張文瀚, 王關(guān)平*, 賀成柱

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730070)

隨著食品消費市場的發(fā)展,新鮮果蔬對包裝的需求也日益增長。與其他發(fā)達(dá)國家相比,我國的包裝工業(yè)發(fā)展起步晚、速度快,目前以中小型為主要發(fā)展潮流[1]。與傳統(tǒng)的人工包裝工藝相比,小型包裝機(jī)械具有工作效率高、人力投入低等特點;而與大型包裝機(jī)械相比,小型包裝機(jī)械又具有小機(jī)組運作、運維成本低、適用范圍廣等顯著優(yōu)勢[2,3]。因此,大部分中小型蔬菜商家在逐步淘汰傳統(tǒng)的人工包裝工藝,且無力承擔(dān)大型包裝機(jī)械運維成本的情況下,將目光投向中小型包裝機(jī)械[4-7]。

在眾多食品包裝機(jī)械中,以枕式包裝機(jī)最為常見。枕式包裝機(jī)是一種能夠?qū)ξ锪线M(jìn)行自動連續(xù)枕式包裝的中小型包裝設(shè)備,設(shè)備由滾筒帶動包裝膜與物料在機(jī)器上移動,采用電爐絲加熱方式對膜進(jìn)行密封[8-10]。然而,市面上現(xiàn)有的枕式包裝機(jī)在進(jìn)行包裝作業(yè)時會出現(xiàn)諸多問題,其中以空包較為突出。

空包是指枕式包裝機(jī)工作過程中包裝機(jī)構(gòu)在沒有物料通過的情況下執(zhí)行了包裝動作,產(chǎn)生空無一物的包裝袋?？瞻鼘Σ牧侠速M極大,同時因為其質(zhì)量小,易受靜電影響而卡入或粘連在一些機(jī)械部件上,存在嚴(yán)重的安全隱患。對此,傳統(tǒng)的解決方式是加設(shè)空包檢測系統(tǒng),出現(xiàn)空包時控制包裝機(jī)停機(jī)以便剔除空包。如喬敬等[11]設(shè)計了一種包裝機(jī)缺包檢測系統(tǒng),可以自動檢測包裝過程中出現(xiàn)的空包;文繼勇[12]設(shè)計了一種食用鹽包裝機(jī)空包自動停機(jī)設(shè)備,能夠在檢測到空包的同時完成自動停機(jī),從而剔除空包。以上方法的主要側(cè)重點都是包裝機(jī)在空包產(chǎn)生之后進(jìn)行檢測和剔除,犧牲了包裝機(jī)的生產(chǎn)效率,而且無法從根本上抑制空包的出現(xiàn)。

為了能更好地解決空包,本文對三伺服枕式包裝機(jī)的工作過程以及空包的形成機(jī)理進(jìn)行了研究,探明了造成空包出現(xiàn)的直接原因為包裝機(jī)光電檢測單元的誤測。針對該問題,本論文提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案,能夠保證包裝機(jī)在運行時減少空包數(shù)量,有效提升工作效率;該方案還能夠避免頻繁更換包裝機(jī)的檢測元件,提高機(jī)器使用壽命,降低維護(hù)成本。另外,研究表明,物料間距會對包裝機(jī)空包率產(chǎn)生一定影響,可為后續(xù)的相關(guān)研究提供主要數(shù)據(jù)來源。

1 三伺服枕式包裝機(jī)的工作原理與空包

1.1 三伺服枕式包裝機(jī)的工作原理

三伺服枕式包裝機(jī)由PLC控制三個伺服電機(jī),三個電機(jī)分別驅(qū)動塑料薄膜的收放、物料傳送以及端封閘門的開合動作[13]。它的工作過程分為三步:首先在傳送帶的拖動下,物料通過光電檢測口,此時送膜裝置送出的塑料薄膜在縱封輪的拖拽作用下與物料保持同步位移,并由機(jī)械結(jié)構(gòu)輔助塑料膜將物料從下至上卷起,裹著物料的膜通過由電爐絲和縱封輪共同組成的縱封裝置,完成縱向密封;其次在物料抵達(dá)由電爐絲、氣動切刀以及橫封閘門組成的橫封裝置時完成包裝袋兩端的密封和切割;最后由機(jī)器末端的傳送帶送出機(jī)器。如此往復(fù),完成對流水線上物料的枕式包裝工作[14-16]。工作人員可以通過HMI對包裝袋的長度、速度等參數(shù)進(jìn)行讀取和設(shè)定,操作過程簡便易上手。

