蔡松华

（漳州佳龙科技股份有限公司，福建 漳州 363000）

随着中国劳动力市场的不断转型[1]，青壮年农民工比重不断下降，在包装行业，特别是大米、饲料等行业，包装工人短缺现象越来越严重。另一方面，中国包装机械起步晚，目前存在着与国际先进水平差距较大，进口依赖严重、企业规模较小、缺乏创新平台等问题，因此国产包装机械还远远满足不了包装行业的实际需求。通过对大米、饲料行业进行市场调研可以发现国内的大米行业其包装袋种类及包装规格较多，并且普遍采用包装完毕直接装车的方式，存在每一批次包装数量较少，包装种类及规格更换频繁的现象。因此，国际先进的包装机械不能完全满足国内的实际需求，而且还存在着价格高、维护困难等问题。

本文介绍的全自动编织袋包装机主要用于大米、饲料等小颗粒物料的自动上袋、灌装及缝包。该包装机能适应不同种类和包装规格的编织袋，能快速方便地进行规格切换，并且安装高度低、整体占地小。同时，该包装机采用可选模块设计，可根据实际场地及预算进行模块选择，并兼容后续的升级改造。另一方面，包装机可由储料仓直接供料，装包完毕可自动对接装车输送带和码垛生产线，能有效减少包装车间对于包装工人及搬运工人的数量要求。

1 全自动编织袋包装机的模块化方案设计

全自动编织袋包装机采用模块化设计，如图1所示，主要分为备袋套袋、计量灌装、理袋缝包3个模块。

图1 整体设计方案图

其中，备袋套袋模块主要功能是自动对整叠的编织袋进行初步的整理定位，并从中分离出单个袋子，对其进一步定位后，将袋口张开，并套入计量灌装模块的灌装口。计量灌装模块主要功能是自动称量出指定重量的散装物料，并检测套袋是否成功，若成功则将物料灌入包装袋中，否则将套袋失败的袋子自动剔除。理袋缝包模块主要功能是自动对灌装好的包装袋进行袋口整理，并缝包封口。

2 全自动编织袋包装机的工作流程设计

本机工作流程设计如图2所示。

图2 基本工作流程图

工作流程说明：当系统上电自检完成后，检测指定的储袋工位是否有编织袋存在，如果没有，则触摸屏上提示缺袋，需备袋；如果有，对袋堆进行初步整理，并居中定位。定位结束后，取袋机构从袋堆取出一个袋子至下一工位并定位，以确定袋口位置。袋口位置确定后，利用机械装置将袋口张开，并夹住两侧以防变形，再将袋子套入灌装机构的灌装口后夹紧，等待灌装。与此同时，系统会先检测套袋是否成功，如果套袋不成功，系统会自动将灌装口上的袋子剔除，并重新套袋。另一方面，系统会检测计量机构内有无物料，如果没有，会启动进料机构进行加料。当计量完成，且灌装口套袋成功，则启动灌装动作。灌装过程中，拍袋机构同时动作，使袋内物料更加充实。灌装完成后，灌装口松开包装袋，并利用移袋机构将灌装好的包装袋由灌装工位移至理袋工位。理袋机构将袋口整理平齐并闭合，再将其移到缝包工位，进行缝包封口，最后利用输送带送往下道工序。

理袋缝包模块和备袋套袋模块是可选模块，如果不选择，相关工序可以由人工完成。但由于计量是包装车间的必备功能，所以计量灌装模块为必选模块。

3 全自动编织袋包装机的关键技术

3.1 计量精度的测试及结果分析

对于定量包装设备而言，计量的动态精度是最基本也最重要的测试参数，下文以25 kg包装规格为例，进行动态精度测试与分析。

图3 计量精度统计图

对于预设值（preset value）为25 kg的规格进行576次计量的动态精度测试，并以装料重量为横轴，以每种装料重量出现总次数为纵轴，得图3所示结果。根据标准[2]，本规格检定次数为32次，测试装料次数远大于32次，因此测试装料次数符合标准。从图3可以看出，最大装料重量为25.007 kg，最小装料重量为24.995 kg，从而计算出最大误差为12 g，同时能从图3计算出装料重量平均值为25.0019 kg。

