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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，各類物品的包裝作業(yè)，大多數(shù)都采用了自動包裝機械或自動包裝生產(chǎn)線來完成［１-７］。相比之下，我國糧食與飼料行業(yè)所采用的包裝裝備的技術(shù)水平相對滯后，尤其是針對原材料或初加工產(chǎn)品的大袋包裝顯得較為突出。根據(jù)調(diào)查，目前本行業(yè)所采用的２５～５０ｋｇ量級的大袋包裝機多以手動或者半自動設(shè)備為主，不僅工人勞動強度大，工作環(huán)境惡劣，而且包裝速度慢，包裝精度也難以得到保證［８-９］。近些年來，隨著規(guī)模化生產(chǎn)的企業(yè)日益增多，人力成本不斷增加，人們對糧食包裝設(shè)備提出了更高的要求。本文針對各行業(yè)對中大袋全自動包裝設(shè)備的市場需求，現(xiàn)提出大袋顆粒物料快速高精度包裝的自動稱量與打包系統(tǒng)的設(shè)計思路和解決方法，并且通過試驗達到預(yù)期效果。
１全自動雙稱斗包裝機的設(shè)計方案
根據(jù)糧食與飼料行業(yè)對包裝機的設(shè)計要求，一套完整的全自動包裝設(shè)備應(yīng)該具有給料、稱量、供袋、套袋、充填和封包輸送六大主要功能。按照功能要求，將包裝機系統(tǒng)分為五個部分：（１）給料裝置，向稱重系統(tǒng)供給被包裝物料，并控制給料過程；（２）稱量裝置，暫時儲存物料并對給定物料進行定量稱量，控制給料及包裝精度；（３）供袋裝置，為充填物料連續(xù)不斷地提供包裝袋；（４）取袋裝置，從存袋箱中提取包裝袋并移到指定位置；（５）送袋裝置，將包裝袋送到稱量裝置卸料口下方；（６）套袋裝置，完成張袋和夾袋功能，等待卸料；（７）封包輸送裝置，物料充填完成之后將包裝袋移開至封包機下方，對包裝袋口進行封包，送離包裝機。此外，還要求包裝環(huán)境無粉塵外泄，做到清潔生產(chǎn)。
高速、高精度是全自動包裝機最重要的特征，并且此功能的上限更多的與被包裝對象的質(zhì)量大小、流動特性和稱重給料方式等屬性有關(guān)，同時也受到機械機構(gòu)動作的實際限制［２］。動態(tài)定量稱重的關(guān)鍵技術(shù)在于解決稱量精度與速度的矛盾。為了獲得較高的計量精度，現(xiàn)有的單秤工作包裝機的稱重給料方式大多采用多段式給料，即快給料、中給料和慢給料，乃至精細給料，因此完成一個定量給料稱重周期需要有一個確定的時間。以包裝５０ｋｇ大米為例，如果要保證±０．２％的計量精度，快、中、慢各段的給料量分別按照８０％、１６％和４％進行定量稱重，一個周期的時長應(yīng)不少于６ｓ，這就意味著單秤工作包裝機的最大包裝速度也不會超過１０袋／ｍｉｎ。因此采用一種雙秤斗交替使用的糧食包裝機械，就能夠在有效確保包裝精度的前提下，大大提高包裝效率。當然，機器的最終包裝速度還要取決于自動套取袋機構(gòu)的動作時間。因此，所設(shè)計的全自動包裝機采用了雙秤斗交替稱重給料方案，其結(jié)構(gòu)原理如圖１所示。

