闞小妹

(無(wú)錫市計(jì)量測(cè)試中心，無(wú)錫 214101)

0 引言

包裝是產(chǎn)品進(jìn)入流通領(lǐng)域的必要條件，現(xiàn)代包裝的普遍含義是：對(duì)不同批量的產(chǎn)品，選用某種有保護(hù)性、裝飾性的包裝材料或包裝容器，并借助適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段實(shí)施包裝作業(yè)，以達(dá)到規(guī)定的數(shù)量和質(zhì)量，同時(shí)設(shè)法改善外部結(jié)構(gòu)，降低包裝成本，從而在流通直至消費(fèi)的整個(gè)過(guò)程中使之容易儲(chǔ)存搬運(yùn)，防止產(chǎn)品破壞變質(zhì)，便于識(shí)別應(yīng)用和回收廢料，不斷促進(jìn)擴(kuò)大再生產(chǎn)。全自動(dòng)包裝機(jī)可根據(jù)包裝物品的要求，按照需要的形態(tài)、大小，得到規(guī)格一致的包裝質(zhì)量。設(shè)定程序后實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作，產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)包裝工作，具有使用方便，高效節(jié)能、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。目前我國(guó)包裝機(jī)械企業(yè)規(guī)模偏小，技術(shù)裝備不很完善，自我發(fā)展和技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)能力較弱。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，全自動(dòng)包裝機(jī)械在食品、化工、醫(yī)藥、輕工業(yè)等各行業(yè)中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。

1 全自動(dòng)包裝機(jī)組成

自動(dòng)包裝機(jī)一般分為半自動(dòng)包裝機(jī)和全自動(dòng)包裝機(jī)兩種。由人工供給包裝材料和內(nèi)裝物，但能自動(dòng)完成其它包裝工序的機(jī)器稱為半自動(dòng)包裝機(jī)；既能自動(dòng)輸送供給包裝材料和內(nèi)裝物，又能自動(dòng)完成主要包裝工序和其它輔助包裝工序的機(jī)器，稱為全自動(dòng)包裝機(jī)。

全自動(dòng)包裝機(jī)由動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)部分和執(zhí)行部分組成。為了便于掌握和研究包裝機(jī)械的工作原理與結(jié)構(gòu)性能，通常又將包裝機(jī)械分成下列組成要素：

1)被包裝物品的計(jì)量與供送系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指將包裝物品進(jìn)行計(jì)量、整理、排列，并輸送至預(yù)定工位的裝置系統(tǒng)。有的還完成被包裝物品的成型、分割。

2)主傳送系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指將被包裝物品和包裝材料由一個(gè)包裝工位順次傳送到下一個(gè)包裝工位的裝置系統(tǒng)。

3)包裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)是指直接進(jìn)行裹包、充填、封口、貼標(biāo)、捆扎和容器成型等包裝操作的機(jī)構(gòu)。

4)成品輸出機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)是指將包裝成品從包裝機(jī)上卸下、定向排列并輸出的機(jī)構(gòu)，也可直接由主傳送系統(tǒng)完成或靠成品自重卸下。

5)動(dòng)力機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)。其是指將動(dòng)力機(jī)的動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制元件，使之實(shí)現(xiàn)預(yù)定動(dòng)作的裝置系統(tǒng)。通常由機(jī)、電、光、液、氣等多種形式的傳動(dòng)、操作、控制以及輔助等裝置組成。

6)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括包裝過(guò)程及其參數(shù)的控制，包裝質(zhì)量、故障及安全的控制等。

本系統(tǒng)中，被包裝物品(也稱為布)的計(jì)量為物品的長(zhǎng)度或直徑等，其包裝材料為PE膜(也可為紙、金屬等物品)，采用緊密封接裝置，將被包裝物品包裝起來(lái)。包裝機(jī)的進(jìn)布工位與所設(shè)的輸送裝置由在線升降系統(tǒng)和輸送帶組成，在線升降系統(tǒng)設(shè)于進(jìn)布工位上，兩端分別連接進(jìn)布輸送系統(tǒng)和輸送帶，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)布與封裝等工位的連續(xù)包裝。

