晏祖根，朱 迪，李 鵬，孫智慧，孟 爽

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028)

我國的包裝機(jī)械行業(yè)加強(qiáng)了自主創(chuàng)新與技術(shù)集成，技術(shù)水平得到快速發(fā)展，我國已成為世界包裝機(jī)械制造大國。但與美、德、日等國的包裝機(jī)械所處的先進(jìn)水平相比，我國的包裝機(jī)械在質(zhì)量、速度及精度等方面依然落后，包裝機(jī)械從“中國制造”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸袊窃臁笨滩蝗菥廩1]。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和消費(fèi)方式的改變，個(gè)性化的包裝形式逐年增加，適合不同細(xì)分領(lǐng)域的包裝機(jī)械層出不窮。枕式包裝機(jī)作為包裝機(jī)的一種主要類型，廣泛應(yīng)用在食品、日化和醫(yī)藥等行業(yè)。為提高包裝機(jī)的封口切斷性能，孟康[2]和萬乾程[3]等開展了枕式包裝機(jī)封口機(jī)構(gòu)的研究；鄭兆啟等[4]開展了凸輪連桿式切斷機(jī)構(gòu)與超薄自粘膜橫封裝置的研究；李文方等[5]開展了橫封切斷機(jī)構(gòu)的速度控制研究；為提高包裝機(jī)效率，郝友莉等[6]開展了包裝機(jī)密實(shí)輸送螺桿研究；邢亞飛等[7]開展了新型粉末包裝機(jī)往復(fù)式橫封機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以提高包裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)的包裝速度與包裝的穩(wěn)定性。針對(duì)傳統(tǒng)枕式包裝機(jī)通用性差、自動(dòng)化程度低等問題，Gao等[8]提出一種3伺服枕式包裝機(jī)控制系統(tǒng)以提高包裝機(jī)的平穩(wěn)性。張震宇等[9]開展了粉粒及塊狀物料包裝流水線自動(dòng)封口機(jī)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了物料包裝流水線自灌裝到封口流程的全程自動(dòng)化運(yùn)行。面向行業(yè)對(duì)5連包方便面等厚度較大塊狀物品的包裝需求，研發(fā)高性能枕式包裝袋封口部件及包裝機(jī)，具有很好的工程應(yīng)用背景。

1 較厚塊狀物品枕式包裝封口工藝

產(chǎn)品包裝取決于包裝物料與包裝材料的物性、制袋封口方法及使用要求等。根據(jù)包裝機(jī)的設(shè)計(jì)要求，確定加厚塊狀物品枕式包裝袋的封口工藝：

1)縱封輥相向旋轉(zhuǎn)，將已充填物料的筒狀包裝薄膜中縫封口，移送到橫封工位；

2)前、后折膜機(jī)構(gòu)相向運(yùn)動(dòng)，將包裝筒前、后折膜，形成包裝袋的2層疊封；

3)上封口切斷機(jī)構(gòu)和下封口機(jī)構(gòu)相向動(dòng)作，橫封切斷包裝膜，形成枕式包裝袋成品。

加厚枕式包裝袋封口工藝如圖1所示。

圖1 加厚枕式包裝袋封口工藝Figure 1 Sealing process for thicker pillow packaging bag

2 新型封口部件工作原理

封口部件是枕式包裝機(jī)的重要組成，直接影響包裝機(jī)的性能?；诖髩K物品的包裝封口工藝分析，利用SolidWorks，建立加厚枕式包裝袋的封口部件模型，如圖2所示。圖中部件主要由縱封、整理輸送、橫封和成品輸出等部件組成。充填塊狀物品的筒狀包裝薄膜在成型器折疊成型，順序通過縱封、整理輸送及橫封等部件，自動(dòng)完成加厚枕式包裝袋的縱封、橫封和切斷等工序動(dòng)作；經(jīng)過廢品剔除部件的揀選，由成品輸出部件將包裝成品輸出。

