袋式包装机的总体安排

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所属分类:包装机
目 摘 录 要 ....................................................................................................................................................I ABSTRACT .................................................................
袋式包装机的总体安排

袋式包装机的总体安排

  目 摘 录 要 ....................................................................................................................................................I ABSTRACT ..................................................................................................................................... II 1 绪论 .................................................................................................................................................. 1 1.1 包装机的定义和作用 ................................................................................................... 1 1.2 国外包装机的发展概况 .............................................................................................. 1 1.3 国内包装机的发展概况 .............................................................................................. 2 1.4 课题研究的目的及意义 ............................................................................................ 3 1.5 整体布局设计要求 ....................................................................................................... 3 2 包装机械概述、组成及特点 ......................................................................................... 5 2.1 包装机概述 ....................................................................................................................... 5 2.2 包装机械的组成 ............................................................................................................ 5 2.3 包装机械的特点 ............................................................................................................ 6 2.4 包装机械的作用 ............................................................................................................ 6 3 包装机械的总体设计 .......................................................................................................... 8 3.1 工艺分析 ............................................................................................................................ 8 3.1.1 枕式包装机包装工艺流程 .................................................................................... 8 3.1.2 平张膜热封裹包原理图 ...................................................................................... 10 3.1.3 循环包装的流程 .................................................................................................... 11 3.2 横封刀辊运动曲线分析 .......................................................................................... 11 3.3 本课题设计包装机主要工作介绍 ..................................................................... 12 4 成型器设计 ................................................................................................................................ 15 4.1 翻领制袋成型器的研究现状 ................................................................................ 15 I 4.2 翻领成型器与其它成型器的区别 ...................................................................... 16 4.3 翻领制袋成型器的基本原理 ................................................................................. 17 4.4 翻领成型器设计的目的及意义 ............................................................................ 19 4.5 成型器设计目前存在的问题 ................................................................................. 21 4.6 新型无领翼式翻领制袋成型器的研究 ............................................................ 22 4.6.1 新型无领翼式翻领成型器基本原理 .................................................................. 23 4.6.2 本课题设计所选用成型器 .................................................................................... 24 5 包材的选取与薄膜供送结构设计 ............................................................................. 