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0引言

食品包裝機(jī)械行業(yè)作為食品行業(yè)和設(shè)備制造行業(yè)的交叉行業(yè)，在我國(guó)起步于80年代，經(jīng)過(guò)30
多年的發(fā)展，尤其是近10年，在自動(dòng)化新技術(shù)層出不窮、勞動(dòng)力成本逐漸攀升的背景下，得到了快速的發(fā)展，使得食品企業(yè)在包裝工藝階段的生產(chǎn)模式發(fā)生顯著的改變，從半自動(dòng)化，向全自動(dòng)化、成套化、智能化以及柔性化的方向發(fā)展。但是在具體工程實(shí)施中，依然面臨著各種問(wèn)題，主要表現(xiàn)為：?jiǎn)螚l包裝線對(duì)包裝產(chǎn)能要求越來(lái)大；包裝線能夠適應(yīng)品相繁多、換產(chǎn)頻繁的工況；包裝線日益嚴(yán)格的潔凈設(shè)計(jì)要求：設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、與食品相接觸的材料，要能確保輸出的產(chǎn)品在整個(gè)包裝工藝段不能被設(shè)備或設(shè)備附帶的材料（如潤(rùn)滑油）污染；設(shè)備能夠在一定程度上經(jīng)受食品對(duì)機(jī)器造成的污染；較高設(shè)備單體穩(wěn)定性和一定的整線系統(tǒng)魯棒性。包材質(zhì)量不穩(wěn)定和被包裝產(chǎn)品本身性狀不穩(wěn)定，對(duì)產(chǎn)品輸出造成的不可預(yù)計(jì)影響；食品的產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短，帶來(lái)越來(lái)越苛刻的設(shè)備投資回報(bào)率要求，設(shè)計(jì)制造成本壓力越來(lái)越大。因此為解決上述問(wèn)題，本文針對(duì)巧克力涂層米棒自動(dòng)化包裝問(wèn)題重點(diǎn)闡述其布局設(shè)計(jì)，其目的是為提供行業(yè)內(nèi)的包裝自動(dòng)化水平提出一定的技術(shù)借鑒［1］。

1巧克力涂層米棒自動(dòng)化包裝線布局設(shè)計(jì)

1.1產(chǎn)品特性
米棒為切割成形，尺寸比較穩(wěn)定；隨后的涂敷是否均勻、巧克力涂敷量是否恰當(dāng)，會(huì)影響產(chǎn)品的外形尺寸均一性；冷卻是否迅速，則決定涂層產(chǎn)品底面最后是否存在一圈“大象腳”。這些會(huì)影響包裝袋的外形尺寸以及在產(chǎn)品傳送過(guò)程中，巧克力碎屑是否會(huì)大量產(chǎn)生。
考慮該食品廠選擇的上游巧克力涂敷線以及冷卻隧道品牌和投資金額，結(jié)合以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，初步認(rèn)為該預(yù)計(jì)產(chǎn)品尺寸和公差是可信的。方案設(shè)計(jì)可以以該尺寸為依據(jù)。
1.2約束條件
包裝線上游工藝為產(chǎn)品冷卻。產(chǎn)品從冷卻隧道通過(guò)傳送帶輸出。輸出方式為整列，產(chǎn)品短邊朝前。兩種產(chǎn)品，一種尺寸預(yù)計(jì)L為（45±1）mm，W為（15±1）mm，H為（10±1）mm，從冷卻隧道輸出產(chǎn)品速度為40個(gè)/排、15排/min；另一種尺寸預(yù)計(jì)為L(zhǎng)：（90±1）mm，W：（15±1）mm，H：（10±1）mm，從冷卻隧道輸出產(chǎn)品速度為40個(gè)/排、30排
/min；產(chǎn)品排寬度1m。
自動(dòng)包裝線范圍從冷卻隧道到輸出裝盒產(chǎn)品，主要工藝包括：一次理料，一次枕式袋包裝，二次理料，袋包產(chǎn)品裝盒，輸出裝滿(mǎn)袋裝產(chǎn)品的紙盒。
