枕式包装机的工作原理 枕式包装机是一种包装能力非常强,且能适合 多种规格用于食品和非食品包装的连续式包装机。 它不但能用于无商标包装材料的包装,而且能够使 用预先印有商标图案的卷筒材料进行高速包装。 在包装生产中,由于包装材料上印刷的定位色 标之间存在误差,包装材料的拉伸以及机械传动等 因素的影响,包装材料上预定的封切部位有可能偏 离正确的位置,而产生误差。为了消除误差而达到 正确封切的目的,包装设计必须考虑自动定位问题, 解决这一问题大都是根据包装材料的定位标完成连 续式光电自动定位系统设计。而连续式光电定位系 统按误差补偿工作方式分为进退式、制动式和两传 动系统同步式。本文着重介绍进退制动式光电自动 定位系统的设计。 1 制动式光电自动定位系统的基本原理 包装纸在自动包装机上连续进给,成形制袋,充 填和封口的过程中,由于定位色标的印刷误差,机器 运转的偶然波动以及操作等综合因素,使包装纸的 输送速度与横封、切纸速度不同步而产生封、切位置 的偏差,因此需要随时予以校正,连续地进行误差补 偿。综合误差是个变量,但由于具较高质量和印刷 精度的包装材料来说在一定的包装速度下,这个误 差在检测的各个周期内应保持在很小的范围内。这 样就能通过光电定位系统定期地(每两个包一次)测 量和比较送纸速度和封切速度。如果包装纸过快, 正误差系统给出一个负的补偿量,也就是送纸机构 减速来达到补偿;如果包装纸过慢,是一个负误差, 系统给出一个正的补偿量,使送纸机构增速。但是 给定的补偿值不可能完全消除误差,可能补偿过头, 也可能不足。即使误差被消除了,下次还会出现。 因此设计总是使系统给予补偿过头一点,给定一个 稍大于绝对误差值的补偿量,人为地使它超差。当 这次测定误差为负,则补偿一个过量的正值。下一 次测定、比较之后必定出现正的误差。定位系统自 动地补偿一个给定的负值之后,又恢复出现负误差。 如此循环,正负交替使误差控制在一定范围内。这 样包装纸的切断部位就在正确的位置附近跳动。这 种包装纸一进一退来达到连续定位的方式称为“进 退式”自动定位方式。因为它的补偿量是超越离合 器工作,把机械送纸机构进入工作时设计成具有包 装纸滞后效果来给出的,所以采用这种原理定位的 系统称为“制动进退式”自动光电定位系统。以决定 包装纸速度的横向封、切速度作为参考基准,以调整 送纸速度与之同步来控制包装纸的封切位置误差, 这就是连续定位系统最基本的原理。 2 制动进退式定位系统的分析 下面分析制动进退式光电定位系统,包装机传 动系统图1。 包装过程如下:片状包装纸由卷筒1引出,经光 电检测器2再由成形器5成形和牵引辊6,纵封辊7 制成包装。已充填包装物的包装袋上下整形输出, 经输送带送到横封头8横封并切断排出成品。传动 部分是:主电机M1将运动传入横封传动轴,再经不 等速机构9带动横封头传动,不等速机构是用来调 整横封头8的封切瞬时速度,使之与包装袋移动速 度同步的。另一路则经无级变速差动机构13的调 节,可以手动或通过单相伺服电机控制完成。调节 无级变速差动机构13可以得到所需袋长。最后一 路经差动机构18到勾爪输送链。差动机构18为自 动调整机构,主要用来调节勾爪输送链与横封头同 步。 在包装过程中,用光电传感器检测包装纸移动 速度与横封速度作比较,判别它是慢是快,通过超越 离合器电气系统控制超越电机M3动作使之运转或 制动停止,以达到误差补偿的目的。 