林潘忠，楊建月，張 潔

（1.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，浙江 溫州 325035；2.瑞安市海創(chuàng)機(jī)械有限公司，浙江 溫州 325207）

0 引言

枕式包裝機(jī)（枕包機(jī)）主要適用于醫(yī)藥、食品、日化、化妝品、電子等行業(yè)中小型塊狀物的包裝[1]，可完成物料送料、包裝、封口等一系列動(dòng)作。溫州瑞安作為中國制藥包裝機(jī)械生產(chǎn)和研發(fā)的集中地，有多家枕包機(jī)生產(chǎn)單位，發(fā)展?fàn)顩r具有代表性。近年來隨著國內(nèi)包裝機(jī)械研究的不斷深入，枕包機(jī)技術(shù)取得了一系列的提升，國內(nèi)產(chǎn)品逐漸有替代國外同類產(chǎn)品的趨勢。不過，目前國內(nèi)大部分企業(yè)枕包機(jī)的關(guān)鍵核心技術(shù)主要靠對(duì)國外相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行消化吸收，機(jī)械方面做得很精巧，但控制和工藝方面有待提高，智能化程度和生產(chǎn)效率還普遍較低。隨著消費(fèi)者對(duì)包裝質(zhì)量要求的不斷提高，市場對(duì)國產(chǎn)枕包機(jī)的運(yùn)行速度、包裝質(zhì)量和效率都提出了更高的要求，提高枕式包裝機(jī)的包裝速度和精度成為技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)[2]。

在包裝速度方面，目前國外的枕包機(jī)包裝速度早已突破300包/min，而國內(nèi)90%以上的外包聯(lián)動(dòng)線整體速度低于240包/min，其主要原因就是枕包環(huán)節(jié)制約了整體速度。就復(fù)合膜而言，在一定熱封溫度下，薄膜從常溫開始升溫再到完全熱封為止，用時(shí)不會(huì)改變。目前單封裝切斷機(jī)構(gòu)（即封切機(jī)構(gòu)）對(duì)已裝有物品的包裝膜同時(shí)進(jìn)行熱封、切斷，為一道工序設(shè)置，枕包機(jī)運(yùn)行速度提高會(huì)造成熱封時(shí)間縮短，導(dǎo)致包裝封合不牢固。為保證熱封效果，只能控制設(shè)備運(yùn)行速度，導(dǎo)致設(shè)備速度無法進(jìn)一步提升，生產(chǎn)效率較低。在控制系統(tǒng)方面，大部分自動(dòng)枕包機(jī)都采用三伺服控制系統(tǒng)[3]，部分國內(nèi)枕包機(jī)采用運(yùn)動(dòng)控制器代替PLC控制，從而提高控制精度。總體來說，通過提升控制系統(tǒng)可有效提高包裝精度，但提升包裝速度有一定難度，需要在包裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和工藝流程方面尋求突破。本文對(duì)某型號(hào)枕包機(jī)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行樣機(jī)試制，重點(diǎn)研究雙端封往復(fù)式封切組，設(shè)備在原有端封熱封切組件前再增加了一道端封預(yù)熱封機(jī)構(gòu)，對(duì)同一處薄膜進(jìn)行兩次封合，以期在保證熱封效果的前提下，提高整機(jī)運(yùn)行速度。

1 枕包機(jī)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

枕包機(jī)是以復(fù)合膜為主要包裝材料，對(duì)食品、藥品等進(jìn)行包裝的智能設(shè)備。研究的雙端封往復(fù)式高速枕包機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由送料裝置、放膜裝置、輸送裝置、預(yù)熱封裝置和封切裝置等機(jī)構(gòu)組成。

其主要包裝工藝流程為：加料——補(bǔ)料——送料——物料異常檢測——膜成型制袋——物料入袋——中封——一次排氣——端封預(yù)熱封——二次排氣——端封熱封切——異常品剔除——成品輸出。裝有物料的包裝膜首先經(jīng)過預(yù)熱封裝置的上封刀與下封刀之間，進(jìn)行第一道預(yù)先熱封處理；然后進(jìn)入熱封切裝置的上封刀與下封刀之間進(jìn)行第二道熱封，并由切刀進(jìn)行切斷處理。通過兩次熱封切，使含有物料的包裝袋經(jīng)過二次熱封，封合得更加牢固可靠，包裝效果良好，保證了包裝袋的包裝質(zhì)量。

圖1 枕式包裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 雙端封封切結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 現(xiàn)有往復(fù)式封切裝置結(jié)構(gòu)分析

