纸浆模塑餐具生产中整线气动控制系统的设计.pdf

2 0 1 2年 1 O月 第 4 O卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUU CS Oc t ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 0 ． 0 2 9 纸浆模塑餐具生产中整线气动控制系统的设计 邢静 宜 内蒙古科技 大学，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0 摘要气动控制系统是纸浆模塑餐具自动生产线中的重要环节。介绍了全 自动纸浆模塑生产线的生产工艺过程 ，详细 描述了纸浆模塑生产线气动系统的工作过程及系统的组成。通过气动控制可 以实现物料的大批量转移，减少工作人员，同 时可以提高工作效率 ，方便大规模生产 ，增加企业的效益。 关键词 纸浆模塑生产线 ；工艺流程；气动控制 中图分类号 T B 4 8 4 ． 1 文献标 识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 】2 0 0 9 6 4 De s i g n o f Pne u m a t i c Co n t r o l S y s t e m f o r M o l d e d Pul p Ta bl e wa r e Pr o d uc t i o n Li n e XI NG J i n g y i I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，B a o t o u I n n e r Mo n g o l i a 0 1 4 0 1 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e p n e u ma t i c c o n t r o l s y s t e m i s t h e i mp o r t a n t l i n k o f w h o l e p r o d u c t i o n l i n e o f p u l p mo l d i n g t a b l e wa r e ． Th e p r o d u c t i o n p r o c e s s o f t h e a u t o ma t i c p u l p mo l d i n g p r o d u c t i o n l i n e wa s i n t r o d u c e d ． T h e wo r k p r o c e s s a n d t h e s y s t e m c o mp o s i t i o n o f t h e p n e u ma t i c s y s t e m o f t h e p u l p mo l d i n g p r o d u c t i o n l i n e w e r e d e s c r i b e d i n d e t a i l ． T h r o u g h p n e u ma t i c c o n t r o l ， t h e ma t e r i a l ma s s t r a n s f e r c a n b e r e a l i z e d，wo r k e r s q u a n t i t y i s r e d u c e d， a n d w o r k e ffi c i e n c y i s i mp r o v e d，ma s s p r o d u c t i o n i s c o n v e n i e n t ， t h e e f fi c i e n c y o f e n t e r p r i s e s i s i n c r e a s e d． Ke y wo r d s P u l p mo l d i n g p r o d u c t i o n l i n e；T e c h n o l o g i c a l p r o c e s s ； P n e u ma t i c c o n t r o l “ 绿色包装”主要是指对生态环境和人体健康无 害，资源可循环复用和再生利用、促进可持续发展的 包装。“ 绿色包装”材料 包括可食性材料 、可降解 材料 可降 解 回归 大 自然 。