包装袋的制袋充填封口包装机设计

包装袋的制袋充填封口包装机设计

本研究要紧包括粉粒制袋-充填-封口包装机的结构改进设计，并设计出试验装置，进行封口工艺参数的试验研究。在整机设计中，通过对包装机总体方案的分析，编制了工作循环图，确定要紧装置（供送、下料、成型、牵引、封切、传动）之间的相互配合关系；完成了粉粒制袋-充填-封口包装机的结构改进设计和理论分析及其要紧参数的确定；对横封装置进行了改进设计，提出适应包装袋长度可连续变化的翻领成型器，扩大了包装机的使用范畴，并进行了理论研究，本文的研究对其它袋装包装机械的设计和开发有着积极的指导意义。

利用设计的试验装置，进行包装材料的充填包装试验；并按照国家规定的试验条件，对包装袋的封口进行了拉伸试验、耐静压试验，对试验所得的数据进行了分析，试验结果讲明封口强度符合国家标准。并得到许用包装的封口温度范畴，扇形机构与平行机构包装封口强度与时刻、温度之间的关系和包装材料的最佳封口条件。本研究结果对包装材料的生产厂家、包装机械生产厂家、包装机械用户以及科研人员具有十分重要的意义。

关键词： 包装机；横封装置；机械传动

ABSTRACT

This study included the modified structure design of the forming filling sealing packaging machine, the finite element analysis and solid modeler. Besides, designed tester and tested sealing quality.

In the entire machine design, established working cycle and conformed work in relations of main fixtures(feeding ,forming, retractor, sealing, driving)through analysis of packaging machine overall plan; completed the modified structure design of the forming filling sealing packaging machine and conformed the main parameters. In this paper, designed the horizontal sealing fixtures and advanced new forming fixture which can adjust the packaging length and extended the useable range of the packaging machine and studied. At the same time, offered a method of parallel measure feeding and founded vibration feeding fixtures of oscillatory differential equation. This study can direct the design and exploitation of other bag packaging machine actively.

Using the tester carries on the package sealing test, the tensile test and the endure stress test that the tests were based on the national standards, experimented data and the results indicate sealing intensity conforms to the national standard. Through data analysis obtained the permits packing sealing temperature range and the relations of the sealing intensity of the horizontal fixtures and the vertical sealing fixtures ,time and temperature and the best packing material sealing condition.

Key words: Packaging machine ; Horizontal fixtures

目 录

包装袋的制袋充填封口包装机设计 ............................................... I 1引 言 ..................................................................... 1

1.1课题研究的目的和意义 ........................................................................................................................................................................ 1 1.2包装机械进展概述 ................................................................................................................................................................................ 2 1.3课题研究的要紧内容 ............................................................................................................................................................................ 3

2粉粒包装机总体方案设计 ..................................................... 5

2.1包装机工作原理及功能 ........................................................................................................................................................................ 5

2.1.1功能要求和适用范畴 ................................................................................................................................................................ 5 2.1.2工艺分析 .................................................................................................................................................................................... 6 2.1.3要紧构成及工作原理 ................................................................................................................................................................ 7 2.2设计方案及工作循环图编制 ................................................................................................................................................................ 9

2.2.1执行机构的动作配合 ................................................................................................................................................................ 9 2.2.2执行构件的行程时刻与速度 .................................................................................................................................................. 10 2.2.3绘制工作循环图 ...................................................................................................................................................................... 12

3包装机动力系统设计 ........................................................ 14

3.1传动系统设计 ...................................................................................................................................................................................... 14

3.1.1传动简图 .................................................................................................................................................................................. 14 3.1.2分配轴转速确定 ...................................................................................................................................................................... 16 3.2基于CAXA V5软件的有限元分析 ................................................................................................................................................... 16

4封口装置设计和改造 ........................................................ 20

4.1横封装置设计 ...................................................................................................................................................................................... 20

4.1.1横封装置设计 .......................................................................................................................................................................... 20 4.1.2横封装置的改进设计 .............................................................................................................................................................. 24 4.2凸轮的研究设计及其他零件的选用 .................................................................................................................................................. 26 4.3纵封装置 .............................................................................................................................................................................................. 31