１．給料斗；２．稱量斗；３．封口系統(tǒng)；４．皮帶輸送機５．送袋搖臂；６．手指氣缸；

７．皮帶輸送機８．存袋箱；９．取袋裝置；１０．滾筒毛刷；１．套袋裝置
圖１全自動雙秤斗包裝機的原理簡圖
物料包裝時，給料斗１以自流方式通過控制程序?qū)ΨQ量斗２分別進行快、中、慢加料，然后，停止加料，復(fù)稱并自動落差補償，以此完成一個稱量周期。兩套定量給料稱重系統(tǒng)交替進行。自動套袋過程則通過一套氣動輔助機械機構(gòu)來實現(xiàn)。包裝袋水平放置在存袋箱８中，取袋裝置９從存袋箱８中提起包裝袋，并平移到皮帶輸送機７上，皮帶輸送機７將袋口一側(cè)移送至手指氣缸６處，與此同時滾筒毛刷１０會把包裝袋捋平整。待手指氣缸６夾持住包裝袋口邊緣后，送袋搖臂５旋轉(zhuǎn)９０°，將包裝袋轉(zhuǎn)送到套袋裝置１的正下方（圖中虛線為包裝袋運動軌跡）并夾緊，此時將秤斗中定量的物料充填到包裝袋中。充填完畢后，松開袋口，再通過皮帶輸送機４運送到封口系統(tǒng)３下對包裝袋進行封口。以此完成整個包裝作業(yè)過程。
包裝工序?qū)⒅苯佑绊懙桨b機的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量，以及技術(shù)經(jīng)濟指標［１０］?；谝陨显O(shè)計方案和包裝機要完成的工序內(nèi)容，為了提高包裝效率和縮短包裝時間，將給料稱重和自動套袋分成兩條并行路線來完成，其工作流程如圖２所示。

這兩個主要的包裝過程在動作上互不干涉，但在時間上要保證完全一致。只有在一條線路上稱量準確，另一條線路上檢測到包裝袋到位并夾持牢固后，才開始卸料。并且要保證兩條線路盡可能短，才能提高包裝效率。

圖２包裝機工作流程圖
２全自動包裝機的關(guān)鍵技術(shù)
２．１定量給料稱重裝置
定量給料稱重裝置具有給料和稱量兩個功能單元，其結(jié)構(gòu)如圖３所示。本包裝機主要針對散落性比較好的糧食顆粒物料，因此稱重給料方式采用自流式重力給料。這種給料方式通過三行程氣缸３控制給料料斗２底部的一個弧形活門４對稱量斗６進行快、中、慢三段式給料。三行程氣缸控制弧形活門有４個狀態(tài)：當三行程氣缸處于收縮狀態(tài)的時候，弧形活門完全打開，此時是快給料狀態(tài)；當三行程氣缸伸出第一個行程的時候，弧形活門動作１次，開度減小，此時是中給料狀態(tài)；當三行程氣缸伸出第２個行程的時候，弧形活門將下料口封閉，只留弧形活門上的孔口給料，此時是慢給料狀態(tài)；當三行程氣缸伸出第３個行程的時候，弧形活門將下料口完全封閉，此時給料裝置停止給料。
為確保稱量精度，在加料過程中還增設(shè)了精給料環(huán)節(jié)，即當前３種給料方式仍達不到精度要求時，通過一個電磁振動給料斗１對稱量斗進行進一步微量給料補償。這樣使得總體的精度始終可以達到國家規(guī)定的衡器準確度等級要求。
稱量裝置采用３個Ｓ型ＰＳＴ-１０稱重傳感器（綜合誤差±０．０２％），其中兩個傳感器布置在稱量斗一側(cè)；另一個布置在稱量斗的另一側(cè)。３個傳感器位置布置在以稱量斗中心為圓心的同一個圓上，以減少傳感誤差。
邊緣超出一定長度。此時包裝袋該邊緣已進入送袋搖臂７末端的手指氣缸內(nèi)，光電傳感器接收到信號后，手指氣缸立即吸合，將包裝袋邊緣夾持住。然后送袋搖臂旋轉(zhuǎn)９０°，將包裝袋送到套袋裝置３中斗體６的正下方，等待套袋。此時夾袋組件４的夾袋臂是打開的，張袋組件５動作，將袋口張開并提起來，使包裝袋袋口邊緣套在斗體６外圍的相應(yīng)位置。最后夾袋組件４的氣缸動作，夾袋臂合攏，將包裝袋夾緊在斗體上。至此，自動套袋裝置已經(jīng)完成了供袋、取袋、送袋、張袋和夾袋等主要動作的一個工作循環(huán)。

