包装设备中电机和气缸的研究

赵悦 河北省科技工程学校

一、电动机的选取

电动机是伺服控制系统的动力部件，它能够将电能转换成为机械能，它可以在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制，所以在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。常用的电动机有：步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直线电动机等等。

1. 步进电动机的工作原理

步进电动机是将电脉冲控制信号转换成机械角位移的执行元件。一个脉冲对应转过一个相应的步距角，只要控制输入的脉冲量、频率及电动机绕组通电相序就可以得到所需要的转角、转速及转向了。

2. 步进电动机的特点

①转向可以改变：改变通电顺序就可以实现。

②具有自锁能力：停止输入脉冲，只要维持绕组通电，电动机就可以保持在该固定位置上。

③不易受干扰：如电源电压的波动、电流的大小和波形的变化、温度等等都不易影响其正常工作，除非干扰未引起步了进电动机产生“丢步”。

④误差不会长期积累。

⑤易于直接与微机的I/O 接口，构成开环位置伺服系统。

3. 步进电动机的驱动控制

步进电动机的运行特性与配套使用的驱动电源紧密相关，驱动电源有环形脉冲分配器和功率放大器组成。

4. 步进电动机的选用

选用步进电动机时，首先根据要求计算精度所取步距角的范围及大致转数，初步考虑步距角的选取并参考电气技术数据表和力矩测试数据表考虑此电动机是否为最佳选择；再根据机械结构，计算机械传动装置及负载折算到电动机轴上的等效转动惯量，然后分别计算各种情况下所需要的等效力矩，再根据步进电动机最大静转矩和起动、运行矩频等特性选择合适的步进电动机。

为了实现包装技术，在整个装置中选用了适量的步进电动机，下面对电动机选用做详细分析：

（1）精度分析

(2）转数分析

根据设备在中送料速度，用送料速度与送料辊周长成正比关系算的每秒的转数。查看步进电动机力矩测试数据说明，分析合理转速。

(3）受力分析

分析整个工艺流程中的受力,如果步进电动机能够实现要求的过程,步进电动机能提供的拉力和克服的惯性力、阻力、摩擦力。

(4）校核

为了使步进电动机具有良好的起动能力和较快的响应速度就要满足它的两个匹配条件：

经查步进电动机表得到步进电动机的最大静转矩，步进电动机转子的最大转动惯量,经过检验都符合要求，从而选取相应型号的电动机。

二、气缸的选取

1. 气压传动系统的工作原理

利用空气压缩机将电动机或者其他原动机输出的机械能转变为空气的压力能，然后在控制元件的控制和辅助元件的配合下，通过执行元件把空气的压力能转变为机械能，从而完成直线或回转运动并对外做功。

2. 气压传动系统的组成

气压传动系统由发生装置、控制元件、执行元件、辅助元件组成。发生装置完成能量的转换，将机械能转化为压力能。控制元件是利用压力阀、流量阀、方向阀等控制压缩空气的压力、流量、气流方向等来确保气压传动正常运作。执行元件同样是能量转换装置，它将气体压力能转化为机械能。辅助元件是在气压传动过程中完成气体净化、元件润滑、连接和消声等辅助空气正常运行的装置。

3. 气压传动的特点

(1）优点：介质为空气，容易获得；排气流向大气中，处理方便环保；空气粘度为液压油粘度的万分之一，空气流动损失小，压缩空气可集中供气，远距离输送；相对液压传动而言，气动动作迅速、反应快，一般只需要0.002—0.3 秒就可达到工作压力和速度；气体压力具有较强的自保持能力，即使压缩机停机，关闭气阀，但装置中仍然可以维持一个稳定的压力；气动元件可靠性高、寿命长；具有良好的工作环境适应性，即使工作在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣环境中；气动装置结构简单、成本低、维护方便、过载能自动保护。

(2）缺点：因空气的可压缩性较大，气动装置的动作稳定性较差；工作压力较低，因而输出力和力矩受到了限制；气动装置中的信号传动速度比光电控制速度慢，气动系统噪声很大；工作介质空气本身没有润滑性，需另加装置进行给油润滑。

4. 气缸类型的选择

包装机械中的气动执行元件都是由气缸来实现的。气缸是一种内部有活塞，并且允许活塞上下往复的容器，通过里面的气体、缸径直径和活塞杆直径来确定活塞杆上的推力和拉力。应用气缸主要是用来实现切断机构和夹持机构直线往复运动的。按工作原理来划分，气缸分为单作用和双作用两种。单作用气缸仅有一腔通入压缩空气，压缩空气只能使柱塞向一个方向运动。与单作用气缸相比，双作用气缸可使活塞向两个方向运动。单作用活塞气缸多用于短行程，且推力及运动速度都不能过大，一般在气吊、定位等情况下可使用。

5.负载大小

气缸工作过程中产生推力和拉力。作用在不同的物体上，力的大小不同，选择的气缸型号也就不同。一般均按外载荷理论平衡条件所需气缸作用力，根据不同速度选择不同的负载率，使气缸输出力稍有余量。

6.确定缸径

气缸的缸径选择很重要，缸径过小，无法满足物体规定的动作。缸径过大，这样成本又会提高,设备又沉重笨拙，严重浪费资源。

气缸的缸径简化计算：

活塞杆伸出时驱动理论负载——推力公式：

D——活塞直径

P——工作压力

活塞杆缩回时驱动理论负载——拉力公式：

d——活塞杆直径

7. 行程大小

气缸的行程与机构的行程有关，同样使用场合的不同影响其大小。同过设计时计算各个机构的行程，来确定气缸的行程范围。多数情况下不应使用满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构，为保证加紧效果，必须将行程多加10mm 至20mm 的行程余量。

8. 气缸辅助元件的选择

气动辅助元件是气动系统的连接元件，主要用于对空气压缩机产生的压缩空气进行降温、净化、稳压、干燥等，以提高系统的可靠性和使用寿命。常用的气动辅助元件有气动三联件(分水滤气器、减压阀、油雾器)、消音器、干燥器、压力继电器等。

9. 气缸的选取

根据结构可选用气缸的机构，其结构的选择主要考虑设备的负载力。分析气缸推力的情况时，则需要满足：重力+推力 惯性力+执行力。分析气缸拉力的情况时，需要满足安全系数1.2，即需要满足：拉力 （重力+惯性力） 1.2。

本文中对包装机械中合理选择电机和气缸进行研究分析，对于多种包装设备中动力机构部分的选择和改进提供了更多信息。