枕式包裝機(jī)旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封器設(shè)計(jì)

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150028）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、消費(fèi)結(jié)構(gòu)和消費(fèi)形式的升級(jí)，包裝機(jī)械產(chǎn)量逐年上升，包裝機(jī)械種類逐漸增加，適合不同細(xì)分領(lǐng)域的包裝機(jī)械層出不窮。我國(guó)包裝機(jī)械行業(yè)加強(qiáng)自主創(chuàng)新與技術(shù)集成，技術(shù)水平得到快速發(fā)展，已成為世界包裝機(jī)械制造大國(guó)，但與美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)包裝機(jī)械的包裝質(zhì)量、包裝速度、包裝精度等方面整體上依然落后，包裝機(jī)械從“中國(guó)制造”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸袊?guó)智造”刻不容緩［1］。

枕式袋包裝機(jī)廣泛應(yīng)用在食品、日化等行業(yè)，目前日本、德國(guó)的枕式包裝機(jī)生產(chǎn)速度已達(dá)到1 000袋/min，而國(guó)內(nèi)產(chǎn)品僅能達(dá)到500～600袋/min。為提高枕式包裝機(jī)的技術(shù)水平，國(guó)內(nèi)研究人員在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)化、電子控制、可靠性等方面開(kāi)展研究。橫封切斷器是影響包裝質(zhì)量與包裝速度的主要因素，開(kāi)展包裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與優(yōu)化，可有效提高包裝機(jī)性能［2-4］。優(yōu)化設(shè)計(jì)供料裝置，可提高包裝物料與包裝薄膜供送的穩(wěn)定性［5-6］?；谥悄芸刂破骱退欧到y(tǒng)可保證包裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)各軸運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，在此基礎(chǔ)上采用主從同步控制、相鄰交叉耦合控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等多軸同步控制算法，可提升多軸同步控制的準(zhǔn)確性［7-9］。

對(duì)五連包方便面、面包等厚度較大的塊狀物品，常規(guī)的旋轉(zhuǎn)式、往復(fù)式端封器，存在封口質(zhì)量、封口速度方面的缺陷。論文面向包裝行業(yè)的實(shí)際需求，研發(fā)適合厚度較大塊狀物品枕式包裝的旋轉(zhuǎn)往復(fù)移動(dòng)式橫封機(jī)構(gòu)及高性能的封口部件，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景。

1 加厚枕式包裝袋封口工藝

枕式包裝袋的袋型及大小選擇取決于被包裝物料、體積、包裝材料、制袋封口方法及使用要求。對(duì)厚度較小的扁平塊狀物品，如方便面、香皂、蚊香等，一般選用圖1（a）所示的扁平枕式袋，采用常規(guī)的旋轉(zhuǎn)式或往復(fù)式橫封器，實(shí)現(xiàn)枕式包裝袋的橫封。對(duì)于較厚的塊狀物品，如五連包方便面、手抽紙、面包等，其厚度一般超過(guò)60 mm，如采用旋轉(zhuǎn)式橫封器，封口處容易出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，影響包裝質(zhì)量與包裝速度，如采用往復(fù)式橫封器，則封口速度較慢。

圖1 三邊封口的枕式包裝袋型Fig.1 Pillow type packaging bag with three-side seals

由于袋型較厚，加厚枕式包裝袋的端封封口部分區(qū)域要進(jìn)行雙層封口，如圖1（b）所示包裝袋要先折膜操作。確定加厚塊狀物品的封口工藝如圖2所示：（1）旋轉(zhuǎn)的縱封輥相向旋轉(zhuǎn)，將已充填物料的筒狀包裝薄膜端縫封口，移送到橫封工位；（2）前、后折膜機(jī)構(gòu)同時(shí)相向動(dòng)作，在橫封工位將包裝筒的前后折膜，形成包裝袋的兩層疊封；（3）上封口切斷機(jī)構(gòu)、下封口機(jī)構(gòu)相向動(dòng)作，完成枕式包裝袋的橫封切斷，包裝成品輸出。

圖2 加厚枕式包裝袋封口工藝原理Fig.2 Sealing process diagram of thickened pillow type packaging bag

