雙工位連續型珍珠棉環保包裝袋封切機的設計

劉慶倫 馮嫦 朱培堅 甘友康 朱科諭 李斯曼

摘?要：常見的包裝袋封切機采用往復封切的形式，存在沖擊大、噪聲大、效率低等問題。通過結構設計創新封切結構和快速響應糾偏機構，從而形成一種新式的快速封切裝置。采用電機驅動的螺旋機構作為糾偏工作部分，使用光電傳感器采集糾偏信號，實現快速糾偏的功能，并設計旋轉的雙工位連續封切裝置。相比傳統糾偏響應速度，光電檢測的螺旋糾偏機構將響應時間降低80%，旋轉封切裝置的封切效率提升150%。通過結構創新高速封切過程中的糾偏準確度和熱封加工效率和設備可靠性得到提升。

關鍵詞：封切機；糾偏機構；連續封切

1?概述

目前環保包裝產品加工設備隨著應用物聯網技術、信息技術的發展逐步實現了產品加工的高速化和信息化，其主要特點是產品加工過程實施監控與反饋、高度自動化、產品數據分析與挖掘。李文方等［1］通過橫封切機構的速度進行加減速調整，降低加速時間，利用五階曲線速度控制方法，保證封切速度、提高加速度，降低往復運動的時間，更加平滑的曲線降低了沖擊力，提升了設備平滑性和柔性。陳少克［2］通過對封切機自動化定位系統的軟硬件開發實現看包裝袋自動計數和誤差補償和封裝數量報警系統，為包裝設備信息化提供了基礎數據。朱家誠等［3］針對凝膠卡片封切過程中存在的不合格率加高的問題，利用新型自動化控制技術實現了封口的穩定性和效率。張曉森［4］基于模糊PID技術設計了一種礦用帶式運輸帶糾偏機構實現了帶式運輸機的運輸過程的實時監控，有效降低膠帶跑偏的現象，提升了運輸機構的效率。

綜上，通過封切機構的創新設計、控制方法、結構設計等內容進行調研后，本文通過結構設計一種連續封切結構，降低往復式封切帶來的沖擊振動的強度；通過糾偏機構的創新設計實現連續加工過程中的袋料姿態的有效控制；基于PLC控制對通過整體結構進行控制，實現高度自動化。

2?整體結構設計

雙工位連續型珍珠棉環保包裝袋封切機主要包括封切底座、封切機構、牽引機構、導向機構、輸送機構、糾偏裝置、糾偏檢測裝置和結構背板等部分組成。珍珠棉包裝袋卷料通過糾偏檢測裝置對其空間位置進行檢測，并通過糾偏裝置的輪旋導向裝置進行姿態調整，主要進行平面位置的調整，保證包裝袋的折疊精度。封切裝置通過旋轉封切實現高速連續封切，降低封切時間，提升封切效率。

珍珠棉料卷通過張緊機構的四次折彎實現平直穩定的輸出狀態。通過糾偏機構檢測裝置對珍珠棉袋料在輸出方向上的左右偏轉進行精密檢測，并實時反饋。根據可編程控制器檢測的時間周期為0.01秒，可以實現高頻檢測和實時反饋。經過導向機構對珍珠棉料卷進行折彎形成U型料，然后進行封邊。珍珠棉卷料在牽引機構和導向機構的作用下，去除褶皺。在牽引機構的引導下形成一定剛度保證珍珠棉卷料可以更好地進入封切裝置。封切裝置采用雙工位旋轉封切機構對珍珠棉卷料進行連續封切，保證加工速度，如圖1所示。

1.封切底座；2.封切機構；3.牽引機構；4.導向機構；5.輸送機構；6.糾偏裝置；7.糾偏檢測裝置；8.結構背板

3?糾偏裝置整體結構設計

珍珠棉卷料放置在封切機的工作平臺上，通過輸送機構將珍珠棉輸送到糾偏執行裝置和糾偏檢測裝置之間，如圖2、圖3所示。正常輸送狀態時，珍珠棉在輸送區域內從下方起始傳輸位置向上方導向和牽引裝置進行運動，當珍珠棉在導向軸上發生除輸送方向外的其他方向的偏移時，即珍珠棉部分超出輸送區域時，通過糾偏執行裝置將偏移珍珠棉及時調整至輸送區域內，保障輸送的精準度，從而保障封切的精準度，有利于提升產品質量。

3.1?糾偏執行裝置

糾偏執行裝置設于珍珠棉卷料輸送裝置的下方，珍珠棉與糾偏螺桿緊密接觸，形成壓緊結構。珍珠棉在運輸過程中因為張緊力和空間軸的位置不準確造成跑偏的現象。此時，珍珠棉會在輸送方向的其他方向產生位移，以左右偏移為主要結果。在可編程控制器的驅動下糾偏電機驅動糾偏螺桿正向轉動或反向轉動，螺旋結構、珍珠棉和螺桿壓緊結構共同作用，偏移珍珠棉受到沿糾偏螺桿的軸向移動的作用力，使珍珠棉可以在糾偏螺桿旋轉作用下產生延軸向的運動，從而糾正跑偏現象，使偏移珍珠棉受到沿糾偏螺桿的軸向移動的作用力，從而將偏移珍珠棉調整至輸送區域內，結構簡單，能有效實現珍珠棉糾偏，保障輸送的精準度，如圖2所示。