由于纸 包装 材 料可 完全 降解 ，废弃物回收价值大，符合环境保护的要求 ，已 成为 国际流 行 的 “ 绿 色包 装 ” 的主要 材料 。纸 浆模 塑制 品的 出现是 纸包 装 的一 次重 大 飞跃 ，它 具有 防 潮、防霉、防静 电、防水、防油 、耐热、无 毒、无 味、良好的缓冲性等优点。其原料为资源丰富的可再 生植物纤维 ，废弃物在 自然环境中易腐烂、分解，最 终被 自然界 消化 、吸收 ，制 品广泛应用于工业产品与 农副产品的包装及食品容器 如餐具 。纸浆模塑制 品成为 目前公认的E P S 包装物品的理想替代品。 1 纸浆模塑餐具的生产工艺描述 1 ． 1 工 艺流程 纸浆模塑餐具全 自动生产线的工艺流程如图 1 ， 主要包括浆料制备、成型、湿坯转移、烘干定型及成 品转移等主要环节。浆料制备为将浆板与少量水混合 后在磨浆设备中捣碎成浆液，然后由浆泵抽入调浆池 后加入助剂 ，采用计算机控制 自动加人白水调成所需 浓度 ，再抽 入贮 浆池中备 用。成 型过程包括成 型下模 下移浸入贮浆池中 2 S 吸浆 2 S 后上移到中位 1 S ，通真空进行脱水 7 S ，而后成型下模继续 上移到高位 1 S 与上模 闭合将湿坯挤压成 型 4 S ，此时成型下模吹气 ，上模通真空将湿坯吸到上模 上 1 S 。成型结束后成型下模继续下降吸浆 4 S ，而成型后的湿坯 由成型上模在水 平移动气缸 的作 用下转移到烘干工位 4 S 。烘干时，成型上模移到 烘干下模 的上方 ，热下模上升接湿坯 1 S ，上模 吹 气 ，下模吸气 1 s ，然后热下模下降回位 1 s ， 成型上模回位 4 S 。热压下模上升与固定热压上模 闭合 4 s 烘干湿坯 2 0 S 。烘干完成后，热压下 模 回位 4 s ，气控机 械手到达热模上方 2 S ，小 气缸下降接触热坯 1 S ，吸盘吸气热下模吹气 1 S ，小气缸上升 1 s ，机械 手 回位 2 S ，机 械手 吹气 1 s ，成 品落下转 入包装 线 ，最后 进行 检验 、 包装 、入库 。 图 l 纸浆模塑生产线工艺流程 1 ． 2 纸浆模塑餐具成型工作循环图 由纸浆模塑生产工艺过程可知 ，纸浆模塑成型及 热压是一个典型的顺序控制系统。图2为成型部分工 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 2 6 作者简介 邢静 宜 1 9 7 9 一 ，女 ，硕士 ，讲 师 ，研究方 向为机械电子。E m a i l x i n g j i n g y i 1 6 3 ． c o m。 第 2 0期 邢静宜纸浆模塑餐具生产中整线气动控制系统的设计 9 7 作循环图。纸浆模塑制品的成型、转移、 落料等需要 真空 和高压两类气源 。因此 ，成型模和转移模两个运 动部件的驱动采用气动形式不仅可以满足要求 ，而且 简单、经济。并且成形是保证制品质量的关键，每一 工位工作 时间的长短 ，会对 整条线的循 环时间带 来影 响，这是因为为了避开用电高峰，根据循环图中的各 工位用电量，机组间交错工作 ，能量会得到有效的利 用 。 a 湿坯 冷 成型 2 气动控制系统设计 2 ． 1 整线气动原理 图 c 湿 坯 转移 取 料机 械 手前 进 b 热 压成 型 d 成 品转 移 图2 成型部分工作循环图 通过对整线气动的描述，现设计纸浆模塑餐具全 自动生产线的气动原理图，如图3所示。 图3 整线气动控制原理图 这套整线控制系统的气源是空气压缩机和真空 可取代液压泵等复杂的机械液压装置。 泵，执行元件是机械手，控制元件是一些 阀。通过 P L C对电磁换 向阀进行控制 ，进而完成所有 的规定动 作。下面简单介绍整线气动控制原理图中各个部分。 2 ． 2气液 增压 缸 气控 回路 气控回路系统由 1 个两位五通阀、1 个气控差压 控制阀、4 个单向阀、4个节流阀和 1 个溢流阀组成， 如 图 4所示 。 气液增压缸的优点 1 能将 0 ． 4～ 0 ． 6 MP a低压气体很方便地转换 成高压气体，压力可达 8～1 5 M P a ，从而使夹具外形 尺寸小 ，结构紧凑；传递总力可达 1～8 1 0 N， 图4 气控回路 2 由于一般夹具的动作时间短，夹紧工作时间 长，采用气液增压装置的夹具，在夹紧工作时间内， 9 8 机床 与液压 第 4 0卷 只需保持压力而无需消耗流量，在理论上是不消耗功 率的，这一点是一般液压传动夹具所不能达到的。 