26 5.1 包装薄膜的选择............................................................................................................ 26 5.2 包材的牵引张力............................................................................................................ 26 5.3 薄膜供送结构原理 ...................................................................................................... 30 5.4 影响包材速度精度的因素 ...................................................................................... 31 5.5 包材恒速供送的解决方案 ...................................................................................... 33 5.5.1 减少打滑 .................................................................................................................... 33 5.5.2 薄膜供送的纠偏装置 ............................................................................................. 34 5.6 本章小结............................................................................................................................ 34 6 带式输送给料的结构及传动设计 ............................................................................. 35 7 牵引轮设计 ............................................................................................................................... 38 7.1 牵引轮作用 ...................................................................................................................... 38 7.2 牵引器的结构设计 ...................................................................................................... 38 7.3 本课题设计牵引轮结构 ............................................................................................ 39 8 纵封牵引器的传动分析.................................................................................................... 40 9 结论与展望 ................................................................................................................................ 41 9.1 结论 ..................................................................................................................................... 41 II 9.2 展望 ..................................................................................................................................... 41 致 谢 ................................................................................................................................................. 42 参考文献 ............................................................................................................................................ 42 III 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 摘 要 卧式枕型自动包装机是一种用于包装产品,使产品增长其保质期,增加产品美观 度的一种包装设备,该机械是集自动裹包物品,封口,切断与一体,是一种高效率的 连接式的包装机;广泛应用于食品、化工、日用品、医药、小五金等部门。随着人们 对包装的需求多样化、个性化,卧式枕型自动包装机的应用愈加普遍。 传动系统设计,作为一个动作执行系统,动力是必不可少的,当然对动力的传递 系统也就显得尤其重要了。 系统功能中要实现机械手转位、 血袋的供送、 供纸、 制袋、 纵封、横封与切断、 成品的输出传送等功能,它们都需要不同大小的动力,这就需 要传动系统的调节。 本文在分析卧式枕型自动包装机的包装工艺和使用要求的基础上, 通过对关键部 件的理论分析,提出一种实用、简单、可靠和通用的传动系统,将单一包装尺寸拓展 为袋长和产量可调的结构形式;对供送薄膜结构、中封牵引器结构、端封切断器结构 等关键部件的设计原理、 结构特点等做了较为详细的研究和设计; 本文对零部件建模, 通过构建的运动模型, 分析各机构的运动学规律, 提出可行的优化结构满足包装工艺; 对关键部件提出完整的设计方法。 关键词:传送带/供送薄膜/中封牵引器/端封切断器 I The Overall Design Of The Bag Packing Machine—Traction And Longitudinal Seal Structure ABSTRACT Horizontal Pillow Type Automatic Packing Machine is a product used for packaging, the product increase its shelf life, increase the aesthetics of a product packaging equipment. The machine is a automatic wrapping materials, sealing, cutting and integration, is an efficient connection-style packaging machine: especially used in food, chemical, daily necessities, medicine, hardware and other departments. With the diverse needs of the people on the packaging, personalization, horizontal pillow type automatic packaging machine applications become more widespread. Transmission system design, as an action execution system, power is essential, of course, also on the power delivery system is especially important. System functions to achieve the mechanical hand translocation, bag of blood for delivery, for