基于超薄錐形卷筒冷飲食品包裝成型加工裝備研究★

熊立貴， 張莉瓊， 蔡昭華

（1.廣東開(kāi)放大學(xué)（廣東理工職業(yè)學(xué)院）， 廣東 中山 528428；2.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東 中山 528436；3.中山市精翔自動(dòng)化設(shè)備有限公司， 廣東 中山 528400）

引言

隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平日益提高，冰激凌、雪糕類(lèi)早已從炎熱夏天解暑降溫的產(chǎn)品成為了日常消費(fèi)品。中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2018—2023 年中國(guó)冰激凌、雪糕類(lèi)行業(yè)市場(chǎng)前景及投資機(jī)會(huì)研究報(bào)告》數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，2018 年中國(guó)冰激凌、雪糕類(lèi)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模已突破400 億元，較2017 年的390 億元增長(zhǎng)3.33%。中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，2019 年我國(guó)冰激凌、雪糕類(lèi)市場(chǎng)的規(guī)模達(dá)到435 億元。在全球一體化背景下，麥當(dāng)勞、肯德基市場(chǎng)份額的國(guó)際市場(chǎng)較大，然而冰激凌、雪糕類(lèi)是這兩個(gè)品牌的主要產(chǎn)品。隨著生活水平的提高，人們對(duì)食品的要求不斷提高，作為夏日流行食品之一的冰激凌，也同樣在不斷的發(fā)展。知名市場(chǎng)調(diào)研公司英敏特（Mintel）公司發(fā)布的一份市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告顯示，中國(guó)冰激凌、雪糕類(lèi)銷(xiāo)售總額已趕超冰激凌、雪糕類(lèi)龍頭國(guó)家——美國(guó)[1]。

冰激凌、雪糕類(lèi)的外包裝目前采用的是紙質(zhì)材料，但隨著人們生活品質(zhì)、審美要求的提高，根據(jù)市場(chǎng)定位的需求，包裝彩繪錐形紙現(xiàn)采用筒材質(zhì)超軟超薄鋁泊材料，然而此材料包裝在國(guó)際市場(chǎng)都采用人工卷制，效率低并且加工的產(chǎn)品質(zhì)量合格率低，急需要開(kāi)發(fā)全自動(dòng)卷錐筒裝備[2]。

本文主要對(duì)冰激凌、雪糕類(lèi)的超薄外包裝成型關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究，具體如下：送料張緊結(jié)構(gòu)、偏位糾正機(jī)構(gòu)、色標(biāo)對(duì)齊檢測(cè)、位移補(bǔ)差、間隔雙位噴膠、加工成錐形及裝備。

1 超薄錐形卷筒加工裝備結(jié)構(gòu)研究

裝備主機(jī)體部分主要由放料部分、張力部分、壓送模塊部分、材料糾偏部分、材料分切部分、負(fù)壓送料部分、噴膠系統(tǒng)部分、真空系統(tǒng)部分、收集部分、排列輸送部分組成。其中放料部分是獨(dú)立結(jié)構(gòu)，主要由料架座、機(jī)械臂、氣脹軸套、脹承座、錐頭固座、導(dǎo)向錐頭、頭部氣管固定座、尾部氣管固定座、中心氣管芯、氣漲軸芯、離合固定座、剎車(chē)片、限位套、凸件、剎車(chē)器等組成；收集排列部分主要由玻璃管、玻璃管托盤(pán)、硅膠墊片、壓片、升降氣缸座、排列支架、電機(jī)座、帶擋板皮帶等部分組成，其結(jié)構(gòu)也是獨(dú)立的[3-4]。