按X（0.5）级标准，查表1[2]可知，预设值（preset value）为25 kg情况下，首次检定(initial verification)、后续检定(subsequent verification)的最大允许偏差（mpd）为0.35%，即25 kg×0.35%=87.5 g ；此次测试的最大误差为12 g，小于最大允许偏差87.5 g，因此最大允许偏差（mpd）符合标准。

按最大允许预设值误差的（mpse）[2]的要求，预设值（preset value）与装料平均之间的最大差值不超过最大允许偏差的0.25倍。

即：(25.0019 kg-25 kg=1.9 g)＜(87.5 g×0.25=21.875 g)

因此最大允许预设值误差的（mpse）符合国家标准。

3.2 不同模块间的快速定位对接机构

为了便于不同模块的快速增减，以及出现设备故障时可以快速替换为人工操作，本机设计有快速定位对接机构[3]。

如图4所示，对接架1与导向座5分别安装于两个不同模块上面，对接时利用定位轮4与导向座5进行快速定位，然后用卡钳2进行快速夹紧；如果有需要，两个模块间的距离可通过过渡架3上面的滑槽进行微调，调整完利用滑槽上螺钉锁紧固定。两模块需要分离时，则松开夹钳2即可。

表1 X(0.5)级装料衡器的允许误差限

图4 快速定位对接机构

3.3 高兼容性的理袋机构的设计

由于包装袋种类及规格的多样性，对理袋机构的设计有着高兼容性的要求，不仅要适用于风琴包装袋与枕形包装袋，更要能针对不同宽度的包装袋进行快速自动切换，针对这种情况，本机设计有自动理袋机构[3]。

图5 自动理袋机构

如图5所示，在理袋伺服电机通过传动链条2的传动下，带动内拔叉6及外拔叉4以中心对称移动。理袋时，内、外拨叉向中移动，包装袋到位后，升降气缸1动作使内拨叉6进入袋口，然后内、外拨叉根据预设的不同移动距离向外分离，自动适应不同袋宽的包装袋。到位后，外拔叉4在理袋气缸5作用下旋转90度进行理袋，此种方式适用于风琴包装袋袋边向内折的理袋要求。如果外拨叉4初始状态为竖直，理袋时向水平方向转动，则适用于枕形包装袋，袋边向外撑的理袋要求。

3.4 具有自适应功能的抱夹及移动装置

本抱夹及移动装置[4]主要用于确保已灌装完毕但还未缝包的包装袋在不同工位间随输送带移动时不发生倾斜及倒塌，该装置具有自动适应不同规格包装袋的功能，方便于整机频繁切换规格。

图6 抱夹及移动装置

如图6所示，抱夹装置5在驱动链轮1带动驱动链条2的作用下，通过移动滑块4可沿着移动导轨3左右移动；而抱夹装置5则有张开和抱夹两种状态，通过两者的组合，实现抱或夹住包装袋并移动的功能。由于抱夹装置采用单根气缸作抱夹的驱动动力，可通过调整气缸的工作气压的方式来调整抱夹力量，同时，由于气缸受到超过输出力量的阻力时，会自动停止，因此，抱夹装置可以自动适应不同规格包装袋。

3.5 前置拍袋装置

本前置拍袋装置[5]可紧凑地安装于灌装口下方的输送带上，用于对正在灌装的包装袋进行底部拍袋，使包装袋内部物料更加充实，提升包装袋利用率，使包装袋底部更加规整，并且在输送带上被输送时更不容易倾斜或倒塌。当拍袋动作后，本拍袋装置可自动移开，使灌装完毕的包装袋可以落到下方的输送带。

图7 前置拍袋装置

如图7所示，拍袋板1可在两端的两根拍袋气缸2的驱动下实现上下运动的拍袋动作，同时，拍袋气缸2及拍袋板1又能在移动气缸6的驱动下，通过滑块5沿着导轨4移动。整套机构通过安装架3固定于输送带上。

