较厚块状物品枕式包装封口部件集成设计

晏祖根，朱 迪，李 鹏，孙智慧，孟 爽

(哈尔滨商业大学 轻工学院，黑龙江 哈尔滨 150028)

我国的包装机械行业加强了自主创新与技术集成，技术水平得到快速发展，我国已成为世界包装机械制造大国。但与美、德、日等国的包装机械所处的先进水平相比，我国的包装机械在质量、速度及精度等方面依然落后，包装机械从“中国制造”转变为“中国智造”刻不容缓[1]。

随着经济发展和消费方式的改变，个性化的包装形式逐年增加，适合不同细分领域的包装机械层出不穷。枕式包装机作为包装机的一种主要类型，广泛应用在食品、日化和医药等行业。为提高包装机的封口切断性能，孟康[2]和万乾程[3]等开展了枕式包装机封口机构的研究；郑兆启等[4]开展了凸轮连杆式切断机构与超薄自粘膜横封装置的研究；李文方等[5]开展了横封切断机构的速度控制研究；为提高包装机效率，郝友莉等[6]开展了包装机密实输送螺杆研究；邢亚飞等[7]开展了新型粉末包装机往复式横封机构的设计，以提高包装执行机构的包装速度与包装的稳定性。针对传统枕式包装机通用性差、自动化程度低等问题，Gao等[8]提出一种3伺服枕式包装机控制系统以提高包装机的平稳性。张震宇等[9]开展了粉粒及块状物料包装流水线自动封口机的设计，实现了物料包装流水线自灌装到封口流程的全程自动化运行。面向行业对5连包方便面等厚度较大块状物品的包装需求，研发高性能枕式包装袋封口部件及包装机，具有很好的工程应用背景。

1 较厚块状物品枕式包装封口工艺

产品包装取决于包装物料与包装材料的物性、制袋封口方法及使用要求等。根据包装机的设计要求，确定加厚块状物品枕式包装袋的封口工艺：

1)纵封辊相向旋转，将已充填物料的筒状包装薄膜中缝封口，移送到横封工位；

2)前、后折膜机构相向运动，将包装筒前、后折膜，形成包装袋的2层叠封；

3)上封口切断机构和下封口机构相向动作，横封切断包装膜，形成枕式包装袋成品。

加厚枕式包装袋封口工艺如图1所示。

图1 加厚枕式包装袋封口工艺Figure 1 Sealing process for thicker pillow packaging bag

2 新型封口部件工作原理

封口部件是枕式包装机的重要组成，直接影响包装机的性能。基于大块物品的包装封口工艺分析，利用SolidWorks，建立加厚枕式包装袋的封口部件模型，如图2所示。图中部件主要由纵封、整理输送、横封和成品输出等部件组成。充填块状物品的筒状包装薄膜在成型器折叠成型，顺序通过纵封、整理输送及横封等部件，自动完成加厚枕式包装袋的纵封、横封和切断等工序动作；经过废品剔除部件的拣选，由成品输出部件将包装成品输出。

图2 枕式包装封口部件Figure 2 Sealing parts of pillow packaging machine

3 纵封部件结构设计

包装袋纵封部件如图3所示，主要由拉膜机构、预热机构、纵封机构、物料托板以及纵封基座等组成，实现枕式包装袋的拉膜、预热与中缝的连续辊式封口。

图3 包装袋纵封部件Figure 3 Longitudinal sealing parts of packaging machine

纵封部件拉膜机构如图4所示。一个拉膜辊固定安装，另一个拉膜辊安装在摆动平台上。在压紧弹簧作用下，2个拉膜辊保持紧密接触以实现包装膜的稳定输送，同时根据工况要求还可以用微调机构来调整薄膜压紧力。如出现故障或更换包装膜时，通过开合机构末端的偏心凸轮使2个拉膜辊脱开一定距离，方便包装薄膜通过。拉膜辊的直径为112 mm，辊面为网纹状；拉膜齿轮模数为2，齿数为28；输入同步带轮为T5齿形，齿数为32；锥齿轮模数为2，齿数为28。

图4 纵封部件的拉膜机构Figure 4 Packaging film supply mechanism of longitudinal sealing parts

纵封部件的预热机构如图5所示，采用预热板预热包装袋的中缝部位。气缸和连杆机构的共同作用可以调整2块预热板的相对位置；同时协同温控仪，保证包装薄膜的预热效果。如出现故障或更换包装膜时，气缸复位；在拉紧弹簧的作用下，2块预热板脱开一定距离，避免包装薄膜长时间预热。

图5 纵封部件的预热机构Figure 5 Preheat mechanism of longitudinal sealing parts

纵封部件的纵封机构如图6所示。2个纵封辊中的一个安装在基座上，另一个安装在动平台上。在拉伸弹簧作用下，2个纵封辊保持紧密接触。输入同步带轮和齿轮的传动带动2个纵封辊作旋转运动，2个纵封辊运动时夹持枕式包装袋的中缝，完成包装袋的纵封。如出现故障或更换包装膜时，开合气缸动作使2个纵封辊脱开一定的距离，避免包装薄膜粘连在纵封辊上，同时也方便包装薄膜的导出。

