包装是各类食品、药品等加工不可或缺的一道工序，它直接影响到产品的外观继而影响销量。随着市场竞争的日益激烈，消费者对产品包装的要求也越来越高。随着社会的发展，人们对商品包装的要求也越来越多样化，尤其是小颗粒产品的包装，传统的小颗粒包装机已不能满足目前的需求，目前我国自主生产的包装机在市场的占比相对较小，且稳定性和可靠性等相对较差[1-3]。国内小颗粒包装机大部分为单列式包装机，包装速度处于20~80袋/min，这已无法满足市场的需求，亟需一种高速平稳、自动化水平更高的小颗粒包装机[4-5]。在分析小颗粒物料包装工艺要求的基础上，提出了一种更高效的传动系统用于小颗粒包装机，并对其控制系统进行了设计。
1小颗粒包装机结构设计
1.1包装机整体结构
包装机的基本结构如图1所示。采用立式结构[6-8]，它主要由供料装置、供膜装置、成型装置、封切装置及控制箱等组成。被包装物料在自身重力的作用下自上而下流动，从料斗首先进入计量装置，经过计量好的物料会在重力作用下进入成型的包装袋，然后经过封切装置封切后，从包装机底部输出成品。

其工艺流程图如图2所示。包装膜在供膜电机的作用下进入成型装置，在成型制袋器的作用下形成筒状，然后由纵封装置对筒形包装袋进行纵向封合，同时料斗里的被包装物料经过计量装置进入筒形包装袋，最后经过拉膜装置进入横封装置，经过横向封合后切断，形成包装成品，最终由成品输出装置输出。
1.2主传动系统设计

包装机的主传动系统结构如图3所示。它主要由电机、分配轴、凸轮、离合器、切刀等组成。拉膜凸轮、纵封凸轮及齿轮副中的小齿轮通过键安装在分配轴上，分配轴由主电机通过皮带及减速器驱动，封切凸轮带动实现横封热封板和横封切刀的开合，从而实现横封和横切，齿轮副将动力传递给供料装置，供膜凸轮将动力传递给供膜装置，纵封电机驱动滚轮的转动及加热，实现包装袋的纵封。

分配轴是包装机的关键零部件，它关系到包装机运行的稳定性，其不仅要满足足够的强度和刚度要求，也需要具有好的制造工艺性及便于安装。安装在分配轴上的凸轮齿轮等均与轴通过键连接，并通过轴肩、套筒、挡圈等保证其轴向位置。设计分配轴直径为25mm，材料为45号钢，表面处理为调质，硬度28~32HRC。
主电机选择JY7134三相电机，转速为1400r/min，额定电压为220V，功率为370W，额定转矩为70N·m。根据包装机50~100袋/min的生产能力要求，即分配轴的转速为50~100r/min，所以减速比i=1400/（50~100）=14~28，即电机与分配轴之间应在14~28的减速比之间无级调节。
2控制系统设计
2.1硬件选型
小颗粒物料包装机的控制系统须满足的主要功能有：1）满足设备基本的启停功能，包括手动与自动的切换功能；2）需具有信号检测功能，包括对物料质量、横封与纵封温度等的监测；3）需具有纵封和横封的温度调节功能，保证封口质量；4）能够实时监控工作状态，即具有人机交互界面，并可以输入控制参数。
由于立式小颗粒包装机具有较多的执行机构，且相互关联，各执行机构依次有序工作，且多数机构不断重复往复运动，所以对整个控制系统的要求比较高。可编程控制器（PLC）操作相对简单且具有较高的可靠性，被广泛应用于各种工业设备[11-13]，西门子公司的PLC具有较高的可靠性和扩展性，且具有丰富的通信指令，支持点对点接口协议，不仅可以上接工控机，而且可以对自动控制系统进行控制。PLC一般通过PC/PPI电缆与上位机进行通信，PC/PPI电缆可以方便地实现从PLC的通信接口（RS485）到上位机的通信接口（RS232）的变换。实验选用德国西门子的S7-200型PLC作为立式包装机的核心控制组件[14]。包装机的控制系统框图如图4所示。

选用S7-200型CPU226为PLC的主模块，选择EM235为扩展模块，此模块具有4个模拟输入（AIW）口，1个模拟输出（AQW）口，满足包装机工作需求，且其可以自动完成A/D的变换。
触摸屏选用昆仑通态的液晶显示屏，型号为TPC7062Ti，操作者可以通过触摸屏实现与包装机的人机交互，实时监测包装机状态，可以进行参数设定和修改，并装有MCGS组态软件[15]。
称重传感器选用日本MTO微型拉压力称重传感器，型号为LRS-890g，称重范围为0~890g，具有过载保护、稳定性高等特点。
温度传感器选用MINCO铂热电阻，其运用模式灵敏，精度高，温度测量范围为0~200℃，用于纵封与横封温度的检测。
2.2上位机界面设计
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）组态软件是一种能够快速构造和生成上位机监控系统的软件系统，被常用于工业控制领域及实时监测方面的计算机系统软件，此系统软件具有操作简便、功能性强、可维护性强的特点，可快速方便地采集现场数据，并进行处理。利用MCGS组态软件对颗粒包装机的上位机界面进行设计。
设备运行监控的主界面如图5所示。界面上方为手/自动切换、启动、停止3个按钮，用于模式切换或启停；下方为各部件的运行检测，可以实时检测各部分的运行状态，运行正常时显示灯为绿色，运行不正常或者检测不到信号时，显示灯为红色。

生产检测界面如图6所示。界面上方为称重质量、包装速度、横封温度等主要工作参数的实时检测，可以实时显示包装机的主要参数的数值。界面下方为生产界面、重量界面、温度界面等的切换按钮，触摸后可以进入相应的设置界面设置参数或检控设备状态，各个设置界面可设置质量、封切温度及包装长度等参数，可以为不同包装材料或不同包装质量的产品设置相应的参数。

实验结果
颗粒包装机性能的主要评估指标包括对物料的计量精度、包装质量以及包装速度等，而包装速度与包装质量又相互矛盾，速度太快会导致包装质量下降，要想提高质量必定会影响包装速度。
颗粒包装机样机如图7所示。经实验，包装机包装500g的袋装食盐，在90袋/min的包装速度下，合格率能达到99.6%，计量精度能够达到±0.2%，且性能稳定，满足使用要求。

4.结论
根据小颗粒物料包装的工艺要求，设计了一种高效的传动系统用于小颗粒包装机，介绍了其基本结构及工作流程，运用PLC为其主控模块，并对其控制系统进行了设计，运用MCGS组态软件对包装机的上位机界面做了设计。制作样机并实验得到，此包装机能够达到90袋/min的包装速度，合格率能达到99.6%，且操作方便，证明了此包装机能够满足高效高自动化的要求，满足设计要求。

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