paper, bag, vertical and horizontal sealing off, the output of finished products transfer functions, they all require different sized power, which requires the regulation of transmission . Based on the analysis of horizontal pillow type packing machine automatic packaging processes and usage requirements based on the theory of critical components through analysis, a practical, simple, reliable and versatile drive, to expand the size of a single packaging bag length and adjustable output structure; For the delivery of the film structure, the closure traction device structure, side seal cutting device structure and other key components of the design principles, structural features such as doing a more detailed study and design; In this paper, parts modeling, by constructing the motion model, analysis of the kinematics law of motion of the optimized structure possible to meet the packaging process; of the key components of a complete design method. KEY WORDS:Conveyor Felt, Film Feeding, Mid -seam Retractor, End -seam Cutter II 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 1 绪论 1.1 包装机的定义和作用 包装机是完成全部或部分包装过程的机器,包装过程包括成型、充填、裹包 等主要包装工序,以及清晰、干燥、杀菌、贴标、捆扎、集装、拆卸等前后包装 工序,转送、选别等其他辅助工序。[1] 1.2 国外包装机的发展概况 国外包装机械的发展有近百年的历史, 大致经历了以下几个阶段:20 世纪 40 年代中期, 食品与卷烟等行业最先使用包装机械进行产品包装,成为现代包装的 先驱;20 世纪 50 年代,在包装机上广泛采用了光电管,电气开关,实现了包装 机械的初级自动化;20 世纪 60 年代,包装机广泛采用各种新型电子元件组成控 制系统,并采用机械,电气,液压,气动等综合技术,出现了专用的自动包装生 产线 年代,采用电子计算机对包装进行控制,进一步提高了单机和 自动线 年代,包装机械行业大量地应用高新技术,使 包装机械及包装生产线自动化程度和生产效率及包装质量大大提高。[2] 据调查, 美国是世界上最大的包装设备生产商,是世界上包装机械发展历史 较悠久的国家,其包装工业起步于 20 世纪初期,多年来,始终保持着世界最大 包装机械生产和消费大国的地位,其产品以高、大、精、尖居多,机械与计算机 紧密结合,实现机电一体化控制。新型机械产品以成型、填充、封口三种机械的 增长最快。目前,美国当前前景较好的是垂直枕式微机控制、配有伺服电机的薄 膜张力好的电力控制装置的包装机械;今后,微电子、电脑、工业机器人、智能 型、 图像传感技术和新材料等在包装机械中将会得到越来越广泛的应用,使包装 机械朝自动化、高效率化、节能化方向发展。 德国是世界上最大的包装机械出口国,其包装在计量、制造、技术性能等方 面居领先地位。 许多大公司生产的包装机械能大量使用微电脑设计的机电一体化 控制, 普遍采用计算机仿真技术来缩短包装机械的开发设计周期,某些包装机械 采用由电脑控制的摄像机和探测器来分辨包装材料厚度及材料的变化来改变机 械的转速从而提高产品的质量。 近年来,德国包装机械企业不断地在包装机械中 加入一些“智能化”的元素,使新一代机械具有了更多的优点。 1 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 日本与美国和德国相比, 属包装机械的后起之秀。其包装机械制造厂以中小 企业为主,包装机械以小单机为主,具有体积小、精密度高、易安装、操作方便、 自动化程度高等到优点。20 世纪 70 年代,成功研制了世界上首台装载有热管的 热封机技术,并投入使用,实现了热封机设备的低能源化。微电脑程控、通过热 管进行加热封口的设备成为日本的代表性技术。20 世纪 80-90 年代,先将微电 子技术成功应用到包装机械的控制,后又将光导纤维技术、工业机器人技术、模 块化技术应用于包装机械,达到安全性高、无人操作、高生产率的水平,1987 年研制出伺服马达驱动的包装机械, 使包装机械行业实现了由机械装置为主向电 脑程控为主的技术升级,机械性能的柔软性、系统化程度迅速提高,使日本的包 装机械以独特性能赢得了世界市场广泛的销售空间;20 世纪 90 年代以来,已将 变频调整、 光电追踪、 无触点电子开关、 动态数据显示等技术运用在包装机械中。 日本的包装机械行业发展的历史不长,但善于引进、仿制、创新的经营使其发展 速度极快,己列入世界强国之列。 目前,世界各国对包装机械的发展及为重视,集机、电、气、光、磁为一体 的高新技术产品不断涌现。生产高效率化、资源高利用化、产品节能化、高新技 术实用化、科研成果商业化已成为世界各国包装机械发展的趋势。 1.3 国内包装机的发展概况 我国的包装机械在新中国成立时几乎是一片空白, 只有少数工厂或作坊生产 一些简单的手工包装机器, 或为少数进口机器进行修配服务。 20 世纪 70 年代末, 能生产几种水平很低的包装机械,但还没有成为一个独立的行业,产品品种仅有 100 多种;20 世纪 80 年代,由于改革开放,我国经济迅猛发展,社会对包装机 械的需求不断增加, 我国包装机械在借鉴进口设备与技术的基础上,得到迅速发 展,品种规格不断增加,有大量填补国内空白的包装机械问世,出现了很多专业 的包装机械生产企业并形成了一批专业化生产的骨干企业, 形成了一个独立的包 装机械行业部门。到 1986 年,产品品种猛增到 1700 多个;1984-1986 年全国技 术引进 3000 项,1986 年以后,通过引进设备的消化吸收,我国很多种类的包装 机械相继问世,产品品种增加较快,进口数量开始减少,国内设备所占市场份额 加大。20 世纪 90 年代后,包装机械质量、品种、技术水平和性能等有了很大进 步, 产品的技术水平与国外先进水平和差距逐渐缩小。20 世纪 80 年代中期到 90 2 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 年代中期 10 多年的时间里,包装机械得到空前发展。 我国包装机械行业虽然发展较快,成就很大,从严格意义上讲,我国的包装 机械主要还是仿制、测绘,稍加国产化改进,谈不上开发研究,国内科研、开发 投入少, 开发手段落后, 现在好一点的企业开展了 “甩图版工程” , 真正使用 CAD 的还很少。产品开发缺少创新,生产手段落后,大部分还是用陈旧的通用设备加 工,新产品开发不但数量少,而且开发周期长。 我国目前从事包装机械生产的企业约有 1500 多家,其中具有一定规模的企 业近 400 家。产品有 40 类,2700 多种,其中有一批既能满足国内市场需要,又 能参与国际市场竞争的优质产品。 目前我国包装机械行业拥有一批开发能力较强 的骨干企业,它们主要由以下几个方面组成:经过技术改造,生产包装机械的某 些实力较强的机械类工厂;军转民企业‘发展水平较高的乡镇企业。为提高包装 机械工业的技术水平,全国建立了—批包装机械研究所“情报所” ,一些大专院 校先后建立了包装工程专业, 为我国包装机械工业的发展,早日赶上世界先进水 平提供了有力的技术保证。 我国包装工业虽然发展很快;成就很大,但与发达国家相比,无论在产品品 种、 技术水平和产品质量方面都有很大差距。 发达国家已将微机控制、 激光技术、 人工智能、 光导纤维、 图像传感、 工业机器人等高新技术成熟的应用于包装机械, 而这些高新技术在我国包装机械行业才刚刚开始采用;我国的包装机械产品品种 缺口约 30%一 40%;包装机械产品的性能、外观质量有一定差距。