圖2 枕式包裝封口部件Figure 2 Sealing parts of pillow packaging machine

3 縱封部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

包裝袋縱封部件如圖3所示，主要由拉膜機(jī)構(gòu)、預(yù)熱機(jī)構(gòu)、縱封機(jī)構(gòu)、物料托板以及縱封基座等組成，實(shí)現(xiàn)枕式包裝袋的拉膜、預(yù)熱與中縫的連續(xù)輥式封口。

圖3 包裝袋縱封部件Figure 3 Longitudinal sealing parts of packaging machine

縱封部件拉膜機(jī)構(gòu)如圖4所示。一個(gè)拉膜輥固定安裝，另一個(gè)拉膜輥安裝在擺動(dòng)平臺(tái)上。在壓緊彈簧作用下，2個(gè)拉膜輥保持緊密接觸以實(shí)現(xiàn)包裝膜的穩(wěn)定輸送，同時(shí)根據(jù)工況要求還可以用微調(diào)機(jī)構(gòu)來調(diào)整薄膜壓緊力。如出現(xiàn)故障或更換包裝膜時(shí)，通過開合機(jī)構(gòu)末端的偏心凸輪使2個(gè)拉膜輥脫開一定距離，方便包裝薄膜通過。拉膜輥的直徑為112 mm，輥面為網(wǎng)紋狀；拉膜齒輪模數(shù)為2，齒數(shù)為28；輸入同步帶輪為T5齒形，齒數(shù)為32；錐齒輪模數(shù)為2，齒數(shù)為28。

圖4 縱封部件的拉膜機(jī)構(gòu)Figure 4 Packaging film supply mechanism of longitudinal sealing parts

縱封部件的預(yù)熱機(jī)構(gòu)如圖5所示，采用預(yù)熱板預(yù)熱包裝袋的中縫部位。氣缸和連桿機(jī)構(gòu)的共同作用可以調(diào)整2塊預(yù)熱板的相對(duì)位置；同時(shí)協(xié)同溫控儀，保證包裝薄膜的預(yù)熱效果。如出現(xiàn)故障或更換包裝膜時(shí)，氣缸復(fù)位；在拉緊彈簧的作用下，2塊預(yù)熱板脫開一定距離，避免包裝薄膜長時(shí)間預(yù)熱。

圖5 縱封部件的預(yù)熱機(jī)構(gòu)Figure 5 Preheat mechanism of longitudinal sealing parts

縱封部件的縱封機(jī)構(gòu)如圖6所示。2個(gè)縱封輥中的一個(gè)安裝在基座上，另一個(gè)安裝在動(dòng)平臺(tái)上。在拉伸彈簧作用下，2個(gè)縱封輥保持緊密接觸。輸入同步帶輪和齒輪的傳動(dòng)帶動(dòng)2個(gè)縱封輥?zhàn)餍D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，2個(gè)縱封輥運(yùn)動(dòng)時(shí)夾持枕式包裝袋的中縫，完成包裝袋的縱封。如出現(xiàn)故障或更換包裝膜時(shí)，開合氣缸動(dòng)作使2個(gè)縱封輥脫開一定的距離，避免包裝薄膜粘連在縱封輥上，同時(shí)也方便包裝薄膜的導(dǎo)出。

圖6 縱封部件的縱封機(jī)構(gòu)Figure 6 Vertical sealing mechanism of longitudinal sealing parts

縱封輥直徑為112 mm，輥面按包材厚度、性能和封接要求，制成不同形狀的網(wǎng)紋；輥內(nèi)安裝加熱盤，可通過溫控儀調(diào)整加熱溫度。這些結(jié)構(gòu)和儀表可以保證包裝膜之間有足夠的結(jié)合力，保證包裝袋的密封性和美觀度。輸入同步帶輪為T5齒形，齒數(shù)為32；錐齒輪模數(shù)為2，齒數(shù)分別為18和36。

4 旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封器設(shè)計(jì)

