用于悬浮包装的机械装置及其张力控制系统的设计

摘要

包装产业占据了我国国民经济的重要地位，也是商品经济发展水平的标志性行业之一。在物流行业快速发展、环保法规日趋完善的今天，传统包装因其固有的缺点难以适应这种趋势，悬浮包装以其优良的缓冲性能、可回收利用的特性，成为目前包装行业的研究热点。本文采用了一种新型悬浮包装，该包装是在 Korrvu 悬挂包装技术的基础上改进而来的。然而到目前为止，该悬浮包装方法仅停留在探索阶段，仍采用手工方式进行覆膜，亟待设计出一套自动覆膜机械装置，提高生产效率，为该包装方法的推广打下基础。 基于上述原因，本文在对悬浮包装工艺详细分析的基础上，从动力系统、旋转扩充机构、薄膜送料机构等方面进行研究，设计出一套生产悬浮包装的机械装置；针对薄膜张力难以控制的问题，设计了基于虚拟仪器的薄膜张力系统。具体的研究内容如下。 （1）自动覆膜机械装置的整体设计。阐述自动覆膜机械装置的工作原理，确定整个机械装置的基本结构和关键部件。根据工艺的具体要求，对动力系统的相关部件进行选型；对旋扩机构中的旋转扩充支架和旋扩机箱进行设计，选择旋扩机箱中受力振动最大的一对齿轮建立模型，导入ADAMS中添加约束、载荷、驱动等进行仿真，分析设计的齿轮是否合理；确定薄膜送料系统的基本结构，对薄膜、张力传感器、磁粉制动器和数据采集卡进行选型，为后续薄膜张力控制系统的实现打下了基础。 （2）薄膜张力的模糊自适应PID（Proportion Integration Differentiation）控制研究。首先建立了非连续覆膜过程中薄膜张力的数学模型，研究卷径、加速度及速度对张力波动的影响，并在MATLAB软件平台上进行仿真研究。选用正弦和梯形两种速度发生函数，模拟不同速度、加速度、加减速方式下的覆膜操作，对比PID和模糊自适应PID的控制效果。 （3）基于虚拟仪器的薄膜张力控制仿真系统的设计。确定基于虚拟仪器的张力仿真系统的基本框架，编写LabVIEW程序，主要分为权限设计程序、张力采集程序、张力控制程序三部分。该仿真系统可以模拟不同工况下薄膜张力的变化情况和整个控制系统的控制性能。 本文设计的用于悬浮包装的自动化机械装置，在包装运输行业有着广泛的应用前景。悬浮包装的缓冲衬垫覆膜过程具有非连续运行、频繁加减速的特点，导致薄膜张力经常波动，难以控制。针对这样的实际情况，重点研究了薄膜非连续运行的张力系统数学模型、薄膜张力的模糊PID控制等问题，并在此基础上设计了一套基于虚拟仪器的薄膜张力仿真平台。实际仿真结果表明，模糊自适应PID参数调整简单，适应性好，能满足非连续覆膜过程中薄膜张力稳定的控制要求，仿真平台能够直观的演示整个薄膜张力控制过程，为整个装置的实际应用奠定了基础。

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摘 要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.1.1 物流包装行业的研究现状

1.1.2 新型悬浮包装的结构及优点

1.2 包装机械的国内外研究现状

1.2.1 国外包装机械的发展现状

1.2.2 国内包装机械的发展现状

1.2.3 悬浮包装对机械装置的要求

1.3 薄膜张力控制策略的国内外研究现状

1.3.1 PID控制

1.3.2 鲁棒控制

1.3.3 自适应控制

1.3.4 模糊控制和神经网络控制

1.4 本文的研究内容及章节安排

1.4.1 研究内容

1.4.2 章节安排

2 自动覆膜机械装置的整体设计

2.1 自动覆膜机械装置的工作原理

2.2 自动覆膜机械装置的整体布局

2.2.1 设计准则

2.2.2 设计要求

2.2.3 整体布局

2.2.4 关键部件

2.3 本章小结

3 动力系统的选型和旋转扩充机构的设计

3.1 动力系统的选型

3.1.1 电动机的选型

3.1.2 减速器的选型

3.2 旋转扩充机构的设计

3.2.1 旋转扩充支架的设计

3.2.2 旋扩机箱的设计

3.3 旋扩机箱中齿轮的动态响应分析

3.3.1 建立三维实体模型

3.3.2 建立虚拟样机

3.3.3 碰撞力的选择及参数的确定

3.3.4 仿真分析

3.4 本章小结

4 薄膜送料控制系统的设计

4.1 薄膜材料的基本介绍

4.1.1 薄膜的分类

4.1.2 薄膜的特性

4.2 薄膜送料机构的设计

4.2.1 送料结构的研究

4.2.2 放卷机构的设计

4.2.3 导向辊的设计

4.2.4 牵引挤压辊的设计

4.3 送料控制系统的硬件选型

4.3.1 张力检测机构的选型

4.3.2 磁粉制动器的选型

4.3.3 数据采集卡的选型

4.4 薄膜送料控制系统的模型

4.5 本章小结

5 薄膜张力的模糊自适应PID控制研究

5.1 张力控制系统的工作原理

5.1.1 张力控制系统的组成

5.1.2 非连续覆膜过程中薄膜张力数学模型

5.2 模糊自适应PID控制器的设计

5.2.1 PID控制原理的简述

5.2.2 模糊控制理论的简述

5.2.3 模糊自适应PID的简述

5.2.4 模糊PID控制器的设计

5.3 仿真研究

5.3.1 仿真系统的搭建

5.3.2 模糊PID控制器的搭建

5.3.3 仿真结果分析

5.4 本章小结

6 基于虚拟仪器的薄膜张力仿真系统的设计

6.1 仿真系统的整体结构

6.2 软件设计

6.2.1 仿真系统的权限设计

6.2.2 张力采集程序的设计

6.2.3 张力控制系统的程序设计

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 创新点

7.3 展望

致 谢

参考文献

附录：机械零件图纸

攻读学位期间发表的学术论文及专利

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明