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旋紧机构及其控制方法

文献发布时间:2023-06-19 15:33:48



技术领域

本发明涉及机械设备技术领域,特别是涉及旋紧机构及其控制方法。

背景技术

随着伺服电机技术应用的日益广泛,灌装行业中瓶盖的旋紧机构已发展为以伺服电机作为旋盖动力,带动装有夹盖抓爪的主轴旋转,以达到旋紧瓶盖目的,且旋盖扭力能根据不同工况可调。此类旋盖机构现有两种结构,一种是伺服电机直联带动装有机械抓爪连杆机构的旋转主轴夹盖旋紧;一种是伺服电机通过同步轮带间接带动装有气动抓爪的旋转主轴夹盖旋紧。相比较,前者伺服电机跟旋转主轴直接连接,机构简单传动效率高,但抓盖部分机械抓爪连杆机构结构复杂,维修不便;后者抓盖部分采用气动抓爪结构简单,但伺服电机无法直接连接旋转主轴,需增加同步带轮做过渡带动旋转主轴,机械部分占用空间大,结构相对笨重且生产制造成本高。

发明内容

基于此,有必要针对上述问题,提供一种体积小巧且工作效率高的旋紧机构及其控制方法。

一种旋紧机构,包括驱动组件、定子组件、转动组件和夹持组件,所述驱动组件用于安装在安装架上;所述定子组件上形成有驱动腔,所述驱动组件的传动轴穿设在所述驱动腔内,所述定子组件用于连接气管;所述转动组件连接在所述驱动组件的传动轴上,所述驱动组件的传动轴能够驱动所述转动组件相对所述定子组件转动,所述转动组件能够抓取瓶盖;所述夹持组件用于夹持瓶体。

在一个实施例中,所述旋紧机构还包括升降组件,所述升降组件用于安装在所述安装架上,所述升降组件和所述驱动组件相连接,所述升降组件能够带动所述驱动组件沿所述旋紧组件朝向或远离所述夹持组件的方向移动。

在一个实施例中,所述驱动组件包括电机、联轴器和传动轴,所述电机用于安装在所述安装架上,所述联轴器安装在所述电机上,所述传动轴能够转动地穿设在所述驱动腔内,所述传动轴的两端分别连接所述联轴器和所述转动组件,所述电机带动所述联轴器转动驱动所述传动轴在所述驱动腔内转动,并使所述转动组件转动。

在一个实施例中,所述定子组件包括连接主体、轴承和气管接头,所述连接主体内贯穿形成有所述驱动腔,所述轴承设置在所述驱动腔内,并套设在所述传动轴上,所述气管接头设置在所述连接主体的外表面上,所述气管接头用于连接气管。

在一个实施例中,所述转动组件包括转动件和旋紧件,所述转动件上设置有凸台,所述传动轴上开设有凹槽,所述转动件的凸台能够卡设在所述传动轴的凹槽中,所述凹槽和所述凸台的中心均位于所述传动轴的中心轴线上,所述旋紧件设置在所述转动件背向所述传动轴的一侧面上,所述旋紧件能够抓取瓶盖,所述传动轴能够驱动所述转动件转动并带动所述旋紧件转动。

具体地,所述旋紧件为三爪气缸,所述转动件为三爪气缸安装座,所述三爪气缸通过螺钉连接固定在所述三爪气缸安装座上。

一种旋紧机构的控制方法,包括以下步骤:

在所述驱动组件中设定转速信息,调节所述转动组件抓取瓶盖,调节所述夹持组件夹持瓶体;

设定所述驱动组件的扭力阈值,初始状态下所述驱动组件的扭力数值为零;

执行所述驱动组件中的转速信息,所述驱动组件驱动所述转动组件转动,并检测所述驱动组件的所述扭力数值;

当所述扭力数值逐渐上升至所述扭力阈值时,所述驱动组件的转速逐渐下降,直至为零。

在一个实施例中,所述当所述扭力数值逐渐上升,所述驱动组件的转速逐渐下降,直至为零,之前包括:

设定所述驱动组件的减速阈值;设定所述驱动组件在达到所述扭力阈值后的转动距离为转动阈值;

通过减速阈值和转动阈值进行PID运算,得出所述驱动组件的转速参考值;

设定驱动组件的扭力目标值,检测所述驱动组件的扭力信息为扭力测量值;

