梁國健，勞 淞，彭超揚，熊澤鵬，周一帆，吳振賢

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

目前軟袋食品再包裝的形式主要應(yīng)用于袋裝組合類食品包裝。軟袋食品本身是指采用了柔性的材料去包食物本體的包裝方法，例如一包方便面或袋裝速食粉里就有多種多樣調(diào)味料包，而調(diào)味料包就是軟袋食品，其料包分開包裝的形式便于消費者區(qū)分以及根據(jù)個人喜好來適量加減單獨的調(diào)味料。所以，大包裝小包的食品包裝方式一直以來都受到廣大消費者的喜愛。

目前食品包裝行業(yè)里軟袋食品再包裝的自動化技術(shù)水平較低，因為軟袋食品從形態(tài)上區(qū)分包括液體、固體、真空包裝、自然包裝及充氣包裝等等，形態(tài)各異，且尺寸大小各異，難以實現(xiàn)統(tǒng)一的規(guī)范自動化裝袋包裝。目前食品包裝生產(chǎn)企業(yè)大多都依靠人工操作來進行軟袋食品的裝袋包裝工作，而人工操作會容易出現(xiàn)工作疲勞，因工作疲勞所導(dǎo)致注意力不集中、動作操作失誤，就會出現(xiàn)多裝、少裝或漏裝的現(xiàn)象，食品的包裝生產(chǎn)質(zhì)量不能保證始終如一。

人工操作存在失誤率高、效率低的問題現(xiàn)象，因此，為增加企業(yè)效益，減少人工成本，本文設(shè)計了一種自動化軟袋食品再包裝系統(tǒng)，能實現(xiàn)將軟袋食品的外預(yù)制包裝袋自動取袋、自動打印食品包裝信息、自動填裝軟袋食品、自動封口和自動整形輸出成品。對于提高食品包裝產(chǎn)業(yè)的自動化水平和保證食品包裝生產(chǎn)質(zhì)量都具有重大意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

總體根據(jù)軟袋食品的包裝生產(chǎn)作業(yè)步驟以及對實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)過程進行綜合分析來設(shè)計包裝系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括機械部分和電氣控制2部分。機械部分是系統(tǒng)的主要支撐結(jié)構(gòu)。根據(jù)8個工位工作角度分別對應(yīng)銜接設(shè)置了8個繞主軸旋轉(zhuǎn)的袋架，袋架安裝在一體式單軸上面，起到與8個工位之間進行相互運動的作用。電氣控制部分包括PLC（可編程控制器）、工控機、觸摸屏、伺服電機及氣路系統(tǒng)5個部分組成。包裝機械的自動化控制系統(tǒng)主要是通過PLC系統(tǒng)實現(xiàn)，PLC可以將人們編寫的程序語言邏輯化地反映在包裝機械的生產(chǎn)中。而且，PLC控制系統(tǒng)還有可靠性強、設(shè)計較靈活和操作簡單等優(yōu)點[1]。

8個工位按系統(tǒng)工作流程（圖1）旋轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)動依次到達8個工位包裝。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

取袋工位由袋倉、導(dǎo)桿氣缸、搖臂氣動夾爪3部分組成，袋倉擺放預(yù)制包裝袋，導(dǎo)桿氣缸工作端設(shè)置有吸盤，單個吸取包裝袋分離袋倉，搖臂氣動夾爪夾取上袋，將袋轉(zhuǎn)交旋轉(zhuǎn)袋架上的機械手爪。

打印打碼工位由支撐架體、打碼組裝板、導(dǎo)桿氣缸、打碼標(biāo)簽機4部分組成，導(dǎo)桿氣缸和打碼標(biāo)簽機固定安裝在打碼組裝板一側(cè)，導(dǎo)桿氣缸活塞桿固定連接打碼推塊，導(dǎo)桿氣缸帶動打碼推塊將標(biāo)簽推向包裝袋，實現(xiàn)對預(yù)制包裝袋精確進行打碼打印。

開袋工位由開袋氣缸、開袋支架和開袋連接桿3部分組成，開袋氣缸帶動活動的開袋連接桿運動，進一步使2個開袋支撐桿將預(yù)制包裝袋撐開，再運動到填充工位。

填充振實工位由軟袋食品上料機、導(dǎo)桿氣缸、料斗、疏通整形錘和底袋振動器組成，軟袋食品上料機按每一個預(yù)制包裝袋的需求將軟袋食品投放進填充料斗，軟袋食品隨即滑落填充至預(yù)制包裝袋里，導(dǎo)桿氣缸驅(qū)動疏通整形錘，垂直方向?qū)σ烟钛b進包裝袋內(nèi)軟袋食品進行捅料，底袋振動器同時對其進行震動，讓預(yù)制包裝袋內(nèi)軟袋食品更均勻分散，合理占用袋內(nèi)空間。