42 图1 传动系统间图 1·纸卷 2·反射光电头 3·包装物 4·下纸辊轮 5·成行器 6·牵引辊轮 7·纵封辊轮 8·横封头 9·不等速机构 10·超越离合器 11·主电机 12·无级变速器 13·伺服电机 14·输送机构 15·调速 机构16·送纸光电传感器 17·横封光电传感器 18·成品 19·勾爪差动机构 3 速度检测与包装纸长度测量 为保证包装过程中的精确定位,送纸速度与横 封切口速度是必需准确的测量两个参数,同时生产 过程中包装纸(每张)有长有短,从而如何在定位过 程中自动测定包装纸长度使之与我们生产设定相符 合,也是非常重要的。 纸速的测量是由光电接近开关17来完成的,我 们把测量纸速的光电接近开关输出的脉冲周期记为 T纸它的导数1/T纸即为送纸辊的传动速度。横封 切口速度是由光电接近开关来测量的。我们把刀切 速度光电接近开关输出的脉冲周期记为T刀,它的 倒数1/T刀即为横封速度间接计算得到的。在包装 设计中,包装纸被紧压在送纸辊上,压辊的线速度则 为包装纸的送纸速度V纸=πD/T纸,式中的D为送 纸辊直径。经过横封切口后的被切长度L纸= V纸T刀=πDT刀/T纸 4 色标对标方法与调整 为保证包装全自动定位,需要控制伺服电机 M2使送纸速度与横封头切口速度同步。然而对设 计为同步的系统,由于运转的偶然波动以及操作扰 动等方面因素都会使原来同步系统失步。从而需要 在基本同步的系统中加入色标检测与控制电路,随 时校正,连续进行误差补偿。保证切封位置不变,这 就需要借助包装纸上的色标来定位完成。色标定位 对标对包装材料、光电检测方法、色标的印刷等都提 出一定的要求。就包装材料而言,要求有较高的密 度,滑度厚度均匀、而且要有一定的抗拉伸能力。光 电检测方法随不同的包装材料有透射式和反射式两 种。透射多用于透明包装材料的检测,而反射式则 用于难以透光或不能透光的包装材料的检测。通常 高速度的包装机设计,大多采用反射式光电检测方 法,因为它具有较高的检测灵敏度。对色标印刷要 求,定位色标必须能有遮光或通光的作用,同时随包 装产品的大小和检测方法的不同,定位色标要有足 够的遮光面积,以保证光电检测时信号的可靠性。 有了良好的包装材料,合适定位色标与正确的光电 遮光反射式传感器测量色标方法,就可以进行色标 对标与调整。 按上述原理与方法设计的枕式多功能包装机, 配上微电脑控制的纸长设定调节以及色标定位系 统,彻底解决了全自动光电定位问题。系统高速运 平稳可靠,封切准确,是目前最先进、最理想的机 型之一。 参考文献 1 许林成·包装机械原理与设计·上海科技出版社, 1998·19~21 2 彭国勋·自动包装机的设计原理·西安:西北轻工业学 院,1983·85~88 3 刘云霞·自动包装机定位系统分析·包装与食品机械, 2000(2)·8~11 4 蒋需忠·枕式糖果包装机光电自动定位系统分析·机电 工程,2001·(5)(208~210) (收稿日期 2002-04-12) 危害分析和关键控制点的应用 许伟芳 艾永才(无锡市食品公司 214041) 王宏图(无锡市卫生防疫站 214002)
以枕式包装机作为研究对象，对其纵封与横封机构进行了设计。包装机通过供膜装置将包装薄膜
传接到纵封机构。纵封机构由一对等速相向旋转的圆形辊轮构成，通过其等速相向旋转的圆形辊轮对纵向
封口进行加压加热，以达到纵向封口的目的；横封机构由一对等速相向旋转的横封轴和两对热封头组成，
通过一对等速相向旋转的横封轴和相距180°的热封头，使其封缝一边后，旋转180°封缝其另一边，从而实现整个包装过程的封缝。设计的纵封和横封机构具有高效、稳定的封缝效率，有效克服了传统包装机
封口不严、撕拉薄膜等缺陷，使枕式包装机能够整体高效、连续、稳定地工作。
枕式包装机；纵封机构；横封机构
