龍淑嬪

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源517000）

一種基于毫秒封切的不間斷包裝機(jī)設(shè)計(jì)

龍淑嬪

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源517000）

針對(duì)目前封切包裝機(jī)效率低、質(zhì)量差、設(shè)備穩(wěn)定性差、產(chǎn)品適應(yīng)性差等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)設(shè)備送料機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、利用伺服電機(jī)與PLC和觸屏控制，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種能夠連續(xù)進(jìn)料包裝、包裝定位精度高、封口質(zhì)量平整光滑且無(wú)故障時(shí)間長(zhǎng)的不間斷包裝機(jī)。

毫秒封切；不間斷；包裝機(jī)

1　封切包裝機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

封切包裝機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于批量生產(chǎn)包裝的流水作業(yè)、工作效率高、加工產(chǎn)品質(zhì)量好的自動(dòng)化機(jī)器［1］。目前國(guó)內(nèi)封切包裝市場(chǎng)較大，但是產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，其落后性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）封切速度慢。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的封切包裝機(jī)由于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)不能突破，控制系統(tǒng)不夠先進(jìn)，封切包裝的速度較低，本設(shè)計(jì)的同類設(shè)備封切速度最高為750 ms/次；（2）包裝質(zhì)量低。目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)封切包裝機(jī)由于傳送設(shè)備與驅(qū)動(dòng)裝置及系統(tǒng)之間的各類誤差，導(dǎo)致傳送精度較低、封切產(chǎn)品的切口質(zhì)量較差，如粘合不穩(wěn)、熔熱不均勻，導(dǎo)致包裝封口不平整、沒(méi)有密封好、封口破損等；（3）設(shè)備穩(wěn)定性差。由于設(shè)備技術(shù)缺陷，很多封切包裝機(jī)的穩(wěn)定性差、故障多發(fā)，平均無(wú)故障時(shí)間短。

本文通過(guò)對(duì)封切包裝機(jī)工作情況和具體流程進(jìn)行分析，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，同時(shí)研發(fā)出與之配合使用的全自動(dòng)控制系統(tǒng)，使封切機(jī)在封切速度、包裝質(zhì)量和設(shè)備穩(wěn)定性等方面能得到更大的提高。

2　封切包裝機(jī)的性能需求分析及工作流程

2.1封切包裝機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)先進(jìn)性需求分析

由于目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上封切包裝機(jī)普遍存在封切速度慢、封切質(zhì)量差、設(shè)備穩(wěn)定性差等問(wèn)題［2］，因此進(jìn)行該設(shè)備的設(shè)計(jì)時(shí)要求在封切速度上能夠大于750 ms/次，封切產(chǎn)品的切口平整、質(zhì)量好，同時(shí)設(shè)備的平均無(wú)故障時(shí)間達(dá)到連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為70～90 h.

圖1　封切包裝機(jī)工作流程

2.2封切包裝機(jī)的工作流程

封切包裝機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)包括送膜、封切情況判斷、封切等動(dòng)作，具體流程圖1所示。

封切機(jī)開(kāi)始操作可以為新工作任務(wù)啟動(dòng)，也可為承接上一次操作的循環(huán)操作；啟動(dòng)后送料模式有兩種，一種為提前送膜，一種為輸送帶送膜，模式的選擇由工作人員在系統(tǒng)進(jìn)行選定；當(dāng)選擇模式為輸送帶送料時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行高低速和封切物品單個(gè)還是多個(gè)判斷；單進(jìn)行低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)靜待貨物過(guò)完再進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作，當(dāng)設(shè)備為高速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)過(guò)完一個(gè)貨物即進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作；過(guò)完系統(tǒng)設(shè)定的貨物后輸送帶停止；當(dāng)封切臺(tái)檢測(cè)到貨物到達(dá)時(shí)，延時(shí)啟動(dòng)出貨輸送帶，同時(shí)封切臺(tái)下降到位，出貨帶延時(shí)停止，設(shè)備進(jìn)行封切包裝，設(shè)備控制進(jìn)行延時(shí)熱熔封口，設(shè)定時(shí)間到達(dá)后完成封切，封切缸退回位置，封切臺(tái)上升回到原位，一次封切工作結(jié)束，若為多次封切則自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

