我國的包裝機械經(jīng)過近20年的發(fā)展，已經(jīng)取得了長足的進步，但與國外相比，還存在著比較大的差距，差距空間在什么地方呢？我們認為主要在于控制方面。鑒于此，溫州大學的楊福餐和河南科技大學的吳龍奇兩位專家，就他們所從事的研究內(nèi)容寫成系列文章，希望能對有關業(yè)內(nèi)人士有所啟發(fā)。
一、步進電機工作原理
步進電機是將給定的電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。
給定一個電脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過相應的角度，這個角度就稱作該步進電機的步距角。目前常用步進電機的步距角大多為1.8度（俗稱一步）或0.9度（俗稱半步）。以步距角為0.9度的進步電機來說，當我們給步進電機一個電脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)過0.9度；給兩個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)過1.8度。以此類推，連續(xù)給定脈沖信號，步進電機就可以連續(xù)運轉(zhuǎn)。由于電脈沖信號與步進電機轉(zhuǎn)角存在的這種線性關系，使得步進電機在速度控制、位置控制等方面得到了廣泛的應用。
步進電機的使用至少需要三個方面的配合，一是電脈沖信號發(fā)生器，它按照給定的設置重復為步進電機輸送電脈沖信號，目前這種信號大多數(shù)由可編程控制器或單片機來完成；二是驅(qū)動器（信號放大器），它除了對電脈沖信號進行放大、驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動以外，還可以通過它改善步進電機的使用性能，事實上它在步進電機系統(tǒng)中起著重要的作用，一般一種步進電機可以根據(jù)不同的工況具有多種驅(qū)動器；三是步進電機，它有多種控制原理和型號，現(xiàn)在常用的有反應式、感應子式、混合式等。
步進電機的速度控制是通過輸入的脈沖頻率快慢實現(xiàn)的。當發(fā)生脈沖的頻率減小時，步進電機的速度就下降；當頻率增加時，速度就加快。還可以通過頻率的改變而提高步進電機的速度或位置精度。
步進電機的位置控制是靠給定的脈沖數(shù)量控制的。給定一個脈沖，轉(zhuǎn)過一個步距角，當停止的位置確定以后，也就決定了步進電機需要給定的脈沖數(shù)。在包裝機控制中，給定脈沖數(shù)的多少，還與機構(gòu)的參數(shù)有關，例如螺桿的直徑等。
在包裝機械中，很多情況下需要控制執(zhí)行機構(gòu)的運行速度和運行位置，以前都是通過機械或其它方式來完成的，機構(gòu)復雜、調(diào)節(jié)不易。改用步進電機后，不僅能使包裝機械結(jié)構(gòu)變得簡單、調(diào)節(jié)方便、可靠性增加，而且粗度會得到很大提高。
二、步進電機在物料計量方面的應用
1．粉狀物料的計量
螺桿計量是常用的容積式計量方式，它是通過螺桿旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)多少來達到計量的多少，為了達到計量大小可調(diào)和提高計量精度的目的，要求螺桿的轉(zhuǎn)速可調(diào)和位置定位準確，使用步進電機可以同時滿足這兩個方面的要求。
例如粉劑包裝機的計量采用了步進電機控制螺桿的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù)，不僅簡化了機械結(jié)構(gòu)，而且使得控制非常方便。在不過載的情況下，步進電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，這與電磁離合器控制的螺桿計量相比，具有明顯的精度優(yōu)勢，更加適合于比重變化比較大的物料計量。
步進電機與螺桿采用直接連接的方式，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。值得指出的是，如步進電機的過載能力較代，當輕微過載時，就會出現(xiàn)相當大的噪聲。因此，在計量工況確定以后，就要選用較大的過載系數(shù)，以保證步進電機平衡工作。
2．粘稠體物料的計量
步進電機控制齒輪泵也可以實現(xiàn)精確計量。齒輪泵在輸送粘稠體方面得到了廣泛的應用，例如糖漿、豆沙、白酒、油料、番茄醬等的輸送。目前在對這些物料的計量方面大多使用活塞泵，存在著調(diào)整困難、結(jié)構(gòu)復雜、不便維修、功耗大、計量不準等缺點。
齒輪泵計量是靠一對齒輪嚙合轉(zhuǎn)動計量的，物料通過齒與齒的空間被強制從進料口送到出料口。動力來自步進電機，步進電機轉(zhuǎn)動的位置及速度由可編程控制器控制，計量精度高于活塞泵的計量精度。
