食品自动包装机的设计与开发

袁飞，高雪

常州工业职业技术学院（常州 213000）

随着人们生活水平的提高，品质高、外观精美的食品越来越受到大家的青睐，包装机是食品行业不可或缺的设备[1-2]，所以包装行业迎来了巨大的商机。我国目前的先进包装机主要依赖进口，但进口的设备价格昂贵，一些中小企业无力负担，国内的食品包装机在包装速度、灵活性、可靠性等方面还存在一点缺陷，而且包装品种单一，不能够适应不同尺寸的产品包装，目前好多企业还处于用手工包装或者用简易的封口设备做半自动包装，我国包装行业的整体技术水平还存在很大的提升空间[3-5]。设计了一台能自动完成送料、送膜、制袋及纵横封等工序的食品包装机，用PLC配合伺服系统实现各个轴的协调运动，能够适用不同尺寸规格的食品包装，通过样机试验，证明了所设计的食品包装机具有高的效率和精度，其操作简单，对我国食品包装行业的发展也具有积极的促进意义。

1 食品包装机的结构设计

1.1 包装机的结构

包装机主要由控制系统、动力系统和执行机构等组成。执行机构包括物料输送机构、送膜机构、制袋成型器、纵封机构、横封横切机构和输出机构等[6-8]。结构图如图1所示。

图1 食品包装机结构图

物料输送机构：物料输送机构主要由链条、链轮、支撑装置、分割杆和张紧装置组成[9]。伺服电机通过链轮带动链条向前运动，链条上的物料随之运动，分割杆以一定间隔铰接在链条上，使物料以固定间距有序进入制袋成型器，链条运动一段时间可能会出现松弛现象，可以用张紧装置张紧。

送膜机构：送膜机构主要由牵引输送机构、拉膜张紧装置、支撑机构和导向机构组成，固定在支撑杆上的卷盘薄膜，通过导辊轮导向和张紧轮张紧，到达牵引输送机构（主要由驱动辊和压膜辊组成），通过牵引输送机构牵引到制袋成型器。对于有商标图案的薄膜，送膜机构上装有色标传感器，通过信号反馈，对薄膜进行调节，确保合理的封切位置，保证产品的美观。包装机在工作过程中，送膜速度会时快时慢，拉膜张紧装置会使包装膜一直保持一定的张紧力。

制袋成型器：制袋成型器是食品包装机的关键部件，它的作用是将平面的包装膜变为筒状。制袋成型器主要由支架、成型板、连接板、制袋翼片、调节手轮等组成。包装膜进入制袋成型器后，由制袋翼片和成型板将膜卷成筒状，并预留纵封封边，制袋成型器决定了包装产品的外观尺寸，可以通过调节手轮调节袋的大小。

纵封机构：物料输送机构将物料送入成型了的包装膜中，然后装有物料的包装膜进入纵封机构进行纵向封合。设计的包装机采用辊式纵封结构，主要由纵封辊、加热装置和驱动机构组成。纵封辊由两个有一定锥度的圆柱型滚轮组成，它不仅能对产品进行纵向封合，而且能起到拉膜牵引的作用，保证了包装膜的连续性，辊轮表面有网纹滚花，用于保证封合质量，辊轮内部装有加热装置，能够使包装膜更好地粘合。

图2 纵封机构三维模型

横封横切机构：横封横切是食品包装的最后一道工序，它是将装有物料并纵封好的包装膜以一定长度进行横封封口并切断。设计的包装机采用回转式横封机构，主要由上下横封座、切刀和发热管等组成，此装置是将横封结构与切断合二为一，结构简单，有利于减小整体结构尺寸。

图3 横封横切机构三维模型

成品输出机构：成品输出采用带式传动，底部用支撑架支撑，输送带采用尼龙袋。

1.2 包装机的工艺流程

食品包装机的包装膜输送和物料传送是同步进行的，由光电传感器与接近传感器分别对包装膜和物料的位置进行检测，光电传感器对切点信号实时传送，根据信号实时调速，保证横切刀准确地切到色标位置。

包装膜由送膜机构送入制袋成型器，在制袋成型器内被卷成筒状，物料由物料输送机构推入已成型的包装膜内，然后装有物料的包装膜被继续推入纵封机构，对纵缝进行封合，然后进入横封横切机构，完成横向封口与切断，至此完成整个包装工序，最后由成品输出机构输出。包装机的工艺流程图如图4所示。

图4 包装机工艺流程图

2 食品包装机控制系统设计

随着第三次工业革命的到来，微电子及传感器的应用越来越广泛，PLC控制技术也越来越成熟，PLC已被广泛应用于各个工业领域。设计的食品包装机控制系统选用PLC可编程控制器，配合伺服系统实现包装机的稳定运转，使包装机具有高的可靠性和强的抗干扰能力[10-13]。

包装机的控制系统主要由PLC可编程控制器、传感器、编码器、驱动器、触摸屏等组成[14-15]，如图5所示。

图5 食品包装机控制系统组成

通过对PLC编程控制驱动器、驱动器控制相应的伺服电机的转动，物料输送、送膜、制袋、纵封、横切等工序可实现速度匹配，包装膜与物料位置通过传感器反馈给PLC，电机转速通过编码器反馈，PLC根据传感器和编码器的反馈实时调节，使包装机稳定运行，控制流程图和接线图如图6和图7所示。在充分考虑操作方便的前提下，对触摸屏进行了设计，所有操作基本都可以通过触摸屏完成，另外还可以通过触摸屏进行参数设计，以满足不同尺寸规格产品的包装。

图6 控制系统接线图

图7 控制流程图

3 样机试验

根据设计制作试验样机，试运行发现，此包装机性能稳定，操作简单，参数设定方便快捷，能够适用于多种材质的包装膜，适用于饼干、面包等各类有规则的块状食品包装，样机及触摸屏显示如图8所示。试验得到，此包装机的包装速度与物料的大小有关，最快能达到250袋/min，能够适用的包装膜最宽达到400 mm，包装产品合格率为99.5%，且包装产品外形精美，所有控制均可通过触摸屏由软件实现，方便功能调节和技术升级。

图8 样机及触摸屏显示图

4 结语

设计了一台能自动完成送料、送膜、制袋及纵横封等工序的食品包装机，介绍了其基本结构和工艺流程，并对各个部件的结构做了简单介绍；以PLC为核心，设计了包装机的控制系统，实现各个轴的协调运动。通过样机试验，此包装机能够适用于多种材质的包装膜，适用于饼干、面包等各类有规则的块状食品包装，且具有高的效率和精度，操作简单，对于不同尺寸规格的产品都具有很好的包装效果，拥有广阔的市场前景，对我国食品包装行业的发展也具有积极的促进意义。