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據(jù)不完全統(tǒng)計: 2013 年我國食品和包裝機械行業(yè)完成工業(yè)總產(chǎn)值 2  920 億元,  同比增長 16． 80%,超過全國機械工業(yè)當(dāng)年增長率[1] 。 這些年來, 隨著中國國際化步伐的逐漸加快, 食品包裝機械以每年18%的速度遞增, 且已經(jīng)出現(xiàn)了一批接近和達(dá)到國際水平的高端產(chǎn)品[2] 。 但諸如企業(yè)規(guī)模較小、 產(chǎn)品層次低和可靠性差、 進(jìn)口依賴嚴(yán)重、 開發(fā)能力低下、 研發(fā)投入不足、 專業(yè)技術(shù)人才缺乏等問題也使國內(nèi)包裝機械產(chǎn)品飽受詬病[3] 。 目前, 國內(nèi) “ 制袋-充填-封口” 包裝機械產(chǎn)品的機型以單列、 三邊封袋型為主[4] 。 小袋包裝在醫(yī)藥和食品行業(yè)應(yīng)用廣泛, 其包裝內(nèi)容物不乏粉末狀、 顆粒狀物料。 而國內(nèi)大多數(shù)小顆粒物料包裝機大多為單列式, 包裝速度一般在 20 ~ 80 袋/ min 之間, 這無疑是不能適應(yīng)經(jīng)濟的發(fā)展、 無法滿足市場的需求的, 因此研究高速小袋包裝技術(shù)是市場發(fā)展的必然趨勢[5] 。

隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步, 現(xiàn)代包裝技術(shù)日益向著高速、 高度機械化、 自動化和智能化的方向發(fā)展[6] 。 在不斷優(yōu)化包裝機械產(chǎn)品質(zhì)量的同時, 還要提高效率。 另外, 我國食品行業(yè)中小規(guī)模企業(yè)占據(jù)相當(dāng)?shù)谋壤? 因此包裝機械也要具備一定的性價比。 氣壓傳動的工作介質(zhì)為空氣, 安全、 無污染、 成本低, 并且相對于機械傳動和液壓傳動構(gòu)造簡單, 動作迅速反應(yīng)快[7] 。 PLC 由于具有極高的抗干擾能力和可靠性, 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。 設(shè)計的系統(tǒng)采用三菱PLC 控制氣壓元器件, 通過觸摸屏設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

1. 高速小袋包裝機總體設(shè)計及工作原理

該種高速包裝機, 集聚料定量、 包裝成型、 物料填充、 包裝封口等各項功能于一體, 其工作過程如下: 包裝紙通過引導(dǎo)輪被送到包裝袋成型器處, 成型后的包裝袋通過縱封加熱輪完成熱封合, 并在縱封牽引輪的牽引下到達(dá)橫封處, 橫封機構(gòu)吸合將包裝袋下口封合。 此時物料經(jīng)由輸送管道進(jìn)入包裝袋中, 緊接著通過分離吹氣口, 壓縮空氣再次進(jìn)入管道, 將輸送管道中殘留物料分離, 橫封機構(gòu)再次吸合完成包裝袋上部封合。 包裝機橫封機構(gòu)采用 U 形封口, 吸合一次可同時完成當(dāng)前次包裝袋上口的封合和下一包裝袋下口的封合。 完成包裝后, 切刀將包裝袋切離, 落下的包裝袋經(jīng)過導(dǎo)向輪落入傳送帶中。

在高速小袋包裝機設(shè)計時, 供料部分特別采用氣動供料。 待包裝物料裝入盛料盤中以后, 在盛料盤旋轉(zhuǎn)的過程中, 物料會落入固定在其內(nèi)的多個容積式盛料器內(nèi)。 當(dāng)每個容積式盛料器所在的通孔與其下方的旋轉(zhuǎn)盤中的連接氣道轉(zhuǎn)到送料氣道正下方時, 壓縮空氣便將物料吹入輸送管道。 盛料盤旋轉(zhuǎn)一周, 可實現(xiàn)多次吹氣供料, 從而實現(xiàn)高速供料, 繼而確保高速包裝的進(jìn)行。  在確保每袋包裝物料質(zhì)量為 0． 5  g 的基礎(chǔ)上, 設(shè)計包裝速度可達(dá) 240 袋/ min。