按獨(dú)立結(jié)構(gòu)分，主要是由原材料放料部分、錐形卷筒產(chǎn)品成型部分、成品收集輸送部分組成。立體示意圖，如圖1 所示。

圖1 立體示意圖

1.1 超薄卷筒包裝機(jī)架組件

超薄卷筒包裝機(jī)架組件是由長(zhǎng)形方管機(jī)焊接內(nèi)框構(gòu)件、固定豎板、方管、噴膠固定臺(tái)、裝備底座等構(gòu)成。它是機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)，張緊、糾偏、分切、卷錐成型機(jī)構(gòu)都安裝在機(jī)架上，當(dāng)壓送動(dòng)力工作時(shí)，機(jī)架側(cè)面焊接一塊整體45 號(hào)鋼板，且加工精度與底座垂直度要求一致，張緊組件、糾偏組件及分切組件都安裝固定在側(cè)支撐板上。

1.2 尖錐成型模結(jié)構(gòu)

尖錐成型模結(jié)構(gòu)中間為負(fù)壓吸氣結(jié)構(gòu)，其與頂部有五個(gè)小孔相連、兩側(cè)為吹排氣脫料孔。尖錐成型模的作用包括成型、轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分。成型部，呈尖錐狀，其上設(shè)置有五個(gè)用于吸附尖錐筒原料的吸附孔及用于將卷繞成型的尖錐筒從成型部上脫離的脫模孔；轉(zhuǎn)動(dòng)部，其一端與外部的驅(qū)動(dòng)裝置連接，另一端與成型部非尖錐的一端連接，轉(zhuǎn)動(dòng)部上設(shè)置有與外部真空發(fā)生裝置連接的真空口及與外部鼓風(fēng)裝置連接的鼓風(fēng)口，轉(zhuǎn)動(dòng)部和成型部具有同時(shí)與吸附孔和真空口相連通的吸附通道及同時(shí)與脫?？缀凸娘L(fēng)口相連通的鼓風(fēng)通道。轉(zhuǎn)動(dòng)部和成型部?jī)?nèi)具有同時(shí)與吸附孔和真空口相連通的吸附通道及同時(shí)與脫?？缀凸娘L(fēng)口相連通的鼓風(fēng)通道；尖錐筒預(yù)成型的原料通過(guò)吸附孔被吸附在成型部上，并被卷繞成尖錐筒，然后被脫模孔吹出的氣壓從成型部上脫離，具有快速成型和脫模的效果。上尖錐成型模具，如圖2 所示。

圖2 上尖錐成型模具

1.3 材料分切組件裝置

分切是決定產(chǎn)品規(guī)格的必要裝置，是由上壓輪、下壓輪、齒輪、減速機(jī)、伺服電機(jī)、刀架固定座等結(jié)構(gòu)組成。下壓輪與上壓輪的直徑大小關(guān)系是2∶1，即上壓輪的直徑是要分切材料規(guī)格尺寸，旋轉(zhuǎn)一周完成一個(gè)產(chǎn)品分切功能，且鋼刀裝在上壓輪上面。下壓輪是直徑設(shè)計(jì)為分切材料的兩倍，旋轉(zhuǎn)半周完成一個(gè)材料分切，旋轉(zhuǎn)一周完成兩個(gè)材料的分切。分切前要考慮程的顏色對(duì)標(biāo)，否則移位后會(huì)把圖案分切錯(cuò)。材料分切裝置，如圖3 所示。

圖3 材料分切裝置

1.4 真空負(fù)壓輸送機(jī)構(gòu)

真空負(fù)壓輸送機(jī)構(gòu)，主要是由帶孔的真空負(fù)壓箱體、同步輪、減速機(jī)、伺服電機(jī)及輸送皮帶組成。其功能就是讓超薄鋁泊材料平移送料，且在上方有雙噴頭的點(diǎn)膠。此結(jié)構(gòu)不僅改變了輸送材料方向成90°，并能讓前一步分切的材料進(jìn)入成型卷錐模中，另一部分由于負(fù)壓吸附材料不易走位，并快速不斷輸送材料至下一步。真空負(fù)壓輸送料裝置，如圖4 所示。

圖4 真空負(fù)壓輸送料裝置

1.5 超薄錐形卷筒加工成型模結(jié)構(gòu)

