高速小顆粒包裝機的設計與實驗

楊桂府

常州信息職業技術學院（常州 213164）

包裝是各類食品、藥品等加工不可或缺的一道工序，它直接影響到產品的外觀繼而影響銷量。隨著市場競爭的日益激烈，消費者對產品包裝的要求也越來越高。隨著社會的發展，人們對商品包裝的要求也越來越多樣化，尤其是小顆粒產品的包裝，傳統的小顆粒包裝機已不能滿足目前的需求，目前我國自主生產的包裝機在市場的占比相對較小，且穩定性和可靠性等相對較差[1-3]。國內小顆粒包裝機大部分為單列式包裝機，包裝速度處于20～80袋/min，這已無法滿足市場的需求，亟需一種高速平穩、自動化水平更高的小顆粒包裝機[4-5]。在分析小顆粒物料包裝工藝要求的基礎上，提出了一種更高效的傳動系統用于小顆粒包裝機，并對其控制系統進行了設計。

1 小顆粒包裝機結構設計

1.1 包裝機整體結構

包裝機的基本結構如圖1所示。采用立式結構[6-8]，它主要由供料裝置、供膜裝置、成型裝置、封切裝置及控制箱等組成。被包裝物料在自身重力的作用下自上而下流動，從料斗首先進入計量裝置，經過計量好的物料會在重力作用下進入成型的包裝袋，然后經過封切裝置封切后，從包裝機底部輸出成品。

圖1 包裝機結構簡圖

其工藝流程圖如圖2所示。包裝膜在供膜電機的作用下進入成型裝置，在成型制袋器的作用下形成筒狀，然后由縱封裝置對筒形包裝袋進行縱向封合，同時料斗里的被包裝物料經過計量裝置進入筒形包裝袋，最后經過拉膜裝置進入橫封裝置，經過橫向封合后切斷，形成包裝成品，最終由成品輸出裝置輸出[9-10]。

圖2 包裝機工藝流程圖

1.2 主傳動系統設計

包裝機的主傳動系統結構如圖3所示。它主要由電機、分配軸、凸輪、離合器、切刀等組成。拉膜凸輪、縱封凸輪及齒輪副中的小齒輪通過鍵安裝在分配軸上，分配軸由主電機通過皮帶及減速器驅動，封切凸輪帶動實現橫封熱封板和橫封切刀的開合，從而實現橫封和橫切，齒輪副將動力傳遞給供料裝置，供膜凸輪將動力傳遞給供膜裝置，縱封電機驅動滾輪的轉動及加熱，實現包裝袋的縱封。

圖3 主傳動系統結構簡圖

分配軸是包裝機的關鍵零部件，它關系到包裝機運行的穩定性，其不僅要滿足足夠的強度和剛度要求，也需要具有好的制造工藝性及便于安裝。安裝在分配軸上的凸輪齒輪等均與軸通過鍵連接，并通過軸肩、套筒、擋圈等保證其軸向位置。設計分配軸直徑為25 mm，材料為45號鋼，表面處理為調質，硬度28～32 HRC。

主電機選擇JY7134三相電機，轉速為1 400 r/min，額定電壓為220 V，功率為370 W，額定轉矩為70 N·m。 根據包裝機50～100袋/min的生產能力要求，即分配軸的轉速為50～100 r/min，所以減速比i=1 400/（50～100）=14～28，即電機與分配軸之間應在14～28的減速比之間無級調節。

2 控制系統設計

2.1 硬件選型

小顆粒物料包裝機的控制系統須滿足的主要功能有：1）滿足設備基本的啟停功能，包括手動與自動的切換功能；2）需具有信號檢測功能，包括對物料質量、橫封與縱封溫度等的監測；3）需具有縱封和橫封的溫度調節功能，保證封口質量；4）能夠實時監控工作狀態，即具有人機交互界面，并可以輸入控制參數。

