一種連續往復式封切包裝裝置的設計與實現*

龍淑嬪，陳勝利，葉春德，陳桃彬，唐 善

(1.河源職業技術學院，廣東 河源 517000；2.歐華包裝設備(河源)有限公司，廣東 河源 517000)

0 引言

封切包裝機是一種用于批量生產包裝的流水作業、工作效率高、加工產品質量好的自動化設備[1]。近年來隨著國內包裝市場規模的不斷擴大，立式包裝機在食品、小型玩具包裝行業占比越來越高，但國內現有技術水平總體呈現出封包效率低、可靠性差等缺點，不能滿足市場需求。

橫封機構是立式封裝機的重要封裝模塊，目前立式包裝機橫封機構基本都是間歇式的，在加工過程中都是間歇包裝。當單機包裝速度達不到客戶需求時，為了滿足大批量生產，就只能買多臺機器。更多的機器設備，也相應地使得投入成本成倍增加，設備增多，生產需要的場地也會加大。因此，本文對橫封機構性能需求及工作流程進行了分析，設計了一種能夠實現連續橫封且高速、精準、高效的自動控制精密往復橫封裝置。

1 橫封機構性能需求分析及工作流程

橫封裝置為立式包裝機進行橫向封口和袋口剪切的重要功能機構，其質量直接決定了包裝機整體的工作性能[2]。本項目立式封裝機對橫封機構的性能需求如下：

(1)產品袋寬范圍為100 mm～300 mm，可進行插腳操作。

(2)包裝速度達到100包/min～130包/min。

(3)橫封封口動作同時能進行橫封升降。

(4)能夠完成連續往復包裝。

(5)機構運行可靠，速度快，成本低。

立式封裝機橫封機構的工作過程為：橫封封口伺服系統通過擺臂推動橫封器完成橫封封合，同時橫封升降伺服系統上下往復動作，配合橫封封口伺服系統在設定的時間內瞬間完成封口和切斷，連續往復動作完成包裝。橫封機構具體工作流程如圖1所示。

圖1 橫封機構工作流程

2 橫封機構結構優化設計

通過對橫封機構的工作要求和工作流程進行分析可知，橫封裝置如需按要求完成工作，則要在結構上進行優化，能夠同時完成熱封和插腳工作，且滿足快速平穩的要求。設計的立式封裝機自動往復橫封機構由升降機構、橫封機構和插腳機構組成，通過驅動控制實現快速往復封切。

2.1 升降機構設計

升降機構主要由導軌安裝座、升降伺服系統、升降支架、滾珠絲桿和線性滑軌等零部件組成，如圖2所示。

1-升降支架；2-滾珠絲桿；3-膜片聯軸器；4-伺服系統；5-絲桿軸承座；6-導軌安裝座；7-螺母固定座；8-線性滑軌

自動高速往復橫封設備整套機構由升降導軌固定在主機上，橫封升降原理為：伺服系統根據系統要求驅動電機按設定速度和方向運轉，電機驅動絲桿旋轉，絲桿旋轉帶動升降支座上下運動，同時升降支座連接線性滑軌運動副，帶動橫封封口與插腳裝置在導軌上實現往復升降運動。

2.2 橫封機構設計

橫封機構由伺服驅動減速系統、前熱封器、后熱封器、發熱管和切斷刀等零部件組成，如圖3所示。

1-切斷刀；2-后熱封器；3-連桿；4-伺服驅動減速系統；5-擺臂；6-發熱管；7-橫封導軸；8-前熱封器；9-氣缸;10-底框

橫封機構底框側邊設有橫封導軸，前熱封器固定裝在底框內，后熱封器活動套裝在橫封導軸上，驅動組件通過擺臂與后熱封器連接帶動該后熱封器沿著橫封導軸移動，切斷刀安裝在前熱封器所在區域，底框固定裝在升降機構上。

橫封機構封口原理為：系統發出指令后，伺服驅動減速系統啟動并逆時針轉動，帶動擺臂和連桿進行動作，擺臂帶動橫封導軸前移，從而驅使與導軸相連的后熱封器前移，前、后熱封器貼合且發熱管工作進行封袋操作，封袋完成后氣缸動作帶動切斷刀切斷包裝袋。封口完成后系統驅動伺服電機反向轉動，通過連桿和橫封導軸帶動后熱封器回退。

