一種自動化軟袋食品再包裝系統設計

梁國健，勞 淞，彭超揚，熊澤鵬，周一帆，吳振賢

（柳州職業技術學院 機電工程學院，廣西 柳州 545006）

目前軟袋食品再包裝的形式主要應用于袋裝組合類食品包裝。軟袋食品本身是指采用了柔性的材料去包食物本體的包裝方法，例如一包方便面或袋裝速食粉里就有多種多樣調味料包，而調味料包就是軟袋食品，其料包分開包裝的形式便于消費者區分以及根據個人喜好來適量加減單獨的調味料。所以，大包裝小包的食品包裝方式一直以來都受到廣大消費者的喜愛。

目前食品包裝行業里軟袋食品再包裝的自動化技術水平較低，因為軟袋食品從形態上區分包括液體、固體、真空包裝、自然包裝及充氣包裝等等，形態各異，且尺寸大小各異，難以實現統一的規范自動化裝袋包裝。目前食品包裝生產企業大多都依靠人工操作來進行軟袋食品的裝袋包裝工作，而人工操作會容易出現工作疲勞，因工作疲勞所導致注意力不集中、動作操作失誤，就會出現多裝、少裝或漏裝的現象，食品的包裝生產質量不能保證始終如一。

人工操作存在失誤率高、效率低的問題現象，因此，為增加企業效益，減少人工成本，本文設計了一種自動化軟袋食品再包裝系統，能實現將軟袋食品的外預制包裝袋自動取袋、自動打印食品包裝信息、自動填裝軟袋食品、自動封口和自動整形輸出成品。對于提高食品包裝產業的自動化水平和保證食品包裝生產質量都具有重大意義。

1 系統總體設計

總體根據軟袋食品的包裝生產作業步驟以及對實際生產環節過程進行綜合分析來設計包裝系統。系統主要包括機械部分和電氣控制2部分。機械部分是系統的主要支撐結構。根據8個工位工作角度分別對應銜接設置了8個繞主軸旋轉的袋架，袋架安裝在一體式單軸上面，起到與8個工位之間進行相互運動的作用。電氣控制部分包括PLC（可編程控制器）、工控機、觸摸屏、伺服電機及氣路系統5個部分組成。包裝機械的自動化控制系統主要是通過PLC系統實現，PLC可以將人們編寫的程序語言邏輯化地反映在包裝機械的生產中。而且，PLC控制系統還有可靠性強、設計較靈活和操作簡單等優點[1]。

8個工位按系統工作流程（圖1）旋轉工作臺轉動依次到達8個工位包裝。

圖1 系統工作流程圖

取袋工位由袋倉、導桿氣缸、搖臂氣動夾爪3部分組成，袋倉擺放預制包裝袋，導桿氣缸工作端設置有吸盤，單個吸取包裝袋分離袋倉，搖臂氣動夾爪夾取上袋，將袋轉交旋轉袋架上的機械手爪。

打印打碼工位由支撐架體、打碼組裝板、導桿氣缸、打碼標簽機4部分組成，導桿氣缸和打碼標簽機固定安裝在打碼組裝板一側，導桿氣缸活塞桿固定連接打碼推塊，導桿氣缸帶動打碼推塊將標簽推向包裝袋，實現對預制包裝袋精確進行打碼打印。

開袋工位由開袋氣缸、開袋支架和開袋連接桿3部分組成，開袋氣缸帶動活動的開袋連接桿運動，進一步使2個開袋支撐桿將預制包裝袋撐開，再運動到填充工位。

填充振實工位由軟袋食品上料機、導桿氣缸、料斗、疏通整形錘和底袋振動器組成，軟袋食品上料機按每一個預制包裝袋的需求將軟袋食品投放進填充料斗，軟袋食品隨即滑落填充至預制包裝袋里，導桿氣缸驅動疏通整形錘，垂直方向對已填裝進包裝袋內軟袋食品進行捅料，底袋振動器同時對其進行震動，讓預制包裝袋內軟袋食品更均勻分散，合理占用袋內空間。

填充2工位作為填充振實1的延展工位，組成部分與其一致，如有其他裝袋需求可使用此部分。

一次熱合封口工位由加熱座、導熱封口夾2部分組成，加熱座將熱量傳遞給導熱封口夾，封口夾嚙合對預制包裝袋進行一次封口。

二次封口部分作為一次熱合封口的后序工位，補償一次封口遺留的封口位。

整形輸出成品工位由靜置底座、整形夾板和掃描器3部分組成，熱合封口結束后成品袋受到整形夾板限制掉落到靜置底座，確保證包裝形態無異樣掃描器讀取數據輸出成品。系統整體分布如圖2所示。

圖2 系統整體分布圖

2 關鍵單元設計

2.1 一體式單軸旋轉袋架單元設計

系統工作狀態下8個旋轉袋架與8個工位之間相互動作的實現，是采用了一體式單軸結構設計（圖3），并配合內槽輪機構以及凸輪機構傳動擺臂輸送動力，且運行軌跡固定。系統傳動部分屬于全自動化機械傳動，執行件較多，各執行件之間需要緊密配合，傳動部分作為系統的關鍵單元包含以下組成部分。

