蔡松華

（漳州佳龍科技股份有限公司，福建 漳州 363000）

隨著中國(guó)勞動(dòng)力市場(chǎng)的不斷轉(zhuǎn)型[1]，青壯年農(nóng)民工比重不斷下降，在包裝行業(yè)，特別是大米、飼料等行業(yè)，包裝工人短缺現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。另一方面，中國(guó)包裝機(jī)械起步晚，目前存在著與國(guó)際先進(jìn)水平差距較大，進(jìn)口依賴(lài)嚴(yán)重、企業(yè)規(guī)模較小、缺乏創(chuàng)新平臺(tái)等問(wèn)題，因此國(guó)產(chǎn)包裝機(jī)械還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了包裝行業(yè)的實(shí)際需求。通過(guò)對(duì)大米、飼料行業(yè)進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)的大米行業(yè)其包裝袋種類(lèi)及包裝規(guī)格較多，并且普遍采用包裝完畢直接裝車(chē)的方式，存在每一批次包裝數(shù)量較少，包裝種類(lèi)及規(guī)格更換頻繁的現(xiàn)象。因此，國(guó)際先進(jìn)的包裝機(jī)械不能完全滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)的實(shí)際需求，而且還存在著價(jià)格高、維護(hù)困難等問(wèn)題。

本文介紹的全自動(dòng)編織袋包裝機(jī)主要用于大米、飼料等小顆粒物料的自動(dòng)上袋、灌裝及縫包。該包裝機(jī)能適應(yīng)不同種類(lèi)和包裝規(guī)格的編織袋，能快速方便地進(jìn)行規(guī)格切換，并且安裝高度低、整體占地小。同時(shí)，該包裝機(jī)采用可選模塊設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地及預(yù)算進(jìn)行模塊選擇，并兼容后續(xù)的升級(jí)改造。另一方面，包裝機(jī)可由儲(chǔ)料倉(cāng)直接供料，裝包完畢可自動(dòng)對(duì)接裝車(chē)輸送帶和碼垛生產(chǎn)線(xiàn)，能有效減少包裝車(chē)間對(duì)于包裝工人及搬運(yùn)工人的數(shù)量要求。

1 全自動(dòng)編織袋包裝機(jī)的模塊化方案設(shè)計(jì)

全自動(dòng)編織袋包裝機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖1所示，主要分為備袋套袋、計(jì)量灌裝、理袋縫包3個(gè)模塊。

圖1 整體設(shè)計(jì)方案圖

其中，備袋套袋模塊主要功能是自動(dòng)對(duì)整疊的編織袋進(jìn)行初步的整理定位，并從中分離出單個(gè)袋子，對(duì)其進(jìn)一步定位后，將袋口張開(kāi)，并套入計(jì)量灌裝模塊的灌裝口。計(jì)量灌裝模塊主要功能是自動(dòng)稱(chēng)量出指定重量的散裝物料，并檢測(cè)套袋是否成功，若成功則將物料灌入包裝袋中，否則將套袋失敗的袋子自動(dòng)剔除。理袋縫包模塊主要功能是自動(dòng)對(duì)灌裝好的包裝袋進(jìn)行袋口整理，并縫包封口。

2 全自動(dòng)編織袋包裝機(jī)的工作流程設(shè)計(jì)

本機(jī)工作流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 基本工作流程圖

工作流程說(shuō)明：當(dāng)系統(tǒng)上電自檢完成后，檢測(cè)指定的儲(chǔ)袋工位是否有編織袋存在，如果沒(méi)有，則觸摸屏上提示缺袋，需備袋；如果有，對(duì)袋堆進(jìn)行初步整理，并居中定位。定位結(jié)束后，取袋機(jī)構(gòu)從袋堆取出一個(gè)袋子至下一工位并定位，以確定袋口位置。袋口位置確定后，利用機(jī)械裝置將袋口張開(kāi)，并夾住兩側(cè)以防變形，再將袋子套入灌裝機(jī)構(gòu)的灌裝口后夾緊，等待灌裝。與此同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)先檢測(cè)套袋是否成功，如果套袋不成功，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將灌裝口上的袋子剔除，并重新套袋。另一方面，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)計(jì)量機(jī)構(gòu)內(nèi)有無(wú)物料，如果沒(méi)有，會(huì)啟動(dòng)進(jìn)料機(jī)構(gòu)進(jìn)行加料。當(dāng)計(jì)量完成，且灌裝口套袋成功，則啟動(dòng)灌裝動(dòng)作。灌裝過(guò)程中，拍袋機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作，使袋內(nèi)物料更加充實(shí)。灌裝完成后，灌裝口松開(kāi)包裝袋，并利用移袋機(jī)構(gòu)將灌裝好的包裝袋由灌裝工位移至理袋工位。理袋機(jī)構(gòu)將袋口整理平齊并閉合，再將其移到縫包工位，進(jìn)行縫包封口，最后利用輸送帶送往下道工序。

