Регульований привід у механізмах пакувальних машин

Сучасний зразок пакувальної машини — це складна технічна система, до складу якої входити значна кількість функціональних модулів. Кожний модуль складається з вузлів та механізмів, робота яких взаємопов'пов'язана та узгоджена у часі. Однією з основних складових будь-якої пакувальної машини є привід.

Одні з перших зразків пакувального обладнання були обладнані централізованим приводом з одним двигуном. Механічний рух передавався по всій машині через виконавчі механізми і передачі з використанням розподільно керуючого валу. Така конструктивна схема набула широкого застосування у пакувальному обладнанні, де необхідно було забезпечити циклічність руху робочих органів для переміщення продукції, подачі пакувального матеріалу тощо. Для сучасних зразків обладнання, насичених мікропроцесорною технікою, така схема виконання приводу втратила своє значення, адже вона складна у виготовленні та експлуатації, вимагає значних матеріало - та енерговитрат тощо. Крім того, більш жорсткими стали вимоги до самої системи приводів.

Основними вимогами сьогодення для системи приводів можуть бути:
використання децентралізованої системи приводів,
забезпечення великого діапазону регулювання частоти обертання ротора двигуна (0.01-10 000 оборотів за хвилину),
плавні керування швидкістю руху робочих органів,
більші значення крутного моменту (пусковий обертальний момент до 500 Нм),
високі динамічні характеристики,
висока перевантажувальна здатність,
висока точність позиціювання.

Навряд чи є інший тип приводу, який відповідає цим вимогам та відображає зміну в технології краще, ніж сервоприводи. З їх появою на ринку машинобудування та подальшим удосконаленням завдяки позитивним особливостям вони набули широкого застосування. Сучасні сервоприводи виконують не лише основні функції приводів, а беруть на собі нові задачі, що формулюються системою керування.

Складність технологічного процесу пакування і підвищені вимоги до автоматизовуваних машин з коротким кінематичним циклом (100 і більше циклів за хвилину) вимагають високоякісних і високодинамічних сервоприводів, що суттєво впливає на вартість і якість виробництва. Складення програмне забезпечення означає, що кожен сервопривід в пакувальній машині представляє інтелектуальну децентралізовану систему приводів.

Головна особливість сервоприводу — наявність зворотного зв'язку між положенням ротора та положенням кодуючого пристрою на валу двигуна [1]. Іноді ця непряма інформація положення збільшена, або навіть замінена, прямимо вимірюванням положення елементів машини, що переміщаються. Кодуючий пристрій визначає точність всієї системи приводів.

В якості двигуна в конструкціях сервосистем використовують:
двігуні постійного струму
асинхронні та синхронні двігуні,
крокові двігуні
Типи двигунів для сервоприводів

Бачимо, що до складу сервоприводів входять: частотний перетворювач, двигун та датчик положення, який надає інформацію положення ротора.

Кроковий двигун — це електромеханічний пристрій, який перетворює електричні імпульси в дискретні механічні переміщення [4]. Крокові двігуні відносяться до класу безколекторних двигунів постійного струму. Як і будь-які безколекторні двігуні, вони мають високу надійність і великий термін служби. В порівнянні із звичайними двигунами постійного струму, крокові двігуні вимагають значно складніших схем керування, які повинні забезпечуваті всі комутації обмоток при роботі двигуна. Однією з головних переваг крокових двигунів є можливість забезпечення точного позиціонування і регулювання швидкості без датчика зворотного зв'язку. Це дуже важливо, оскільки такі датчики можуть коштувати набагато більше самого двигуна. Проте такі умови підходять тільки для систем, які працюють при малому прискоренні і з відносно постійним навантаженням. У тієї ж годину системи із зворотним зв'язку язком здатні працювати з великими прискореннями і навіть при змінному характері навантаження. Якщо навантаження крокового двигуна перевищить його завдань момент, то інформація про положення ротора втрачається і система вімагає базування за допомогою, наприклад, кінцевого вимикача або іншого датчика. Системи із зворотним зв'язку язком не мають подібного недоліку.