填充2工位作為填充振實1的延展工位，組成部分與其一致，如有其他裝袋需求可使用此部分。

一次熱合封口工位由加熱座、導(dǎo)熱封口夾2部分組成，加熱座將熱量傳遞給導(dǎo)熱封口夾，封口夾嚙合對預(yù)制包裝袋進行一次封口。

二次封口部分作為一次熱合封口的后序工位，補償一次封口遺留的封口位。

整形輸出成品工位由靜置底座、整形夾板和掃描器3部分組成，熱合封口結(jié)束后成品袋受到整形夾板限制掉落到靜置底座，確保證包裝形態(tài)無異樣掃描器讀取數(shù)據(jù)輸出成品。系統(tǒng)整體分布如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體分布圖

2 關(guān)鍵單元設(shè)計

2.1 一體式單軸旋轉(zhuǎn)袋架單元設(shè)計

系統(tǒng)工作狀態(tài)下8個旋轉(zhuǎn)袋架與8個工位之間相互動作的實現(xiàn)，是采用了一體式單軸結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖3），并配合內(nèi)槽輪機構(gòu)以及凸輪機構(gòu)傳動擺臂輸送動力，且運行軌跡固定。系統(tǒng)傳動部分屬于全自動化機械傳動，執(zhí)行件較多，各執(zhí)行件之間需要緊密配合，傳動部分作為系統(tǒng)的關(guān)鍵單元包含以下組成部分。

圖3 一體式單軸旋轉(zhuǎn)袋架單元模型簡圖

傳動機構(gòu)包括齒輪、傳動鏈條、蝸輪副和聯(lián)軸器等傳動機構(gòu)，按設(shè)計的動力按照轉(zhuǎn)動關(guān)系要求把動力傳輸給相關(guān)執(zhí)行件部分。轉(zhuǎn)動關(guān)系是指2個零部件之間存在一定相對轉(zhuǎn)動的關(guān)系。其中，輸入軸與機架，輸出軸與機架，各個滾子與分度盤均為此種關(guān)系[2]。

運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)：槽輪機構(gòu)、絲杠、連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)和齒輪齒條等運動機構(gòu)來確保執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律。

機械密封潤滑裝置：齒輪潤滑泵，輪泵內(nèi)輸送的是潤滑機油，是黏性較大的流體，在流動過程中遵循流體流動的質(zhì)量守恒、動量守恒等定律[3]。

2.2 可調(diào)式儲袋倉設(shè)計

系統(tǒng)在取袋工位針對軟袋食品的外部預(yù)制包裝袋設(shè)計了可調(diào)節(jié)式儲袋倉（圖4），包含以下組成部分。

圖4 可調(diào)節(jié)式儲袋倉模型簡圖

組成結(jié)構(gòu)：支撐框架、儲袋倉支板、調(diào)節(jié)螺絲、儲袋倉支撐腳、儲袋倉底部固定連接板、袋倉導(dǎo)向、調(diào)節(jié)絲杠、導(dǎo)向軸、導(dǎo)向塊、導(dǎo)桿氣缸、吸盤。

工作原理是由底部安裝有吸盤的導(dǎo)桿氣缸，從底部單個吸取分離出儲袋倉里的預(yù)制包裝袋，隨后被搖臂氣動夾爪精準抓取并準確將預(yù)制包裝袋對接安裝在旋轉(zhuǎn)袋架上的機械手爪。

儲袋倉通過調(diào)節(jié)螺絲和儲袋倉支板，可調(diào)節(jié)對應(yīng)需要放置的食品外預(yù)制包裝袋外形尺寸大小。調(diào)節(jié)起來方便快捷，其便捷性可利于系統(tǒng)快速更換其他所需要再包裝的食品。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制程序設(shè)計