目前的往復(fù)式封切裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，由端封主電機(jī)帶動(dòng)刀軸帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)上下刀軸和上下封刀做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，包裝膜進(jìn)入封切區(qū)域時(shí)，上、下封刀接觸，完成熱封和封切的動(dòng)作，為了保證封切效果，上下封刀接觸后會(huì)隨著包裝膜前行一段距離，以增加熱封時(shí)間。

2.2 封切裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖2 往復(fù)式封切裝置結(jié)構(gòu)

圖3 現(xiàn)有封切裝置結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有往復(fù)枕包機(jī)上的封切裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。往復(fù)式封切采用的是電子凸輪[4]的控制模式，由于在兩封刀接觸的50°左右的時(shí)間里，封刀處于等速區(qū)間內(nèi)，即封刀運(yùn)行速度與送膜速度相等，其運(yùn)行速度較慢。其余310°空行程過程中，封刀處于加速狀態(tài)，運(yùn)行速度快，尤其是在高速的快慢交替運(yùn)行過程中，大回轉(zhuǎn)半徑導(dǎo)致極大的慣性，從而引起封切裝置抖動(dòng)并伴隨著噪音。利用SolidWorks軟件對(duì)電子凸輪曲線建模，并通過仿真得到凸輪的運(yùn)動(dòng)速度和加速度曲線，如圖4所示，最大加速度達(dá)10.7 m/s2。另外，大角度的加速區(qū)間對(duì)驅(qū)動(dòng)力有較大的要求，需選用大功率電機(jī)，增加成本。

針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備高速運(yùn)行時(shí)震動(dòng)強(qiáng)、噪音大等問題，對(duì)往復(fù)式封切裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過SolidWorks軟件對(duì)改進(jìn)后電子凸輪曲線建模，得到凸輪的運(yùn)動(dòng)速度和加速度曲線，如圖6所示，改進(jìn)后凸輪的最大速度基本不變，而最大加速度降低至7.36 m/s2，降低了31.2%。通過降低封刀回轉(zhuǎn)半徑減小回轉(zhuǎn)時(shí)的慣性，并將同步運(yùn)行區(qū)間從50°提高至56°，讓加減速運(yùn)動(dòng)的速度曲線趨于平穩(wěn)，從而降低設(shè)備高速運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)。同時(shí)，每一周期的有效熱封角度為56°，并且有效接觸長度為整把封刀寬度，使熱封效果大大提高。通過這些改進(jìn)，可有效解決設(shè)備高速運(yùn)行時(shí)震動(dòng)強(qiáng)、噪音大等問題，使設(shè)備機(jī)械運(yùn)行速度上限從200 包/min提升到350 包/min成為可能。

圖4 現(xiàn)有凸輪運(yùn)動(dòng)曲線

2.3 橫封機(jī)構(gòu)優(yōu)化

封切機(jī)構(gòu)中往復(fù)式橫封結(jié)構(gòu)是封切的具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖7 所示。在下封刀上配有緩沖彈簧，在上下刀嚙合時(shí)，通過彈簧壓縮來獲取一段水平熱封時(shí)間，適合各種包裝材料，增加了熱封時(shí)間，提高了封口質(zhì)量，不同于氣動(dòng)切刀，該設(shè)計(jì)采用了機(jī)械伸縮式切刀，不管設(shè)備運(yùn)行速度多少，切刀都能保證正常運(yùn)行。另外上下刀軸采用了分體式設(shè)計(jì)，使得更換配件更加方便快捷。

改進(jìn)后的封切結(jié)構(gòu)總體三維圖如圖8所示，設(shè)計(jì)有端封高度調(diào)節(jié)，用于調(diào)節(jié)封刀與包裝產(chǎn)品中心高度，通過轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿手輪進(jìn)行調(diào)節(jié)，以下刀最高點(diǎn)高于包裝產(chǎn)品中心2～5 mm為佳。

圖5 改進(jìn)后封切裝置結(jié)構(gòu)

圖6 改進(jìn)后凸輪運(yùn)動(dòng)曲線

圖7 上下封刀結(jié)構(gòu)

圖8 改進(jìn)后的封切結(jié)構(gòu)