4.1 橫封器工作原理

厚度較小的扁平塊狀物品，可選用扁平枕式袋。對(duì)5連包方便面等較厚的塊狀物品，如采用常規(guī)的旋轉(zhuǎn)式橫封器，封口處容易出現(xiàn)褶皺，如采用往復(fù)式橫封器，則封口速度較慢[10]?；诩雍裾硎桨b袋封口工藝，結(jié)合旋轉(zhuǎn)式和往復(fù)式橫封器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新型的旋轉(zhuǎn)往復(fù)復(fù)合式橫封器，如圖7所示。橫封器主要由進(jìn)料部件、橫封器組件、折膜機(jī)構(gòu)和成品輸出部件等組成。經(jīng)縱封部件完成中縫封接的包裝袋，通過進(jìn)料部件的皮帶輸入橫封工位；橫封器組件與前折膜機(jī)構(gòu)、后折膜機(jī)構(gòu)協(xié)同動(dòng)作，完成包裝袋中縫的橫封封口與切斷，輸出包裝成品[11]。

圖7 旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封器總成Figure 7 Rotary reciprocating horizontal sealing parts

為避免較厚包裝袋封口過程的干涉問題，設(shè)計(jì)了進(jìn)料部件和成品輸出部件的隨動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖8所示。進(jìn)料部件進(jìn)料皮帶的主動(dòng)帶輪F1和從動(dòng)帶輪F4固定在基座上，帶輪F2和F3安裝在進(jìn)料連接板上，進(jìn)料凸輪也安裝在進(jìn)料連接板上。安裝在下熱封器上的桿端軸承按溝槽凸輪的輪廓軌跡運(yùn)動(dòng)，驅(qū)使帶輪F2和F3作相應(yīng)的平動(dòng)動(dòng)作；在保證進(jìn)料皮帶長度不變的情況下，使得包裝袋及內(nèi)含包裝物與橫封機(jī)構(gòu)保持適當(dāng)空間，實(shí)現(xiàn)包裝袋橫封的穩(wěn)定封接。成品輸出部件同理設(shè)計(jì)，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。相比于常規(guī)橫封器，新型橫封器的上、下封頭采用平行熱封板、實(shí)現(xiàn)板式面接觸的熱封，具有封合質(zhì)量好、封口速度快和封合厚度較厚的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、制造成本較高。

圖8 橫封部件機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型Figure 8 Simplified mechanism model of horizontal sealing parts

4.2 橫封器組件

橫封器組件是橫封部件的重要組成部分，主要由上熱封器、下熱封器、直線導(dǎo)軌、齒輪組和端封基座等組成，如圖9所示。

1—前折膜凸輪；2—導(dǎo)軌；3—封口器；4—切斷氣缸；5—上刀體；6—回轉(zhuǎn)腕；7—封口溝槽凸輪；8—后折膜凸輪；9—下刀體；10—端封座；11—輸入同步帶輪；12—齒輪組；13—檢測(cè)擋片；14—機(jī)械鎖。圖9 橫封器組件Figure 9 Model of horizontal sealing components

圖9中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸入端同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同步帶輪順序地通過齒輪組驅(qū)動(dòng)上、下回轉(zhuǎn)腕作等速旋轉(zhuǎn)；安裝在上、下刀體上的桿端軸承，分別跟隨上、下封口溝槽凸輪運(yùn)動(dòng)；上、下封口器分別安裝在上、下刀體上，由于直線導(dǎo)軌的限制，當(dāng)回轉(zhuǎn)腕旋轉(zhuǎn)時(shí)，上、下刀體只能沿溝槽凸輪的輪廓軌跡做復(fù)合往復(fù)平動(dòng)，帶動(dòng)上、下封口器也作相應(yīng)的復(fù)合往復(fù)平動(dòng)，實(shí)現(xiàn)包裝袋端縫的熱封接與切斷。

為提高橫封機(jī)構(gòu)的剛度、封接速度和運(yùn)動(dòng)同步性，橫封器組件采用對(duì)稱布置的形式，在兩側(cè)端封座上安裝同配置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，將包裝袋切斷裝置與橫封器進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。切斷裝置采用氣缸驅(qū)動(dòng)，安裝在上熱封器上，隨上熱封器一起平動(dòng)。當(dāng)上熱封器往復(fù)移動(dòng)到相應(yīng)位置時(shí)，切斷氣缸動(dòng)作，帶動(dòng)上熱封器內(nèi)的切刀動(dòng)作，將已橫封的包裝袋端縫切斷。為消除傳動(dòng)間隙、提高傳動(dòng)精度，傳動(dòng)齒輪組采取雙齒輪結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械鎖調(diào)整齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)間隙，提高橫封器的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和兩側(cè)齒輪傳動(dòng)的同步性。