3 油 液 只在 装 卸 工件 的短 时 间 内流 动 一 次 ， 所 以油温与室温接近 ，且漏油很少 。 在该全 自动生产线 中成型部分和热压定型部分都 采用了气液增压缸带动模具 闭合以去除游离水 ，当凹 凸模闭合后，要求对坯料施以压力 约 1 2 0 0 0 X9 ． 8 N 。如果用普通 气缸 ，缸 径 应 以所 需 压力 1 2 0 0 0 X 9 ． 8 N设计 ，缸径 n一／ 普通 一 啊阳 式中F 1 2 0 0 0 9 ． 8 N 实验求出 ； P为气工作压力 ，P 0 ． 4 MP a ； 叩为气缸工作效率 ，取 叼 8 0 ％。 代人 数据得 D ； 4 x 1 2 0 0 0 x9 ． 8 6 8 4 mm 普 通 一 √j ．1 4 0． 41 0 0 ． 8一 I I n 从 以上数据可 以看 出明显不满足生产线的空间要 求 。采用增压缸 ，内径 n一堕 增 压 一 、／ 1 T p “ 式中F l 2 7 2 ． 2 X 9 ． 8 N 实验求出 ； 代 人数值 可得 D ／ f 4 x _ l 2 7 _ 2 ． 2 x 69 _8 - 增 压 √ j ． I q u ． 斗 l u u ． ． 2 2 2 m ln 所 以 ⋯ 6 8 4 2 9 D 一2 2 2 一 ‘ 普通气缸耗气量是增压气缸的9 ． 5 倍。可见，采 用增压气缸大幅度降低了压缩空气的耗气量 ，降低了 生产成本 。 2 ． 3气缸 数量 的确 定 1 从机 械手 的 尺寸 以及 为了保证 冷 上下模 挤 压湿坯时不出现压力不足的现象，设计用两个气缸来 使冷成型下模实现上下运动 冷成型下模用 4根导 杆定位 以实现上下运 动 ，热成型下模用 4根导杆定 位 以实现上下运动 。为 了实现冷成型下模上下运动， 作者用杠杆来处理以防止纸浆对两气缸的污染。气缸 与模具简 图如 图 5 所示 。 2 水平气 缸 由于有 三角 导轨 定位 ，直接 用两 个 即可 。 3 热成型下模处气缸行程较小，但在压制餐 盒时要求输出非常大的力才能使餐盒热压成型，所以 用两个气缸 。 4 机械 手处 用两 个气 缸 ，采 用三 角导 轨定 位 以实现其前后 运动。 气 图5 气缸与模具简图 5 吸盘处小气缸 固定在托板上，数量 为 4 O 个 。除冷成型下模 和热 压下模 处为气液增压缸外 ，其 他气缸均采用缓冲型气缸。 缓冲型气缸的工作原理及作用当活塞运动到接 近行程末端时，缓冲柱塞进入主排气孔，堵死主排气 通道，活塞开始进入缓冲行程。活塞再行进时，排气 腔内的剩余气体只能从节流孔排出。由于排气不畅， 排气腔中的气体被活塞压缩，使活塞的运动速度逐渐 减慢 ，起 到缓 冲作用 。缓 冲气缸实际上是利用空气被 压缩来吸收运动部件的动能达到缓冲目的。在节流孔 处安装可调节 的节流 阀 ，可实现可调节缓 冲气缸 。为 了保证气缸正常启动，还需在进气 口处装上只进不出 的单 向阀。 一 个普通气缸，当活塞运动接近行程末端时，由 于具有较高的速度，如不采取适当措施，将会产生很 大的冲击力撞击端盖 ，引起振动或损坏机件 ，特别是 行程较长的气缸。为了使活塞能够平稳地靠近端盖而 不发生冲击，可以在气缸内部加上缓冲装置。 6 系统压 力和执 行元 件类 型 。该 系 统为 一般 的气动系统，故选系统压力为 0 ． 4 M P a ，而真空度为 5 0 k P a ，执行元件为气缸 ，冷成型下模和热成型下模 采用气液增压气缸。水平缸采用后法兰单杆双作用式 气缸 ，小气缸采用基本型 。 7 气液增压缸 的规格确定 内径 D的计算公式⋯为 式 中 D 为气缸直径 ； 叼 ， 为气缸负载率，对气液增压缸 r ／ ，0 ． 8～ 0 ． 8 5 ；对普通气缸 0 ． 7～0 ． 3 静载荷取大值， 动载荷取小值 ； P为气压系统的公称压力，由贮气罐后的减压 阀确定 。 取 叼 0 ． 8 ，所以冷成型下模气 缸 同理 ，冷成 型上模水平气缸 第 2 O期 邢静宜 纸浆模塑餐具生产中整线气动控制系统的设计 9 9 DB 热成型下模气缸 0 ． 0 3 5 3 m ／ 4 9 ． 8 √ 经查资料可知导轨摩擦因数， 机械 手水平缸 ／ 4 9 ． 8 2 0 7一 o ． 1 D 。 √ 机械手总质量 m2 0 7 k g 。 吸盘处小气缸 √ 0 ．1 5 8 m 0 ． 1。 0 ． 0 2 5 4 1 T I 0． 0 O 4 i n 小气缸克服阻力大约 F≥1 0 N 。 以上公式参考文献 [ 2 ] 。 