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1、大学本科毕业设计论文1 绪论1.1课题研究的背景和意义 随着社会的发展、生活水平的提高，人民对商品包装提出了更高的要求。与人民生活和工农业生产密切相关的生活日用品、营养食品、药品，种子、化肥、农药、化工原料等工农业生产用品，都需要精确的定量包装。这些物料如果用手工进行包装，其劳动强度大，速度慢，效益和质量差;而食品、药品类若采用手工包装不能满足卫生要求。因此，需采用自动包装机来完成这些工作。包装机械是现代包装工业的基本设备，是商品生产中必不可少的关键性技术设备。随着人类社会的进步，国民经济的发展，人民生活水平的提高，人们越来越重视包装的质量、品种类型，包装机械在包装领域中起着重要的作用。包装机
2、械是使产品包装实现机械化、自动化的根本保证。它能够大幅度地提高生产效率;降低劳动强度，改善劳动条件;保护环境，节约原材料，降低产品成本;有利于被包装产品的卫生，提高产品包装质量，增强市场销售的竞争力;由于包装机械的计量精度高，产品包装的外形美观、整齐、一、封口严密，提高了产品包装的质量，增强了产品销售的竞争力，可获得较高的经济效益;延长产品的保质期，方便产品的流通。包装机械保证包装产品质量高、生产效率高、品种多、生产环境好、生产成本低、环境污染小，因而获得较强的市场竞争能力，带来巨大的社会效益和经济效益。自动包装机被堪称为拥有漫长发展历史和富有强大生命力的主导机型。现已被各国视为前景较好的包装
3、机械。由于现有国产袋成型自动包装机存在的软硬件问题，并且缺少相应的设计指导理论，所以对其进行研究改进是非常有意义的。包装容器的制袋一充填一封口，是包装工艺中必须的工序。充填的精确影响到厂家经济效益;封口的好坏则影响包装产品的外观质量和保质期。因此，包装质量在很大程度上取决于袋长的精确控制以及封口质量，所以封口机构及其控制的研究改进对提高制袋质量有着重要的意义，本研究对整机结构了解的基础上，针对纵封、横封的封口形式完成了对薄膜输送系统等关键部分软硬件设计，其在实际生产中也具有十分重要的指导意义.1.2国内外研究现状为满足现代商品包装多样化的要求，目前国内外开始不断发展适应多品种、小批量的通用包装
4、机械和设备，从而使得包装机械的形式日趋增多。袋成型自动包装机是将具有热塑特性的塑料复合膜经加热软化制成包装容器，在一台设备上自动完成制袋成型、计量充填、封合剪切等全过程的自动包装设备。按包装物料的不同，可分为如下的几类:(1)粉粒料包装设备。如小袋奶粉、咖啡等物料的包装。(2)流体、半流体粘稠类包装设备。如调味品、酱类、油脂类等物料的包装。(3)定型类包装设备。由于固体定型类物料的大小及形状差异颇大，所以需根据不同的物料，采用不同的充填形式，或采用电子称量机计量。1.2.1国外袋成型包装机发展现状国外袋成型包装机发展全面，优势明显，主要特点有:l、结构设计标准化、模组化。用一台包装机完成对不同
5、物料的包装时，利用原有机型的模组化设计可在短时间内迅速进行规格更换或转换为其它包装形式的机型，并为不同的计量系统提供了足够的空间。如利用枕型包装机稍加调整就可实现三角袋的包装。2、包装速度高速化。目前，国外的小袋包装机单列包装速度一般为3080袋/分，近些年来很多公司推出的多列式包装机(从2列到10列)可使包装速度大大提高。如意大利ILAPAK公司的300和400系列枕型包装机，计量范围1504509，包装速度120袋/分;日本横滨电机制作所的YDE一70型四边封合包装机，计量范围:0.530ml，可以210列，最高速度为800袋/分;日本三光机械的FC一1000型小袋枕型包装机，最高可达12