图6 纵封部件的纵封机构Figure 6 Vertical sealing mechanism of longitudinal sealing parts

纵封辊直径为112 mm，辊面按包材厚度、性能和封接要求，制成不同形状的网纹；辊内安装加热盘，可通过温控仪调整加热温度。这些结构和仪表可以保证包装膜之间有足够的结合力，保证包装袋的密封性和美观度。输入同步带轮为T5齿形，齿数为32；锥齿轮模数为2，齿数分别为18和36。

4 旋转往复式横封器设计

4.1 横封器工作原理

厚度较小的扁平块状物品，可选用扁平枕式袋。对5连包方便面等较厚的块状物品，如采用常规的旋转式横封器，封口处容易出现褶皱，如采用往复式横封器，则封口速度较慢[10]。基于加厚枕式包装袋封口工艺，结合旋转式和往复式横封器的特点，设计一种新型的旋转往复复合式横封器，如图7所示。横封器主要由进料部件、横封器组件、折膜机构和成品输出部件等组成。经纵封部件完成中缝封接的包装袋，通过进料部件的皮带输入横封工位；横封器组件与前折膜机构、后折膜机构协同动作，完成包装袋中缝的横封封口与切断，输出包装成品[11]。

图7 旋转往复式横封器总成Figure 7 Rotary reciprocating horizontal sealing parts

为避免较厚包装袋封口过程的干涉问题，设计了进料部件和成品输出部件的随动机构如图8所示。进料部件进料皮带的主动带轮F1和从动带轮F4固定在基座上，带轮F2和F3安装在进料连接板上，进料凸轮也安装在进料连接板上。安装在下热封器上的杆端轴承按沟槽凸轮的轮廓轨迹运动，驱使带轮F2和F3作相应的平动动作；在保证进料皮带长度不变的情况下，使得包装袋及内含包装物与横封机构保持适当空间，实现包装袋横封的稳定封接。成品输出部件同理设计，保证包装袋横封的稳定封接和包装成品的快速脱离与输出。相比于常规横封器，新型横封器的上、下封头采用平行热封板、实现板式面接触的热封，具有封合质量好、封口速度快和封合厚度较厚的特点，但结构比较复杂、制造成本较高。

图8 横封部件机构简化模型Figure 8 Simplified mechanism model of horizontal sealing parts

4.2 横封器组件

横封器组件是横封部件的重要组成部分，主要由上热封器、下热封器、直线导轨、齿轮组和端封基座等组成，如图9所示。

1—前折膜凸轮；2—导轨；3—封口器；4—切断气缸；5—上刀体；6—回转腕；7—封口沟槽凸轮；8—后折膜凸轮；9—下刀体；10—端封座；11—输入同步带轮；12—齿轮组；13—检测挡片；14—机械锁。图9 横封器组件Figure 9 Model of horizontal sealing components

图9中，电机驱动输入端同步带轮转动，同步带轮顺序地通过齿轮组驱动上、下回转腕作等速旋转；安装在上、下刀体上的杆端轴承，分别跟随上、下封口沟槽凸轮运动；上、下封口器分别安装在上、下刀体上，由于直线导轨的限制，当回转腕旋转时，上、下刀体只能沿沟槽凸轮的轮廓轨迹做复合往复平动，带动上、下封口器也作相应的复合往复平动，实现包装袋端缝的热封接与切断。

为提高横封机构的刚度、封接速度和运动同步性，横封器组件采用对称布置的形式，在两侧端封座上安装同配置的传动机构与执行机构。为简化机构设计，将包装袋切断装置与横封器进行集成设计。切断装置采用气缸驱动，安装在上热封器上，随上热封器一起平动。当上热封器往复移动到相应位置时，切断气缸动作，带动上热封器内的切刀动作，将已横封的包装袋端缝切断。为消除传动间隙、提高传动精度，传动齿轮组采取双齿轮结构，通过机械锁调整齿轮传动的传动间隙，提高横封器的运动平稳性和两侧齿轮传动的同步性。

4.3 包装袋折膜机构

枕式包装袋较厚，必须先折膜再封口。包装袋折膜机构如图10所示，包括前折膜机构、后折摸机构两部分。下刀体作复合往复移动的同时，驱动折膜板跟随下热封器及包装袋作往复平动。同时，折膜凸轮旋转，通过轴承、折膜连杆机构，驱动折膜动平台沿横向导轨作往复的折膜动作。前后折膜机构协调运动，实现包装膜横封之前的折膜动作。

1—折膜凸轮；2—端封座；3—下刀体；4—横向导轨；5—出料凸轮；6—折膜动平台；7—折膜板；8—输出皮带；9—输出导轨；10—折膜连杆机构；11—齿轮组。图10 单端包装袋折膜机构Figure 10 Folding film mechanism of horizontal sealing component