理袋縫包模塊和備袋套袋模塊是可選模塊，如果不選擇，相關(guān)工序可以由人工完成。但由于計(jì)量是包裝車(chē)間的必備功能，所以計(jì)量灌裝模塊為必選模塊。

3 全自動(dòng)編織袋包裝機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 計(jì)量精度的測(cè)試及結(jié)果分析

對(duì)于定量包裝設(shè)備而言，計(jì)量的動(dòng)態(tài)精度是最基本也最重要的測(cè)試參數(shù)，下文以25 kg包裝規(guī)格為例，進(jìn)行動(dòng)態(tài)精度測(cè)試與分析。

圖3 計(jì)量精度統(tǒng)計(jì)圖

對(duì)于預(yù)設(shè)值（preset value）為25 kg的規(guī)格進(jìn)行576次計(jì)量的動(dòng)態(tài)精度測(cè)試，并以裝料重量為橫軸，以每種裝料重量出現(xiàn)總次數(shù)為縱軸，得圖3所示結(jié)果。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[2]，本規(guī)格檢定次數(shù)為32次，測(cè)試裝料次數(shù)遠(yuǎn)大于32次，因此測(cè)試裝料次數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)。從圖3可以看出，最大裝料重量為25.007 kg，最小裝料重量為24.995 kg，從而計(jì)算出最大誤差為12 g，同時(shí)能從圖3計(jì)算出裝料重量平均值為25.0019 kg。

按X（0.5）級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，查表1[2]可知，預(yù)設(shè)值（preset value）為25 kg情況下，首次檢定(initial verification)、后續(xù)檢定(subsequent verification)的最大允許偏差（mpd）為0.35%，即25 kg×0.35%=87.5 g ；此次測(cè)試的最大誤差為12 g，小于最大允許偏差87.5 g，因此最大允許偏差（mpd）符合標(biāo)準(zhǔn)。

按最大允許預(yù)設(shè)值誤差的（mpse）[2]的要求，預(yù)設(shè)值（preset value）與裝料平均之間的最大差值不超過(guò)最大允許偏差的0.25倍。

即：(25.0019 kg-25 kg=1.9 g)＜(87.5 g×0.25=21.875 g)

因此最大允許預(yù)設(shè)值誤差的（mpse）符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 不同模塊間的快速定位對(duì)接機(jī)構(gòu)

為了便于不同模塊的快速增減，以及出現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)可以快速替換為人工操作，本機(jī)設(shè)計(jì)有快速定位對(duì)接機(jī)構(gòu)[3]。

如圖4所示，對(duì)接架1與導(dǎo)向座5分別安裝于兩個(gè)不同模塊上面，對(duì)接時(shí)利用定位輪4與導(dǎo)向座5進(jìn)行快速定位，然后用卡鉗2進(jìn)行快速夾緊；如果有需要，兩個(gè)模塊間的距離可通過(guò)過(guò)渡架3上面的滑槽進(jìn)行微調(diào)，調(diào)整完利用滑槽上螺釘鎖緊固定。兩模塊需要分離時(shí)，則松開(kāi)夾鉗2即可。

表1 X(0.5)級(jí)裝料衡器的允許誤差限

圖4 快速定位對(duì)接機(jī)構(gòu)

3.3 高兼容性的理袋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于包裝袋種類(lèi)及規(guī)格的多樣性，對(duì)理袋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有著高兼容性的要求，不僅要適用于風(fēng)琴包裝袋與枕形包裝袋，更要能針對(duì)不同寬度的包裝袋進(jìn)行快速自動(dòng)切換，針對(duì)這種情況，本機(jī)設(shè)計(jì)有自動(dòng)理袋機(jī)構(gòu)[3]。

圖5 自動(dòng)理袋機(jī)構(gòu)

