雙端封往復式高速枕包機結構的設計與優化

林潘忠，楊建月，張 潔

（1.溫州職業技術學院 機械工程系，浙江 溫州 325035；2.瑞安市海創機械有限公司，浙江 溫州 325207）

0 引言

枕式包裝機（枕包機）主要適用于醫藥、食品、日化、化妝品、電子等行業中小型塊狀物的包裝[1]，可完成物料送料、包裝、封口等一系列動作。溫州瑞安作為中國制藥包裝機械生產和研發的集中地，有多家枕包機生產單位，發展狀況具有代表性。近年來隨著國內包裝機械研究的不斷深入，枕包機技術取得了一系列的提升，國內產品逐漸有替代國外同類產品的趨勢。不過，目前國內大部分企業枕包機的關鍵核心技術主要靠對國外相關產品進行消化吸收，機械方面做得很精巧，但控制和工藝方面有待提高，智能化程度和生產效率還普遍較低。隨著消費者對包裝質量要求的不斷提高，市場對國產枕包機的運行速度、包裝質量和效率都提出了更高的要求，提高枕式包裝機的包裝速度和精度成為技術開發的重點[2]。

在包裝速度方面，目前國外的枕包機包裝速度早已突破300包/min，而國內90%以上的外包聯動線整體速度低于240包/min，其主要原因就是枕包環節制約了整體速度。就復合膜而言，在一定熱封溫度下，薄膜從常溫開始升溫再到完全熱封為止，用時不會改變。目前單封裝切斷機構（即封切機構）對已裝有物品的包裝膜同時進行熱封、切斷，為一道工序設置，枕包機運行速度提高會造成熱封時間縮短，導致包裝封合不牢固。為保證熱封效果，只能控制設備運行速度，導致設備速度無法進一步提升，生產效率較低。在控制系統方面，大部分自動枕包機都采用三伺服控制系統[3]，部分國內枕包機采用運動控制器代替PLC控制，從而提高控制精度。總體來說，通過提升控制系統可有效提高包裝精度，但提升包裝速度有一定難度，需要在包裝機機械結構和工藝流程方面尋求突破。本文對某型號枕包機工藝流程進行優化并進行樣機試制，重點研究雙端封往復式封切組，設備在原有端封熱封切組件前再增加了一道端封預熱封機構，對同一處薄膜進行兩次封合，以期在保證熱封效果的前提下，提高整機運行速度。

1 枕包機總體機械結構設計

枕包機是以復合膜為主要包裝材料，對食品、藥品等進行包裝的智能設備。研究的雙端封往復式高速枕包機的機械結構如圖1所示，主要由送料裝置、放膜裝置、輸送裝置、預熱封裝置和封切裝置等機構組成。

其主要包裝工藝流程為：加料——補料——送料——物料異常檢測——膜成型制袋——物料入袋——中封——一次排氣——端封預熱封——二次排氣——端封熱封切——異常品剔除——成品輸出。裝有物料的包裝膜首先經過預熱封裝置的上封刀與下封刀之間，進行第一道預先熱封處理；然后進入熱封切裝置的上封刀與下封刀之間進行第二道熱封，并由切刀進行切斷處理。通過兩次熱封切，使含有物料的包裝袋經過二次熱封，封合得更加牢固可靠，包裝效果良好，保證了包裝袋的包裝質量。

圖1 枕式包裝機機械結構

2 雙端封封切結構設計與優化

2.1 現有往復式封切裝置結構分析

目前的往復式封切裝置結構如圖2所示，由端封主電機帶動刀軸帶輪轉動，進而帶動上下刀軸和上下封刀做往復式運動，包裝膜進入封切區域時，上、下封刀接觸，完成熱封和封切的動作，為了保證封切效果，上下封刀接觸后會隨著包裝膜前行一段距離，以增加熱封時間。

2.2 封切裝置結構優化

圖2 往復式封切裝置結構

圖3 現有封切裝置結構

現有往復枕包機上的封切裝置結構如圖3 所示。往復式封切采用的是電子凸輪[4]的控制模式，由于在兩封刀接觸的50°左右的時間里，封刀處于等速區間內，即封刀運行速度與送膜速度相等，其運行速度較慢。其余310°空行程過程中，封刀處于加速狀態，運行速度快，尤其是在高速的快慢交替運行過程中，大回轉半徑導致極大的慣性，從而引起封切裝置抖動并伴隨著噪音。利用SolidWorks軟件對電子凸輪曲線建模，并通過仿真得到凸輪的運動速度和加速度曲線，如圖4所示，最大加速度達10.7 m/s2。另外，大角度的加速區間對驅動力有較大的要求，需選用大功率電機，增加成本。