三伺服枕式包裝機(jī)有定長包裝和不定長包裝兩種工作模式。定長包裝模式主要用于長度一致的物料進(jìn)行包裝,而不定長包裝模式則能夠在物料長度不一的情況下進(jìn)行自動包裝。三伺服枕式包裝機(jī)在入料口處設(shè)置了一個由光電檢測單元構(gòu)成的檢測口,當(dāng)物料在不定長模式下通過檢測口時,由傳送帶運行速度和物料通過光電檢測口的時間算出物料的長度,進(jìn)而由PLC控制縱封、橫封機(jī)構(gòu)的啟停,完成對不同長度物料的枕式包裝[17-20]。

本文以甘肅金科峰農(nóng)業(yè)裝備有限責(zé)任公司研發(fā)生產(chǎn)的6RCP-6Z600莖葉類蔬菜一體化揀選切制與裹膜包裝關(guān)鍵技術(shù)裝備為研究對象,該裝備由一臺三伺服枕式包裝機(jī)承擔(dān)蔬菜包裝部分工作。本文僅針對包裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究,執(zhí)行包裝動作的部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三伺服枕式包裝機(jī)包裝部分結(jié)構(gòu)1.送料傳送帶L1;2.光電檢測口;3.塑料膜折疊輔助結(jié)構(gòu);4.塑料膜;5.縱封輪;6.縱封加熱裝置;7.傳送帶L2;8.橫封閘門;9.出料口傳送帶;10.送膜裝置

該枕式包裝機(jī)由維控電子科技有限公司生產(chǎn)的LX5V-2416型PLC作為控制器,由松下公司生產(chǎn)的FX-551-C2型數(shù)字光纖傳感器和對射區(qū)域光纖DVT-50MM-2組成光電檢測口。對射區(qū)域光纖發(fā)出紅外線,當(dāng)紅外線被阻斷時說明有物料通過,PLC可以通過紅外線被阻斷的時間判斷包裝袋的長短[21]。

1.2 空包成因研究

在研究娃娃菜包裝工作過程中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)枕式包裝機(jī)使用時間過長容易出現(xiàn)空包。以本文所選用的三伺服枕式包裝機(jī)為例,當(dāng)包裝數(shù)量累計達(dá)到11 523件時,包裝機(jī)首次出現(xiàn)了空包。為探究空包成因,需對包裝機(jī)的工作過程進(jìn)行觀察和分析。正常情況下,包裝機(jī)在執(zhí)行包裝動作時對物料的間距有一定要求,若間距過短易造成橫封閘門傾軋物料,而間距過長則會導(dǎo)致包裝袋剩余空間過多,如圖2所示。

圖2 物料間距不合理造成的問題

為滿足工作要求,包裝機(jī)在工作過程中需要各機(jī)構(gòu)之間協(xié)調(diào)配合。經(jīng)光電檢測口測得物料的位置信息送入PLC,再由PLC控制傳送帶L1與L2間斷啟停來調(diào)整物料間距至10 cm左右的最佳狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生空包時,傳送帶L1會發(fā)生較長時間的停滯,導(dǎo)致光電檢測口前后的物料間距遠(yuǎn)大于10 cm,而此時光電檢測口之后的機(jī)構(gòu)仍持續(xù)工作,從而使包裝機(jī)產(chǎn)生長短不一的空包。若傳送帶L1上的物料間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10 cm,傳送帶L1停滯時間會更長,導(dǎo)致出現(xiàn)更多的空包。

為探明空包出現(xiàn)的原因,我們在包裝機(jī)工作過程中對I/O口監(jiān)控畫面進(jìn)行了細(xì)致地觀察。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),機(jī)器偶爾會發(fā)生光電檢測口無物料通過時,相應(yīng)信號輸入端仍有信號輸入的現(xiàn)象,且輸入次數(shù)與空包數(shù)對應(yīng)一致。在包裝機(jī)出現(xiàn)該現(xiàn)象時反復(fù)確認(rèn)光電檢測口紅外線對射區(qū)域并無障礙物通過,在排除各種外部因素的影響后,可以確定光電檢測口誤測是導(dǎo)致三伺服枕式包裝機(jī)空包的直接原因。

1.3 空包率

為方便探究空包,提出相關(guān)參數(shù)空包率ε為:

(1)