4.3.1要紧构成 .................................................................................................................................................................................. 31 4.3.2凸轮的研究设计 ...................................................................................................................................................................... 32

5传送装置设计 .............................................................. 35

5.1供送装置设计 ...................................................................................................................................................................................... 35

5.1.1要紧构成 .................................................................................................................................................................................. 35 5.1.2供送装置的传袋补偿及自动定位........................................................................................................................................... 36 5.1.3卷筒材料的最大驱动力矩和驱动功率的研究 ....................................................................................................................... 36 5.2制袋成型装置 ...................................................................................................................................................................................... 38

5.2.1要紧类型及成型原理 .............................................................................................................................................................. 39 5.2.2翻领成型器的改进设计 .......................................................................................................................................................... 39 5.3传袋装置设计 ...................................................................................................................................................................................... 41 5.4供料装置 .............................................................................................................................................................................................. 44

结 论 ..................................................................... 46 致 谢 ..................................................................... 47 参考文献 ................................................................... 48

1引 言

1.1课题研究的目的和意义

随着社会的进展、生活水平的提高，专门是加入WTO后，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紧密相关的粉粒状物料，如生活日用品、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。这些物料假如用手工进行包装，其劳动强度大，速度慢，效益和质量差；而且粉粒状物料飞溅严峻，造成环境恶劣，污染严峻。同时，食品、药品类手工包装不能满足卫生要求。因此，需采纳粉粒自动包装机。

包装机械是现代包装工业的差不多设备，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，国民经济的进展，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。包装机械是使产品包装实现机械化、自动化的全然保证。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；爱护环境，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、统一、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，带来庞大的社会效益和经济效益。粉粒自动包装机被堪称为拥有漫长进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机械。据调查，现有粉粒制袋-充填-封口包装机存在以下咨询题：

1.包装精度;

2.包装速度低;

3.封口质量难以保证;

4.粉粒自动包装机的横封机构运动形式的不合理，将导致封口质量咨询题。

包装容器的封口，是包装工艺中不可缺少的工序。封口的好坏将直截了当阻碍包装产品的外观质量和保质期。因此，包装质量在专门大程度上取决于封口质量，因此封口机构的研究改进对提高封口质量有着重要的意义，本研究在整机研究的基础上，针对横封封口形式阻碍封口质量那个咨询题进行深入的研究。同时，通过一系列试验，研究总结出较为完整的工艺参数，对实际生产具有十分重要的现实意义。

1.2包装机械进展概述

从广义而言，现代包装机械的含义和领域专门广，包括各种自动化和半自动化的包装机械、运输包装机械、包装容器的加工机械、装潢印刷机械等。这些相互紧密联系的机械设备组成了现代化的包装机械体系。我国现在的包装机械分类的标准工作正在研究中，参考和借鉴国外的分类方法，结合我国的具体情形，现可分三大类：

1.包装材料制造机械。瓦楞纸板成型机、造纸机械、吹塑薄膜机、聚丙烯扁丝拉伸机。

2.包装容器制造机械。如制瓶、制罐机械，纸箱、纸盒、塑料容器加工机械等。

3.产品包装机械。充填、罐装、裹包、封口、捆扎、打包、装箱、装盒、收缩吸塑、真空和空气、贴标、计量等包装机械和各种多功能包装机械。

此外，还包括包装前期和后期工作过程的辅助机械，例如，清洗机械、灭菌、烘干、检测、选不分类、堆卸、输送连接和废物处理机械，以及各类连续作业的包装自动线。如一台万能多用途的卧式枕型包装机，从制袋成型，到充填、封口装箱是一连续的作业线。

我国通过参考国外同类型产品，进行消化、吸取及自行开发研制，技术上有了专门大的进展和提高。我国现有的粉粒制袋-充填-封口包装机应用广泛，可包装液体、糊状物料、粉状物料、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。计量范畴分为2g～10g、20g～50g、50g～100g、100g～250g、250g～500g、500g～1000g、1000g～2000g。通过PLC和PC操纵技术的不断推广和应用，使制袋-充填-封口包装机的自动化程度得到了专门大的提高。典型的粉粒制袋-充填-封口包装机的生产厂家所生产的包装机及其相关参数。北京大松惠基包装机械公司生产的立式粉粒制袋-充填-封口包装机，应用范畴比较广泛，适用于调味粉、奶粉、味精、食品添加剂、洗衣粉、粉末农药，包装袋属于中型袋，采纳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，又白费材料。广州铭科包装机械有限公司生产的包装机，横封装置采纳的是扇形开合的封口方式，只适用于小包装袋的包装，当包装袋的尺寸扩大后，其封口质量难以保证。