3.2?糾偏檢測裝置工作原理

珍珠棉糾偏檢測裝置布置于珍珠棉卷料的上方，傳感器向下對珍珠棉進行空間檢測。糾偏檢測機構包括右側傳感器、右側傳感器固定裝置、可調橫梁、左側傳感器固定裝置、左側傳感器。左右側傳感器固定裝置固定在可調橫梁上面，通過調整位置可以適用于多種尺寸的珍珠棉卷料。左右傳感器主要通過光電信號對珍珠棉卷料的空間位置進行實時檢測。當珍珠棉卷料正常運輸的時候左右傳感器都處于未被遮擋的狀態。當珍珠棉發生跑偏時，左右兩側的傳感器就會有其中的一個光信號被珍珠棉遮擋并產生傳感信號，在可編程控制器的處理下，控制糾偏螺桿轉動，使珍珠棉向反向進行移動，直至遮擋信號消失，珍珠棉處于正確的控制位置為止，從而使珍珠棉的側邊始終保持在同一位置，如圖3所示。

4?連續封切機構

4.1?連續封切機構原理

封切機構的工作原理是驅動電機驅動旋轉封切主刀組和旋轉封切副刀組轉動，以使旋轉封切主刀組切刀A與旋轉封切副刀組切刀B在轉動至相對接時，可編程控制器控制電源為電熱絲供電形成熱封切刀，將位于切刀A與切刀B之間的珍珠棉進行熱封和切斷。在驅動電機驅動下兩組切刀連續轉動，完成第一組封切之后，切刀A與切刀B分離，可編程控制器控制對應電熱絲斷電，降低電熱絲溫度，通過控制驅動電機轉速和電熱絲通斷電時間可以對封切過程的時間和熱封溫度進行控制，保證封切質量。

當第一組切刀對接并完成封切后，驅動電機驅動旋轉封切主刀組和副刀組繼續轉動，當切刀C和切刀D對接時，可編程控制器接通對應電熱絲對位于切刀C和切刀D之間的珍珠棉對折料進行直線封切形成完整包裝袋，如圖4所示。

4.2?連續封切機構質量監控系統

珍珠棉包裝袋的熱封工藝過程中影響封口質量的主要因素是封切壓力、熱封時間。針對這兩個因素進行創新設計。

4.2.1?熱封壓力調整

通過設計刀頭壓緊裝置以及旋緊螺栓對連續封切機構的兩組刀頭的正壓力進行調整，緊固旋緊螺栓可以增加刀組之間的壓力，主要用于珍珠棉厚度較大、材料彈性模量高的材料，可以更好地對珍珠棉進行預先擠壓，保證封切過程中兩層珍珠棉緊密的接觸如圖4所示。

當切刀A與切刀B發生錯位的時候，會破壞刀頭組的正向相對的結構，形成刀頭錯位的剪切結構，會降低封切壓力，針對這個問題實時監測從動齒輪的轉速是非常必要的。通過設置編碼器，檢測從動齒輪的轉速，保證同步齒輪組轉速相同，從而保證熱封壓力的穩定性。

4.2.2?熱封溫度

熱封溫度是影響熱封壓力的重要因素，而電熱絲的通電時間、功率等是影響電熱絲熱封溫度的主要因素。本設計中在切刀組對接的過程中通過通電進行熱封，而調整驅動電機的轉速，特別是當旋轉封切刀組對接時的時間是控制熱封溫度的重要手段，通過可編程控制器控制驅動電機在非熱封和切刀組對接時的轉速可以改變電熱絲通電和斷電的時間，調整熱封溫度保障熱封質量。

5?結論

本文通過對傳統往復式熱封加工方式進行創新優化，設計珍珠棉包裝袋的連續封切工藝裝備，從原理上的對旋轉式連續封切設備進行了設計和論述。針對傳統糾偏機構的檢測和糾偏時效性較低的現象，通過利用可編程控制器、可調傳感器糾偏檢測裝置和螺旋糾偏裝置實現了實時監控和及時糾偏的目的，使檢測到跑偏到執行糾偏動作時長在0.1秒以內，較高地實現了高效糾偏。針對往復式封切裝置效率低、沖擊力大的問題，通過旋轉刀頭設計實現連續運轉的封切過程，通過調整刀頭熱封和非工作過程的轉速實現包裝袋大小和熱封溫度的控制。對連續式熱封工藝可控的連續熱封裝置的設計和應用提供了一種可行性方案。

參考文獻：

［1］李文方，付瑞玲，禹春來.食品包裝機橫封橫切機構速度控制［J］.包裝與食品機械，2020，38（4）：4.

［2］陳少克.封切機自動定位系統的設計和實現［C］//全國包裝與食品工程學術年會.2002.

［3］朱家誠，趙松麗，胡智勇，等.微柱凝膠卡自動封切機的設計與研究［J］.機械工程與自動化，2015（2）：2.

［4］張曉森.關于礦用帶式輸送機糾偏機構的設計與應用研究［J］.礦業裝備，2022（6）：271273.

基金項目：本文由廣東省教育廳高職院校產教融合創新平臺項目——中山火炬智能機器人應用產教融合創新平臺項目（2020CJPT022）；中山市社會公益科技研究項目珍珠棉環保包裝袋高速封切機的研制（2019B2035）；2020年校級科研創新團隊智能機電技術服務鄉村振興創新團隊項目（202107TDZZ06）支持

作者簡介：劉慶倫（1982—?），男，漢族，山東龍口人，碩士，副教授，研究方向：精密制造與自動化控制。