整個(gè)包裝線需要配套必要的質(zhì)量控制工位，如：不合格產(chǎn)品的剔除（包括在上游設(shè)備可能產(chǎn)生的和在包裝線上可能產(chǎn)生的不合格產(chǎn)品），金屬檢測(cè)等。小范圍故障的影響能限制在一定范圍內(nèi)，包裝線能繼續(xù)以一定的產(chǎn)能繼續(xù)包裝生產(chǎn)，避免整線停滯。
1.3自動(dòng)包裝線布局設(shè)計(jì)
在進(jìn)行自動(dòng)包裝線布局設(shè)計(jì)時(shí)需要研究生產(chǎn)線速度匹配、生產(chǎn)線緩存配置和剔除工位配置，下面重點(diǎn)闡述三個(gè)要素的設(shè)計(jì)思路。
1.3.1生產(chǎn)線速度匹配設(shè)計(jì)
生產(chǎn)線速度匹配的基本原理是：在一段時(shí)間內(nèi)，上游工藝設(shè)備的產(chǎn)品輸出速度等于下游工藝設(shè)備的產(chǎn)品接收速度。現(xiàn)在設(shè)計(jì)計(jì)算下游包裝線的配套產(chǎn)線速度［2］。產(chǎn)品品相為兩種，截面積相同。產(chǎn)出速度為2：1，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)短比為1：2。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，包裝袋長(zhǎng)度（切長(zhǎng)）約為：
LOF長(zhǎng)=產(chǎn)品長(zhǎng)度+產(chǎn)品高度×1.25+端封長(zhǎng)度=91+11×1.25+25≈130mm
LOF短=產(chǎn)品長(zhǎng)度+產(chǎn)品高度×1.25+端封長(zhǎng)度=46+11×1.25+25≈85mm
由此知道，在配套相同包裝機(jī)數(shù)量的情況下，膜速極限發(fā)生在包裝小產(chǎn)品的工況下?？紤]到產(chǎn)品在傳送帶上傳送時(shí)，產(chǎn)品之間會(huì)存在間距，在產(chǎn)品之間間隙相同的情況下，假設(shè)均為L(zhǎng)，傳送長(zhǎng)產(chǎn)品時(shí)的傳送帶速度V長(zhǎng)（產(chǎn)品傳送數(shù)量600包/min）和傳送短產(chǎn)品時(shí)候的傳送帶速度V短（產(chǎn)品傳送數(shù)量1200包/min）分別為：
V長(zhǎng)=［（91+L）×600］mm/min
V短=（46+L）×1200=［（92+2L）×600］mm/min
所以傳送帶的極限傳送速度也是發(fā)生在傳送小產(chǎn)品的情況下。因此傳送帶需要達(dá)到的極限速度和一次包裝的極限包裝速度都是以小產(chǎn)品尺寸為計(jì)算依據(jù)，一次包裝最大速度Q1max=1200包/min。
根據(jù)廠房空間和包裝機(jī)尺寸，估算能夠容納的包裝機(jī)數(shù)量和產(chǎn)品分配系統(tǒng)的布局。在廠房空間充裕的情況下，可以通過(guò)增加包裝機(jī)的數(shù)量來(lái)達(dá)到匹配上游設(shè)備的產(chǎn)品產(chǎn)出數(shù)量。在空間有限的情況下，只能配套較少數(shù)量的包裝機(jī)，需要考慮單機(jī)的包裝速度能否達(dá)到產(chǎn)量要求。雖然包裝機(jī)本身可以實(shí)現(xiàn)高速的包裝動(dòng)作，但是結(jié)合包材的因素，過(guò)快的包裝速度意味著更短的封合時(shí)間，為了達(dá)到封合效果必然會(huì)增加封合壓力和封合溫度，會(huì)造成封合端褶皺、漏氣或是端封被壓破等情況。因此需要合理地安排平衡場(chǎng)地、包裝機(jī)包裝速度、包裝質(zhì)量以及包材投入四個(gè)因素。