步進電機適于在低速下運行，當速度加快時，步進電機的噪聲會明顯加大，其它經(jīng)濟指標會顯著下降。對于轉(zhuǎn)速比較高的齒輪泵來說，選用升速結(jié)構(gòu)比較好。我們在粘稠體包裝機上開始采用的是步進電機直聯(lián)齒輪泵的結(jié)構(gòu)，結(jié)果聲難以噪聲難以避免，可靠性下降。后來采用直齒輪升速的辦法，降低了步進電機的速度，噪聲得到了控制，可靠性也有所提高，計量精度得到了保證。
三、步進電機在供送包裝膜中的應用
在制袋、充填、封口為一體的包裝機中，要求包裝用塑料薄膜定位定長供給，無論間歇供給還是連續(xù)供給，都可以用步進電機來可靠完成。
1．用于間歇式包裝機
間歇式包裝機使用步進電機供膜，可靠性可以得到提高。以前的包裝膜供送多采用曲柄連桿機構(gòu)間歇拉帶方式，結(jié)構(gòu)復雜，調(diào)整困難，特別是當需要更換產(chǎn)品時，不僅調(diào)節(jié)困難，而且包裝膜浪費很多。采用步進電機與拉帶滾輪直接連接拉帶，不僅結(jié)構(gòu)得到了簡化，而且調(diào)節(jié)極為方便，只要通過控制面板上的按鈕就可以實現(xiàn)，這樣既節(jié)省了調(diào)節(jié)時間，又節(jié)約了包裝材料。
在間歇式包裝機中，包裝材料的供送控制可以采用兩種模式：袋長控制模式和色標控制模式。袋長控制模式適用于不帶色標的包裝膜，通過預先設定步進電機轉(zhuǎn)速的方法實現(xiàn)，轉(zhuǎn)空比的設定通過撥碼開關就可以實現(xiàn)。色標模式配備有光電開關，光電開關檢測色標的位置，當檢測到色標時，發(fā)出控制開關信號，步進電機按到信號后，停止轉(zhuǎn)動，延時一定時間后，再轉(zhuǎn)動供膜，周而復始，保證按照色標的位置定長供膜。
2．用于連續(xù)式包裝機
在連續(xù)工包裝機中，步進電機是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，包裝膜被均勻的連續(xù)輸送，當改變袋長時，只需通過撥碼開關就可以實現(xiàn)。
四、步進電機在橫封中的應用
在連續(xù)式包裝機中，橫封是一個很重要的執(zhí)行機構(gòu)，也是包裝機中比較復雜的機構(gòu)之一。特別對于有色檔的包裝膜，其封口和切斷位置要求極其嚴格，為了提高切斷的準確性，人們先后研制了偏心鏈輪機構(gòu)、曲柄導桿機構(gòu)等，但這些機構(gòu)都存在著調(diào)整十分麻煩、可靠性低的缺點。造成這些缺點的主要原因是工藝要求橫封輪定速橫封和定位切斷。
步進電機直接驅(qū)動橫封輪可以實現(xiàn)速度同步。連續(xù)式包裝機的供膜輪是連續(xù)供膜的，橫封時要求橫封的線速度與薄膜供送的速度同步，以免出現(xiàn)撕裂薄膜和薄膜堆積的情況，由于橫封輪的直徑是恒定的，當改變袋長時，就需要通過改變橫封輪的轉(zhuǎn)速來改變，但是橫封需要一定的時間，就是說橫封輪與薄膜從接觸到離開需要恒定的時間，否則封口吵嚴。橫封輪每轉(zhuǎn)一周的總時間與橫封所需要的時間都是恒定的，要滿足速度同步的要求，可以將步進電機一周內(nèi)的轉(zhuǎn)速分成兩部分，一部分首先滿足速度同步的要求，而另外空載的部分滿足一周總時間的要求。
為了實現(xiàn)良好的封口質(zhì)量，還可以通過步進電機對橫封輪實現(xiàn)非衡速的控制模式，就是在橫封的每一點上都實現(xiàn)速度同步，限于篇幅，這里不再陳述。
步進電機的特點主要歸于三個方面，一是過載性好。其轉(zhuǎn)速不受負載大小的影響，不像普通電機，當負載加大時就會出現(xiàn)速度下降的情況，所以步進電機使用在對速度和位置都有嚴格要求的場合；二是控制方便。步進電機是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯，這樣就給計算機控制帶來了很大的方便，反過來，計算機的出現(xiàn)也為步進電機開辟了更為廣闊的使用市場；三是整機結(jié)構(gòu)簡單。傳統(tǒng)的機械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復雜，調(diào)整困難，使用步進電機后，使得整機的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。
步進電機在包裝機械中的就用還剛剛開始，原來許多傳統(tǒng)的機械控制方式都可以用步進電機來替代，除了上面介紹的一些用途外，它還在印刷、灌裝、囊包等方面得到了應用，相信在較短的時間內(nèi)，我國的包裝機械行業(yè)定能在步進電機技術(shù)的平臺上躍上一個新的水平。
