枕式包装机旋转往复式横封器设计

（哈尔滨商业大学，哈尔滨 150028）

0 引言

随着经济发展、消费结构和消费形式的升级，包装机械产量逐年上升，包装机械种类逐渐增加，适合不同细分领域的包装机械层出不穷。我国包装机械行业加强自主创新与技术集成，技术水平得到快速发展，已成为世界包装机械制造大国，但与美国、德国、日本等国际先进水平相比，我国包装机械的包装质量、包装速度、包装精度等方面整体上依然落后，包装机械从“中国制造”转变为“中国智造”刻不容缓［1］。

枕式袋包装机广泛应用在食品、日化等行业，目前日本、德国的枕式包装机生产速度已达到1 000袋/min，而国内产品仅能达到500～600袋/min。为提高枕式包装机的技术水平，国内研究人员在机构创新与优化、电子控制、可靠性等方面开展研究。横封切断器是影响包装质量与包装速度的主要因素，开展包装执行机构的创新设计与优化，可有效提高包装机性能［2-4］。优化设计供料装置，可提高包装物料与包装薄膜供送的稳定性［5-6］。基于智能控制器和伺服系统可保证包装执行机构各轴运动的准确性，在此基础上采用主从同步控制、相邻交叉耦合控制、神经网络控制等多轴同步控制算法，可提升多轴同步控制的准确性［7-9］。

对五连包方便面、面包等厚度较大的块状物品，常规的旋转式、往复式端封器，存在封口质量、封口速度方面的缺陷。论文面向包装行业的实际需求，研发适合厚度较大块状物品枕式包装的旋转往复移动式横封机构及高性能的封口部件，具有很强的工程应用背景。

1 加厚枕式包装袋封口工艺

枕式包装袋的袋型及大小选择取决于被包装物料、体积、包装材料、制袋封口方法及使用要求。对厚度较小的扁平块状物品，如方便面、香皂、蚊香等，一般选用图1（a）所示的扁平枕式袋，采用常规的旋转式或往复式横封器，实现枕式包装袋的横封。对于较厚的块状物品，如五连包方便面、手抽纸、面包等，其厚度一般超过60 mm，如采用旋转式横封器，封口处容易出现褶皱现象，影响包装质量与包装速度，如采用往复式横封器，则封口速度较慢。

图1 三边封口的枕式包装袋型Fig.1 Pillow type packaging bag with three-side seals

由于袋型较厚，加厚枕式包装袋的端封封口部分区域要进行双层封口，如图1（b）所示包装袋要先折膜操作。确定加厚块状物品的封口工艺如图2所示：（1）旋转的纵封辊相向旋转，将已充填物料的筒状包装薄膜端缝封口，移送到横封工位；（2）前、后折膜机构同时相向动作，在横封工位将包装筒的前后折膜，形成包装袋的两层叠封；（3）上封口切断机构、下封口机构相向动作，完成枕式包装袋的横封切断，包装成品输出。

图2 加厚枕式包装袋封口工艺原理Fig.2 Sealing process diagram of thickened pillow type packaging bag

2 旋转往复式横封器组成原理

基于加厚枕式包装袋封口工艺，结合旋转式和往复式横封器的特点，设计一种新型的旋转往复复合式横封器，如图3所示。由图可看出，上、下热封器在做旋转运动的过程中，封口器端面总是处于平行状态，使得这种横封器可同时具有旋转和往复两种运动过程，实现一种近似D型的运动轨迹。利用运动轨迹的AB直线部分，可以实现较长的热封时间；上、下封头可以采用热封板、实现板式面接触的热封，因此，横封器具有较好的封合质量，能以较高速度完成具有一定厚度的塑料膜的包装，但结构复杂、成本较高［10］。

图3 旋转往复式横封器原理Fig.3 Schematic diagram of rotary-reciprocating horizontal sealer

面向方便面五连包等大块块状物品包装应用的枕式包装机模型如图4所示，包装机主要由供料部件、供膜部件、成型器、纵封部件、横封部件、整理输送部件、成品输出部件以及电控系统等组成，实现块状包装物的自动制袋、充填、封口等包装工序。

