鄒俊剛，李詩龍

(武漢輕工大學機械工程學院，湖北武漢 430023)

目前市場上所用到的包裝機是手動或者半自動，還有很多需要按照包裝要求進行制袋，給料和稱量設備也不精準，包裝速度和精度都不好［1］。針對飼料行業(yè)對包裝機的要求，對市場上現有的飼料包裝機進行了調研，研制了一套通用性好、性能穩(wěn)定、精度較高的DCS-50小型全自動定量包裝機。該設備是機電一體化的產品，采用微電腦控制技術，能完成自動給料、稱量、夾袋充填、封包等功能。本機也可應用在糧食、化工、食品及醫(yī)藥等行業(yè)的小包裝。

1 結構及工作原理

1.1 結構

DCS-50小型全自動定量包裝機主要由給料部件、振動給料器、稱量部件、夾袋機構、供袋張袋裝置、皮帶輸送帶、封包裝置、上框架、下框架、過渡斗、吸風罩、電控柜和真空系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)組成。

DCS-50小型全自動定量包裝機結構簡圖如圖1所示。給料裝置主要由三行程給料機構和電磁式振動給料器等組成。三行程給料機構主要由斗體、三行程氣缸、三開度弧形截料門、上法蘭和上下調節(jié)結構等組成。這種給料機構采用自重給料方式［2］，裝置結構簡單，動作安全可靠，通用性好，給料精度高、速度快。三行程給料機構位于上框架頂部，振動給料器位于三行程給料機構和稱量部件之間適當位置，兩種機構的聯合使用會保證給料精度，提高包裝精度。

稱量部件主要是由稱量斗體、活動門體、開關門氣缸、稱重傳感器以及傳感器支座等組成。稱量部件在給料裝置下方，且在過渡斗上方。

圖1 DCS-50小型全自動定量包裝機結構簡圖

三行程給料機構、振動給料器、稱量部件都固定在上框內。過渡斗用來固定夾帶裝置，并起到緩沖物料的作用，過渡斗上法蘭固定在上框和下框之間，下法蘭與夾袋機構相連接。

夾袋裝置主要由夾袋斗體、夾袋搖臂、夾袋氣缸、張袋機構以及密封裝置構成。張袋機構主要由兩組分別控制水平方向和豎直方向運動的氣缸、真空吸盤、以及導桿組成，通過水平方向和豎直方向運動的結合來完成張袋動作。夾袋機構在過渡斗下方，與過渡斗下法蘭連接。

供袋裝置主要由存袋箱、取袋氣缸及真空吸盤、移袋氣缸、電機減速機、主動滾筒、從動滾筒、皮帶、伺服電機、光電傳感器、送袋手臂、夾持手指氣缸和機架及腳杯等組成。供袋張袋裝置位于整個機器的側面，送袋手臂由伺服電機控制90°旋轉，將袋子從皮帶尾端位置送到夾袋斗下方。

皮帶輸送機主要由電機減速機、托袋板、主動滾筒、從動滾筒、皮帶、皮帶托滾、高度調節(jié)機構等組成。皮帶輸送機在夾袋機構正下方，整機的最底部，夾袋機構正下方，另一端在外露整機一側。

縫包裝置由外購折邊機和縫包機及機架組成，其中機架上有高度調節(jié)裝置。折邊機整袋口和縫包機封包口位于同一直線，并與夾袋口中心在一直線上。縫包裝置位于在輸送帶外露端后放，且在整機側邊。

真空系統(tǒng)主要有真空泵、流量控制閥、方向控制閥、壓力繼電器、消音器、真空吸盤、執(zhí)行氣缸、氣管等組成。真空系統(tǒng)放置位置可以實際安裝情況而定。

電氣控制系統(tǒng)包括弱電控制部分和強電控制部分。弱電系統(tǒng)主要是PLC可編程控制器，對三行程給料機構、稱量部件活門氣缸、傳感器、夾帶氣缸、供袋機構電機、夾持手指氣缸、折邊機、縫包機等進行時間和順序控制。強電部分主要是控制真空泵、伺服電機、電磁式振動給料器、皮帶輸送機。

