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包裝是各類食品、藥品等加工不可或缺的一道工序，它直接影響到產(chǎn)品的外觀繼而影響銷量。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品包裝的要求也越來(lái)越高。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)商品包裝的要求也越來(lái)越多樣化，尤其是小顆粒產(chǎn)品的包裝，傳統(tǒng)的小顆粒包裝機(jī)已不能滿足目前的需求，目前我國(guó)自主生產(chǎn)的包裝機(jī)在市場(chǎng)的占比相對(duì)較小，且穩(wěn)定性和可靠性等相對(duì)較差[1-3]。國(guó)內(nèi)小顆粒包裝機(jī)大部分為單列式包裝機(jī)，包裝速度處于20~80袋/min，這已無(wú)法滿足市場(chǎng)的需求，亟需一種高速平穩(wěn)、自動(dòng)化水平更高的小顆粒包裝機(jī)[4-5]。在分析小顆粒物料包裝工藝要求的基礎(chǔ)上，提出了一種更高效的傳動(dòng)系統(tǒng)用于小顆粒包裝機(jī)，并對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
1小顆粒包裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1包裝機(jī)整體結(jié)構(gòu)
包裝機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用立式結(jié)構(gòu)[6-8]，它主要由供料裝置、供膜裝置、成型裝置、封切裝置及控制箱等組成。被包裝物料在自身重力的作用下自上而下流動(dòng)，從料斗首先進(jìn)入計(jì)量裝置，經(jīng)過(guò)計(jì)量好的物料會(huì)在重力作用下進(jìn)入成型的包裝袋，然后經(jīng)過(guò)封切裝置封切后，從包裝機(jī)底部輸出成品。

其工藝流程圖如圖2所示。包裝膜在供膜電機(jī)的作用下進(jìn)入成型裝置，在成型制袋器的作用下形成筒狀，然后由縱封裝置對(duì)筒形包裝袋進(jìn)行縱向封合，同時(shí)料斗里的被包裝物料經(jīng)過(guò)計(jì)量裝置進(jìn)入筒形包裝袋，最后經(jīng)過(guò)拉膜裝置進(jìn)入橫封裝置，經(jīng)過(guò)橫向封合后切斷，形成包裝成品，最終由成品輸出裝置輸出。
1.2主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

包裝機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。它主要由電機(jī)、分配軸、凸輪、離合器、切刀等組成。拉膜凸輪、縱封凸輪及齒輪副中的小齒輪通過(guò)鍵安裝在分配軸上，分配軸由主電機(jī)通過(guò)皮帶及減速器驅(qū)動(dòng)，封切凸輪帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫封熱封板和橫封切刀的開合，從而實(shí)現(xiàn)橫封和橫切，齒輪副將動(dòng)力傳遞給供料裝置，供膜凸輪將動(dòng)力傳遞給供膜裝置，縱封電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)及加熱，實(shí)現(xiàn)包裝袋的縱封。

分配軸是包裝機(jī)的關(guān)鍵零部件，它關(guān)系到包裝機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，其不僅要滿足足夠的強(qiáng)度和剛度要求，也需要具有好的制造工藝性及便于安裝。安裝在分配軸上的凸輪齒輪等均與軸通過(guò)鍵連接，并通過(guò)軸肩、套筒、擋圈等保證其軸向位置。設(shè)計(jì)分配軸直徑為25mm，材料為45號(hào)鋼，表面處理為調(diào)質(zhì)，硬度28~32HRC。
主電機(jī)選擇JY7134三相電機(jī)，轉(zhuǎn)速為1400r/min，額定電壓為220V，功率為370W，額定轉(zhuǎn)矩為70N·m。根據(jù)包裝機(jī)50~100袋/min的生產(chǎn)能力要求，即分配軸的轉(zhuǎn)速為50~100r/min，所以減速比i=1400/（50~100）=14~28，即電機(jī)與分配軸之間應(yīng)在14~28的減速比之間無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。
2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1硬件選型
小顆粒物料包裝機(jī)的控制系統(tǒng)須滿足的主要功能有：1）滿足設(shè)備基本的啟停功能，包括手動(dòng)與自動(dòng)的切換功能；2）需具有信號(hào)檢測(cè)功能，包括對(duì)物料質(zhì)量、橫封與縱封溫度等的監(jiān)測(cè)；3）需具有縱封和橫封的溫度調(diào)節(jié)功能，保證封口質(zhì)量；4）能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)，即具有人機(jī)交互界面，并可以輸入控制參數(shù)。
由于立式小顆粒包裝機(jī)具有較多的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，且相互關(guān)聯(lián)，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)依次有序工作，且多數(shù)機(jī)構(gòu)不斷重復(fù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的要求比較高。可編程控制器（PLC）操作相對(duì)簡(jiǎn)單且具有較高的可靠性，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備[11-13]，西門子公司的PLC具有較高的可靠性和擴(kuò)展性，且具有豐富的通信指令，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口協(xié)議，不僅可以上接工控機(jī)，而且可以對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。PLC一般通過(guò)PC/PPI電纜與上位機(jī)進(jìn)行通信，PC/PPI電纜可以方便地實(shí)現(xiàn)從PLC的通信接口（RS485）到上位機(jī)的通信接口（RS232）的變換。實(shí)驗(yàn)選用德國(guó)西門子的S7-200型PLC作為立式包裝機(jī)的核心控制組件[14]。包裝機(jī)的控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

