自动制袋包装机驱动进给结构优化设计

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制袋包装机作为-种包装成型专用自动化设备，实现了产品在线自动制袋包装的目标。在食品饮料，医药，化妆品等行业已得到了广泛应用。但是，由于所包装的物料，计量方式和范围及制袋尺寸等不同而很少应用于电工电器产品及工业零件的在线制袋包装。尽管如此，分析制袋包装机结构，进行优化设计，取代人工装袋，应该是电工电器行业工艺装备技术改造的方向。

制袋包装机虽然结构种类多，但也有其共同点。主要由产品输送机构，送膜及拉膜机构，制袋成形装置和热纵、横封口装置以及纵、横封口脱膜装置，电气控制系统，主驱动进给结构组成u。

就制袋成型包装而言，各机构稳定协同进给与传动，是整机完成拉袋、制袋、控制袋长稳定、准确封口切断的关键。

目前，电工电器新-代产品的智能化、拈化、组合化、小型化等特征对包装工艺装备技术改造提出了更高的要求；采用小型化、轻体重、低噪音、多规格同线柔性化包装设备的要求和需求与日俱增。先进企业开始注重在线制袋包装产品，以减少制程环节，节约人工成本，降低环境及人为主观因素对产品质量的影响；本文运用结构优化的方法，设计-种适用于电工电器及其配件在线制袋包装机的驱动进给结构。

1 总体技术方案1)产品要求：多品种柔性生产线模式，快速换线。制袋范围：长70600mm：宽20200mm，高151 lOmm最大膜宽600mm；产品输送带宽450mm；包装后无破损和皱折现象。

2)在线工艺要求：包装速度为1件/2秒，产品由皮带线抵料机构输送进入制袋器，自动拉膜、制袋、包装、纵、横向封 口、脱膜，自动监控制袋长度和结构组成单元的位置。

3)设备运行要求：噪音小于75分贝，使用环境温度045℃；工作台面高度50mm±10mm；设备控制面板和切刀装置分别装有急停装置，安全可靠。

4)接入电源要求：设备电源AC220(1±10%)V，频率50Hz，设备总容量3KVA；5)接入气源要求：0.6±0.1 Mp，工作气体经过滤清器调节处理。

6)外型尺寸和重量要求：160o×7O01500mm：重量小于500kg。

2 驱动进给结构方案基于总体技术方案，考虑制袋包装机的驱动进给结构融合机械式和电气式的特点，送料部分采用机械结构完成，横封装置由电气系统完成。

收稿日期：2013-01-23作者荷介：张麦奇 (1959-)，男，陕西西安人，工程师，本科，主要从事工艺装备技术改造研究。

第35卷 第7期 2013-07(上) [1071 l 訇 化送料部分主要组成和作用：压膜轴装有滚针轮组成压膜轮5，与胶轮组成的送模滚筒6及其引膜筒7共同完成拉膜 、送膜动作。定位轴4和挡膜杆2担负着固定薄膜筒1和调整膜中心的作用，使其中心与制袋器10和纵封轮11的中心延长线重和，保证制袋质量▲料皮带9输送产品8进入制袋器10，完成制袋包装的任务。纵封轮1 1和夹运轮13承担纵向封 口和护送动作。电机12驱动送膜、纵封和夹运机构传动。

横封装置主要由气缸l9及其上刀架16和下刀架18组成，负责横封与切断包装袋。送出皮带副l7与下个工序相连。而送膜编码器l4和切刀原点光电传感器15，负责监视制袋的长度和切刀原点位置 。

图1驱动进给结构示意图按照结构示意图进行尺寸和形状优化。主要内容包括：1)考虑机型和重量，优化机架用材料及其尺寸和轴类直径，设定送膜滚筒直径65ram。

2)考虑结构受力平衡，将送膜机构从皮带副的侧平面 移植”到上平面。

3)考虑整机振动控制，进给执行机构如纵、封刀架设计有减振装置。

尺寸优化和形状优化改变了尺寸和形状外貌，但很难对原结构进行较大改变，不能对组成结构的单元进行简化，以满足柔性生产快速、精确、简便调换产线需求。同时，也不能保证由这种方法得到的方案是真正意义上的最优设计。要探讨结构简化的最优形式，还需要将驱动进给结构视为-个固定的区域 ，进行离散，找出 软[1081 第35卷 第7期 2013-07(上)点”，构成有限元模型。这里重点对送膜和横封切单元进行结构拓扑优化 。

2.1送膜机构优化方案根据驱动进给结构原理，按照送膜、纵封、夹运轴的实际工作情况，设定送膜电机最大转速600 rpm，步进电机 (编码器PLC)通过连轴器驱动送膜滚筒，获得精准速度和刹车控制。则送膜进程：X进给L1.3HCgm (1)式 (1)中，L为产品长度，H为产品高度，C常数为横封刀宽度30mm。