2.3 插腳機構設計

插腳機構由插腳氣缸、上插板、下插板、插腳導板、連桿和鎖塊等零部件組成，如圖4所示。

1-上插板；2-上連桿；3，9-鎖塊；4-插腳導板；5-插腳導桿；6-氣缸；7-下插板；8-下連桿

插腳導板裝設在插腳座一側，軸承座上通過螺母鎖緊有上導軸和下導軸，插腳氣缸的活塞桿與軸承座固定連接，插腳氣缸與氣缸板固定連接，上插板安裝在上導軸，下插板安裝在下導軸，上導軸和下導軸分別通過軸承從氣缸板穿過，上導軸和下導軸上分別安裝有鎖緊塊。

插腳機構的工作原理為：前、后熱封器每完成一次封口，插腳氣缸帶動活塞桿伸出或縮回，從而帶動上導軸和下導軸移動，進而帶動上插板和下插板伸出或縮回，完成對包裝袋的插腳操作。

3 橫封機構控制系統設計

立式封裝機橫封機構的往復精確封裝提高了設備的封切效率和質量，其功能的實現通過PLC控制伺服驅動模塊進行精確動作控制。橫封機構利用伺服驅動模塊帶動升降臺進行升降，完成送料工作，同時滿足不同型號產品尺寸的自適應調整。伺服加上行星減速機通過機械結構驅動后熱封器進行前移、后退，完成熱封和復位操作。系統通過固態繼電器等對橫封加熱器進行加熱，完成熱封。橫封機構優化后，通過伺服模塊對升降機構和熱封器位移的方向和距離進行精準控制，同時伺服模塊驅動電機實現正反轉帶動熱封進刀和復位，高速精準完成封切工作，其控制電路簡圖如圖5、圖6所示。

圖5 伺服驅動電路

圖6 加熱器電路

4 裝置實驗驗證

封切機橫封機構設計和改進后進行了生產測試，其數據如表1所示。本設備經過調試及運行檢測已經成批生產并投入市場，因為其優異的性能，產品在歐美地區及中國大陸均取得了很好的銷售業績[3]。

表1 橫封機構優化后測試數據

5 自動控制精密往復橫封設備創新性及優點

通過對立式封切機的橫封機構進行機械結構和控制方式優化設計，產品調試運行后與市場同類設備進行對比，其具有以下創新性及優點：

(1)機構聯動，實現高速封裝。通過對升降機構進行優化設計，伺服系統帶動橫封機構進行封口操作、帶動插腳機構同步上下往復移動實現升降操作，具有定向性和準確性，同時滿足在高度上的調整需求，確保加工的靈活性，有效提高了橫封封口速度，最高可達135包/min。

(2)采用伺服驅動，實現自動往復包裝。通過對橫封機構進行優化設計，采用伺服加行星減速機通過擺臂組件推動橫封封口組件完成封合，操作靈活，可實現連續動作，提高了生產效率。橫封封口組件采用高硬度鋁合金材料，前熱封器固定處加緩沖彈簧，外加緩沖氣缸輔助，操作平穩、振動小，提高了生產精度。

插腳機構通過優化結構設計，實現在橫封部分動作時保持插腳氣缸通氣，實現穩定高速插腳導板運動，在封口完成瞬間進行插腳操作，提高了產品插腳的速度和質量，系統的穩定性也有所提高。

(3)自動控制，提高產品精度。通過機構整體優化，實現了高度和寬度的自適應調整功能，擴大了加工產品尺寸和類型范圍。設備在實現袋寬在100 mm～300 mm范圍可調基礎上，還提高了封切質量，其平均廢品率遠遠低于國內平均水平。

6 結束語

通過對立式封切機的橫封機構進行優化設計和改造，使其通過模塊化伺服控制系統進行動作控制，實現了橫封機構的連續往復封切。同時，對橫封機構的封口進行設計，使之具備尺寸自適應封切功能，可調整范圍達到200 mm，在全自動控制生產模式下，封切速度最高可達135包/min，廢品率低至0.01%。通過測試，該設備各項生產數據居于全國同類產品前列。總之，基于自動控制的精密往復橫封設備的投入使用將對封切行業發展起到積極的作用。