選用S7-200型CPU226為PLC的主模塊，選擇EM235為擴(kuò)展模塊，此模塊具有4個(gè)模擬輸入（AIW）口，1個(gè)模擬輸出（AQW）口，滿足包裝機(jī)工作需求，且其可以自動(dòng)完成A/D的變換。
觸摸屏選用昆侖通態(tài)的液晶顯示屏，型號(hào)為TPC7062Ti，操作者可以通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)與包裝機(jī)的人機(jī)交互，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)包裝機(jī)狀態(tài)，可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和修改，并裝有MCGS組態(tài)軟件[15]。
稱重傳感器選用日本MTO微型拉壓力稱重傳感器，型號(hào)為L(zhǎng)RS-890g，稱重范圍為0~890g，具有過(guò)載保護(hù)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。
溫度傳感器選用MINCO鉑熱電阻，其運(yùn)用模式靈敏，精度高，溫度測(cè)量范圍為0~200℃，用于縱封與橫封溫度的檢測(cè)。
2.2上位機(jī)界面設(shè)計(jì)
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）組態(tài)軟件是一種能夠快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，被常用于工業(yè)控制領(lǐng)域及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件，此系統(tǒng)軟件具有操作簡(jiǎn)便、功能性強(qiáng)、可維護(hù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可快速方便地采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理。利用MCGS組態(tài)軟件對(duì)顆粒包裝機(jī)的上位機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。
設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控的主界面如圖5所示。界面上方為手/自動(dòng)切換、啟動(dòng)、停止3個(gè)按鈕，用于模式切換或啟停；下方為各部件的運(yùn)行檢測(cè)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)各部分的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行正常時(shí)顯示燈為綠色，運(yùn)行不正?；蛘邫z測(cè)不到信號(hào)時(shí)，顯示燈為紅色。

生產(chǎn)檢測(cè)界面如圖6所示。界面上方為稱重質(zhì)量、包裝速度、橫封溫度等主要工作參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以實(shí)時(shí)顯示包裝機(jī)的主要參數(shù)的數(shù)值。界面下方為生產(chǎn)界面、重量界面、溫度界面等的切換按鈕，觸摸后可以進(jìn)入相應(yīng)的設(shè)置界面設(shè)置參數(shù)或檢控設(shè)備狀態(tài)，各個(gè)設(shè)置界面可設(shè)置質(zhì)量、封切溫度及包裝長(zhǎng)度等參數(shù)，可以為不同包裝材料或不同包裝質(zhì)量的產(chǎn)品設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
顆粒包裝機(jī)性能的主要評(píng)估指標(biāo)包括對(duì)物料的計(jì)量精度、包裝質(zhì)量以及包裝速度等，而包裝速度與包裝質(zhì)量又相互矛盾，速度太快會(huì)導(dǎo)致包裝質(zhì)量下降，要想提高質(zhì)量必定會(huì)影響包裝速度。
顆粒包裝機(jī)樣機(jī)如圖7所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，包裝機(jī)包裝500g的袋裝食鹽，在90袋/min的包裝速度下，合格率能達(dá)到99.6%，計(jì)量精度能夠達(dá)到±0.2%，且性能穩(wěn)定，滿足使用要求。

4.結(jié)論
根據(jù)小顆粒物料包裝的工藝要求，設(shè)計(jì)了一種高效的傳動(dòng)系統(tǒng)用于小顆粒包裝機(jī)，介紹了其基本結(jié)構(gòu)及工作流程，運(yùn)用PLC為其主控模塊，并對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，運(yùn)用MCGS組態(tài)軟件對(duì)包裝機(jī)的上位機(jī)界面做了設(shè)計(jì)。制作樣機(jī)并實(shí)驗(yàn)得到，此包裝機(jī)能夠達(dá)到90袋/min的包裝速度，合格率能達(dá)到99.6%，且操作方便，證明了此包裝機(jī)能夠滿足高效高自動(dòng)化的要求，滿足設(shè)計(jì)要求。

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