陳 旭，Gun-hoi Kim

（全州大學(xué) 機(jī)械與汽車工程系，韓國(guó) 全州 430074）

現(xiàn)在市場(chǎng)上采用小型塑膜包裝的模型包封效率低下且包封精度不高，鑒于目前勞動(dòng)密集型、小微產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)率不高的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)搭建一種包封模型。

該設(shè)計(jì)采用一種立式組合擠壓包封模式，通過(guò)PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)使這臺(tái)機(jī)器從堆疊的面包片中把所需切片面包喂入生產(chǎn)系統(tǒng)，通過(guò)皮帶輸送機(jī)將面包片喂入奶油卸料裝置、定位裝置、包封塑模裝置下，直至完成整個(gè)成型過(guò)程。

最后評(píng)估其奶油夾心面包包封系統(tǒng)原型的效能。所考慮的預(yù)期性能是：卸下的奶油重量范圍為45±3g，奶油夾心面包的包封能力至少為每分鐘8 片。同時(shí)評(píng)估奶油的出料精度、夾心面包的包封效率及原型包封系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性。

1 包封設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與流程

1.1 搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

夾心面包包封系統(tǒng)（H1840×L2610×W640mm）是定制設(shè)計(jì)制造的全自動(dòng)順序程序系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)包括：控制單元、帶式輸送機(jī)、下切面包彈出單元、卸料單元、上切面包彈出單元、定位單元、包封單元和控制單元，通過(guò)可編程邏輯控制器（PLC 控制面板）進(jìn)行控制。

1.2 包封設(shè)備工作流程

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

下切片面包彈出裝置是由食品安全透明塑料板制成的一個(gè)方形容器（W530×D140×H535mm）、一個(gè)彈出板和四個(gè)擋板組成（圖2）向帶式輸送機(jī)的輸送方向水平移動(dòng)，當(dāng)推板完全彈出時(shí)垂直安裝在每個(gè)柱子上的阻塞桿由氣缸帶動(dòng)下放至凹槽處使面包片放置在帶式輸送機(jī)上，隨后彈出板回縮至原始位置。

卸料裝置由料斗、腔體、四個(gè)卸料噴嘴、電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)連接桿組成，通過(guò)PLC 控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)出料軸的旋轉(zhuǎn)桿運(yùn)動(dòng)，將奶油從料斗中拉出到腔體。腔體內(nèi)的奶油通過(guò)兩個(gè)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)，四個(gè)噴嘴將腔室中的奶油排到切片面包上，上切片面包彈出裝置的原理和結(jié)構(gòu)與下切片面包彈出裝置相似，只是比前者方形容器高67mm，允許從帶式輸送機(jī)表面垂直的空間輸送。

圖2 下切片面包彈出裝置示意圖

定位裝置由一個(gè)矩形框架和兩個(gè)氣缸組成，氣缸控制矩形框架的水平和垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將奶油夾心面包推送到包封裝置下。定位單元與帶式輸送機(jī)聯(lián)鎖，定位四個(gè)奶油夾心面包，定位單元的操作由帶式輸送機(jī)的開/關(guān)控制初始化（圖3）。

圖3 定位裝置示意圖

包封單元由四個(gè)氣壓缸和型腔模具組成。型腔模具的設(shè)計(jì)是一個(gè)可垂直移動(dòng)的半模，而底板被替換為下半固定模架（圖4），四個(gè)夾心面包放在一個(gè)扁平的鋁床上（即下半固定模架），被四個(gè)模腔的邊緣覆蓋，同時(shí)壓力機(jī)被抽出時(shí)面包屑是通過(guò)空腔模具的外部擠壓剪切而產(chǎn)生的。

2 PLC 流程設(shè)計(jì)

設(shè)備采用西門子PLC 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是通過(guò)控制柜完成數(shù)據(jù)信息采集并處理模擬信號(hào)，通過(guò)變頻器完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)（如圖4 所示）[1]。

根據(jù)流程圖設(shè)計(jì)電氣控制電路（圖5），其中包括開關(guān)按鈕、位移傳感器、延時(shí)繼電器等元器件，利用EPLAN軟件繪制部分電機(jī)主回路和控制回路，并進(jìn)行測(cè)試（如圖6 所示）。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

實(shí)驗(yàn)前依據(jù)旋轉(zhuǎn)桿的旋轉(zhuǎn)周數(shù)估算從卸料裝置噴嘴排出的奶油量，用電子秤測(cè)量了紙杯中收集到的奶油重量，扣除了紙杯的自重。此試驗(yàn)重復(fù)30 次，取每個(gè)噴嘴的數(shù)據(jù)，并將奶油的重量范圍進(jìn)行比較將其歸類，確定超出范圍與奶油排放總量的比率。包封率是指包封奶油夾心面包的成功次數(shù)。用型腔膜具包封的不完整性被歸為失敗包封（包括表面無(wú)法粘合）。在本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)觀察切片面包的外觀狀態(tài)來(lái)評(píng)估包封失效。

圖4 機(jī)構(gòu)工作結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 控制順序流程圖

圖6 部分電氣控制接線圖

對(duì)于從頂部卸下的奶油可接受重量范圍為42～48g。從圖7 看出42 克以下的有7 個(gè)樣品，48 克以上樣品的有2 個(gè)，共120 個(gè)樣品，超標(biāo)率為7.5%。86.7%的樣品從噴嘴1 到噴嘴4 的重量為42 到46 克。

圖7 噴嘴卸料散點(diǎn)圖

從圖8 可以看出在30 次重復(fù)試驗(yàn)中，噴嘴1 到噴嘴4 排出奶油重量的最小值、平均值和最大值，且最低與最高之間的范圍。平均值之間存在著顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，從4 個(gè)噴嘴的120 個(gè)樣品中排出的奶油平均重量在43.7～44.5g 之間。

表1 噴嘴卸料可靠性指標(biāo)數(shù)據(jù)

圖8 奶油重量示意圖

依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理計(jì)算出4 個(gè)噴嘴排出奶油的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、平均誤差，得到總體樣本統(tǒng)計(jì)參數(shù)的95%置信區(qū)間（如表1）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與系統(tǒng)卸料性能具有可靠性。從頂部卸下奶油的重量被認(rèn)為是穩(wěn)定可靠的，足以滿足包裹需求。在120 個(gè)樣品中包封裝置包封率為93.2%。

4 結(jié)論

依據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)整體包封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和流程，并通過(guò)設(shè)計(jì)PLC 自動(dòng)化程序控制生產(chǎn)設(shè)備，解決復(fù)雜的工控流程達(dá)到所需包封效率。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)PLC 全自動(dòng)順序控制夾心面包的制造裝備性能進(jìn)行了評(píng)估，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的可靠性研究，結(jié)果表明：PLC 順序包封系統(tǒng)完全達(dá)到了生產(chǎn)剛需，提高了生產(chǎn)率、降低了生產(chǎn)成本。