較厚塊狀物品枕式包裝封口部件集成設計

晏祖根，朱 迪，李 鵬，孫智慧，孟 爽

(哈爾濱商業大學 輕工學院，黑龍江 哈爾濱 150028)

我國的包裝機械行業加強了自主創新與技術集成，技術水平得到快速發展，我國已成為世界包裝機械制造大國。但與美、德、日等國的包裝機械所處的先進水平相比，我國的包裝機械在質量、速度及精度等方面依然落后，包裝機械從“中國制造”轉變為“中國智造”刻不容緩[1]。

隨著經濟發展和消費方式的改變，個性化的包裝形式逐年增加，適合不同細分領域的包裝機械層出不窮。枕式包裝機作為包裝機的一種主要類型，廣泛應用在食品、日化和醫藥等行業。為提高包裝機的封口切斷性能，孟康[2]和萬乾程[3]等開展了枕式包裝機封口機構的研究；鄭兆啟等[4]開展了凸輪連桿式切斷機構與超薄自粘膜橫封裝置的研究；李文方等[5]開展了橫封切斷機構的速度控制研究；為提高包裝機效率，郝友莉等[6]開展了包裝機密實輸送螺桿研究；邢亞飛等[7]開展了新型粉末包裝機往復式橫封機構的設計，以提高包裝執行機構的包裝速度與包裝的穩定性。針對傳統枕式包裝機通用性差、自動化程度低等問題，Gao等[8]提出一種3伺服枕式包裝機控制系統以提高包裝機的平穩性。張震宇等[9]開展了粉粒及塊狀物料包裝流水線自動封口機的設計，實現了物料包裝流水線自灌裝到封口流程的全程自動化運行。面向行業對5連包方便面等厚度較大塊狀物品的包裝需求，研發高性能枕式包裝袋封口部件及包裝機，具有很好的工程應用背景。

1 較厚塊狀物品枕式包裝封口工藝

產品包裝取決于包裝物料與包裝材料的物性、制袋封口方法及使用要求等。根據包裝機的設計要求，確定加厚塊狀物品枕式包裝袋的封口工藝：

1)縱封輥相向旋轉，將已充填物料的筒狀包裝薄膜中縫封口，移送到橫封工位；

2)前、后折膜機構相向運動，將包裝筒前、后折膜，形成包裝袋的2層疊封；

3)上封口切斷機構和下封口機構相向動作，橫封切斷包裝膜，形成枕式包裝袋成品。

加厚枕式包裝袋封口工藝如圖1所示。

圖1 加厚枕式包裝袋封口工藝Figure 1 Sealing process for thicker pillow packaging bag

2 新型封口部件工作原理

封口部件是枕式包裝機的重要組成，直接影響包裝機的性能。基于大塊物品的包裝封口工藝分析，利用SolidWorks，建立加厚枕式包裝袋的封口部件模型，如圖2所示。圖中部件主要由縱封、整理輸送、橫封和成品輸出等部件組成。充填塊狀物品的筒狀包裝薄膜在成型器折疊成型，順序通過縱封、整理輸送及橫封等部件，自動完成加厚枕式包裝袋的縱封、橫封和切斷等工序動作；經過廢品剔除部件的揀選，由成品輸出部件將包裝成品輸出。

圖2 枕式包裝封口部件Figure 2 Sealing parts of pillow packaging machine

3 縱封部件結構設計

包裝袋縱封部件如圖3所示，主要由拉膜機構、預熱機構、縱封機構、物料托板以及縱封基座等組成，實現枕式包裝袋的拉膜、預熱與中縫的連續輥式封口。

圖3 包裝袋縱封部件Figure 3 Longitudinal sealing parts of packaging machine

縱封部件拉膜機構如圖4所示。一個拉膜輥固定安裝，另一個拉膜輥安裝在擺動平臺上。在壓緊彈簧作用下，2個拉膜輥保持緊密接觸以實現包裝膜的穩定輸送，同時根據工況要求還可以用微調機構來調整薄膜壓緊力。如出現故障或更換包裝膜時，通過開合機構末端的偏心凸輪使2個拉膜輥脫開一定距離，方便包裝薄膜通過。拉膜輥的直徑為112 mm，輥面為網紋狀；拉膜齒輪模數為2，齒數為28；輸入同步帶輪為T5齒形，齒數為32；錐齒輪模數為2，齒數為28。

