Meng-Upgrade dari Garis Otomatis untuk Pembuatan Tutup Plastik Berdasarkan Analisis Getaran Eksperimental

Daftar isi yang tersedia di ScienceDirect

 

Studi Kasus di Teknik Sistem dan Signal

Pengolahan

journalhomepage: www. Elsevier. com / cari / csmssp

 

komunikasi singkat

Meng-upgrade dari garis otomatis untuk pembuatan tutup plastik berdasarkan analisis getaran eksperimental

 

Alberto Martini * , Marco Troncossi

DIN - Departemen Teknik Industri, Universitas Bologna, Viale del Risorgimento 2, 40136 Bologna (BO), Italia

 

ARTIKEL INFO

 

Riwayat artikel:

Menerima Januari 2016 5

Diterima dalam bentuk revisi 18 Maret 2016 Diterima Maret 2016 18

Tersedia online 19 Maret 2016

 

Kata kunci:

monitoring getaran

analisis eksperimental

Pengukuran non-kontak

ABSTRAK

 

Tawaran studi dengan kampanye percobaan untuk menganalisis efek pada mesin otomatis untuk perakitan tutup plastik dari peningkatan getaran terjadi saat mempercepat operasinya. Kation kecepatan spesifik baru yang diperlukan oleh produsen mesin untuk meningkatkan kapasitas produksi. Analisis berhasil identifikasi ed unit fungsional kritis dipengaruhi oleh isu-isu elastodynamic terkait dengan peningkatan kecepatan. Oleh karena itu diizinkan untuk fokus proses desain ulang pada kelompok kritis untuk melaksanakan peningkatan mesin yang diinginkan dengan cara yang terbatas kation modi fi untuk versi mesin saat ini. Hasil eksperimen yang paling relevan disajikan dan dibahas. Makalah ini juga melaporkan data yang diberikan oleh pemeriksaan lebih lanjut dilakukan pada varian mesin (diperoleh setelah pelaksanaan pertama kation desain modi fi), yang membuktikan efektivitas solusi yang diusulkan untuk meningkatkan kinerja mesin.

ã 2016 Diterbitkan oleh Elsevier Ltd

1. Perkenalan

Kegiatan ini disajikan berkaitan dengan upgrade dari garis otomatis untuk pembuatan perangkat pembukaan ditutup kembali plastik paket makanan pourable [1] . Tujuan utama adalah meningkatkan mesin kapasitas produksi nominal sekitar 50%, 680-1000 produk per menit (ppm [4T $ DIF]). Tujuan ini harus dicapai melalui peningkatan yang tepat dalam kecepatan kerja dan hanya terbatas kation modi fi dari desain mesin yang ada.

 

Penelitian ini memfokuskan pada mesin otomatis yang merakit produk akhir mulai dari tiga komponen. Peningkatan kecepatan luar biasa yang diperlukan untuk memenuhi target produksi yang diinginkan dapat memicu fenomena elastodynamic mungkin merugikan bagi kinerja dan keandalan mesin. Sebuah kampanye eksperimental dilakukan untuk menyelidiki isu-isu potensial dengan cara pengukuran getaran. Analisis bertujuan untuk mengidentifikasi kelompok fungsional ditandai dengan perilaku elastodynamic kritis, sehingga memberikan pedoman untuk mendesain ulang mesin parsial.

Saat con fi gurasi tidak memungkinkan melebihi 25% dari kapasitas produksi nominal. Oleh karena itu, percobaan yang dirancang baik untuk memantau (bila mungkin) dan untuk memprediksi perilaku mesin ketika beroperasi dalam kondisi kerja yang berbeda, dengan mengatur sensor khusus dan setup mesin.

Analisis menghasilkan estimasi yang handal dari mesin perilaku elastodynamic, sehingga memungkinkan untuk mendefinisikan desain modi fi kasi diperlukan. Hasil yang relevan mengenai beberapa unit fungsional kritis disajikan dan dibahas. Pengukuran dari tindak lanjut tes dilakukan setelah menerapkan beberapa kation modi fi yang paling penting Unit con fi rmed sebuah fi kan peningkatan signifikan dari kinerja mesin.

*   Sesuai penulis di: Via Fontanelle 40, 47121 Forlì (FC), Italia. Alamat E-mail: alberto.martini6@unibo.it (SEBUAH. Martini).

http://dx.doi.org/10.1016/j.csmssp.2016.03.002 2351-9886 / ã 2016 Diterbitkan oleh Elsevier Ltd

