食品自動包裝機的設計與開發(fā)

袁飛，高雪

常州工業(yè)職業(yè)技術學院（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越受到大家的青睞，包裝機是食品行業(yè)不可或缺的設備[1-2]，所以包裝行業(yè)迎來了巨大的商機。我國目前的先進包裝機主要依賴進口，但進口的設備價格昂貴，一些中小企業(yè)無力負擔，國內(nèi)的食品包裝機在包裝速度、靈活性、可靠性等方面還存在一點缺陷，而且包裝品種單一，不能夠適應不同尺寸的產(chǎn)品包裝，目前好多企業(yè)還處于用手工包裝或者用簡易的封口設備做半自動包裝，我國包裝行業(yè)的整體技術水平還存在很大的提升空間[3-5]。設計了一臺能自動完成送料、送膜、制袋及縱橫封等工序的食品包裝機，用PLC配合伺服系統(tǒng)實現(xiàn)各個軸的協(xié)調(diào)運動，能夠適用不同尺寸規(guī)格的食品包裝，通過樣機試驗，證明了所設計的食品包裝機具有高的效率和精度，其操作簡單，對我國食品包裝行業(yè)的發(fā)展也具有積極的促進意義。

1 食品包裝機的結(jié)構(gòu)設計

1.1 包裝機的結(jié)構(gòu)

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

圖1 食品包裝機結(jié)構(gòu)圖

物料輸送機構(gòu)：物料輸送機構(gòu)主要由鏈條、鏈輪、支撐裝置、分割桿和張緊裝置組成[9]。伺服電機通過鏈輪帶動鏈條向前運動，鏈條上的物料隨之運動，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入制袋成型器，鏈條運動一段時間可能會出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，可以用張緊裝置張緊。

送膜機構(gòu)：送膜機構(gòu)主要由牽引輸送機構(gòu)、拉膜張緊裝置、支撐機構(gòu)和導向機構(gòu)組成，固定在支撐桿上的卷盤薄膜，通過導輥輪導向和張緊輪張緊，到達牽引輸送機構(gòu)（主要由驅(qū)動輥和壓膜輥組成），通過牽引輸送機構(gòu)牽引到制袋成型器。對于有商標圖案的薄膜，送膜機構(gòu)上裝有色標傳感器，通過信號反饋，對薄膜進行調(diào)節(jié)，確保合理的封切位置，保證產(chǎn)品的美觀。包裝機在工作過程中，送膜速度會時快時慢，拉膜張緊裝置會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的關鍵部件，它的作用是將平面的包裝膜變?yōu)橥矤睢Ｖ拼尚推髦饕芍Ъ堋⒊尚桶濉⑦B接板、制袋翼片、調(diào)節(jié)手輪等組成。包裝膜進入制袋成型器后，由制袋翼片和成型板將膜卷成筒狀，并預留縱封封邊，制袋成型器決定了包裝產(chǎn)品的外觀尺寸，可以通過調(diào)節(jié)手輪調(diào)節(jié)袋的大小。

縱封機構(gòu)：物料輸送機構(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入縱封機構(gòu)進行縱向封合。設計的包裝機采用輥式縱封結(jié)構(gòu)，主要由縱封輥、加熱裝置和驅(qū)動機構(gòu)組成。縱封輥由兩個有一定錐度的圓柱型滾輪組成，它不僅能對產(chǎn)品進行縱向封合，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 縱封機構(gòu)三維模型

橫封橫切機構(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度進行橫封封口并切斷。設計的包裝機采用回轉(zhuǎn)式橫封機構(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)簡單，有利于減小整體結(jié)構(gòu)尺寸。

圖3 橫封橫切機構(gòu)三維模型

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

1.2 包裝機的工藝流程

食品包裝機的包裝膜輸送和物料傳送是同步進行的，由光電傳感器與接近傳感器分別對包裝膜和物料的位置進行檢測，光電傳感器對切點信號實時傳送，根據(jù)信號實時調(diào)速，保證橫切刀準確地切到色標位置。

包裝膜由送膜機構(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)推入縱封機構(gòu)，對縱縫進行封合，然后進入橫封橫切機構(gòu)，完成橫向封口與切斷，至此完成整個包裝工序，最后由成品輸出機構(gòu)輸出。包裝機的工藝流程圖如圖4所示。

圖4 包裝機工藝流程圖

2 食品包裝機控制系統(tǒng)設計

隨著第三次工業(yè)革命的到來，微電子及傳感器的應用越來越廣泛，PLC控制技術也越來越成熟，PLC已被廣泛應用于各個工業(yè)領域。設計的食品包裝機控制系統(tǒng)選用PLC可編程控制器，配合伺服系統(tǒng)實現(xiàn)包裝機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，使包裝機具有高的可靠性和強的抗干擾能力[10-13]。

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

圖5 食品包裝機控制系統(tǒng)組成

通過對PLC編程控制驅(qū)動器、驅(qū)動器控制相應的伺服電機的轉(zhuǎn)動，物料輸送、送膜、制袋、縱封、橫切等工序可實現(xiàn)速度匹配，包裝膜與物料位置通過傳感器反饋給PLC，電機轉(zhuǎn)速通過編碼器反饋，PLC根據(jù)傳感器和編碼器的反饋實時調(diào)節(jié)，使包裝機穩(wěn)定運行，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，對觸摸屏進行了設計，所有操作基本都可以通過觸摸屏完成，另外還可以通過觸摸屏進行參數(shù)設計，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 樣機試驗

根據(jù)設計制作試驗樣機，試運行發(fā)現(xiàn)，此包裝機性能穩(wěn)定，操作簡單，參數(shù)設定方便快捷，能夠適用于多種材質(zhì)的包裝膜，適用于餅干、面包等各類有規(guī)則的塊狀食品包裝，樣機及觸摸屏顯示如圖8所示。試驗得到，此包裝機的包裝速度與物料的大小有關，最快能達到250袋/min，能夠適用的包裝膜最寬達到400 mm，包裝產(chǎn)品合格率為99.5%，且包裝產(chǎn)品外形精美，所有控制均可通過觸摸屏由軟件實現(xiàn)，方便功能調(diào)節(jié)和技術升級。

圖8 樣機及觸摸屏顯示圖

4 結(jié)語

設計了一臺能自動完成送料、送膜、制袋及縱橫封等工序的食品包裝機，介紹了其基本結(jié)構(gòu)和工藝流程，并對各個部件的結(jié)構(gòu)做了簡單介紹；以PLC為核心，設計了包裝機的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各個軸的協(xié)調(diào)運動。通過樣機試驗，此包裝機能夠適用于多種材質(zhì)的包裝膜，適用于餅干、面包等各類有規(guī)則的塊狀食品包裝，且具有高的效率和精度，操作簡單，對于不同尺寸規(guī)格的產(chǎn)品都具有很好的包裝效果，擁有廣闊的市場前景，對我國食品包裝行業(yè)的發(fā)展也具有積極的促進意義。