可确定 各气缸 的型号为 冷成型下模气液增压气缸行程 s 2 0 0 m i l l ； 型 号 J L A - 1 0 0 ． 2 0 0 - 1 5 E ． 1 3 ；活塞 杆 直 径 4 5 m m；数 量 2个 ； 东莞久力产 品 ； 冷成型上模水平气缸 行程 s 1 2 0 0 m m； 型号 C D G I B A 6 3 1 2 0 0 ； 磁性开关 D ． H 7 B L ；活塞杆直径 担0 m i l l ； 数量 2个； S MC产品； 吸盘处小气缸 行程 s 6 0 m m； 型号 C D J 2 B 1 6 6 0 A； 磁性开关D F 7 9 L；活塞杆直径4 , 5 m m；数 量 4 0 个 ； S MC产 品。 3 系统气量的计算 在此全 自动生产线的一个工作周期内，由压缩空 气推动活塞并完成各步骤。在此过程中冷成型下模气 缸完成双行程 ，故其气缸的压缩空气耗气量为 Q 弘2 o ． 5 1 O m ／ Q 2 一d i 0 ． 1 6 0 一 0 0 4 5 4 1 1 0 一m 3 ／ s 在此过程中冷成型上模气缸完成双行程 ，故其气 缸 的压缩空气耗气量为 Q Ⅷ 弘 o ． 。 6 3 2 x 8 ． 31 0～ m ／ s Q w 詈 。 一 d 0 0 6 3 _0 - 0 2 0 7 51 0一m3 ／ s 在此过程中热成型上模气缸完成双行程 ， 缸的压缩空气耗气量为 Q 岫 4q f 一／- } 2 f S 3 丁 ． 1 4 6 1 ． 2 1 0～ m ／s 故其气 4 ． 5 Q 詈 。 2c d 了3 ． 1 4 0 ． 16 0 一 0 0 4 5 4 1 1 0 m 3 ／ 机械手水平缸完成双行程，故其气缸的压缩空气 耗气量为 Q Ⅷ 丁3 ． 1 4 x 0 ． 0 5 z x 1 ． 2 1 ． 31 0～ m ／s Q m 寻 。 一 d 3丁 ． 1 4 0 ． 0 5 2 - 0 ． 0 2 6 1 1 0 ～m 3 ／ 小气缸完成双行程，故其气缸的压缩空气耗气量 为 Q Ⅷ w D 2 s 3下 ． 1 4 0 ． o 1 6 。 。 1 0～ m ／s Q 磁 I t 2一 2 丁3 ． 1 4 。 ．01 6 一 o ． 0 _ 3 ． 51 0 ～m 式中Q O Q 、Q 卟 Q 分别为各气缸在5 12 作行程中的压缩空气耗气量 m ／ s ； t 、t t 、t 。 、t 分别为各气缸在5 1 2 作行程中 相应活塞杆的单行程时间 8 ； 卵 为气缸的容积效率，叼 0 ． 9 。 所以上述各气缸的 自由空气耗气量为 Q 、 ， 4 ． 5 1 0 一 4 ． 1 1 0 一 2 8 ．51 0- - m， ／s 0． 1 01 3 。 。 ’ ⋯ Q v B 8 ． 3 1 0 7 ． 5 Q 一 三 1 ．6 01 0- - ms ／s 0． 1 01 3 ‘ ⋯ Q v c 4 ． 5 1 0 4 ． 1 Q 8 ．51 0- ms ／ 0． 1 01 3 。 ‘ ’ ⋯ P v D 1 ． 3 1 0 一 1 ． 1 Q 2 ．4 01 0- ．ms ／s 0． 1 01 3 一 ‘ “ 。 Q v E 4 ． 0 1 0 3 ． 5 Q i ．4 81 0- m， ／s 0． 1 01 3 ’ 。 ’ ⋯ 1 0一 、 2 1 0一 2 1 0一 。、 2 1 0一 1 4 0 下转第 1 0 2页 1 0 2 机床与液压 第4 0卷 不相配合，造成流体难以回流，故导致能量损失较 大而效率低，与图3所示效率曲线相符。 f a 叶轮转速为5 5 0 0 r ／ rai n b 叶轮转速为4 5 0 0 r ／ rai n 图4 流量为2 4 L ／ m i n时叶轮处流体速度向量图 4结论 利用 C A T I A软 件建立 心室 辅助 器用 离心 式 电液 驱动器叶轮模型 ，然后导入 F L U E N T软件对其中的液 体流场进行分析 ，表明叶轮转速为5 5 0 0 r ／ m i n 、驱动 器输出液体的流量在 l 2～3 0 L ／ ra i n内时，压力可达 到2 6 ． 6 k P a 2 0 0 m m H g ，工作效率可超过 8 0 ％。 