圖4 縱封部件的拉膜機構Figure 4 Packaging film supply mechanism of longitudinal sealing parts

縱封部件的預熱機構如圖5所示，采用預熱板預熱包裝袋的中縫部位。氣缸和連桿機構的共同作用可以調整2塊預熱板的相對位置；同時協同溫控儀，保證包裝薄膜的預熱效果。如出現故障或更換包裝膜時，氣缸復位；在拉緊彈簧的作用下，2塊預熱板脫開一定距離，避免包裝薄膜長時間預熱。

圖5 縱封部件的預熱機構Figure 5 Preheat mechanism of longitudinal sealing parts

縱封部件的縱封機構如圖6所示。2個縱封輥中的一個安裝在基座上，另一個安裝在動平臺上。在拉伸彈簧作用下，2個縱封輥保持緊密接觸。輸入同步帶輪和齒輪的傳動帶動2個縱封輥作旋轉運動，2個縱封輥運動時夾持枕式包裝袋的中縫，完成包裝袋的縱封。如出現故障或更換包裝膜時，開合氣缸動作使2個縱封輥脫開一定的距離，避免包裝薄膜粘連在縱封輥上，同時也方便包裝薄膜的導出。

圖6 縱封部件的縱封機構Figure 6 Vertical sealing mechanism of longitudinal sealing parts

縱封輥直徑為112 mm，輥面按包材厚度、性能和封接要求，制成不同形狀的網紋；輥內安裝加熱盤，可通過溫控儀調整加熱溫度。這些結構和儀表可以保證包裝膜之間有足夠的結合力，保證包裝袋的密封性和美觀度。輸入同步帶輪為T5齒形，齒數為32；錐齒輪模數為2，齒數分別為18和36。

4 旋轉往復式橫封器設計

4.1 橫封器工作原理

厚度較小的扁平塊狀物品，可選用扁平枕式袋。對5連包方便面等較厚的塊狀物品，如采用常規的旋轉式橫封器，封口處容易出現褶皺，如采用往復式橫封器，則封口速度較慢[10]。基于加厚枕式包裝袋封口工藝，結合旋轉式和往復式橫封器的特點，設計一種新型的旋轉往復復合式橫封器，如圖7所示。橫封器主要由進料部件、橫封器組件、折膜機構和成品輸出部件等組成。經縱封部件完成中縫封接的包裝袋，通過進料部件的皮帶輸入橫封工位；橫封器組件與前折膜機構、后折膜機構協同動作，完成包裝袋中縫的橫封封口與切斷，輸出包裝成品[11]。

圖7 旋轉往復式橫封器總成Figure 7 Rotary reciprocating horizontal sealing parts

為避免較厚包裝袋封口過程的干涉問題，設計了進料部件和成品輸出部件的隨動機構如圖8所示。進料部件進料皮帶的主動帶輪F1和從動帶輪F4固定在基座上，帶輪F2和F3安裝在進料連接板上，進料凸輪也安裝在進料連接板上。安裝在下熱封器上的桿端軸承按溝槽凸輪的輪廓軌跡運動，驅使帶輪F2和F3作相應的平動動作；在保證進料皮帶長度不變的情況下，使得包裝袋及內含包裝物與橫封機構保持適當空間，實現包裝袋橫封的穩定封接。成品輸出部件同理設計，保證包裝袋橫封的穩定封接和包裝成品的快速脫離與輸出。相比于常規橫封器，新型橫封器的上、下封頭采用平行熱封板、實現板式面接觸的熱封，具有封合質量好、封口速度快和封合厚度較厚的特點，但結構比較復雜、制造成本較高。