枕式包装机旋转往复式横封器如5所示，主要由进料部件、横封器组件、折膜机构、成品输出部件等组成。经纵封部件完成中缝封接的包装袋，通过进料部件皮带输送，进入横封工位；横封器组件与前折膜机构、后折膜机构协同动作，完成包装袋横封封口；成品输出部件将包装成品输出。

由图3可看出，横封器组件从A到B进行包装袋横封热封接，封接行程较长，带来两个缺陷：（1）增大包装袋横向封口尺寸，包装袋的无效袋长加大，影响美观性，浪费包装材料；（2）加大横封执行机构的尺寸与重量，增大成本，降低包装速度。

为解决上述问题，在设计端封进料组件和成品输出部件时，设计了专用的随动机构，如图5、图6所示。进料部件进料平带的主动带轮F1和从动带轮F4固定在基座上，带轮F2、F3安装在进料连接板上，沟槽进料凸轮也安装在进料连接板上。安装在下热封器上的杆端轴承按沟槽进料凸轮的轮廓轨迹运动，驱使带轮F2、带轮F3作相应的平动动作，在保证进料平带长度不变的情况下，使得包装袋及内含包装物与横封机构保持适当位置，实现包装袋横封的稳定封接。

图6 横封部件机构简化模型Fig.6 Simplified model of horizontal sealing mechanism

成品输出部件同理设计，保证包装袋横封的稳定封接和包装成品的快速脱离与输出。

3 横封器主要执行部件

3.1 横封器组件

横封器组件模型如图7所示，机构简化模型如图8所示，主要由上热封器、下热封器、直线导轨、传动齿轮组、端封基座等组成。为提高包装袋横封封口的刚度、封接速度和运动同步性，横封器采用前后对称布置的形式，在前端封座和后端封座上安装同配置的传动机构与执行机构。

图7 端封器组件模型Fig.7 End sealer assembly model

图8 端封器组件机构简化模型Fig.8 Simplified model of end sealer assembly mechanism

传动机构采用标准圆柱齿轮，齿轮模数为2、齿数为50齿。为消除传动间隙、提高传动精度，上热封器的传动齿轮设计为双齿轮，通过机械锁调整齿轮传动的传动间隙，提高横封器的运动平稳性和前后齿轮传动的同步性。

上封口沟槽凸轮、下封口沟槽凸轮集成设计在一个零件上，分别固定安装在前端封座和后端封座上。直线导轨固定安装在下刀体上，导轨滑块安装在上刀体上。上刀体、下刀体的两端对称安装一对杆端轴承。

为简化机构设计，将包装袋切断装置与横封器进行集成设计。切断装置采用气缸驱动，安装在上热封器上，随上热封器一起平动。当下热封器往复移动到图3所示的A点时，切断气缸开始动作，驱动安装在上热封器内的切刀动作，在下热封器到达B点之前，将包装袋切断。

横封器工作时，输入同步带轮将驱动电机提供的旋转运动，顺序地通过传动齿轮组，驱动上、下回转腕作转速相等、方向相反的等速旋转，安装在上、下刀体上的杆端轴承，分别在上、下封口沟槽凸轮作跟随运动。直线导轨安装在下刀体上，导轨滑块安装在下刀体上，结构限制原因，使得上刀体、下刀体只能分别按上热封器运动轨迹、下热封器运动轨迹进行复合的往复平动，带动上、下封口器也作相应的复合往复平动，实现包装袋端缝的热封接与切断。

3.2 横封进料部件

进料部件图9所示，主要由进料皮带、进料沟槽凸轮、导轨、输入链轮、移动连接板等组成。从动带轮F4安装在平带固定托板上，与中封部件的位置保持不动。移动连接板安装在直线导轨的滑块上，移动带轮F2、F3安装在移动连接板上，进料沟槽凸轮也安装在移动连接板上。刀体连接板安装在下刀体上，连接板另一端安装的滚轮轴承装配在进料沟槽凸轮的内轮廓。