其中m為一次工作所包裝完成的成品數(shù),n為空包袋數(shù)。

2 系統(tǒng)方案

針對光電檢測口誤測問題,通常的解決辦法是更換檢測元件。但是包裝機(jī)是一種需要長時間進(jìn)行作業(yè)的生產(chǎn)機(jī)械,頻繁更換元件會導(dǎo)致包裝機(jī)維護(hù)成本飆升,不符合使用者的利益。

受此驅(qū)動,本文設(shè)計了一套包裝機(jī)空包率降低系統(tǒng)。該系統(tǒng)降低空包率的工作原理為:在包裝機(jī)原有的光電檢測口前端一段距離處,另增一套光電檢測口,由PLC定時器功能指令對前置光電檢測口的輸出信號做延時處理,該延遲時間為傳送帶上物料通過兩套光電檢測口的時間,并將延時后的前置光電檢測口輸出信號與后置光電檢測口輸出信號做與運算。當(dāng)單個光電檢測單元輸出信號時,送膜裝置與傳送帶L2并不會啟動,只有當(dāng)兩個傳感器均測到同一物體經(jīng)過時,枕式包裝機(jī)才能執(zhí)行后續(xù)動作,由此即可避免因誤測造成的包裝機(jī)構(gòu)誤動。

本方案中只要兩套光電檢測設(shè)備中有一套完好,則空包率ε為0;若兩套光電檢測設(shè)備均出現(xiàn)誤測,設(shè)兩套檢測設(shè)備單獨工作時空包率分別為ε1和ε2,改進(jìn)后的空包率理論值為ε=ε1×ε2,可確定該值分別小于ε1和ε2。該方案可以使包裝機(jī)在工作過程中避免空包的大量出現(xiàn),不需要停機(jī)操作,保證了工作效率。同時這樣的改進(jìn)能夠避免包裝機(jī)在后續(xù)工作過程中,因光電檢測設(shè)備損耗而導(dǎo)致檢測元件的頻繁更換,有效延長了機(jī)器的使用壽命,并降低了維護(hù)成本。

該方案新增一套與原設(shè)備型號、參數(shù)相同的光電檢測口,并以包裝機(jī)原有的PLC作為控制進(jìn)行改進(jìn)。維控LX5V-2416型PLC有24個信號輸入口及16個信號輸出口,包裝機(jī)原設(shè)計中使用了其中18個輸入端口,冗余的I/O接口數(shù)量滿足改進(jìn)需求。經(jīng)測,該包裝機(jī)送料傳送帶L1長度為230 cm,傳送帶L1傳送速度v=23 cm/s,取距離原光電檢測口69 cm處安置新的光電檢測口,硬件改進(jìn)方案如圖3所示。

圖3 硬件改進(jìn)方案

由兩個檢測口之間的距離,可測算得出新光電檢測口的輸出信號需延時3 s才能與原光電檢測口的信號同步。檢測系統(tǒng)的改進(jìn)如圖4所示,X4為PLC與包裝機(jī)原有光電檢測設(shè)備輸出信號對應(yīng)的接口,X22為新增的光電檢測設(shè)備輸出信號接口。

圖4 檢測系統(tǒng)的改進(jìn)

圖5 單包單棵娃娃菜包裝試驗

新增光電檢測口檢測到物料進(jìn)入時,向單片機(jī)輸入信號,X22的常開觸點閉合,計時器T0開始計時,計時3 s后T0接通,M0變?yōu)镺N,X22為ON時,常閉觸點斷開,T1復(fù)位;物料通過新增光電檢測口后,X22變?yōu)镺FF,T1開始計時,3 s后T1的常閉觸點斷開,使M0變?yōu)镺FF,T1被復(fù)位。M0常開觸點與X4常開觸點控制M1,M1為原控制系統(tǒng)中X4所控制的中間繼電器,由此完成包裝機(jī)后續(xù)動作的執(zhí)行。通過上述設(shè)計,可以實現(xiàn)兩套光電檢測設(shè)備的同步檢測與輸出,達(dá)成檢測要求。

3 試驗驗證

3.1 試驗設(shè)計

試驗選取娃娃菜作為樣本進(jìn)行枕式包裝試驗,分別試驗不同光電檢測方式下三伺服枕式包裝機(jī)的空包率并進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。按照方案改進(jìn),包裝機(jī)的兩組光電檢測口只要其中任意一組能夠正常工作,空包率即為零。若僅設(shè)計兩個對照組,所得結(jié)論不足以證明改進(jìn)方案的可行性,為滿足這一要求,本試驗準(zhǔn)備了兩套準(zhǔn)確率不足100%的光電檢測設(shè)備A和設(shè)備B,以及一套全新的光電檢測設(shè)備C。試驗設(shè)計多個對照組,分別測得單光電檢測設(shè)備、兩套光電檢測設(shè)備其中一組準(zhǔn)確率為100%,以及兩套光電檢測設(shè)備準(zhǔn)確率均不足100%在內(nèi)的三種情況下的娃娃菜包裝情況。

