袋裝螺螄粉自動化包裝生產線設計

楊新新，林賢坤，冷臻

（廣西科技大學機械與汽車工程學院，廣西 柳州 545000）

0 引言

目前，各大廠家在生產袋裝螺螄粉時，通常采用自動化設備與人工合作模式，具體方式是自動化設備將螺螄粉料包包裝成單個成品后，由人工將料包裝入包裝袋中，隨后送入包裝機中。在自動化+人工的模式中，人工環節占比較大，因此由于人工操作的局限性，可能導致生產成本較高、生產效率較低[1-2]。為減少人工環節在袋裝螺螄粉生產中所占的比重，設計了袋裝螺螄粉自動化包裝生產線，該生產線包含4個子系統[3]，分別為干米粉包分揀系統、腐竹包分揀系統、料包分揀系統與包裝系統。干米粉包分揀機可實現干米粉包的自動上料、分揀、送料等環節。腐竹包分揀機可實現腐竹包的自動上料、分揀、送料等環節。料包分揀系統是采用切包機陣列實現料包的分揀與送料。包裝系統是采用真空包裝機實現袋裝螺螄粉料包的包裝環節[4]。

1 自動化包裝生產線概述

1.1 干米粉包分揀機結構

干米粉包分揀機可實現干米粉包自動化上料、分揀等環節。該設備設計送料速度為50 包/min，干米粉包分揀機結構如圖1所示。

圖1 干米粉包分揀機結構圖

干米粉包分揀機共有4個裝置組成，分別為干米粉包提升機、干米粉包收口機構、干米粉包去重疊機構和真空吸擺臂。

1）干米粉包提升機。圖2所示為干米粉包提升機結構圖，干米粉包提升機主要實現的功能是將干米粉包運送到干米粉包分揀機的主傳送帶上。傳送帶材質為PVC材質，PVC材質可以減少傳送帶自重，減少電動機負載，使得傳送效率變高。干米粉包提升機的料倉設計為斗型，寬約55 cm，長約35 cm，深度約為38 cm。干米粉包的規格約為14 cm×7 cm×4 cm。該干米粉包料倉設計容量為80包。

圖2 干米粉包提升機結構圖

干米粉包提升機選用減速電動機作為驅動電動機，型號為5GU20K，減速比為1:20。傳送帶共有18個擋板，在正常工況下每分鐘能將65包干米粉運送到干米粉包分揀機的主傳送帶上。

2）干米粉包收口機構。如圖3所示，收口機構主要由主傳送帶、側向傳送帶、擋板和收口機構組成。其工作流程如下：干米粉包分揀機將干米粉包運送到主傳送帶上，此時干米粉包的姿態不能滿足后續環節要求，收口機構將干米粉包姿態調整為單列多層，并運送到去重疊環節，側向傳送帶設置的目的是給干米粉包側向力，使得干米粉包按預期通過收口機構，同時防止干米粉包阻塞在收口機構處。圖4所示為收口機構，該機構用于實現干米粉包的姿態調整。

圖3 干米粉包收口機構結構圖

圖4 收口機構

3）干米粉包去重疊機構。圖5所示為干米粉包去重疊機構，去重疊機構由傳送帶、掉料倉和去重疊塊組成。該機構能將干米粉包姿態調整至單列且單層，去重疊機構通過以下方式實現去重疊效果：a.利用收口機構與去重疊機構主傳送帶速度差實現去重疊效果；b.利用擺臂實現干米粉包的去重疊效果，掉料倉可以收集被擺臂擊落的干米粉包；c.將去重疊塊容許通過高度設置成僅能通過單包干米粉包。

圖5 去重疊機構

4）真空吸擺臂。圖6所示為真空吸擺臂結構示意圖，真空吸擺臂用于實現干米粉包的送料。當干米粉包到達真空吸擺臂時，末端傳送帶停止，阻料氣缸動作，擋板伸出將干米粉包阻擋在預設位置。真空吸擺臂在接收到送料指令時將干米粉包運送到傳送帶的料盒中。

圖6 真空吸擺臂結構圖

1.2 腐竹包分揀機結構

圖7所示為腐竹包分揀機結構圖，腐竹包分揀機主要由腐竹包料倉、階梯傳送帶、往復機構、料傳送帶、高度限位板、觸摸屏、真空噴氣口和真空吸擺臂組成。

圖7 腐竹包分揀機結構圖

腐竹包分揀機流程如下：階梯傳送帶啟動，將料倉中腐竹包運送到往復機構上，往復機構光電檢測到到料信號后，往復機構啟動將腐竹包運送到料傳送帶上，料傳送終端設置有光電開關，該開關用于檢測腐竹包姿態，若腐竹包姿態錯誤，則電磁閥動作，噴氣口吹氣將腐竹包吹落至料倉中，姿態正確的腐竹包會被運送到傳送帶末端，當傳送帶末端的光電開關檢測到到料信號后，阻料氣缸伸出，料傳送帶停止，真空吸擺臂等待包裝傳送帶信號，當檢測到送料信號后，真空吸擺臂動作，將腐竹包運送到包裝傳送帶的料盒中。