如圖5所示，在理袋伺服電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)鏈條2的傳動(dòng)下，帶動(dòng)內(nèi)拔叉6及外拔叉4以中心對(duì)稱(chēng)移動(dòng)。理袋時(shí)，內(nèi)、外撥叉向中移動(dòng)，包裝袋到位后，升降氣缸1動(dòng)作使內(nèi)撥叉6進(jìn)入袋口，然后內(nèi)、外撥叉根據(jù)預(yù)設(shè)的不同移動(dòng)距離向外分離，自動(dòng)適應(yīng)不同袋寬的包裝袋。到位后，外拔叉4在理袋氣缸5作用下旋轉(zhuǎn)90度進(jìn)行理袋，此種方式適用于風(fēng)琴包裝袋袋邊向內(nèi)折的理袋要求。如果外撥叉4初始狀態(tài)為豎直，理袋時(shí)向水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)，則適用于枕形包裝袋，袋邊向外撐的理袋要求。

3.4 具有自適應(yīng)功能的抱夾及移動(dòng)裝置

本抱夾及移動(dòng)裝置[4]主要用于確保已灌裝完畢但還未縫包的包裝袋在不同工位間隨輸送帶移動(dòng)時(shí)不發(fā)生傾斜及倒塌，該裝置具有自動(dòng)適應(yīng)不同規(guī)格包裝袋的功能，方便于整機(jī)頻繁切換規(guī)格。

圖6 抱夾及移動(dòng)裝置

如圖6所示，抱夾裝置5在驅(qū)動(dòng)鏈輪1帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)鏈條2的作用下，通過(guò)移動(dòng)滑塊4可沿著移動(dòng)導(dǎo)軌3左右移動(dòng)；而抱夾裝置5則有張開(kāi)和抱夾兩種狀態(tài)，通過(guò)兩者的組合，實(shí)現(xiàn)抱或夾住包裝袋并移動(dòng)的功能。由于抱夾裝置采用單根氣缸作抱夾的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，可通過(guò)調(diào)整氣缸的工作氣壓的方式來(lái)調(diào)整抱夾力量，同時(shí)，由于氣缸受到超過(guò)輸出力量的阻力時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止，因此，抱夾裝置可以自動(dòng)適應(yīng)不同規(guī)格包裝袋。

3.5 前置拍袋裝置

本前置拍袋裝置[5]可緊湊地安裝于灌裝口下方的輸送帶上，用于對(duì)正在灌裝的包裝袋進(jìn)行底部拍袋，使包裝袋內(nèi)部物料更加充實(shí)，提升包裝袋利用率，使包裝袋底部更加規(guī)整，并且在輸送帶上被輸送時(shí)更不容易傾斜或倒塌。當(dāng)拍袋動(dòng)作后，本拍袋裝置可自動(dòng)移開(kāi)，使灌裝完畢的包裝袋可以落到下方的輸送帶。

圖7 前置拍袋裝置

如圖7所示，拍袋板1可在兩端的兩根拍袋氣缸2的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)的拍袋動(dòng)作，同時(shí)，拍袋氣缸2及拍袋板1又能在移動(dòng)氣缸6的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)滑塊5沿著導(dǎo)軌4移動(dòng)。整套機(jī)構(gòu)通過(guò)安裝架3固定于輸送帶上。

3.6 自動(dòng)剔袋機(jī)構(gòu)

備袋套袋模塊由于袋口粘合過(guò)緊或袋口卷邊等問(wèn)題，有可能出現(xiàn)袋口無(wú)法張開(kāi)的現(xiàn)象，為了避免影響正常工作流程，必須將其剔除。為此，我們研發(fā)出一種自動(dòng)滾輪剔除裝置[6]，以解決傳統(tǒng)人工剔除存在的人力資源成本較高、剔除不夠快捷的問(wèn)題。

圖8 自動(dòng)剔袋裝置

如圖8所示，擺動(dòng)桿3可以在擺動(dòng)氣缸1的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行開(kāi)合動(dòng)作，正常工作時(shí)，擺動(dòng)桿3處于松開(kāi)狀態(tài)，不影響備袋套袋模塊的正常工作流程，需要剔除袋子時(shí)，從動(dòng)輪2在擺動(dòng)桿3的作用下把包裝袋4壓緊在主動(dòng)輪5上，同時(shí)主動(dòng)輪5在電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，將包裝袋送出剔除。