冰激凌外包裝鋁泊材料卷筒成錐形的關(guān)鍵技術(shù)就是采用11°成型錐上模及22°定位錐下模之間的旋轉(zhuǎn)比例關(guān)系，定位錐下模旋轉(zhuǎn)三圈、上成型模旋轉(zhuǎn)六圈、凸輪旋轉(zhuǎn)一圈，即完成一個(gè)卷筒成錐形產(chǎn)品。上成型模是超薄錐形卷筒包裝材料成型加工裝備核心技術(shù)模具，如圖5 所示。

圖5 錐形筒成型裝置

2 超薄錐形卷筒包裝成型裝備設(shè)計(jì)、計(jì)算分析

研發(fā)的超薄錐形卷筒冷飲食品包裝材料成型裝備，一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)完成送料、分切、涂膠、卷錐、收集入庫(kù)一體化成錐筒型工藝過(guò)程。

2.1 裝備設(shè)計(jì)環(huán)境運(yùn)行參數(shù)

開(kāi)發(fā)的超薄錐形卷筒包裝材料成型裝備設(shè)計(jì)環(huán)境運(yùn)行條件參數(shù)，如下頁(yè)表1 所示。

表1 裝備環(huán)境運(yùn)行參數(shù)

2.2 超薄包裝材料參數(shù)分析

根據(jù)市場(chǎng)產(chǎn)品的技術(shù)要求，錐形筒成型尺寸規(guī)格為180 mm×210 mm，厚度為0.08 mm，成型錐度為11°，噴膠尺寸位置為55 mm×180 mm，且噴膠為間隔，噴膠余留邊為5 mm，需要噴兩條膠線(xiàn)，兩條膠線(xiàn)距離為40 mm。加工產(chǎn)品展開(kāi)尺寸圖要求，產(chǎn)品錐形成型尺寸進(jìn)行六圈成型及展開(kāi)的規(guī)格、起始卷錐成型位置要求，詳見(jiàn)圖6。

圖6 鋁泊復(fù)合膜原材料規(guī)格（單位：mm）

2.3 送料輪輥糾偏計(jì)算分析

超薄鋁箔包裝原材料上印有圖案，為了圖案位置分切正確，需要準(zhǔn)確控制送料位置。在原材料上印有定位作用的色標(biāo)，通過(guò)計(jì)算分別求取原材料A、B區(qū)域兩邊緣色標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)值：

式中：e、f 分別表述A、B 區(qū)域兩邊緣色標(biāo)點(diǎn)平均坐標(biāo)值；N、M 表述在A(yíng)、B 區(qū)域內(nèi)搜索到的邊緣點(diǎn)。

鋁箔包裝原材料在動(dòng)力輥?zhàn)饔孟拢?jīng)過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)送料時(shí)會(huì)發(fā)生偏移[5-6]。為了保證控制包裝原材料送料時(shí)不偏移，以及能夠順利進(jìn)入下一步正確位置分切工序，需對(duì)原材料印有的色標(biāo)進(jìn)行定位，因此包裝原材料在通過(guò)糾偏輥處時(shí)，可以計(jì)算出偏移量：

式中：ΔT 表述偏移量；K 表述糾偏輥距色標(biāo)距離，y0表述下邊緣色標(biāo)縱坐標(biāo)值。

可以根據(jù)偏移量值控制信號(hào)，進(jìn)行自動(dòng)糾偏，如果在誤差允許范圍內(nèi)，則可以不用糾偏。糾偏控制圖，如圖7 所示。

圖7 糾偏控制圖

2.4 超薄包裝材料分切補(bǔ)償計(jì)算

超薄錐形卷筒包裝材料在卷錐成形前工序就是進(jìn)行分切，分切裝置是由一個(gè)壓靠輪輥和一個(gè)旋轉(zhuǎn)刀輥結(jié)構(gòu)組成。為了準(zhǔn)確分切印有圖案的鋁箔包裝材料指定界線(xiàn)位置，一般采用前進(jìn)補(bǔ)差或后退補(bǔ)償處理位置差距。

