全自动二次装袋机的研发_李晓彬.pdf

论文李晓彬：全自动二次装袋机的研发随着社会生产力与经济水平的发展，人们对食品及其产品的质量以及附加属性的需求也不断提升，为满足人们的需求，解决粮食真空包装、行业运输及市场附加价值提升的要求，同时提高企业市场竞争能力，粮油加工等企业对食品包装技术和设备都提出了新的要求。为此，本文研发了一类适用于立体真空包装后进行二次套袋的全自动套袋机。1 全自动二次装袋机方案全自动二次装袋机采用模块化设计，单机实现物料输送、自动取袋、撑袋、推包入袋、自动理袋、热封等功能。利用不同的简单机构相互组合，通过电控程序的有序控制以满足较为复杂的功能需求，使生产操作实现简单化、自动化。二次装袋机包括机体及安装于机体上的取袋旋转移动及剔袋装置、将包装袋撑开便于入料的张袋撑袋机构、将包装袋封口的理袋热封机构和将成品推出的推包机构。工作时，装袋机初始状态下，各个机构复位，经过物料输送机构，将物料包装送至撑袋工位并对中，通过储袋给袋机构或人工将袋子放至取袋工位后，取袋旋转移动及剔袋装置将包装袋取放至上袋工位，张袋撑袋机构动作将包装袋袋口撑开，推包机构启动，将物料推入包装袋内，物料到达袋底时，张袋撑袋机构复位，推包机构继续动作直至物料到达机体后侧的挡板包板处，此时推包机构复位，理袋热封机构启动，完成热封。具体工作流程见图1。2 全自动二次装袋机关键技术按照全自动二次装袋机的工作流程，其中取袋、纠正、开袋及撑袋、物料推入、理袋及热封起着至关重要的作用，每个步骤都影响这个流程能否顺利完成，是否能真正实现机电一体化从而达到生产自动化的目的。为实现设备的全自动化使用，必须将收稿日期：2 0 2 2-1 2-1 5作者简介：李晓彬（1 9 8 9），福建安溪人，本科，主要从事包装机械产品研发工作。李晓彬（漳州佳龙科技股份有限公司，福建 漳州 3 6 3 0 0 0）摘 要：二次装袋可使料袋避免在物流过程中被污染或破损，国内现有的二次装袋多为人工装袋后再进行手动热封，这导致包装后的外观质量参差不齐，加大了工人的劳动强度，还增加了企业的人力成本。为解决这些存在的问题，文章对储袋给袋机构、推包机构、取袋剔袋机构、张袋撑袋机构、推包定位机构、热封理袋机构等多项机构进行研究，开发出适应粮食、食盐、种子、奶粉等粉状及颗粒立体袋装后的二次套袋包装的全自动二次装袋机。关键词：全自动；二次装袋；热封D o i：1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 7-5 5 0 X.2 0 2 3.0 4.0 0 3中图分类号：T S 2 0 6.5 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 7-5 5 0 X（2 0 2 3）0 4-0 0 1 7-0 6全自动二次装袋机的研发图1 全自动二次装袋工作流程图论文福建轻纺 2 0 2 3 年4 月 第4 期机械机构与电子等技术相结合，通过过程控制，实现各机构有序地循环运动。2.1 取袋机构全自动二次装袋机的取袋机构主要由送取袋移动旋转机构和剔袋机构组成，其中取袋移动旋转机构主要完成包装袋的吸取、移动和旋转动作，而剔袋机构则负责将上袋失败的包装袋从该工位剔除。取袋移动旋转机构主要由取袋导轨移动副、取袋气缸、旋转气缸、取袋吸盘、取袋移动电机以及取袋丝杠螺母副组成。取袋移动电机的正反转带动丝杆转动从而带动取袋相关构件沿导轨副方向往返运动。