4.3 包裝袋折膜機(jī)構(gòu)

枕式包裝袋較厚，必須先折膜再封口。包裝袋折膜機(jī)構(gòu)如圖10所示，包括前折膜機(jī)構(gòu)、后折摸機(jī)構(gòu)兩部分。下刀體作復(fù)合往復(fù)移動(dòng)的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)折膜板跟隨下熱封器及包裝袋作往復(fù)平動(dòng)。同時(shí)，折膜凸輪旋轉(zhuǎn)，通過軸承、折膜連桿機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)折膜動(dòng)平臺(tái)沿橫向?qū)к壸魍鶑?fù)的折膜動(dòng)作。前后折膜機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)包裝膜橫封之前的折膜動(dòng)作。

1—折膜凸輪；2—端封座；3—下刀體；4—橫向?qū)к墸?—出料凸輪；6—折膜動(dòng)平臺(tái)；7—折膜板；8—輸出皮帶；9—輸出導(dǎo)軌；10—折膜連桿機(jī)構(gòu)；11—齒輪組。圖10 單端包裝袋折膜機(jī)構(gòu)Figure 10 Folding film mechanism of horizontal sealing component

4.4 橫封工藝階段設(shè)計(jì)

對(duì)較厚枕式包裝袋的橫向封口，必須使包裝袋與橫封機(jī)構(gòu)在封口的過程中保持適當(dāng)距離，以保證包裝袋端封的穩(wěn)定封接和包裝成品的快速脫離。根據(jù)封口動(dòng)作和封口工藝要求，可將橫封工藝分成3個(gè)階段，如圖11所示。圖中僅繪制下半部分橫封機(jī)構(gòu)，點(diǎn)A，B和C對(duì)應(yīng)溝槽凸輪的3個(gè)位置。

圖11 枕式包裝橫封工藝階段Figure 11 Horizontal sealing process stage

1)第1階段(從A到B)。上、下熱封器做旋轉(zhuǎn)往復(fù)式平動(dòng)，上、下熱封器在A點(diǎn)開始和包裝膜接觸，包裝膜包裹在上、下熱封器的外表面，跟隨熱封器運(yùn)動(dòng)，直至上、下熱封器運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn)位置時(shí)開始接觸。

2)第2階段(從B到C)。上、下熱封器夾持著包裝膜繼續(xù)平動(dòng)，完成包裝袋的熱封接與切斷。

3)第3階段(從C到A)。上、下熱封器運(yùn)動(dòng)至C點(diǎn)位置時(shí)脫離接觸，繼續(xù)回轉(zhuǎn)到A點(diǎn)。在此過程中，輸出皮帶帶著包裝成品快速脫離，同時(shí)，牽引包裝膜筒及內(nèi)包裝物繼續(xù)前行，直至下一個(gè)包裝物移動(dòng)到橫封工位。

4.5 橫封機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

基于橫封工藝原理，建立端封機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模型如圖12所示。上、下熱封器采用對(duì)稱運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，為分析簡(jiǎn)便，僅繪制下熱封器的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖12中：O為回轉(zhuǎn)腕曲柄的回轉(zhuǎn)中心；P為滾子軸承的中心，滾子軸承沿溝槽凸輪的輪廓曲線運(yùn)動(dòng)；D,E為下熱封器封口面的2個(gè)角點(diǎn)；G，H為內(nèi)包裝物的下角點(diǎn)；M為封橫進(jìn)料凸輪內(nèi)的滾子軸承中心；N為成品出料凸輪內(nèi)的滾子軸承中心。

圖12 橫封機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析原理圖Figure 12 Horizontal sealing mechanism motion schematic diagram

滾子軸承的回轉(zhuǎn)中心、滾子軸承與溝槽凸輪內(nèi)輪廓接觸點(diǎn)、曲柄回轉(zhuǎn)中心為三角關(guān)系，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)模型，此處忽略滾子軸承的半徑對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的影響?；跈M封機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模型，有：

