0 引言

直线式自动定量灌装机属机电气一体化设备, 因其定量调整方便, 适应范围广而受到包装市场的欢迎, 广泛应用于白酒、矿泉水等液体的常压灌装;按照使用的定量阀的不同, 分为电磁阀类和气动阀类, 电磁阀在灌装过程中需要频繁开闭, 易损坏, 因此逐渐被市场淘汰, 气动阀则以清洁卫生、经久耐用而被用户认可。下面以一种气动角座阀直线灌装机为例, 介绍其气动控制系统的工作原理及系统方案。

1 直线式自动定量灌装机的结构及其工作原理

1.1 直线式自动定量灌装机的主要结构

直线式自动定量灌装机如图1所示, 分为电控部分、输送部分、定位升降部分和灌装部分。

(1) 电控部分由传感器、PLC及触摸屏等自控元件组成, 主要完成定量调整、自动控制任务; (2) 输送部分由输送机、出瓶气缸、进瓶气缸组成, 进瓶气缸带动进瓶门刀控制进瓶数量, 出瓶气缸带动出瓶门刀控制出瓶数量; (3) 定位升降部分由固定架、左右升降气缸、升降导向杆、复位弹簧、弹簧调节螺母、升降丝杆、瓶口导向套组成。所有灌装定量角座阀安装在固定架上, 当灌装瓶高不同时, 由升降调节丝杆带动固定架上下移动调节高度;固定架在常态下是由左右复位弹簧压紧在最上端位置, 当左右升降气缸动作时, 固定架沿升降导向杆向下运动, 利用瓶口导向套将灌装瓶口与灌装嘴对正, 从而确保灌装液不喷溅在瓶口外; (4) 灌装部分由总进液角座阀及二位四通电磁换向阀、蓄液箱、灌装定量角座阀组成, 总进液角座阀的开闭由蓄液箱内的浮球液位开关控制, 灌装定量角座阀的开闭由PLC通过计算控制, 其开闭的时间的准确性直接影响到灌装精度[1], 因此灌装嘴出口直径不宜过大 (以≤4mm为宜) 。

图1 直线式自动定量灌装机结构简图   下载原图

1-总进液阀2-二位四通电磁换向阀3-二位三通电磁阀岛4-灌装定量角座阀5-输送机6-储气罐7-气源处理三联件8-升降丝杆9-出瓶气缸10-升降导向杆11-出瓶检测光电开关12-固定架13-右升降气缸14-弹簧调节螺母15-复位弹簧16-左升降气缸17-进瓶检测光电开关18-瓶口导向套19-进瓶气缸

1.2 直线式自动定量灌装机的主要工作原理

1.2.1 定量控制

文中示例的直线式灌装机采用恒压定时方式, 即在确保储液箱液位相对稳定的情况下 (一般液位变动不超过10mm) , 将灌装量转换为气动角座阀开闭时间, 从而实现定量灌装的方式。首先根据经验或现场测定的方式确定时间系数K, 用灌装量L1除以时间系数K得到灌装阀主开启时间T1, 即T1=L1/K;由于各个灌装阀通道直径有偏差, 因此每个灌装头均应在主开启时间T1的基础上增加一个灌装校正时间T2, 灌装校正时间T2=灌装校正量/K, 每个定量角座阀的总开启时间T=T1+T2。

所有参数的设定均通过触摸屏完成, 每个灌装头开闭时间的计算由PLC自动计算完成, 并最终使用这个时间控制气动角座阀的开闭, 从而实现定量灌装。经现场使用证明, 灌装误差不超过3m L (以灌装量L1=500m L为例) 。

1.2.2 工作流程

灌装机所有参数的设定在触摸屏上完成, 灌装机工作流程由PLC根据预设程序工作。如图1所示, 当灌装机启动后, 输送机启动运转, 出瓶气缸关闭, 进瓶气缸打开, 将灌装瓶送至灌装区, 进瓶检测光电开关检测到足够的进瓶数后, 进瓶气缸关闭, 输送机停止, 左、右升降气缸同时动作, 带动固定架向下移动, 在确保所有灌装瓶口进入瓶口导向套并到达下限位时, 全部灌装定量角座阀开启, 时间到达总开启时间T后, 角座阀复位关闭。当全部灌装定量角座阀全部关闭后, 左、右升降气缸回缩, 固定架在复位弹簧作用下带动灌装阀向上移动, 在全部灌装瓶口离开瓶口导向套并到达上限位时, 出瓶气缸带动出瓶门刀打开, 输送机启动, 当出瓶检测光电开关检测到全部灌装瓶已移出灌装区后, 出瓶气缸关闭, 并进入下一轮工作循环[2,3]。

2 直线式自动定量灌装机气动控制系统方案

直线式自动定量灌装机气动控制系统原理图如图2所示。

图2 直线式自动定量灌装机气动控制系统原理图   下载原图

2.1 气源处理

空压机送出的压缩空气进入气罐后, 在安全阀和压力继电器的共同控制下, 得到压力继电器预设的压力, 并经截止阀送出后, 经油水分离器和分水滤气器进行过滤和净化, 经减压, 阀减压后获得气压传动系统所需的稳定压力气源, 在气路开启的状态下, 油雾器将润滑油雾化后送入气流中, 并送至相应的气缸。

2.2 进出瓶气缸

进、出瓶气缸为双作用气缸, 由2个二位五通电磁换向阀控制, 负责带动2个门刀对进出灌装区域的瓶子进行分隔, 分别采用2个单向节流阀用于进出瓶气缸开闭速度的调节, 单向节流阀1、3负责开启速度的调节, 单向节流阀2、4, 负责关闭速度的调节。

2.3 左右升降气缸

左右升降气缸为单作用气缸, 由2个二位三通电磁换向阀控制, 负责固定架水平上下移动, 向下移动时由压缩空气推动气缸活塞向下移动, 向上移动时气缸回缩, 由复位弹簧带动固定架向上平移。通过弹簧调节螺母调节复位弹簧的压力来控制固定架向上平移的速度。

2.4 定量控制角座阀

定量控制角座阀为单作用阀, 分别由二位三通电磁换向阀控制, 角座阀常态下为关闭状态, 由角座阀弹簧将阀门关闭;阀门的开启由压缩空气推动。二位三通电磁阀线圈由PLC输出端Y控制, PLC根据计算出的开启时间T值控制线圈的通断, 从而达到控制角座阀的开启时间的目的。为确保作用在每个定量控制角座阀上的气源压力稳定, 设备上将二位三通电磁阀集中安装在阀岛上, 由统一的气源控制每一个定量控制角座阀。

2.5 总进液角座阀

在灌装过程中总进液角座阀根据浮球开关检测储液箱液位完成开闭, 只要储液箱液位变化不超过10mm, 可确保灌装精度要求[4,5,6]。

3 结束语

采用机电气一体化设计的直线式灌装机, 适应瓶型广, 设备故障率低。由于采用了电磁-气控方式, 因此设备控制系统简单、自动化程度高。灵敏的气动控制系统也确保了灌装精度的要求, 实现了安全生产和清洁生产。