因此我们必须采 取强有力的措施, 进一步加快包装机械行业的发展速度,为早日赶上世界先进水 平而奋斗。 1.4 课题研究的目的及意义 蔬菜的包装,如用手工包装不但效率低下而且达不到卫生许可标准,购置国 外或国内公司研制成的包装机设备进行包装成本又太高。 本设计着重解决这一问 题, 本毕业设计开发出具有包装范围广、 通用性好以及结构简单可靠、 操作方便、 自动化程度高的新型包装机, 对我国的包装行业的发展以及国民经济发展都具有 重要意义,同时对减少环境污染,节约资源、能源都将发挥十分重要的作用。 1.5 整体布局设计要求 布局的选定, 最主要根据包装工艺的特点即决定于包装的工艺性。布局形式 3 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 要便于包装,使机构简化,工人操作和维修方便。机器必须仔细校准工作台面, 使其水平。根据包装工艺,蔬菜包装制袋包装机要采用卧式包装布局,这样便于 送蔬菜袋、送纸、纵封、横封、剪切等。在设计中总体布局要求:[3] (l)传动系统力求简洁,在能满足多功能基础上保证结构简单; (2)机械操作,调整简单,易上手,装拆方便,联锁防护可靠; (3)操纵手柄位置方便操作,也考虑到润滑系统等; (4)送蔬菜袋位置考虑方便、安全、卫生; (5)外形美观大方,移动安装方便。 4 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 2 包装机械概述、组成及特点 2.1 包装机概述 包装机按基本外形来分类可以分为立式包装机和卧式包装机。 立式包装机通 过材料拉伸进给装置进行进给 ,塑料薄膜经过薄膜圆筒形成筒状 ,经过热纵封装 置封住侧面,同时将包装物注入到袋中,适用于包装各类粉末、颗粒、片剂等物 体,例如药片,食盐等物品。 卧式包装机是将包装薄膜裹在被包装物的外面,制作 成枕形袋的一种设备,包装过程包括推料、送料、放膜、牵引、成型、封口等主 要包装工序,可采用的卷筒薄膜材料包括:玻璃纸、涂塑纸、复合材料、聚乙烯、 聚丙烯、袋包纸等。卧式包装机是众多包装设备中最为常见的一种,广泛应用于 饼干、 方便面、 面包等食品及小饰物、 药品、 小五金件等大部分块状物品的包装, 对于包装块状物件,形状可以规则,也可以不规则。这两类机型从出现至今已有 几十年的历史了,它美观、独特的包装外形、通用的包装功能使其得到广泛的应 用并得到不断地改进。因此,实际包装中要求其适用范围广、工作平稳可靠、噪 声低、效率高。[4] 现代生活中, 绝大多数产品都需要经过包装才能成为商品进入流通领域,然 而生产线的生产速度越来越快, 靠简单的人力包装已无法完成如此大量的包装工 作,因此包装机在食品,药品等包装行业中得到广泛应用。为了提高生产效率, 满足随生产速度的提高对包装机提出的更高要求, 研制高速包装机具有十分重要 的意义。 包装机作为独立设备安装于生产线上,提供专用传送带将生产线上待包 装的产品(食品,药品等)传送到包装机上,包装机自动完成:包膜、纵封、横封、 剪切等工作,并通过输送带传送到下一个工序。 2.2 包装机械的组成 包装机械属于自动机范畴,它的种类繁多,结构复杂,新型包装机械不断涌 现, 很难将他们的组成分类。 但通过对大量包装机械的工作原理和结构性能的分 析, 可找出其组成的共同点。 包装机械由动力系统、 传动系统和执行系统等组成。 为了便于掌握和研究包装机械的工作原理与结构性能, 通常又将包装机械分成下 列组成部分。 (1)包装材料的整理与供送系统;该系统是将包装材料(包括刚性、半刚 5 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 性、刚性包装材料和包装容器及辅助物)进行定长切断或整理排列,并逐个输送 到预定工位的系统,如糖果包装机中的包装纸的供送、切断机构。 (2)被包装物品的计量与供送系统;该系统是将被包装物品进行计量、整 理、排列,并输送到预定工位的系统。 (3)主传动系统;该系统是将包装材料和被包装物品由一个包装工位顺序 传送到下一个包装工位的系统。 (4)包装执行机构;包装执行机构是直接完成包装操作的机构,即完成裹 包、灌装、封口、贴标、捆扎等操作的机构。 (5)成品输出机构;成品输出机构是把包装好的产品从包装机上卸下、定 向排列并输出的机构。 (6)动力机与传动系统;动力机是机械工作的原动力,在现代工业生产中 通常为电动机, 传动系统是将动力机的动力与运动传给执行机构和控制系统,使 其实现预定动作的装置。 (7)控制系统;控制系统由各种手动、自动装置组成。 (8)机身。机身用于安装、固定、支撑包装机所有的零部件,满足其相互 运动和相互位置的要求。 2.3 包装机械的特点 包装机械既具有一般自动机的共性,也具有其自身的特性。包装机械的主要 特点如下: (1)大多数包装机械结构复杂,运动速度快,运动精度高。为满足性能要 求,对零部件的刚度和表面质量等都有较高的要求。 (2)进行包装时的作用力一般都较小,所以包装机的电动机功率较小。 (3)包装机一般都采用无级变速装置,以便灵活调整包装速度、调节包装 机的生产能力。 (4)包装机械是特殊类型的专业机械,种类繁多,生产数量有限。为便于 制造和维修,减少设备投资,在各种包装机的设计中应注意标准化、通用性及多 功能性。 2.4 包装机械的作用 包装是工业生产中相当重要的环节。包装机械是使产品包装实现机械化、自 6 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 动化的根本保证,因此包装机械在现代工业生产中起着相当重要的作用。 (1)大幅度提高生产效率; (2)降低劳动强度,改善劳动条件; (3)保护环境,节约原材料,降低产品成本; (4)有利于被包装产品的卫生,提高产品包装质量; (5)延长产品的保质期,方便产品流通; (6)可减少包装场地面积,节约基建投资。 7 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 3 包装机械的总体设计 3.1 工艺分析 枕式包装机是针对块状物品进行外包装的一种机器设备。为了提高通用性, 简化机械结构,同一台机器上通常包装类似的物品,当被包装物规格变化时,要 求只需调整参数活简单更改部分零件就可以了。例如:包装物品高度大小改变时 可以调整成型器或更换成型器, 其它的如包装长度的调整只须在上位机简单的设 置即可实现,而无需更换机械零件。总而言之,本课题设计的枕式包装机的适用 范围很广,只要是成块状物件一般都可以包装。[5] 3.1.1 枕式包装机包装工艺流程 如图 3-1 所示:枕式包装机包装工艺路流程是:卷筒薄膜在放膜牵引电机辊 5 的带动下旋转并由牵引滚轮 8 和中封牵引滚轮 10 的联合牵引下匀速前进,并经 牵引辊牵引由导向辊导入成形器在通过成型器 7 时被折成筒状, 送料链条上的推 头 1 将待包装物 2 推送入成型器中的筒状材料内, 被包装物品随同薄膜一起前进, 薄膜从背架引到成型器而制成管筒状,管筒状薄膜的边被即中封牵引轮拉着,匀 速平稳地前进。横封切断器 11 热封左测袋的后端和右测袋的前端,同时在中间 切断,皮带 13 将包装完的成品送出去。 图 3-1 枕式包装机包装工艺 (1)送料链条推头(2)待包装物品(3)光电传感器(4)备用卷筒薄膜(5)放膜牵引辊(6)卷筒薄 膜 (7)成型器(8)牵引滚轮(9) 排气传送带 (10)中封牵引滚轮(11) 端封切断器(12)输出毛刷 (13)输出皮带 8 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 利用弹簧张驰调节辊、 导向辊、以及牵引辊来共同调节薄膜的传送方向以及 张力的大小,薄膜的进角太小需要适当,如果导入角太小,薄膜就会越过成型器 从而无法成型, 薄膜经过成型器被卷成筒状,待包装的物品在送料链条的输送下 被送到筒状薄膜的筒中, 筒状薄膜的两翼重叠在一起形成鱼鳍状,薄膜的两边经 过中封滚轮的时候相互封合就成中封边。两个中封滚轮上带有相互啮合的花纹, 同时对中封滚轮加热加压,薄膜在中封滚轮中轧过,封口上即轧出花纹。然后由 横封切断器(刀辊)进行两端封口,并将包装薄膜切断。封口上面刻有与中封轮表 面类似的花纹,当然也可以不要花纹,这取决于所用的刀片结构,详细结构如图 3-2 所示。 图 3-2 主要机械结构 横封加热器上下量部分相互咬合后就在包装袋的两端压出花纹。 横封切断刀 片一般都安装在横封滚轮上, 详细结构如图 3-3 所示。其横封封口与切断是同时 完成的,封口封合时的线速度、控制温度、封合压力大小都是可以调整的。 9 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 图 3-3 横封切断器结构 从工艺角度来分析,为提高包装速度,必须要优化横封切断器 11,即刀辊 伺服轴的运动曲线。 由于刀辊作非匀速圆周运动,需要采用电子凸轮对其进行控 制。