全自動塑料袋包裝機的研發(fā)

王志強

（漳州佳龍科技股份有限公司，福建 漳州 363000）

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對食品包裝種類的要求日益增多，因此糧油加工企業(yè)對食品包裝技術(shù)和設(shè)備都提出了新的要求，以滿足同一設(shè)備實現(xiàn)不同包裝模式的需求，從而降低生產(chǎn)成本，增加產(chǎn)品附加值，提升市場競爭能力。為了順應(yīng)高生產(chǎn)效率、自動化、單機多功能流水線的技術(shù)發(fā)展趨勢，本文研發(fā)了一類適用于塑料袋的全自動包裝機。

1 塑料袋全自動包裝機方案

塑料袋全自動包裝機采用模塊化設(shè)計，單機可實現(xiàn)自動上袋、稱量、灌裝、封口等功能，使用簡單的機械結(jié)構(gòu)滿足功能需求，機電結(jié)合、實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

圖1 工作流程圖

通過對顆粒料物體包裝過程的稱重、灌裝、真空包裝熱封方式、熱封口、卸袋、輸送等的技術(shù)進行研究，擬定了單機多功能化方案。在原來普通包裝的基礎(chǔ)上，采用合理的物料灌裝后先進行一次封口，再抽真空后二次熱封的真空包裝工作模式，增加了真空包裝一次非全封閉熱封等功能，實現(xiàn)非真空包裝與真空包裝一體化。通過智能儀表采集傳感器信號，PLC處理信號，配合控制系統(tǒng)完成既定動作，每個動作既相互獨立又互為協(xié)調(diào)。工作過程主要由上袋工序、稱量工序和包裝工序組成，具體工作流程見圖1。

2 塑料袋全自動包裝機關(guān)鍵技術(shù)

非真空包裝與真空包裝一體化必須使用合理的抽真空方式，綜合考慮后采用一次封口→整形→抽真空→二次封口的流程，將非真空包裝封口與真空包裝一次封口集成于一臺設(shè)備，實現(xiàn)一機多用。其中，上袋機構(gòu)、稱重技術(shù)以及恒溫熱封口起著至關(guān)重要的作用，直接影響到包裝效率、包裝成品率、包裝精度、美觀效果及封口的可靠性。為實現(xiàn)機電一體化，運用過程控制原理，將機械、電子與信息等有關(guān)技術(shù)進行有機集成，實現(xiàn)整體性能最優(yōu)化和全自動化。

2.1 上袋夾袋機構(gòu)

對于全自動包裝機，核心品質(zhì)是生產(chǎn)效率、工作的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的合格率，因此上袋機構(gòu)的上袋速度和成功率是一個關(guān)鍵。塑料袋全自動包裝機的上袋機構(gòu)采用平鋪輸送包裝袋的方式，解決了現(xiàn)有上袋機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜、上料動作多、上料速度慢和上袋成功率低的技術(shù)不足。

上袋機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。當平鋪袋子輸送到指定位置時，上張袋吸盤向下移動，下張袋吸盤向上移動，上下吸盤同時吸住包裝袋一側(cè)將包裝袋袋口張開，安裝于擺動送袋機構(gòu)上的套袋手指動作夾住包裝袋兩側(cè)，同時撐袋板轉(zhuǎn)入包裝袋內(nèi)，氣缸帶動上袋擺臂旋轉(zhuǎn)，在撐袋板的輔助下將包裝袋套到夾袋口，過程如圖3所示。

圖2 上袋機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 上袋機構(gòu)動作示意圖

圖4 夾袋機構(gòu)夾緊過程

上袋過程中氣缸軸伸出，夾袋機構(gòu)處于松開狀態(tài)。夾袋機構(gòu)在袋子到位后開始動作，氣缸軸收縮，夾袋機構(gòu)處于夾緊互鎖狀態(tài)。上袋機構(gòu)復位，完成一個上袋循環(huán)。其過程如圖4所示。

