環(huán)軌覆膜機(jī)包裝膜放膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓占華，金麗瓊，李小仨

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

空氣中所含的氧氣、水蒸汽、灰塵等物質(zhì)，通過物理、化學(xué)或生物反應(yīng)，使得產(chǎn)品氧化、變質(zhì)，生產(chǎn)出的產(chǎn)品需要與大氣環(huán)境隔離，才能得以良好的保存［1-2］。環(huán)軌式覆膜機(jī)實(shí)現(xiàn)了放膜、纏繞、覆膜、切膜的自動化和智能化，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)線大批量的連續(xù)生產(chǎn)要求，一系列包裝機(jī)、聯(lián)動機(jī)、輸送機(jī)、檢測裝置、儲存裝置等組合起來的自動化包裝生產(chǎn)線完成包裝作業(yè)［3］。

放膜設(shè)備為環(huán)軌式覆膜機(jī)的主要裝置，配合環(huán)軌式覆膜機(jī)的圓周、上下運(yùn)動，自動完成薄膜的覆蓋、纏繞［4-5］。其主要應(yīng)用在為外形規(guī)則的圓柱形產(chǎn)品（如銅卷、大桶奶粉、大桶化工品等）表面覆蓋薄膜的生產(chǎn)線或裝配線上，防止氧化，隔絕灰塵，確保產(chǎn)品清潔，不被污染［6］。

1 系統(tǒng)組成

放膜系統(tǒng)主要有放膜機(jī)構(gòu)、傳動帶輪、放膜電機(jī)、電磁離合器、變頻器，接近傳感器和控制箱等構(gòu)成，如圖1-2所示。具備自動放膜、調(diào)整速度，自動啟動、停止等功能，是環(huán)軌覆膜機(jī)的主要組成部分。

1.1 放膜機(jī)構(gòu)

（1）驅(qū)動單元，包括放膜變頻器、變頻電機(jī)。放膜變頻器的信號輸入端與張力監(jiān)測單元的距離傳感器信號輸出端相連，輸出信號驅(qū)動變頻電機(jī)。變頻電機(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)與送膜單元相連。傳動機(jī)構(gòu)包括設(shè)在電機(jī)輸出端的同步帶輪、同步帶以及與同步帶輪同軸設(shè)置的小齒輪和與小齒輪嚙合的大齒輪。

（2）送膜單元，包括軸向平行設(shè)置的過渡輥、送膜輥筒、張緊輥。送膜輥筒通過上軸承和下軸承固定在機(jī)架的底座與平臺之間；變頻電機(jī)通過同步帶帶動與同步帶輪同軸設(shè)置的送膜輥筒轉(zhuǎn)動；送膜輥筒通過小齒輪帶動與大齒輪同軸設(shè)置的另一送膜輥筒轉(zhuǎn)動，大齒輪與送膜輥筒之間通過電磁離合器實(shí)現(xiàn)連通或松開。

（3）張力監(jiān)測單元，包括設(shè)在送膜單元中間部分的凸輪以及在凸輪鄰近處設(shè)置的距離傳感器。距離傳感器輸出與放膜變頻器信號輸入連接。張緊輥通過支桿固定在凸輪中心，在凸輪中心還通過連接桿固定有放膜氣彈簧，放膜氣彈簧通過凸輪配合張緊輥?zhàn)鱿鄳?yīng)運(yùn)動。距離傳感器、凸輪、張緊輥、放膜氣彈簧對放膜系統(tǒng)的張力進(jìn)行檢測，使其始終保持膜張力的穩(wěn)定。

凸輪呈橢圓形狀。沒有放膜時(shí)，放膜氣彈簧處于最大伸展?fàn)顟B(tài)，距離傳感器離凸輪位置最遠(yuǎn)；開始放膜后，膜被拉緊，相應(yīng)拉動張緊輥，放膜氣彈簧隨張緊輥的移動被壓縮，凸輪旋轉(zhuǎn)，離距離傳感器更接近。

當(dāng)凸輪和距離傳感器的距離到設(shè)定值時(shí)，距離傳感器的輸出信號傳輸至放膜變頻器，變頻器將距離信號轉(zhuǎn)換為頻率輸出信號啟動變頻電機(jī)。電磁離合器得電，使放膜單元中送膜輥筒帶動膜跟隨變頻電機(jī)運(yùn)行。

1.2 存膜機(jī)構(gòu)

存膜機(jī)構(gòu)包括存膜輥筒、纏繞膜和對纏繞膜進(jìn)行頂壓的壓緊單元。纏繞膜放置在存膜輥筒上。

壓緊單元由纏繞膜沿軸向進(jìn)行壓緊的第一壓緊單元、對纏繞膜沿徑向進(jìn)行壓緊的第二壓緊單元組成。

第一壓緊單元包括將纏繞膜固定在存膜輥筒上的膜卷上、下壓頭。膜卷上、下壓頭均通過軸承安裝固定。第一壓緊單元通過調(diào)節(jié)旋鈕，移動齒輪帶動齒條沿導(dǎo)向套調(diào)整調(diào)節(jié)軸的高度，以調(diào)節(jié)膜卷的壓緊力。

第二壓緊單元包括依次順連的剎車板、轉(zhuǎn)軸和存膜氣彈簧。存膜氣彈簧一端通過轉(zhuǎn)軸與剎車板連接，另一端固定，通過轉(zhuǎn)軸頂緊剎車板上的剎車片，以徑向壓緊纏繞膜。