为满足其多功能、使用方便、的要求,可以调整成型器的尺寸和牵引滚轮、 刀辊的速度等,来适应不同的包装规格。简单更换成形器 7,即可以使其满足包 装内装物尺寸如宽度和高度的调整。 保持横封刀辊的凸轮周期以及推料电机的转 速不变, 调整中封牵引辊和放膜辊以及送料的速度,即可以满足被包装物品长度 的变化。 3.1.2 平张膜热封裹包原理图 采用平张膜, 可用三面封口的枕型包装形式裹包物品,适用于长柱形物品的 裹包。常采用卧式裹包机械,其工作原理与卧式袋成型-充填-封口机基本相同。 这种结构和课题设计的包装机形式相似, 我们课题设计的包装机也是采用卧式裹 包。 10 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 ? 图 3-4 平张膜热封裹包原理图 1, 8, 10-输送带 2-物品 3-成型器 4-牵扯引辊 5-纵封装置 6-平张膜 7-导辊 9-横封切断 装置 11-成品 3.1.3 循环包装的流程 从工艺上讲, 枕式包装机的包装工作循环过程详细框图如图 3-5 所示。工艺 是连续的的过程 图 3-5 枕式包装机工艺流程框图 3.2 横封刀辊运动曲线 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 如图 3-6 所示为横封剪切工艺过程示意图, 横封切断刀辊在点 P 开始与包装 袋筒接触并加热,至中点 Q 施压、封合和切断。当包装袋较厚时,为了在切断 时(也就是切刀刃开始接触塑料薄膜的瞬间)不使薄膜拱起或撕裂, 必须保证塑料 薄膜给进速度与切刀刀尖线速度相等.即必须保证热封刀刃由 P 到 Q,再由 Q 至 P’的过程中的水平方向的分速度始终与包装袋筒的运动速度保持同步。由于这 个范围所占得角度很小,可以近似为刀刃的切线速度与薄膜的速度保持同步。[6] 1-包装袋筒 2-包装内装物 3、4-横封切断器刀辊 图 3-6 横封切断工艺示意图 由于有这种同步性的特点, 包装机的传动系统比较复杂,刀辊的凸轮曲线要 满足两大基本条件: 第一,保证在剪切的过程中,刀辊与塑料薄膜进给保持同步; 第二, 在规格调整区内根据剪切单元的长度进行适当的加速或减速,从而保 证下一次剪切的正确进行。 根据上述横封刀辊的运动特点,其运动需采用电子凸轮进行控制,具有同步 区和非同步区。即在剪切的过程中,刀头与塑料薄膜持同步;而剪切完成之后, 根据剪切单元长度的不同, 刀辊可以在非同步区做非匀速运转,以调整刀头的位 置进行下一次剪切。 3.3 本课题设计包装机主要工作介绍 12 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 1 摆臂 2 固定模架 3 导向辊 4 光电开关 5 成型器 6 物料检测 7 牵引轮 8 摇把 9 纵封轮 10 压刷 11 横封 12 排气海绵 13 出料输送台 14 安全监测 15 横封调节轴 16 锁紧螺钉 17 挡板 18 调节手柄 (1)包装膜绕过固定膜架 2 上的二个膜辊和摆臂 1 上两个膜辊,途经光电 开关 4,穿过导向辊 3 到成形器 5 成形,再经过牵引轮 7 到纵封轮 9 完成纵封, 通过横封 11 完成横封和切断,出料输送台 13 将包装物输出。 (2)人工将包装物放至成形器 5 内,物料检测开关 6 检测到有来料后自动 起动电机运行一次。如无物料包装机一直呈待命状态。 (3)两对安全检测开关 14 检测到横封内有障碍物时自动显示报警并停机。 (4) 光电开关 4 用于检测包装膜上的标点。 (5)纵封高度调节:摇把 8 可调节纵封轮到输送台面的高度。 (6) 横封高度调节:松开左右两个锁紧螺钉 16,把摇把 8 取过来摇横封 调节轴 15,可调节横封位置到输送台面的高度,调整好后一定要将两个锁紧螺 钉 16 再锁紧。 (7)排气海绵 12 用于减少包装袋内的空气。 (8) 挡板 17 可调节包装物通过的宽度。 (9)调节手柄 18 可调节膜架对中。(即包装膜对中) 本课题设计工作主要包括以下几个方面:首先分析主要机构(推料、送料、放 膜、袋成型、牵引、封切等)之间的相互配合关系,保证被包装物的传送与袋长 13 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 相匹配, 横封切断器在剪切的一定范围内与薄膜传送速度同步,严格保证横封刀 切辊断一个包装袋与送内送料链条推进一个相等的长度, 同时保证端横切断器在 两袋子之间并热封及切断。设计分析主要操作部件(供送、牵引、纵封、横封、 切断)之间的相互配合关系,做到连续供送包材,牵引速度与横封速度相当,横 封封合紧密,严格保证横封、切断及包装血液袋时不出现堆积、拉伸包装袋的现 象。 14 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 4 成型器设计 4.1 翻领制袋成型器的研究现状 翻领成型器是袋成型-充填-封口机的关键部件,据有关专家分析“十一五” 期间我国包装机械行业重点发展的机械产品或类型中就包括袋成型 -充填-封口 设备。 袋成型-充填-封口机是量大面广的通用机械产品,该机采用各种塑料复合 薄膜或单膜对块状、颗粒状、粉状、液态和粘稠物料等进行包装,能自动完成制 袋、充填、封口、切断等全部包装过程,经过包装的商品可以防潮、防霉、防污 染、防氧化,延长储存期。它适用于各种塑料复合薄膜袋或铝箔复合薄膜袋,如 聚酯/聚乙烯、尼龙/聚乙烯、聚丙烯/聚乙烯、聚酯/铝箔/聚乙烯、尼龙/铝箔/ 聚乙烯等复合材料,广泛应用于轻工、食品、药物、化工等各行各业,目前在我 国内销及出口产品包装中运用非常广泛。[7] 该种机器有各种规格的产品,有大袋、重袋包装机,有中型包装机,也有小 袋包装机, 计量方式有电子秤式、 容积式, 包装物料的不同可以分为液体、 颗粒、 粉末等类型的包装机。 从上世纪八十年代开始,通过采用国际标准和吸收国外先 进技术特点, 该种包装机在标准水平、设计制造技术和产品质量方面都有了较大 的提高。 一些企业的产品质量达到或接近国外同类机器的先进水平。但随着时代 发展该类机械生产厂家不断增多,而且多为中、小型企业,乡镇、私营企业也占 不小比例,有些企业缺乏技术,缺乏自我发展能力,质量管理水平较低,对包装 机械生产工艺把握不严。 一些企业为了在价格方面占有优势,往往采取恶性竞争 手段,为降低成本,采用恶劣材料、偷工减料、减化生产工艺,致使一些包装机 质量低劣。目前,此种机器在国内的生产量较大,在各类包装机械产品中产量名 列前茅, 并且小型机的产量在该种包装机中所占份额尤其大,国外这种小型机产 量不大,由于中国产品价格便宜,目前大量出口世界各地,东南亚等地的需求量 比较突出。[8] 国内生产 “制袋-充填-封口” 包装机械的企业有 100 多家, 年产量为 1500~ 2000 台,约 40 个品种,充填设备分档一般为 2g~10g、20g~50g、50g~100g、 100g~250g、250g~500g、500g~1000g、1000g~2000g。国产“制袋-充填-封 口”包装机约有 75%为小尺寸包装的机型,而多以单列、三边封袋型为主,应 15 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 向多列式高速方向发展[6]。 据 51 报告在线公布的《我国包装机械市场现状及前 景预测分析》的报告显示:我国现有的“中袋成型-充填-封口”包装机生产企业 5 家,中袋粉料的自动袋成型包装设备在国内还没有真正过关的产品,这与缺乏 相关基础技术研究有很大关系。与国外同类产品相比,我国“制袋-充填-封口” 包装机械总体上还存在一定差距,包装速度低,小袋包装大都在 60~120 袋/ min 之间,超过 80 袋/min 时包装质量下降,中袋包装 35~60 袋/min;国外 机械包装速度小袋已达到 1200 袋/min,中袋 160 袋/min。同时据最新了解国 内部分企业生产的 “制袋-充填-封口” 包装机的机械包装速度已达到 80 袋/min, 如丹阳仅一包装设备有限公司。 制约和影响制袋-充填-封口机的包装质量和速度的一个重要因素就是翻领 成型器的设计与制造的质量与精度。 4.2 翻领成型器与其它成型器的区别 根据卷料成型和充填要求不同所用到的制袋成型器也不同。 常用的成型器除 了翻领成型器,还有象鼻式;三角形式;U 形;直角缺口导板式成型器。如图 4-1[12] a-翻领式;b-象鼻式;c-三角形 d-U 形;e-直角缺口导板式 图 4-1 制袋成型器结构形式 16 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 翻领式成型器: 平张薄膜拉过成型器即成圆筒状, 成型阻力大, 易产生变形、 皱折、撕裂,多使用复合膜制袋。成型器设计制造及调试都较复杂,规格上无通 用性。主要应用于立式(或卧式)-制袋-充填-封口包装机。 