VP=ωR。

(1)

式中：VP為滾子軸承的瞬時(shí)速度；R為凸輪輪廓的瞬時(shí)半徑，與凸輪輪廓的位置有關(guān)，R=f(θ)；θ為回轉(zhuǎn)腕曲柄的旋轉(zhuǎn)角度，對(duì)下熱封器順時(shí)針為正向旋轉(zhuǎn)方向。

橫封器拉膜的過程中，包裝膜與熱封器的封口表面不能有相對(duì)滑動(dòng)，且有：

VG=VF-V1;

(2)

VH=VB-V2。

(3)

式中：VG為包裝膜及內(nèi)包裝物的進(jìn)料速度；VH為單端封口包裝袋的回推速度；VF為進(jìn)料皮帶速度；VB為成品輸出皮帶速度；V1為進(jìn)料皮帶移動(dòng)帶輪F2的移動(dòng)速度；V2為成品輸出皮帶的移動(dòng)帶輪B2的移動(dòng)速度。

因?yàn)榘b膜與熱封器無相對(duì)移動(dòng)，則有：

(4)

(5)

式中：VD為成品輸出皮帶速度；φ為熱封器拉膜過程中進(jìn)料包裝膜與水平面的夾角，與封合位置有關(guān)；Ψ為熱封器拉膜過程中出料包裝膜與水平面的夾角，與封合位置有關(guān)。

V1=VPcos (α+θ)sinα;

(6)

V2=VPcos (β+θ)sinβ。

(7)

式中：α為進(jìn)料溝槽凸輪的輪廓曲線角度，與滾子軸承中心位置有關(guān)；β為成品輸出溝槽凸輪的輪廓曲線角度，與滾子軸承中心位置有關(guān)。

5 封口執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作循環(huán)圖

枕式包裝機(jī)需通過多凸輪、連桿機(jī)構(gòu)的協(xié)同動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)枕式包裝袋的進(jìn)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(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)封口部件執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)圖[12]如圖13所示。

圖13 橫封器執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作循環(huán)圖Figure 13 Working cycle diagram of horizontal sealing mechanism

主動(dòng)電機(jī)通過同步帶和齒輪傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)包裝袋的拉膜、整理輸送與縱封機(jī)構(gòu)做連續(xù)等速轉(zhuǎn)動(dòng)；橫封機(jī)構(gòu)通過溝槽凸輪和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)上、下熱封器的旋轉(zhuǎn)往復(fù)平動(dòng)封口動(dòng)作；通過PLC控制切斷氣缸動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)包裝袋端縫的實(shí)時(shí)切斷；通過進(jìn)料溝槽凸輪、輸出溝槽凸輪，實(shí)現(xiàn)進(jìn)料、輸出皮帶機(jī)構(gòu)的往復(fù)移動(dòng)；通過前、后折膜凸輪及折膜連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)包裝袋的前、后折膜動(dòng)作?；诜饪趫?zhí)行機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)圖，可指導(dǎo)溝槽凸輪等機(jī)械控制元件的設(shè)計(jì)，也為整機(jī)的PLC控制提供技術(shù)支持。

6 結(jié)語

課題組根據(jù)行業(yè)內(nèi)對(duì)較厚塊狀物品的枕式包裝需求，基于常規(guī)枕式包裝機(jī)封口部件的分析，設(shè)計(jì)了較厚塊狀物品的包裝工藝；基于凸輪與PLC的協(xié)同控制理念，建立了旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封器與縱封器，以及多機(jī)構(gòu)協(xié)同控制的工作循環(huán)圖。課題組研發(fā)的新型封口部件已在企業(yè)的枕式包裝機(jī)上應(yīng)用，相比于常規(guī)封口部件，具有適用包裝尺寸大、封合質(zhì)量好及封口速度快等優(yōu)點(diǎn)。后續(xù)還需優(yōu)化各凸輪的輪廓曲線與PLC協(xié)同控制程序，提高枕式包裝機(jī)的包裝速度與可靠性。