2 旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封器組成原理

基于加厚枕式包裝袋封口工藝，結(jié)合旋轉(zhuǎn)式和往復(fù)式橫封器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新型的旋轉(zhuǎn)往復(fù)復(fù)合式橫封器，如圖3所示。由圖可看出，上、下熱封器在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，封口器端面總是處于平行狀態(tài)，使得這種橫封器可同時(shí)具有旋轉(zhuǎn)和往復(fù)兩種運(yùn)動(dòng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)一種近似D型的運(yùn)動(dòng)軌跡。利用運(yùn)動(dòng)軌跡的AB直線部分，可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的熱封時(shí)間；上、下封頭可以采用熱封板、實(shí)現(xiàn)板式面接觸的熱封，因此，橫封器具有較好的封合質(zhì)量，能以較高速度完成具有一定厚度的塑料膜的包裝，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高［10］。

圖3 旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封器原理Fig.3 Schematic diagram of rotary-reciprocating horizontal sealer

面向方便面五連包等大塊塊狀物品包裝應(yīng)用的枕式包裝機(jī)模型如圖4所示，包裝機(jī)主要由供料部件、供膜部件、成型器、縱封部件、橫封部件、整理輸送部件、成品輸出部件以及電控系統(tǒng)等組成，實(shí)現(xiàn)塊狀包裝物的自動(dòng)制袋、充填、封口等包裝工序。

枕式包裝機(jī)旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封器如5所示，主要由進(jìn)料部件、橫封器組件、折膜機(jī)構(gòu)、成品輸出部件等組成。經(jīng)縱封部件完成中縫封接的包裝袋，通過(guò)進(jìn)料部件皮帶輸送，進(jìn)入橫封工位；橫封器組件與前折膜機(jī)構(gòu)、后折膜機(jī)構(gòu)協(xié)同動(dòng)作，完成包裝袋橫封封口；成品輸出部件將包裝成品輸出。

由圖3可看出，橫封器組件從A到B進(jìn)行包裝袋橫封熱封接，封接行程較長(zhǎng)，帶來(lái)兩個(gè)缺陷：（1）增大包裝袋橫向封口尺寸，包裝袋的無(wú)效袋長(zhǎng)加大，影響美觀性，浪費(fèi)包裝材料；（2）加大橫封執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸與重量，增大成本，降低包裝速度。

為解決上述問(wèn)題，在設(shè)計(jì)端封進(jìn)料組件和成品輸出部件時(shí)，設(shè)計(jì)了專用的隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖5、圖6所示。進(jìn)料部件進(jìn)料平帶的主動(dòng)帶輪F1和從動(dòng)帶輪F4固定在基座上，帶輪F2、F3安裝在進(jìn)料連接板上，溝槽進(jìn)料凸輪也安裝在進(jìn)料連接板上。安裝在下熱封器上的桿端軸承按溝槽進(jìn)料凸輪的輪廓軌跡運(yùn)動(dòng)，驅(qū)使帶輪F2、帶輪F3作相應(yīng)的平動(dòng)動(dòng)作，在保證進(jìn)料平帶長(zhǎng)度不變的情況下，使得包裝袋及內(nèi)含包裝物與橫封機(jī)構(gòu)保持適當(dāng)位置，實(shí)現(xiàn)包裝袋橫封的穩(wěn)定封接。

圖6 橫封部件機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型Fig.6 Simplified model of horizontal sealing mechanism

成品輸出部件同理設(shè)計(jì)，保證包裝袋橫封的穩(wěn)定封接和包裝成品的快速脫離與輸出。

3 橫封器主要執(zhí)行部件

3.1 橫封器組件

橫封器組件模型如圖7所示，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖8所示，主要由上熱封器、下熱封器、直線導(dǎo)軌、傳動(dòng)齒輪組、端封基座等組成。為提高包裝袋橫封封口的剛度、封接速度和運(yùn)動(dòng)同步性，橫封器采用前后對(duì)稱布置的形式，在前端封座和后端封座上安裝同配置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖7 端封器組件模型Fig.7 End sealer assembly model

圖8 端封器組件機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型Fig.8 Simplified model of end sealer assembly mechanism

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪，齒輪模數(shù)為2、齒數(shù)為50齒。為消除傳動(dòng)間隙、提高傳動(dòng)精度，上熱封器的傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)為雙齒輪，通過(guò)機(jī)械鎖調(diào)整齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)間隙，提高橫封器的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和前后齒輪傳動(dòng)的同步性。