一般來說，影響復(fù)合膜熱封性能的主要因素包 括熱封溫度、有效熱封時(shí)間和復(fù)合膜自身厚度等。目前的往復(fù)式封切機(jī)構(gòu)對(duì)包裝膜的熱封和切斷一般是同一道工序，即在封切機(jī)構(gòu)中先完成熱封，隨即進(jìn)行切斷。由于復(fù)合膜熱封用時(shí)是不會(huì)改變的，而溫度過高會(huì)將復(fù)合膜外層融化掉，故不能單純靠提高溫度來提升熱封效果。因此熱封與切斷處于同一時(shí)間，熱封時(shí)間有限，為保證熱封效果，只能控制設(shè)備運(yùn)行速度，導(dǎo)致設(shè)備速度無法進(jìn)一步提升。

在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上了新增端封預(yù)熱封功能，如圖9 所示，第一道端封為預(yù)熱封作用，無紋路、無切斷功能，并在一道預(yù)熱封裝置與二道熱封切裝置之間處裝有過渡輸送裝置，第二道端封為正常封切，在第一道預(yù)熱封的基礎(chǔ)上再進(jìn)行一次熱封并切斷，保證了封裝效果，有利于提高生產(chǎn)效率。

圖9 雙端封同步封切結(jié)構(gòu)

2.4 恒張力放卷裝置

在枕包機(jī)的生產(chǎn)過程中，卷材放卷張力對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，高速枕包機(jī)生產(chǎn)尤其如此。張力控制[5-6]的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到分切產(chǎn)品的質(zhì)量，若張力過大，會(huì)造成復(fù)合膜的拉伸變形；張力過小，原料在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生漂移現(xiàn)象，成品包裝膜會(huì)起皺，影響產(chǎn)品質(zhì)量。在包裝速度較低時(shí)，只有一組封切裝置，放卷張力對(duì)包裝質(zhì)量影響有限，在承膜輥后方一般配備有摩擦輪剎車或者磁粉制動(dòng)器，如圖10 所示。在設(shè)備生產(chǎn)過程中，由于膜卷的直徑會(huì)隨著生產(chǎn)時(shí)間逐漸變小，導(dǎo)致包裝一個(gè)等長的物料時(shí)，膜卷轉(zhuǎn)動(dòng)的角度會(huì)發(fā)生較大變化，又因?yàn)樯鲜鰞煞N剎車方式輸出扭矩為一個(gè)恒定力，導(dǎo)致復(fù)合膜在輸送時(shí)張力會(huì)發(fā)生較大變化，尤其是在高速運(yùn)行的情況下，張力的變化會(huì)導(dǎo)致兩次封切難以處于同一位置，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

圖10 磁粉制動(dòng)式放卷裝置

圖11 伺服制動(dòng)式恒張力放劵裝置

針對(duì)上述問題，基于恒張力控制技術(shù)[7-8]，在承膜輥后方直接配備一個(gè)伺服電機(jī)與承膜輥相連，如圖11 所示。該伺服電機(jī)輸出一個(gè)反向力矩，該力矩與中封電機(jī)力矩相配合，當(dāng)中封電機(jī)力矩發(fā)生變化時(shí)，該反向力矩會(huì)做出相應(yīng)變化，以保證中封電機(jī)力矩處于一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，即在放卷的過程中使復(fù)合膜承受最佳張力，且自始至終保持不變。該張力控制系統(tǒng)能夠持久地控制復(fù)合膜在設(shè)備上輸送時(shí)的張力，無論機(jī)器是加速、減速或勻速，即使在緊急停機(jī)情況下，也有能力保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.5 樣機(jī)測試

在實(shí)驗(yàn)室階段研制出雙端封往復(fù)式高速枕式包裝機(jī)樣機(jī)，如圖12 所示。樣機(jī)測試結(jié)果顯示設(shè)備高速運(yùn)行時(shí)震動(dòng)和噪音大大降低，在速度方面，板式藥品枕式包裝的最高穩(wěn)定速度可達(dá)300包/min。

圖12 枕包機(jī)樣機(jī)

3 結(jié)論

在現(xiàn)有枕包機(jī)單封切的基礎(chǔ)上增加一套端封預(yù)熱封裝置，以提升每次包裝的有效熱封時(shí)間。通過對(duì)往復(fù)式封切裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低封刀回轉(zhuǎn)半徑，減小加速區(qū)間角度，優(yōu)化封刀模塊，解決了設(shè)備高速運(yùn)行時(shí)震動(dòng)強(qiáng)、噪音大等問題，將設(shè)備機(jī)械運(yùn)行速度上限從280 包/min提升到300 包/min。同時(shí)采用伺服電機(jī)控制恒張力放卷裝置，解決了由于復(fù)合膜拉伸率因素導(dǎo)致的各項(xiàng)問題，提高了枕式包裝機(jī)的包裝精度。