食品自動(dòng)包裝機(jī)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

袁飛，高雪

常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（常州 213000）

隨著人們生活水平的提高，品質(zhì)高、外觀精美的食品越來(lái)越受到大家的青睞，包裝機(jī)是食品行業(yè)不可或缺的設(shè)備[1-2]，所以包裝行業(yè)迎來(lái)了巨大的商機(jī)。我國(guó)目前的先進(jìn)包裝機(jī)主要依賴進(jìn)口，但進(jìn)口的設(shè)備價(jià)格昂貴，一些中小企業(yè)無(wú)力負(fù)擔(dān)，國(guó)內(nèi)的食品包裝機(jī)在包裝速度、靈活性、可靠性等方面還存在一點(diǎn)缺陷，而且包裝品種單一，不能夠適應(yīng)不同尺寸的產(chǎn)品包裝，目前好多企業(yè)還處于用手工包裝或者用簡(jiǎn)易的封口設(shè)備做半自動(dòng)包裝，我國(guó)包裝行業(yè)的整體技術(shù)水平還存在很大的提升空間[3-5]。設(shè)計(jì)了一臺(tái)能自動(dòng)完成送料、送膜、制袋及縱橫封等工序的食品包裝機(jī)，用PLC配合伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，能夠適用不同尺寸規(guī)格的食品包裝，通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，證明了所設(shè)計(jì)的食品包裝機(jī)具有高的效率和精度，其操作簡(jiǎn)單，對(duì)我國(guó)食品包裝行業(yè)的發(fā)展也具有積極的促進(jìn)意義。

1 食品包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)

包裝機(jī)主要由控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括物料輸送機(jī)構(gòu)、送膜機(jī)構(gòu)、制袋成型器、縱封機(jī)構(gòu)、橫封橫切機(jī)構(gòu)和輸出機(jī)構(gòu)等[6-8]。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 食品包裝機(jī)結(jié)構(gòu)圖

物料輸送機(jī)構(gòu)：物料輸送機(jī)構(gòu)主要由鏈條、鏈輪、支撐裝置、分割桿和張緊裝置組成[9]。伺服電機(jī)通過(guò)鏈輪帶動(dòng)鏈條向前運(yùn)動(dòng)，鏈條上的物料隨之運(yùn)動(dòng)，分割桿以一定間隔鉸接在鏈條上，使物料以固定間距有序進(jìn)入制袋成型器，鏈條運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間可能會(huì)出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，可以用張緊裝置張緊。

送膜機(jī)構(gòu)：送膜機(jī)構(gòu)主要由牽引輸送機(jī)構(gòu)、拉膜張緊裝置、支撐機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成，固定在支撐桿上的卷盤(pán)薄膜，通過(guò)導(dǎo)輥輪導(dǎo)向和張緊輪張緊，到達(dá)牽引輸送機(jī)構(gòu)（主要由驅(qū)動(dòng)輥和壓膜輥組成），通過(guò)牽引輸送機(jī)構(gòu)牽引到制袋成型器。對(duì)于有商標(biāo)圖案的薄膜，送膜機(jī)構(gòu)上裝有色標(biāo)傳感器，通過(guò)信號(hào)反饋，對(duì)薄膜進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保合理的封切位置，保證產(chǎn)品的美觀。包裝機(jī)在工作過(guò)程中，送膜速度會(huì)時(shí)快時(shí)慢，拉膜張緊裝置會(huì)使包裝膜一直保持一定的張緊力。

制袋成型器：制袋成型器是食品包裝機(jī)的關(guān)鍵部件，它的作用是將平面的包裝膜變?yōu)橥矤?。制袋成型器主要由支架、成型板、連接板、制袋翼片、調(diào)節(jié)手輪等組成。包裝膜進(jìn)入制袋成型器后，由制袋翼片和成型板將膜卷成筒狀，并預(yù)留縱封封邊，制袋成型器決定了包裝產(chǎn)品的外觀尺寸，可以通過(guò)調(diào)節(jié)手輪調(diào)節(jié)袋的大小。

縱封機(jī)構(gòu)：物料輸送機(jī)構(gòu)將物料送入成型了的包裝膜中，然后裝有物料的包裝膜進(jìn)入縱封機(jī)構(gòu)進(jìn)行縱向封合。設(shè)計(jì)的包裝機(jī)采用輥式縱封結(jié)構(gòu)，主要由縱封輥、加熱裝置和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成?？v封輥由兩個(gè)有一定錐度的圓柱型滾輪組成，它不僅能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行縱向封合，而且能起到拉膜牽引的作用，保證了包裝膜的連續(xù)性，輥輪表面有網(wǎng)紋滾花，用于保證封合質(zhì)量，輥輪內(nèi)部裝有加熱裝置，能夠使包裝膜更好地粘合。

