（哈爾濱商業(yè)大學，哈爾濱 150028）

0 引言

隨著經濟發(fā)展、消費結構和消費形式的升級，包裝機械產量逐年上升，包裝機械種類逐漸增加，適合不同細分領域的包裝機械層出不窮。我國包裝機械行業(yè)加強自主創(chuàng)新與技術集成，技術水平得到快速發(fā)展，已成為世界包裝機械制造大國，但與美國、德國、日本等國際先進水平相比，我國包裝機械的包裝質量、包裝速度、包裝精度等方面整體上依然落后，包裝機械從“中國制造”轉變?yōu)椤爸袊窃臁笨滩蝗菥彛?］。

枕式袋包裝機廣泛應用在食品、日化等行業(yè)，目前日本、德國的枕式包裝機生產速度已達到1 000袋/min，而國內產品僅能達到500～600袋/min。為提高枕式包裝機的技術水平，國內研究人員在機構創(chuàng)新與優(yōu)化、電子控制、可靠性等方面開展研究。橫封切斷器是影響包裝質量與包裝速度的主要因素，開展包裝執(zhí)行機構的創(chuàng)新設計與優(yōu)化，可有效提高包裝機性能［2-4］。優(yōu)化設計供料裝置，可提高包裝物料與包裝薄膜供送的穩(wěn)定性［5-6］?；谥悄芸刂破骱退欧到y(tǒng)可保證包裝執(zhí)行機構各軸運動的準確性，在此基礎上采用主從同步控制、相鄰交叉耦合控制、神經網(wǎng)絡控制等多軸同步控制算法，可提升多軸同步控制的準確性［7-9］。

對五連包方便面、面包等厚度較大的塊狀物品，常規(guī)的旋轉式、往復式端封器，存在封口質量、封口速度方面的缺陷。論文面向包裝行業(yè)的實際需求，研發(fā)適合厚度較大塊狀物品枕式包裝的旋轉往復移動式橫封機構及高性能的封口部件，具有很強的工程應用背景。

1 加厚枕式包裝袋封口工藝

枕式包裝袋的袋型及大小選擇取決于被包裝物料、體積、包裝材料、制袋封口方法及使用要求。對厚度較小的扁平塊狀物品，如方便面、香皂、蚊香等，一般選用圖1（a）所示的扁平枕式袋，采用常規(guī)的旋轉式或往復式橫封器，實現(xiàn)枕式包裝袋的橫封。對于較厚的塊狀物品，如五連包方便面、手抽紙、面包等，其厚度一般超過60 mm，如采用旋轉式橫封器，封口處容易出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，影響包裝質量與包裝速度，如采用往復式橫封器，則封口速度較慢。

圖1 三邊封口的枕式包裝袋型Fig.1 Pillow type packaging bag with three-side seals

由于袋型較厚，加厚枕式包裝袋的端封封口部分區(qū)域要進行雙層封口，如圖1（b）所示包裝袋要先折膜操作。確定加厚塊狀物品的封口工藝如圖2所示：（1）旋轉的縱封輥相向旋轉，將已充填物料的筒狀包裝薄膜端縫封口，移送到橫封工位；（2）前、后折膜機構同時相向動作，在橫封工位將包裝筒的前后折膜，形成包裝袋的兩層疊封；（3）上封口切斷機構、下封口機構相向動作，完成枕式包裝袋的橫封切斷，包裝成品輸出。

圖2 加厚枕式包裝袋封口工藝原理Fig.2 Sealing process diagram of thickened pillow type packaging bag

2 旋轉往復式橫封器組成原理

基于加厚枕式包裝袋封口工藝，結合旋轉式和往復式橫封器的特點，設計一種新型的旋轉往復復合式橫封器，如圖3所示。由圖可看出，上、下熱封器在做旋轉運動的過程中，封口器端面總是處于平行狀態(tài)，使得這種橫封器可同時具有旋轉和往復兩種運動過程，實現(xiàn)一種近似D型的運動軌跡。利用運動軌跡的AB直線部分，可以實現(xiàn)較長的熱封時間；上、下封頭可以采用熱封板、實現(xiàn)板式面接觸的熱封，因此，橫封器具有較好的封合質量，能以較高速度完成具有一定厚度的塑料膜的包裝，但結構復雜、成本較高［10］。

圖3 旋轉往復式橫封器原理Fig.3 Schematic diagram of rotary-reciprocating horizontal sealer

面向方便面五連包等大塊塊狀物品包裝應用的枕式包裝機模型如圖4所示，包裝機主要由供料部件、供膜部件、成型器、縱封部件、橫封部件、整理輸送部件、成品輸出部件以及電控系統(tǒng)等組成，實現(xiàn)塊狀包裝物的自動制袋、充填、封口等包裝工序。