国外的粉粒制袋-充填-封口包装机生产采纳模块化设计思想，将计量装置、制袋成型器物输送、包装材料输供、热封装置等设计成多种标准模块。通过标准模块的合理组合，以适应不同物料特性、不同材料种类和不同包装容量的要求，促进了包装机械生产在一定范畴内实现标准化、通用化和系列化，突出了包装机械的专门功能。日本生产的NW-405型卧式枕型包装机的包装速度已达每小时1.5万包。美国差不多开发了再封式拉链袋，包装在开封后能够再封，以保持物品的鲜度。英国也开始采纳这种包装形式。

1.3课题研究的要紧内容

1.在调研的基础上，依照对几种不同类型粉粒制袋-充填-封口包装机的特点和总体方案的分析，将分析要紧工作机构（供送、下料、成型、牵引、封切、传动）之间的相互配合关系；完成对粉粒制袋-充填-封口包装机的结构改进设计和理论分析及其要紧参数的确定。并前言利用CAXA V5软件对关键部件进行有限元分析。

2.在设计过程中，突破传统的设计方法，将采纳虚拟样机设计技术，在设计运算的基础上，应用CAXA实体设计软件研究粉粒制袋-充填-封口包装机的整机实体建模、虚拟装配，完成数字样机；并对数字样机进行运动仿真，验证其是否满足设计要求。

3.利用设计的试验台，进行封口的包装试验，即包装袋的封口试验、拉伸试验、耐静压试验，得出许用包装的封口温度范畴，扇形机构与平行机构包装强度与时刻、温度之间的关系和包装材料的最佳封口条件。

2粉粒包装机总体方案设计

本文以粉粒制袋-充填-封口包装机为研究对象，第一对包装机进行改进设计，并为后续的三维建模研究提供必要的参数。在此基础上研究包装袋的封口强度和耐静压强度，获得温度、时刻和强度之间的参数关系及塑料薄膜的热封参数。通过对粉粒制袋-充填-封口包装机总体方案设计和整机的功艺分析，绘制出工作循环图，并分不对动力系统、传动系统和执行系统进行了设计。

2.1包装机工作原理及功能

按照功能要求，在对粉粒制袋-充填-封口包装机进行工艺分析基础上，设计编制工作循环图，使执行机构之间得到了紧密的配合。

2.1.1功能要求和适用范畴

1.功能要求

能够自动完成成型、计量、充填、封合及分切等工序，并解决现有几种包装机所存在的封口质量的咨询题，能够达到生产要求。包装机械是指完成全部或部分包装过程的机械。包装过程包括充填、裹包、封口、捆扎机等要紧包装工序，以及与其相关的前后工序，如开箱、洗瓶、堆垛和拆卸等。此外还包括在包装件上打印和计量等附属设备,见图2-1。

图2-1包装机差不多功能图

2.适用范畴

依照对市场包装机种类及性能的调查再结合现有样机的类型，本研究中包装机的适用范畴如下：

（1）包装材料：防潮玻璃纸、聚乙烯/尼龙、纸/聚乙烯、聚酯/铝箔/聚乙烯、聚酯/聚丙烯。

（2）包装物料：小颗粒物品及不易粘附的粉状物品的包装，如化肥、种子、麦片、砂糖、味精、豆粉、豆奶、芝麻糊、米粉、医药、化工原料、茶叶等。

（3）包装规格：包装袋长50～140mm；宽50～130mm；计量范畴5～50g。

（4）生产能力：50～80袋/分钟。

（5）整机功率：1.2KW。

2.1.2工艺分析

依照功能要求，粉粒制袋-充填-封口包装机的包装过程循环如图2-2所示。

1.工位

分为单工位和多工位。单工位包装机的所有包装操作都集中在一个工位上完成，当一件（组）物品完成全部包装并输出之后，下一件（组）物品才能进入机器开始包装。多工位包装机，物品从输入到输出，必须通过多个工位，而且在不同的工位上依次完成各个包装操作。由于粉粒制袋-充填-封口包装机的包装过程比较复杂，需要较多的执行机构（供料、计量、充填、封口、切断等），将包装操作