1.2 特殊機構

夾袋裝置結構圖如圖2所示，張袋機構是夾袋裝置中的一個關鍵機構，對整機的自動化起著重要作用。張袋機構主要有控制水平方向運動的氣缸(氣缸X)、控制豎直方向運動的氣缸(氣缸Y)、真空發(fā)生器、真空吸盤和張袋氣缸固定板等組成。每側在同一直線上并排有兩個雙層真空吸盤，其結構如圖3。這種夾袋裝置結構簡單，在夾袋時更具夾持力，不會對包裝袋口造成損傷;氣密性很好，對于粉塵大的物料，下料時也不會有粉塵散出，而影響包裝環(huán)境。

圖2 夾袋機構結構簡圖

真空吸盤是一種用來抓取和握持工件的末端執(zhí)行機構，本機中主要用真空吸盤來取袋和張袋。取袋時真空吸盤主要承受拉力，張袋時真空吸盤要同時承受拉力和剪切力。由于真空吸盤采用硅膠制造和它的他樹結構，真空吸盤在吸附過程中具有一定的柔順性，即使包裝袋有一定的尺寸偏差和位置偏差，也能被吸附和脫落［3］。雙層吸盤比單層吸盤更具吸附力，更安全可靠。

1.3 工作原理

圖3 張袋機構結構簡圖

DCS-50小型全自動定量包裝機能自動完成給料、稱量、供袋、夾袋、充填、縫包六大工序，工作程序圖如圖4所示，工作過程主要分兩個并行路線來完成，那么整機的工作原理分為兩個部分。

圖4 DCS-50小型全自動定量包裝機工作程序圖

第一部分:人工將一疊平鋪的包裝袋(大約400個)整齊放在存袋箱中的托板上，按下啟動按鈕，控制托板升降的電機、皮帶電機和真空泵啟動，光柵傳感器檢測包裝袋高度后，將信號經PLC傳給控制取袋氣缸的的繼電器，取袋氣缸向下伸出，同時真空發(fā)生器啟動，真空吸盤通氣迅速吸附包裝袋。取袋氣缸向上收縮后，將信號傳給控制移袋氣缸的繼電器，移袋氣缸向前伸出，然后真空吸盤斷氣，包裝袋被移送到皮帶上，向夾帶裝置方向移動。與此同時，送袋搖臂處于豎直方向，夾持手指氣缸打開。待光電傳感器檢測到包裝袋到一定位置，并且包裝袋邊緣進入手指氣缸開口內時，手指氣缸閉合，將信號傳給控制伺服電機的繼電器，伺服電機主軸轉動，送袋搖臂逆時針轉動90°，剛好將包裝袋送袋夾袋斗體下方中心位置。

此時夾袋氣缸伸出，夾袋搖臂打開，張袋機構的氣缸X和氣缸Y都處于收縮狀態(tài)。開始夾袋，首先是氣缸Y向下伸出，到位后氣缸X都向中心伸出，然后真空吸盤通氣，包裝袋吸住。保持適當時間(例如設定0.5 s)后，氣缸X都向兩側縮回，袋子口張開。氣缸Y向上收縮，將包裝袋提起。氣缸Y到位后將信號傳給控制夾袋氣缸的繼電器，夾袋氣缸收縮，兩側搖臂向中心合攏，將袋子口夾緊在夾袋斗體外壁上。