圖8所示為往復機構結構圖，該機構主要由1個固定板和2個活動板，以及驅動電動機組成。該機構主要用于將腐竹包從料倉中運送到料傳送帶。

圖8 往復機構結構圖

往復機構工作流程如下：當光電開關檢測到到料信號后，往復機構開始動作，推料板1上升并將腐竹包從料倉中運送到固定板處，此時推料板2處在高位，與固定板形成一個臨時儲料區，隨著電動機繼續動作，臨時儲料區的腐竹包掉落到推料板2上，腐竹包由推料板2運送到料傳送帶上。

圖9所示為真空吸擺臂，設置在傳送帶末端，用于腐竹包送料，當腐竹包運送到傳送帶末端時，光電開關檢測到到料信號，電磁閥動作，阻料氣缸伸出，待收到送料指令后，真空吸擺臂動作，將腐竹包運送到包裝傳送帶料盒中。

圖9 真空吸擺臂結構圖

1.3 切包機陣列與包裝機

袋裝螺螄粉共有8種料包，分別為米粉包、腐竹包、辣椒油包、酸醋包、湯料包、花生包、酸筍包、酸豆角木耳包。其中米粉包和腐竹包由于尺寸較大，且制作工藝中有充氣環節，較難制作成連包并使用切包機送料，因此設計專用的米粉包分揀機和腐竹包分揀機。剩余6種料包可采用連包切包投料的方式進行分揀與送料。

圖10所示是生產線切包機陣列的示意圖，切包機陣列送料的工作流程是：切包機光電開關檢測到包裝傳送帶后，會進行切包和投料動作，在生產線調試環節僅需要根據各料包袋長進行參數調整即可完成切包機調試。

圖10 切包機陣列示意圖

圖11所示為包裝機結構圖，該包裝機為外購，包裝系統包含包裝機本體和包裝傳送帶。其中包裝機本體用于實現包裝工序，包裝傳送帶由包裝機控制，用于向各環節發送送料信號。

圖11 包裝機結構圖

2 自動化包裝生產線硬件設計

自動化包裝生產線主控制器選用PLC，PLC是工業控制的核心控制器，具有較高的抗干擾性、較好的穩定性且編程較為簡單等特點[5-6]。

圖12所示為干米粉包分揀機的硬件組成。干米粉包分揀機輸入組件包括按鍵開關、光電傳感器。輸出組件由1個氣缸、2個減速電動機、2個變頻器、1個伺服電動機等組成。調速電動機1用于2段傳送帶，調速電動機2用于3段傳送帶；減速電動機1用于干米粉包提升機，減速電動機2用于收口機構傳送帶。PLC型號選用三菱FX3U-32MT，該型號是三菱公司生產的小型PLC[7-8]。

圖12 干米粉包硬件組成圖

圖13所示為腐竹包硬件組成，輸入組件包括光電開關、物理按鍵、磁性開關和編碼器。輸出組件包括伺服驅動器和伺服電動機、變頻器和調速電動機、電磁閥和氣缸、指示燈。

圖13 腐竹包分揀機硬件組成圖

伺服驅動器和伺服電動機用于控制和驅動真空吸擺臂，變頻器和調速電動機用于控制腐竹包料倉階梯傳送帶、往復機構和料傳送帶。電磁閥用于控制氣缸動作、吹氣口動作和真空吸吸盤動作。

腐竹包分揀機PLC 選用西門子生產的S7-200，CPU 型 號 為224XP，擴 展 模 塊 為EM223CN DC/RELAY I/O[9]。

3 生產線控制系統設計

3.1 生產線整體流程

螺螄粉自動化包裝生產線流程如圖14所示，在系統啟動后，會進行各系統自檢，若自檢通過則啟動干米粉包分揀機、腐竹包分揀機、切包機和包裝機，若失敗則報警并請求工作人員處理故障。干米粉包分揀機、腐竹包分揀機、切包機動作邏輯是通過光電開關檢測包裝傳送帶設置的擋板，當擋板通過光電開關位置，各機構動作并進行送料。

圖14 生產線整體流程圖

3.2 干米粉包分揀機控制流程

圖15為干米粉包分揀機控制流程圖，干米粉包分揀系統控制程序主要由以下功能組成：1）系統初始化；2）變頻器控制；3）伺服電動機控制；4）故障檢測；5）自動控制程序；6）手動控制程序。

圖15 干米粉包控制系統流程圖

在干米粉包收口機構設置有光電開關，若此光電開關長時間沒有檢測到信號，則干米粉包分揀機停止并發出缺料警報，待工作人員處理故障后繼續運行，若此光電開關長時間處于接通信號，此時會判斷為收口機構阻塞，干米粉包提升機會停止動作，發出警報并請求工作人員處理。