分散在不同的工位上同位。

图2-1包装过程循环图

2.运动形式

运动形式分为间歇运动和连续运动。间歇运歇步进运动，要紧包装操作可在物品静止时完成惯性力和冲击现象不利于提高生产率。连续运动装机进行工作时，各个执行机构是并行工作的，能减小机器空间。依照分析，本设计采纳间歇式。

3.单头型和多头型

特指连续运动多工位包装机完成同一包装操作的执行机构的数目。每一物品的包装操作都依次通过所有执行机构，则称为单头连续运动；若完成同一包装操作的执行机构有多个则称为多头连续运动多工位包装机。当执行机构种类较多时，为减少执行机构的数目，宜于选用单头型。综上分析，本课题研究的包装机采纳多工位、单头间歇运动型。

2.1.3要紧构成及工作原理

1.要紧构成

粉粒制袋-充填-封口包装机由动力系统（电机1）、传动系统（分配轴7、传袋轴）、执行系统（横封装置2、传袋装置3、纵封装置5、成型装置6、传送装置8、计量装置10、细供料装置11、粗供料装置12）和操纵系统组成。

2.工作原理

工作时，由供料装置11、12将物料（粉粒、颗粒等）送入粉粒制袋-充填-封口包装机的料仓后，计量装置10将完成定量的物料送入制袋成型装置6，同时包装材料经薄膜传送装置8引入成型器卷绕成筒状，纵封装置5完成纵向封口，横封装置2完成包装袋的顶封和下一个袋的底面封口，成为两道焊缝。由于下料通道被包装袋裹住，纵封封合后就可直截了当向袋内填充物料，随之由拉袋装置3移动一个工位完成顶封封口，并用切刀切断完成包装工序，见图2-3。

1-电机；2-横封装置；3-传袋装置；4-除静电装置；5-纵封装置

6-成型装置；7-分配轴；8-传送装置；9-薄膜；10-计量装置；

11-细供料装置；12-粗供料装置；

图2-2粉粒制袋-充填-封口包装机结构图

2.2设计方案及工作循环图编制

包装机的各执行机构运动是多样的，要使其能够自动可靠地完成包装操作，每个执行机构都必需按给定的规律运动，同时它们之间的动作必须和谐配合，按一定的程序依次完成。为了保证执行机构的动作能够按工作要求取得紧密的配合，并尽量缩短运动循环周期时刻，完成包装并提高生产率，因此要编制工作循环图。

2.2.1执行机构的动作配合

本机执行机构要紧为包装材料传送装置8，传袋装置3，计量装置10，封口装置2、5，见图2-2。

包装材料传送装置：间歇运动，卷筒包装材料，通过输送辊、压纸辊和牵引辊匀速输送一个包装袋的长度后，停止运动，现在充填、封口。传袋装置：间歇运动，当包装材料传送装置输送一个袋长后，由滚轮传送包装材料下移一个袋距，然后停止运动。

计量装置：连续运动，送料后，粗计量与细计量同步工作，在包装材料完成封口时，物料充填完全。

封口装置：间歇运动，包装材料与物料输送时，在开状态停止，完成一个袋的输送后，封口装置

匀速运动完成封口，在封口期间有停留时刻，包装袋切断后，匀速运动回到原位。各执行构件间动作应该相互和谐，运动时刻尽量重叠，便于缩短运动周期，提高生产率。

2.2.2执行构件的行程时刻与速度

关于各个包装操作的工艺时刻及许用速度、加速度，当前还缺少确切数据。依照多年来的实践体会，一样认为这种间歇送纸的许用速度可取0.5m／s，而执行构件的平均运动速度可达0.45-0.5m／s；假如速度过高，机器工作不够稳固，容易出故障，包装质量也下降。现