枕式包裝機旋轉往復式橫封器如5所示，主要由進料部件、橫封器組件、折膜機構、成品輸出部件等組成。經縱封部件完成中縫封接的包裝袋，通過進料部件皮帶輸送，進入橫封工位；橫封器組件與前折膜機構、后折膜機構協(xié)同動作，完成包裝袋橫封封口；成品輸出部件將包裝成品輸出。

由圖3可看出，橫封器組件從A到B進行包裝袋橫封熱封接，封接行程較長，帶來兩個缺陷：（1）增大包裝袋橫向封口尺寸，包裝袋的無效袋長加大，影響美觀性，浪費包裝材料；（2）加大橫封執(zhí)行機構的尺寸與重量，增大成本，降低包裝速度。

為解決上述問題，在設計端封進料組件和成品輸出部件時，設計了專用的隨動機構，如圖5、圖6所示。進料部件進料平帶的主動帶輪F1和從動帶輪F4固定在基座上，帶輪F2、F3安裝在進料連接板上，溝槽進料凸輪也安裝在進料連接板上。安裝在下熱封器上的桿端軸承按溝槽進料凸輪的輪廓軌跡運動，驅使帶輪F2、帶輪F3作相應的平動動作，在保證進料平帶長度不變的情況下，使得包裝袋及內含包裝物與橫封機構保持適當位置，實現(xiàn)包裝袋橫封的穩(wěn)定封接。

圖6 橫封部件機構簡化模型Fig.6 Simplified model of horizontal sealing mechanism

成品輸出部件同理設計，保證包裝袋橫封的穩(wěn)定封接和包裝成品的快速脫離與輸出。

3 橫封器主要執(zhí)行部件

3.1 橫封器組件

橫封器組件模型如圖7所示，機構簡化模型如圖8所示，主要由上熱封器、下熱封器、直線導軌、傳動齒輪組、端封基座等組成。為提高包裝袋橫封封口的剛度、封接速度和運動同步性，橫封器采用前后對稱布置的形式，在前端封座和后端封座上安裝同配置的傳動機構與執(zhí)行機構。

圖7 端封器組件模型Fig.7 End sealer assembly model

圖8 端封器組件機構簡化模型Fig.8 Simplified model of end sealer assembly mechanism

傳動機構采用標準圓柱齒輪，齒輪模數(shù)為2、齒數(shù)為50齒。為消除傳動間隙、提高傳動精度，上熱封器的傳動齒輪設計為雙齒輪，通過機械鎖調整齒輪傳動的傳動間隙，提高橫封器的運動平穩(wěn)性和前后齒輪傳動的同步性。

上封口溝槽凸輪、下封口溝槽凸輪集成設計在一個零件上，分別固定安裝在前端封座和后端封座上。直線導軌固定安裝在下刀體上，導軌滑塊安裝在上刀體上。上刀體、下刀體的兩端對稱安裝一對桿端軸承。

為簡化機構設計，將包裝袋切斷裝置與橫封器進行集成設計。切斷裝置采用氣缸驅動，安裝在上熱封器上，隨上熱封器一起平動。當下熱封器往復移動到圖3所示的A點時，切斷氣缸開始動作，驅動安裝在上熱封器內的切刀動作，在下熱封器到達B點之前，將包裝袋切斷。

橫封器工作時，輸入同步帶輪將驅動電機提供的旋轉運動，順序地通過傳動齒輪組，驅動上、下回轉腕作轉速相等、方向相反的等速旋轉，安裝在上、下刀體上的桿端軸承，分別在上、下封口溝槽凸輪作跟隨運動。直線導軌安裝在下刀體上，導軌滑塊安裝在下刀體上，結構限制原因，使得上刀體、下刀體只能分別按上熱封器運動軌跡、下熱封器運動軌跡進行復合的往復平動，帶動上、下封口器也作相應的復合往復平動，實現(xiàn)包裝袋端縫的熱封接與切斷。

3.2 橫封進料部件

進料部件圖9所示，主要由進料皮帶、進料溝槽凸輪、導軌、輸入鏈輪、移動連接板等組成。從動帶輪F4安裝在平帶固定托板上，與中封部件的位置保持不動。移動連接板安裝在直線導軌的滑塊上，移動帶輪F2、F3安裝在移動連接板上，進料溝槽凸輪也安裝在移動連接板上。刀體連接板安裝在下刀體上，連接板另一端安裝的滾輪軸承裝配在進料溝槽凸輪的內輪廓。

