雙端封往復式高速枕包機結構的設計與優(yōu)化

林潘忠，楊建月，張 潔

（1.溫州職業(yè)技術學院 機械工程系，浙江 溫州 325035；2.瑞安市海創(chuàng)機械有限公司，浙江 溫州 325207）

0 引言

枕式包裝機（枕包機）主要適用于醫(yī)藥、食品、日化、化妝品、電子等行業(yè)中小型塊狀物的包裝[1]，可完成物料送料、包裝、封口等一系列動作。溫州瑞安作為中國制藥包裝機械生產和研發(fā)的集中地，有多家枕包機生產單位，發(fā)展狀況具有代表性。近年來隨著國內包裝機械研究的不斷深入，枕包機技術取得了一系列的提升，國內產品逐漸有替代國外同類產品的趨勢。不過，目前國內大部分企業(yè)枕包機的關鍵核心技術主要靠對國外相關產品進行消化吸收，機械方面做得很精巧，但控制和工藝方面有待提高，智能化程度和生產效率還普遍較低。隨著消費者對包裝質量要求的不斷提高，市場對國產枕包機的運行速度、包裝質量和效率都提出了更高的要求，提高枕式包裝機的包裝速度和精度成為技術開發(fā)的重點[2]。

在包裝速度方面，目前國外的枕包機包裝速度早已突破300包/min，而國內90%以上的外包聯(lián)動線整體速度低于240包/min，其主要原因就是枕包環(huán)節(jié)制約了整體速度。就復合膜而言，在一定熱封溫度下，薄膜從常溫開始升溫再到完全熱封為止，用時不會改變。目前單封裝切斷機構（即封切機構）對已裝有物品的包裝膜同時進行熱封、切斷，為一道工序設置，枕包機運行速度提高會造成熱封時間縮短，導致包裝封合不牢固。為保證熱封效果，只能控制設備運行速度，導致設備速度無法進一步提升，生產效率較低。在控制系統(tǒng)方面，大部分自動枕包機都采用三伺服控制系統(tǒng)[3]，部分國內枕包機采用運動控制器代替PLC控制，從而提高控制精度?？傮w來說，通過提升控制系統(tǒng)可有效提高包裝精度，但提升包裝速度有一定難度，需要在包裝機機械結構和工藝流程方面尋求突破。本文對某型號枕包機工藝流程進行優(yōu)化并進行樣機試制，重點研究雙端封往復式封切組，設備在原有端封熱封切組件前再增加了一道端封預熱封機構，對同一處薄膜進行兩次封合，以期在保證熱封效果的前提下，提高整機運行速度。

1 枕包機總體機械結構設計

枕包機是以復合膜為主要包裝材料，對食品、藥品等進行包裝的智能設備。研究的雙端封往復式高速枕包機的機械結構如圖1所示，主要由送料裝置、放膜裝置、輸送裝置、預熱封裝置和封切裝置等機構組成。

其主要包裝工藝流程為：加料——補料——送料——物料異常檢測——膜成型制袋——物料入袋——中封——一次排氣——端封預熱封——二次排氣——端封熱封切——異常品剔除——成品輸出。裝有物料的包裝膜首先經過預熱封裝置的上封刀與下封刀之間，進行第一道預先熱封處理；然后進入熱封切裝置的上封刀與下封刀之間進行第二道熱封，并由切刀進行切斷處理。通過兩次熱封切，使含有物料的包裝袋經過二次熱封，封合得更加牢固可靠，包裝效果良好，保證了包裝袋的包裝質量。

圖1 枕式包裝機機械結構

2 雙端封封切結構設計與優(yōu)化

2.1 現(xiàn)有往復式封切裝置結構分析

目前的往復式封切裝置結構如圖2所示，由端封主電機帶動刀軸帶輪轉動，進而帶動上下刀軸和上下封刀做往復式運動，包裝膜進入封切區(qū)域時，上、下封刀接觸，完成熱封和封切的動作，為了保證封切效果，上下封刀接觸后會隨著包裝膜前行一段距離，以增加熱封時間。

2.2 封切裝置結構優(yōu)化

圖2 往復式封切裝置結構

圖3 現(xiàn)有封切裝置結構

現(xiàn)有往復枕包機上的封切裝置結構如圖3 所示。往復式封切采用的是電子凸輪[4]的控制模式，由于在兩封刀接觸的50°左右的時間里，封刀處于等速區(qū)間內，即封刀運行速度與送膜速度相等，其運行速度較慢。其余310°空行程過程中，封刀處于加速狀態(tài)，運行速度快，尤其是在高速的快慢交替運行過程中，大回轉半徑導致極大的慣性，從而引起封切裝置抖動并伴隨著噪音。利用SolidWorks軟件對電子凸輪曲線建模，并通過仿真得到凸輪的運動速度和加速度曲線，如圖4所示，最大加速度達10.7 m/s2。另外，大角度的加速區(qū)間對驅動力有較大的要求，需選用大功率電機，增加成本。