至此，第一條路線上的供袋、夾袋動作完成。需要說明的是，每臺機器備兩個存袋箱，當一個存袋箱的袋子用完之前，提前準備好換存袋箱，保證機器不停止運轉，各個動作不間斷。

第二部分:供料系統(tǒng)開始供料后，將信號傳給控制三行程氣缸和電磁式振動給料器的繼電器，初始時三行程氣缸處于收縮狀態(tài)。當快加一定時間后(例如設定時間1s)，三行程氣缸開始伸出第一個行程，三開度弧形截料門開度減小一定角度，此時實際就是中加狀態(tài)。當稱量斗中物料計量到達一定(例如設定為理論計量的85%)時，三行程氣缸伸出第二個行程，只留三開度弧形截料門的小口給料，此時實際就是慢加狀態(tài)。當達到理論計量或者是慢加給料到時間時，三行程氣缸伸出第三個行程，三開度弧形截料門完全關閉，停止加料。若三開度弧形截料門完全關閉卻計量沒有達到理論計量，電磁式振動給料器啟動，進行小流量慢加給料，從而更進一步提高給料精度，保證稱量精度。當計量達到理論計量時，給料裝置的三行程給料機構和電磁式振動給料器都停止給料。并將信號傳給控制稱量裝置活門氣缸的繼電器，兩側活門氣缸伸出，活門打開，開始下料充填。包裝填充完成之后，夾袋氣缸收縮，夾袋搖臂打開，包裝袋落在皮帶輸送機上?？刂品Q量裝置活門氣缸收縮，活門關閉，等待下一個循環(huán)。

至此，第二條路線上的給料、稱量、充填動作完成。接下來就是在皮帶輸送機上輸送過程中依次完成折邊、縫包和輸送這些后續(xù)動作。

需要說明的是，三行程給料機構快加、中加、慢加的時間要依據不同物料、不同上料速度、三行程給料機構到稱量裝置的高度等因素來設定參數。這些參數包括傳感器精度補償變量、三開度弧形截料門各開門時間、每次開度及開門速度等［4］。同時也要根據這些因素來設定三行程氣缸的通氣量，從而控制三開度弧形截料門動作快慢。還要設置電磁式振動給料器的振動頻率等。

2 主要技術參數

DCS-50小型全自動定量包裝機的主要技術參數如表1。

表1 DCS-50小型全自動定量包裝機的主要技術參數

3 氣動系統(tǒng)

3.1 氣動系統(tǒng)組成

氣動系統(tǒng)主要由氣源裝置、執(zhí)行機構、控制元件、輔助元件四種裝置組成。

氣源裝置即壓縮空氣的發(fā)生裝置，其主體部分是空氣壓縮機。它將原動機(如電動機)的機械能轉換為空氣的壓力能并經凈化設備凈化，為各類氣動設備提供潔凈的壓縮空氣。

執(zhí)行機構是系統(tǒng)的能量輸出裝置，如氣缸和真空吸盤，它們將氣體的壓力能轉換為機械能，并輸出到工作機構上去。

控制元件是用以控制調節(jié)壓縮空氣的壓力、流量、流動方向以及系統(tǒng)執(zhí)行機構的工作程序的元件，如壓力閥、流量閥、方向閥等。

在系統(tǒng)中除上述三類元件外，其余元件稱輔助元件，如各種過濾器、油霧器、消聲器、傳感器及管件等，對保持系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定和持久地工作起著十分重要的作用。

3.2 氣動系統(tǒng)原理圖

DCS-50小型全自動定量包裝機氣壓傳動系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 DCS-50小型全自動定量包裝機氣動系統(tǒng)原理圖

3.3 氣動元件

DCS-50小型全自動定量包裝機氣動元件明細表如表2所示。

表2 DCS-50小型全自動定量包裝機氣動元件明細

圖6 DCS-50小型全自動定量包裝機真空系統(tǒng)原理圖

4 真空系統(tǒng)

5 結束語

DCS-50小型全自動定量包裝機的真空系統(tǒng)主要由空氣壓縮機、二位三通電磁閥、空氣壓力繼電器、真空發(fā)生器、真空吸盤、氣管等組成。DCS-50小型全自動定量包裝機真空系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

研制的第一臺DCS-50小型全自動定量包裝機樣機試制表明，該包裝機達到了預期工作要求和性能要求，能順利完成給料、稱量、供袋、夾袋、充填、縫包六大工序，能適應多種物料的包裝，并且性能穩(wěn)定、精度較高、可靠性好、操作簡單、維護方便，滿足了用戶需求。

［1］戴宏民.包裝機械技術發(fā)展趨勢及我國的應對［J］.輕工機械，2003(4):1-4.

［2］劉俊杰，李國林，楊存志，等.重力式計量包裝機的設計與研究［J］.農機化研究，2006(06):133-135.

［3］張聰.自動化食品包裝機［M］.廣州:廣東科技出版社，2003:156-240.

［4］張兄華，張放.一種三級控制自動定量包裝機的設計［J］.科技應用，2007(02):29-30.