环轨覆膜机包装膜放膜系统设计

韩占华，金丽琼，李小仨

（合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

空气中所含的氧气、水蒸汽、灰尘等物质，通过物理、化学或生物反应，使得产品氧化、变质，生产出的产品需要与大气环境隔离，才能得以良好的保存［1-2］。环轨式覆膜机实现了放膜、缠绕、覆膜、切膜的自动化和智能化，满足现代化生产线大批量的连续生产要求，一系列包装机、联动机、输送机、检测装置、储存装置等组合起来的自动化包装生产线完成包装作业［3］。

放膜设备为环轨式覆膜机的主要装置，配合环轨式覆膜机的圆周、上下运动，自动完成薄膜的覆盖、缠绕［4-5］。其主要应用在为外形规则的圆柱形产品（如铜卷、大桶奶粉、大桶化工品等）表面覆盖薄膜的生产线或装配线上，防止氧化，隔绝灰尘，确保产品清洁，不被污染［6］。

1 系统组成

放膜系统主要有放膜机构、传动带轮、放膜电机、电磁离合器、变频器，接近传感器和控制箱等构成，如图1-2所示。具备自动放膜、调整速度，自动启动、停止等功能，是环轨覆膜机的主要组成部分。

1.1 放膜机构

（1）驱动单元，包括放膜变频器、变频电机。放膜变频器的信号输入端与张力监测单元的距离传感器信号输出端相连，输出信号驱动变频电机。变频电机通过传动机构与送膜单元相连。传动机构包括设在电机输出端的同步带轮、同步带以及与同步带轮同轴设置的小齿轮和与小齿轮啮合的大齿轮。

（2）送膜单元，包括轴向平行设置的过渡辊、送膜辊筒、张紧辊。送膜辊筒通过上轴承和下轴承固定在机架的底座与平台之间；变频电机通过同步带带动与同步带轮同轴设置的送膜辊筒转动；送膜辊筒通过小齿轮带动与大齿轮同轴设置的另一送膜辊筒转动，大齿轮与送膜辊筒之间通过电磁离合器实现连通或松开。

（3）张力监测单元，包括设在送膜单元中间部分的凸轮以及在凸轮邻近处设置的距离传感器。距离传感器输出与放膜变频器信号输入连接。张紧辊通过支杆固定在凸轮中心，在凸轮中心还通过连接杆固定有放膜气弹簧，放膜气弹簧通过凸轮配合张紧辊做相应运动。距离传感器、凸轮、张紧辊、放膜气弹簧对放膜系统的张力进行检测，使其始终保持膜张力的稳定。

凸轮呈椭圆形状。没有放膜时，放膜气弹簧处于最大伸展状态，距离传感器离凸轮位置最远；开始放膜后，膜被拉紧，相应拉动张紧辊，放膜气弹簧随张紧辊的移动被压缩，凸轮旋转，离距离传感器更接近。

当凸轮和距离传感器的距离到设定值时，距离传感器的输出信号传输至放膜变频器，变频器将距离信号转换为频率输出信号启动变频电机。电磁离合器得电，使放膜单元中送膜辊筒带动膜跟随变频电机运行。

1.2 存膜机构

存膜机构包括存膜辊筒、缠绕膜和对缠绕膜进行顶压的压紧单元。缠绕膜放置在存膜辊筒上。

压紧单元由缠绕膜沿轴向进行压紧的第一压紧单元、对缠绕膜沿径向进行压紧的第二压紧单元组成。

第一压紧单元包括将缠绕膜固定在存膜辊筒上的膜卷上、下压头。膜卷上、下压头均通过轴承安装固定。第一压紧单元通过调节旋钮，移动齿轮带动齿条沿导向套调整调节轴的高度，以调节膜卷的压紧力。

第二压紧单元包括依次顺连的刹车板、转轴和存膜气弹簧。存膜气弹簧一端通过转轴与刹车板连接，另一端固定，通过转轴顶紧刹车板上的刹车片，以径向压紧缠绕膜。

图1 放膜系统装置图（正视）Fig.1 Device picture of film releasing system（front view）

2 工作原理

如图2，首先打开刹车板，把缠绕膜放置在存膜辊筒上，通过膜卷上、下压头压紧，调节旋钮移动齿轮，带动齿条通过导向套调整调节轴的高度，来调节膜卷的压紧力；然后合上刹车板，存膜气弹簧通过转轴顶紧刹车片，从而径向压紧缠绕膜。膜通过轴向平行设置的过渡辊、送膜辊筒、张紧辊依次送至夹膜棒处。

