吳云章 程 亮 馮 渝

(武漢人天包裝自動(dòng)化技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430205)

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間歇式立式包裝機(jī)的時(shí)序分析與速度提高方法

吳云章 程 亮 馮 渝

(武漢人天包裝自動(dòng)化技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430205)

結(jié)合目前常見的間歇式全自動(dòng)立式制袋充填封口機(jī)(簡稱立式包裝機(jī))，探討包裝機(jī)穩(wěn)定工作與動(dòng)作時(shí)序設(shè)置的關(guān)系，總結(jié)出制約包裝機(jī)工作速度的3個(gè)重要因素：橫封動(dòng)作時(shí)間、下料充填時(shí)間和走膜時(shí)間，提出提高包裝機(jī)工作速度的具體措施，比如設(shè)計(jì)響應(yīng)速度更快的橫封驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并在橫封上增加導(dǎo)向板，盡量控制包裝物料集中下落，將走膜電機(jī)改為伺服電機(jī)等。通過實(shí)際運(yùn)用證實(shí)，在保證包裝機(jī)工作穩(wěn)定性的前題下，可將包裝速度提高20%以上。

立式包裝機(jī)；包裝速度；時(shí)序；動(dòng)作參數(shù)；穩(wěn)定性

隨著包裝機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，能完成制袋、計(jì)量、充填、封口全自動(dòng)的包裝機(jī)已經(jīng)非常普及，行業(yè)競爭也越來越激烈[1]。用戶對(duì)此類包裝機(jī)的綜合性能參數(shù)也提出了更高的要求，比如對(duì)包裝機(jī)的穩(wěn)定性、包裝速度、計(jì)量精度、物料適應(yīng)范圍、外觀、安生性等都非常重視。包裝速度直接決定了客戶單臺(tái)設(shè)備的生產(chǎn)效率和產(chǎn)能，是用戶首要關(guān)注的指標(biāo)。對(duì)于流動(dòng)性較好，包裝規(guī)格在1 kg以內(nèi)的粉粒類物料，目前中國間歇式立式包裝機(jī)的包裝速度普遍在30～60包/min，而國外同類產(chǎn)品最高已經(jīng)達(dá)到了100包/min[2]。新出現(xiàn)的連續(xù)式多工位包裝機(jī)，其速度還要成倍增長[3]。因此從包裝速度上對(duì)比中國包裝機(jī)還存在較大差距，對(duì)于包裝速度的影響因素，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為與物料特性、計(jì)量速度、封口動(dòng)作快慢、拉膜響應(yīng)速度有關(guān)[4]，也有人認(rèn)為與下料管的長度、包裝膜熱封性能也有關(guān)[5]。這些結(jié)論都是從日常經(jīng)驗(yàn)和各自的角度做出的定性判斷，雖有一定道理，但并沒有一個(gè)全面而可指導(dǎo)性的結(jié)論?？赡苁沁^去多側(cè)重于對(duì)包裝機(jī)結(jié)構(gòu)和功能上的研究，缺少綜合定量分析，因?yàn)橛绊懓b速度的各因素是互相制約的。本研究擬通過系統(tǒng)綜合分析的方法，從包裝機(jī)控制和動(dòng)作時(shí)序的角度進(jìn)行分析，找出影響速度的瓶頸因素，盡可能地提高整機(jī)包裝速度。

1 立式包裝機(jī)的工作原理及流程

如圖1所示，立式包裝機(jī)的工作過程：先裝夾好卷膜，將片膜穿過一組導(dǎo)輥，引入翻領(lǐng)成型器，通過成型器卷成筒狀后包裹在下料管外，在卷膜與成型器之間還安裝打碼機(jī)、光標(biāo)檢測等裝置。成型器前端的縱封塊開始動(dòng)作對(duì)袋筒中封進(jìn)行縱向熱合，同時(shí)兩橫封塊閉合橫向熱封袋口。然后物料從下料管充填到熱合后的包裝袋中，牽引裝置根據(jù)光標(biāo)檢測位置將袋筒沿下料管向下拉動(dòng)一個(gè)袋長，當(dāng)包裝袋停止后打碼機(jī)完成打印動(dòng)作，縱封橫封再次封合，然后安裝在橫封塊中間的切刀沿切口切斷包裝袋，完成一個(gè)包裝過程。從包裝機(jī)的工作過程可將其分解成以下幾個(gè)動(dòng)作：