随着现代机械制造业不断发展，包装机械在很多领域中发挥着至关重要的作用[1-2]。国内包装机械领域发展要比其他发达国家晚一些，但是自中国加入世界贸易组织以来，在包装机械领域取得了很大的进步，并逐步缩小与发达国家的差距[3-4]。
枕式包装机是众多包装机械中的一种，是目前国内包装机械中最新型的自动连续包装机械设备[5]。枕式包装机应用广泛，可以用来包装食品、药物、玩具、日用品、工业零件等产品，由于其生产出来的包装袋像一个枕头的形状，故称其为枕式包装机[6]。
目前，许多科研人员在枕式包装机械机构设计方面已进行了相关技术研究。荆萃[7]等对连续式包装机纵封牵引、横封驱动的控制方法进行深入研究，有效解决了不等速传动机构的设计问题。但是，枕式包装机在很多实际生产过程中出现了各式各样的问题，其在纵封机构和横封机构
基金项目：上海市自然科学基金(15ZR1417200)；上海市教委科研创新重点项目(14ZZ169)；闵行区科委产学研项目(2014MH182）；上海电机学院登峰学科建设项目(16DFXK01)收稿日期: 2017-06-14 修回日期: 2017-06-28
13
第56卷第3期的机构设计和包装速度等方面还有待优化。本文在熟知枕式包装机工作原理的条件下，提出了枕式包装机整体设计方案和纵封与横封机构的结构设计，并通过UG 建模，利用虚拟样机技术[8-9]设计枕式包装机纵封-横封机构与整机的装配关系，实现枕式包装机高效、连续、稳定地工作。
1 枕式包装机的整体设计方案
枕式包装机的工作流程是：（1）物料沿着
传送带进入理料机构。（2）包装薄膜经由供膜装置向制袋装置输送。（3）物料填充至由制袋装置卷曲成型的包装袋中，由纵封机构实现纵向封缝。（4）纵封后的包装袋由传送带输送至横封机构进行横向封缝。（5）横封完成后经由传送带送到切断装置进行横切。（6）成品输送至规定地方进行检测入库。为了清晰直观地了解制袋装置制袋成型的过程，用UG 制作了如图1所示的制袋装置将包装薄膜制袋成型的瞬间。图2展示了枕式包装机整体的设计方案，图3为枕式包装机整体的工艺路线。
本文设计的枕式包装机主要用于包装袋，长、宽、高尺寸分别为100 mm、60 mm、50 mm 的小物料包装，包装速度为90 r/min，使用的电机功率为3 kW，转速为1 420 r/min。
2 枕式包装机结构设计
一般枕式包装机主要由传输部分、理料机构、供膜机构、制袋机构、纵封机构、横封机构、切断装置、电机、控制柜、机架等部分组成。本文主要对纵封机构和横封机构进行结构设计，该结构有效地改变了以往封口不严、撕拉薄膜等弊端。2.1 纵封机构设计
纵封机构采用两个等速相向旋转的圆形辊轮对包装薄膜进行加压加热，实现包装袋的纵向封缝。通过一对锥形齿轮传动，为保证圆形辊轮的线速度与包装薄膜的进给速度相同，动力由同一根同步带传递获得，以达到纵封机构可靠、连续、稳定工作的目的，纵封机构[10-11]原理示意图如图4所示。
为了避免封口不严的情况，将圆形辊轮的圆
周设计成锯齿形状，如图5所示。
基于UG 三维实体建模软件[12]，设计了纵封
机构的各个零件，并对其进行虚拟装配（如图6所示），以便观察是否符合预期的效果。
图1 制袋装置制袋成型瞬间
Fig.1 Bag forming moment of bag making device
1.理料机构
2.支架
3.传送带
4.传送装置
5.供膜机构
6.纵封机构
7.传送机构 8横封机构 9.制袋装置 10.控制柜
图2 枕式包装机整体设计方案原理图
Fig.2 Overall design scheme of pillow packaging machine