2 全自動(dòng)包裝機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

選擇西門子的模塊化中小型PLC系統(tǒng)S7-300，它能滿足中等性能要求的應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。其模塊化、無(wú)排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和易于實(shí)現(xiàn)分布，易于用戶掌握等特點(diǎn)，使得S7-300成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務(wù)的方便又經(jīng)濟(jì)的方案。S7-300系列所具有的多種性能遞增的CPU和豐富的且?guī)в性S多方便功能的I/0擴(kuò)展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的模塊。當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴(kuò)大并且愈加復(fù)雜時(shí)，可隨時(shí)使用附加的模塊對(duì)PLC進(jìn)行擴(kuò)展。S7-300所具備的高電磁兼容性和強(qiáng)抗振動(dòng)、抗沖擊性，更使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。它具有很強(qiáng)的計(jì)算能力和完善的指令集，以及通用MPI接口和 SINEC LANS聯(lián)網(wǎng)的能力，適用于高速的過(guò)程處理需要。本系統(tǒng)所用的主機(jī)模塊是CPU 315-2DP，可以通過(guò)MPI轉(zhuǎn)接電纜或通訊模塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，再加上其全面的診斷功能和完善的自我保護(hù)技術(shù)，使其具有較高的可靠性。除此之外，它自帶的STEP7編程軟件功能強(qiáng)大，使用方便，也使開發(fā)過(guò)程變得簡(jiǎn)單快捷。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

全自動(dòng)包裝機(jī)的程序設(shè)計(jì)如圖1所示。由于包裝的過(guò)程是順序動(dòng)作，每一步動(dòng)作均是在前一步動(dòng)作完成的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行下一步的操作，所以控制程序采用了步進(jìn)順控指令方法編程。