1. 卷膜 2. 導(dǎo)輥 3. 打碼機(jī) 4. 光標(biāo)檢測 5. 翻領(lǐng)成型器 6. 下料管 7. 縱封 8. 吹氣冷卻 9. 橫向 10. 切刀 11. 成品袋

圖1 立式包裝機(jī)原理圖

Figure 1 Schematic vertical packaging machine

(1) 橫封：通過橫封加熱塊的開合動(dòng)作將前一包裝袋上封口與后一包裝袋下封品同時(shí)熱合，橫封機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)一般由氣缸或電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，可將橫封動(dòng)作時(shí)間分解為3段，見圖2。為了方便后續(xù)分析，用ta1表示兩加熱塊從打開到完全閉合所用的時(shí)間；ta2表示兩加熱塊閉合停留時(shí)間；ta3表示兩加熱塊從閉合到完全打開所用的時(shí)間。

圖2 橫封動(dòng)作時(shí)間分解示意圖

(2) 縱封：通過縱封加熱塊的開合運(yùn)動(dòng)對(duì)包裝袋縱向進(jìn)行熱合，縱封動(dòng)作行程比橫封要短，多由小行程氣缸控制。其動(dòng)作也可以分解成閉合、停留、打開3個(gè)時(shí)間段，與橫封類似可用梯型圖表示。

(3) 打碼：在包裝機(jī)上打印生產(chǎn)日期、產(chǎn)品批號(hào)、二維碼等信息。其動(dòng)作由矩形圖表示即可。

(4) 下料：物料從下料管落入包裝袋下橫封處開始到整袋物料下落結(jié)束，稱之為物料填充過程，設(shè)所用時(shí)間為td，見圖3。

圖3 下料動(dòng)作時(shí)間示意圖

(5) 切刀：將封口后的包裝袋沿切口處橫向切斷，其動(dòng)作多由小行程氣缸控制，其動(dòng)作過程與橫封類似，由梯型圖表示。

(6) 冷卻：橫封熱封后，封口溫度較高，為了加快封口的黏結(jié)，需要在打開的瞬間快速進(jìn)行吹氣冷卻，其動(dòng)作由矩形圖表示。

(7) 走膜：每一個(gè)周期都要將包裝膜下拉一個(gè)袋長，拉膜機(jī)構(gòu)一般由伺服電機(jī)控制，拉膜所用時(shí)間用te表示，其動(dòng)作時(shí)間可由矩形圖表示，見圖4。

2 包裝機(jī)的時(shí)序動(dòng)作分析

以橫坐標(biāo)表示時(shí)間，T為包裝機(jī)一個(gè)包裝周期，縱坐標(biāo)表示包裝機(jī)各個(gè)動(dòng)作過程，可以畫出各個(gè)動(dòng)作時(shí)序關(guān)系圖，見圖5。其中t1表示橫封正好閉合時(shí)刻，t2表示橫封開始打開時(shí)刻，t3表示走膜開始時(shí)刻。根據(jù)包裝機(jī)的工作原理，各動(dòng)作之間存在以下關(guān)系：走膜除了與冷卻可重疊外，一般與其他動(dòng)作不能重疊；橫封、縱封、打碼三者相互是獨(dú)立的；下料、切刀、冷卻與橫封的動(dòng)作聯(lián)系緊密，其中下料、切刀的時(shí)間要在t1和t2之間，而冷卻開始時(shí)間為t2為好，結(jié)束時(shí)間在t3之后即可。

圖4 走膜動(dòng)作時(shí)間示意圖

圖5 包裝機(jī)工作時(shí)序圖

在實(shí)際包裝機(jī)調(diào)試過程中，都可以參照時(shí)序圖進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果動(dòng)作時(shí)間調(diào)試不到位就會(huì)造成一些問題。比如若落料開始時(shí)間早于t1，表示橫封還未閉合，物料已經(jīng)到達(dá)橫封處，就會(huì)出現(xiàn)橫封夾料；若落料結(jié)束時(shí)間晚于t2，表示橫封已經(jīng)打開時(shí)，物料還未完全填充結(jié)束，下落中的物料會(huì)對(duì)還未完全冷卻黏合的橫封形成沖擊力，使橫封效果變差，也就是常說的沖包現(xiàn)象。還有包裝膜走膜不暢、冗膜可能是走膜動(dòng)作時(shí)間與其他動(dòng)作重疊造成。包裝袋橫向切口效果不好有可能是切刀時(shí)間設(shè)置不對(duì)。打碼機(jī)打出的印記不正常，可能是膜未在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)就已打印。