PLC（可編程控制器）可靠性高且編程簡單，維修方便。為了更直觀地了解生產(chǎn)過程以及監(jiān)控信號的動態(tài)變化需上位機、觸摸屏與可編程控制器的配合，這樣才能形成科學(xué)有效的食品包裝自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)[4]。其主要包括自動裝料系統(tǒng)控制程序、設(shè)備閉環(huán)控制程序、模式切換程序等幾個部分。PLC首先使用手動模式對料包打碼、袋底震動、料斗振動和旋轉(zhuǎn)吹氣等進行手動調(diào)試，確保各功能塊在手動狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的完整運行、啟動自動模式，設(shè)置產(chǎn)品重量以及包裝速度，實現(xiàn)設(shè)備自動控制。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 參數(shù)設(shè)定顯示程序設(shè)計

主要依據(jù)WinCC配置完成參數(shù)設(shè)定顯示，包括主機啟動模式、主機點動模式選擇、點動模式設(shè)備狀態(tài)選擇、產(chǎn)品重量設(shè)定、實際生產(chǎn)數(shù)量顯示、伺服器速度設(shè)定、報警指示和編碼器值等參數(shù)顯示。還可修改環(huán)境參數(shù)設(shè)置?？赏ㄟ^設(shè)置環(huán)境參數(shù)的最高限和最低限，將被控制對象設(shè)置在合適的范圍[5]。參數(shù)設(shè)定菜單程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 參數(shù)設(shè)定菜單程序圖

4 實驗驗證

系統(tǒng)經(jīng)過多次的改善校正，按現(xiàn)有測試條件，選擇袋裝螺螄粉作為實驗對象，1袋袋裝螺螄粉由1個外塑料包裝袋和8個內(nèi)包組成。所有內(nèi)包作為軟袋食品包裝對象，包含粉包、湯包、酸筍包、酸豆角包、腐竹包、花生包、辣椒油包及香醋包，軟袋食品從形態(tài)上包括有液體、固體，真空包裝、自然包裝和充氣包裝。

測試要求：按理論設(shè)計性能的80%工作效率要求，暨每分鐘要求輸出45袋成品螺螄粉生的產(chǎn)速度進行時長1 h的軟袋食品包裝生產(chǎn)運行測試實驗。每一袋螺螄粉共需裝袋8包軟袋食品。共配備了2 700包螺螄粉所需的包裝物料，共計2 700只預(yù)制包裝袋料以及21 600袋軟袋食品，實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 螺螄粉包裝實驗記錄表

實驗全程只有127包螺螄粉沒有完成二次包裝工序，合格率為95.3%。經(jīng)檢查分析得到原因，這127袋螺螄粉包裝失敗進過檢查發(fā)現(xiàn)是因為螺螄粉外預(yù)制包裝袋所預(yù)留的打碼空間區(qū)域不潔凈，表面有劃痕和污漬影響打碼效果，后續(xù)掃描器不能讀取信息，導(dǎo)致產(chǎn)品不合格進入廢料區(qū)。

實驗結(jié)果表明，樣機實現(xiàn)了高效率、高質(zhì)量地對軟袋食品進行全自動化再包裝生產(chǎn)。

5 結(jié)論

本文通過對軟袋食品自動化再包裝的設(shè)計研究獲得以下結(jié)論：①通過使用一體式單軸設(shè)計旋轉(zhuǎn)袋架，并配合內(nèi)槽輪機構(gòu)以及凸輪機構(gòu)運行的動力傳輸方式能實現(xiàn)各部件運行精確穩(wěn)定，且運行軌跡固定，達到旋轉(zhuǎn)工作臺夾持轉(zhuǎn)動預(yù)制包裝袋，依次到達8個工位進行包裝作業(yè)；②可調(diào)式儲袋倉設(shè)計，儲袋倉調(diào)節(jié)起來方便快捷，其便捷性利于系統(tǒng)在更換包裝產(chǎn)品時快速更換，縮短了對接緩沖時間；③采用WinCC配置實現(xiàn)了參數(shù)設(shè)定顯示，包括主機啟動模式、主機點動模式選擇、點動模式設(shè)備狀態(tài)選擇、產(chǎn)品重量設(shè)定、實際生產(chǎn)數(shù)量顯示、伺服器速度設(shè)定、報警指示和編碼器值等參數(shù)顯示；④采用PLC自動裝料系統(tǒng)控制程序、設(shè)備閉環(huán)控制程序和模式切換程序等幾個部分。實現(xiàn)對預(yù)制包裝袋打碼、袋底震動和旋轉(zhuǎn)吹氣等功能。確保設(shè)備的完整運行。