象鼻式成型器:平张薄膜拉过成型器时变化较平缓,成型阻力较小,不易产 生变形,能使用单膜、复合膜制袋,成型器设计制造、使用较容易,但薄膜易拉 偏,一只成型器只能适应一种袋宽。无通用性。主要应用于立式连续制袋的充填 封口机,其设计和制造比翻领成型器方便,但是,若完成同一尺寸的三面封口扁 平袋,则比翻领成型器结构尺寸大。 三角形成型器:由锐角三角形板与 U 形立杆联接在可调基板上组成,结构 最简单,薄膜变化较平缓,成型阻力较小,不易产生变形,能使用单膜、复合膜 制袋,能用于各种袋包装。成型器设计制造、使用较容易,有一定通用性。 U 形成型器:由带有导板的 U 形折叠板与加接 U 形导槽组成,薄膜在卷曲 成型时受力比三角形成型器好,能用于各种袋包装。成型器结构较复杂。 直角缺口导板式成型器:由缺口导板、导辊及纵封辊组成,将平张薄膜对开 后又能自动对折封口成袋型,薄膜成型时变形较大,多使用复合膜制袋。常用于 立式连续包装机。 翻领成型器虽然在设计、制造及调试上比较复杂,规格上无通用性,但其可 以在结构形式上变化来满足市场对不同袋形的需求,如采用不同的截面形式、封 口形式等得到多种多样的袋形,同时翻领成型器的结构紧凑,节省占地空间,充 填操作方便。其他几种成型器的结构形式相对单一,很难满足多变的市场需求, 所以国内、外对成型器的研究主要针对翻领成型器进行理论研究和实验探讨。 4.3 翻领制袋成型器的基本原理 常见的包装机械之一----袋装机按其包装袋的来源分为制袋式和给袋式两 种,其中制袋式袋装机自动化程度高,可连续工作,技术要求较复杂。但由于制 袋式袋装机的使用广泛, 主要用于形成简单袋形的包装生产。对于制袋式袋装机 而言, 按其总体布局又可分为立式和卧式。制袋式袋成型机当中制袋成型器是其 关键部件, 是使包装材料卷折成各种袋型的专用机构。常用的制袋成型器有三角 成型器、 U 形成型器、 象鼻成型器、 V 形成型器、 截取成型器及翻领成型器六种。 其中翻领式成型器主要用于立式袋成型包装机,也用于卧式袋成型包装机。其成 17 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 型阻力大,占用空间较小,结构紧凑,充填操作灵活。翻领成型器的结构参数变 化范围较大,可以适应不同性能的材料。因此,其使用更广泛。考虑到翻领成型 器的众多优点,本课题设计就选用翻领成型器,它设计、制造简单,方便易用。 [8] 图 4―2 为立式、间歇运动翻领成型制袋式袋装机的工作原理示意图,可依 次完成制袋、纵封(搭接或对接)、充填、横封及切断等工作。平张包装材料经导 辊 3 供送至翻领成型器 2,经过翻领成型器的成型曲面翻折形成筒状,材料两边 搭接或对接,经过纵封器 5 进行纵封,同时经过横封器进行横封,计量后的物料 由加料斗通过料管 1 导入底部已封好的袋内,横封器在将袋子封口的同时,将下 一个袋子的底部封住, 同时切刀将两相连袋子切断分开。全机各个执行机构的动 作都由机、电、气、液配合自动完成。 1-料管;2-翻领成型器;3-导辊;4-包装材料;5-纵封结构;6-横封结构 图 4-2 翻领式袋装机工作原理图 立式成型-充填-封口包装机械中的关键部件翻领成型器的设计制造较复 杂, 首先要研究它的工作原理及数学模型,才能够为设计制造提供数学依据和理 论基础。图 4-3 所示为圆形料管翻领成型器的结构原理图。翻领成型器的曲面 由外表面为领状, 内表面为管状的内外工作曲面组合而成。平张包装材料通过成 型器形成圆筒形的袋胚, 由于该成型器的外形酷似上衣的翻领,所以形象地称之 为翻领成型器。传统形式的翻领成型器的内工作曲面是周长为两倍袋宽的圆柱 18 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 面,外工作曲面由两部分组成:一部分是与平张材料共面的平面 ABC,另一部 分是两个对称的空间曲面 ACSA 和 BCSB,两部分分别称为背平面和肩曲面。肩 曲面与内管的交线 SCS 称为领接曲线。 包装材料在被引导输送的过程中,沿着翻领成型器的工作曲面运动,工作曲 面及拉力强制材料按其内外曲面形状成型,使平张材料逐渐卷曲成圆筒状。材料 由与成型器平面 ABC 共面的状态经过肩曲面,再通过交接曲线逐渐翻折成为筒 状。在整个过程中,要求材料尽量不能产生变形,在高速运转的过程中,材料不 跑偏、不卡塞,制出外形平整美观、符合尺寸要求的袋子。 图 4-3 翻领成型器结构原理图 图 4-4 翻领成型器平面展开图 图 4-4 为圆管翻领成型器的平面展开图, 翻领成型器的主要参数如图所示。 其设计关键就是确定领接曲线,在确定领接曲线方程后,确定其主要相 关参数及变量,再根据已知参数、变量间的关系来确定交接曲线。交接曲线的性 能决定了翻领成型器的性能。[11] 4.4 翻领成型器设计的目的及意义 翻领成型器的用途就是将平张薄膜片材通过其内、外工作表面而翻折成筒 状,并经过横封、纵封,最终成袋型的。它对袋的形式、尺寸和成品质量均有直 接的影响;它的设计与制造也是我国制袋 -充填-封口机生产中的一个棘手的问 题。在实际应用中,小计量的袋式成型机所使用的薄膜窄,成型相对较容易,但 到了中型机中, 因成型不好而造成的质量问题就比较突出了,究其原因主要是翻 领成形器的设计结构不合理,加工成型不规范,造成的摩擦阻力大,薄膜受力不 均匀等。 因此在设计翻领成型器时要符合塑料薄膜的自然卷曲变形,即翻领成型 19 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 器的表面积等于通过翻领成型器的塑料薄膜的总面积。 翻领成型器是袋成型-充填-封口包装机中的关键部件, 随着市场的不断更 新变化,产品的包装结构也随之变化,相应的包装机械设备也要与之相适应;而 随着市场竞争的日益激烈化, 产品的质量及生产速度则成为成功的必然条件,而 此时的包装机械同样需要成为坚实的竞争工具。 所以研究多种形式的翻领成型器 来拓展制袋充填封口机有很大的现实意义和实际需要。 市场对包装形式多变和及 高速、 高质量的袋包装的需求就需要有高质量的翻领成型器来保证,国内外对其 研究也在不断深入拓展。 由于不同产品的结构形状、 物理性质及包装要求各不相同,所以满足于这些 产品的包装机械也要求多种多样。其中袋装机是包装机械中使用较广泛的一种。 其中制袋式袋装机的成型器是整个机械的关键部件,影响袋装机的结构布局、体 积大小、运行速度以及效率质量。而在多种制袋成型器当中,翻领成型器具代表 性,综合性能优越,使用广泛,成为包装机械中的研究要点。 翻领成型器的结构性能决定了整个包装机械的运行速度及性能, 只有翻领成 型器的结构设计适当、 制造精度高,才能很好地保证袋成型-充填-封口包装机 的生产质量。翻领成型器与包装材料、包装形式、包装对象及加工方法间相互协 调的好坏也是影响包装速度与包装质量的关键因素。对应于大小不一、形式多样 的产品,翻领成型器也应该随之有所变化,以求得到最佳的生产过程和质量。因 此,翻领成型器的研究不能停留在单一的数学模型或是制造方面,应该考虑更多 的影响因素,所以翻领成型器需要更多的变化形式,要有更多的创新性研究。翻 领成型器的研究已成为国内外包装界进行理论探讨与试验研究的重点, 对其更深 入的研究也有待进一步发展, 总之,对翻领成型器的研究具有一定的实际应用价 值。 另外, 近年来我国国民经济迅速发展,同时我国的食品工业与包装工业也得 到了飞速发展。食品机械与包装机械工业的发展更加迅速,已成为机械工业十大 产业之一。专家预测,1990~2020 年将会是食品包装机械大发展的黄金时代。 那么, 作为包装机械中主要的袋装机械的关键部件,翻领成型器设计制造的好坏 则很关键。 高精度、 高质量的成型器部件必然会在包装机上有着广泛的应用前景。 因此,本研究课题的研究要求在于:根据现有的翻领成型器形式,设计出 20 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 新形式的翻领成型器模型, 使其适用性更加广泛;进一步深入研究翻领成型器设 计参数对翻领成型器结构性能的影响,为实际生产提供理论依据;对已有的多种 翻领成型器进行对比,总结其优缺点及适用对象,为设计制造提供参考。[13] 4.5 成型器设计目前存在的问题 综观国内外 30 多年来的研究成果, 现有对翻领成型器的研究已经比较全面, 而且也比较深入,但是仍然存在很多不足和问题,存在的主要问题归纳如下。 (1)每种尺寸规格的成型器只能制造一种宽度规格的袋子,当袋宽规格发生 变化时,就需要设计更换相应尺寸的成型器,然后进行调试。然而,翻领成型器 的设计、制造及调试都较复杂。 (2)国内外对于翻领成型器的研究大多数一直停留在基于立体几何所建立的 翻领成型器的数学模型的探讨上,对材料成型过程的受力情况、翻领成型器的制 造等其他方面的研究却很少,且不够深入。 (3)使用微分解析几何理论所建立的翻领成型器的数学模型深入精确,但是 难于理解, 不能够广泛应用。 而应用广泛的立体几何数学模型函数表达式中所含 的参数较多。翻领成型器的数学模型仍有待研究、简化。 (4)国内外对翻领成型器各个参数对材料成型性能的影响有所分析研究,但 是不够深入透彻,也不够全面,不是每个因素都考虑研究过。 (5)现有翻领成型器的制造工艺大多使用钢板折弯成型,也有铸造成型的, 还开始出现基于逆向工程所制造的翻领成型器。各种制造方法都有其优缺点,都 不能够很精确的保证材料在成型过程中不发生变形。 (6)对于不同封口方式的翻领成型器研究。由于包装袋形的多样性,所以 完成这些袋形的制袋-充填-封口包装机在机型及结构上也带来一定的差异, 主要 反映在翻领成型器形式及封口装置上, 对于同一形式的翻领成型器可以设计不同 的封口方式得到不同样式的袋形。 可根据袋形的对称性将翻领成型器的封口形式 分为对称形式和非对称形式。如图 4-5 和图 4-6 所示,列出了不同的封口形式。 21 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 图 4-5 对称封口形式 图 4-6 非对称封口形式 以上存在的问题需要进一步研究而得到解决, 最终的目的是为进一步提高翻 领成型器的精度,改善其力学性能。使得材料在成型过程中不产生拉伸变形;使 得制袋机械能够高速运行;能制出外形平整美观,符合尺寸要求的袋子。 4.6 新型无领翼式翻领制袋成型器的研究 翻领成型器由于其自身的结构优势,在包装机械中得到广泛的应用,主要用 于立式制袋-充填-封口包装机,也有少量用于卧式裹包机。但是随着袋宽尺寸 的增加,翻领成型器的弱点逐渐显现出来。当袋子增大时,成型器的宽度也相应 增大,使得成型器在包装机上的布局产生困难,并且成型器的制造难度加大。 翻领成型器是包装机械实现袋成型的一个部件,由于其自身的结构优势,成 型器的高度与所制袋长的比值较之其他类型的成型器要小的多, 因而翻领成型器 在包装机械中得到广泛的应用, 主要用于立式制袋-充填-封口包装机,也有少 量用于卧式裹包机的袋成型。 随着袋宽尺寸的增加,翻领成型器的弱点逐渐显现 出来。从原理上讲,翻领成型器(包括其他类型成型器)的制袋材料宽度都大于 2 22 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 倍袋宽。当袋子增大时,成型器的宽度也增大,使得成型器在包装机上的布局产 生困难, 并且成型器的制造难度加大。本文针对上述问题介绍一种新型的无领翼 式翻领成型器的设计。 4.6.1 新型无领翼式翻领成型器基本原理 无领翼式翻领成型器主要用于卧式裹包机, 现研究料管截面为带圆角的长方 形,其工作原理如图 4-7 所示。对折的包装材料 1 经导辊 2 进入成型器折弯成 型,形成筒状,随后经纵封、横封及分切完成袋的制作。制袋材料进入成型器的 方向与袋成型后输出的方向空间相交 90°,输入的材料宽度比一般成型方式的 缩小一倍,也使整机的结构尺寸大大减小,布局方式更灵活、空间更大。该类型 翻领制袋成型器的结构形式与现有的各种翻领成型器都有所不同, 属于一种新型 的、有创新性的翻领制袋成型器。该成型器可以生产对接或搭接的三面封口袋, 主要用于固体块状产品的包装, 若产品的袋包装尺寸较大时,也可选择使用无领 翼式翻领制袋成型器。 1-包装材料;2-导辊;3-进料口;4-无领翼式翻领成型器;5-三面封口成型袋 图 4-7 无领翼式翻领制袋成型器工作原理示意图 新型矩形料管无领翼式翻领制袋成型器的空间立体图以及在设计计算中所 设定的各参数如图 4-8 所示。包装材料以对折形式供送至 TA 处导辊,之后经 过翻领成型器翻折形成筒状,再进行纵封、横封从而成型为封闭的袋子。 23 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 图 4-8 矩形管无领翼式翻领制袋成型器参数设置图 4.6.2 本课题设计所选用成型器 本课题设计所选用的为翻领成型器,它的外形如图 4-9 所示,这种成型器 为普通翻领成型器的一种变形,它的截面为三角形,包装薄膜经过成型器后,能 把塑料薄膜折起来,把蔬菜袋包起来,就能实现蔬菜袋包装的功能。这种成型器 设计简单、使用方便,成型效果好,而且成本较低,适合大范围的推广。 图 4-9 课题选用成型器 蔬菜袋的尺寸为 250mmX140mmX50mm ,所以设计成型器的截面宽度为 150mm,比蔬菜的宽度稍大点。它的尺寸如图 4-10 所示,成型器通过螺栓连接 24 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 在上板上。 82 45 217 205 262 2X?10 2 5 164 150 103 图 4-10 课题选用成型器尺寸 25 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 5 包材的选取与薄膜供送结构设计 5.1 包装薄膜的选择 包装薄膜的选择在产品包装的过程中也是很重要的。 卷筒塑料薄膜的产生引 起了包装技术的革命,产生了多样化的包装技术。例如塑料包装,可以采用电热 丝脉冲热封包装以及高频加热热缩包装等方法。 目前食品行业普遍采用聚乙烯薄 膜作为包装材料,纸质材料经涂塑料后的复合材料包装也被广泛采用,如牛奶、 瓜子等。枕式包装机多采用热封玻璃纸、铝箔复合材料、聚乙烯和玻璃纸复合材 料等。考虑到在薄膜牵引时,薄膜要受较大的张力,包装的速度越快,薄膜所受 的张力越难控制,薄膜也就越容易被拉断,因此如果薄膜的强度不够,包装速度 的提高将成为一个难题。所以,选择薄膜的选择是十分重要的。[15] 包材的选用对包装质量的影响至关重要,所以,在包材选用中我们主要考虑 以下四个方面: (l)包材安全,卫生,对人体无害; (2)红外检测标识清晰可辨; (3)包材的热收缩率; (4)包材的牵引张力。 5.2 包材的牵引张力 采用卷筒包装材料的包装机械, 工作性能与卷筒包装材料的张力状况有密切 的关系。张力控制是提高机器运行速度,获得高质量产品的重要保证。 (l)运动微分方程 图 5-l 卷筒包材 26 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 卷筒包装材料的放卷过程如图 5-1,有如下关系 R ? Rm ? ? ?m 2? (5-1) 式中 R-卷筒包装材料的工作半径; Rm-卷筒包装材料的最大半径(放卷过程的初始半径); ? -包装包材的厚度; ? -卷筒包装材料运转的转角。 如果卷筒包装材料半径由 Rm 减小到 Rc,所需的最大转角为 ? m,则 Rm ? Rc ? ? ?m 2? d? dt (5-2) 按运动关系,卷筒包装材料的线速度 V 和角速度 ? 之间有如下关系 V ? R? ? R (5-3) 系统的运动微分方程将是 d 2? TR? M ? J 2 dt (5-4) 式中 T-包装材料工作时的张力; M 一施加于卷筒上的总力矩; J 一卷筒的转动惯量; 总力矩 M 由如下两部分组成。 M ? Mr ? Mc (5-5) 式中 Mr-卷筒运转时的阻力矩; Mc-施加于卷筒上的控制力矩。 张力主要依靠控制力矩调节。 在放卷过程中以可控的驱动力矩驱动卷筒包装 材料转动,又可调节张力的大小。 卷筒包装材料的转动惯量 J 可如下计算 2??B(R 4 ? Rc 4) J ? Jc ? 4 (5-6) 式中 Jc-卷心和一起转动的支撑零件综合的等效转动惯量; ? -包装材料的密度; 27 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 B-包装材料的宽度。 式(5-1)对时间求导可得 2? dR d? ?? dt ?dt (5-7) (5-8) 2? d 2 R d 2? ? ? dt 2 ?dt 2 将上式代入式(5-4),则 d2R ? ? ? (T R ? M) 2 2? J dt (5-9) 可以利用龙格一库塔对式(5-9)求解.为得到 TR、 dR/dt 和 t 之间的数值关系, 进而求取 ? 、 ?(v) 和 t 之间的数值关系,可以求解式(5-1) (5-3) ,现给出它 们的数值关系 R2 ? ? V? t?R 2? 2 m 和 (5-10) (5-11) ?? 2? V? (R m ? R 2 t m? ? 2? (2)控制力矩 Mc 和卷筒半径 R 之间的关系 根据运动力学的原理 d 2? V ? 2 2 dt R (5-12) 所以式(5-4)可改写为 TR ? M ? J V 或 R2 V R2 (5-13) (5-14) TR ? M c ? M R ? J 一般希望在工作时张力 T 和运动速度 V 稳定不变,设工作中阻力矩恒定, 据式(5-1)随工作半径 R 的变化及时调整控制力矩 Mc。 由测量卷筒半径,实施控制力矩的调整需要一定时间 ?t ,此 M c 的调整值应 比测半径滞后 ?t 。在某一时刻 t 1 ,得卷筒半径为 R 1 ,时施加的控制力矩为 M c1 。 