动态称重包装自动化设计

　日趋规模化、国际化的现代化工业生产,要求包装作业依次完成自动包装、输送、检测、贮存等工序。一般的机械称量、手工装袋,不仅在速度、质量、卫生条件和花色品种等方面无法达到要求,单机操作设备和单一包装品种、规格的包装机产品也难以胜任其全部要求。本文设计一条能实现颗粒、粉末物料动态称量和包装的自动包装线,适用于食盐、面粉、粮食、饲料、水泥等生产加工企业的高质量大规模包装需要。
1 包装自动线组成及包装工艺流程分析
颗粒和粉末物料一般采用袋装,即将物料充填
到柔性材料制成的包装袋中,再进行排气(或充气)、封口、切断、包装。包装袋常用纸、铝膜、塑料薄膜及其复合材料,袋型及其大小主要取决于被充填物料的性质、容量及包装材料的性能,并与制袋封口方法和商品流通的使用要求等有直接关系。
物料包装自动线主要由称量机、成形充填封口机、物重选别机、打印机、输送机及控制系统组成。需要协同完成的包装工艺流程是:(1)包装材料输送 为避免柔性材料在不同张力作用下的伸缩,确保商标图案的完整,设置一个自动检测补偿装置。(2)包装材料成型 在成型机构作用下,将送到的包装材料制成规定的形状并封边,只保留一边开口填充物料。(3)物料称量与控制加填 物料经称量机称量后,靠加料机构装入已成型的包装袋内。(4)抽气或充气、封口 可在填料的过程中同时进行,有的产品包装好后要抽成真空(驱除空气防止氧化变质),有的则需要充入保护性的无菌气体(氮气等)。(5)切断送出 边制袋边加料的包装机一般都是在所有的包装操作完成后,再将其切断送出。(6)物重选别 二次称量,选出合格产
品,不合格者分流剔除。
实现动态准确称重是整个工艺流程的关键,选择包装自动线上的称重机、成型充填封口机和物重选别机作为设计重点。
2 包装自动线主要机械装置设计
211 称重机
现代包装自动线控制性能的优劣以充填量的严
格控制最为关键。称量机是主要的实现机构,它主要包括盛料仓与称料斗以及支架等,主要容器的材质为不锈钢板或铝合金板。21111 盛料仓设计
通常的自重式直流型下料装置,一般都采用双料口下料,大料口负责主要的下料任务,能尽快地下料到接近目标重量,小料口只是补充差额。经过反复试验,由于大料口下料时,落料重量及其所产生的冲击力大,残留料柱重量的随机性大,致使称量高精度和高速度的矛盾不易解决,达不到较高的要求。因此,设计了3料口下料装置,盛料仓底部安装有大中小3个闸门,分别由3个气缸控制。盛料仓放料示意图如图1所示,Wg0为称重前称料斗皮重,Wg1、Wg2、Wg3分别为设定目标重量的90%、98%和100%。起始3个下料口都打开快速下料,重量到达Wg1时大下料口关闭中速下料,到达Wg2时大、中闸门关闭,只留小闸门精确下料,一直到Wg3后称重结束。这样的好处是既可保证下料速度,又能保证精确度。
设计3料口的大、中、小下料口(闸门)落料面积分别为110mm×70mm、70mm×20mm、20mm×20mm,落料流量(以面粉为例)的平均值Vp1、Vp2、Vp3分别为4721145g/s、827117g/s、64121g/s,试验测得落料流量标准差分别为130146g/s、39167g/s、2167g/s。以称量10kg为例,Wg1设定为9000g,Wg2设定为9800g,Wg3设定为9955g(消除残留料柱重量大于落料冲击力的系统误差,试验可测得两者的差值为45g),达到各个重量值的时间分别为
T1=Wg1/(Vp1+Vp2+Vp3)=11603s
T2=(Wg2-Wg1)/(Vp2+Vp3)=01897s
T3=(Wg3-Wg2)/Vp3=2141s
总时间为:T=T1+T2+T3=4191s
在设置Wg3时应使T3的时间不少于018s,以使称重传感器测到称料斗稳定后的值,当包装重量小于5kg的产品时,应关闭大闸门。试验证明,3料口下料装置兼顾了称量精度和称量速度要求,而且结构简单。随着包装颗粒、粉末物料特性(密度、流动及分散性)的不同,各设置参数也应相应地变化。21112 称料斗设计
称重计量方法按其工作原理可分为3类:基于杠杆力矩平衡原理的间歇称量法、基于瞬时物流闭环控制原理的连续称量等分截取计量法和基于称重传感器的闭环间歇称量法。第3类不仅称量精度高、速度快,而且结构简单、可靠性高。
称料斗由3个均匀分布、并联连接的称重传感器支承。当物料自盛料仓落入称量料斗,称重传感器检测物料重量,并把重量转换成电压信号传送给控制系统,控制系统进行逻辑运算后发出控制信号控制盛料仓的3个闸门,进行瞬时调节控制,直到称量重量为给定值。称量结束控制卸料闸门打开卸料到包装袋。