旋转气缸固定安装在取袋气缸活塞杆前端，取袋气缸固定在送袋安装板上，取袋吸盘安装架与旋转气缸连接，若干个真空吸盘固定在安装板上，通过取袋气缸的伸缩配合真空吸盘实现包装袋的取袋动作，旋转气缸的转动实现包装袋的旋转动作。剔袋机构主要由移动气缸、剔袋导轨移动副、移动座、导轴移动副、剔袋气缸、剔袋吸盘安装板和剔袋吸盘组成。移动气缸和剔袋导轨移动副固定在取袋机构固定板上，移动座固定在导轨副上，从而使移动气缸伸缩带动剔袋相关构件沿导轨副方向往返运动。剔袋吸盘安装板在剔袋气缸活塞杆前端，通过导轴移动副进行限位，通过剔袋气缸的伸缩配合真空吸盘实现包装袋的取袋动作。初始状态下，剔袋机构中移动气缸伸出使得剔袋机构位于剔袋工位上方，剔袋气缸缩回。袋移动旋转机构处于原点，即取袋工位上方，取袋气缸缩回，旋转气缸复位使得取袋吸盘布局长边与包装袋一致。如图2 所示，取袋工位有包装袋时，取袋气缸下降使吸盘接触包袋并吸起包装袋，取袋气缸复位后由取袋移动电机驱动取袋丝杠转动，带动整个取袋装置移动至上袋工位上方，同时在移动过程中旋转气缸转动，带动取袋吸盘架、取袋吸盘及吸盘上的包装袋旋转一定的角度。移动和旋转到位后，取袋气缸伸出，吸盘松开将包装袋平稳放置在上袋工位上后取袋气缸复位，取袋移动电机再次驱动取袋丝杠转动，带动整个取袋装置复位至取袋工位。包装袋始末位置状态示意图如图3 所示（图示旋转角度为9 0）。针对不同包装袋，通过控制吸盘组的吸盘通断，实现适应不同规格的包装袋。适应范围广，移动快速平稳。如图4 所示，包装袋在上袋工位，当由于撑袋失败或其他原因需要剔除该工位上的包装袋时，此时取袋移动旋转机构在取袋工位上方，移动气缸缩回，使剔袋相关构件移动至袋工位上方，剔袋气缸伸出使吸盘接触包袋并吸起包装袋，剔袋气缸复位图2 取袋机构动作示意图图3 包装袋旋转示意图论文李晓彬：全自动二次装袋机的研发后由移动气缸复位，带动整个剔袋取袋装置移动至剔袋工位上方，吸盘松开将包装袋掉落至溜槽上剔除。在此过程中，不影响取袋移动旋转机构在取袋工位的动作，同时，当移动气缸进行复位时，取袋移动旋转机构可进行移动至上袋工位，压缩了整体流程的时间，降低剔袋工序对取袋给袋工序的影响。2.2 张袋撑袋机构张袋撑袋机构，是针对自动上袋机在上袋后对包装袋进行张开并将袋口撑开的一种机构。本机构主要由包括张袋机构和撑袋机构组成，其中张袋机构主要完成包装袋袋口的张开动作，而撑袋机构则负责将袋口的开口撑开并保持最大状态。张袋机构主要由张袋电缸、张袋上吸盘、张袋下吸盘、下张袋气缸和放袋板组成。张袋上吸盘固定在张袋电缸前端，电缸安装在放袋板上方。张袋上吸盘安装在下张袋气缸活塞杆前端，下张袋气缸固定安装在放袋板下方。张袋上吸盘在张袋下吸盘的正上方但不完全相对，即张袋上吸盘和张袋下吸盘对压时不完全重合。撑袋机构主要由撑袋板、撑袋曲柄、撑袋气缸、夹袋板、夹袋气缸、安装板、移动板，挡板气缸、挡板、导轨移动副、移动气缸、固定板、螺杆螺母副、手轮和导轴滑动副组成。袋机构初始状态下，上张袋电缸与下张袋气缸均处于缩回状态。撑袋机构初始状态如图5 所示，撑袋气缸伸出，两侧撑袋板处于缩口状态，夹袋气缸缩回，挡板气缸缩回。如图6 所示，当包装袋送至放袋板上时，上张袋电缸和下张袋气缸伸出使张袋上、下吸盘接触包装袋并各自吸起包装袋的上下片，上张袋电缸缩回一定的距离，同时下张袋气缸缩回复位将袋口张开。此时撑袋机构处于复位（初始）状态，移动气缸伸出，带动固定在移动板上的撑袋机构相关构件向袋口方向平移，将撑袋板插入袋口。撑袋板插入包装袋袋口后，撑袋气缸缩回带动撑袋曲柄旋转，使得固定在曲柄前端的撑袋板张开撑住袋口，夹袋气缸伸出，夹袋板作用在撑袋板上，辅助夹紧包装袋。