食品自動包裝機的設計與開發

袁飛，高雪

常州工業職業技術學院（常州 213000）

隨著人們生活水平的提高，品質高、外觀精美的食品越來越受到大家的青睞，包裝機是食品行業不可或缺的設備[1-2]，所以包裝行業迎來了巨大的商機。我國目前的先進包裝機主要依賴進口，但進口的設備價格昂貴，一些中小企業無力負擔，國內的食品包裝機在包裝速度、靈活性、可靠性等方面還存在一點缺陷，而且包裝品種單一，不能夠適應不同尺寸的產品包裝，目前好多企業還處于用手工包裝或者用簡易的封口設備做半自動包裝，我國包裝行業的整體技術水平還存在很大的提升空間[3-5]。設計了一臺能自動完成送料、送膜、制袋及縱橫封等工序的食品包裝機，用PLC配合伺服系統實現各個軸的協調運動，能夠適用不同尺寸規格的食品包裝，通過樣機試驗，證明了所設計的食品包裝機具有高的效率和精度，其操作簡單，對我國食品包裝行業的發展也具有積極的促進意義。

1 食品包裝機的結構設計

1.1 包裝機的結構

包裝機主要由控制系統、動力系統和執行機構等組成。執行機構包括物料輸送機構、送膜機構、制袋成型器、縱封機構、橫封橫切機構和輸出機構等[6-8]。結構圖如圖1所示。

圖1 食品包裝機結構圖

物料輸送機構：物料輸送機構主要由鏈條、鏈輪、支撐裝置、分割桿和張緊裝置組成[9]。伺服電機通過鏈輪帶動鏈條向前運動，鏈條上的物料隨之運動，分割桿以一定間隔鉸接在鏈條上，使物料以固定間距有序進入制袋成型器，鏈條運動一段時間可能會出現松弛現象，可以用張緊裝置張緊。

送膜機構：送膜機構主要由牽引輸送機構、拉膜張緊裝置、支撐機構和導向機構組成，固定在支撐桿上的卷盤薄膜，通過導輥輪導向和張緊輪張緊，到達牽引輸送機構（主要由驅動輥和壓膜輥組成），通過牽引輸送機構牽引到制袋成型器。對于有商標圖案的薄膜，送膜機構上裝有色標傳感器，通過信號反饋，對薄膜進行調節，確保合理的封切位置，保證產品的美觀。包裝機在工作過程中，送膜速度會時快時慢，拉膜張緊裝置會使包裝膜一直保持一定的張緊力。

制袋成型器：制袋成型器是食品包裝機的關鍵部件，它的作用是將平面的包裝膜變為筒狀。制袋成型器主要由支架、成型板、連接板、制袋翼片、調節手輪等組成。包裝膜進入制袋成型器后，由制袋翼片和成型板將膜卷成筒狀，并預留縱封封邊，制袋成型器決定了包裝產品的外觀尺寸，可以通過調節手輪調節袋的大小。

縱封機構：物料輸送機構將物料送入成型了的包裝膜中，然后裝有物料的包裝膜進入縱封機構進行縱向封合。設計的包裝機采用輥式縱封結構，主要由縱封輥、加熱裝置和驅動機構組成。縱封輥由兩個有一定錐度的圓柱型滾輪組成，它不僅能對產品進行縱向封合，而且能起到拉膜牽引的作用，保證了包裝膜的連續性，輥輪表面有網紋滾花，用于保證封合質量，輥輪內部裝有加熱裝置，能夠使包裝膜更好地粘合。

圖2 縱封機構三維模型

橫封橫切機構：橫封橫切是食品包裝的最后一道工序，它是將裝有物料并縱封好的包裝膜以一定長度進行橫封封口并切斷。設計的包裝機采用回轉式橫封機構，主要由上下橫封座、切刀和發熱管等組成，此裝置是將橫封結構與切斷合二為一，結構簡單，有利于減小整體結構尺寸。

圖3 橫封橫切機構三維模型

成品輸出機構：成品輸出采用帶式傳動，底部用支撐架支撐，輸送帶采用尼龍袋。

1.2 包裝機的工藝流程

食品包裝機的包裝膜輸送和物料傳送是同步進行的，由光電傳感器與接近傳感器分別對包裝膜和物料的位置進行檢測，光電傳感器對切點信號實時傳送，根據信號實時調速，保證橫切刀準確地切到色標位置。

包裝膜由送膜機構送入制袋成型器，在制袋成型器內被卷成筒狀，物料由物料輸送機構推入已成型的包裝膜內，然后裝有物料的包裝膜被繼續推入縱封機構，對縱縫進行封合，然后進入橫封橫切機構，完成橫向封口與切斷，至此完成整個包裝工序，最后由成品輸出機構輸出。包裝機的工藝流程圖如圖4所示。

圖4 包裝機工藝流程圖

2 食品包裝機控制系統設計

隨著第三次工業革命的到來，微電子及傳感器的應用越來越廣泛，PLC控制技術也越來越成熟，PLC已被廣泛應用于各個工業領域。設計的食品包裝機控制系統選用PLC可編程控制器，配合伺服系統實現包裝機的穩定運轉，使包裝機具有高的可靠性和強的抗干擾能力[10-13]。

包裝機的控制系統主要由PLC可編程控制器、傳感器、編碼器、驅動器、觸摸屏等組成[14-15]，如圖5所示。

圖5 食品包裝機控制系統組成

通過對PLC編程控制驅動器、驅動器控制相應的伺服電機的轉動，物料輸送、送膜、制袋、縱封、橫切等工序可實現速度匹配，包裝膜與物料位置通過傳感器反饋給PLC，電機轉速通過編碼器反饋，PLC根據傳感器和編碼器的反饋實時調節，使包裝機穩定運行，控制流程圖和接線圖如圖6和圖7所示。在充分考慮操作方便的前提下，對觸摸屏進行了設計，所有操作基本都可以通過觸摸屏完成，另外還可以通過觸摸屏進行參數設計，以滿足不同尺寸規格產品的包裝。

圖6 控制系統接線圖

圖7 控制流程圖

3 樣機試驗

根據設計制作試驗樣機，試運行發現，此包裝機性能穩定，操作簡單，參數設定方便快捷，能夠適用于多種材質的包裝膜，適用于餅干、面包等各類有規則的塊狀食品包裝，樣機及觸摸屏顯示如圖8所示。試驗得到，此包裝機的包裝速度與物料的大小有關，最快能達到250袋/min，能夠適用的包裝膜最寬達到400 mm，包裝產品合格率為99.5%，且包裝產品外形精美，所有控制均可通過觸摸屏由軟件實現，方便功能調節和技術升級。

圖8 樣機及觸摸屏顯示圖

4 結語

設計了一臺能自動完成送料、送膜、制袋及縱橫封等工序的食品包裝機，介紹了其基本結構和工藝流程，并對各個部件的結構做了簡單介紹；以PLC為核心，設計了包裝機的控制系統，實現各個軸的協調運動。通過樣機試驗，此包裝機能夠適用于多種材質的包裝膜，適用于餅干、面包等各類有規則的塊狀食品包裝，且具有高的效率和精度，操作簡單，對于不同尺寸規格的產品都具有很好的包裝效果，擁有廣闊的市場前景，對我國食品包裝行業的發展也具有積極的促進意義。