参照这些体会数据来确定执行构件的运动速度和时刻。在包装机中，关于具体的执行机构来讲，完成一个包装件的全部工作运动和空程运动（包括停止）的时刻是该执行机构的运动循环周期，简称运动周期简称Td。

通常包括三部分组成：

Td = Ts + Tx + Tp

Ts—工作运动时刻,

Tx—空程运动时刻，

Tp—停止时刻。

本研究以分配轴7旋转一圈作为运动周期。依照本机的适用范畴和要求，生产能力为50～80袋/分，袋长为50～140mm。

1.分配轴

当生产能力为50袋/分时，旋转一圈的工作时刻为60/50=1.2s；当生产能力为80/分粉粒制袋-充填-封口包装机的设计时，旋转一圈的工作时刻为60/80=0.75s。

2.薄膜传送装置

间歇传送，工作时作匀速运动，传送速度为O.5m／s，则当薄膜前进50mm时，需时刻为0.05/0.5=0.1s；当薄膜前进140mm时，需要时刻为0.14/0.5=0.28s。

3.拉袋装置

间歇旋转运动，取运动平均速度为0.5m/s，则当滚轮转动周长50mm时，需要时刻为0.05/0.5=0.1s；当滚轮转动周长140mm时，需要时刻为0.14/0.5=0.28s；传袋轴工作时，离合器通电，因此需要时刻为0.1s～0.28s；制动器通电时刻就为分配轴旋转时刻与离合器通电之差为0.65s～0.92s。

4.计量装置

连续运动，物料在计量料斗的行程为130mm，从计量料斗内开始下料到封口处的行程为370mm，靠重力向下填充，则

12gt2

st2s20.130.16sg10

t2s20.370.16sg10

考虑到下料过程中受到摩擦，因此物料在称重时期的流淌时刻为0.2s，充填时期的流淌时刻为0.3s。

5.封口装置

进行封口运动时，行程为35mm，速度为0.15m/s，需要时刻是0.035/0.15=0.23s。

2.2.3绘制工作循环图

依照初步拟定的运动规律和动作配合，绘制工作循环图。关于机械传动，要将执行构件运动与时刻的关系转换为与分配轴转角的关系。本研究选取直角坐标式运动循环图,取水平轴表示一个运动循环周期，将各个执行机构在此周期内的运动状况分不表示出来。在该图中用直线表示运动的执行机构，用水平直线表示静止或连续匀速转动及振动。

如图2-3所示，由于粉粒制袋-充填-封口包装机的分配轴是连续转动的，因此其运动周期是分配轴旋转一圈的时刻。表示了在一个运动循环周期1.2s内，袋长为140mm时，各个执行机构的运动规律和工作程序。将各个执行机构运动的时刻转换成分配轴所对应的旋转角度。计量装置，称重斗下料需分配轴旋转60°（0.2s），进行称重需时分配轴旋转90°；打开料斗进行充填下料需分配轴旋转90°(0.3s),关上料斗需分配轴旋转90°。在计量装置下完料后，对应分配轴旋转了180°，要包装封口装置已进行封合。横封装置和纵封装置的运动是同步的，其进程需分配轴旋转70°，封口时刻为分配轴旋转130°，回程时刻也为70°。横封装置进行封口时分配轴旋转了160°，在160°～290°时，进行封合工作，在290°时，完成切断工作。拉袋装置，在横封装置完成切断后，进行拉袋动作，需分配轴旋转84°（袋长140mm），即290°～374°。包装材料供送，工作时刻需分配轴旋转84°，要在拉袋装置工作之前动作，因此工作时刻为206°～290°。

图2-3工作循环图

3包装机动力系统设计

动力系统采纳电动机驱动。通过类比调查法，确定本包装机选择JY2B-4单相异步电动机。其额定功率为0.55KW，额定转速为1400R/MIN，电压为220V，最大转矩为3.75Nm。

