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據(jù)不完全統(tǒng)計(jì): 2013 年我國(guó)食品和包裝機(jī)械行業(yè)完成工業(yè)總產(chǎn)值 2  920 億元,  同比增長(zhǎng) 16． 80%,超過(guò)全國(guó)機(jī)械工業(yè)當(dāng)年增長(zhǎng)率[1] 。 這些年來(lái), 隨著中國(guó)國(guó)際化步伐的逐漸加快, 食品包裝機(jī)械以每年18%的速度遞增, 且已經(jīng)出現(xiàn)了一批接近和達(dá)到國(guó)際水平的高端產(chǎn)品[2] 。 但諸如企業(yè)規(guī)模較小、 產(chǎn)品層次低和可靠性差、 進(jìn)口依賴嚴(yán)重、 開(kāi)發(fā)能力低下、 研發(fā)投入不足、 專業(yè)技術(shù)人才缺乏等問(wèn)題也使國(guó)內(nèi)包裝機(jī)械產(chǎn)品飽受詬病[3] 。 目前, 國(guó)內(nèi) “ 制袋-充填-封口” 包裝機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)型以單列、 三邊封袋型為主[4] 。 小袋包裝在醫(yī)藥和食品行業(yè)應(yīng)用廣泛, 其包裝內(nèi)容物不乏粉末狀、 顆粒狀物料。 而國(guó)內(nèi)大多數(shù)小顆粒物料包裝機(jī)大多為單列式, 包裝速度一般在 20 ~ 80 袋/ min 之間, 這無(wú)疑是不能適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、 無(wú)法滿足市場(chǎng)的需求的, 因此研究高速小袋包裝技術(shù)是市場(chǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)[5] 。

隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步, 現(xiàn)代包裝技術(shù)日益向著高速、 高度機(jī)械化、 自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展[6] 。 在不斷優(yōu)化包裝機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí), 還要提高效率。 另外, 我國(guó)食品行業(yè)中小規(guī)模企業(yè)占據(jù)相當(dāng)?shù)谋壤? 因此包裝機(jī)械也要具備一定的性價(jià)比。 氣壓傳動(dòng)的工作介質(zhì)為空氣, 安全、 無(wú)污染、 成本低, 并且相對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)構(gòu)造簡(jiǎn)單, 動(dòng)作迅速反應(yīng)快[7] 。 PLC 由于具有極高的抗干擾能力和可靠性, 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用三菱PLC 控制氣壓元器件, 通過(guò)觸摸屏設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

1. 高速小袋包裝機(jī)總體設(shè)計(jì)及工作原理

該種高速包裝機(jī), 集聚料定量、 包裝成型、 物料填充、 包裝封口等各項(xiàng)功能于一體, 其工作過(guò)程如下: 包裝紙通過(guò)引導(dǎo)輪被送到包裝袋成型器處, 成型后的包裝袋通過(guò)縱封加熱輪完成熱封合, 并在縱封牽引輪的牽引下到達(dá)橫封處, 橫封機(jī)構(gòu)吸合將包裝袋下口封合。 此時(shí)物料經(jīng)由輸送管道進(jìn)入包裝袋中, 緊接著通過(guò)分離吹氣口, 壓縮空氣再次進(jìn)入管道, 將輸送管道中殘留物料分離, 橫封機(jī)構(gòu)再次吸合完成包裝袋上部封合。 包裝機(jī)橫封機(jī)構(gòu)采用 U 形封口, 吸合一次可同時(shí)完成當(dāng)前次包裝袋上口的封合和下一包裝袋下口的封合。 完成包裝后, 切刀將包裝袋切離, 落下的包裝袋經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪落入傳送帶中。

在高速小袋包裝機(jī)設(shè)計(jì)時(shí), 供料部分特別采用氣動(dòng)供料。 待包裝物料裝入盛料盤(pán)中以后, 在盛料盤(pán)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中, 物料會(huì)落入固定在其內(nèi)的多個(gè)容積式盛料器內(nèi)。 當(dāng)每個(gè)容積式盛料器所在的通孔與其下方的旋轉(zhuǎn)盤(pán)中的連接氣道轉(zhuǎn)到送料氣道正下方時(shí), 壓縮空氣便將物料吹入輸送管道。 盛料盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周, 可實(shí)現(xiàn)多次吹氣供料, 從而實(shí)現(xiàn)高速供料, 繼而確保高速包裝的進(jìn)行。  在確保每袋包裝物料質(zhì)量為 0． 5  g 的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)包裝速度可達(dá) 240 袋/ min。