A. Martini, M. Troncossi Studi / Kasus di Teknik Sistem dan Signal Processing 3 (2016) 28-33

29

2. Deskripsi mesin perakitan

Sebuah fi ed skema penyederhanaan tata letak mesin disajikan pada Gambar. 1 , di mana hanya unit fungsional utama ditampilkan. Mesin referensi sistem koordinat juga dilaporkan. Sebuah unit pick-dan-tempat (disebut sebagai P & P1) mengambil tiga komponen produk (Comps) dari yang sesuai buffer, terletak di sebelah area masukan mesin (IN), dan beban mereka ke nampan berbentuk benar. Setiap tray produk membawa 10 item dari setiap Comp, sehingga 10 caps dirakit dalam siklus kerja. Baki disampaikan oleh Transfer Unit Utama (MTU), dengan gerakan intermiten, dengan kelompok-kelompok fungsional berikutnya, untuk operasi berikutnya (dilakukan selama fase istirahat dari siklus MTU). MTU didorong oleh rantai transmisi tenaga dibentuk oleh Indexer dan Timing Belt (TB). Unit Orientasi (OR) berputar Comps sekitar sumbu vertikal (arah Z) untuk menyediakan mereka dengan orientasi relatif diperlukan. Tugas perakitan dilakukan dalam dua langkah oleh dua unit Majelis (dilambangkan sebagai AS1 dan AS2, masing-masing). Sebuah unit pick-dan-tempat kedua (P & P2), mekanis digabungkan dengan P & P1 oleh Linkage itu, transfer topi dirakit dari baki untuk buffer produk akhir, yang terletak di daerah mesin keluaran (OUT). Unit disebut sebagai Lock terlibat nampan produk diproses oleh unit-unit fungsional untuk memastikan posisi yang akurat mereka selama operasi terkait.

3. Eksperimental setup dan tes kondisi

Karena sangat sedikit informasi tentang perilaku elastodynamic mesin yang tersedia, semua unit utama dan struktur dimonitor oleh transduser yang tepat. Inspeksi visual awal dari siklus bekerja di 840 ppm] FID $ T5 [telah diwahyukan signifikan osilasi mempengaruhi baik Linkage dan MTU, yang karenanya menjalani penyelidikan lebih dalam. Secara khusus, perpindahan dan kecepatan dari baki produk sepanjang menyampaikan arah (Y sumbu) terdeteksi oleh vibrometer laser yang (Polytec HSV-2002, Gambar. 2 a). Pengukuran ini diperlukan mengatur dua "nampan boneka" yang terpasang pada MTU dengan mengganti dua nampan produk yang berdekatan. Kedua nampan boneka memiliki re fl permukaan efektif ditargetkan oleh

] GIF $ DT) 1.gi ([

Ara. 1. Simpli fi ed skematis dari tata letak mesin.

30               A. Martini, M. Troncossi Studi / Kasus di Teknik Sistem dan Signal Processing 3 (2016) 28-33

] GIF $ DT) 2.gi ([

Ara. 2. (a) penyiapan Laser vibrometer dan (b) menutup baki dummy.

sinar laser ( Gambar. 2 b). Baki boneka memiliki massa yang sama dan inersia nampan biasa, tetapi mereka tidak cocok untuk membawa Comps.

Sebuah rotary encoder inkremental diukur baik perpindahan sudut dan kecepatan katrol TB ( Gbr. 1 ). Sebuah encoder lanjut dipantau camshaft mengemudi OR.

Accelerometers piezoelektrik mendeteksi getaran dari frame mesin dan bagian yang bergerak yang tersisa (yaitu

P & P1, P & P2, AS1, AS2, OR, Linkage dan sistem Cam-rocker).

Semua akuisisi dilakukan dengan menggunakan LMS SCADAS Ponsel SCM-05 sistem. The "Siklus fase master" sinyal yang dihasilkan oleh unit kontrol mesin juga dicatat, untuk digunakan sebagai referensi sudut untuk menyinkronkan sinyal diukur dengan fase operasional mesin (satu siklus kerja sesuai dengan 360).

Percobaan dianalisis operasi pada kecepatan konstan, untuk nilai kecepatan yang berbeda (mulai dari nilai nominal 680 ppm] FID $ T6 [dengan penambahan sebesar 40 ppm). Dua yang berbeda mesin con gurations fi diuji, disebut sebagai kondisi P1 dan P0 masing-masing. Mantan kondisi unggulan mesin sepenuhnya operasi, bekerja hingga 840 ppm] FID $ T3 [. Yang terakhir adalah secara khusus disusun untuk kedua operasi memungkinkan hingga 1000 ppm] FID $ T7 [(dengan demikian akan jauh melampaui keterbatasan kecepatan kondisi P1) dan memungkinkan pengukuran laser yang vibrometer. Secara khusus, kondisi P0 dicapai dengan memodifikasi kondisi P1 sebagai berikut. (i) Dua nampan produk digantikan dengan nampan boneka ( Gambar. 2 b). (ii) The Lock Unit dinonaktifkan. (iii) Mesin berlari diturunkan, yaitu dengan menghilangkan Comps dari buffer input. Dalam sebuah contoh, beban perakitan biasanya bertindak atas AS2 tidak berpengalaman. Meskipun demikian, semua unit fungsional terus melakukan gerakan mereka, sehingga tindakan inersia masih mempengaruhi operasi mesin.

 

Konsistensi perilaku mesin di dua gurations fi con ini dianalisis dengan tren parameter yang tepat (cfr. Bagian 4.1 ).

] GIF $ DT) 3.gi ([

 Ara. 3. (a) Eksperimental (ex) dan teoritis (th) percepatan dari P & P1 pada 1000 ppm] FID $ T2 [ dalam kondisi P0, sepanjang arah X, selama siklus mesin, dan (b) Indeks D% relatif terhadap transduser yang sama untuk semua kecepatan dan kondisi diuji.

 

A. Martini, M. Troncossi Studi / Kasus di Teknik Sistem dan Signal Processing 3 (2016) 28-33

31

4. Hasil dan diskusi

Semua pengukuran dipamerkan pengulangan yang sangat baik selama siklus mesin, untuk semua kondisi diuji. Analisis data eksperimen diizinkan untuk mengidentifikasi empat kelompok fungsional mengalami signi fi masalah elastodynamic tidak bisa, yaitu P & P1, OR, Linkage dan MTU. Hasil mengenai pertama tiga unit dibahas dalam Bagian 4.1 , sedangkan unit keempat diperiksa dalam Bagian 4.2 .