通过所述扭力目标值和所述扭力测量值再次进行PID运算,得出所述驱动组件的第一输出值。

在一个实施例中,所述通过所述扭力目标值和所述扭力测量值再次进行PID运算,得出所述驱动组件的第一输出值,之后还包括:

当所述第一输出值大于零时,将所述扭力目标值输出得到所述第二输出值;

当所述第一输出值小于零时,将所述第一输出值取相反数后输出得到所述第二输出值;

所述扭力目标值和所述第二输出值的比值为偏差百分数,所述转速参考值与所述偏差百分数的乘积为实际转速输出值。

在一个实施例中,所述执行所述驱动组件中的转速信息,所述驱动组件驱动所述转动组件转动,并检测所述驱动组件的所述扭力数值,包括:

所述旋紧机构还包括控制器,所述驱动组件和所述控制器通过串口RS485连接,所述驱动组件和所述控制器的通讯方式为MODBUS;

检测所述扭力数值的频率为0.02秒/次;

所述控制器在获取扭力数值后,将所述扭力数值与前十次所述扭力数值对比,并判断所述驱动组件是否达到所述扭力阈值。

上述旋紧机构及其控制方法,在转动组件抓取瓶盖,夹持组件夹持瓶体。转动组件上的瓶盖对准夹持组件上的瓶体,驱动组件驱动转动组件转动,带动瓶盖转动继而实现瓶盖拧紧的效果。同时由于驱动组件的传动轴穿设在定子组件的驱动腔内,使得转动组件能够相对定子组件转动,而定子组件上连接有气管,能够避免转动带来的气管缠绕问题,继而提高了旋紧机构的实用性。同时,旋紧机构结构简洁紧凑,占用空间小,传动效率高,能够进一步提高旋紧机构的可靠性。

本旋紧机构的控制方法采用实时变速的减速阈值与扭力双重PID减速算法,反馈扭力值越大减速越快,剩余转动阈值越小减速越慢,直到驱动组件完全停止。能有效消除因旋盖速度过快造成的瓶身变形应力,减少瓶身夹紧气缸手指胶片磨损。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中的旋紧机构的结构示意图;

图2为图1实施例中的旋紧机构的剖视图。

图中各元件标记如下:

10、旋紧机构;100、驱动组件;110、电机;120、联轴器;130、传动轴;200、定子组件;210、连接主体;211、驱动腔;220、轴承;230、气管接头;300、转动组件;310、转动件;320、旋紧件;400、夹持组件;500、升降组件;600、瓶体;700、瓶盖;800、安装架。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

参阅图1和图2,一实施例中的旋紧机构10,包括驱动组件100、定子组件200、转动组件300和夹持组件400,驱动组件100用于安装在安装架800上;定子组件200上形成有驱动腔211,驱动组件100的传动轴130穿设在驱动腔211内,定子组件200用于连接气管;转动组件300连接在驱动组件100的传动轴130上,驱动组件100的传动轴130能够驱动转动组件300相对定子组件200转动,转动组件300能够抓取瓶盖700;夹持组件400用于夹持瓶体600。

转动组件300抓取瓶盖700,夹持组件400夹持瓶体600。转动组件300上的瓶盖700对准夹持组件400上的瓶体600,驱动组件100驱动转动组件300转动,带动瓶盖700转动继而实现瓶盖700拧紧的效果。同时由于驱动组件100的传动轴130穿设在定子组件200的驱动腔211内,使得转动组件300能够相对定子组件200转动,而定子组件200上连接有气管,能够避免转动带来的气管缠绕问题,继而提高了旋紧机构10的实用性。同时,旋紧机构10结构简洁紧凑,占用空间小,传动效率高,能够进一步提高旋紧机构10的可靠性。

旋盖机构现有两种结构,一种是伺服电机直联带动装有机械抓爪连杆机构的旋转主轴夹盖旋紧;一种是伺服电机通过同步轮带间接带动装有气动抓爪的旋转主轴夹盖旋紧。相比较,前者伺服电机跟旋转主轴直接连接,机构简单传动效率高,但抓盖部分机械抓爪连杆机构结构复杂,维修不便;后者抓盖部分采用气动抓爪结构简单,但伺服电机无法直接连接旋转主轴,需增加同步带轮做过渡带动旋转主轴,机械部分占用空间大,结构相对笨重且生产制造成本高。而本实施例中的旋紧机构10结构简洁紧凑,占用空间小,传动效率高,能够进一步提高旋紧机构10的应用范围和实用性。