参考文献 【 1 】WE S T E R HO F N， E L G I N G A G， S I P K E MA P ． A n A r t i fi c i a l A r t e r i a l S y s t e m f o r P u m p i n g H e a rt s [ J ] ． J o u r n a l o f A p p l i e d P h y s i o l o g y ， 1 9 7 1 ， 3 1 5 7 7 6 7 8 1 ． 【 2 】A L L A I R E P E， WO O D H G， A WA D R S ， e t a 1 ． B l o o d F l o w i n a C o n t i n u o u s F l o w V e n t r i c u l a r A s s i s t D e v i c e [ J ] ． A r t m c i a l O r g a n s ， 1 9 9 9 ， 2 3 8 ． 【 3 】WR I G H T T e r r y ． F l u i d Ma c h i n e r y P e r f o r m a n c e ， A n al y s i s ， a n d D e s i g n [ M] ． B o c a R a t o n C R C P r e s s ， 1 9 9 9 ． 【 4 】 周江林 ， 王新华， 王思民， 等． 液压驱动往复泵压力特性 的理论与实验研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 0 ， 3 8 9 2 9 33． 【 5 】 李笑 ， 梁超寰， 关婷． 膀胱动力泵排尿动力特性影响因素 实验分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 5 4 6 ． 【 6 】杜强， 林江海， 魏修亭， 等． 基于 U G N X的离心泵叶轮叶 片三维造型系统开发 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 2 1 11 4 1 1 6． 上接第9 9页 而整个气动系统 一台设备 ． 在一个工作周期 内的平均 空气耗气量按下式计算 寺 { 【 孙tji ] } m 。 ／ s ； 为一个工作周期 s ； q 、 分别为一台设备中第 只气缸第 次单 程动作的自由空气耗气量 I l l ／ S 、动作时间 s ； n为一台设备中参加动作的气缸数； 式中q 为一台设备一个周期内的平均 自由耗气量 m为每只气缸的单行程动作次数。所以 2 ． 7 61 0- - m， ／ f 654212 ’ ’ ⋯ 以上公式参 考文献 [ 1 ] 。 【 2 】 成大先． 机械设计手册 气压传动[ M] ． 5 版． 北京 化学 在此 全 自动生产线 的一个 工作周期 内 ，根据 以往 的设计经验 ，系统的气量是完全符合标准的。 4结束语 纸浆模塑餐具生产线是生产绿色环保餐具的必备 设备之一 。气动控制系统是纸浆模塑餐具整个生产线 的重要环节。通过气动控制可以实现物料的大批量转 移 ，减少人员的使用数量，同时可以提高工作效率， 方便大规模的生产，增加企业的效益。 参考文献 【 1 】方昌林． 液压、 气压传动与控制[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ． 2 0 0 1 ． 工业 出版社 ， 2 0 1 1 ． 【 3 】 霍李江 ， 王晓敏． 我国纸浆模塑制品生产现状及发展对 策[ J] ． 包装世界 ， 2 0 0 1 4 ． 【 4 】 李江平． 纸餐具注射压缩成型技术的研究 [ J ] ． 模具工 业 ， 2 0 0 0 6 ． 【 5 】芮延年． 液压与气压传动[ M] ． 苏州 苏州大学出版社 ， 20 05． 【 6 】H O F F M A N N J o h n ． C o m p r e s s i o n a n d C u s h i o n i n g C h a r a c t e r - i s t i c s o f Mo u l d e d P u l p P a c k a g i n g [ J ] ． P a c k a g i n g T e c h n o l o gy a n d S c i e n c e ， 2 0 0 0 ， 1 3 5 2 1 1 2 2 0 ． 【 7 】田恒增． 我国食品与包装机械市场预测 I [ J ] ． 包装与 食品机械， 2 0 0 2 1 1 5 ．