夾袋機構(gòu)采用2個對稱的機構(gòu)，各有一個自由度和氣缸驅(qū)動件，可保證袋口2邊各自夾緊，2邊不必嚴格同步，不會因為變形或裝配及加工誤差導致夾緊失敗，提高了夾袋機構(gòu)的使用性能。

2.1.1 上袋夾袋機構(gòu)計算

該夾袋機構(gòu)受力分析如圖5所示，氣缸力F0使夾袋口上端對活動軸承產(chǎn)生推力F1，F(xiàn)1再通過夾袋曲柄對夾袋口產(chǎn)生壓力F2，同時氣缸力F0使夾袋口下端對夾袋曲柄產(chǎn)生壓力F3，已知F2≥100 N/μ。

由平衡條件得：

夾袋曲柄受F1和F3及固定鉸鏈上的支座反力，是一個3力平衡構(gòu)件，受力如圖6所示。根據(jù)平衡條件，合外力矩為零可得：

故F1、F2(F3)大小成比例。

夾袋口是一個4力構(gòu)件，對上方的固定鉸鏈列出力矩平衡式：

其中，F(xiàn)1'=F1，根據(jù)圖6可得β與δ的關(guān)系。

圖5 夾袋機構(gòu)夾緊受力分析

圖6 夾袋機構(gòu)夾緊受力圖

根據(jù)二維分析，可知LDA、LDE、LOA、LOB、LOC、LOO1、LO1C、δ以及O點與D點的相對關(guān)系，根據(jù)圖7以D為坐標原點，可求得α與δ的關(guān)系：

圖7 夾袋機構(gòu)夾緊分析圖

已知O點坐標為（d,f），設(shè)A點坐標為（x2,y2），OO1的線性方程為y=kx+b

由公式⑷、⑸可得出最優(yōu)解A點，

綜合公式⑴～⑹可求得F0、F1，根據(jù)所得的解可得合適的驅(qū)動氣缸，并設(shè)計出合理的夾袋結(jié)構(gòu)。

2.1.2 上袋夾袋機構(gòu)成功率測驗

設(shè)備運行環(huán)境溫度30 ℃，分別對5組200個情況不同的袋子進行試驗，結(jié)果見表1。

表1 上袋夾袋機構(gòu)運行成功率測驗結(jié)果

通過上述試驗數(shù)據(jù)，基本可以看出該結(jié)構(gòu)機構(gòu)穩(wěn)定，且能保證很高的上袋成功率。其中，上袋失敗主要由以下原因?qū)е拢捍诰磉吇蜢o電導致下張袋吸盤未能完全張開袋口，從而導致?lián)未　Ｉ洗鼕A袋失敗的袋子通過自動剔袋程序被剔除出生產(chǎn)線，不會對生產(chǎn)過程造成影響。

2.2 稱量機構(gòu)

動態(tài)定量稱量的主要矛盾為稱量精度與速度的矛盾。為解決這一矛盾，采用雙秤交替使用的方式，實現(xiàn)高效率計量稱重。

雙秤系統(tǒng)可簡單分為A稱量系統(tǒng)和B稱量系統(tǒng)。2系統(tǒng)在稱量過程中各自獨立，互不干涉。A、B稱量系統(tǒng)分別由各自的氣缸和電磁閥對放料進行控制，實現(xiàn)交替卸料。為實現(xiàn)稱量更精確，實行了分速放料控制，降低動態(tài)稱量過程物料慣性、滯后、非時變等非線性特性的影響，從而對下料的誤差控制更加精確。

2.3 熱封機構(gòu)

塑料袋全自動包裝機具有2個熱封機構(gòu)，其機械結(jié)構(gòu)一致，封口形狀不一，以滿足不同的熱封需求。2熱封機構(gòu)相互獨立，分別由各自的氣缸和電磁閥對其進行控制