由于立式小顆粒包裝機具有較多的執行機構，且相互關聯，各執行機構依次有序工作，且多數機構不斷重復往復運動，所以對整個控制系統的要求比較高?？删幊炭刂破鳎≒LC）操作相對簡單且具有較高的可靠性，被廣泛應用于各種工業設備[11-13]，西門子公司的PLC具有較高的可靠性和擴展性，且具有豐富的通信指令，支持點對點接口協議，不僅可以上接工控機，而且可以對自動控制系統進行控制。PLC一般通過PC/PPI電纜與上位機進行通信，PC/PPI電纜可以方便地實現從PLC的通信接口（RS485）到上位機的通信接口（RS232）的變換。實驗選用德國西門子的S7-200型PLC作為立式包裝機的核心控制組件[14]。包裝機的控制系統框圖如圖4所示。

圖4 控制系統框圖

選用S7-200型CPU226為PLC的主模塊，選擇EM235為擴展模塊，此模塊具有4個模擬輸入（AIW）口，1個模擬輸出（AQW）口，滿足包裝機工作需求，且其可以自動完成A/D的變換。

觸摸屏選用昆侖通態的液晶顯示屏，型號為TPC7062Ti，操作者可以通過觸摸屏實現與包裝機的人機交互，實時監測包裝機狀態，可以進行參數設定和修改，并裝有MCGS組態軟件[15]。

稱重傳感器選用日本MTO微型拉壓力稱重傳感器，型號為LRS-890 g，稱重范圍為0～890 g，具有過載保護、穩定性高等特點。

溫度傳感器選用MINCO鉑熱電阻，其運用模式靈敏，精度高，溫度測量范圍為0～200 ℃，用于縱封與橫封溫度的檢測。

2.2 上位機界面設計

MCGS（Monitor and Control Generated System）組態軟件是一種能夠快速構造和生成上位機監控系統的軟件系統，被常用于工業控制領域及實時監測方面的計算機系統軟件，此系統軟件具有操作簡便、功能性強、可維護性強的特點，可快速方便地采集現場數據，并進行處理。利用MCGS組態軟件對顆粒包裝機的上位機界面進行設計。

設備運行監控的主界面如圖5所示。界面上方為手/自動切換、啟動、停止3個按鈕，用于模式切換或啟停；下方為各部件的運行檢測，可以實時檢測各部分的運行狀態，運行正常時顯示燈為綠色，運行不正常或者檢測不到信號時，顯示燈為紅色。

圖5 設備運行主界面

生產檢測界面如圖6所示。界面上方為稱重質量、包裝速度、橫封溫度等主要工作參數的實時檢測，可以實時顯示包裝機的主要參數的數值。界面下方為生產界面、重量界面、溫度界面等的切換按鈕，觸摸后可以進入相應的設置界面設置參數或檢控設備狀態，各個設置界面可設置質量、封切溫度及包裝長度等參數，可以為不同包裝材料或不同包裝質量的產品設置相應的參數。

圖6 生產檢測界面

3 實驗結果

顆粒包裝機性能的主要評估指標包括對物料的計量精度、包裝質量以及包裝速度等，而包裝速度與包裝質量又相互矛盾，速度太快會導致包裝質量下降，要想提高質量必定會影響包裝速度。

顆粒包裝機樣機如圖7所示。經實驗，包裝機包裝500 g的袋裝食鹽，在90袋/min的包裝速度下，合格率能達到99.6%，計量精度能夠達到±0.2%，且性能穩定，滿足使用要求。

圖7 顆粒包裝機樣機

4 結論

根據小顆粒物料包裝的工藝要求，設計了一種高效的傳動系統用于小顆粒包裝機，介紹了其基本結構及工作流程，運用PLC為其主控模塊，并對其控制系統進行了設計，運用MCGS組態軟件對包裝機的上位機界面做了設計。制作樣機并實驗得到，此包裝機能夠達到90袋/min的包裝速度，合格率能達到99.6%，且操作方便，證明了此包裝機能夠滿足高效高自動化的要求，滿足設計要求。