4.1. sinyal akselerasi

Percepatan diukur pada P & P1 sepanjang arah X, untuk operasi pada 1000 ppm [2T $ DIF] dalam kondisi P0, dilaporkan dalam Gambar. 3 a (sebagai contoh), sebagai fungsi dari mesin referensi sudut. Kurva menggambarkan sesuai percepatan teoritis (yaitu hukum gerak yang dikenakan pada P & P X Actuator oleh pengontrol mesin, yang merupakan dikenal spesifik fi kasi dari siklus kerja) juga ditampilkan. Karena perjanjian non-disclosure dengan produsen mesin, nilai percepatan yang sebenarnya tidak dapat dilaporkan sedangkan hanya percepatan pro fi les dapat disediakan.

Untuk setiap transduser di setiap kondisi tes, root mean square (rms) nilai sinyal residu, yaitu sinyal yang diperoleh fi filtering keluar percepatan teoritis dari yang diukur, dihitung lebih dari satu siklus mesin untuk global menggambarkan tingkat getaran. Kemudian rms persentase variasi (sehubungan dengan kecepatan fungsi nominal, yaitu 680 [8T $ DIF] ppm), D%, untuk sinyal percepatan-i dihitung sebagai: [9T $ DIF]

D% i; Pj; v el ¼	rms i; Pj; vel rms i; Pj; nom	100	ð 1 Þ
	rms i; Pj; nom

mana Pj menunjukkan kondisi P1 atau P0, nom mengacu pada kecepatan nominal dan vel adalah kecepatan diperiksa.

Pertama, tren indikator tersebut dinilai menipu fi rm keandalan tes di modi fi kondisi ed P0. Gambar. 3 b melaporkan nilai-nilai D% dihitung dalam kondisi P1 dan P0 lebih kecepatan kerja diuji untuk P & P1 (arah X), disajikan sebagai contoh. Tren D% untuk dua kondisi yang berbeda dapat dibandingkan sampai dengan 840 ppm] FID $ T3 [. Hasil ini terbukti konsisten dengan perbandingan (nilai-nilai rms sesuai yang sangat mirip juga). Sebuah pertandingan yang sangat baik diamati untuk semua sinyal percepatan lain juga. Oleh karena itu, data yang disediakan oleh tes dengan modi fi mesin ed con fi gurasi hingga 1000 ppm] FID $ T01 [dapat diadopsi untuk con fi dently memprediksi bagaimana mesin akan bekerja di luar 840 ppm] FID $ T2 [dalam kondisi P1, yaitu hingga kecepatan ditargetkan baru dalam sepenuhnya operasi con fi gurasi.

 

Kedua, indikator dimanfaatkan untuk mendeteksi kenaikan yang abnormal dalam tingkat getaran yang terkait dengan variasi kecepatan. Secara khusus, kenaikan yang lebih tinggi di D% diharapkan untuk mengungkapkan efek elastodynamic kritis. Analisis indikator yang diusulkan untuk semua sinyal percepatan identifikasi ed dua unit kritis, yaitu P & P1 dan OR, dan con fi rmed yang Linkage sebagai berpotensi mengganggu, seperti yang muncul oleh inspeksi visual yang disebutkan dalam Bagian 3.

P & P1 menunjukkan nilai D% sebagian besar melebihi 150% untuk kedua arah X ( Gambar. 3 b) dan Y, dan bahkan lebih dari 250% di sepanjang sumbu Z, pada kecepatan target 1000 ppm] FID $ T7 [ [2] . Tingkat getaran yang lebih tinggi tersebut dapat menyebabkan posisi yang salah dari Comps dalam nampan produk, sehingga mencegah mereka dari yang dirakit dengan benar dan akibatnya menyebabkan penolakan ke-10 produk akhir di nampan yang sama. Getaran parah diprediksi oleh penyelidikan juga mungkin memerlukan masalah daya tahan yang cukup. Memodifikasi unit Oleh karena itu diperlukan. Dalam prakteknya, mendesain ulang P & P1 end effector (komponen yang agak besar di saat mesin con fi gurasi) untuk mengurangi inersia yang bergerak muncul strategi layak untuk membatasi tingkat getaran.

 

Getaran parah ciri juga OR, bersama Z sumbu. Perbandingan antara percepatan diukur dan teoritis di sepanjang arah ini, untuk operasi pada 1000 ppm [2T $ DIF] dalam kondisi P0, ditunjukkan pada Gambar. 4 a. Yang sesuai tren D% untuk kondisi P1 dan P0 lebih kecepatan yang diuji bekerja dilaporkan dalam Ara. 4 b. Osilasi besar ATAU end effector

 

 ] GIF $ DT) 4.gi ([

  

 Ara. 4. (a) Eksperimental (ex) dan teoritis (th) percepatan dari ATAU pada 1000 ppm] FID $ T2 [ dalam kondisi P0, sepanjang arah Z, selama siklus mesin, dan (b) indeks D% relatif terhadap transduser yang sama untuk semua kecepatan dan kondisi diuji.