在干米粉包分揀機控制程序中，若干米粉包長時間處在傳送帶末端的送料位，且未收到送料信號時，各段傳送帶將停止送料，待接收到送料信號后繼續動作。

3.3 腐竹包分揀機控制流程

腐竹包控制程序共有1個主程序、7個子程序。子程序分別為理料、擺臂動作、報警、輸出、初始化、數據處理和送料[10]。主程序用于調用各個子程序，子程序用于實現腐竹包上料、姿態調整、真空吸擺臂送料等過程的控制。圖16所示為腐竹包控制系統流程圖，其控制流程是腐竹包通過階梯傳送帶運送到往復機構，往復機構將腐竹包運送到料傳送帶上，在料傳送帶中段設置光電開關，用于檢測腐竹包姿態，僅姿態正確的腐竹包可通過，若姿態錯誤則吹氣口將腐竹包吹落。當運送到傳送帶末端送料位時，料傳送帶停止，待送料完成后料傳送帶繼續動作。

圖16 腐竹包分揀系統控制流程圖

3.4 包裝機與切包機控制流程

本生產線中切包機與包裝機均為外購，因此在生產線控制系統設計過程中僅需對相應參數進行修改即可。

切包機參數修改原則為：將切包機內置的屏蔽長度參數設置為待切包料長度的一半即可實現投料，并將切包機的工作模式由單機模式切換為聯機模式。

包裝機參數修改項為每分鐘包裝量和袋長等參數。

4 實物搭建與實驗測試

實物搭建主要進行機械結構連接、電氣控制柜搭建和電路連接，氣動回路連接。圖17所示為干米粉包分揀系統電氣控制柜。圖18為腐竹包分揀機電氣控制柜。

圖17 干米粉包分揀機電氣控制柜

圖18 腐竹包分揀機電氣控制柜

為測試袋裝螺螄粉自動化包裝生產線的生產效率與各系統的峰值產能。進行了如下試驗：1）干米粉包分揀機送料速度測試；2）腐竹包分揀機送料速度測試；3）切包機送料速度測試；4）整體試驗。

測試結果如下：由于在實際測試中，真空吸擺臂動作效率總是落后于干米粉包送料效率，因此干米粉包分揀機送料效率取決于真空吸擺臂的動作周期，調整真空吸擺臂送料周期。實驗方案如下：每組實驗采用30包干米粉包進行測試，測試時采用人工干涉保證干米粉包供應正常，通過調整干米粉包控制程序改變擺臂動作周期。得出以下數據：在動作周期小于1.33 s時，真空吸擺臂送料存在失敗情況。分析失敗原因主要是真空吸嘴的吸力不足，當速度較快時，擺臂產生的沖擊較大，真空吸附不能有效地吸住干米粉包。因此擺臂周期不宜過小，當擺臂周期不小于1.33 s時，真空吸嘴產生的吸力能對抗擺臂停止產生的沖擊。

通過計算可以得到，干米粉包理論送料效率為45 包/min，在實際生產環節可能存在干米粉包分揀不及時的情況，因此在實際生產環節送料效率約為40 包/min。

腐竹包送料速度測試方法與干米粉包測試方法一致，測試數據如表2所示，通過測試可以看出，腐竹包送料與干米粉包送料存在相同的情況，即在速度較快時成功率較低，通過分析可知，在擺臂速度較快時，真空吸嘴不能有效地將腐竹包吸住。具體原因如下：真空吸嘴不能完整地按照預定效果吸住，即存在因包裝袋凹凸不平，不能完全發揮吸盤吸力；真空吸嘴的吸力在周期較短時不能抵擋擺臂的沖擊。通過測試，以1.34 s為擺臂周期既擁有較高的效率，也擁有較高的成功率。因此通過計算可得腐竹包分揀機理論送料量為44 包/min，考慮到在實際生產環節可能存在分揀不及時的情況，因此，腐竹包分揀機送料效率約為40 包/min。

表1 干米粉包分揀機測試數據

表2 腐竹包分揀機測試數據

切包機送料速度測試方法為在調試完成后，測試單包模式下切包速率，通過測試切包機每分鐘送料達80包，遠高于干米粉包分揀機和腐竹包分揀機。

生產線整體實驗，本生產線的生產節拍由包裝機控制，具體控制方法為在包裝機內嵌的觸摸屏上設置生產效率，該效率會改變包裝傳送帶的速度，進而改變生產效率。通過測試，在包裝機生產效率設置為24 包/min時，包裝成功率較高，若將包裝速度調整至28 包/min時，包裝機會由于空氣壓縮機的供氣效率問題，不能達到包裝機的最低工作氣壓，因此24 包/min的生產效率為包裝機的最佳工作效率。

5 結語

本文設計了一條袋裝螺螄粉自動化包裝生產線，該生產線采用模塊化設計，實現了袋裝螺螄粉生產過程的自動上料、分揀、包裝等。大大降低了自動化+人工模式中的人工環節占比，降低了生產成本，提高了生產效率。