在本項(xiàng)目中，考慮必要的走道寬度，包材運(yùn)送通道，電柜門(mén)打開(kāi)需要的預(yù)留空間以及潛在維修位置的空間，初步判斷只能擺放下兩臺(tái)包裝機(jī)以及一套分配兩路的產(chǎn)品分配系統(tǒng)。確定只能使用兩臺(tái)包裝機(jī)情況下，單條包裝支線傳送數(shù)量需要達(dá)到600包/min，接下來(lái)驗(yàn)證該速度下，一次包裝線工況是否在其他邊界條件內(nèi)。
（1）需要最大膜速應(yīng)為：0.085m×600包/min=51m·包/min＜包裝機(jī)的可用熱封極限膜速100m/min（BVK系列包裝機(jī)）。
（2）包裝機(jī)上游傳送袋的線速度：0.085m×（1+）×（1200包/min/2）=76.5m·包/min＜窄傳送帶可用最大線速度120m/min（經(jīng)驗(yàn)值：產(chǎn)品進(jìn)入包裝機(jī)前的產(chǎn)品間距需要拉到0.5倍產(chǎn)品長(zhǎng)度）。
（3）包裝速度為600包/min＜=包裝機(jī)理論可用最大包裝速度800包/min（BVK系列包裝機(jī)）。
（4）包裝機(jī)輸出傳送帶的線速度：0.085m×1.5×600包/min=76.5m·包/min＜窄傳送帶可用最大線速度120m/min。
（5）小產(chǎn)品從上游烤爐輸出排次較多，如采用兩包裝支線，采用兩段下沉式傳送帶把產(chǎn)品分配到兩路包裝支線，下沉式傳送帶動(dòng)作頻次為30次/min/2=15次/min＜下沉式傳送帶可用最大動(dòng)作頻次25次/min。
（6）交叉式傳送帶把下沉式傳送帶送來(lái)的產(chǎn)品送出（考慮產(chǎn)品排寬1000mm，設(shè)計(jì)主傳送帶寬度1200mm），交叉式皮理論上有4s（60s/15次）的時(shí)間把產(chǎn)品送出，考慮一定的余量［3］，要求2s內(nèi)把產(chǎn)品送出，那么交叉式傳送帶所需達(dá)到的速度為：1200mm/2s=36m/min＜窄傳送帶可用最大線速度120m/min.
1.3.2生產(chǎn)線緩存配置
根據(jù)上述計(jì)算，驗(yàn)證了一次包裝方案可以滿(mǎn)足單支線600包/min，整線1200包/min的理料和包裝速度。但在實(shí)際生產(chǎn)中，存在各種因素導(dǎo)致某個(gè)短時(shí)段（幾秒～幾分鐘）內(nèi)出現(xiàn)以下情況：
（1）上游來(lái)料可能不足1200包/min，然而包裝線卻在1200包/min下工作，導(dǎo)致包裝機(jī)產(chǎn)出空包。
（2）上游來(lái)料1200包/min，然而包裝線短時(shí)部分或者完全停止包裝，從而造成產(chǎn)品在包裝線上某個(gè)地方堆積溢出。
雖然理論上可以使包裝機(jī)的速度去跟隨上游來(lái)料速度，但是實(shí)踐上往往不可行。因?yàn)闊岱獾幕驹硎强刂品忏Q的溫度、壓力和封合時(shí)間三個(gè)要素，用包材將產(chǎn)品封合。所以對(duì)于上述問(wèn)題，如使包裝機(jī)的速度去跟隨上游來(lái)料速度，那么當(dāng)包裝機(jī)速度變動(dòng)時(shí)，原本合適的溫度、壓力和封合時(shí)間是可以產(chǎn)生合格的封合效果，在突然改變速度的情況下，溫度無(wú)法瞬時(shí)改變，壓力由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的固定也無(wú)法改變，只有封合時(shí)間在包裝速度的改變時(shí)可以改變。結(jié)果導(dǎo)致封合結(jié)果的三個(gè)因素里，兩個(gè)因素未變化而只有一個(gè)因素發(fā)生了變化，那么這必然使封合質(zhì)量受到影響。