在進(jìn)行封切包裝的過(guò)程中，設(shè)備可以進(jìn)行貨物的連續(xù)包裝，實(shí)現(xiàn)快速封切。在封切包裝時(shí)若要改變包裝貨物的長(zhǎng)度尺寸，可改變出料延時(shí)來(lái)進(jìn)行時(shí)間控制。

3　封切包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)封切機(jī)的功能進(jìn)行分析，與控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)主要包括包括機(jī)架、直線電機(jī)、封合機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、推動(dòng)裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，各個(gè)組成部分的結(jié)構(gòu)如下：

圖2　封切機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架包括固定條和左右兩個(gè)滑桿，滑桿分別和左右直線軸承相連。

3.2封合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

封合機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、刀架和發(fā)熱裝置組成，其中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括小齒輪、大齒輪、連接塊以及兩個(gè)擺臂，其中擺臂一與下刀架相連，擺臂二與固定條相連，小齒輪與電機(jī)連接；刀架包括上刀架和下刀架，上刀架上安裝有刀座、水平調(diào)整裝置和彎曲調(diào)整裝置；發(fā)熱裝置由發(fā)熱元件和控制元件構(gòu)成。

3.3輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸送機(jī)構(gòu)由固定板、第一固定塊、第二固定塊和導(dǎo)軌組成。

3.4推動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

推動(dòng)裝置由滑座、滑板、安裝板和推動(dòng)拉桿構(gòu)成，其中推動(dòng)拉桿的一端與電機(jī)相連，另一端連接安裝板。

通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)快速送料及高質(zhì)量封裝，能保證送料定位精度，同時(shí)調(diào)整刀架上的水平和彎曲調(diào)整裝置可以適應(yīng)不同尺寸和形狀的包裝物品。

3.5封切包裝機(jī)的工作過(guò)程和原理

本設(shè)計(jì)的工作過(guò)程和原理為：包裝膜處于上刀架和下刀架之間，發(fā)熱裝置發(fā)熱并且達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，電機(jī)開(kāi)始工作［3］，然后齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擺臂機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，其中擺臂二帶動(dòng)下刀架上下活動(dòng)。當(dāng)上刀架與下刀架重合時(shí)，上刀架會(huì)施加一個(gè)作用力給下刀架，這時(shí)雙層包裝膜就會(huì)受到一定的力和適當(dāng)?shù)臏囟?，雙層包裝膜會(huì)被切斷且被切斷的兩端會(huì)在溫度作用下融合粘結(jié)在一起，雙層包裝膜切斷和粘合完成后，電機(jī)會(huì)帶動(dòng)上下刀架回到原始位置。

4　封切包裝機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1封切包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)

封切包裝機(jī)要實(shí)現(xiàn)多樣化、高速、不間斷、高精度封切，需要解決送料位置精確、送料速度可調(diào)、封刀尺寸及相對(duì)位置可調(diào)、封刀溫度可調(diào)可控等難題［4］。針對(duì)以上問(wèn)題，本設(shè)備采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對(duì)需要調(diào)速的電機(jī)采用變頻器控制，系統(tǒng)采用PLC加上觸摸屏實(shí)現(xiàn)其功能控制和操作控制。

封切包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)入網(wǎng)電源為AC380V、50 Hz，為了滿足電氣控制系統(tǒng)變頻器等電氣元件的需求，采用了變壓器進(jìn)行變壓，開(kāi)關(guān)電源提供直流電源。封切包裝機(jī)的爐風(fēng)機(jī)不需要進(jìn)行變速等操作，直接用接觸器控制其啟停。爐輸送帶電機(jī)采用變頻器控制，進(jìn)行速度的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)發(fā)熱裝置由發(fā)熱管提供熱能進(jìn)行融合封切。封切包裝的進(jìn)料電機(jī)、出料電機(jī)、側(cè)邊拉膜電機(jī)均由變頻器進(jìn)行控制，回收廢料電機(jī)、送膜電機(jī)、刀架電機(jī)則直接由斷路器及按鈕進(jìn)行控制。封切包裝機(jī)電氣原理圖如圖3、圖4所示。

圖3　封切包裝機(jī)電氣原理圖1

圖4　封切包裝機(jī)電氣原理圖2

4.2封切包裝機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

封切包裝機(jī)采用PLC進(jìn)行控制，操作界面采用觸摸屏。根據(jù)其工作流程進(jìn)行分析，綜合電氣控制要求和觸摸屏設(shè)計(jì)，對(duì)PLC輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行定義，具體如表1所示。