１．振動給料斗；２．給料料斗；３．三行程氣缸４．弧形活門；５．稱重傳感器；６．稱量斗；７．排料門
圖３定量給料稱重裝置
２．２自動套袋裝置
自動套袋裝置具有自動供袋、取袋、送袋和套夾袋四個功能單元，它是自動包裝機的一個重要組成部分，可以說是整套包裝機系統(tǒng)的“手腳”，直接關(guān)系到包裝機的自動化程度和包裝生產(chǎn)效率，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量有著重要作用。該裝置能實現(xiàn)從袋垛供袋裝置自動提取包裝袋，將包裝袋再送到張袋裝置的相應(yīng)位置，并由自動張袋裝置打開袋口，自動完成夾袋。整個工序模仿人工套袋過程，動作銜接順暢，無需人工操作。
自動套袋裝置主要由供袋裝置、取袋裝置、送袋裝置和套袋裝置等結(jié)構(gòu)組成，如圖４所示。供袋裝置１的主要功能是儲存包裝袋，自動將包裝袋提升到相應(yīng)位置，為取袋裝置提供包裝袋，并自動檢測有無袋跺信息，保證供袋的連續(xù)性。取袋裝置２的功能是從供袋裝置中提取包裝袋，并將包裝袋移至送袋裝置的皮帶輸送機上，每次只能提?。眰€包裝袋。送袋裝置９位于取袋裝置２之后、套袋裝置３之前，其主要功能是從皮帶輸送機１０上取下包裝袋并轉(zhuǎn)送到夾袋機構(gòu)４正下方的相應(yīng)位置。套袋裝置３是本研究中關(guān)鍵技術(shù)之一，也是研究與設(shè)計的難點之一。套袋裝置要模擬人工操作，通過張袋機構(gòu)將包裝袋袋口打開，并將袋口套在出料口相應(yīng)位置，等待下料充填。充填完畢后，再將包裝袋放下。
自動套袋裝置的工作過程如下。供袋裝置１準備好包裝袋，并連續(xù)不斷將袋子由下而上供應(yīng)到相應(yīng)位置，為后續(xù)動作做好準備。取袋裝置２從供袋裝置１的存袋箱中提取包裝袋（每次１個），送到皮帶輸送機１０上面，在皮帶輸送機上包裝袋被滾筒毛刷捋平整，并以一定速度移至皮帶輸送機末端，袋子

１．供袋裝置；２．取袋裝置；３．套袋裝置４．夾袋組件；５．張袋組件；６．斗體；７．送袋搖臂８．包裝袋；９．送袋裝置；１０．皮帶輸送機
圖４自動套袋裝置結(jié)構(gòu)圖
２．３控制技術(shù)
控制系統(tǒng)主要由可編程控制器（ＰＬＣ）、傳感器、ＡＣ／ＤＣ轉(zhuǎn)換模塊、變頻器、電氣控制組件、傳動組件和執(zhí)行組件、數(shù)字控制儀、通信模塊、數(shù)字顯示／控制儀等組成，其結(jié)構(gòu)如圖５所示。ＰＬＣ是控制系統(tǒng)的核心組件，它是實現(xiàn)設(shè)備啟停、供袋、取袋、移袋、送袋到張袋、夾袋、給料和稱量等動作的指揮中樞。本設(shè)計采用了德國西門子的Ｓ７-２型ＰＬＣ。