此时撑袋机构状态如图7 所示。挡板主要起对准备图4 剔除机构动作示意图图5 撑袋机构初始状态示意图论文福建轻纺 2 0 2 3 年4 月 第4 期进入袋内的物料进行对中及导向的作用，当物料位于移动板准备入袋时，挡板气缸伸出。该张袋撑袋机构可适应不同规格的物料，通过旋转手轮，可以调节撑袋板撑开后两者之间的距离，以及挡板之间的距离来适应物料不同的规格的宽度。通过更换撑袋板适应物料不同的规格的高度。2.3 推包入袋机构2.3.1 推包入袋机构结构推包入袋机构是针对包装袋袋口张开时将物料推入包装袋内并定位的机构，以满足后续封口工序。主要由包括推包机构和接包定位机构组成，其中推包机构负责将物料推进袋内并移动至指定位置，接包定位机构负责过渡热封位置空缺及定位物料最终位置。推包机构主要由推包气缸、安装板、曲柄、推包臂、导向导轨移动副、推包丝杆-螺母副和推包电机组成。接包定位机构主要由接包机构固定板、接包气缸、接包导轨移动副、接包板、接包机构固定架、导轨移动副、调整螺杆-螺母副、调整手轮、挡板固定板、挡包气缸及档包板组成。初始状态下，推包气缸缩回，使得推包臂处于上翘状态，推包机构中的安装板处于原点位置（即物料的后方）如图8 所示。当物料到达指定位置，且包装袋已撑袋就位时，推包气缸伸出带动曲柄转动，使得固定在曲柄上的推包臂摆正，其状态如图9 所示。接包气缸缩回，使接包板向热封工位移动，穿过热封机构，填补热封工位处的间隙，避免由于间隙过大导致物料在推送过程中在间隙处卡顿甚至憋停导致报警。推包气缸及接包气缸动作到位后，推包电机转动带动推包丝杠转动，从而带动与螺母固连的安装板上的推包机构相关构件向前移动，从而将物料推入包装袋内。当物料进入袋底时，撑袋机构复位，推包机构继续图6 张袋机构动作示意图图7 撑袋机构撑袋状态示意图图8 推包机构初始位置示意图论文李晓彬：全自动二次装袋机的研发向前推送物料，使得包装袋脱离撑袋机构，物料穿过热封工位进入接包定位机构直至物料与挡包板接触，此时物料已推送到位，则推包电机反转直至安装板及安装板上的相关构件回到原点。在推包机构回原过程中，推包气缸缩回，推包臂上摆复位，接包气缸伸出复位，使得接包板退出热封工位，让出热封空间。接包气缸复位后，热封机构动作完成热封。此后，挡包气缸缩回，输送机构将成品送出后，挡包气缸伸出回到初始状态。如图9 所示，推包臂在上摆状态时，其最低点仍高于物料，因此在推包机构回原时，不影响下一物料进入撑袋机构（即待推包位），使得整体流程顺畅且流程时间缩短，提高包装速度。根据不同的包装袋长度及物料长度，通过旋转手轮调整挡板的位置，实现匹配不同规格，增大机构适配范围。2.3.2 推包入袋机构计算 推包机构伺服电机选型计算工件部分的质量mA=1 5 k g；丝杆的导向长度BL=1.8 m；丝杆的直径BD=0.0 2 m；丝杆的螺距BP=0.0 2 m；丝杆的效率B=0.9；移动距离1.3 3 m；联轴器惯量JC=1 0 x 1 0-6 k g m2。运转模式加速时间ta=0.1 s；匀速时间tb=1.4 s；减速时间td=0.1 s；循环时间tc=2 s，运转速度时间（见图1 0）。