32  A. Martini, M. Troncossi Studi / Kasus di Teknik Sistem dan Signal Processing 3 (2016) 28-33

dapat menentukan orientasi yang salah dari Comps (dan masalah perakitan berikutnya), karena memburuknya mesin kinerja global, mirip dengan P & P1. Selain itu, peningkatan yang signifikan dalam beban dinamis, emban oleh getaran, dapat meningkatkan tingkat kegagalan dari OR rantai transmisi listrik, khususnya sistem cam-rocker yang mengemudi [3] . Mengurangi massa OR end effector adalah penting untuk mengatasi masalah ini.

Linkage ini ditandai dengan osilasi yang luar biasa dari dua komponen utama, yaitu dua karbon panjang skrup serat. Analisis di kedua frekuensi dan domain waktu [2] mengungkapkan operasi yang pada 1000 ppm [1T $ DIF] memicu resonansi dari skrup hingga frekuensi alami ketiga. Fenomena elastodynamic lokal, bagaimanapun, tidak membuktikan merugikan bagi kinerja mesin, karena P & P2 terus bekerja secara teratur pada 1000 ppm [3T $ DIF]. Meskipun demikian, kaku Linkage untuk incrementing frekuensi alami dan menurunkan deformasi akan dianjurkan untuk menghindari masalah daya tahan mungkin.

 

4.2. Laser vibrometer dan sinyal encoder

Memperkirakan gerakan baki produk pada kecepatan target baru dianggap penting, karena pemeriksaan pendahuluan telah menyarankan bahwa MTU belt conveyor mungkin hadir kepatuhan yang berlebihan. Signifikan osilasi tray dapat menentukan sinkronisasi yang salah dengan keterlibatan Lock, yang akan menghasilkan berpotensi membahayakan integritas dari beberapa komponen mesin. Oleh karena itu penyelidikan berfokus pada sinyal perpindahan, sedangkan yang kecepatan hanya digunakan untuk tujuan verifikasi. Secara khusus, pengukuran laser yang vibrometer dianalisis dalam hal overshoot dan puncak ke puncak osilasi sehubungan dengan posisi tray sisanya, yang secara teoritis dicapai pada akhir fase aktif MTU (abadi 120 dari siklus mesin), setelah perpindahan dari 120 mm.

Ara. 5 a laporan osilasi overshoot dan puncak ke puncak perpindahan tray untuk beberapa kecepatan diuji dalam kondisi P0. Kuantitas tidak menunjukkan pertumbuhan monoton dengan kecepatan meningkat. Cukup, beberapa jenis efek antiresonant hadir sekitar 920 ppm] FID $ T21 [, sedangkan operasi pada kecepatan tertinggi memicu salah satu sistem frekuensi alami (sekitar 14 Hz). Memang osilasi nampan besar terjadi pada 1000 ppm] FID $ T21 [yang tidak kompatibel dengan fungsi mesin yang benar.

 

Pengukuran vibrometer dan data yang disediakan oleh encoder memantau katrol TB dibandingkan dengan fi nd sumber efek elastodynamic yang diamati. Perpindahan perifer dari katrol bergigi dihitung dari sinyal encoder dengan mempertimbangkan radius lapangan sekitar 114,6 mm (katrol memiliki 36 gigi dan pitch 20 mm). Sebagai contoh, Gambar. 5 b menunjukkan dekat dari perpindahan tray dan katrol TB perpindahan perifer sekitar 120 dari fase utama siklus, pada 1000 ppm [3T $ DIF]. Perbandingan jelas mengungkapkan bahwa perpindahan nampan hampir sepenuhnya ascribable untuk kepatuhan TB, sedangkan, bertentangan dengan asumsi awal, deformasi yang terjadi di MTU belt conveyor agak diabaikan (baki pada MTU pada dasarnya mengikuti TB pulley perpindahan perifer). Kesimpulan yang sama dapat ditarik untuk semua kecepatan diuji.

 

Sebuah pemeriksaan dekat baru dari TB] FID $ 31 [di dalam mesin mendeteksi keberadaan deformasi belt sangat besar. Deformasi tersebut dapat menyebabkan sabuk untuk melompat gigi, sehingga menyebabkan kehilangan sinkronisme antara MTU dan fase mesin, dan akibatnya kegagalan kritis. Selanjutnya, baki overshoot yang berlebihan cepat akan merusak Lock dan unit tambahan lainnya. Mengurangi inersia MTU dan meningkatkan kekakuan TB keduanya diperlukan untuk membatasi osilasi.

 

Dalam prakteknya, mantan strategi dapat dilakukan dengan mengurangi massa nampan produk. Yang terakhir dapat diimplementasikan dengan meningkatkan radius kedua puli TB, sebagai sabuk setara kekakuan torsional dikurangi dengan sumbu-j, K _Tj, diberikan oleh [4] : [14T $ DIF]

 

K Tj ¼ 2 K B r j 2	b
	;   K B ¼ c sp L i	ð 2 Þ

menjadi K _B sabuk kekakuan, r _j radius katrol lapangan, c _sp yang spesifik belt kekakuan (disediakan oleh produsen), b lebar belt dan L _i sabuk gratis span.

] GIF $ DT) 5.gi ([

 

Ara. 5. (a) Overshoot (ov) dan puncak-ke-puncak (pk) osilasi dari perpindahan nampan sebagai fungsi dari kecepatan kerja; (b) perbandingan antara tray perpindahan (VIB) dan perpindahan perifer pulley (enc) pada 1000 ppm [3T $ DIF].