При проектуванні конкретних функціональних модулів пакувальних машин доводитися робити вибір між сервомотором і кроковим двигуном. Коли потрібне позиціювання і точне управління швидкістю, а необхідний момент і швидкість не виходять за допустимі межі, то кроковий двигун є найбільш економічним рішенням. Як і для звичайних двигунів, для підвищення момент може бути використаний редуктор або варіатор, однак для крокових двигунів вибір редуктора не завжди є вдалим технічним рішенням [5]. На відміну від колекторних двигунів, у яких момент зростає із збільшенням швидкості, кроковий двигун має більший момент на низьких швидкостях. До того ж, крокові двігуні мають набагато меншу максимальну швидкість в порівнянні з колекторними двигунами, що обмежує максимальні передаточне число і відповідно збільшення моменту за допомогою редуктора. Промислово виготовлені крокові двігуні з редукторами хоч і існують, проте не є масовим виробом. Ще одним фактом, що обмежує застосування редуктора, є властивий йому люфт (зазор в передачах).

На відміну від двигунів постійного струму, у двигунах змінного струму зменшуються витрати та зникає потреба в обслуговуванні деталей, що зношуються — комутатор і щітки відсутні. Враховуючи всі наведені особливості, двігуні постійного струму і крокові двігуні не набули широкого застосування і використовуються лише в особливих випадках. Широкого використання із сервоприводів набули асинхронні і синхронні двігуні змінного струму.

Разом з асинхронними двигунами, які набули ширшого використання, також використовують і двігуні, спеціально оптимізовані для використання із сервоперетворювачем. Датчики положення та кодуючі пристрої встановлюються на валу двигуна та з'єднання єднуються з електронікою відповідного частотного перетворювача серводвигуна. З метою утримання вала двигуна в необхідному положенні, в момент припинення подачі струму в конструкції двигуна передбачено встановлення гальмівного пристрою. Для захисту двигуна від перегрівання у частотному перетворювачі встановлено температурний датчик. Основна функція серводвигуна — перетворення електричної енергії в механічну, альо часто вони працюють як генератор в момент гальмування з можливою віддачею енергії гальмування тому в мережу живлення (регенеративне гальмування).
Асинхронний серводвигун
Проста конструкція ротора і економічність виготовлення асинхронних двигунів — причина їх широкого використання. Асинхронний двигун, який оптимізовано до функцій серводвигуна, має наступні переваги: високу максимальну швидкість, високу перевантажувальну здатність і низький момент інерції. Він став стандартним двигуном для багатьох зразків обладнання, працює з папером, полімерами тощо та використовується у всіх галузях промисловості.

Синхронні двігуні мають ту ж конструкцію статора, як асинхронні двігуні. Ротор повинен мати ті ж саме число пар полюсів, як статор, щоб розвинути достатній крутний момент. Його полюси створені постійними магнітами. Синхронні двігуні з постійними магнітами часто використовуються як серводвигуни завдяки високій потужності по відношенню при невеликих розмірах. Ці двігуні часто знаходять застосування у випадках, де потрібно забезпечити скоординований рух робочих органів при високих швидкостях їх руху. В таких режимах працюють промислові роботи, поперечні різаки, пакувальні машини тощо. Синхронний двигун, який оптимізовано для виконання функцій серводвигуна, має наступні переваги [2]:
високий крутний момент при малих розмірах;
високі значення прискорень;
висока ефективність.
Системи кодуючих пристроїв, що використовуються в двигунах, повинні забезпечуваті тривалу роботу пристрою без обслуговування. Кодовий датчик положення валу входити до складу привода і монтується на валу двигуна. Він з'єднання єднаний з електронікою частотного перетворювача серводвигуна за допомогою з'єднання єднувальних дротів. Кодуючий пристрій кутового положення дає можливість одержати позиційну інформацію, яка забезпечує точне позиціонування вала двигуна. Робота кодуючих пристроїв базується на використанні магнітних або оптичних сигналів. Кодові датчики поділяють на два основні типи: вирішальні і інкрементальні [1]. Обидві системи використовують додаткову електроніку, щоб перетворити кут повороту механічної системи в електричний сигнал.
Серводвигун, обладнаний вмонтованим контролером, — це повністю автоматизований пристрій позиційного керування. Легкість приведення у дію, аналіз та контроль декількох заданих параметрів дає мож ливість використовувати його як заміну двигунів з зовнішнім пристроєм позиційного керування з вбудова ною мовою програмування. Контролер чітко реагує на сигнали кінцевих вімікачів та інших двигунів, оцінює їх та забезпечує точне позиціонування робочих органів ма шин, у разі потреби вносячи необхідне автоматичне ко ригування.