當(dāng)送料長(zhǎng)度位置前進(jìn)過(guò)多時(shí)，就采用后退補(bǔ)償式，牽引長(zhǎng)度l 大于色標(biāo)間距l(xiāng)0，之間的差值距為：

為使切刀對(duì)準(zhǔn)分界線(xiàn)切位，調(diào)整送料光電感應(yīng)器的位置，使感應(yīng)點(diǎn)光圈在色標(biāo)邊緣外面，則感應(yīng)點(diǎn)光圈位置與分切距離計(jì)算式為：

式中：S 表述感應(yīng)點(diǎn)距分切位距離；C 表述正確位置與第1 個(gè)色標(biāo)邊緣外面尺寸距離；n 表述S 距離的色標(biāo)個(gè)數(shù)；d 表示點(diǎn)光圈直徑。

當(dāng)送料長(zhǎng)度位置不足時(shí)，就采用前進(jìn)補(bǔ)償式，感應(yīng)點(diǎn)光圈中心與分切位置的距離計(jì)算公式如下：

式中：除w 表述包裝材料印的色標(biāo)寬度尺寸以外，其他字符表述的意思與公式（4）相同。

通過(guò)計(jì)算得出需要前進(jìn)或后退補(bǔ)償信息時(shí)，伺服電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，完成送料的補(bǔ)償，確保分切指定界線(xiàn)位置準(zhǔn)確。

3 超薄錐形卷筒包裝材料成型裝備控制研究

超薄錐形卷筒包裝材料成型裝備控制系統(tǒng)由五組伺服電機(jī)、三菱PLC、觸摸屏、繼電器、通信號(hào)組件、減速機(jī)、交流接觸器等組成[7-8]?？刂品矫骊P(guān)鍵技術(shù)是要解決送料的超薄鋁泊材料長(zhǎng)度精度、五組伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的同步性、運(yùn)行過(guò)程位置糾偏、色標(biāo)檢測(cè)對(duì)齊旋轉(zhuǎn)分切、長(zhǎng)度位移補(bǔ)差，達(dá)到定型尖錐模與靠尖錐模成錐形筒產(chǎn)品過(guò)程。

3.1 控制設(shè)計(jì)

要控制五組伺服電機(jī)同步運(yùn)行，不僅要解決運(yùn)行過(guò)程的位置快慢同步、左右偏移問(wèn)題，還要處理好色彩對(duì)標(biāo)分切問(wèn)題。在分切、卷錐成型組件上的齒輪、軸、減速機(jī)、凸輪等結(jié)構(gòu)運(yùn)行，統(tǒng)一采用三菱系統(tǒng)通過(guò)軟件轉(zhuǎn)換成同步控制，在運(yùn)動(dòng)控制定位模塊，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和順控程序，達(dá)到實(shí)現(xiàn)位置控制、前后同步控制、凸輪控制、速度、扭矩等控制。凸輪數(shù)據(jù)如圖8 所示，凸輪（同步軸）速度如圖9 所示。

圖8 凸輪數(shù)據(jù)

圖9 凸輪（同步軸）速度

在壓送伺服電機(jī)送料后，與切刀伺服電機(jī)之間通過(guò)通信周期0.44 ms 的高速串行通信，可以實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的運(yùn)行控制，如圖10 所示。

圖10 位置通信周期

3.2 氣路圖控制設(shè)計(jì)

氣動(dòng)控制部分主要是由無(wú)桿氣缸、薄形缸、三位二通電磁閥、壓力表、過(guò)濾器（三聯(lián)體）、節(jié)流閥氣接頭、直徑為10 mm 的氣管等組成。其設(shè)計(jì)的氣路圖如圖11 所示。