圖9 橫封進料部件Fig.9 Feeding component of horizontal sealer

主動帶輪F1將輸入鏈輪的轉速轉換成平帶的等速運動，通過移動帶輪F2和F3、從動帶輪F4，支撐平帶平穩(wěn)運動。下回轉腕在主傳動的驅動下等速旋轉，由于機構限制，驅動下刀體沿運動軌跡作復合往復平動。再通過進料溝槽凸輪的作用，驅動移動帶輪F2和F3隨下刀體一起運動，在保證進料平帶長度不變的情況下，實現(xiàn)包裝袋端封的穩(wěn)定熱封接。

3.3 成品輸出部件

成品輸出部件如圖10所示，主要由出料皮帶、輸出溝槽凸輪、導軌、進料基座等組成。從動帶輪B4安裝在平帶固定托板上，位置保持不動。移動連接板安裝在直線導軌的滑塊上，移動帶輪B2、B3安裝在移動連接板上，進料溝槽凸輪也安裝在移動連接板上。刀體連接板安裝在下刀體上，連接板另一端安裝的滾輪軸承裝配在輸出溝槽凸輪的內輪廓。

圖10 成品輸出部件Fig.10 Finished product output component

主動帶輪B1將輸入帶輪的轉速轉換成平帶的等速運動，通過移動帶輪B2和B3、從動帶輪B4，支撐平帶平穩(wěn)運動。下回轉腕在主傳動的驅動下等速旋轉，由于機構限制，驅動下刀體沿運動軌跡作復合往復平動。再通過輸出溝槽凸輪的作用，驅動移動帶輪B2和B3隨下刀體一起運動，在保證進料平帶長度不變的情況下，實現(xiàn)已橫封、切斷的包裝袋快速脫離端封位置，平穩(wěn)輸出包裝成品。

3.4 包裝袋折膜機構

包裝袋折膜機構如圖11所示，包括前折膜機構、后折摸機構，單端折膜機構主要由折膜凸輪、折膜板、折膜動平臺、折膜連桿、橫向導軌等組成。

圖11 單端包裝袋折膜機構Fig.11 Film folding mechanism for single-end packaging bag

橫向直線導軌安裝在基座上，折膜板安裝在折膜動平臺上，折膜動平臺一端安裝在橫向直線導軌的滑塊上，另一端與成品輸出部件的皮帶移動托板連接。下刀體作復合的往復移動，通過出料溝槽凸輪機構，驅動皮帶移動托板跟隨下熱封器作往復平動，相應的驅動折膜板跟隨下熱封器及包裝袋作往復平動。同時，折膜凸輪旋轉，通過滾輪軸承、折膜連桿機構，驅動折膜動平臺沿橫向導軌作往復的折膜動作。兩種動作協(xié)調運動，實現(xiàn)包裝膜端封之前的自動折膜動作。

4 橫封器工作循環(huán)圖

包裝機需通過多個機構的協(xié)同動作，實現(xiàn)枕式包裝袋的進料、折膜、橫封、切斷以及成品輸出?；谇笆龉に嚪治雠c執(zhí)行部件的設計，完成橫封器執(zhí)行機構的工作循環(huán)圖設計，如圖12所示。橫封機構采用上、下封口溝槽凸輪，通過回轉腕曲柄、滑塊等機構，實現(xiàn)上熱封器、下熱封器的往復平動封口動作。包裝袋切斷機構采用切斷氣缸，通過電控系統(tǒng)的PLC，控制電控閥的開斷，實現(xiàn)包裝袋端縫的實時切斷。橫封進料、成品輸出通過傳動鏈輸入運動，輸出速度不變。進料移動皮帶輪的往復移動控制，通過安裝在下熱封器上的進料溝槽凸輪機構實現(xiàn)。成品輸出皮帶輪的往復移動控制，通過安裝在下熱封器上的輸出溝槽凸輪機構實現(xiàn)。前、后折膜機構的控制，通過安裝在上熱封器支撐軸上的前、后折膜凸輪及折膜連桿機構實現(xiàn)。

圖12 橫封器執(zhí)行機構工作循環(huán)Fig.12 Working cycle diagram of horizontal sealer actuator

5 結語

論文分析了常規(guī)旋轉式、往復式橫封器存在的不足，基于面向較厚塊狀物品封口工藝的分析與設計，設計了旋轉往復式橫封器及進料部件、橫封器組件、折膜機構、成品輸出部件等主要執(zhí)行部件。基于包裝袋橫封封口工藝，設計了橫封器執(zhí)行機構工作循環(huán)圖，通過凸輪、連桿、齒輪、鏈輪等機構，實現(xiàn)枕式包裝袋端縫橫向封口的協(xié)同控制。