圖1 放膜系統(tǒng)裝置圖（正視）Fig.1 Device picture of film releasing system（front view）

2 工作原理

如圖2，首先打開剎車板，把纏繞膜放置在存膜輥筒上，通過膜卷上、下壓頭壓緊，調(diào)節(jié)旋鈕移動齒輪，帶動齒條通過導(dǎo)向套調(diào)整調(diào)節(jié)軸的高度，來調(diào)節(jié)膜卷的壓緊力；然后合上剎車板，存膜氣彈簧通過轉(zhuǎn)軸頂緊剎車片，從而徑向壓緊纏繞膜。膜通過軸向平行設(shè)置的過渡輥、送膜輥筒、張緊輥依次送至夾膜棒處。

圖2 放膜系統(tǒng)裝置圖（俯視）Fig.2 Device picture of film releasing system（Top view）

未開始放膜時(shí)，放膜氣彈簧處于最大伸展?fàn)顟B(tài)，距離傳感器離凸輪位置最遠(yuǎn)。變頻電機(jī)、電磁離合器均處于失電狀態(tài)。

開始放膜后，變頻電機(jī)帶動放膜機(jī)構(gòu)，膜被拉緊，拉動張緊輥，放膜氣彈簧被壓縮、凸輪旋轉(zhuǎn)。此時(shí)膜處于自由拉動狀態(tài)，變頻電機(jī)、電磁離合器仍處于失電狀態(tài)。

膜被越拉越緊，張緊輥在以凸輪中心為圓心，以支桿為半徑的圓周軌道上繼續(xù)移動。放膜氣彈簧再次被壓縮，凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，離距離傳感器更接近，直至凸輪和距離傳感器的距離到設(shè)定值。

放膜變頻器判斷距離信號，并輸出頻率信號啟動變頻電機(jī)。變頻電機(jī)驅(qū)動同步帶輪，通過同步帶帶動次級同步帶輪及送膜輥筒轉(zhuǎn)動。由于電磁離合器得電后，大齒輪與送膜輥筒連通，送膜輥筒通過小齒輪帶動大齒輪及次級送膜輥筒轉(zhuǎn)動。因此送膜輥筒、次級送膜輥筒也跟隨變頻電機(jī)帶動膜運(yùn)行。

存膜輥筒、送膜輥筒主動送膜后，膜的張力減小，在放膜氣彈簧作用下，張緊輥以凸輪為中心沿圓周方向往初始位置移動，凸輪和距離傳感器之間的距離變大，放膜變頻器判別接受到距離傳感器信號后，頻率降低，控制變頻電機(jī)速度降低。

在后續(xù)持續(xù)放膜的過程中，通過調(diào)整距離傳感器信號與頻率之間的關(guān)系，可以讓膜始終保持一定的張力，使膜既不被拉緊也不至于松散。

3 控制流程

需要覆膜的產(chǎn)品輸送至指定位置后，環(huán)軌覆膜機(jī)的放膜系統(tǒng)單元自動下降至產(chǎn)品中間覆膜位置，然后環(huán)繞覆膜機(jī)軌道做圓周運(yùn)動，繞膜開始。夾膜裝置（固定位置不動）隨繞膜的圈數(shù)自動打開、關(guān)閉，釋放薄膜被夾的前端。

在初始放膜過程，薄膜拉動送膜單元中固定在凸輪中心的張緊輥，帶動連接桿的放膜氣彈簧，此時(shí)張緊輥與放膜氣彈簧被薄膜柔性自由拉伸［7］。薄膜拉力進(jìn)一步變大時(shí)，放膜氣彈簧帶動凸輪轉(zhuǎn)動，距離傳感器檢測距離信號輸出至放膜變頻器。

放膜變頻器輸出啟動變頻電機(jī)。同時(shí)電磁離合器吸合得電后，送膜輥筒B就由變頻電機(jī)驅(qū)動，而不是在膜帶動的拉力下自由運(yùn)行，保證放膜的穩(wěn)定性。

放膜變頻器根據(jù)反映膜張力的距離參數(shù)調(diào)整控制變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制放膜速率。放膜過程中，當(dāng)放膜氣彈簧隨張緊輥壓縮時(shí)，其對膜有與出膜方向相反的作用力，防止張緊輥的進(jìn)一步順移，使處于自由拉動狀態(tài)下的膜不被拉斷。

放膜速率的自動調(diào)整與放膜氣彈簧的柔性自由拉伸，可以讓膜始終保持一定的張力，在自動化程度較高的前提下提高放膜的可靠性。

繞膜、放膜完成后，放膜機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)到水平初始位置，夾膜裝置打開夾住薄膜，裝置上的加熱絲加熱切斷薄膜與膜卷的連接。放膜機(jī)構(gòu)升起到垂直初始位置，同時(shí)纏繞完膜的產(chǎn)品被輸送去往覆膜區(qū)域外的安全區(qū)域。

4 結(jié)語

覆膜是包裝行業(yè)很重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)， 依靠人工難以快速有效地進(jìn)行操作。環(huán)軌覆膜機(jī)是為冶金、化工、食品等行業(yè)包裝大型產(chǎn)品專門研制的專用設(shè)備，包裝膜放膜系統(tǒng)利用機(jī)械、氣動、電氣等技術(shù)，有效地解決覆膜機(jī)放膜的準(zhǔn)確度低、速度慢、效率低等問題。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、自動化程度高，使得環(huán)軌覆膜機(jī)操作使用方便，極大減少人工干預(yù)，降低勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率［8-10］。