1
2
3
4 5
6
9
10
78
图3 枕式包装机工艺路线图
Fig.3 Pillow packaging machine routing
1.包装薄膜
2.辊轮
3.封合缝
图4 纵封机构原理图
Fig.4 Schematic diagram of longitudinal sealing mechanism
1
23
2
图5 圆形辊轮局部放大示意图
Fig.5 Local enlargement of circular roller
孟康 等：枕式包装机的纵封-横封机构设计
14
农业装备与车辆工程 2018年
2.2 横封机构设计
横封机构采用回转式辊形，通过齿轮传动实现横封轴的相向旋转，现在大多数的横封机构多是安装一对热封头进行横向缝合，因此大部分行程都处于空运行状态。根据本文所设计的包装袋大小要求，在纵向相距180°的横封轴两侧安装两对加热电极和刀刃，实现包装薄膜横向封缝和切断，以提高横向缝合的效率。如图7横封横切示意图所示，刀刃从M 点开始与包装薄膜表面接触并加热，至中点T 处加压，封缝并切断。
用伺服驱动器分别驱动横封轴和供膜轴上的伺服电机，使其速度达到同步的要求，同时保证了刀刃由M 至T，再由T 至M 离开的整个过程中的线速度与包装薄膜的进给速度相同，否则会产生撕拉包装薄膜的现象。封口刀刃所需要的力则由横封机构上端的锁紧螺纹进行适当的调整。图8为横封机构三维装配模型。
2.3 纵封-横封机构与整体包装机的装配
将设计的纵封机构与横封机构通过螺栓、螺
母、垫片、轴承等零件与整体机架进行装配，装配效果如图9所示。从装配的效果来看，所设计的纵封机构和横封机构与整体机架装配合理。
3 结语
采用UG 三维建模软件对纵封-横封机构的各个零件进行设计，并通过虚拟样机技术实现与枕式包装机整体机架进行装配。装配效果证明，所设计的纵封-横封机构能够有效地与整体机架配合。同时，在设计主要零件时考虑到以往出现封口不严、撕拉薄膜等现象，将纵封辊轮圆周设计成锯齿状以及对辊轮、横封轴、包装薄膜的速度做了要求，以解决以往出现的不良状况。
中国包装机械起步较晚，起于上个世纪70年代，北京市商业机械研究所在研究了日本的包装机械后，完成制造了中国第一台包装机，经过20多年的发展，中国包装机械已成为机械工业中十大行业之一，为中国包装工业快速发展提供了有力的保障，有些包装机械填补了国内空白，已能基本满足国内市场的需求，部分产品还有出口。但在现阶段，中国包装机械出口额还不足总产值的5%，进口额却与总产值大抵相当，与发达国家相去甚远。
在行业快速发展的同时也存在一系列的问题，现阶段中国包装机械行业水平还不够高。包装机械市场日趋垄断化，除了瓦楞纸箱包装机械和一些小型包装机有一定规模和优势外，其它包装机械几乎不成体系和规模，特别是市场上需求量大的一些成套包装生产线，如液体灌装生产线、饮料包装容器成套设备、无菌包装生产线等，在世界包装机械市场中均被几家大包装机械企业集团所垄断，面对国外品牌强劲冲击国内企业应该采取积极对策。
从现阶段情况看，全球的包装机械需求以每年5.3%的速度增长。美国拥有最大的包装设备生产商，其次是日本，其他主要生产商还包括德国、意大利和中国。但未来包装设备生产增长最快的是在发展中的国家和地区。发达国家将从刺激国内需求中获利，并在发展中国家寻找当地合适的生产厂家，特别是在食品加工厂进行投资，提供包装机械设备。而中国自加入世贸组织以来取得了长足的进步，中国的包装机械水平提升非常快，与世界的先进水平差距逐渐缩小。随着中国的日益开放，中国的包装机械也将进一步打开国际市场。
本文转载自互联网，如有侵权，联系删除