作為用于包裝的設(shè)備，其工藝目的是包裝本身。來(lái)料不穩(wěn)，應(yīng)考慮用其他手段去彌補(bǔ)，而不是用包裝設(shè)備去解決來(lái)料不穩(wěn)的問(wèn)題。為了保證包裝質(zhì)量的穩(wěn)定，包裝機(jī)理應(yīng)工作在恒定包裝工況下而不是頻繁變速。
針對(duì)這個(gè)上下游產(chǎn)線的生產(chǎn)速度短時(shí)不匹配的問(wèn)題，目前比較成熟的方案就是在流水線中設(shè)置緩存，來(lái)吸收短時(shí)間內(nèi)上下游的速度不匹配?？紤]投資成本的最小化，采用緩存?zhèn)魉蛶?，可以緩?～2min的產(chǎn)品。在（1）情況下，可以用緩存?zhèn)魉蛶Ю锏漠a(chǎn)品補(bǔ)足1200包/min，在（2）情況下則可以把多余溢出的產(chǎn)品送到緩存?zhèn)魉蛶?。如果投資預(yù)算充足，可以根據(jù)產(chǎn)品流向和布局采用先進(jìn)先出或者是后進(jìn)先出類(lèi)型的緩存塔，緩存塔可以存儲(chǔ)更多的產(chǎn)品，也就是能吸收更大的產(chǎn)品不穩(wěn)定波動(dòng)，極大地提高了流水線的穩(wěn)定性和魯棒性［4］。
同時(shí)，將緩存功能結(jié)合故障控制設(shè)計(jì)，對(duì)于該兩分支包裝線，在程序中設(shè)置的故障處理邏輯為當(dāng)一個(gè)分支包裝線發(fā)生故障，繼續(xù)向未發(fā)生故障的包裝支線輸送產(chǎn)品，多余未能包裝的產(chǎn)品送入緩存?zhèn)魉蛶?。?dāng)主傳送帶發(fā)生故障，而兩包裝直線正常時(shí)，由緩存?zhèn)魉蛶л斔彤a(chǎn)品到兩包支線進(jìn)行包裝。
1.3.3剔除工位配置
在包裝線的合理位置配置不合格產(chǎn)品的檢測(cè)和剔除機(jī)構(gòu)。不合格的產(chǎn)品，可以是產(chǎn)品質(zhì)量本身不合格，比如有殘缺；也可能是產(chǎn)品在傳送過(guò)程中的位置或朝向不正確，會(huì)造成生產(chǎn)線卡停的風(fēng)險(xiǎn)。剔除功能一方面可以提高包裝線的穩(wěn)定性，另一方面可以提高輸出產(chǎn)品的合格率。
在本項(xiàng)目中，考慮需要做的檢測(cè)和剔除功能有：
（1）對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行金屬檢測(cè)，檢測(cè)出金屬則觸發(fā)剔除動(dòng)作。
（2）對(duì)進(jìn)入包裝機(jī)進(jìn)料機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品朝向進(jìn)行整理，如果在產(chǎn)品導(dǎo)向后，產(chǎn)品的朝向和預(yù)設(shè)朝向還是存在較大差異、產(chǎn)品并排或產(chǎn)品有堆疊，則需要剔除這些產(chǎn)品。
（3）主動(dòng)剔除：當(dāng)有產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)需求，需要從包裝流水線上抽檢產(chǎn)品、或者因?yàn)楹罄m(xù)工藝停機(jī)而前端工藝未停機(jī)情況下，產(chǎn)品需要有出口而不是堆積在包裝線上，需要有主動(dòng)剔除機(jī)構(gòu)或?qū)?/span>向機(jī)構(gòu)把產(chǎn)品導(dǎo)出包裝生產(chǎn)線，避免產(chǎn)品堆積在包裝線上。
（4）由于前端剔除產(chǎn)品，而在包裝機(jī)某個(gè)鏈接產(chǎn)生空位，或是短時(shí)間產(chǎn)品沒(méi)有送到包裝機(jī)而包裝機(jī)依然在運(yùn)行，最后會(huì)在包裝機(jī)輸出空包，因此須要配置空包剔除，避免空包流向后道包裝工序。
（5）由于包裝膜換卷產(chǎn)生的自動(dòng)接膜包，須要在包裝機(jī)出口剔除。
（6）包裝膜自身的工藝性接頭，須要在包裝機(jī)出口剔除。