在一个实施例中,旋紧机构10还包括升降组件500,升降组件500用于安装在安装架800上,升降组件500和驱动组件100相连接,升降组件500能够带动驱动组件100沿旋紧组件朝向或远离夹持组件400的方向移动。升降组件500能够在开始工作时将驱动组件100、定子组件200和转动组件300抬起,便于转动组件300对瓶盖700进行夹取。在夹取到瓶盖700后,升降组件500下降使瓶盖700和瓶体600接触,驱动组件100转动使瓶盖700拧紧。然后驱动组件100停止转动,升降组件500再次抬起转动组件300等相关组件,准备已旋紧瓶盖700的瓶体600流转至下一个工位,旋盖结合。升降组件500准备下一次旋紧操作。升降组件500提高了旋紧机构10的实用性和自动化率,进一步提高了瓶盖700旋紧效率和稳定性。

在一个实施例中,驱动组件100包括电机110、联轴器120和传动轴130,电机110用于安装在安装架800上,联轴器120安装在电机110上,传动轴130能够转动地穿设在驱动腔211内,传动轴130的两端分别连接联轴器120和转动组件300,电机110带动联轴器120转动驱动传动轴130在驱动腔211内转动,并使转动组件300转动。

具体地,电机110为伺服电机。联轴器120为弹性联轴器120。弹性联轴器120是一体成型的金属弹性体,通常由金属圆棒线切割而成,常用的材质有铝合金、不锈钢、工程塑料,适合于各种偏差和精确传递扭矩。弹性联轴器120含有预压橡胶的弹性化合物,可提供额外强度,延长使用寿命。其中橡胶成分主要用于减震,使动力传输流畅、安静,从而保护驱动力以及驱动机器。由于橡胶部分为分割式嵌件,它可以在轴对齐后进行插入式安装。

弹性联轴器120运用平行或螺旋切槽系统来适应各种偏差和精确传递扭矩。弹性联轴器120通常具备良好的性能而且有价格上的优势,在很多步进、伺服系统实际应用中,弹性联轴器120是首选。一体成型的设计使弹性联轴器120实现了零间隙地传递扭矩和无须维护的优势。弹性联轴器120主要有以下两个基本的系列:螺旋槽型和平行槽型。具有如下优点,零回转间隙、可同步运转;弹性作用补偿径向、角向和轴向偏差;高扭矩刚性和卓越的灵敏度;顺时针和逆时针回转特性完全相同;维护、抗油和耐腐蚀性;有铝合金和不锈钢材料供选择;固定方式主要有顶丝和夹紧两种,安装便捷。

在一个实施例中,定子组件200包括连接主体210、轴承220和气管接头230,连接主体210内贯穿形成有驱动腔211,轴承220设置在驱动腔211内,并套设在传动轴130上,气管接头230设置在连接主体210的外表面上,气管接头230用于连接气管。气管接头230的数量为至少两个。气管接头230的数量可以根据实际结构设计进行调节。

在一个实施例中,转动组件300包括转动件310和旋紧件320,转动件310上设置有凸台,传动轴130上开设有凹槽,转动件310的凸台能够卡设在传动轴130的凹槽中,凹槽和凸台的中心均位于传动轴130的中心轴线上,旋紧件320设置在转动件310背向传动轴130的一侧面上,旋紧件320能够抓取瓶盖700,传动轴130能够驱动转动件310转动并带动旋紧件320转动。

具体地,旋紧件320为三爪气缸,转动件310为三爪气缸安装座,三爪气缸通过螺钉连接固定在三爪气缸安装座上。

在一个实施例中,所述旋紧机构10包括驱动控制模块。驱动控制模块用于设定转速信息,并控制驱动组件100转动。扭力检测模块,扭力检测模块用于设定扭力阈值,并检测驱动组件100的扭力数值。扭力检测模块和驱动控制模块电性连接,且呈负相关。扭力数值逐渐上升至扭力阈值时,驱动组件100的转速逐渐下降,直至为零。

一种旋紧机构10的控制方法,包括以下步骤:

在驱动组件100中设定转速信息,调节转动组件300抓取瓶盖700,调节夹持组件400夹持瓶体600;

设定驱动组件100的扭力阈值,初始状态下驱动组件100的扭力数值为零;