丝杆的质量BW=x(BD/2)2BL=7.9 1 03(0.0 2/2)21.8=4.4 7 k g 负载部分的惯量 JL=JC+JB=JC+BWBD2+=0.1 1 0-4+2.2 3 5 1 0-4+1.5 2 1 1 0-4 =3.8 5 6 1 0-4 k g m2 预选电机4 0 0 W，则JM=0.5 6 1 0-4 k g m2 惯量比JL/JM=6.8 8 倍3 0 倍 最高速度Vm a x加速时间Vm a x+匀速时间Vm a x+减速时间Vm a x=移动距离则：Vm a x=0.8 9 m/s 电机转速NN=0.8 9/0.0 2=4 4.5 r/s =2 6 7 0 r/m i n 计算转矩运行转矩：Tf=(g mA+F)=0.1 2 N m加速时扭矩：Ta=+Tf=1.2 3+0.1 2=1.3 5 N m减速时扭矩：Td=Tf=1.2 3-0.1 2=1.1 1 N m预选电机的额定转矩为TM=1.2 7 N m最大转矩：1.3 5 N m 3.8 2 N m（M H M F 4 0 0 W 电机的最大转矩为3.8 2 N m）实效转矩：Tr m s=0.9 3 N m 1.2 7 N m（M H M F 4 0 0 W 电机的额定转矩为1.7 2 N m）根据以上计算可知，预选电机满足要求。2.4 理袋热封机构理袋热封机构是针对物料在到达热封工位前需穿过理袋热封机构的一种理袋热封方式。主要由包括理袋机构和热封机构组成，其中理袋机构主要负责整理袋口形状，热封机构则是负责保持袋口形状图9 推包机构推包臂摆动示意图图1 0 运转速度-时间图18mABP24 21212BP2 B(JL+JM)2 N加速时间(JL+JM)2 N减速时间Ta2ta+Tf2tb+Td2tdtc论文福建轻纺 2 0 2 3 年4 月 第4 期并热封。理袋机构主要由理袋杆、理袋调节板、导轨滑动副、螺杆-螺母副2 和辅助理袋吹气组成。导轨滑动副和螺杆-螺母副2 平行固定在安装板上，理袋调节板固定在导轨滑动副的滑块上，同时与螺杆-螺母副2 的螺母固连，理袋杆固定在理袋调节板上。螺杆-螺母副2 的螺杆两端螺纹牙为正反牙，通过转动固定在螺杆上的理袋调整手轮实现调节理袋调节板相向或相背移动，从而达到调节理袋宽度的目的。如图1 1 所示，理袋杆由弹簧、圆钢和固定座组成，圆钢与弹簧固连，弹簧与固定座固连，由于弹簧的特性，在外力的作用下，弹簧发生形变带动圆钢摆动。辅助理袋吹气固定安装在物料板上，辅助理袋杆对包装袋进行理袋。热封机构主要由热封气缸、热封调节电机、螺杆-螺母副1、安装板、热封调节导轨移动副、固定板、连杆机构、线性导轴-滑块滑动副、导轴连接板、上热封固定板、下热封固定板、上热封板、下热封板组成。其中线性导轴-滑块滑动副上有多组滑块，本实例中一组线性导轴-滑块滑动副上装有三个滑块，共两组线性导轴-滑块滑动副。各组线性导轴-滑块滑动副上的滑块取其二固定在安装板上，使得两组线性导轴-滑块滑动副相互平行，上理袋固定板分别与两组线性导轴-滑块滑动副中未固定的滑块固定安装。线性导轴-滑块滑动副中的导轴两端分别与导轴连接板和下热封固定板固定连接，上热封板和下热封板分别与上热封固定板和下热封固定板固定安装，上热封板和下热封板相互平行。连杆机构中的摆臂通过固定在安装板上的固定销与安装板铰接，两端分别与连杆铰接，两连杆的两端分别与导轴连接板和上热封固定板铰接。热封气缸采用两级气缸，固定在安装板上，活塞杆前端与热封固定板铰接，热封气缸活塞杆的伸缩带动上、下热封板开合，上、下热封板闭合时，其接缝处与理袋杆中线重合。热封调节导轨移动副与螺杆-螺母副1 平行固定在固定板上，热封调节电机与螺杆通过联轴器连接，也可通过其他传动机构（如同步带、齿轮等传动结构）进行传动。