2.高速包裝機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2． 1 氣動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)主要包括 4 個(gè)氣缸以及 6 個(gè)電磁閥。 其中氣缸作用如下: 縱封氣缸的主要作用是推動(dòng)縱封沿縱封移動(dòng)槽進(jìn)行水平移動(dòng), 在縱封到達(dá)指定位置后提供恒定的氣壓, 保證縱封保持在指定位置, 從而進(jìn)行包裝紙的縱封處理; 縱封牽引輪氣缸的作用是推動(dòng)后側(cè)的縱封牽引輪向前側(cè)牽引輪靠近, 使?fàn)恳喛焖俚竭_(dá)并保持在指定位置; 橫封氣缸的主要作用是推動(dòng)橫封, 減小橫封的水平行程, 減少工作用時(shí); 切刀氣缸的主要作用是快速推動(dòng)切刀, 確保將包裝完畢的包裝袋高速切割分離。在設(shè)計(jì)高速包裝機(jī)時(shí), 縱封、 縱封牽引輪和橫封在氣壓減小后會(huì)自動(dòng)后移, 切刀附有彈簧, 在完成前進(jìn)切割工作后, 彈簧會(huì)拉動(dòng)切刀自動(dòng)后移。 于是各氣缸均采用二位五通電磁換向閥作為主控元件。 送料和分離電磁閥均采用二位二通電磁閥: 送料電磁閥的作用是當(dāng)供料部分各氣道位置匹配構(gòu)成完整氣道時(shí)開(kāi)啟, 使得壓萬(wàn)縮方空數(shù)氣據(jù)順利從進(jìn)氣口進(jìn)入, 將物料經(jīng)由送料氣道輸送到管道中; 分離電磁閥則是在當(dāng)檢測(cè)到物料沿管道經(jīng)過(guò)檢測(cè)點(diǎn)后, 分離電磁閥開(kāi)啟, 壓縮空氣從分離吹氣口進(jìn)入管道, 目的是確保物料完全進(jìn)入包裝袋包范圍內(nèi), 從而減少物料包裝誤差。

2. 2 氣動(dòng)供料部分設(shè)計(jì)

供送裝置能按照包裝工藝要求及包裝機(jī)工作節(jié)奏, 協(xié)調(diào)地將包裝物料、  包裝材料等逐步送達(dá)預(yù)定位置, 它決定整個(gè)設(shè)備的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度[8] 。 該高速包裝機(jī)通過(guò)氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速供料, 其吹氣供料部分結(jié)構(gòu)圖如圖 4 所示, 在盛料盤(pán)內(nèi)有 8 個(gè)通孔, 通孔內(nèi)固定著容積式盛料器, 容積式盛料器下部為金屬細(xì)紗網(wǎng), 使氣體能順利通過(guò)。 旋轉(zhuǎn)盤(pán)側(cè)壁設(shè)有氣道, 并且旋轉(zhuǎn)盤(pán)經(jīng)過(guò)連接件和盛料盤(pán)固定, 使得通孔10 和連接氣道 9 在垂直方向保持無(wú)間隙重合, 在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 物料盤(pán)與旋轉(zhuǎn)盤(pán)有相同的旋轉(zhuǎn)速度。 當(dāng)物料倒入盛料盤(pán)后, 盛料盤(pán)旋轉(zhuǎn), 物料落入容積式盛料器中。 當(dāng)盛料盤(pán)的通孔 10 與送料氣道 4 在垂直位置重合時(shí), 壓縮氣體從進(jìn)氣氣孔 7 進(jìn)入, 沿著路徑從連接氣道 9 到通孔 10 到送料氣道 4, 即可將固定體積的物料帶入輸送管道, 進(jìn)入包裝環(huán)節(jié)。

3.PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3. 1 系統(tǒng)硬件選型及 I / O 分配

結(jié)合高速包裝機(jī)的使用要求, 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入點(diǎn)數(shù)為 10 個(gè), 輸出點(diǎn)數(shù)為 13 個(gè)。 經(jīng)過(guò)綜合考量, 控制系統(tǒng)采用三菱PLC 并加裝溫度測(cè)量與控制模塊 FX2N-2LC,  其中自身帶有 16 路輸入點(diǎn)和 16 路輸出點(diǎn), 輸出形式為晶體管輸出[9] , 足以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

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