3 制約包裝速度的因素分析

在實(shí)際應(yīng)用中隨著包裝速度的提高，各動(dòng)作參數(shù)的調(diào)節(jié)需要越來越精確，當(dāng)達(dá)到一定的包裝速度后，想再提高就比較困難了。目前市場上主流的全自動(dòng)立式包裝機(jī)最高穩(wěn)定速度都在60包/min左右。

是什么因素制約了包裝機(jī)的包裝速度呢？從時(shí)序圖開始分析，目前市面上的打碼機(jī)打印頻率基本在100次/min以上，因此首先排除打碼機(jī)的限制。縱封與橫封動(dòng)作可以同時(shí)進(jìn)行，縱封行程較短，其封合時(shí)間比橫封要久，且縱封動(dòng)作相對(duì)獨(dú)立，在實(shí)際包裝過程中縱向封口也很少出問題，因此可以排除縱封為瓶頸的可能性。切刀動(dòng)作幾乎是瞬時(shí)完成的，因此也可以排除切刀的限制。吹氣冷卻是一種輔助手段，對(duì)時(shí)間控制要求并不需要很精確，因此也可以先不考慮。從實(shí)際調(diào)式經(jīng)驗(yàn)來看，隨著包裝速度的提高，通常會(huì)出現(xiàn)夾料、破包或者橫封封口質(zhì)量差等情況。因此可以將影響速度因素主要集中在橫封、落料和走膜上。

假設(shè)機(jī)械結(jié)構(gòu)不變的情況下，橫封ta1和ta3時(shí)間不會(huì)改變。ta2理論與包裝膜熱封所需時(shí)間以及物料填充時(shí)間相關(guān)，通過試驗(yàn)設(shè)置一個(gè)較高的包裝速度，關(guān)閉下料，讓包裝機(jī)打空袋，得到空袋封口的效果能滿足要求。在相同的設(shè)置下，開啟下料，打出的成品袋的橫封效果會(huì)比空袋差，甚至出現(xiàn)夾料或破包現(xiàn)象，因此可以判斷封合時(shí)間ta2與物料填充時(shí)間td關(guān)系更大，即要求ta2≥td。

隨著包裝速度的提高，每個(gè)周期T的時(shí)間就會(huì)變短，假設(shè)存在一個(gè)最高工作速度，對(duì)應(yīng)時(shí)間周期為T'，這個(gè)理想的工作時(shí)序圖見圖6。在橫封閉合時(shí)刻物料正好到達(dá)，物料充填結(jié)束時(shí)橫封正好打開，橫封完全打開瞬間，走膜動(dòng)作開始，走膜結(jié)束后橫封開始動(dòng)作，如此往復(fù)。即存在以下關(guān)系：

T'=ta1+ta3+td+te。

(1)

通過試驗(yàn)檢測，橫封ta1和ta3時(shí)間一般為0.25 s左右，走膜時(shí)間te一般為0.3 s左右，下料填充時(shí)間td為0.2 s左右，計(jì)算出周期T'：

T'=0.25 s+0.25 s+0.30 s+0.20 s=1.00 s。

因此可以得出包裝速度為60包/min，這個(gè)數(shù)值與現(xiàn)有包裝機(jī)基本是一致的。

圖6 包裝機(jī)理想工作時(shí)序圖

4 提高包裝機(jī)速度的方法

從以上分析可以得出，制約包裝機(jī)包裝速度的因素主要有：① 橫封塊的閉合與打開時(shí)間；② 物料下落充填時(shí)間；③ 走膜時(shí)間。加快這三者的響應(yīng)速度，即可提高包裝速度。

(1) 橫封塊的運(yùn)動(dòng)如果由氣缸驅(qū)動(dòng)，在滿足包裝要求的情況下盡量減小氣缸行程，適當(dāng)增大氣缸進(jìn)氣量和氣壓，并選擇響應(yīng)速度更快的電磁控制閥。部分廠家還在橫封上方加設(shè)包裝袋整形導(dǎo)向板[6]，以避免充填后的成品袋太鼓，在橫封沒有完全打開之前，成品袋即可通過，因此走膜動(dòng)作可以提前開始，縮短了橫封與走膜之間的銜接時(shí)間。通過改進(jìn)橫封ta1和ta3時(shí)間可以控制在0.2 s之內(nèi)。