A. Martini, M. Troncossi Studi / Kasus di Teknik Sistem dan Signal Processing 3 (2016) 28-33

33

] GIF $ DT) 6.gi ([

 

Ara. 6. Hasil penelitian setelah MTU redesign parsial: (a) overshoot (ov) dan puncak-ke-puncak (pk) osilasi dari perpindahan nampan sebagai fungsi dari kecepatan kerja; (b) perbandingan antara tray perpindahan (VIB) dan pulley perifer perpindahan (enc) pada 1000 ppm] FID $ T3 [.

 

Sebuah varian dari mesin asli diatur dan diuji. Hal itu diperoleh dengan menerapkan hanya satu modi fi kasi dari desain sebelumnya, yaitu dengan mengganti semua baki produk dari MTU dengan ringan yang baru. Secara khusus, setiap baki produk didesain ulang dengan mengurangi massa sekitar 33%, sehingga secara signifikan mengurangi MTU inersia total. Memang nampan asli yang ditemukan jauh kebesaran sehubungan dengan persyaratan minimum kekuatan struktural.

Perpindahan tray diukur dalam percobaan ini tambahan dilaporkan dalam Gambar. 6 . Khususnya Gambar. 6 a menunjukkan nilai overshoot dan puncak ke puncak untuk semua kecepatan diuji, sedangkan perbandingan antara perpindahan tray dan katrol TB perpindahan perifer pada 1000 ppm] FID $ T1 [5 dilaporkan dalam Ara. 6 b. Getaran muncul secara signifikan berkurang. Oleh karena itu single ini desain modifikasi yang terbukti efektif untuk mengurangi masalah elastodynamic mempengaruhi MTU.

 

Perlu dicatat, bagaimanapun, bahwa pelaksanaan juga kation modi fi lainnya yang diusulkan (khususnya yang menyangkut P & P1 dan OR, seperti yang dilaporkan dalam Pasal 4.1) masih muncul disarankan untuk mencapai kinerja yang bekerja memuaskan dari mesin ketika beroperasi dengan kapasitas produksi yang diinginkan baru.

5. Kesimpulan

Makalah ini melaporkan penyelidikan eksperimental, dengan cara pengukuran getaran, fenomena elastodynamic mempengaruhi mesin otomatis untuk perakitan tutup plastik bila melebihi kecepatan kerja nominal sebesar 50%, yang merupakan persyaratan baru untuk meningkatkan kapasitas produksi mesin.

Khusus mesin pengintaian fi gurasi dan uji kondisi diadopsi untuk percobaan diizinkan untuk andal memprediksi respon mesin pada kecepatan kerja yang ditargetkan baru. Analisis berhasil identifikasi ed unit fungsional yang paling mengganggu, dan memungkinkan pengembangan strategi yang tepat untuk memecahkan masalah kritis. Pemeriksaan lebih lanjut dilakukan setelah melaksanakan redesign parsial dari unit yang paling penting menunjukkan penurunan yang luar biasa dari tingkat getaran dan fenomena elastodynamic, sehingga membuktikan efektivitas dari solusi yang diusulkan.

Referensi

[1]    C. Miani, D. Veroni, C. Casale. Perangkat pembukaan closable paket disegel produk makanan pourable. European Patent Application 1262412A1 2002.

[2]    A. Martini, M. Troncossi, Analisis dan prediksi perilaku elastodynamic dari mesin otomatis untuk perakitan tutup plastik dengan cara pengukuran getaran, Proc. Konferensi XXII Asosiasi Italia Teoritis dan Terapan Mekanik (AIMETA 2015), Genova, Italia, 14 September - 17, 2015, pp 170 -. 179. ISBN 978-88-97752-55-4 (diakses 2016/03/14) 
http://www.aimeta2015.dicam.unibo.it/node/23

[3]    A. Martini, M. Troncossi, A. Rivola, analisis getaran Eksperimental mesin otomatis untuk perakitan topi plastik, Proc. dari 8 International Konferensi Akustik dan Metode Surveillance getaran dan Teknik Diagnostik (Surveillance 8), Roanne, Prancis, 20 Oktober - 21, 2015, pp 1 -. 8 .

[4]    M. Ebrahimi, R. Whalley, Analisis, pemodelan dan simulasi kekakuan di alat mesin drive, Comput. Ind. Eng. 38 (1) (2000) 93-105.

Upgrade of an automated line for plastic cap manufacture based on experimental vibration analysis

Short communication

Upgrade of an automated line for plastic cap manufacture based on experimental vibration analysis

Alberto Martini*, Marco Troncossi

DIN—Department of Engineering for Industry, University of Bologna, Viale del Risorgimento 2, 40136 Bologna (BO), Italy

A R T I C L E    I N F O

Article history:

Received 5 January 2016

Received in revised form 18 March 2016 Accepted 18 March 2016

Available online 19 March 2016

Keywords:

Vibration monitoring

Experimental analysis

Non-contact measurement

A B S T R A C T

The study deals with an experimental campaign to analyze the effects on an automatic machine for plastic cap assembly of the increased vibrations occurring when speeding up its operation. The new velocity specifications are required by the machine manufacturer for raising the production capacity. The analysis successfully identified the functional units critically affected by elastodynamic issues related to the speed increment. Hence it permitted to focus the redesign process on the critical groups in order to implement the desired machine upgrade by means of limited modifications to the current machine version. The most relevant experimental results are presented and discussed. The paper also reports data provided by further tests carried out on a machine variant (obtained after the implementation of the first design modifications), which prove the effectiveness of the proposed solutions to improve the machine performance.

ã 2016 Published by Elsevier Ltd.