安装板与热封调节导轨移动副上的滑块固定安装，同时与螺杆-螺母副1 的螺母固连，通过电机的正反转实现带动安装板上的相关理袋热封构件上下移动，调整高度使理袋热封的中线与包装袋的中线重合。本机构实例如下：初始状态下，热封气缸处于缩回状态，上、下热封板处于打开状态。调整理袋杆之间的距离，使得理袋杆之间的距离略小于物料宽度，助理袋吹气关闭。根据输入的物料厚度调整理袋热封中线位置，使理袋热封的中线与包装袋的中线重合。如图1 2 所示，热封气缸保持缩（下转第3 2 页）图1 1 理袋杆结构示意图图1 2 理袋机构进料示意图论文福建轻纺 2 0 2 3 年4 月 第4 期（上接第2 2 页）参考文献：1 崔丙群,孟慧瑶,刘思雨,等.乡村振兴战略下农产品区域公用品牌价值共创组合路径研究 J .供应链管理,2 0 2 2(1 1):8 3-9 6.2 翁杰明.强化创新引领 加快“三个转变”更好推动中国制造高质量发展 E B/O L .(2 0 2 1-0 5-2 4)2 0 2 2-1 0-0 2 .h t t p:/t h e o r y.p e o p l e.c o m.c n/n 1/2 0 2 1/0 5 2 4/c 4 0 5 3 1-3 2 1 1 1 2 9 8.h t m l.3 王军,李鑫.区域特有农产品品牌整合的政府行为研究以长白山人参品牌为例 J .农业经济问题,2 0 1 4,3 5(0 5):2 1-2 6.4 杨旭,李竣.县级政府、供应链管理与农产品上行关系研究 J .华中农业大学学报(社会科学版),2 0 1 8(0 3):8 1-8 9;1 5 6-1 5 7.5 胡世霞,王红玲,陈世雄,等.关于乡村振兴背景下农业区域公用品牌建设的探讨 J .农业经济,2 0 2 2(1 0):1 2 4-1 2 6.6 焦翔,辛绪红,孙布克.乡村振兴战略下品牌农业的作用解析与路径研究 J .农业经济,2 0 2 1(0 8):5 5-5 6.参考文献：1 费叶琦,刘雨浩,马竹樵,等.食品包装机械发展研究 J .南方农机,2 0 2 0,5 1(1 9):6 2-6 4.2 冯晶.浅析大米包装设计的促销作用 J .山西青年,2 0 1 3(2 4):1 7 5-1 7 6.3 杨良渠.包装机械原理与设计 M .成都:西南交通大学出版社,2 0 1 4.回状态，当物料从热封机构右侧推送至热封指定位置过程中，包装袋内物料将理袋杆顶开，当物料持续移动时，物料脱离理袋杆，理袋杆直接作用于包装袋上，由于包装袋没有物料支撑，理袋杆逐步复位，使包装袋袋口两侧沿包装袋中线内凹以达到理袋目的。物料到位后，热封气缸动作如图1 3 所示。热封气缸为两级气缸，控制热封气缸先伸出一级行程，同时辅助理袋吹气开启辅助理袋，此时上、下热封板闭合到一定的程度，保持袋口形状。最后热封气缸走完全部行程并保持完成热封后复位。热封结束后，将成品送出，机构回到初始状态。理袋机构采用弹簧形变可自复位的特性，减少了机构的动力源，减少需要控制的机构，简化流程。同时该机构理袋宽度及理袋中线均可调，实现适应不同规格的物料尺寸，适应范围广，理袋热封效果好。3 结语全自动二次装袋机通过模块化设计，将不同的机械机构通过相互配合实现自动化功能。为满足客户多样式包装需求，摆脱老式二次包装设备的功能单一性，在全自动二次装袋机的设计研发过程中，增设多个可调节机构，以实现包装多样性。全自动二次装袋机使用多项获专利的机构，研发完成后经过加工装配、试机检验、实际包装测试等多项测试环节，测试过程中设备性能、安全性、包装速度、成品合格率等多项指标均可达到企业标准。图1 3 热封气缸动作示意图