(2) 計(jì)量充填機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要使物料避免過于分散，盡可能集中下落，在橫封封口上方加設(shè)緩沖閘門是個(gè)比較有效的措施[7]，不僅可以使物料集中，還可以減小高速下落的物料對(duì)橫封封口造成的沖擊。改進(jìn)后填充時(shí)間可控制在0.15 s之內(nèi)。

(3) 減小走膜時(shí)間的方法：采用響應(yīng)速度更快的伺服電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)采用靈敏度更高的光標(biāo)傳感器，在滿足走袋精度要求的前題下，盡量提高電機(jī)最高轉(zhuǎn)速值[8]，將走袋時(shí)間控制在0.25 s之內(nèi)。

5 結(jié)論

通過改進(jìn)優(yōu)化，在掌握包裝機(jī)的時(shí)序動(dòng)作規(guī)律后，對(duì)參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)后，實(shí)際橫封、下料、走膜的工作時(shí)序圖見圖7，其大致工作過程為：橫封閉合后物料即送達(dá)，當(dāng)物料大部分填充到位后，剩余的物料對(duì)橫封不會(huì)產(chǎn)生太大的沖擊時(shí)，此時(shí)橫封可提前打開，當(dāng)橫封打開到一定距離(容許包裝袋通過)后，開始走膜動(dòng)作，當(dāng)走膜還未完全結(jié)束時(shí)，下一周期的橫封閉合動(dòng)作也可提前開始，只要保證在橫封閉合之前走膜動(dòng)作已經(jīng)結(jié)束即可。優(yōu)化后的工作周期T"：T"<0.20 s+0.20 s+0.25 s+0.15 s=0.8 s。

圖7 包裝機(jī)實(shí)際工作時(shí)序圖

優(yōu)化后包裝機(jī)最高工作速度可以達(dá)到75包/min以上(原包裝速度最高為60包/min左右)。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，封口質(zhì)量良好，產(chǎn)能較原來的包裝機(jī)提高20%以上。

但隨著各動(dòng)作時(shí)間的進(jìn)一步壓縮，受物理結(jié)構(gòu)的限制，間歇式包裝機(jī)速度已經(jīng)接近極限值，目前市面可以見到同類包裝機(jī)的最高速度為100包/min，速度再提高的空間已經(jīng)非常有限。而且隨著速度進(jìn)一步升高，穩(wěn)定性會(huì)隨之下降，而且對(duì)機(jī)械及電氣元件的性能壽命都會(huì)產(chǎn)生影響[9]。

隨著包裝技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)制造水平的提高，新型連續(xù)式、多工位包裝機(jī)已逐漸應(yīng)用，其包裝速度較間歇式包裝機(jī)具有更大的優(yōu)越性，將會(huì)取代間歇式包裝機(jī)成為未來發(fā)展的方向[10]。

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Timing analysis and methods to improve the speed of the packaging machine

WUYun-zhangCHENLiangFENGYu

(WuhanRentianPackagingTechnologyCO.,LTD,Wuhan,Hubei430205,China)

It was focused on the automatic vertical bag forming-filling-sealing machine (packaging machine for short) and the exploring the relationship between its stability and action sequence in this study. Therefore, it was concluded that three important factors contributed to restricting the speed of the packaging machine, including the transverse sealing, the filling, and the carrying film action time. Moreover, a specific measure of improving the packaging speed was proposed, i.e., designing faster transverse sealing driving mechanism and adding a guide plate above the transverse sealing, trying to keep the bulk product dropping together, and changing the general motor to servo motor and etc. Through some practical applications, it was proved that in the premise of guaranteeing the stability of the packaging machine, the packaging speed could be increased by more than 20%.Keywords： vertical packaging machine; packaging speed; timing; operation parameter; stability

吳云章(1987-)，男，武漢人天包裝自動(dòng)化技術(shù)股份有限公司機(jī)械工程師，華中科技大學(xué)在職研究生。

E-mail:wuyunzhang2008@163.com

2016-06-14

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.10.019