3.1传动系统设计

传动系统将电动机提供的动力，通过分配轴，传给拉袋装置、热封装置等。依照包装工艺和工作循环过程可知，要紧装置的传动要求如下：

1.物料的充填周期与包装袋的尺寸相适应。充填周期要求满足最大包装袋尺寸，下料时，物料的充填速度要与供送材料的速度一致。

2.保证包装袋被切断时，物料充填进行下一个周期。

3.横封装置应在两袋之间的中间位置热封并切断。要适当调整运动周期，以符合包装袋粉粒制袋-充填-封口包装机的设计尺寸和计量的改变。

4.包装材料的牵引辊和传袋装置滚轮的运动要保证材料在整个工作循环过程中有适宜的张紧力，同时运动速度要与包装袋的长度相适应。依照上述要求进行设计传动方案，并采纳CAXA v5软件对分配轴进行有限元分析。

3.1.1传动简图

如图3-1所示为分配轴传动图，电动机1经带传动至蜗轮蜗杆减速器2，减速器通过分配轴8将动力输出。分配轴上装有横封凸轮3、4，驱动传袋轴偏心盘5，纵封凸轮6、7，偏心盘5还驱动传袋装置9间歇转动。

1-电动机2-减速器3、4-横封凸轮5-偏心盘

6、7-纵封凸轮8-分配轴9-传袋装置

3-1分配轴传动图

1-电磁制动器2-电磁离合器3-大齿轮

4、5-传袋轮6-小齿轮7-传动轴

3-2传袋轴传动图

如图3-2所示为传袋轴传动图，传袋轴7通过分配轴上的偏心盘5驱动，通过离合

器1和制动器2操纵，传袋轴上装有齿轮3，齿轮3与齿轮4啮合，带动传袋滚轮5运动。

3.1.2分配轴转速确定

要求包装机的生产能力是50～80袋/分钟，因此确定分配轴8的转速可在50～80 r/min

的范畴内作无级调解。电动机转速为:1400r/min，则总的传动比i为”：

i = 1400/(50～80)＝17.5～28

因而，电动机至分配轴的降速比应能在17.5～28的范畴内无级调剂。为此采纳两级降速，

3.2基于CAXA V5软件的有限元分析

由于工作时，分配轴在输出动力的同时，驱动横封、纵封装置及传袋等传动部件的运动，

因此要对分配轴进行强度分析。故本文基于CAXA V5软件对分配轴进行了有限元强度分析。在工程设计中，有限元法可分析零部件的强度、刚度及其动态特性，预知所设计的零部

件是否满足要求。分配轴的受力分析如图3-3所示。

图3-3受力图

分析步骤如图3-4所示。

图3-3有限元分析步骤

图3-4模型图

选定分配轴的材料为45号钢，调质处理。对分配轴进行单元划分、施加约束和载荷见，由于包装机械所受载荷为轻载荷，因此忽略带轮对轴的阻碍；然后进行求解运算；当求解终止后，进行后处理过程，得到分析结果，位移图见图3-5。

位移图

主应力图见图3-6，图3-7，图3-8和图3-9所示。

图3-6σ1主应力图

图3-7σ2 主应力图

图3-8σ3主应力图

图3-9σ4 主应力图

依照结果图f）等效应力云图可知，E点为危险截面处，有σMAX＝7.335≤[σ]＝160MPa满足强度条件，因此分配轴符合设计要求。依照位移图，可知最大变形量为0.008237mm，包装材料的厚度一样为0.05～0.08mm，因此，在工作时，该变形可不能阻碍到封口装置完成封口的功能

4封口装置设计和改造

4.1横封装置设计

4.1.1横封装置设计

执行系统是包装机实现制袋、充填、封口功能的关键，由横封装置2与纵封装置5、供料装置11、12、计量装置10、供送装置8、制袋装置6、传袋装置3等构成。本节将完成执行系统中横封装置、计量装置、制袋装置的改进设计及其他装置的理论研究。

横封装置是粉粒制袋-充填-封口包装机中最重要的机构。横封装置的作用是利用加热元件配合相应的运动从而实现包装袋的横向（顶部或底部）封口。包装的封口是包装工艺中不可缺少的工序。封口的好坏将直截了当阻碍包装产品的外观质量和保质期。因此，包装质量在专门大程度上取决于封口质量。因此，横封装置的改进设计是更为重要的。