圖2 縱封機(jī)構(gòu)三維模型

橫封橫切機(jī)構(gòu)：橫封橫切是食品包裝的最后一道工序，它是將裝有物料并縱封好的包裝膜以一定長(zhǎng)度進(jìn)行橫封封口并切斷。設(shè)計(jì)的包裝機(jī)采用回轉(zhuǎn)式橫封機(jī)構(gòu)，主要由上下橫封座、切刀和發(fā)熱管等組成，此裝置是將橫封結(jié)構(gòu)與切斷合二為一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于減小整體結(jié)構(gòu)尺寸。

圖3 橫封橫切機(jī)構(gòu)三維模型

成品輸出機(jī)構(gòu)：成品輸出采用帶式傳動(dòng)，底部用支撐架支撐，輸送帶采用尼龍袋。

1.2 包裝機(jī)的工藝流程

食品包裝機(jī)的包裝膜輸送和物料傳送是同步進(jìn)行的，由光電傳感器與接近傳感器分別對(duì)包裝膜和物料的位置進(jìn)行檢測(cè)，光電傳感器對(duì)切點(diǎn)信號(hào)實(shí)時(shí)傳送，根據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)速，保證橫切刀準(zhǔn)確地切到色標(biāo)位置。

包裝膜由送膜機(jī)構(gòu)送入制袋成型器，在制袋成型器內(nèi)被卷成筒狀，物料由物料輸送機(jī)構(gòu)推入已成型的包裝膜內(nèi)，然后裝有物料的包裝膜被繼續(xù)推入縱封機(jī)構(gòu)，對(duì)縱縫進(jìn)行封合，然后進(jìn)入橫封橫切機(jī)構(gòu)，完成橫向封口與切斷，至此完成整個(gè)包裝工序，最后由成品輸出機(jī)構(gòu)輸出。包裝機(jī)的工藝流程圖如圖4所示。

圖4 包裝機(jī)工藝流程圖

2 食品包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著第三次工業(yè)革命的到來(lái)，微電子及傳感器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，PLC控制技術(shù)也越來(lái)越成熟，PLC已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。設(shè)計(jì)的食品包裝機(jī)控制系統(tǒng)選用PLC可編程控制器，配合伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，使包裝機(jī)具有高的可靠性和強(qiáng)的抗干擾能力[10-13]。

包裝機(jī)的控制系統(tǒng)主要由PLC可編程控制器、傳感器、編碼器、驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏等組成[14-15]，如圖5所示。

圖5 食品包裝機(jī)控制系統(tǒng)組成

通過(guò)對(duì)PLC編程控制驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器控制相應(yīng)的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，物料輸送、送膜、制袋、縱封、橫切等工序可實(shí)現(xiàn)速度匹配，包裝膜與物料位置通過(guò)傳感器反饋給PLC，電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)編碼器反饋，PLC根據(jù)傳感器和編碼器的反饋實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使包裝機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，控制流程圖和接線圖如圖6和圖7所示。在充分考慮操作方便的前提下，對(duì)觸摸屏進(jìn)行了設(shè)計(jì)，所有操作基本都可以通過(guò)觸摸屏完成，另外還可以通過(guò)觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，以滿足不同尺寸規(guī)格產(chǎn)品的包裝。

圖6 控制系統(tǒng)接線圖

圖7 控制流程圖

3 樣機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)制作試驗(yàn)樣機(jī)，試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，此包裝機(jī)性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，參數(shù)設(shè)定方便快捷，能夠適用于多種材質(zhì)的包裝膜，適用于餅干、面包等各類(lèi)有規(guī)則的塊狀食品包裝，樣機(jī)及觸摸屏顯示如圖8所示。試驗(yàn)得到，此包裝機(jī)的包裝速度與物料的大小有關(guān)，最快能達(dá)到250袋/min，能夠適用的包裝膜最寬達(dá)到400 mm，包裝產(chǎn)品合格率為99.5%，且包裝產(chǎn)品外形精美，所有控制均可通過(guò)觸摸屏由軟件實(shí)現(xiàn)，方便功能調(diào)節(jié)和技術(shù)升級(jí)。

圖8 樣機(jī)及觸摸屏顯示圖

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一臺(tái)能自動(dòng)完成送料、送膜、制袋及縱橫封等工序的食品包裝機(jī)，介紹了其基本結(jié)構(gòu)和工藝流程，并對(duì)各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)做了簡(jiǎn)單介紹；以PLC為核心，設(shè)計(jì)了包裝機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，此包裝機(jī)能夠適用于多種材質(zhì)的包裝膜，適用于餅干、面包等各類(lèi)有規(guī)則的塊狀食品包裝，且具有高的效率和精度，操作簡(jiǎn)單，對(duì)于不同尺寸規(guī)格的產(chǎn)品都具有很好的包裝效果，擁有廣闊的市場(chǎng)前景，對(duì)我國(guó)食品包裝行業(yè)的發(fā)展也具有積極的促進(jìn)意義。