表1　I/O分配編排

根據(jù)設(shè)備自動(dòng)控制功能及工藝要求，進(jìn)行PLC程序編制。編制程序能夠?qū)崿F(xiàn)封切包裝機(jī)的送料、定位、加熱、封切、復(fù)位等動(dòng)作功能。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)PLC程序能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能和要求。

5　封切包裝機(jī)的實(shí)際應(yīng)用情況

對(duì)封切機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)后，本設(shè)備經(jīng)過(guò)調(diào)試及運(yùn)行檢測(cè)已經(jīng)成批生產(chǎn)并投入市場(chǎng)，因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能，產(chǎn)品在歐美地區(qū)及中國(guó)大陸均取得了很好的銷售業(yè)績(jī)，圖5為本設(shè)計(jì)產(chǎn)品的實(shí)物產(chǎn)品圖，圖6為本設(shè)備封切包裝產(chǎn)品示范。

圖5　封切包裝機(jī)實(shí)物圖

圖6　封切包裝機(jī)包裝物品示范

6　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)封切包裝機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用PLC與伺服結(jié)合觸摸屏控制，達(dá)到了以下效果：

（1）提高了封切速度。通過(guò)改進(jìn)傳送設(shè)備和控制系統(tǒng)，封切機(jī)可以在一分鐘完成30～36個(gè)物品的運(yùn)送、定位及封切包裝，也就是其封切速度可以達(dá)到每分鐘500 ms/次至600 ms/次。此速度可能在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先狀態(tài)，且與國(guó)際最高水平非常接近（如德國(guó)的同類設(shè)備的最高速度為430 ms/次）。如對(duì)技術(shù)的推廣，可以提高國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的平均封切速度水平，對(duì)行業(yè)發(fā)展起到促進(jìn)作用［5］。

（2）提高了產(chǎn)品精度。通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)后，設(shè)備不僅提高了傳送封切速度，同時(shí)封切質(zhì)量得到了很大的提高，其平均廢品率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)平均水平。

（3）提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。本設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試及售出產(chǎn)品進(jìn)行回訪，產(chǎn)品的平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá)72 h，接近國(guó)際先進(jìn)水平。

綜上所述，基于毫秒封切的不間斷封切包裝機(jī)的投入使用將對(duì)封切行業(yè)起道積極的作用。

［1］朱家誠(chéng)，趙松麗，胡智勇，等.微柱凝膠卡自動(dòng)封切機(jī)的設(shè)計(jì)與研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2015，（2）:133-134.

［2］余冠洲.薄膜封切機(jī)同步跟蹤方法［J］.電氣自動(dòng)化，2000，（3）：66-68.

［3］薛 雷，孫以澤，李培興，孫志軍.基于模糊PID的褲襪包裝機(jī)熱封切刀溫度控制的研究［J］.包裝工程，2013，（3）：16-20.

［4］郭志強(qiáng)，朱茹敏，李冬龍.袋式包裝機(jī)橫封切桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與特性分析［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2013，（10）：65-68

［5］方玉瑩.熱收縮包裝機(jī)與封切機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)與食品機(jī)械，1997，（6）：10-12.

Uninterrupted Package Design on Millisecond Seal-Cutting Operation

LONG Shu-ping
（Heyuan Polytechnic，Heyuan Guangdong 517000，China）

With current seal-cutting machine featuring low efficiency and quality，poor stability and product adaptation，by optimizing and designing structures of feeder machine and with controlled tough between servo motor，PLC and tough screen，uninterrupted package machine is devised and invented with characteristics of continual feeding and package，high degree of package positioning，smooth and neat seal and lasting trouble-free package machine.

millisecond seal-cutting；uninterrupted；package machine

TB486

A

1672-545X（2016）07-0039-03

2016-04-26

項(xiàng)目來(lái)源：廣東省科技廳項(xiàng)目、歐華包裝設(shè)備（河源）有限公司研發(fā)項(xiàng)目（編號(hào)：2016A070715002、2016 oyyz-03）

龍淑嬪（1982-），女，湖南漣源人，講師，碩士學(xué)位，主要研究方向：機(jī)電一體化控制，智能控制，數(shù)控機(jī)床電氣控制技術(shù)，數(shù)控機(jī)床裝調(diào)。