6、列，速度可达1000袋/分。3、结构运动高精度化。由于采用各种新技术，如通过伺服电机、编码器及数字控制(NC)动力负载控制PLC等高精密执行机构控制各种动作，使整机的充填计量精度和制袋精度都有所提高。如日本东京自动机械的SIGMA3型粉末计量机，配有可调速驱动马达，采用螺杆下料充填，最大充填为每次1.ZKg，充填精度60.25%;日本，丫少社的台式液体充填机，根据不同机型充填量可做到0.1600ml，充填精度为0.5%。4、控制智能化、弹性化。国外大多机器都通过智能型控制仪表和触摸屏上的菜单式应用软件对机器的各种参数进行跟踪调整。电子显示屏显示切袋长度、包装速度、充填物的净含量以及包装产量等，
7、一目了然。标准的色标跟踪光电系统能绝对保证包装产品的印刷图案正确。另外，机器可对工作过程进行在线状态监测和故障诊断分析，一旦发生问题，自动停机，并显示故障原因及解决方法。5、包装形式多样化。国外的袋包装目前既有三边封合袋、四边封合袋、枕形袋，还有风琴式、自立袋等。用户可以根据市场的需要，具有更大的选择空间。国外的袋包装机执行机构和传动系统趋于简单，横封、纵封等动作的执行机构采用气动元件，包装动作简捷快速，整机噪声小;采用变频调速装置，实现无级变速，不仅调速范围大、平滑性好、低速特性，而且可实现恒转矩调速，节电效果也十分明显。1.2.2国内袋成型包装机发展现状 我国包装机械发展较晚，目前正处于起
8、步应用阶段。而且由于用户的技术水平和各种环境因素的限制，我国包装机械的需要就像一座“金字塔”。对高、精、尖设备的需求就是塔尖，越尖端的设备需求越小;对中、低档设备的需求就像“金字塔”底部，量大面广，商机无限。随着市场需求的不断增加，九十年代后，我国袋成型自动包装机有了较快的发展。通过参考国外产品，进行消化、吸收及自主开发、研制，技术上有了很大的提高，计量范围从lg到1000g不等，特别是产品功能和自动化方面也有了长足的进步。我国通过参考国外同类型产品，进行消化、吸收及自行开发研制，技术上有了很大的发展和提高。我国现有的袋成型自动包装机应用广泛，机型分为立式和卧式两种，可包装液体、糊状物料、粉状
9、物料、颗粒和固体物料，包装形式有枕形袋、三封袋、四封袋、砖形袋、屋形袋、角形自立袋等多种类型。通过PLC和PC控制技术的不断推广和应用，使袋成型自动包装机的自动化程度得到了很大的提高。我国生产的袋成型自动包装机以普通型、通用型为主，即在同一台设备上，同一竖直方向上自动完成包装袋成型、计量、打印日期、充填、封口、切断、输出等工序。包装物料一般为:液体、粘稠体、颗粒物料、粉料、膏体、片剂、膨化食品等。充填计量方式一般为:容积式、称重式。容积式又可分为量杯式、旋转阀式、柱塞式:称重式又可分为电子秤、杠杆秤两种。有些包装机还采用组合式，如粗供料采用容积式，精供料采用称重式等。所用包装材料主要是具有可热
10、封的塑料单膜和各种复合膜(如:纸一塑复合、塑一塑复合、铝一塑复合等)。包装成形袋以扁平袋为多(如:枕形袋、三边封口袋、四边封口袋)。热封方式主要有:往复式、L型闭合式、旋转式。国产中型袋包装机多采用的横封装置是连续对辊式，其缺点是开机和关机时，在辊轮中间都要夹持部分包装材料，既难于清洗，又浪费材料。小型袋包装机，横封装置采用的是扇形开合的封口方式，当包装袋的尺寸扩大后，其封口质量难以保证。客观地说，我国生产的袋成型自动包装机综合性能指标与国外先进国家的产品相比还存在着很大差距。比较突出的问题是;机械加工工艺技术水平低;机构动作的同步、协调性差;关键零部件、易损件、电气元件寿命短、可靠性差;生产
11、速度一般都比较慢，自动化水平不高，自动化调节、自动化控制水平低;设备的可操控性差，维护保养较麻烦;充填精度低、速度慢;外观造型和表面质量差。1.2.3自动包装机存在的问题据调查，现有自动包装机存在以下问题:1.包装机长期存在着包装材料(薄膜)输送速度难以控制的问题，薄膜输送速度不稳，对袋长精度和袋形质量的影响很大:工作初期和末期，带膜卷的直径变化很大，转动惯量变化，造成包装材料输送时拉力不均匀，使得封袋长度变化，袋长控制精度不高。2.包装精度(充填精度)低且工作时不稳定。3.包装速度低:目前国产包装机的包装速度，小袋包装在60120袋/分之间，包装速度超过80袋/分时包装质量将下降;中袋包装为