圖8 橫封部件機構簡化模型Figure 8 Simplified mechanism model of horizontal sealing parts

4.2 橫封器組件

橫封器組件是橫封部件的重要組成部分，主要由上熱封器、下熱封器、直線導軌、齒輪組和端封基座等組成，如圖9所示。

1—前折膜凸輪；2—導軌；3—封口器；4—切斷氣缸；5—上刀體；6—回轉腕；7—封口溝槽凸輪；8—后折膜凸輪；9—下刀體；10—端封座；11—輸入同步帶輪；12—齒輪組；13—檢測擋片；14—機械鎖。圖9 橫封器組件Figure 9 Model of horizontal sealing components

圖9中，電機驅動輸入端同步帶輪轉動，同步帶輪順序地通過齒輪組驅動上、下回轉腕作等速旋轉；安裝在上、下刀體上的桿端軸承，分別跟隨上、下封口溝槽凸輪運動；上、下封口器分別安裝在上、下刀體上，由于直線導軌的限制，當回轉腕旋轉時，上、下刀體只能沿溝槽凸輪的輪廓軌跡做復合往復平動，帶動上、下封口器也作相應的復合往復平動，實現包裝袋端縫的熱封接與切斷。

為提高橫封機構的剛度、封接速度和運動同步性，橫封器組件采用對稱布置的形式，在兩側端封座上安裝同配置的傳動機構與執行機構。為簡化機構設計，將包裝袋切斷裝置與橫封器進行集成設計。切斷裝置采用氣缸驅動，安裝在上熱封器上，隨上熱封器一起平動。當上熱封器往復移動到相應位置時，切斷氣缸動作，帶動上熱封器內的切刀動作，將已橫封的包裝袋端縫切斷。為消除傳動間隙、提高傳動精度，傳動齒輪組采取雙齒輪結構，通過機械鎖調整齒輪傳動的傳動間隙，提高橫封器的運動平穩性和兩側齒輪傳動的同步性。

4.3 包裝袋折膜機構

枕式包裝袋較厚，必須先折膜再封口。包裝袋折膜機構如圖10所示，包括前折膜機構、后折摸機構兩部分。下刀體作復合往復移動的同時，驅動折膜板跟隨下熱封器及包裝袋作往復平動。同時，折膜凸輪旋轉，通過軸承、折膜連桿機構，驅動折膜動平臺沿橫向導軌作往復的折膜動作。前后折膜機構協調運動，實現包裝膜橫封之前的折膜動作。

1—折膜凸輪；2—端封座；3—下刀體；4—橫向導軌；5—出料凸輪；6—折膜動平臺；7—折膜板；8—輸出皮帶；9—輸出導軌；10—折膜連桿機構；11—齒輪組。圖10 單端包裝袋折膜機構Figure 10 Folding film mechanism of horizontal sealing component

4.4 橫封工藝階段設計

對較厚枕式包裝袋的橫向封口，必須使包裝袋與橫封機構在封口的過程中保持適當距離，以保證包裝袋端封的穩定封接和包裝成品的快速脫離。根據封口動作和封口工藝要求，可將橫封工藝分成3個階段，如圖11所示。圖中僅繪制下半部分橫封機構，點A，B和C對應溝槽凸輪的3個位置。

圖11 枕式包裝橫封工藝階段Figure 11 Horizontal sealing process stage

1)第1階段(從A到B)。上、下熱封器做旋轉往復式平動，上、下熱封器在A點開始和包裝膜接觸，包裝膜包裹在上、下熱封器的外表面，跟隨熱封器運動，直至上、下熱封器運動至B點位置時開始接觸。

2)第2階段(從B到C)。上、下熱封器夾持著包裝膜繼續平動，完成包裝袋的熱封接與切斷。

3)第3階段(從C到A)。上、下熱封器運動至C點位置時脫離接觸，繼續回轉到A點。在此過程中，輸出皮帶帶著包裝成品快速脫離，同時，牽引包裝膜筒及內包裝物繼續前行，直至下一個包裝物移動到橫封工位。

