龍淑嬪，陳勝利，葉春德，陳桃彬，唐 善

(1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000；2.歐華包裝設(shè)備(河源)有限公司，廣東 河源 517000)

0 引言

封切包裝機(jī)是一種用于批量生產(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)化設(shè)備[1]。近年來隨著國(guó)內(nèi)包裝市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，立式包裝機(jī)在食品、小型玩具包裝行業(yè)占比越來越高，但國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)水平總體呈現(xiàn)出封包效率低、可靠性差等缺點(diǎn)，不能滿足市場(chǎng)需求。

橫封機(jī)構(gòu)是立式封裝機(jī)的重要封裝模塊，目前立式包裝機(jī)橫封機(jī)構(gòu)基本都是間歇式的，在加工過程中都是間歇包裝。當(dāng)單機(jī)包裝速度達(dá)不到客戶需求時(shí)，為了滿足大批量生產(chǎn)，就只能買多臺(tái)機(jī)器。更多的機(jī)器設(shè)備，也相應(yīng)地使得投入成本成倍增加，設(shè)備增多，生產(chǎn)需要的場(chǎng)地也會(huì)加大。因此，本文對(duì)橫封機(jī)構(gòu)性能需求及工作流程進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)橫封且高速、精準(zhǔn)、高效的自動(dòng)控制精密往復(fù)橫封裝置。

1 橫封機(jī)構(gòu)性能需求分析及工作流程

橫封裝置為立式包裝機(jī)進(jìn)行橫向封口和袋口剪切的重要功能機(jī)構(gòu)，其質(zhì)量直接決定了包裝機(jī)整體的工作性能[2]。本項(xiàng)目立式封裝機(jī)對(duì)橫封機(jī)構(gòu)的性能需求如下：

(1)產(chǎn)品袋寬范圍為100 mm～300 mm，可進(jìn)行插腳操作。

(2)包裝速度達(dá)到100包/min～130包/min。

(3)橫封封口動(dòng)作同時(shí)能進(jìn)行橫封升降。

(4)能夠完成連續(xù)往復(fù)包裝。

(5)機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠，速度快，成本低。

立式封裝機(jī)橫封機(jī)構(gòu)的工作過程為：橫封封口伺服系統(tǒng)通過擺臂推動(dòng)橫封器完成橫封封合，同時(shí)橫封升降伺服系統(tǒng)上下往復(fù)動(dòng)作，配合橫封封口伺服系統(tǒng)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)瞬間完成封口和切斷，連續(xù)往復(fù)動(dòng)作完成包裝。橫封機(jī)構(gòu)具體工作流程如圖1所示。

圖1 橫封機(jī)構(gòu)工作流程

2 橫封機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對(duì)橫封機(jī)構(gòu)的工作要求和工作流程進(jìn)行分析可知，橫封裝置如需按要求完成工作，則要在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，能夠同時(shí)完成熱封和插腳工作，且滿足快速平穩(wěn)的要求。設(shè)計(jì)的立式封裝機(jī)自動(dòng)往復(fù)橫封機(jī)構(gòu)由升降機(jī)構(gòu)、橫封機(jī)構(gòu)和插腳機(jī)構(gòu)組成，通過驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)快速往復(fù)封切。

2.1 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)軌安裝座、升降伺服系統(tǒng)、升降支架、滾珠絲桿和線性滑軌等零部件組成，如圖2所示。

1-升降支架；2-滾珠絲桿；3-膜片聯(lián)軸器；4-伺服系統(tǒng)；5-絲桿軸承座；6-導(dǎo)軌安裝座；7-螺母固定座；8-線性滑軌

自動(dòng)高速往復(fù)橫封設(shè)備整套機(jī)構(gòu)由升降導(dǎo)軌固定在主機(jī)上，橫封升降原理為：伺服系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)按設(shè)定速度和方向運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)升降支座上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)升降支座連接線性滑軌運(yùn)動(dòng)副，帶動(dòng)橫封封口與插腳裝置在導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)往復(fù)升降運(yùn)動(dòng)。

2.2 橫封機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

橫封機(jī)構(gòu)由伺服驅(qū)動(dòng)減速系統(tǒng)、前熱封器、后熱封器、發(fā)熱管和切斷刀等零部件組成，如圖3所示。

1-切斷刀；2-后熱封器；3-連桿；4-伺服驅(qū)動(dòng)減速系統(tǒng)；5-擺臂；6-發(fā)熱管；7-橫封導(dǎo)軸；8-前熱封器；9-氣缸;10-底框

橫封機(jī)構(gòu)底框側(cè)邊設(shè)有橫封導(dǎo)軸，前熱封器固定裝在底框內(nèi)，后熱封器活動(dòng)套裝在橫封導(dǎo)軸上，驅(qū)動(dòng)組件通過擺臂與后熱封器連接帶動(dòng)該后熱封器沿著橫封導(dǎo)軸移動(dòng)，切斷刀安裝在前熱封器所在區(qū)域，底框固定裝在升降機(jī)構(gòu)上。

橫封機(jī)構(gòu)封口原理為：系統(tǒng)發(fā)出指令后，伺服驅(qū)動(dòng)減速系統(tǒng)啟動(dòng)并逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)擺臂和連桿進(jìn)行動(dòng)作，擺臂帶動(dòng)橫封導(dǎo)軸前移，從而驅(qū)使與導(dǎo)軸相連的后熱封器前移，前、后熱封器貼合且發(fā)熱管工作進(jìn)行封袋操作，封袋完成后氣缸動(dòng)作帶動(dòng)切斷刀切斷包裝袋。封口完成后系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過連桿和橫封導(dǎo)軸帶動(dòng)后熱封器回退。