1. Introduction

The presented activity relates to the upgrade of an automated line for the manufacture of plastic resealable opening devices for packages of pourable food [1]. The primary objective is increasing the machinery nominal production capacity by about 50%, from 680 to 1000 products per minute (ppm[4T$DIF]). This goal has to be achieved through a proper rise in the working velocity and only limited modifications of the existing machinery design.

This study focuses on the automatic machine that assembles the end product starting from its three components. The remarkable speed increment required to meet the desired production target may trigger elastodynamic phenomena possibly detrimental for both the performance and the reliability of the machine. An experimental campaign was carried out to investigate these potential issues by means of vibration measurements. The analysis aimed at identifying the functional groups characterized by critical elastodynamic behavior, thus providing the guidelines for a partial machine redesign.

The current configuration does not allow exceeding 25% of the nominal production capacity. Hence, the experiments were designed both to monitor (when possible) and to predict the machine behavior when operating in different working conditions, by arranging special sensor and machine setup.

The analysis yielded a reliable estimation of the machine elastodynamic behavior, thus permitting to define the required design modifications. Relevant results concerning some critical functional units are presented and discussed. Measurements from follow-up tests performed after implementing some modifications of the most critical unit confirmed a significant enhancement of the machine performance.

*  Corresponding author at: Via Fontanelle 40, 47121 Forlì (FC), Italy. E-mail address: alberto.martini6@unibo.it (A. Martini).

http://dx.doi.org/10.1016/j.csmssp.2016.03.002 2351-9886/ ã 2016 Published by Elsevier Ltd.

2. Description of the assembly machine

A simplified schematic of the machine layout is presented in Fig. 1, where only the main functional units are shown. The machine reference coordinate system is also reported. A pick-and-place unit (referred to as P&P1) takes the three product components (Comps) from the corresponding buffers, located next to the machine input area (IN), and loads them onto properly shaped trays. Each product tray carries 10 items of each Comp, so that 10 caps are assembled in a working cycle. The trays are conveyed by the Main Transfer Unit (MTU), with intermittent motion, to the next functional groups, for subsequent operations (performed during the rest phase of the MTU cycle). The MTU is driven by a power transmission chain formed by an Indexer and a Timing Belt (TB). The Orientation unit (OR) rotates the Comps around the vertical axis (direction Z) to provide them with the required relative orientations. The assembly task is performed in two steps by the two Assembly units (denoted as As1 and As2, respectively). A second pick-and-place unit (P&P2), mechanically coupled to the P&P1 by the Linkage, transfers the assembled caps from the trays to the end product buffer, located at the machine output area (OUT). The unit referred to as Lock engages the product trays processed by the functional units to ensure their accurate positioning during the related operations.

3. Experimental setup and test conditions

Since very few information about the elastodynamic behavior of the machine was available, all the main units and structures were monitored by proper transducers. Preliminary visual inspection of working cycles at 840 ppm]FID$T5[ had reveled significant oscillations affecting both the Linkage and the MTU, which therefore underwent deeper investigations. In particular, the displacement and the velocity of the product trays along the conveying direction (Y-axis) were detected by a laser vibrometer (Polytec HSV-2002, Fig. 2a). These measurements required arranging two “dummy trays” that were installed on the MTU by replacing two adjacent product trays. Both dummy trays feature a reflective surface targeted by the

]GIF$DT)1.gi([

Fig. 1. Simplified schematic of the machine layout.

30 A. Martini, M. Troncossi / Case Studies in Mechanical Systems and Signal Processing 3 (2016) 28–33

]GIF$DT)2.gi([

 Fig. 2. (a) Laser vibrometer setup and (b) close up of the dummy trays.

laser beam (Fig. 2b). The dummy trays have the same mass and inertia of the regular trays, but they are not suitable for carrying the Comps.

An incremental rotary encoder measured both the angular displacement and velocity of the TB pulley (Fig. 1). A further encoder monitored the camshaft driving the OR.

Piezoelectric accelerometers detected the vibrations of the machine frame and the remaining moving parts (namely

P&P1,P&P2, As1, As2, OR, Linkage and Cam-rockers system).

All acquisitions were performed by using a LMS SCADAS Mobile SCM-05 system. The “Cycle master phase” signal generated by the machine control unit was also recorded, to be used as an angular reference to synchronize the measured signals with the machine operational phases (one working cycle corresponding to 360 ).

The experiments analyzed operation at constant velocity, for different speed values (starting from the nominal value of 680 ppm]FID$T6[ with increments of 40 ppm). Two different machine configurations were tested, referred to as conditions P1 and P0 respectively. The former condition featured a fully operative machine, working up to 840 ppm]FID$T3[. The latter was specifically conceived for both allowing operation up to 1000 ppm]FID$T7[ (thus going far beyond the speed limitation of condition P1) and permitting laser vibrometer measurements. In particular, condition P0 was achieved by modifying condition P1 as follows. (i) Two product trays were replaced with the dummy trays (Fig. 2b). (ii) The Lock unit was deactivated. (iii) The machine ran unloaded, i.e. by removing the Comps from the input buffers. In such an instance, the assembly loads normally acting on As2 were not experienced. Nonetheless, all functional units kept performing their motions, thus inertia actions still affecting the machine operation.

The consistency of the machine behavior in these two configurations was analyzed by the trend of a proper parameter (cfr. Section 4.1).