上封口溝槽凸輪、下封口溝槽凸輪集成設(shè)計(jì)在一個(gè)零件上，分別固定安裝在前端封座和后端封座上。直線導(dǎo)軌固定安裝在下刀體上，導(dǎo)軌滑塊安裝在上刀體上。上刀體、下刀體的兩端對(duì)稱安裝一對(duì)桿端軸承。

為簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，將包裝袋切斷裝置與橫封器進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。切斷裝置采用氣缸驅(qū)動(dòng)，安裝在上熱封器上，隨上熱封器一起平動(dòng)。當(dāng)下熱封器往復(fù)移動(dòng)到圖3所示的A點(diǎn)時(shí)，切斷氣缸開(kāi)始動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)安裝在上熱封器內(nèi)的切刀動(dòng)作，在下熱封器到達(dá)B點(diǎn)之前，將包裝袋切斷。

橫封器工作時(shí)，輸入同步帶輪將驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，順序地通過(guò)傳動(dòng)齒輪組，驅(qū)動(dòng)上、下回轉(zhuǎn)腕作轉(zhuǎn)速相等、方向相反的等速旋轉(zhuǎn)，安裝在上、下刀體上的桿端軸承，分別在上、下封口溝槽凸輪作跟隨運(yùn)動(dòng)。直線導(dǎo)軌安裝在下刀體上，導(dǎo)軌滑塊安裝在下刀體上，結(jié)構(gòu)限制原因，使得上刀體、下刀體只能分別按上熱封器運(yùn)動(dòng)軌跡、下熱封器運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行復(fù)合的往復(fù)平動(dòng)，帶動(dòng)上、下封口器也作相應(yīng)的復(fù)合往復(fù)平動(dòng)，實(shí)現(xiàn)包裝袋端縫的熱封接與切斷。

3.2 橫封進(jìn)料部件

進(jìn)料部件圖9所示，主要由進(jìn)料皮帶、進(jìn)料溝槽凸輪、導(dǎo)軌、輸入鏈輪、移動(dòng)連接板等組成。從動(dòng)帶輪F4安裝在平帶固定托板上，與中封部件的位置保持不動(dòng)。移動(dòng)連接板安裝在直線導(dǎo)軌的滑塊上，移動(dòng)帶輪F2、F3安裝在移動(dòng)連接板上，進(jìn)料溝槽凸輪也安裝在移動(dòng)連接板上。刀體連接板安裝在下刀體上，連接板另一端安裝的滾輪軸承裝配在進(jìn)料溝槽凸輪的內(nèi)輪廓。

圖9 橫封進(jìn)料部件Fig.9 Feeding component of horizontal sealer

主動(dòng)帶輪F1將輸入鏈輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成平帶的等速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)移動(dòng)帶輪F2和F3、從動(dòng)帶輪F4，支撐平帶平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。下回轉(zhuǎn)腕在主傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下等速旋轉(zhuǎn)，由于機(jī)構(gòu)限制，驅(qū)動(dòng)下刀體沿運(yùn)動(dòng)軌跡作復(fù)合往復(fù)平動(dòng)。再通過(guò)進(jìn)料溝槽凸輪的作用，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)帶輪F2和F3隨下刀體一起運(yùn)動(dòng)，在保證進(jìn)料平帶長(zhǎng)度不變的情況下，實(shí)現(xiàn)包裝袋端封的穩(wěn)定熱封接。

3.3 成品輸出部件

成品輸出部件如圖10所示，主要由出料皮帶、輸出溝槽凸輪、導(dǎo)軌、進(jìn)料基座等組成。從動(dòng)帶輪B4安裝在平帶固定托板上，位置保持不動(dòng)。移動(dòng)連接板安裝在直線導(dǎo)軌的滑塊上，移動(dòng)帶輪B2、B3安裝在移動(dòng)連接板上，進(jìn)料溝槽凸輪也安裝在移動(dòng)連接板上。刀體連接板安裝在下刀體上，連接板另一端安裝的滾輪軸承裝配在輸出溝槽凸輪的內(nèi)輪廓。