針對現有設備高速運行時震動強、噪音大等問題，對往復式封切裝置進行優化設計，改進后結構如圖5所示。通過SolidWorks軟件對改進后電子凸輪曲線建模，得到凸輪的運動速度和加速度曲線，如圖6所示，改進后凸輪的最大速度基本不變，而最大加速度降低至7.36 m/s2，降低了31.2%。通過降低封刀回轉半徑減小回轉時的慣性，并將同步運行區間從50°提高至56°，讓加減速運動的速度曲線趨于平穩，從而降低設備高速運行時的震動。同時，每一周期的有效熱封角度為56°，并且有效接觸長度為整把封刀寬度，使熱封效果大大提高。通過這些改進，可有效解決設備高速運行時震動強、噪音大等問題，使設備機械運行速度上限從200 包/min提升到350 包/min成為可能。

圖4 現有凸輪運動曲線

2.3 橫封機構優化

封切機構中往復式橫封結構是封切的具體執行機構，如圖7 所示。在下封刀上配有緩沖彈簧，在上下刀嚙合時，通過彈簧壓縮來獲取一段水平熱封時間，適合各種包裝材料，增加了熱封時間，提高了封口質量，不同于氣動切刀，該設計采用了機械伸縮式切刀，不管設備運行速度多少，切刀都能保證正常運行。另外上下刀軸采用了分體式設計，使得更換配件更加方便快捷。

改進后的封切結構總體三維圖如圖8所示，設計有端封高度調節，用于調節封刀與包裝產品中心高度，通過轉動蝸桿手輪進行調節，以下刀最高點高于包裝產品中心2～5 mm為佳。

圖5 改進后封切裝置結構

圖6 改進后凸輪運動曲線

圖7 上下封刀結構

圖8 改進后的封切結構

一般來說，影響復合膜熱封性能的主要因素包 括熱封溫度、有效熱封時間和復合膜自身厚度等。目前的往復式封切機構對包裝膜的熱封和切斷一般是同一道工序，即在封切機構中先完成熱封，隨即進行切斷。由于復合膜熱封用時是不會改變的，而溫度過高會將復合膜外層融化掉，故不能單純靠提高溫度來提升熱封效果。因此熱封與切斷處于同一時間，熱封時間有限，為保證熱封效果，只能控制設備運行速度，導致設備速度無法進一步提升。

在現有設備的基礎上了新增端封預熱封功能，如圖9 所示，第一道端封為預熱封作用，無紋路、無切斷功能，并在一道預熱封裝置與二道熱封切裝置之間處裝有過渡輸送裝置，第二道端封為正常封切，在第一道預熱封的基礎上再進行一次熱封并切斷，保證了封裝效果，有利于提高生產效率。

圖9 雙端封同步封切結構

2.4 恒張力放卷裝置

在枕包機的生產過程中，卷材放卷張力對產品的質量有著至關重要的影響，高速枕包機生產尤其如此。張力控制[5-6]的穩定與否直接關系到分切產品的質量，若張力過大，會造成復合膜的拉伸變形；張力過小，原料在運行中會產生漂移現象，成品包裝膜會起皺，影響產品質量。在包裝速度較低時，只有一組封切裝置，放卷張力對包裝質量影響有限，在承膜輥后方一般配備有摩擦輪剎車或者磁粉制動器，如圖10 所示。在設備生產過程中，由于膜卷的直徑會隨著生產時間逐漸變小，導致包裝一個等長的物料時，膜卷轉動的角度會發生較大變化，又因為上述兩種剎車方式輸出扭矩為一個恒定力，導致復合膜在輸送時張力會發生較大變化，尤其是在高速運行的情況下，張力的變化會導致兩次封切難以處于同一位置，從而影響產品質量。

圖10 磁粉制動式放卷裝置

圖11 伺服制動式恒張力放劵裝置

針對上述問題，基于恒張力控制技術[7-8]，在承膜輥后方直接配備一個伺服電機與承膜輥相連，如圖11 所示。該伺服電機輸出一個反向力矩，該力矩與中封電機力矩相配合，當中封電機力矩發生變化時，該反向力矩會做出相應變化，以保證中封電機力矩處于一個穩定的數值，即在放卷的過程中使復合膜承受最佳張力，且自始至終保持不變。該張力控制系統能夠持久地控制復合膜在設備上輸送時的張力，無論機器是加速、減速或勻速，即使在緊急停機情況下，也有能力保證產品質量。

2.5 樣機測試

在實驗室階段研制出雙端封往復式高速枕式包裝機樣機，如圖12 所示。樣機測試結果顯示設備高速運行時震動和噪音大大降低，在速度方面，板式藥品枕式包裝的最高穩定速度可達300包/min。

圖12 枕包機樣機

3 結論

在現有枕包機單封切的基礎上增加一套端封預熱封裝置，以提升每次包裝的有效熱封時間。通過對往復式封切裝置的結構進行優化設計，降低封刀回轉半徑，減小加速區間角度，優化封刀模塊，解決了設備高速運行時震動強、噪音大等問題，將設備機械運行速度上限從280 包/min提升到300 包/min。同時采用伺服電機控制恒張力放卷裝置，解決了由于復合膜拉伸率因素導致的各項問題，提高了枕式包裝機的包裝精度。