]GIF$DT)3.gi([

Fig. 3. (a) Experimental (ex) and theoretical (th) accelerations of the P&P1 at 1000 ppm]FID$T2[ in condition P0, along direction X, over the machine cycle, and (b) index D% relative to the same transducer for all tested velocities and conditions.

4. Results and discussion

All measurements exhibited very good repeatability over the machine cycle, for all tested conditions. The analysis of the experimental data permitted to identify four functional groups experiencing significant elastodynamic issues, namely the P&P1, OR, Linkage and MTU. Results concerning the first three units are discussed in Section 4.1, whereas the fourth unit is examined in Section 4.2.

4.1. Acceleration signals

The accelerations measured on the P&P1 along the direction X, for operation at 1000 ppm[2T$DIF] in condition P0, are reported in Fig. 3a (by way of example), as functions of the machine angular reference. The curve describing the corresponding theoretical accelerations (i.e. the law of motion imposed on the P&P X-Actuator by the machine controller, which is a known specification of the working cycle) is also shown. Due to a non-disclosure agreement with the machine manufacturer, actual acceleration values cannot be reported whereas only the acceleration profiles can be provided.

For each transducer in each test condition, the root mean square (rms) value of the residual signal, i.e. the signal obtained by filtering out the theoretical accelerations from the measured ones, is computed over one machine cycle to globally describe the vibration levels. Then the rms percentage variation (with respect to the nominal functioning velocity, i.e. 680 [8T$DIF] ppm), D%, for the i-th acceleration signal is computed as:[9T$DIF]

where Pj indicates condition P1 or P0, nom refers to the nominal velocity and vel is the examined velocity.

Firstly, the trend of such indicator is assessed to confirm the reliability of the tests in the modified condition P0. Fig. 3b reports the values of D% computed in conditions P1 and P0 over the tested working speeds for the P&P1 (direction X), presented as an example. The trends of D% for the two different conditions can be compared up to 840 ppm]FID$T3[. These results are proven consistent by the comparison (the corresponding rms values being very similar too). A very good match is observed for all the other acceleration signals as well. Hence, the data provided by the tests with modified machine configuration up to 1000 ppm]FID$T01[ can be adopted to confidently predict how the machine would work beyond 840 ppm]FID$T2[ in condition P1, i.e. up to the new targeted speed in fully operative configuration.

Secondly, the indicator is exploited to detect abnormal rise in the vibration levels associated with the speed variations. In particular, higher increments in D% are expected to reveal critical elastodynamic effects. The analysis of the proposed indicator for all acceleration signals identified two critical units, namely the P&P1 and the OR, and confirmed the Linkage as potentially troubling, as emerged by visual inspections mentioned in Section 3.

The P&P1 exhibits values of D% largely exceeding 150% for both the directions X (Fig. 3b) and Y, and even over 250% along the Z-axis, at the target velocity of 1000 ppm]FID$T7[ [2]. Such higher vibration levels may lead to the incorrect positioning of the Comps in the product trays, thus preventing them from being properly assembled and consequently causing the rejection of all 10 end products on the same tray. The severe vibrations predicted by the investigation may also entail considerable durability issues. Modifying the unit is therefore required. In practice, redesigning the P&P1 end effector (a rather massive component in the current machine configuration) for reducing its moving inertia appears a feasible strategy for limiting vibration levels.

Severe vibrations characterize also the OR, along the Z-axis. The comparison between measured and theoretical accelerations along this direction, for operation at 1000 ppm[2T$DIF] in condition P0, is shown in Fig. 4a. The corresponding trend of D% for conditions P1 and P0 over the tested working speeds is reported in Fig. 4b. Large oscillations of the OR end effector

]GIF$DT)4.gi([

Fig. 4. (a) Experimental (ex) and theoretical (th) accelerations of the OR at 1000 ppm]FID$T2[ in condition P0, along direction Z, over the machine cycle, and (b) index D% relative to the same transducer for all tested velocities and conditions.

32 A. Martini, M. Troncossi / Case Studies in Mechanical Systems and Signal Processing 3 (2016) 28–33

may determine incorrect orientation of the Comps (and subsequent assembly problems), therefore worsening the machine global performance, similarly to the P&P1. In addition, the significant increment in dynamic loads, entailed by vibrations, may raise the failure rate of the OR power transmission chain, in particular of its driving cam-rocker system [3]. Reducing the mass of the OR end effector is essential for addressing these issues.

The Linkage is characterized by remarkable oscillations of its two principal components, namely two long carbon fiber couplers. Analyses in both the frequency and the time domains [2] reveal that operation at 1000 ppm[1T$DIF] triggers the resonances of the couplers up to the third natural frequency. These local elastodynamic phenomena, however, do not prove detrimental for the machine performance, since the P&P2 keeps working regularly at 1000 ppm[3T$DIF]. Nonetheless, stiffening the Linkage for incrementing its natural frequencies and lowering deformations would be advisable in order to avoid possible durability issues.

4.2. Laser vibrometer and encoder signals

Estimating the motion of the product trays at the new target velocity was considered essential, since the preliminary check had suggested that the MTU belt conveyor might present excessive compliance. Significant tray oscillations may determine incorrect synchronization with the Lock engagement, which would result potentially harmful to the integrity of several machine components. Hence the investigation focuses on the displacement signals, whereas the velocity ones are only used for verification purpose. In particular, the laser vibrometer measurements are analyzed in terms of overshoot and peak-to-peak oscillation with respect to the tray rest position, which is theoretically reached at the end of the MTU active phase (lasting 120 of the machine cycle), after a displacement of 120 mm.