圖５全自動顆粒料控制系統(tǒng)框圖
物料在包裝過程中，快速高精度的稱量是一個動態(tài)過程，動態(tài)稱量精度與控制過程中的每一個環(huán)節(jié)密切相關(guān)。它需要在短時間內(nèi)對被稱量物料的質(zhì)量加以判斷、檢測，通過控制調(diào)整物料流量、修正因空中飛料的測量誤差，為下一次稱量做準備［１-１３］。因此，對稱量過程的控制實際上是一個反饋的閉環(huán)控制回路，如圖６所示。

圖６閉環(huán)自動控制系統(tǒng)框圖
定量給料稱重過程的流程如圖７所示。在控制系統(tǒng)的寄存器中，預(yù)先會根據(jù)需要寄存４個數(shù)值，分別為快給料初始設(shè)定值、中給料初始設(shè)定值、慢給料初始設(shè)定值和總重量設(shè)定值。

圖７ 定量稱重過程流程圖

下一個循環(huán)。兩秤斗交替進行。
自動套袋過程的控制則要求各個子裝置動作連續(xù)協(xié)調(diào)，供袋勻速連續(xù)，取袋準確迅速，包裝袋整理平整，送袋準確到位，夾持可靠，包裝袋張開順利，夾緊可靠不留縫隙，保證氣密性。為了使包裝機能夠可靠的完成整個包裝過程，每個執(zhí)行機構(gòu)都必須按給定的規(guī)律運動，各執(zhí)行機構(gòu)之間運動時序如圖８所示。自動套袋裝置主要通過手指氣缸、送袋搖臂、真空吸盤、橫向氣缸、縱向氣缸和夾袋氣缸等執(zhí)行機構(gòu)按設(shè)計的程序來完成自動取套袋的功能。

圖８自動套袋動作時序圖
３試驗結(jié)果

當控制系統(tǒng)發(fā)出開始給料信號，給料裝置及數(shù)字顯示儀都進行初始化，此時三行程氣缸處于收縮狀。試驗原料和給料方案如表１所示，每包５０ｋｇ。試驗結(jié)果表明，整機達到了９０包／ｈ的生產(chǎn)能力和±０．２％的精度要求，包裝速度相對單秤斗包裝機至少提高了２８％，且性能穩(wěn)定可靠。主要技術(shù)參數(shù)如表２所示。
 給料結(jié)束，并繼續(xù)中給料，料流速度減小。當中給料達到中給料初始設(shè)定值時，三行程氣缸動作，中給料結(jié)束，只留小孔慢給料。慢給料達到初始設(shè)定值時，三行程氣缸動作，弧形活門關(guān)閉，給料停止。給料過程量裝置的傳感器精度帶來影響。因此，在給料裝置給料結(jié)束后，延時一段時間（一般設(shè)定０．２５ｓ），比較實際給料量（稱量結(jié)果）與總重量設(shè)定值是否相符。若稱量結(jié)果小于總重量設(shè)定值，開啟振動給料器，進行微量給料，待達到理論值時立即停止振動給料器；反之則立即停止給料，此時一個動作循環(huán)完成。一次動作循環(huán)完成后，間隔規(guī)定時間，由控制器發(fā)出指令繼續(xù)。

４結(jié)束語
超細顆粒料雙斗電子包裝稱重機的針對糧食與飼料行業(yè)的大袋包裝，開發(fā)了一套的全自動包裝機，實現(xiàn)了供袋、取袋、套袋、給料、稱量、封包和輸送等一體化的全自動包裝過程。雙給料稱重系統(tǒng)能夠在確保包裝精度的前提下，大大提高包裝效率，有效解決了稱量精度與速度之間的矛盾。自動套袋裝置能自動完成供袋、取袋、送袋和套夾袋等包裝工序，動作銜接順暢，整個工序模仿人工套袋過程，大大提高了包裝機的自動化水平。該機也適用于化工、食品及醫(yī)藥等行業(yè)的中大袋包裝。

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