表2 備袋套袋模塊成功率測(cè)試

3.7 備袋套袋模塊成功率的測(cè)試及分析

設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫度32 ℃，分別對(duì)10組200個(gè)情況不同的袋子進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果如表2所示。

通過(guò)分組試驗(yàn)，可以確定備袋套袋模塊穩(wěn)定性良好，能保證較高的套袋成功率。其中套袋失敗而導(dǎo)致袋子被剔除的主要原因?yàn)椋捍谡澈线^(guò)緊及袋子卷邊，張袋吸盤(pán)無(wú)法完全張開(kāi)袋口，從而撐袋機(jī)構(gòu)無(wú)法正常伸入袋口撐袋。

對(duì)于時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)的添加、修改和刪除都可能會(huì)造成上文中提出的不一致性問(wèn)題，因此需要對(duì)插入操作、刪除操作和更新操作的時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)首先進(jìn)行檢測(cè)與分析，是否會(huì)造成4種類(lèi)型的不一致性，如果存在不一致性問(wèn)題就要通過(guò)修改新的時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行修復(fù)，使得操作后的數(shù)據(jù)庫(kù)中的時(shí)態(tài)RDF始終保持一致性。

3.8 灌裝速度的計(jì)算

由于本機(jī)適用的包裝規(guī)格范圍較大（5～25 kg），各種規(guī)格需要灌裝的物料體積差異達(dá)5倍，灌裝時(shí)間相差較大，因此對(duì)灌裝時(shí)間的計(jì)算和校核很有必要。以下以常用物料大米為例，進(jìn)行計(jì)算及校核。

為了便于自動(dòng)套袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，灌裝口采用矩形出料口的方形截面錐筒形狀設(shè)計(jì)，在出料口長(zhǎng)度不超過(guò)160 mm，寬度不超過(guò)長(zhǎng)度的前提下，可根據(jù)灌裝速度的需要調(diào)整設(shè)計(jì)尺寸。查計(jì)算公式[7]得：

對(duì)矩形出料口：

其中：M—料口通過(guò)能力，kg/s

ρ—物料的堆密度，t/m3

g—重力加速度，m/s2

fp—物料的形狀系數(shù)。對(duì)于球形顆粒，fp=1.6；對(duì)于非球形顆粒，fp=2.4；

fh—tgβ-0.55，β為料斗中心線(xiàn)與料斗壁的夾角，當(dāng)β〈45°時(shí)，β按料斗休止角計(jì)；

當(dāng)β〉45°時(shí)，fh=1.0

L—出料口的長(zhǎng)度

W—出料口的寬度

查糧食工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[8]，大米堆密度ρ=0.8 t/m3；內(nèi)摩擦角為30°，與鋼板外摩擦角23°；設(shè)計(jì)夾角β均大于45°，因此fh=1.0；大米粒度為7×3×2.5，因此fp≈2.4；

由于L=160 mm；W=10～160 mm；d=2.5 mm；g=9.8 m/s2；將以上數(shù)據(jù)代入矩形出料口M值計(jì)算公式，可得下圖：

圖9 開(kāi)口寬度與灌裝速度關(guān)系圖

如果25kg物料按時(shí)序設(shè)計(jì)要求在2s內(nèi)灌裝完畢，則灌裝速度Mmax=25 kg÷2 s=12.5 kg/s。查圖9并按公式進(jìn)行驗(yàn)算，此時(shí)需要開(kāi)口寬度Wmax=106 mm。

按灌裝速度Mmax=12.5 kg/s計(jì)算，由于灌裝時(shí)間t=灌裝重量G÷灌裝速度Mmax，可得常見(jiàn)規(guī)格灌裝速度，如表3所示。

表3 常見(jiàn)規(guī)格灌裝速度表

4 結(jié)語(yǔ)

全自動(dòng)編織袋包裝機(jī)項(xiàng)目在研發(fā)過(guò)程中做出了較大突破，并獲得多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利和實(shí)用新型專(zhuān)利。它采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件靈活選用模塊，且更換規(guī)格方便快捷，對(duì)不同規(guī)格不同類(lèi)型的編織袋具有良好的適應(yīng)性，能有效減少包裝車(chē)間的工人數(shù)量。全自動(dòng)編織袋包裝機(jī)投入市場(chǎng)后受到糧油加工企業(yè)的廣泛認(rèn)可，提升了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)了糧食機(jī)械的發(fā)展，創(chuàng)造了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。