图2 放膜系统装置图（俯视）Fig.2 Device picture of film releasing system（Top view）

未开始放膜时，放膜气弹簧处于最大伸展状态，距离传感器离凸轮位置最远。变频电机、电磁离合器均处于失电状态。

开始放膜后，变频电机带动放膜机构，膜被拉紧，拉动张紧辊，放膜气弹簧被压缩、凸轮旋转。此时膜处于自由拉动状态，变频电机、电磁离合器仍处于失电状态。

膜被越拉越紧，张紧辊在以凸轮中心为圆心，以支杆为半径的圆周轨道上继续移动。放膜气弹簧再次被压缩，凸轮继续旋转，离距离传感器更接近，直至凸轮和距离传感器的距离到设定值。

放膜变频器判断距离信号，并输出频率信号启动变频电机。变频电机驱动同步带轮，通过同步带带动次级同步带轮及送膜辊筒转动。由于电磁离合器得电后，大齿轮与送膜辊筒连通，送膜辊筒通过小齿轮带动大齿轮及次级送膜辊筒转动。因此送膜辊筒、次级送膜辊筒也跟随变频电机带动膜运行。

存膜辊筒、送膜辊筒主动送膜后，膜的张力减小，在放膜气弹簧作用下，张紧辊以凸轮为中心沿圆周方向往初始位置移动，凸轮和距离传感器之间的距离变大，放膜变频器判别接受到距离传感器信号后，频率降低，控制变频电机速度降低。

在后续持续放膜的过程中，通过调整距离传感器信号与频率之间的关系，可以让膜始终保持一定的张力，使膜既不被拉紧也不至于松散。

3 控制流程

需要覆膜的产品输送至指定位置后，环轨覆膜机的放膜系统单元自动下降至产品中间覆膜位置，然后环绕覆膜机轨道做圆周运动，绕膜开始。夹膜装置（固定位置不动）随绕膜的圈数自动打开、关闭，释放薄膜被夹的前端。

在初始放膜过程，薄膜拉动送膜单元中固定在凸轮中心的张紧辊，带动连接杆的放膜气弹簧，此时张紧辊与放膜气弹簧被薄膜柔性自由拉伸［7］。薄膜拉力进一步变大时，放膜气弹簧带动凸轮转动，距离传感器检测距离信号输出至放膜变频器。

放膜变频器输出启动变频电机。同时电磁离合器吸合得电后，送膜辊筒B就由变频电机驱动，而不是在膜带动的拉力下自由运行，保证放膜的稳定性。

放膜变频器根据反映膜张力的距离参数调整控制变频电机的转速，从而控制放膜速率。放膜过程中，当放膜气弹簧随张紧辊压缩时，其对膜有与出膜方向相反的作用力，防止张紧辊的进一步顺移，使处于自由拉动状态下的膜不被拉断。

放膜速率的自动调整与放膜气弹簧的柔性自由拉伸，可以让膜始终保持一定的张力，在自动化程度较高的前提下提高放膜的可靠性。

绕膜、放膜完成后，放膜机构回转到水平初始位置，夹膜装置打开夹住薄膜，装置上的加热丝加热切断薄膜与膜卷的连接。放膜机构升起到垂直初始位置，同时缠绕完膜的产品被输送去往覆膜区域外的安全区域。

4 结语

覆膜是包装行业很重要的生产环节， 依靠人工难以快速有效地进行操作。环轨覆膜机是为冶金、化工、食品等行业包装大型产品专门研制的专用设备，包装膜放膜系统利用机械、气动、电气等技术，有效地解决覆膜机放膜的准确度低、速度慢、效率低等问题。系统结构紧凑、自动化程度高，使得环轨覆膜机操作使用方便，极大减少人工干预，降低劳动强度，提高生产效率［8-10］。