4.5 橫封機構運動分析

基于橫封工藝原理，建立端封機構運動分析模型如圖12所示。上、下熱封器采用對稱運動機構，為分析簡便，僅繪制下熱封器的運動機構。圖12中：O為回轉腕曲柄的回轉中心；P為滾子軸承的中心，滾子軸承沿溝槽凸輪的輪廓曲線運動；D,E為下熱封器封口面的2個角點；G，H為內包裝物的下角點；M為封橫進料凸輪內的滾子軸承中心；N為成品出料凸輪內的滾子軸承中心。

圖12 橫封機構運動分析原理圖Figure 12 Horizontal sealing mechanism motion schematic diagram

滾子軸承的回轉中心、滾子軸承與溝槽凸輪內輪廓接觸點、曲柄回轉中心為三角關系，為簡化設計模型，此處忽略滾子軸承的半徑對機構運動學分析的影響。基于橫封機構運動分析模型，有：

VP=ωR。

(1)

式中：VP為滾子軸承的瞬時速度；R為凸輪輪廓的瞬時半徑，與凸輪輪廓的位置有關，R=f(θ)；θ為回轉腕曲柄的旋轉角度，對下熱封器順時針為正向旋轉方向。

橫封器拉膜的過程中，包裝膜與熱封器的封口表面不能有相對滑動，且有：

VG=VF-V1;

(2)

VH=VB-V2。

(3)

式中：VG為包裝膜及內包裝物的進料速度；VH為單端封口包裝袋的回推速度；VF為進料皮帶速度；VB為成品輸出皮帶速度；V1為進料皮帶移動帶輪F2的移動速度；V2為成品輸出皮帶的移動帶輪B2的移動速度。

因為包裝膜與熱封器無相對移動，則有：

(4)

(5)

式中：VD為成品輸出皮帶速度；φ為熱封器拉膜過程中進料包裝膜與水平面的夾角，與封合位置有關；Ψ為熱封器拉膜過程中出料包裝膜與水平面的夾角，與封合位置有關。

V1=VPcos (α+θ)sinα;

(6)

V2=VPcos (β+θ)sinβ。

(7)

式中：α為進料溝槽凸輪的輪廓曲線角度，與滾子軸承中心位置有關；β為成品輸出溝槽凸輪的輪廓曲線角度，與滾子軸承中心位置有關。

5 封口執行機構工作循環圖

枕式包裝機需通過多凸輪、連桿機構的協同動作，實現枕式包裝袋的進料、折膜、橫封、切斷以及成品輸出。基于前述工藝分析與執行部件的設計，設計封口部件執行機構的工作循環圖[12]如圖13所示。

圖13 橫封器執行機構工作循環圖Figure 13 Working cycle diagram of horizontal sealing mechanism

主動電機通過同步帶和齒輪傳動，驅動包裝袋的拉膜、整理輸送與縱封機構做連續等速轉動；橫封機構通過溝槽凸輪和曲柄滑塊機構，實現上、下熱封器的旋轉往復平動封口動作；通過PLC控制切斷氣缸動作，實現包裝袋端縫的實時切斷；通過進料溝槽凸輪、輸出溝槽凸輪，實現進料、輸出皮帶機構的往復移動；通過前、后折膜凸輪及折膜連桿機構實現包裝袋的前、后折膜動作。基于封口執行機構的工作循環圖，可指導溝槽凸輪等機械控制元件的設計，也為整機的PLC控制提供技術支持。

6 結語

課題組根據行業內對較厚塊狀物品的枕式包裝需求，基于常規枕式包裝機封口部件的分析，設計了較厚塊狀物品的包裝工藝；基于凸輪與PLC的協同控制理念，建立了旋轉往復式橫封運動學模型；設計了旋轉往復式橫封器與縱封器，以及多機構協同控制的工作循環圖。課題組研發的新型封口部件已在企業的枕式包裝機上應用，相比于常規封口部件，具有適用包裝尺寸大、封合質量好及封口速度快等優點。后續還需優化各凸輪的輪廓曲線與PLC協同控制程序，提高枕式包裝機的包裝速度與可靠性。