圖3 一體式單軸旋轉袋架單元模型簡圖

傳動機構包括齒輪、傳動鏈條、蝸輪副和聯軸器等傳動機構，按設計的動力按照轉動關系要求把動力傳輸給相關執行件部分。轉動關系是指2個零部件之間存在一定相對轉動的關系。其中，輸入軸與機架，輸出軸與機架，各個滾子與分度盤均為此種關系[2]。

運動轉換機構：槽輪機構、絲杠、連桿機構、凸輪機構和齒輪齒條等運動機構來確保執行系統的運動規律。

機械密封潤滑裝置：齒輪潤滑泵，輪泵內輸送的是潤滑機油，是黏性較大的流體，在流動過程中遵循流體流動的質量守恒、動量守恒等定律[3]。

2.2 可調式儲袋倉設計

系統在取袋工位針對軟袋食品的外部預制包裝袋設計了可調節式儲袋倉（圖4），包含以下組成部分。

圖4 可調節式儲袋倉模型簡圖

組成結構：支撐框架、儲袋倉支板、調節螺絲、儲袋倉支撐腳、儲袋倉底部固定連接板、袋倉導向、調節絲杠、導向軸、導向塊、導桿氣缸、吸盤。

工作原理是由底部安裝有吸盤的導桿氣缸，從底部單個吸取分離出儲袋倉里的預制包裝袋，隨后被搖臂氣動夾爪精準抓取并準確將預制包裝袋對接安裝在旋轉袋架上的機械手爪。

儲袋倉通過調節螺絲和儲袋倉支板，可調節對應需要放置的食品外預制包裝袋外形尺寸大小。調節起來方便快捷，其便捷性可利于系統快速更換其他所需要再包裝的食品。

3 控制系統設計

3.1 控制程序設計

PLC（可編程控制器）可靠性高且編程簡單，維修方便。為了更直觀地了解生產過程以及監控信號的動態變化需上位機、觸摸屏與可編程控制器的配合，這樣才能形成科學有效的食品包裝自動生產線控制系統[4]。其主要包括自動裝料系統控制程序、設備閉環控制程序、模式切換程序等幾個部分。PLC首先使用手動模式對料包打碼、袋底震動、料斗振動和旋轉吹氣等進行手動調試，確保各功能塊在手動狀態下能夠實現設備的完整運行、啟動自動模式，設置產品重量以及包裝速度，實現設備自動控制。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 參數設定顯示程序設計

主要依據WinCC配置完成參數設定顯示，包括主機啟動模式、主機點動模式選擇、點動模式設備狀態選擇、產品重量設定、實際生產數量顯示、伺服器速度設定、報警指示和編碼器值等參數顯示。還可修改環境參數設置。可通過設置環境參數的最高限和最低限，將被控制對象設置在合適的范圍[5]。參數設定菜單程序結構如圖6所示。

圖6 參數設定菜單程序圖

4 實驗驗證

系統經過多次的改善校正，按現有測試條件，選擇袋裝螺螄粉作為實驗對象，1袋袋裝螺螄粉由1個外塑料包裝袋和8個內包組成。所有內包作為軟袋食品包裝對象，包含粉包、湯包、酸筍包、酸豆角包、腐竹包、花生包、辣椒油包及香醋包，軟袋食品從形態上包括有液體、固體，真空包裝、自然包裝和充氣包裝。

測試要求：按理論設計性能的80%工作效率要求，暨每分鐘要求輸出45袋成品螺螄粉生的產速度進行時長1 h的軟袋食品包裝生產運行測試實驗。每一袋螺螄粉共需裝袋8包軟袋食品。共配備了2 700包螺螄粉所需的包裝物料，共計2 700只預制包裝袋料以及21 600袋軟袋食品，實驗數據見表1。

表1 螺螄粉包裝實驗記錄表

實驗全程只有127包螺螄粉沒有完成二次包裝工序，合格率為95.3%。經檢查分析得到原因，這127袋螺螄粉包裝失敗進過檢查發現是因為螺螄粉外預制包裝袋所預留的打碼空間區域不潔凈，表面有劃痕和污漬影響打碼效果，后續掃描器不能讀取信息，導致產品不合格進入廢料區。

實驗結果表明，樣機實現了高效率、高質量地對軟袋食品進行全自動化再包裝生產。

5 結論

本文通過對軟袋食品自動化再包裝的設計研究獲得以下結論：①通過使用一體式單軸設計旋轉袋架，并配合內槽輪機構以及凸輪機構運行的動力傳輸方式能實現各部件運行精確穩定，且運行軌跡固定，達到旋轉工作臺夾持轉動預制包裝袋，依次到達8個工位進行包裝作業；②可調式儲袋倉設計，儲袋倉調節起來方便快捷，其便捷性利于系統在更換包裝產品時快速更換，縮短了對接緩沖時間；③采用WinCC配置實現了參數設定顯示，包括主機啟動模式、主機點動模式選擇、點動模式設備狀態選擇、產品重量設定、實際生產數量顯示、伺服器速度設定、報警指示和編碼器值等參數顯示；④采用PLC自動裝料系統控制程序、設備閉環控制程序和模式切換程序等幾個部分。實現對預制包裝袋打碼、袋底震動和旋轉吹氣等功能。確保設備的完整運行。