圖10 成品輸出部件Fig.10 Finished product output component

主動(dòng)帶輪B1將輸入帶輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成平帶的等速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)移動(dòng)帶輪B2和B3、從動(dòng)帶輪B4，支撐平帶平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。下回轉(zhuǎn)腕在主傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下等速旋轉(zhuǎn)，由于機(jī)構(gòu)限制，驅(qū)動(dòng)下刀體沿運(yùn)動(dòng)軌跡作復(fù)合往復(fù)平動(dòng)。再通過(guò)輸出溝槽凸輪的作用，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)帶輪B2和B3隨下刀體一起運(yùn)動(dòng)，在保證進(jìn)料平帶長(zhǎng)度不變的情況下，實(shí)現(xiàn)已橫封、切斷的包裝袋快速脫離端封位置，平穩(wěn)輸出包裝成品。

3.4 包裝袋折膜機(jī)構(gòu)

包裝袋折膜機(jī)構(gòu)如圖11所示，包括前折膜機(jī)構(gòu)、后折摸機(jī)構(gòu)，單端折膜機(jī)構(gòu)主要由折膜凸輪、折膜板、折膜動(dòng)平臺(tái)、折膜連桿、橫向?qū)к壍冉M成。

圖11 單端包裝袋折膜機(jī)構(gòu)Fig.11 Film folding mechanism for single-end packaging bag

橫向直線導(dǎo)軌安裝在基座上，折膜板安裝在折膜動(dòng)平臺(tái)上，折膜動(dòng)平臺(tái)一端安裝在橫向直線導(dǎo)軌的滑塊上，另一端與成品輸出部件的皮帶移動(dòng)托板連接。下刀體作復(fù)合的往復(fù)移動(dòng)，通過(guò)出料溝槽凸輪機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)皮帶移動(dòng)托板跟隨下熱封器作往復(fù)平動(dòng)，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)折膜板跟隨下熱封器及包裝袋作往復(fù)平動(dòng)。同時(shí)，折膜凸輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)滾輪軸承、折膜連桿機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)折膜動(dòng)平臺(tái)沿橫向?qū)к壸魍鶑?fù)的折膜動(dòng)作。兩種動(dòng)作協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)包裝膜端封之前的自動(dòng)折膜動(dòng)作。

4 橫封器工作循環(huán)圖

包裝機(jī)需通過(guò)多個(gè)機(jī)構(gòu)的協(xié)同動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)枕式包裝袋的進(jìn)料、折膜、橫封、切斷以及成品輸出?；谇笆龉に嚪治雠c執(zhí)行部件的設(shè)計(jì)，完成橫封器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)圖設(shè)計(jì)，如圖12所示。橫封機(jī)構(gòu)采用上、下封口溝槽凸輪，通過(guò)回轉(zhuǎn)腕曲柄、滑塊等機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)上熱封器、下熱封器的往復(fù)平動(dòng)封口動(dòng)作。包裝袋切斷機(jī)構(gòu)采用切斷氣缸，通過(guò)電控系統(tǒng)的PLC，控制電控閥的開(kāi)斷，實(shí)現(xiàn)包裝袋端縫的實(shí)時(shí)切斷。橫封進(jìn)料、成品輸出通過(guò)傳動(dòng)鏈輸入運(yùn)動(dòng)，輸出速度不變。進(jìn)料移動(dòng)皮帶輪的往復(fù)移動(dòng)控制，通過(guò)安裝在下熱封器上的進(jìn)料溝槽凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。成品輸出皮帶輪的往復(fù)移動(dòng)控制，通過(guò)安裝在下熱封器上的輸出溝槽凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。前、后折膜機(jī)構(gòu)的控制，通過(guò)安裝在上熱封器支撐軸上的前、后折膜凸輪及折膜連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

圖12 橫封器執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作循環(huán)Fig.12 Working cycle diagram of horizontal sealer actuator

5 結(jié)語(yǔ)

論文分析了常規(guī)旋轉(zhuǎn)式、往復(fù)式橫封器存在的不足，基于面向較厚塊狀物品封口工藝的分析與設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封器及進(jìn)料部件、橫封器組件、折膜機(jī)構(gòu)、成品輸出部件等主要執(zhí)行部件?；诎b袋橫封封口工藝，設(shè)計(jì)了橫封器執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作循環(huán)圖，通過(guò)凸輪、連桿、齒輪、鏈輪等機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)枕式包裝袋端縫橫向封口的協(xié)同控制。