用PLC控制后，包裝機(jī)的自動(dòng)運(yùn)行如下：

1)按下自動(dòng)開關(guān)，前段進(jìn)布輸送機(jī)啟動(dòng)；

2)當(dāng)前段輸送帶進(jìn)布檢知光電，主輸送帶啟動(dòng)；

3)傳送到主輸送帶后，開始進(jìn)行計(jì)高、計(jì)格；

4)當(dāng)布卷全部傳送到主輸送帶后，開始計(jì)長(zhǎng)，布卷到達(dá)中心后，主輸送帶停止運(yùn)行；

5)推桿原定位磁簧開關(guān)檢測(cè)到有布時(shí)，推桿推出；

6)推桿中定位磁簧開關(guān)檢測(cè)到有布時(shí)，主封吹馬達(dá)啟動(dòng)；

7)上下放微動(dòng)開關(guān)得到信號(hào)后，上下放馬達(dá)啟動(dòng)；

8)推桿前定位磁簧開關(guān)檢測(cè)到布卷來(lái)時(shí)，推桿退回；

圖1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

9)主封座表面檢測(cè)物件安全后，主封座上升1/2個(gè)布座后停止，上放馬達(dá)停止運(yùn)行；

10)主封座上升停止后，主封刀下切，下放馬達(dá)停止，主封吹馬達(dá)停止，主封座升降氣缸開始空油轉(zhuǎn)換，開始計(jì)時(shí)；

11)計(jì)時(shí)時(shí)間到，主封座退回，主封刀退回；

12)主封座下降到位后，中段推桿開始推布，中段輸送帶啟動(dòng)；

13)中段夾布微動(dòng)開關(guān)檢測(cè)到布卷后，開始夾布；

14)夾布完成后，中段下方吹馬達(dá)啟動(dòng)，左右側(cè)吸料馬達(dá)啟動(dòng)；

15)左右側(cè)光電開關(guān)檢測(cè)到信號(hào)后，左右側(cè)封內(nèi)移，側(cè)封座上升1/2布座后，側(cè)封刀下；

16)中段下方吹PE膜馬達(dá)停止，側(cè)封座升降氣缸開始空油轉(zhuǎn)換，開始計(jì)時(shí)；

17)計(jì)時(shí)時(shí)間到，側(cè)封刀退回，側(cè)封座退回；

18)側(cè)封座退回到位后，左右側(cè)封外移，吸料馬達(dá)停止運(yùn)行；

19)左右側(cè)封回到定位后，夾布器松開，中段輸送帶運(yùn)行，末段輸送帶運(yùn)行，出布滾筒機(jī)運(yùn)行，開始出布；

20)光電開關(guān)檢測(cè)到出布后，前段輸送帶運(yùn)行，一個(gè)循環(huán)過(guò)程完成；

21)按下急停按鈕時(shí)，包裝機(jī)運(yùn)行停止。

3 不確定度分析評(píng)定

下面對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全自動(dòng)包裝機(jī)包裝的定量包裝商品(以下簡(jiǎn)稱商品)作不確定度分析評(píng)定，以標(biāo)注100g的商品凈含量檢驗(yàn)為例，依據(jù)JJF 1070—2005的規(guī)定，其凈含量檢測(cè)的基本原理為：凈含量=總重-皮重。

數(shù)學(xué)模型：δ=qi-Qn=GWi-Pi-Qn

式中:δ為商品凈含量的偏差；qi為商品的實(shí)際含量；Qn為商品的標(biāo)注凈含量；GWi為商品的實(shí)際總重；Pi為商品的皮重。

靈敏系數(shù)為1或-1。

3.1 樣本實(shí)際總重重復(fù)性測(cè)量的不確定度u1

1)實(shí)際總重重復(fù)性測(cè)量引入的不確定度分量u11

根據(jù)JJF 1070—2005表4規(guī)定，檢驗(yàn)批量N=11～50，抽取樣本量n=10件的標(biāo)注凈含量100g的商品。實(shí)際總重重復(fù)性測(cè)量見表1。

表1實(shí)際總重、皮重重復(fù)性測(cè)量值 g

單次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差s(xi)= 0.008g，n=10次，

ν11= 90

2)電子天平測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u12

3)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1：

=0.0044/(0.0024/90+0.0034/50)≈142

3.2 標(biāo)注凈含量的不確定度分量u2

根據(jù)JJF 1070—2005表3規(guī)定，標(biāo)注凈含量100g的允許短缺量為4.5%，

T=0.9g，標(biāo)注凈含量為一確定值,則：u2=0.000g，自由度ν2→∞。

3.3 皮重標(biāo)準(zhǔn)偏差引入的不確定度分量u3

皮重重復(fù)性測(cè)量由表1可見，皮重標(biāo)準(zhǔn)偏差不確定度分量：u31=0.000g，ν31→∞。除皮方法與皮重抽樣量大小引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度可不予單獨(dú)考慮?，F(xiàn)僅有電子天平測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u32=u12=0.003g，自由度ν3=50。

3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

=0.0054/(0.0044/142+0.0034/50)=182，自由度取100

t95(100)=1.984

3.5 擴(kuò)展不確定度

U=t95(100)×uc=1.984×0.005≈0.01g

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)包裝的主要手段是使用包裝機(jī)械。目前我國(guó)包裝機(jī)械產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量不穩(wěn)定、性能單一、成本高、技術(shù)含量低等狀況?，F(xiàn)代社會(huì)對(duì)物品的包裝要求越來(lái)越高，為使包裝出的物品整齊、美觀并且具有良好的包裝質(zhì)量,要求包裝機(jī)具有精確的動(dòng)作、定位準(zhǔn)確度高及高效率和一定的柔性，因此對(duì)包裝機(jī)的控制要求是越來(lái)越高。傳統(tǒng)的繼電器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的要求了，所以研制高效、經(jīng)濟(jì)、且有一定柔性的新型包裝機(jī)械是市場(chǎng)的迫切需要。本文介紹了一種全自動(dòng)包裝機(jī)的工作原理及其設(shè)計(jì)過(guò)程，進(jìn)行了全自動(dòng)包裝機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)；對(duì)定量包裝的商品凈含量的檢驗(yàn)測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)定，對(duì)定量包裝中測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)提供了借鑒。

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