Fig. 5a reports the overshoot and peak-to-peak oscillation of the tray displacement for some tested velocities in condition P0. Neither quantity exhibits a monotonic growth with the increasing speed. Reasonably, some kind of antiresonant effect is present around 920 ppm]FID$T21[, whereas operation at the highest velocities triggers one of the system natural frequencies (at about 14 Hz). Indeed large tray oscillations occur at 1000 ppm]FID$T21[, which are not compatible with the correct machine functioning.

The vibrometer measurements and the data provided by the encoder monitoring the TB pulley are compared to find the source of the observed elastodynamic effects. The peripheral displacement of the toothed pulley is computed from the encoder signals by considering a pitch radius of about 114.6 mm (the pulley having 36 teeth and a 20 mm pitch). As an example, Fig. 5b shows a close up of the tray displacement and the TB pulley peripheral displacement around 120 of the cycle master phase, at 1000 ppm[3T$DIF]. The comparison clearly reveals that the tray displacement is almost completely ascribable to the TB compliance, whereas, contrary to initial assumptions, deformations occurring in the MTU belt conveyor are rather negligible (the tray on the MTU basically follows the TB pulley peripheral displacement). The same conclusion can be drawn for all tested velocities.

A new close inspection of the TB]FID$31[ inside the machine detected the presence of extremely large belt deformations. Such deformations may cause the belt to jump teeth, thus leading to loss of synchronism between the MTU and the machine phase, and consequently to a critical failure. Furthermore, the excessive tray overshoot would rapidly damage the Lock and other auxiliary units. Reducing the MTU inertia and increasing the TB stiffness are both required for limiting oscillations.

In practice, the former strategy may be carried out by decreasing the mass of the product trays. The latter may be implemented by increasing the radius of both TB pulleys, as the belt equivalent torsional stiffness reduced to the j-th axis, K_Tj, is given by [4]:[14T$DIF]

being K_B the belt stiffness, r_j the pitch pulley radius, c_sp the specific belt stiffness (provided by the manufacturer), b the belt width and L_i the belt free span.

]GIF$DT)5.gi([

Fig. 5. (a) Overshoot (ov) and peak-to-peak (pk) oscillation of the tray displacement as functions of the working speed; (b) comparison between tray displacement (vib) and pulley peripheral displacement (enc) at 1000 ppm[3T$DIF].

]GIF$DT)6.gi([

Fig. 6. Experimental results after MTU partial redesign: (a) overshoot (ov) and peak-to-peak (pk) oscillation of the tray displacements as functions of the working speed; (b) comparison between tray displacement (vib) and pulley peripheral displacement (enc) at 1000 ppm]FID$T3[.

A variant of the original machine was arranged and tested. It was obtained by implementing just one modification of the previous design, namely by replacing all the product trays of the MTU with lighter new ones. In particular, each product tray was redesigned by cutting down its mass by about 33%, thus significantly reducing the MTU total inertia. Indeed the original trays were found to be considerably oversized with respect to the minimum structural strength requirements.

The tray displacements measured in these additional experiments are reported in Fig. 6. In particular Fig. 6a shows the overshoot and peak-to-peak values for all tested velocities, whereas the comparison between the tray displacement and the TB pulley peripheral displacement at 1000 ppm]FID$T1[5 is reported in Fig. 6b. Vibrations appear significantly reduced. Therefore this single design modification is proven effective for mitigating the elastodynamic issues affecting the MTU.

It is worth noting, however, that implementing also the other proposed modifications (in particular those concerning the P&P1 and OR, as reported in Section 4.1) still appears advisable in order to achieve a satisfactory working performance of the machine when operating with the new desired production capacity.

5. Conclusions

This paper reported the experimental investigation, by means of vibration measurements, of the elastodynamic phenomena affecting an automatic machine for plastic cap assembly when exceeding the nominal working speed by 50%, that is a new requirement to raise the machine production capacity.

The special machine reconfiguration and test conditions adopted for the experiments permitted to reliably predict the machine response at the new targeted working speed. The analysis successfully identified the most troubling functional units, and allowed the development of proper strategies to solve the critical issues. Further tests performed after implementing the partial redesign of the most critical unit showed a remarkable reduction of vibration levels and elastodynamic phenomena, thus proving the effectiveness of the proposed solutions.

References

[1]   C. Miani, D. Veroni, C. Casale. Closable opening device for sealed packages of pourable food products. European Patent Application 1262412A1, 2002.

[2]   A. Martini, M. Troncossi, Analysis and prediction of the elastodynamic behavior of an automatic machine for plastic cap assembly by means of vibration measurements, Proc. of the XXII Conference of the Italian Association of Theoretical and Applied Mechanics (AIMETA 2015), Genova, Italy, September 14–17, 2015, pp. 170–179. ISBN 978-88-97752-55-4 (accessed 03/14/2016) http://www.aimeta2015.dicam.unibo.it/node/23.

[3]   A. Martini, M. Troncossi, A. Rivola, Experimental vibration analysis of an automatic machine for plastic cap assembly, Proc. of the 8th International Conference on Acoustical and Vibratory Surveillance Methods and Diagnostic Techniques (Surveillance 8), Roanne, France, October 20–21, 2015, pp. 1–8.

[4]   M. Ebrahimi, R. Whalley, Analysis, modeling and simulation of stiffness in machine tool drives, Comput. Ind. Eng. 38 (1) (2000) 93–105.