求解方程式(5-9), 得到 t 2 ? t 1 ? ?t 时的卷筒半径为 R 2 , t1 、 R1 、 M c1 为初始条件, 28 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 再将 R 2 值代入式(5-6)和式(5-13)式求得控制力矩的调整值 M c 2 。 影响张力 T 变化的因素除了式(5-13)表示的关系外,还有许多其它不确定 因素。如材料的不均匀性、工作环境的温度、湿度、相关工艺的变化等等。且卷 筒的阻力矩也变化的。所有这些都会引起张力 T 的变化。 这种变化可以看成是随机的,假设张力 T 的随机变化遵循正态分布规律。 式(5-9)(5-13)计算时的 T 值应该为期望值。如果张力 T 允许变化的最大值和最 小值分别为 Tmax 或 Tmin 之间形成一个张力的控制区。如果张力的每次测量值均落 在控制区内,则认为是正常波动。计算控制力矩 M c 时,公式(5-13)中的 T 可用 期望值代入。 5-2 张力控制图 如果,某次测量值超出控制区。如 a 点,Ta Tmax 则认为是不正常状态。 由于发生这种情况的原因难以知道,所以只能在正常控制力矩上再增加一个 附加控制量 ?M c ,使张力回复到正常状态,其值可如下计算 ?Mc ? R?T ?T ? Ta ? T 最后应施的控制力矩为 (5-15) (5-16) ?Mc实 ? Mc ? ?Mc 式中 M c -按期望值 T。 由式(5-13)计算得的理论控制力矩。 (5-17) 由于张力的偏移是随机的, 根据统计理论,如果连续 7 个点落在控制区内但 29 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 在期望值的一边,即连续 7 次大于或小于张力的期望值 T,亦属不正常情况。此 时也必须按式(5-15)计算附加调整力矩 ?M c 。计算时张力 T 的偏差量可以是 7 个点的平均偏差量 ?T ? 1 7 (Ti ? T) ? 7 i ?1 (5-18) 式中 Ti -张力的连续 7 次测量值。 由以上可知:卷筒包装材料的放卷过程的张力分析可按变质量系统的动力学 过程求解。同时由于张力受诸多因素的影响。在工作时将随机变化。因此还需按 随机理论监控。当张力 T 处于正常的随机变化时,则只需要考虑卷筒直径的变 化来调整张力的控制力矩。当张力 T 出现不正常现象时,则还需增加附加的控 制力矩调节量。 5.3 薄膜供送结构原理 枕式包装机的工作原理如图 5-3,当整机运行时,供膜辊伺服电机和拉膜辊 伺服电机同时启动, 通过传动机构带动拉膜带恒速连续运行,拉膜带的速度可以 按照包装速度设定值自动调整。拉膜带的内侧为齿形带外测为高弹力的橡胶带。 高弹性橡胶带可以增强其与包材的摩擦力,在该摩擦力的作用下,包材随拉膜带 向下运动。 同时纵封伺服电机通过传动机构拉动热封带与拉膜带同步运行。薄膜 供送要考虑到包装膜供应的连续化,高速化,自动化。 安置卷筒包装材料时,必须使卷筒包装材料的宽度中心线与输送中心线一 致, 然后将固定块 15 和固定螺帽 19 上的螺钉 14 旋紧。当中心位置稍有偏离时, 可转动调节手轮 7 经链轮 5 与 12 移动托板 10 给以校正。 机架背面装有制动轮 4, 制动带 1 的松紧可通过拉杆 3 的位置改变调整弹簧 2 的拉力来调节。 包装纸的输 送是在输送辊 18 和压纸辊 16 中进行。压纸辊 16 的转轴是偏心的,可用手柄 9 操纵,使其与输送辊 18 脱开或合上,以便引纸或输送。压纸辊 16 两端装有压力 弹簧 21,调节螺帽 20 可使压纸辊和输送辊的输纸压力均匀适当。输送辊 18 由 链轮 8 带动。 30 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 图 5-3 供送薄膜装置 5.4 影响包材速度精度的因素 评价枕式包装机的关键技术指标主要有计量精度、包装速度、包装袋的袋长 精度等。 其中提高袋长精度是其中的难点,因为影响袋长精度的主要原因是由于 包材供送速度不稳定。 如图 5-4 横封启动示意图所示,当色标传感器检测到包材上的色标,发出信 号之后, 此信号被传送到运动控制单元,由运动控制单元发出信号启动横封机构 动作。横封机构的初始位置固定,此位置是横封器等待色标信号的位置。横封机 构每个周期的动作由四段不同速度的运动组成, 但是每段速度均和设定的包装速 度成正比。当设定某包装速度时,横封器的每段速度均恒定不变,所以横封器从 启动到接触到包材的时间固定不变,如图 5-4 中所示时间 t。 图 5-4 横封启动示意图 设定某包装速度后,拉膜带的线 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 内侧为齿形带外侧为高弹力的橡胶带,包装材料是塑料复合膜。薄膜的组成一般 有三层,而依使用要求,少数为两层,多数为三层或三层以上。外层要求具有一 定强度、 尺寸稳定性、 可印刷性、 气体阻隔性等物理特性。 一般外层使用玻璃纸、 聚丙烯、聚酷、尼龙等。由于拉膜橡胶带直接压紧在包材外层上,靠摩擦力直接 带动包材运动, 这不是刚性的传动, 包材的速度必然会落后于拉膜橡胶带的速度。 如图 5-4 中所示,必然有 V V0 现称这种现象为“打滑” ,拉膜橡胶带和包材线 速度的差值称为“打滑量” 。 由于包材表面物理特性的不同,同一拉膜橡胶带以匀速运动带动包材时,包 材的速度 V 也不是匀速的,其“打滑量”是随机的。如图 5-5 所示,包材的速 度曲线 包材速度曲线 正是由于“打滑量”的随机变化,造成了袋长精度的降低。如图 5-5 所示,t 1 和 t 2 分别为前后两个横封机构机械循环周期中从横封头启动到接触到包材所用 的时间。在包装速度设定为一定值的情况下,显然有 t 1 ? t 2 ,由于包材的速度随 机变化,在每个时间 t 里,包材所产生的位移 S 并不相同。色标在包材上是严格 等间距的,而封头启动是依据色标,所以封切位置相对固定的色标产生了变化, 即造成了袋长误差。 图 5-5 中前后两个位移 s 1 和 s 2 的差, 就是前后两个袋长之差。 如图 5-5 所示,若包材速度为一恒定的速度,则在每个周期 t 内,包材所产 生的位移 S 都是相等的, 这样就不会产生袋长误差。 同样, 当包材速度不稳定时, 其与固定的横封速度不能协调,就会造成“伸膜”或“堆膜”的现象,影响袋形 质量。 所以提高袋长精度的关键因素在于控制包材的运行速度恒定,而控制包材 32 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 速度恒定的关键在于消除或减小“打滑”的影响。 由前面的分析可知, 造成包材速度不稳定的直接原因是拉膜橡胶带和包材之 间的“打滑”现象。 “打滑量”变化则包材速度发生波动。在实践中总结打滑的 因素主要有 (l)拉膜带的表面质量,随之拉膜带的老化,表面摩擦系数降低; (2)包材的表面特性; (3)包材运行过程中所受阻力的变化。 这些因素在生产过程中都是随机变化的。 5.5 包材恒速供送的解决方案 5.5.1 减少打滑 图 5-6 包材恒速供送系统 在枕式包装机的包材供送系统中选用了两个交流伺服电机,如图 5-6 所示, 供膜伺服电机用于展开成卷的包材,拉膜伺服电机用于拉动包材。这样做的目的 是为了控制包材在供送过程中的张力, 因为在包材供送过程中要完成生产日期的 打印、色标检 测、横向纠偏等操作,必须保证一定的张力才能保证完成这些操作。对于包材恒 速供送控制来说, 这样设计又有很重要的意义。包材从展开到到达纵封和横封切 断的位置要经过薄膜供送系统和衣领成型器, 所以在供送过程中有很大的摩擦力 作用在包材上,而且摩擦力是随机变化的。另外,包材膜卷在使用过程中会有一 个由大变小的过程, 这会带来包材膜卷转动惯量由大到小的变化以及膜卷所受阻 力矩和驱动力作用半径的变化。经试验证实,如果单独使用拉膜伺服电机,控制 33 袋式包装机的总体设计—牵引和纵封结构 姓名:邵永刚 班级:机设 08-3 班 学号:3 效果很差。由于以上原因,采用了供膜电机和拉膜电机配合使用的方案。供膜橡 胶带和膜卷之间的“打滑”就和包材供送过程中的摩擦阻力没有任何关系了,这 样使包材速度更易于控制。 再控制拉膜电机的速度始终比供膜电机速度略大,使 包材张紧。 5.5.2 薄膜供送的纠偏装置 图 5-7 固定模架 图 5-7 是薄膜供送装置中的一部分,包装材料的纠偏装置是制袋中的难点, 因为它是影响制袋质量好坏的主要因素。调节手柄可调节膜架对中,即包装膜对 中。包装薄膜在制袋的过程中可能会走偏,如果不纠正,就会影响到包装袋的精 度。 5.6 本章小结 本章主要介绍了包材的选取和供送时需要注意和克服的一些问题。 在包材的 选取上, 重点介绍了包材受到的牵引张力对包材选择的影响。 在薄膜供送机构中, 就包材在供送阶段出现的打滑现象加以分析说。

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