3.6 自动剔袋机构

备袋套袋模块由于袋口粘合过紧或袋口卷边等问题，有可能出现袋口无法张开的现象，为了避免影响正常工作流程，必须将其剔除。为此，我们研发出一种自动滚轮剔除装置[6]，以解决传统人工剔除存在的人力资源成本较高、剔除不够快捷的问题。

图8 自动剔袋装置

如图8所示，摆动杆3可以在摆动气缸1的驱动下进行开合动作，正常工作时，摆动杆3处于松开状态，不影响备袋套袋模块的正常工作流程，需要剔除袋子时，从动轮2在摆动杆3的作用下把包装袋4压紧在主动轮5上，同时主动轮5在电机带动下旋转，将包装袋送出剔除。

表2 备袋套袋模块成功率测试

3.7 备袋套袋模块成功率的测试及分析

设备运行环境温度32 ℃，分别对10组200个情况不同的袋子进行试验。结果如表2所示。

通过分组试验，可以确定备袋套袋模块稳定性良好，能保证较高的套袋成功率。其中套袋失败而导致袋子被剔除的主要原因为：袋口粘合过紧及袋子卷边，张袋吸盘无法完全张开袋口，从而撑袋机构无法正常伸入袋口撑袋。

对于时态RDF数据的添加、修改和删除都可能会造成上文中提出的不一致性问题，因此需要对插入操作、删除操作和更新操作的时态RDF数据首先进行检测与分析，是否会造成4种类型的不一致性，如果存在不一致性问题就要通过修改新的时态RDF数据来进行修复，使得操作后的数据库中的时态RDF始终保持一致性。

3.8 灌装速度的计算

由于本机适用的包装规格范围较大（5～25 kg），各种规格需要灌装的物料体积差异达5倍，灌装时间相差较大，因此对灌装时间的计算和校核很有必要。以下以常用物料大米为例，进行计算及校核。

为了便于自动套袋机构设计，灌装口采用矩形出料口的方形截面锥筒形状设计，在出料口长度不超过160 mm，宽度不超过长度的前提下，可根据灌装速度的需要调整设计尺寸。查计算公式[7]得：

对矩形出料口：

其中：M—料口通过能力，kg/s

ρ—物料的堆密度，t/m3

g—重力加速度，m/s2

fp—物料的形状系数。对于球形颗粒，fp=1.6；对于非球形颗粒，fp=2.4；

fh—tgβ-0.55，β为料斗中心线与料斗壁的夹角，当β〈45°时，β按料斗休止角计；

当β〉45°时，fh=1.0

L—出料口的长度

W—出料口的宽度

查粮食工程设计手册[8]，大米堆密度ρ=0.8 t/m3；内摩擦角为30°，与钢板外摩擦角23°；设计夹角β均大于45°，因此fh=1.0；大米粒度为7×3×2.5，因此fp≈2.4；

由于L=160 mm；W=10～160 mm；d=2.5 mm；g=9.8 m/s2；将以上数据代入矩形出料口M值计算公式，可得下图：

图9 开口宽度与灌装速度关系图

如果25kg物料按时序设计要求在2s内灌装完毕，则灌装速度Mmax=25 kg÷2 s=12.5 kg/s。查图9并按公式进行验算，此时需要开口宽度Wmax=106 mm。

按灌装速度Mmax=12.5 kg/s计算，由于灌装时间t=灌装重量G÷灌装速度Mmax，可得常见规格灌装速度，如表3所示。

表3 常见规格灌装速度表

4 结语

全自动编织袋包装机项目在研发过程中做出了较大突破，并获得多项国家发明专利和实用新型专利。它采用模块化设计，可以根据现场条件灵活选用模块，且更换规格方便快捷，对不同规格不同类型的编织袋具有良好的适应性，能有效减少包装车间的工人数量。全自动编织袋包装机投入市场后受到粮油加工企业的广泛认可，提升了企业的核心竞争力，推动了粮食机械的发展，创造了较好的社会经济效益。