紙塑復合包裝袋自動套裝生產線的研制*

胡 罡

(湖北省機電研究設計院股份公司，湖北武漢 430070)

0 引言

紙塑復合包裝袋作為包裝行業最常用的包裝產品而被當今市場廣泛使用。紙塑復合包裝袋由紙塑復合外袋和五層共擠尼龍膜內袋組成，該產品具有良好的阻隔性、密封性、避光性和保鮮性，而且能夠承受較大的重量和強度，目前被廣泛應用于輕工、化工、食品、紡織、醫藥和國防等各個領域的阻隔包裝。近年來，隨著我國經濟的高速發展，對紙塑復合包裝袋的需求日益劇增，傳統的人工張袋和套裝內袋工藝已經無法滿足日益增長的市場需求。為提高生產效率、降低成本和減輕工人勞動強度［1］，筆者利用自動化控制技術研制了紙塑復合包裝袋自動套裝生產線，該生產線能夠實現包裝袋外袋的自動上線、撐開外袋和套裝內袋以及內外袋的縫合。

1 包裝袋自動套裝生產線概述

1．1 技術要求

紙塑復合包裝袋自動套裝生產線的主要技術指標和要求:沿復合包裝袋長度方向進行套裝保證一端齊平，采用雙工位設計，即同時對兩個包裝袋進行輸送和套裝作業，以提高生產效率和節拍。紙塑復合包裝外袋的尺寸550 mm×820 mm;尼龍膜內袋尺寸560 mm×1 020 mm;兩包裝袋中心間距690 mm;外袋撐開高度120 mm;包裝袋傳送速度為2 m/s;生產節拍約20個/min。

1．2 工藝流程

包裝袋自動套裝生產線的可分為4個平行工位:1號工位:上線整袋;2號工位:張袋套裝;3號工位:過渡輸送;4號工位:內外袋縫合。各自的工步和工序，其工藝流程如圖1。該設備具有工作安全可靠、自動化程度高、維護和操作簡單等特點，只需人工定時(約h/2)向設備的兩個料框上料，按下啟動按鈕設備即可自動運行完成全套作業過程，最后輸出紙塑復合包裝袋的成品，極大提高了原有的生產效率。

圖1 包裝袋自動套裝生產線工藝流程

2 包裝袋自動套裝生產線的結構設計

紙塑復合包裝袋自動套裝生產線主要由外袋頂升上線機構、包裝袋抓取傳送機構、內袋整理傳送機構、吸附開袋與套裝機構、輸送線本體、氣動系統和電氣控制系統等部分組成。該生產線的機械結構部分使用Solidworks三維建模軟件［2］進行設計和建模，其三維設計總圖如圖2所示。

圖2 包裝袋自動套裝生產線三維設計圖

2．1 外袋頂升上線機構

外袋頂升上線機構主要由機架、導軌、料框、螺桿升降機、真空元件、氣動元件以及電氣控制系統等部分組成。兩個料框隨機架安裝在導軌上，由氣缸推動作往復運動，通過光電傳感器檢測料框內外袋的有無來控制氣缸實現自動換料。每個料框下端均裝有一套螺桿升降機，通過步進電機驅動實現較為精確的定位，在設備的上方配有光電傳感器用于控制升降機舉升的高度，確保外袋每次上線的高度一致。外袋通過真空吸盤吸和氣缸的協調動作運送至皮帶輸送線體上，進行整袋和排列。

2．2 包裝袋抓取傳送機構

本生產線的包裝袋抓取傳送機構共設計兩套。一套用于外袋在上線整袋工位和張袋套裝工位之間的傳送;一套用于包裝袋在張袋套裝工位和過渡輸送工位之間的傳送。兩套機構結構和工作原理完全相同，分別主要由機架、四個擺動氣缸、擺臂、一套伺服驅動系統、直線導軌和同步帶和同步帶輪等部件組成。每個外袋(包裝袋)的兩邊分別布有一個擺動氣缸，氣缸控制擺臂同時對兩個外袋(包裝袋)進行夾持，并通過伺服電機驅動同步帶輪拖曳的方式傳送至指定位置，實現循環工作和快速精確定位。該機構具有結構簡單，傳動效率高，定位準確等特點。

2．3 內袋整理傳送機構

內袋整理傳送機構的組成結構和工作原理與包裝袋抓取傳送機構相同，由機架、兩個擺動氣缸、擺臂、伺服驅動系統、直線導軌和同步帶和同步帶輪等部件組成，主要作用是將內袋制袋機制好的兩個內袋通過輸送和整理同時排列在該機構的工作面板上，以便于抓取和套裝。其中一個內袋由擺動氣缸的擺臂夾持，經伺服電機驅動同步帶輪拖曳到位，另一個內袋則由內袋制袋機自動輸送到位［3］。