图9 横封进料部件Fig.9 Feeding component of horizontal sealer

主动带轮F1将输入链轮的转速转换成平带的等速运动，通过移动带轮F2和F3、从动带轮F4，支撑平带平稳运动。下回转腕在主传动的驱动下等速旋转，由于机构限制，驱动下刀体沿运动轨迹作复合往复平动。再通过进料沟槽凸轮的作用，驱动移动带轮F2和F3随下刀体一起运动，在保证进料平带长度不变的情况下，实现包装袋端封的稳定热封接。

3.3 成品输出部件

成品输出部件如图10所示，主要由出料皮带、输出沟槽凸轮、导轨、进料基座等组成。从动带轮B4安装在平带固定托板上，位置保持不动。移动连接板安装在直线导轨的滑块上，移动带轮B2、B3安装在移动连接板上，进料沟槽凸轮也安装在移动连接板上。刀体连接板安装在下刀体上，连接板另一端安装的滚轮轴承装配在输出沟槽凸轮的内轮廓。

图10 成品输出部件Fig.10 Finished product output component

主动带轮B1将输入带轮的转速转换成平带的等速运动，通过移动带轮B2和B3、从动带轮B4，支撑平带平稳运动。下回转腕在主传动的驱动下等速旋转，由于机构限制，驱动下刀体沿运动轨迹作复合往复平动。再通过输出沟槽凸轮的作用，驱动移动带轮B2和B3随下刀体一起运动，在保证进料平带长度不变的情况下，实现已横封、切断的包装袋快速脱离端封位置，平稳输出包装成品。

3.4 包装袋折膜机构

包装袋折膜机构如图11所示，包括前折膜机构、后折摸机构，单端折膜机构主要由折膜凸轮、折膜板、折膜动平台、折膜连杆、横向导轨等组成。

图11 单端包装袋折膜机构Fig.11 Film folding mechanism for single-end packaging bag

横向直线导轨安装在基座上，折膜板安装在折膜动平台上，折膜动平台一端安装在横向直线导轨的滑块上，另一端与成品输出部件的皮带移动托板连接。下刀体作复合的往复移动，通过出料沟槽凸轮机构，驱动皮带移动托板跟随下热封器作往复平动，相应的驱动折膜板跟随下热封器及包装袋作往复平动。同时，折膜凸轮旋转，通过滚轮轴承、折膜连杆机构，驱动折膜动平台沿横向导轨作往复的折膜动作。两种动作协调运动，实现包装膜端封之前的自动折膜动作。

4 横封器工作循环图

包装机需通过多个机构的协同动作，实现枕式包装袋的进料、折膜、横封、切断以及成品输出。基于前述工艺分析与执行部件的设计，完成横封器执行机构的工作循环图设计，如图12所示。横封机构采用上、下封口沟槽凸轮，通过回转腕曲柄、滑块等机构，实现上热封器、下热封器的往复平动封口动作。包装袋切断机构采用切断气缸，通过电控系统的PLC，控制电控阀的开断，实现包装袋端缝的实时切断。横封进料、成品输出通过传动链输入运动，输出速度不变。进料移动皮带轮的往复移动控制，通过安装在下热封器上的进料沟槽凸轮机构实现。成品输出皮带轮的往复移动控制，通过安装在下热封器上的输出沟槽凸轮机构实现。前、后折膜机构的控制，通过安装在上热封器支撑轴上的前、后折膜凸轮及折膜连杆机构实现。

图12 横封器执行机构工作循环Fig.12 Working cycle diagram of horizontal sealer actuator

5 结语

论文分析了常规旋转式、往复式横封器存在的不足，基于面向较厚块状物品封口工艺的分析与设计，设计了旋转往复式横封器及进料部件、横封器组件、折膜机构、成品输出部件等主要执行部件。基于包装袋横封封口工艺，设计了横封器执行机构工作循环图，通过凸轮、连杆、齿轮、链轮等机构，实现枕式包装袋端缝横向封口的协同控制。