称重传感器根据需测量的额定重量和精度决定。它处于数据采集系统的最前端,其性能会影响整个系统的工作状态和称量精度。设定最大称量重量30kg、称量精度±012%,再加上称斗皮重,所以选用额定量程为50kg,精度为0102%的YZ108T
系列高精度称重传感器。212 成型充填封口机
成型充填封口机主要由成型器、纵封器、横封器等组成,用于完成包装袋的成形、封口,物料的填充。成型充填封口机结构示意图见图2。
图2 成形充填封口机示意图
1.进料口 2.U型折叠成型器 3.纵封器滚轮 4.电
热板 5.纵封器固定装置 6.滚轮驱动电机 7.横封器切断刀 8.横封器 9.横封器驱动气缸 10.光电开关1
11.光点开关2 12.成品 13.塑料薄膜
成型过程为:启动后,纵封器滚轮电机转动,
卷筒塑料薄膜经导辊引至成型器2,被折弯后再由纵封器3搭接成圆筒状。然后由纵封器滚轮向下牵引并滚压封口包装袋侧边,当包装袋遇到光电开关1时,纵封器滚轮驱动电机暂停,同时横封器动作,驱动气缸推动横封器挤压并封口包装袋的下边,延时2s,包装袋继续向下运动,遇到光电开关2时,纵封器滚轮驱动电机再次暂停,称料斗卸料,卸料完毕,横封器动作,驱动气缸推动横封器封住包装袋的上边。
成型充填封口机的生产效率主要由塑料薄膜的供送速度亦即牵引辊(纵封棍)的线速度决定。同时产品本身的规格尺寸(主要是袋子的长度)对生产率也有影响,可由下式计算
Q=60ωR/L式中 Q———生产率,袋/min
   ω———纵封辊的角速度,rad/s   R———纵封辊的半径,mm   L———单件产品的袋长,mm
由上式可知,如果袋长一定,要提高成型充填封口机的生产效率只有靠提高纵封辊的转速和半径来达到。但要兼顾热封时间与热封温度,并考虑包装材料和封口方式的影响。另外,粉粒物料充填时的下降速度是影响包装速度的另一个因素,如果包
装速度太快,会使有些物料未到达袋内即行封口,在薄膜之间形成隔层使封口不牢而出现包装废品,故应尽量缩短下料距离。213 物重选别机设计
物重选别机结构见图3,由输送带和称重模块组成。产品包装完毕后落在称重输送机构上,称重传感器对产品进行二次称量,如果重量(预设的产品净重与包装材料之和)合格,则控制输送带驱动电机正转,产品由输送带2送出,如果重量不合格,则控制输送带驱动电机反转,产品被分流剔除。
图3 物重选别机结构示意图
1.输送带 2.电机 3.称重模块 4.底座 5.支承架
6.轴承座 7.次品分流板
根据自动线的生产能力可确定物重选别机的主要技术参数:最大称重重量为30kg;包装物最大输送速度为012m/s;包装物的尺寸为宽W≤400mm,长L<600mm,高H<50mm;称重平带输送
机构的中心距800mm左右,同步带的中心距为600mm左右。
由于要求传动效率高、传动平稳、压轴力小、结构紧凑,采用靠啮合传动的H型同步带。
3 控制系统设计
包装自动线能实现颗粒、粉末物料的动态称量、包装、输送等全自动过程,控制系统必须具备
以下功能:(1)从输入到输出的顺序控制;(2)对称量重量的模拟量控制;
(3)具有友好的人机界
面。所以采用可编程序控制器作为主控制器,配以模拟量模块和触摸屏,协调控制各种输入、输出信号,包装自动线控制系统硬件结构见图4。
通过对自动线顺序动作和控制特点分析可知,PLC共有9个输入点,12个输出点,2个模拟量输
入信号,故选择欧姆龙公司的CPM1A-40CDR-A型PLC,它有24个输入点,16个输出点,外接模
拟量I/O扩展单元CPM1A-MAD02(4路模拟量输入和1路模拟量输出,性能规格:输入电压0～+10V或+1～+5V,电压信号分辨率1/256,精度
为最大值的1%)。PLC和模拟量单元的输出点为
继电器型,可直接连接接触器线圈、电磁阀、信号灯、蜂鸣器等负载,提高了设备的可靠性。
图4 控制系统硬件结构图
PLC通过控制相应电磁阀来控制下料口闸门气
缸的开闭,使物料落入称斗中。称斗上安装有3个
悬臂梁式称重传感器(YZ108T),称斗的重量信号由传感器组转换成与之对应的电压信号,经放大后送入PLC中进行数据处理,当达到盛料仓大中小闸门的关闭预定值时,PLC控制相应的闸门关闭,直到达到称重要求,然后PLC控制称斗卸料闸门打开,同时控制自动打包机装袋、封口,打印产品生产信息,然后由物重选别机对产品进行二次称重,合格品由输送带送出,不合格品由物重选别机分流剔除。
控制系统还设计了供操作人员和设备之间对话的人机界面,可以以画面形式显示系统的运行情况。在设计人机界面时为了便于数据的录入、修改,采用以编程控制终端为主的人机界面MPTST。
4 结束语
本包装自动线采用先进的包装技术,集机、电、光、气技术为一体,由PLC统一协调各设备
之间的工作,实现颗粒、粉末物料的自动化动态称量、包装和输送。整个自动线结构简单,工作可靠,操作方便。