 мм и базой измерений 50 мм показали: величина О) меняется в пределах 136^145 Н, при этом деформации были в пределах 0,76 < А2 < 1,7 мм и 0,93 < А: < 1,85 мм. Эти результаты дают возможность в каждом случае рассчитать величину усилия, необходимого для пластической вытяжки ленты фольги шириной В: О( = (В/20)0(.
В связи с тем, что дозировать нагрузку гораздо сложнее, чем ограничивать перемещение, в устройствах синхронизации полученное значение О( используют как нижний предел требуемого усилия, а величину деформации 8 = (А:/50)Ь (где Ь — длина растягиваемого участка фольги) как верхний предел деформации под нагрузкой. Это позволяет построить механизм вытяжки, который по сигналу оптического датчика растягивает зажатый с двух сторон участок покровного материала длиной Ь нагрузкой, существенно превышающей величину Ое, в пределах [(А: — А2)/50]Ь < А < (А:/50)Ь.
О, Н
о,
0 А2 А1 А, мм
Г г 2
к
1—
1 ь:
Рис. 3
Рис. 5
Рис. 5. Механизм изменения шага подачи стола: 1 — пневмоцилиндр; 2 — калиброванная пластина (толщина В); 3 — гидродемпфер-упор; 4 — упор; 5 — стол подвижный
Поскольку фольгу можно только растянуть, то шаг между формами устанавливают несколько большим, чем шаг печати этикеток на фольге.
Спектр покровных материалов в настоящее время существенно расширился. Наряду с традиционной алюминиевой фольгой используются фольгированные полимерные и бумажные материалы. Результаты экспериментального определения механических свойств новых, часто применяемых покровных материалов, приведены в табл. 1. Испытания проводили на стандартных образцах с помощью катетометра КМ-6 с ценой деления 0,01 мм. К образцу прикладывали статическую нагрузку О и измеряли его деформацию Д:. Периодически нагрузку сбрасывали (устраняли упругую деформацию) и измеряли остаточную деформацию Д2. Затем нагрузку О увеличивали и процедуру повторяли вплоть до разрушения образца. Последние измерения приведены в табл. 1.
Анализ экспериментальных данных показывает, что достаточно высокий процент остаточных деформаций имеет Алюпэт, что позволяет использовать на автоматических линиях описанный способ пластической деформации покровного материала.
Что касается пленки ПЭТ, то, как показали эксперименты, имеет место нелинейная упругая характеристика: при нагрузках на образцы меньше 4,7 Н не удалось определить деформацию образцов. При увеличении нагрузок на короткое время наблюдалась значительная упругая деформация, однако остаточная деформация практически равнялась нулю. С увеличением времени выдержки образца под нагрузкой от нескольких минут до нескольких часов имеет место текучесть и соответственно все увеличивающаяся остаточная деформация. Таким образом, рассмотренный способ сборки пу-
Таблица 1
Наименование материала Сечение образца, 2 мм2 База измерения, мм Разрушающая нагрузка, Н Остаточная деформация, мм Упругая деформация, мм Примечание: неразрушаю-щая статическая нагрузка
Алюпэт 15 х 0,04 52,0 49,53 7,43 1,57 При нагрузке ~30 Н остаточная деформация 0,2 мм
ПЭТ 16,7 х 0,03 48,61 44,70 4,61 1 При нагрузке ~30 Н остаточная деформация 0,1 мм
Микспап 16,7 х 0,05 48,30 59,53 0,17 0,39 При нагрузке ~50 Н остаточная деформация 0,04 мм
Рис. 4. Схема системы управления длительностью процес
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.