2．4 吸附開袋與套裝機構

2．4．1 結構組成和特點

吸附開袋與套裝機構主要由設備機架、真空吸盤、開袋氣缸、氣爪、連桿支架、伺服驅動系統、同步帶和同步帶輪等部件組成。當兩個料袋被傳送至張袋套裝工位時，每個料袋的上、下兩端開口位置處均裝有6個真空吸盤，下端的6個吸盤固定不動，對應上端的6個吸盤則與開袋氣缸連接，氣缸下降至終位，使外袋上、下表面均與對應的吸盤相接觸，并產生一定的壓縮，此時真空泵開始工作，吸盤開始吸附外袋的上下表面(通過傳感器負壓反饋監測確保吸附)，開袋氣缸帶動吸盤提升至始位，將外袋撐開，同時伺服電機通過同步帶輪驅動帶有氣爪的連桿支架通過撐開的外袋，將內袋夾持好后拖曳至與外袋一端平齊的位置，完成整個套裝過程。

2．4．2 真空吸盤的選用

由于紙塑復合包裝袋具有尺寸大、質量輕，材質軟等特點，所以吸附開袋的真空吸盤的選型如下。

(1)在控制設備成本，并保證撐開外袋效果良好的盡量下，盡量減少吸盤數量，通過試驗證明，每個外袋上、下表面各布置六個真空吸盤(共12個)為滿足吸附開袋效果的最小吸數量。

(2)采用真空泵控制吸盤，在真空度一定的情況下，吸附力的大小和吸盤直徑成正比，由于外袋較輕，所需的吸附力不大，根據吸盤吸附力的計算公式［4］:

式中:M為外袋的質量，kg;F為負載的大小，N;S為吸附安全系數(3～4);U為吸附真空度，－kPa;N為吸盤的數量。

計算得出選用的真空吸盤的直徑為30 mm。

(3)根據吸附對象的物理特性來選擇真空吸盤的材質。對于材質較軟的紙塑復合包裝袋而言，吸盤的盤面也必須是非常軟的材料才能更好的與外袋貼合，滿足吸附效果。通過分析和試驗，選用白硅膠材質的真空吸盤。

3 包裝袋自動套裝生產線電氣控制系統

3．1 硬件系統設計和選用

主控系統采用歐姆龍CP1E－E60SDR－ACE型可編程邏輯控制器，通過模塊化擴展I/O接口用于控制各個氣缸、真空吸盤、伺服電機等元器件的動作。每個氣缸均裝有磁性檢測開關、真空元件配有負壓反饋傳感器、光電傳感器由于檢測物料的有無;伺服驅動系統均選用日本松下 A5交流大慣量伺服電機［5］。在人工操控方面采用歐姆龍NS系列8．4英寸觸摸屏對生產線各個工位動作進行調試和控制，同時在線體機架的首、尾處各裝有四個物理按鍵:啟動、停止、急停和復位，以便于人工操作。

3．2 軟件與電氣控制

該生產線的軟件程序具有高效、合理和智能化等特點，其電控原理圖如圖3所示。

圖3 電氣控制原理圖

PLC控制系統通過采集各類傳感器信號，根據編寫的程序自動控制氣缸、電機等執行元件來完成生產線的運作［6］。同時，伺服電機的運行和真空吸盤的吸附均采用了“閉環”控制。伺服電機采用位置控制模式，通過對當前位移脈沖值的反饋進行補償控制，確保工作位置的準確性。真空吸盤通過負壓反饋控制，當吸附后的真空度數值沒有到達指定值時，吸盤會自動重新進行吸附，直至達到吸附要求的數值。

4 結語

紙塑復合包裝袋自動套裝生產線設備在無錫太平洋包裝廠投入使用已經一年多的時間。實踐證明，該生產線具有高效率、低成本、易操作等優點，大大減輕了工人的勞動強度，提高了生產效率，實現了紙塑復合包裝袋套裝輸送和縫合于一體的自動化生產，滿足了用戶的需求。

［1］ 牛群峰，王云坡，劉楠蟠，等．袋裝產品包裝輸送線監控系統設計［J］．計算機應用，2013(6):45－48．

［2］ 胡仁喜．SolidWorks2012中文版機械設計從入門到精通［M］．北京:機械工業出版社，2012．

［3］ 鄧援超，陳 華．包裝機內袋成型機構的設計及理論分析［J］．湖北工業大學學報，2012，27(2):86－88．

［4］ 威泰克國際貿易有限公司．真空元器件及全套真空系統［Z］．青島:威泰克國際貿易有限公司，2013．

［5］ 松下電工(中國)有限公司．交流伺服馬達－驅動器MINAS A5系列使用說明書(綜合篇)［Z］．上海:松下電工(中國)有限公司，2012．

［6］ 黃 靜，劉玉娟，于 彤，等．電氣控制與可編程序控制器［M］．北京:機械工業出版社，2004．