2.高速包裝機氣動系統(tǒng)設(shè)計

2． 1 氣動系統(tǒng)總體設(shè)計

氣動系統(tǒng)主要包括 4 個氣缸以及 6 個電磁閥。 其中氣缸作用如下: 縱封氣缸的主要作用是推動縱封沿縱封移動槽進(jìn)行水平移動, 在縱封到達(dá)指定位置后提供恒定的氣壓, 保證縱封保持在指定位置, 從而進(jìn)行包裝紙的縱封處理; 縱封牽引輪氣缸的作用是推動后側(cè)的縱封牽引輪向前側(cè)牽引輪靠近, 使?fàn)恳喛焖俚竭_(dá)并保持在指定位置; 橫封氣缸的主要作用是推動橫封, 減小橫封的水平行程, 減少工作用時; 切刀氣缸的主要作用是快速推動切刀, 確保將包裝完畢的包裝袋高速切割分離。在設(shè)計高速包裝機時, 縱封、 縱封牽引輪和橫封在氣壓減小后會自動后移, 切刀附有彈簧, 在完成前進(jìn)切割工作后, 彈簧會拉動切刀自動后移。 于是各氣缸均采用二位五通電磁換向閥作為主控元件。 送料和分離電磁閥均采用二位二通電磁閥: 送料電磁閥的作用是當(dāng)供料部分各氣道位置匹配構(gòu)成完整氣道時開啟, 使得壓萬縮方空數(shù)氣據(jù)順利從進(jìn)氣口進(jìn)入, 將物料經(jīng)由送料氣道輸送到管道中; 分離電磁閥則是在當(dāng)檢測到物料沿管道經(jīng)過檢測點后, 分離電磁閥開啟, 壓縮空氣從分離吹氣口進(jìn)入管道, 目的是確保物料完全進(jìn)入包裝袋包范圍內(nèi), 從而減少物料包裝誤差。

2. 2 氣動供料部分設(shè)計

供送裝置能按照包裝工藝要求及包裝機工作節(jié)奏, 協(xié)調(diào)地將包裝物料、  包裝材料等逐步送達(dá)預(yù)定位置, 它決定整個設(shè)備的生產(chǎn)效率和自動化程度[8] 。 該高速包裝機通過氣動系統(tǒng)實現(xiàn)了高速供料, 其吹氣供料部分結(jié)構(gòu)圖如圖 4 所示, 在盛料盤內(nèi)有 8 個通孔, 通孔內(nèi)固定著容積式盛料器, 容積式盛料器下部為金屬細(xì)紗網(wǎng), 使氣體能順利通過。 旋轉(zhuǎn)盤側(cè)壁設(shè)有氣道, 并且旋轉(zhuǎn)盤經(jīng)過連接件和盛料盤固定, 使得通孔10 和連接氣道 9 在垂直方向保持無間隙重合, 在轉(zhuǎn)動時, 物料盤與旋轉(zhuǎn)盤有相同的旋轉(zhuǎn)速度。 當(dāng)物料倒入盛料盤后, 盛料盤旋轉(zhuǎn), 物料落入容積式盛料器中。 當(dāng)盛料盤的通孔 10 與送料氣道 4 在垂直位置重合時, 壓縮氣體從進(jìn)氣氣孔 7 進(jìn)入, 沿著路徑從連接氣道 9 到通孔 10 到送料氣道 4, 即可將固定體積的物料帶入輸送管道, 進(jìn)入包裝環(huán)節(jié)。

3.PLC 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

3. 1 系統(tǒng)硬件選型及 I / O 分配

結(jié)合高速包裝機的使用要求, 控制系統(tǒng)設(shè)計輸入點數(shù)為 10 個, 輸出點數(shù)為 13 個。 經(jīng)過綜合考量, 控制系統(tǒng)采用三菱PLC 并加裝溫度測量與控制模塊 FX2N-2LC,  其中自身帶有 16 路輸入點和 16 路輸出點, 輸出形式為晶體管輸出[9] , 足以滿足實際生產(chǎn)要求。

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