执行驱动组件100中的转速信息,驱动组件100驱动转动组件300转动,并检测驱动组件100的扭力数值;

当扭力数值逐渐上升至扭力阈值时,驱动组件100的转速逐渐下降,直至为零。

在一个实施例中,当扭力数值逐渐上升,驱动组件100的转速逐渐下降,直至为零,之前包括:

设定驱动组件100的减速阈值;设定驱动组件100在达到扭力阈值后的转动距离为转动阈值;

通过减速阈值和转动阈值进行PID运算,得出驱动组件100的转速参考值;

设定驱动组件100的扭力目标值,检测驱动组件100的扭力信息为扭力测量值;

通过扭力目标值和扭力测量值再次进行PID运算,得出驱动组件100的第一输出值。

在一个实施例中,通过扭力目标值和扭力测量值再次进行PID运算,得出驱动组件100的第一输出值,之后还包括:

当第一输出值大于零时,将扭力目标值输出得到第二输出值;

当第一输出值小于零时,将第一输出值取相反数后输出得到第二输出值;

扭力目标值和第二输出值的比值为偏差百分数,转速参考值与偏差百分数的乘积为实际转速输出值。

在一个实施例中,执行驱动组件100中的转速信息,驱动组件100驱动转动组件300转动,并检测驱动组件100的扭力数值,包括:

旋紧机构10还包括控制器,驱动组件100和控制器通过串口RS485连接,驱动组件100和控制器的通讯方式为MODBUS;

检测扭力数值的频率为0.02秒/次;

控制器在获取扭力数值后,将扭力数值与前十次扭力数值对比,并判断驱动组件100是否达到扭力阈值。

本旋紧机构10的控制方法采用实时变速的减速阈值与扭力双重PID减速算法,反馈扭力值越大减速越快,剩余转动阈值越小减速越慢,直到驱动组件100完全停止。能有效消除因旋盖速度过快造成的瓶身变形应力,减少瓶身夹紧气缸手指胶片磨损。

在整定PID控制器参数时,可以根据控制器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系,用实验的方法来调节控制器的参数。有经验的调试人员一般可以较快地得到较为满意的调试结果。在调试中最重要的问题是在系统性能不能令人满意时,知道应该调节哪一个参数,该参数应该增大还是减小。

为了减少需要整定的参数,首先可以采用PI控制器。为了保证系统的安全,在调试开始时应设置比较保守的参数,例如比例系数不要太大,积分时间不要太小,以避免出现系统不稳定或超调量过大的异常情况。给出一个阶跃给定信号,根据被控量的输出波形可以获得系统性能的信息,例如超调量和调节时间。应根据PID参数与系统性能的关系,反复调节PID的参数。

如果阶跃响应的超调量太大,经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定,应减小比例系数、增大积分时间。如果阶跃响应没有超调量,但是被控量上升过于缓慢,过渡过程时间太长,应按相反的方向调整参数。如果消除误差的速度较慢,可以适当减小积分时间,增强积分作用。

反复调节比例系数和积分时间,如果超调量仍然较大,可以加入微分控制,微分时间从0逐渐增大,反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数。

总之,PID参数的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程,实际调试过程中的多次尝试是非常重要的,也是必须的。常用的控制方式:P,PI,PD,PID控制算法。

旋紧机构10的控制方法还包括抗干扰过滤。控制器PLC能够根据驱动组件100的扭力反馈对检测过程中出现的瞬时扭力干扰进行屏蔽。屏蔽根据伺服电机的旋转脉冲数长度决定,对与抗干扰设定脉冲数长度以内的瞬时扭力到达信号PLC将不列入扭力计算范围,使用者可以根据不同瓶型的情况单独设置脉冲数长度。

由于旋盖速度较快以及不同材质瓶型区别,有部分瓶型出现形变反弹的情况,因此在旋盖完毕后加入抗惯性延时,使瓶盖700与瓶身适应自身形变。转动组件300和夹持组件400在瓶盖700拧紧后,需要同时松开瓶身与瓶盖700。

旋紧机构10的控制方法还包括故障模式,在驱动组件100正向转动并扭力检测的过程中,如果驱动组件100转动的脉冲数已到达设定极限,且未能通过扭力到达计算。则会输出报警信号并停机。

在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。

此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。

在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接抵触,或第一和第二特征通过中间媒介间接抵触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是,当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施方式。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术分类

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