4.4 横封工艺阶段设计

对较厚枕式包装袋的横向封口，必须使包装袋与横封机构在封口的过程中保持适当距离，以保证包装袋端封的稳定封接和包装成品的快速脱离。根据封口动作和封口工艺要求，可将横封工艺分成3个阶段，如图11所示。图中仅绘制下半部分横封机构，点A，B和C对应沟槽凸轮的3个位置。

图11 枕式包装横封工艺阶段Figure 11 Horizontal sealing process stage

1)第1阶段(从A到B)。上、下热封器做旋转往复式平动，上、下热封器在A点开始和包装膜接触，包装膜包裹在上、下热封器的外表面，跟随热封器运动，直至上、下热封器运动至B点位置时开始接触。

2)第2阶段(从B到C)。上、下热封器夹持着包装膜继续平动，完成包装袋的热封接与切断。

3)第3阶段(从C到A)。上、下热封器运动至C点位置时脱离接触，继续回转到A点。在此过程中，输出皮带带着包装成品快速脱离，同时，牵引包装膜筒及内包装物继续前行，直至下一个包装物移动到横封工位。

4.5 横封机构运动分析

基于横封工艺原理，建立端封机构运动分析模型如图12所示。上、下热封器采用对称运动机构，为分析简便，仅绘制下热封器的运动机构。图12中：O为回转腕曲柄的回转中心；P为滚子轴承的中心，滚子轴承沿沟槽凸轮的轮廓曲线运动；D,E为下热封器封口面的2个角点；G，H为内包装物的下角点；M为封横进料凸轮内的滚子轴承中心；N为成品出料凸轮内的滚子轴承中心。

图12 横封机构运动分析原理图Figure 12 Horizontal sealing mechanism motion schematic diagram

滚子轴承的回转中心、滚子轴承与沟槽凸轮内轮廓接触点、曲柄回转中心为三角关系，为简化设计模型，此处忽略滚子轴承的半径对机构运动学分析的影响。基于横封机构运动分析模型，有：

VP=ωR。

(1)

式中：VP为滚子轴承的瞬时速度；R为凸轮轮廓的瞬时半径，与凸轮轮廓的位置有关，R=f(θ)；θ为回转腕曲柄的旋转角度，对下热封器顺时针为正向旋转方向。

横封器拉膜的过程中，包装膜与热封器的封口表面不能有相对滑动，且有：

VG=VF-V1;

(2)

VH=VB-V2。

(3)

式中：VG为包装膜及内包装物的进料速度；VH为单端封口包装袋的回推速度；VF为进料皮带速度；VB为成品输出皮带速度；V1为进料皮带移动带轮F2的移动速度；V2为成品输出皮带的移动带轮B2的移动速度。

因为包装膜与热封器无相对移动，则有：

(4)

(5)

式中：VD为成品输出皮带速度；φ为热封器拉膜过程中进料包装膜与水平面的夹角，与封合位置有关；Ψ为热封器拉膜过程中出料包装膜与水平面的夹角，与封合位置有关。

V1=VPcos (α+θ)sinα;

(6)

V2=VPcos (β+θ)sinβ。

(7)

式中：α为进料沟槽凸轮的轮廓曲线角度，与滚子轴承中心位置有关；β为成品输出沟槽凸轮的轮廓曲线角度，与滚子轴承中心位置有关。

5 封口执行机构工作循环图

枕式包装机需通过多凸轮、连杆机构的协同动作，实现枕式包装袋的进料、折膜、横封、切断以及成品输出。基于前述工艺分析与执行部件的设计，设计封口部件执行机构的工作循环图[12]如图13所示。

图13 横封器执行机构工作循环图Figure 13 Working cycle diagram of horizontal sealing mechanism

主动电机通过同步带和齿轮传动，驱动包装袋的拉膜、整理输送与纵封机构做连续等速转动；横封机构通过沟槽凸轮和曲柄滑块机构，实现上、下热封器的旋转往复平动封口动作；通过PLC控制切断气缸动作，实现包装袋端缝的实时切断；通过进料沟槽凸轮、输出沟槽凸轮，实现进料、输出皮带机构的往复移动；通过前、后折膜凸轮及折膜连杆机构实现包装袋的前、后折膜动作。基于封口执行机构的工作循环图，可指导沟槽凸轮等机械控制元件的设计，也为整机的PLC控制提供技术支持。

6 结语

课题组根据行业内对较厚块状物品的枕式包装需求，基于常规枕式包装机封口部件的分析，设计了较厚块状物品的包装工艺；基于凸轮与PLC的协同控制理念，建立了旋转往复式横封运动学模型；设计了旋转往复式横封器与纵封器，以及多机构协同控制的工作循环图。课题组研发的新型封口部件已在企业的枕式包装机上应用，相比于常规封口部件，具有适用包装尺寸大、封合质量好及封口速度快等优点。后续还需优化各凸轮的轮廓曲线与PLC协同控制程序，提高枕式包装机的包装速度与可靠性。