（7）短暫停機(jī)后，由于在長(zhǎng)封處停留的包膜可能已經(jīng)燙壞，須要在包裝機(jī)出口剔除這種燙壞的包裝袋。

2生產(chǎn)線實(shí)施

整個(gè)自動(dòng)化包裝線布局設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1包裝生產(chǎn)線布局簡(jiǎn)圖
首先布置進(jìn)料傳送帶組A：在這里把每行產(chǎn)品排列整齊，然后通過(guò)行間距拉伸傳送帶把每行產(chǎn)品之間的間距拉開(kāi)，接著在傳送帶A末端的下擺傳送帶，把產(chǎn)品送入交叉式傳送帶B-1和B-2。
其次是交叉式傳送帶B-1和B-2把產(chǎn)品分別送到兩道包裝支線；在轉(zhuǎn)向傳送帶C-1和C-2對(duì)產(chǎn)品做90°轉(zhuǎn)向后，把產(chǎn)品的朝向?qū)虺僧a(chǎn)品短邊朝前，在經(jīng)光眼驗(yàn)證朝向和產(chǎn)品尺寸后，把合格的產(chǎn)品送入產(chǎn)品間距匹配傳送帶組D-1和D-2，而如果光眼檢測(cè)出朝向不符合要求或是產(chǎn)品尺寸不合格，則觸發(fā)檢測(cè)光眼后面的空氣吹嘴動(dòng)作，把產(chǎn)品剔除出包裝線并同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)產(chǎn)品的空位。之后的D-1和D-2為三段式傳送帶組，功能是小范圍消除每個(gè)產(chǎn)品之間的間距差（間距差小于兩個(gè)個(gè)產(chǎn)品的尺寸），把產(chǎn)品整列成等間距的產(chǎn)品流，送入包裝機(jī)。

最后在包裝機(jī)把產(chǎn)品包裝好后，送入二次裝盒工序。
另外，為應(yīng)對(duì)上游設(shè)備的產(chǎn)品供料少于包裝機(jī)用料、或是某包裝支線短時(shí)停機(jī)導(dǎo)致上游產(chǎn)品供料多于包裝機(jī)吃料的情況，在E處配置了緩存?zhèn)魉蛶А＞唧w功能為：在上游設(shè)備沒(méi)有傳送來(lái)產(chǎn)品的時(shí)，由此處緩存?zhèn)魉蛶О咽孪染彺婧玫漠a(chǎn)品供給包裝線，以達(dá)到上游設(shè)備的短時(shí)停機(jī)不會(huì)導(dǎo)致包裝線停機(jī)的目的；而當(dāng)包裝線出現(xiàn)小故障停機(jī)后，進(jìn)料傳送帶組A把產(chǎn)品送入緩存?zhèn)魉蛶而不送入交叉?zhèn)魉推-1或B-2，當(dāng)包裝線恢復(fù)運(yùn)行后，傳送帶組A再把產(chǎn)品輸送切換回B-1和B-2，同時(shí)略微提升包裝線的速度，使得包裝線吃料略大于上游設(shè)備供料，以便消耗緩存?zhèn)魉蛶1里的產(chǎn)品，慢慢清空緩存［5-7］。
3結(jié)束語(yǔ)

巧克力涂層米棒包裝線項(xiàng)目交付投產(chǎn)后，實(shí)現(xiàn)了在較小的場(chǎng)地內(nèi)、僅由兩個(gè)操作人員就可完成整個(gè)一次理料和包裝工藝并達(dá)到每小時(shí)7.2萬(wàn)
包的產(chǎn)品包裝任務(wù)；對(duì)比4-5臺(tái)包裝機(jī)的人工喂
料的半自動(dòng)化方案；每個(gè)班次節(jié)省10個(gè)人次，場(chǎng)地節(jié)省約20～30%；設(shè)備投資回報(bào)率達(dá)到2.5年以?xún)?nèi)。通過(guò)該自動(dòng)化項(xiàng)目，企業(yè)節(jié)省了生產(chǎn)成本并提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

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