圖11 氣路圖

超薄錐形卷筒冷飲食品包裝材料成型裝備采用氣動(dòng)、伺服電機(jī)系統(tǒng)、模塊數(shù)據(jù)信號(hào)控制形式，研制的裝備在加工生產(chǎn)過(guò)程中能達(dá)到精、準(zhǔn)、快的效果。

4 調(diào)試運(yùn)行、測(cè)試

超薄錐形卷筒冷飲食品包裝材料成型裝備在全部組裝及布線(xiàn)完成后，進(jìn)行運(yùn)行、調(diào)試階段，測(cè)試驗(yàn)證裝備是否能滿(mǎn)足產(chǎn)品加工技術(shù)要求，并驗(yàn)證它的可靠性。

4.1 成型裝備運(yùn)行調(diào)試

在調(diào)試運(yùn)行時(shí)，先進(jìn)入手動(dòng)操作模式，進(jìn)行追標(biāo)設(shè)置、定長(zhǎng)設(shè)置、動(dòng)力輥張緊設(shè)置、糾偏、分切、卷錐成型等參數(shù)設(shè)置。在手動(dòng)操作運(yùn)行、調(diào)試后，加工的超薄錐形卷筒樣品經(jīng)檢驗(yàn)符合技術(shù)要求，即完成調(diào)試運(yùn)行階段。在全自動(dòng)加工生產(chǎn)中，每3 s 一個(gè)工作循環(huán)完成送料、分切、涂膠、卷錐、收集一體化成錐筒型過(guò)程，加工完成的產(chǎn)品符合客戶(hù)的技術(shù)要求，卷錐6 圈成型規(guī)格詳見(jiàn)圖12。

圖12 超薄包裝材料加工六圈卷筒成型的規(guī)格

4.2 冷飲食品卷錐包裝產(chǎn)品測(cè)試

完成了包裝錐形卷筒成型裝備運(yùn)行調(diào)試，為驗(yàn)證裝備加工產(chǎn)品質(zhì)量要求[9]，需對(duì)加工生產(chǎn)的冷飲食品錐形包裝產(chǎn)品大小規(guī)格、封口黏固度參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 1804 尺寸角度公差標(biāo)準(zhǔn)、GB/T 4851 黏度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、GB/T 2828.1 取樣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取樣測(cè)試。按照國(guó)標(biāo)試驗(yàn)樣品測(cè)試之前，錐形包裝件產(chǎn)品放置于溫度23 ℃±2 ℃、相對(duì)濕度65%±5%的環(huán)境下放置2 h 以上，再進(jìn)行黏度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 加工產(chǎn)品數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)表2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析，其結(jié)果符合超薄錐形卷筒冷飲食品包裝成形規(guī)格要求。完成的智能裝備通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證研發(fā)成功，生產(chǎn)加工冷飲包裝產(chǎn)品符合技術(shù)要求，加工效率高，裝備運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，故障率低，操作簡(jiǎn)單，智能化控制，安全系數(shù)高等。

5 結(jié)語(yǔ)

自主研發(fā)的超薄錐形卷錐筒機(jī)不僅滿(mǎn)足了市場(chǎng)冰激凌冷飲食品彩繪錐形紙筒包裝超軟超薄材質(zhì)使用，而且解決了替代人工手動(dòng)卷制加工生產(chǎn)方式。手工作業(yè)生產(chǎn)效率低，加工成本高，生產(chǎn)后的產(chǎn)品大小不相等，產(chǎn)品封口粘固不牢且容易自動(dòng)爆裂，這樣的加工生產(chǎn)方式造成次品且受人為因素干預(yù)較大。后續(xù)將繼續(xù)優(yōu)化，提高生產(chǎn)加工效率，研制出高速度平穩(wěn)送料、高精度對(duì)標(biāo)分切、快速間隔涂膠、高效卷錐成型、精準(zhǔn)收集入庫(kù)一體化成型裝備，為實(shí)現(xiàn)中國(guó)智能制造、高端裝備群發(fā)展貢獻(xiàn)力量。