熱封機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖8所示，熱封板中插有熱電偶，熱電偶的長度略大于熱封板長度從而避免出現(xiàn)熱封板溫度不均而影響封口質(zhì)量。當物料包通過輸送機構(gòu)送到熱封位置時，封口氣缸動作，帶動封口曲柄繞封口轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，使熱封板與封口夾夾緊物料包實現(xiàn)封口，狀態(tài)如圖9所示。通過設(shè)定合理的熱封時間與熱封溫度，可保證熱封口的可靠性及外觀精美。

圖8 封口機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 封口狀態(tài)示意圖

圖10 真空一次封口效果圖

對于非真空包裝，其熱封板整體為一長方形，從而達到完全封住物料包開口的目的。對于真空包裝，后續(xù)還需進行抽真空處理，因此在一次封口處，封口機上的熱封板采用特殊設(shè)計。熱封板面設(shè)計有內(nèi)封線與外封線的2道封口，形成了迷宮式間歇封口，這樣既能有效防止物料在循環(huán)輸送帶上外泄，同時又能為后續(xù)的抽真空提供較大的氣體流動空間。其封口效果圖如圖10所示。

現(xiàn)有國內(nèi)的真空包裝機大多為整形——抽真空一體，即上袋裝完物料后直接整形、抽真空，而后再進行封口作業(yè)，而這將大大增加真空包裝的等待時間，降低包裝效率。本文設(shè)計的2種封口機構(gòu)與包裝輸送方向同向排列，既不影響非真空包裝的速度，又可實現(xiàn)不同包裝的封口需求。同時在真空包裝模式下，由于物料包已經(jīng)進行一次封口防止物料泄露，整形與抽真空分兩工位進行，從而使相鄰兩物料包的整形與抽真空同步進行，節(jié)約了真空包裝的等待時間，包裝效率得到了進一步的提升。

2.4 輸送機構(gòu)

塑料袋全自動包裝機的輸送機構(gòu)有別于其他兩面包裝設(shè)備，在灌裝與熱封之間的過渡環(huán)節(jié)不只是簡單的皮帶輸送。其輸送機構(gòu)分布如圖11所示。

圖11 輸送機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

輸送機構(gòu)主要有4個工位，分別為灌裝、真空一次熱封、非真空包裝熱封和出料。4個工位的位置等距排布，利用伺服電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)包裝袋在4個工位的循環(huán)往復。整個循環(huán)過程中，皮帶單向傳動，而夾包手指往復動作。夾包手指固定包裝袋口，避免袋口在輸送的過程中處于自由狀態(tài)，排除了袋口形狀的不確定性而導致封口失敗、傾斜等問題，使每一包熱封位置一致，封口漂亮平整。

通過此輸送機構(gòu)，免去了其他的理袋機構(gòu)來處理袋口，簡化了工序，提高了整體包裝效率以及包裝質(zhì)量。

3 結(jié)語

塑料袋全自動包裝機產(chǎn)品的研發(fā)，采用模塊化設(shè)計，通過不同機構(gòu)的合理組合使整機達到最優(yōu)狀態(tài)。塑料袋全自動包裝機對包裝的不同需求具有較強的適應(yīng)性，提高了生產(chǎn)效率以及包裝類型的兼容性，使單一功能包裝設(shè)備向多功能化、高端化發(fā)展，滿足了人們對不同產(chǎn)品不同包裝模式的高質(zhì)量需求。該機的多項機構(gòu)均為專利技術(shù)，其新穎的包裝方式獲得廣泛認可。塑料袋全自動包裝機研發(fā)成功后，樣機完成加工裝配并進入全面的機構(gòu)測試及實際包裝流程測試，測試過程中各機構(gòu)獨立動作順暢，協(xié)同工作過程流暢。經(jīng)過對樣機基本功能、電氣安全性能、包裝速度、成品包合格率、包裝機的系統(tǒng)安全性等主要技術(shù)指標的測試，結(jié)果顯示主要技術(shù)指標均達到了企業(yè)標準的要求，其包裝效果、包裝效率也得到了糧油加工、飼料生產(chǎn)企業(yè)的認可。