據不完全統計: 2013 年我國食品和包裝機械行業完成工業總產值 2  920 億元,  同比增長 16． 80%,超過全國機械工業當年增長率[1] 。 這些年來, 隨著中國國際化步伐的逐漸加快, 食品包裝機械以每年18%的速度遞增, 且已經出現了一批接近和達到國際水平的高端產品[2] 。 但諸如企業規模較小、 產品層次低和可靠性差、 進口依賴嚴重、 開發能力低下、 研發投入不足、 專業技術人才缺乏等問題也使國內包裝機械產品飽受詬病[3] 。 目前, 國內 “ 製袋-充填-封口” 包裝機械產品的機型以單列、 三邊封袋型為主[4] 。 小袋包裝在醫藥和食品行業應用廣泛, 其包裝內容物不乏粉末狀、 顆粒狀物料。 而國內大多數小顆粒物料包裝機大多為單列式, 包裝速度一般在 20 ~ 80 袋/ min 之間, 這無疑是不能適應經濟的發展、 無法滿足市場的需求的, 因此研究高速小袋包裝技術是市場發展的必然趨勢[5] 。

隨著社會的發展和技術的進步, 現代包裝技術日益向著高速、 高度機械化、 自動化和智能化的方向發展[6] 。 在不斷優化包裝機械產品質量的同時, 還要提高效率。 另外, 我國食品行業中小規模企業占據相當的比例, 因此包裝機械也要具備一定的性價比。 氣壓傳動的工作介質為空氣, 安全、 無汙染、 成本低, 並且相對於機械傳動和液壓傳動構造簡單, 動作迅速反應快[7] 。 PLC 由於具有極高的抗幹擾能力和可靠性, 被廣泛應用於工業控製的各個領域。 設計的係統采用三菱PLC 控製氣壓元器件, 通過觸摸屏設置相關參數。

1. 高速小袋包裝機總體設計及工作原理

該種高速包裝機, 集聚料定量、 包裝成型、 物料填充、 包裝封口等各項功能於一體, 其工作過程如下: 包裝紙通過引導輪被送到包裝袋成型器處, 成型後的包裝袋通過縱封加熱輪完成熱封合, 並在縱封牽引輪的牽引下到達橫封處, 橫封機構吸合將包裝袋下口封合。 此時物料經由輸送管道進入包裝袋中, 緊接著通過分離吹氣口, 壓縮空氣再次進入管道, 將輸送管道中殘留物料分離, 橫封機構再次吸合完成包裝袋上部封合。 包裝機橫封機構采用 U 形封口, 吸合一次可同時完成當前次包裝袋上口的封合和下一包裝袋下口的封合。 完成包裝後, 切刀將包裝袋切離, 落下的包裝袋經過導向輪落入傳送帶中。

在高速小袋包裝機設計時, 供料部分特別采用氣動供料。 待包裝物料裝入盛料盤中以後, 在盛料盤旋轉的過程中, 物料會落入固定在其內的多個容積式盛料器內。 當每個容積式盛料器所在的通孔與其下方的旋轉盤中的連接氣道轉到送料氣道正下方時, 壓縮空氣便將物料吹入輸送管道。 盛料盤旋轉一周, 可實現多次吹氣供料, 從而實現高速供料, 繼而確保高速包裝的進行。  在確保每袋包裝物料質量為 0． 5  g 的基礎上, 設計包裝速度可達 240 袋/ min。

2.高速包裝機氣動係統設計

2． 1 氣動係統總體設計

氣動係統主要包括 4 個氣缸以及 6 個電磁閥。 其中氣缸作用如下: 縱封氣缸的主要作用是推動縱封沿縱封移動槽進行水平移動, 在縱封到達指定位置後提供恒定的氣壓, 保證縱封保持在指定位置, 從而進行包裝紙的縱封處理; 縱封牽引輪氣缸的作用是推動後側的縱封牽引輪向前側牽引輪靠近, 使牽引輪快速到達並保持在指定位置; 橫封氣缸的主要作用是推動橫封, 減小橫封的水平行程, 減少工作用時; 切刀氣缸的主要作用是快速推動切刀, 確保將包裝完畢的包裝袋高速切割分離。在設計高速包裝機時, 縱封、 縱封牽引輪和橫封在氣壓減小後會自動後移, 切刀附有彈簧, 在完成前進切割工作後, 彈簧會拉動切刀自動後移。 於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供料部分各氣道位置匹配構成完整氣道時開啟, 使得壓萬縮方空數氣據順利從進氣口進入, 將物料經由送料氣道輸送到管道中; 分離電磁閥則是在當檢測到物料沿管道經過檢測點後, 分離電磁閥開啟, 壓縮空氣從分離吹氣口進入管道, 目的是確保物料完全進入包裝袋包範圍內, 從而減少物料包裝誤差。

2. 2 氣動供料部分設計

供送裝置能按照包裝工藝要求及包裝機工作節奏, 協調地將包裝物料、  包裝材料等逐步送達預定位置, 它決定整個設備的生產效率和自動化程度[8] 。 該高速包裝機通過氣動係統實現了高速供料, 其吹氣供料部分結構圖如圖 4 所示, 在盛料盤內有 8 個通孔, 通孔內固定著容積式盛料器, 容積式盛料器下部為金屬細紗網, 使氣體能順利通過。 旋轉盤側壁設有氣道, 並且旋轉盤經過連接件和盛料盤固定, 使得通孔10 和連接氣道 9 在垂直方向保持無間隙重合, 在轉動時, 物料盤與旋轉盤有相同的旋轉速度。 當物料倒入盛料盤後, 盛料盤旋轉, 物料落入容積式盛料器中。 當盛料盤的通孔 10 與送料氣道 4 在垂直位置重合時, 壓縮氣體從進氣氣孔 7 進入, 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, 進入包裝環節。

3.PLC 自動控製係統設計

3. 1 係統硬件選型及 I / O 分配

結合高速包裝機的使用要求, 控製係統設計輸入點數為 10 個, 輸出點數為 13 個。 經過綜合考量, 控製係統采用三菱PLC 並加裝溫度測量與控製模塊 FX2N-2LC,  其中自身帶有 16 路輸入點和 16 路輸出點, 輸出形式為晶體管輸出[9] , 足以滿足實際生產要求。

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