針對現(xiàn)有設備高速運行時震動強、噪音大等問題，對往復式封切裝置進行優(yōu)化設計，改進后結構如圖5所示。通過SolidWorks軟件對改進后電子凸輪曲線建模，得到凸輪的運動速度和加速度曲線，如圖6所示，改進后凸輪的最大速度基本不變，而最大加速度降低至7.36 m/s2，降低了31.2%。通過降低封刀回轉半徑減小回轉時的慣性，并將同步運行區(qū)間從50°提高至56°，讓加減速運動的速度曲線趨于平穩(wěn)，從而降低設備高速運行時的震動。同時，每一周期的有效熱封角度為56°，并且有效接觸長度為整把封刀寬度，使熱封效果大大提高。通過這些改進，可有效解決設備高速運行時震動強、噪音大等問題，使設備機械運行速度上限從200 包/min提升到350 包/min成為可能。

圖4 現(xiàn)有凸輪運動曲線

2.3 橫封機構優(yōu)化

封切機構中往復式橫封結構是封切的具體執(zhí)行機構，如圖7 所示。在下封刀上配有緩沖彈簧，在上下刀嚙合時，通過彈簧壓縮來獲取一段水平熱封時間，適合各種包裝材料，增加了熱封時間，提高了封口質量，不同于氣動切刀，該設計采用了機械伸縮式切刀，不管設備運行速度多少，切刀都能保證正常運行。另外上下刀軸采用了分體式設計，使得更換配件更加方便快捷。

改進后的封切結構總體三維圖如圖8所示，設計有端封高度調節(jié)，用于調節(jié)封刀與包裝產品中心高度，通過轉動蝸桿手輪進行調節(jié)，以下刀最高點高于包裝產品中心2～5 mm為佳。

圖5 改進后封切裝置結構

圖6 改進后凸輪運動曲線

圖7 上下封刀結構

圖8 改進后的封切結構

一般來說，影響復合膜熱封性能的主要因素包 括熱封溫度、有效熱封時間和復合膜自身厚度等。目前的往復式封切機構對包裝膜的熱封和切斷一般是同一道工序，即在封切機構中先完成熱封，隨即進行切斷。由于復合膜熱封用時是不會改變的，而溫度過高會將復合膜外層融化掉，故不能單純靠提高溫度來提升熱封效果。因此熱封與切斷處于同一時間，熱封時間有限，為保證熱封效果，只能控制設備運行速度，導致設備速度無法進一步提升。

在現(xiàn)有設備的基礎上了新增端封預熱封功能，如圖9 所示，第一道端封為預熱封作用，無紋路、無切斷功能，并在一道預熱封裝置與二道熱封切裝置之間處裝有過渡輸送裝置，第二道端封為正常封切，在第一道預熱封的基礎上再進行一次熱封并切斷，保證了封裝效果，有利于提高生產效率。

圖9 雙端封同步封切結構

2.4 恒張力放卷裝置

在枕包機的生產過程中，卷材放卷張力對產品的質量有著至關重要的影響，高速枕包機生產尤其如此。張力控制[5-6]的穩(wěn)定與否直接關系到分切產品的質量，若張力過大，會造成復合膜的拉伸變形；張力過小，原料在運行中會產生漂移現(xiàn)象，成品包裝膜會起皺，影響產品質量。在包裝速度較低時，只有一組封切裝置，放卷張力對包裝質量影響有限，在承膜輥后方一般配備有摩擦輪剎車或者磁粉制動器，如圖10 所示。在設備生產過程中，由于膜卷的直徑會隨著生產時間逐漸變小，導致包裝一個等長的物料時，膜卷轉動的角度會發(fā)生較大變化，又因為上述兩種剎車方式輸出扭矩為一個恒定力，導致復合膜在輸送時張力會發(fā)生較大變化，尤其是在高速運行的情況下，張力的變化會導致兩次封切難以處于同一位置，從而影響產品質量。

圖10 磁粉制動式放卷裝置

圖11 伺服制動式恒張力放劵裝置

針對上述問題，基于恒張力控制技術[7-8]，在承膜輥后方直接配備一個伺服電機與承膜輥相連，如圖11 所示。該伺服電機輸出一個反向力矩，該力矩與中封電機力矩相配合，當中封電機力矩發(fā)生變化時，該反向力矩會做出相應變化，以保證中封電機力矩處于一個穩(wěn)定的數(shù)值，即在放卷的過程中使復合膜承受最佳張力，且自始至終保持不變。該張力控制系統(tǒng)能夠持久地控制復合膜在設備上輸送時的張力，無論機器是加速、減速或勻速，即使在緊急停機情況下，也有能力保證產品質量。

2.5 樣機測試

在實驗室階段研制出雙端封往復式高速枕式包裝機樣機，如圖12 所示。樣機測試結果顯示設備高速運行時震動和噪音大大降低，在速度方面，板式藥品枕式包裝的最高穩(wěn)定速度可達300包/min。

圖12 枕包機樣機

3 結論

在現(xiàn)有枕包機單封切的基礎上增加一套端封預熱封裝置，以提升每次包裝的有效熱封時間。通過對往復式封切裝置的結構進行優(yōu)化設計，降低封刀回轉半徑，減小加速區(qū)間角度，優(yōu)化封刀模塊，解決了設備高速運行時震動強、噪音大等問題，將設備機械運行速度上限從280 包/min提升到300 包/min。同時采用伺服電機控制恒張力放卷裝置，解決了由于復合膜拉伸率因素導致的各項問題，提高了枕式包裝機的包裝精度。