2.3 插腳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

插腳機(jī)構(gòu)由插腳氣缸、上插板、下插板、插腳導(dǎo)板、連桿和鎖塊等零部件組成，如圖4所示。

1-上插板；2-上連桿；3，9-鎖塊；4-插腳導(dǎo)板；5-插腳導(dǎo)桿；6-氣缸；7-下插板；8-下連桿

插腳導(dǎo)板裝設(shè)在插腳座一側(cè)，軸承座上通過螺母鎖緊有上導(dǎo)軸和下導(dǎo)軸，插腳氣缸的活塞桿與軸承座固定連接，插腳氣缸與氣缸板固定連接，上插板安裝在上導(dǎo)軸，下插板安裝在下導(dǎo)軸，上導(dǎo)軸和下導(dǎo)軸分別通過軸承從氣缸板穿過，上導(dǎo)軸和下導(dǎo)軸上分別安裝有鎖緊塊。

插腳機(jī)構(gòu)的工作原理為：前、后熱封器每完成一次封口，插腳氣缸帶動(dòng)活塞桿伸出或縮回，從而帶動(dòng)上導(dǎo)軸和下導(dǎo)軸移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)上插板和下插板伸出或縮回，完成對(duì)包裝袋的插腳操作。

3 橫封機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

立式封裝機(jī)橫封機(jī)構(gòu)的往復(fù)精確封裝提高了設(shè)備的封切效率和質(zhì)量，其功能的實(shí)現(xiàn)通過PLC控制伺服驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行精確動(dòng)作控制。橫封機(jī)構(gòu)利用伺服驅(qū)動(dòng)模塊帶動(dòng)升降臺(tái)進(jìn)行升降，完成送料工作，同時(shí)滿足不同型號(hào)產(chǎn)品尺寸的自適應(yīng)調(diào)整。伺服加上行星減速機(jī)通過機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)后熱封器進(jìn)行前移、后退，完成熱封和復(fù)位操作。系統(tǒng)通過固態(tài)繼電器等對(duì)橫封加熱器進(jìn)行加熱，完成熱封。橫封機(jī)構(gòu)優(yōu)化后，通過伺服模塊對(duì)升降機(jī)構(gòu)和熱封器位移的方向和距離進(jìn)行精準(zhǔn)控制，同時(shí)伺服模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)熱封進(jìn)刀和復(fù)位，高速精準(zhǔn)完成封切工作，其控制電路簡(jiǎn)圖如圖5、圖6所示。

圖5 伺服驅(qū)動(dòng)電路

圖6 加熱器電路

4 裝置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

封切機(jī)橫封機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)后進(jìn)行了生產(chǎn)測(cè)試，其數(shù)據(jù)如表1所示。本設(shè)備經(jīng)過調(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)[3]。

表1 橫封機(jī)構(gòu)優(yōu)化后測(cè)試數(shù)據(jù)

5 自動(dòng)控制精密往復(fù)橫封設(shè)備創(chuàng)新性及優(yōu)點(diǎn)

通過對(duì)立式封切機(jī)的橫封機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方式優(yōu)化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品調(diào)試運(yùn)行后與市場(chǎng)同類設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，其具有以下創(chuàng)新性及優(yōu)點(diǎn)：

(1)機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高速封裝。通過對(duì)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，伺服系統(tǒng)帶動(dòng)橫封機(jī)構(gòu)進(jìn)行封口操作、帶動(dòng)插腳機(jī)構(gòu)同步上下往復(fù)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)升降操作，具有定向性和準(zhǔn)確性，同時(shí)滿足在高度上的調(diào)整需求，確保加工的靈活性，有效提高了橫封封口速度，最高可達(dá)135包/min。

(2)采用伺服驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)往復(fù)包裝。通過對(duì)橫封機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用伺服加行星減速機(jī)通過擺臂組件推動(dòng)橫封封口組件完成封合，操作靈活，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)作，提高了生產(chǎn)效率。橫封封口組件采用高硬度鋁合金材料，前熱封器固定處加緩沖彈簧，外加緩沖氣缸輔助，操作平穩(wěn)、振動(dòng)小，提高了生產(chǎn)精度。

插腳機(jī)構(gòu)通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在橫封部分動(dòng)作時(shí)保持插腳氣缸通氣，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高速插腳導(dǎo)板運(yùn)動(dòng)，在封口完成瞬間進(jìn)行插腳操作，提高了產(chǎn)品插腳的速度和質(zhì)量，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有所提高。

(3)自動(dòng)控制，提高產(chǎn)品精度。通過機(jī)構(gòu)整體優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高度和寬度的自適應(yīng)調(diào)整功能，擴(kuò)大了加工產(chǎn)品尺寸和類型范圍。設(shè)備在實(shí)現(xiàn)袋寬在100 mm～300 mm范圍可調(diào)基礎(chǔ)上，還提高了封切質(zhì)量，其平均廢品率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)平均水平。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)立式封切機(jī)的橫封機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造，使其通過模塊化伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)作控制，實(shí)現(xiàn)了橫封機(jī)構(gòu)的連續(xù)往復(fù)封切。同時(shí)，對(duì)橫封機(jī)構(gòu)的封口進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之具備尺寸自適應(yīng)封切功能，可調(diào)整范圍達(dá)到200 mm，在全自動(dòng)控制生產(chǎn)模式下，封切速度最高可達(dá)135包/min，廢品率低至0.01%。通過測(cè)試，該設(shè)備各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)居于全國(guó)同類產(chǎn)品前列?？傊?，基于自動(dòng)控制的精密往復(fù)橫封設(shè)備的投入使用將對(duì)封切行業(yè)發(fā)展起到積極的作用。