12、3560袋/分。国外设备的包装速度已达到小袋包装为1200袋/分，中袋包装为160袋/分。3.封口质量难以保证。(l)外观质量。国家规定，包装袋的封口处应平整、网纹清晰，不得有灼化和压穿现象。而现有的包装机不能很好的达到国家的标准;(2)包装成品的封口强度低;(3)由于塑料包装材料与被包装物之间的静电作用，在塑料袋内壁上会吸附细小的被包装物粉粒，若不除去会造成横封口处封口不牢，严重影响包装袋封口质量。(4)自动包装机的横封机构运动形式的不合理，将导致封口质量问题。传统的包装机的封口机构，其左右封块是扇形开合，封口部位热封时间不同，导致封口处不平滑，部分灼化或者部分强度不够。两横封块机构采用左横
13、封块运动时，两横封块对包装袋的作用力不同，会造成其封口不匀。而且封口周期长，包装速度慢。自动包装机的功能多样、种类繁多，如枕式自动包装机、立式自动包装机等，其中本课题是以新型三伺服枕式自动包装机为研究平台展开的。1.3 自动包装机基本结构概述枕式自动包装机普遍采用的流程如图1-1所示，根据不同的机型，包装流程及其机构会有所不同，但包装原理大同小异。图1-1 自动包装工艺流程Fig.1-1 The flowchart of automatic packaging新型三伺服枕式自动包装机的执行机构由自动接膜装置、物料输送机构、制袋成型器、牵引辊轮、纵封辊轮、横封切断装置和卸料传送装置等组成，图1-
14、2所示是新型三伺服枕式自动包装机工作原理图。图1-2 三伺服自动包装机工作原理图Fig.1-2 Working principle of thr-servo automatic packing machine从图中看到，该机横封切断辊刀、包装膜轴和卸料传送带、送料拨叉轴分别由单独的伺服电机作为动力。该机集自动送料、包装物品、封口、切断于一体，是一种高效率的连续式的包装机，广泛应用于食品、肥皂、药品等的自动包装上。其包装材料为复合材料，采用卷筒薄膜供料，由牵引辊轮经导向辊进入制袋成型器，由于受成型器作用，薄膜自然形成卷包的形式。同时待包装物品由供料链拨叉推动至薄膜卷包的空间。卷包的薄膜在牵引辊轮
15、的作用下向前运行并被纵封辊轮实施纵封热融封合。包装物品在最后由横封辊刀封合切断，形成一个包装成品，由卸料传送带输出。由于其包装形式为枕状，故称其为枕式包装机。1.4 本文的研究内容为满足客户对新型三伺服自动包装机功能和性能的需求，以自主研发的多轴（四轴）通用运动控制器为平台，在现有研究成果的基础上，本课题通过软件算法进行新功能的开发，提高包装机的整体性能，完善之前的研究成果。主要进行了以下几个方面的工作：（1）根据用户对包装机性能的特殊需求，对控制系统的软件进行改进，且验证了设计方案的可行性及研究包装机控制系统的可靠性（2）用UML建模语言，针对新型三伺服自动包装机新功能的开发，给出了基于UM
16、L模型的软件设计方法。（3）采用三台伺服电机分别控制横封刀轴、包膜轴和送料轴独立运动，采用基于电机编码器位置的控制方式，实现了包装过程中定长与追踪两种包装模式。将追踪量与PID补偿算法相结合，实现了合理的位置偏差补偿，提高了包装精度。（4）为了满足用户防止切料、保护横封刀的要求，开发了电子防切功能，在横封之前提前检测到是否切料，并作出相应的处理，提高了生产效率。 枕式包装机采用三伺服方案，使得控制更加方便，机械结构大大简化，速度快，效率高，便于操作。具有电子防切断功能，在物料进入成型器后，如果物料检测传感器检测到物料错位时，即实现横封辊刀停止，送膜轴与送料轴继续运动，将错位的物料送出横封辊刀，然后实现自动开车正常加工。这样就可以实现对横封辊刀的保护作用，同时不影响生产的继续进行。对于拨叉中有空料的情况，通过空包检测传感器检测到拨叉中缺料时，横封辊刀和送膜轴停止，让送料拨叉继续运动，当把