Основний вирішальний чинник якості роботи серво системи — програмне забезпечення, що використо вується в частотному перетворювачі. Високоякісне прог рамне забезпечення може компенсувати невідповідності вихідних параметрів в двигуні або механічних компонентів тах передачі. За допомогою технологічного програмного забезпечення «Position control» Lenze 9300Servo можна переконфігурувати сервоперетворювач для вирішення будь - яких завдань позиціонування. При цьому користу вачу не обов'язково мати навички програмування. Прог рамне забезпечення (ПЗ) в он-лайн режимі просити опе ратора ввести необхідні дані про привід. ПЗ «Position control» передбачає можливість вибору декількох ре жимів роботи автоматична, ручна подачі, навчання. Це дає можливість легко і швидко змінювати параметри приводу в процесі налагоджування. Наладчик повинен ввести інформацію про механічні (передаточні числа, діаметри валів) та динамічні (швидкості, прискорення) параметри.

На сьогодні серводвигуни набувають все ширшого практичного застосування в приводах різноманітного об ладнання. У свою чергу, не є виключенням і пакувальні машини.


Подача рулонних пакувальних матеріалів та формуван ня з них тари або упаковки одна з основних задач, яку необхідно вирішувати під час пакування значного асортименту продуктів, адже продуктивність цих прист роїв здебільшого визначає продуктивність всієї пакуваль ної машини. Продуктивність більше 25 циклів за хвилину передбачає використання автоматичного режиму подачі та потребує синхронізації з основними функціональними модулями. При використанні механічних зв'язків це приз водити до ускладнення конструкції механізму подачі і ро боти двигуна в перехідних режимах. Використання сер водвигунів та частотних перетворювачів дає можливість спростити вузли подачі, забезпечити високу точність по зиціонування та синхронізації двох і більше потоків паку вальних матеріалів.
Пристрій розмотування та подачі плівкового матеріалу

Продуктивність дозувального пристрою віз начається тривалістю кінематичного циклу дозування. Оптимізація процесу заповнення досягається у випадку підтримання постійності годині формування дози з забез печенням необхідної швидкості переміщення продукту успоживчу тару. Застосування серводвигуна та сервопе ретворювача дає змогу спростити конструкцію дозатора та забезпечити безступінчату зміну об'єднання об'єму дози у не обхідному діапазоні залежно від потреб споживача та виду продукту. Використання мікропроцесора для керування приводом дозатора дає можливість зберігати до 8 запрограмованих режимів роботи пристрою, безступінчато переходіті до шкірного з них та регулювати динамічні та силові параметри процесу. Узгодження роботи серводвигунів конвеєра та дозатора забезпечує якість процесу дозування та дає можливість усунути втрати продукту.
Проаналізувавши принцип роботи та характеристику сучасних серводвигунів і врахувавши високий ступінь автоматизації на базі швидкісних мікропроцесорів із сучасним програмним забезпеченням систем керування сервосистемами можна визначити наступні тенденції розвитку пакувальних машин:
застосування сервоприводу — це шлях до найшвидшої системної автоматизації і забезпечення високої продуктивності обладнання;
сервосистема є основою модульного принципу будови функціональних модулів машин з можливістю швидкої переконфігурації обладнання;
сервосистема забезпечує високошвидкісну комунікацію з іншими технологічними лініями і засобами візуалізації технологічних процесів для інтеграції в АСУ ТП підприємства;
використання новітніх привідних систем — умова мінімізації механічних вузлів та скорочення експлуатаційних витрат.