娃娃菜相關(guān)參數(shù)如表1所示:

表1 娃娃菜相關(guān)參數(shù)

3.2 試驗結(jié)果與分析

本試驗將300 棵娃娃菜按每袋一顆分裝,共300 袋,兩顆一袋共150 袋,3顆裝1 袋共計100 袋,并以物料間隔10 cm、15 cm和20 cm為標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行試驗。

各組試驗結(jié)果如下。

由表2可看出物料間距為10 cm時,空包率εA為9.639%～10.180%;間距為15 cm時,εA為13.295%～14.530%;間距為20 cm時,εA為20.213%～21.466%。

表2 單光電檢測設(shè)備A包裝結(jié)果

由表3可得當(dāng)物料間距為10 cm時,空包率εB為7.407%～7.975%,間距為15 cm時,εB為11.242%～13.793%,間距為20 cm時,εB為18.699%～20.213%。

表3 單光電檢測設(shè)備B包裝結(jié)果

取表2和表3兩組數(shù)據(jù)中εA和εB的中位數(shù),求得對應(yīng)10 cm、15 cm、20 cm物料間距的雙光電檢測空包率理論值ε0分別為:0.740%、1.868%、4.083%。

由表4數(shù)據(jù)顯示當(dāng)兩套光電檢測設(shè)備其中任意一套為新設(shè)備時,空包率始終為零,且雙光電檢測設(shè)備前C后A,前B后C,前C后B三種排列則和方式空包率均為0,試驗結(jié)果符合理論推斷。

表4 雙光電檢測設(shè)備(前A后C)包裝結(jié)果

由表5可看出,兩組光電檢測設(shè)備排列順序為先A后B時,娃娃菜間距為10 cm時,εAB為0%～0.662%,當(dāng)娃娃菜間距增加到15 cm時,εAB為1.316%～1.961%,當(dāng)娃娃菜間距增加到20 cm時,εAB增至3.537%～3.846%。

表5 雙光電檢測設(shè)備(前A后B)包裝結(jié)果

由表6可得,兩組光電檢測設(shè)備排列順序為先B后A時,娃娃菜間距為10 cm時,εBA為0%～0.990%;當(dāng)娃娃菜間距增加到15 cm時,εBA為1.316%～1.961%;當(dāng)娃娃菜間距增加到20 cm時,εBA增至3.226%～4.762%。

表6 雙光電檢測設(shè)備(前B后A)包裝結(jié)果

綜合上述試驗結(jié)果,繪制εAB、εBA與理論值ε0隨著物料間距變化的趨勢,如圖6所示,試驗結(jié)果走勢基本符合理論預(yù)期。

圖6 εAB、εBA及ε0對比圖

通過對比三組試驗的結(jié)果易得出結(jié)論,當(dāng)三伺服枕式包裝機(jī)存在空包時,空包率與物料間距呈正相關(guān);對光電檢測方法進(jìn)行了改進(jìn)之后,三伺服枕式包裝機(jī)的空包率得到了顯著下降;若兩組光電檢測單元均因長時間工作導(dǎo)致檢測準(zhǔn)確率下降,雙光電檢測枕式包裝的空包率也遠(yuǎn)低于單個光電檢測口的情況。

4 結(jié)論

本文針對PLC控制的三伺服枕式包裝機(jī)在不定長包裝模式下工作時存在的空包成因及其影響因子進(jìn)行了深入研究,提出了能夠有效降低空包率的改進(jìn)方案,并通過試驗得到如下結(jié)論:

(1)包裝機(jī)出現(xiàn)空包的直接原因是光電檢測元件的誤檢;

(2)當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)空包后,空包率隨物料間距的增大而提高,操作人員可以通過調(diào)整物料的間距控制空包率。

(3)若兩組光電檢測裝置的誤測率分別為ε1和ε2,改進(jìn)后的空包率為ε,則有ε=ε1×ε2,ε1與ε2均小于1且大于0,因此ε小于ε1和ε2;

(4)包裝機(jī)經(jīng)過改進(jìn)后,能夠保證單個光電檢測單元在檢測準(zhǔn)確率下降的情況下,依然保持較低的空包率,可以有效提升機(jī)器使用壽命,降低維護(hù)成本。