设计传动装置 (链传动齿轮传动)保证-对纵封轮和夹运轮同步。采用编码器测量步进电机旋转角速度，通过人机界面将终端数据传输至PLC控制器，利用PLC控制器控制电机转速和位置，从而把机械位移量变成电信号来控制包装袋的膜长，得到不同产品规格需要的制袋尺寸。和传统的机械式送膜机构比较，减少了齿链式无级变速箱、蜗轮副、皮带副、凸轮等诸多中间环节♂构简单，传动误差校2.2横封装置优化方案送产品、送膜、纵封轮、夹运轮连续地匀速进给的同时，横封装置的上下刀架必须同步完成- 个个进给周期。因此，选择上下刀架进给方式就显得很重要了。

若选择横封装置为普通的匀速传动装置 (旋转运动)，这样横封刀架转动-周的时间，必须等于纵封匀速送进-个包装袋的时间。但由于电工电器产品的规格不-，产线制袋长度必然变化，而横封装置的转速或刀架半径未作变化，就会出现封切包装薄膜的线速度与薄膜进给的线速度不-致.即V横刀线≠V进给线；当V横刀线>V进给线时，会出现拉坏膜，伤及到产品；反之包装袋拥挤皱折，影响外观。另则，若在横封传动线路中设置变速机构，必然增大机型和噪音，维护也不方便 。

本结构设计了电气式横封刀架往复传动装置。具体采用两个气缸直接驱动横封上、下刀架做上下往复运动，刀架装有缓冲弹簧及软垫块，使切合面软接触，切合面位于产品高度的112处。

气缸安装于机架横梁上，整体机构安装于夹运轮和送出皮带副之间。如图2所示。

l 訇 地气缸与上刀架-A A ./ iIl I 10l I·llll III-I -I L上 y IU U lI I U U佃儡与 哪 硼 程 川I下 B· ' 棚 -l 0 n f I g 0 I v 1目 · f I T 程 I l--B B-图2 气缸驱动横封装置示意图电气回路采用PLC、电磁阀等控制气缸驱动上下刀架切合、热熔、返回原点；横封装置就完成了-个产品的横封和切断周期。

实践表明，采用PLC控制气缸往复传动代替电机旋转传动，轻松解决了机构间旋转线速度不等的问题。调整直线运动速度，使气缸横封速度等于夹运轮送料速度，则有下式：T横封(周期)T送料(周期) (2)通过人机界面调整满足式 (2)就容易多了。

最大的优点是降低了机械振动，动作快捷，结构简单，气源方便，造价低，节约电能。

3 结构控制系统设计旋转编码器通过光电转换，获取送膜滚筒角位移和角速度等物理量，并转换成相应的电脉冲数字量；联同传感器测得产品长度L和切刀实际位置的电信号输入PLC，然后经过控制器程序运算，输出指令信号，控制电机驱动结构同步工作或停止。用X0(1，2)表示输入节点，Y0(1，2)表示输出节点，PLC控制程序要点如图3所示。

当被包装产品前端到达传感器1的时刻，送膜电机开始运转，程序读入编码器脉冲数P ，至产品后端离开传感器l时，程序读入编码器脉冲数P2，同时读入产品长度L信号，则有产品长度- fP2.Pl1刀D T 、 ，J-，- P式 (3)中，D为送膜滚筒直径65mm，膜电机转-圈，编码器输出的脉冲数。

(3)P为送纵封电机和夹运电机同步运行，包装产品经过Y2、Y3，产品前端送达传感器2时，程序读入编码器脉冲数P，，直至产品后端离开传感器2时，程序读入编码器脉冲数P4和产品包装进程x进给信号，于此同时，程序读入切刀原点传感器信号，气缸开始横封工作。则有气缸行程：Y鼢： ：x进给 (4)由式 (1)、式 (4)得： 。

P4P -P1 塑 (5)。 。兀D当编码器输出P 时，气缸返回原点位置，工作机构则完成制袋包装的-个工作循环。

Yl送膜 ～ 切刀原点抵料 Y0 制袋 Y2 纵封Y3 夹运 Y4 横封 Y5图3 驱动进给结构控制程序要点示意图而人机界面的使用，使设置、调整和操作变得更方便。如图4所示。

LL--. j 编码器]I 急停信号 Dc24V .l 恩佰亏H ----·------------ HMI BU- I IIJ- 至 纵封电机呻 垂 夹运电机呻匪垂丞 H④进皮带电机 气缸到位信号- 委萤 丑--气缸 ：图4 驱动进给结构电气控制原理示意图4 结束语通过制袋包装机驱动进给结构的优化设计，研制了新的驱动结构形式，基本上解决了电工电器产品小型化、轻体重、低噪音、多规格同线柔性化自动制袋包装的问题，提高了生产效率。同时为电工电器工艺装备技术改造提供了-种有效手段。