1.驱动形式

常用的横封机构有气动式、机械式和机械气缸组合式3种。气动式需要两个以上专门的气缸和供气系统；机械气缸组合式是经多个典型的机构（如多杆组合机构、曲柄滑块机构、凸轮摆杆机构或曲柄摆杆机构等）与气缸组合而成，由于气动元件成本高，同时中、小型厂家没有气源的条件和一些药品的包装需要在无菌、无尘的条件下生产，压缩空气的排放阻碍产品质量。常用的机械式横封机构是多杆机构或成组的齿轮摆杆机构，存在结构复杂、制造安装调试较困难以及工作可靠性偏低等咨询题。

本设计采纳凸轮摆杆式间歇横封装置，该装置是在广泛吸取各种间歇横封机构优点的基础上，进行结构简化后得到的一种创新机构。

2.封口形式

横封机构封口形式有以下几种:

（1）热压式采纳加热加压的方式进行包装封口。

1）热板式加压封合该封口方式结构简单，封合速度快，适用于聚乙烯类薄膜，但对遇热易收缩或易分解的聚丙烯及聚氯乙烯薄膜不适用，见图4-1。

1-热板 2-焊缝 3-薄膜 4-耐热橡胶 5-承担台

图4-1热板加热封合示意图

2）热辊式加压封合由于热辊式加热能连续工作，因此生产率较高，可用于复合薄膜的袋成型。适用于枕式包装机，见图4-2。

1-热辊2-薄膜3-焊缝

图4-2热辊式加压封合示意图

3）环带式热压封合该封合方式能连续工作，效率高，封口质量好，但结构较复杂，适用于易热变形的塑料薄膜及复合材料的封口，见图4-3。

1-钢带 2-薄膜 3-加热部件 4-冷却部件 5-焊缝

图4-3环带式热压封合示意图

4）脉冲加热封合该方法的特点是封口质量高，适于易受热变形、易受热分解的薄膜，但冷却时刻长，封合速度较慢，见图4-4

。

1-压板2-电热丝3-薄膜4-焊缝5-耐热橡胶6-承担台

图4-4电热丝熔断封合示意图

5）高频加热封合由因此内部加热，中心温度高，薄膜表面可不能被过热，所得封口强度

高，要紧适用于聚氯乙烯类感应阻抗大的薄膜材料，不适用于低阻抗薄膜，见图4-5。

1-压板2-电热丝3-防粘材料 4-焊缝 5-薄膜 6-耐热橡胶 7-承担台

图4-5脉冲加热封合示意图

6）电热丝熔断封合这种封口没有较宽的封合带，封口强度低，适用于气密性要求不高的包装袋封口，见图4-6。

1-压头2-高频电极3-焊缝4-薄膜5-承担台

图4-6高频加热封合

（2）熔焊式封口机构采纳非接触方式加热，使包装材料熔合而封闭包装容器。要紧用于封合较厚包装材料，以及采纳其他热封方法难以封合的材料，如聚酯、聚烯烃和无纺布等。

1）热板熔融封合焊缝强度大，适用于热收缩膜，见图4-7。

1-薄膜2-冷却板3-加热板4-焊缝5-焊缝断面形状

图4-7热板熔融封合示意图

2）超声波熔焊封合封口质量好，不污染环境，包装内物料不受热，专门适用于聚酯、铝箔复合膜以及易受热变形的厚塑料材料，见图4-8。

1-焊缝2-薄膜3-支承台4-超声波发生器

图4-8超声波熔焊封合示意图

通过上述分析，考虑粉粒制袋-充填-封口包装机乙烯、聚酯/铝箔/聚乙烯、聚酯/聚丙烯等材料，所一样用铝塑复合材料。

4.1.2横封装置的改进设计

传统的中袋横封装置运动形式是其左、右热封式，使包装袋封口部位热封时刻不同，导致热封边封口处灼化或强度不够的现象，阻碍封口质量。压穿透的孔或裂纹，其产生缘故是热封压力太大。在

平行，造成局部压力过大，常常会压穿一些较为脆为提高封口质量和包装速度，将横封装置的开合形式改进成为平行形式如图4-9所示。

1-热封块2-支架1-热封块2-支架

图4-9横封封口形式

横封装置要紧由热封块5、摆臂12、平行导轨机构、切断刀6组成，如图4-10所示。采纳平行四连杆机构实现横封装置的平行开合运动，由共轭凸轮驱动摆臂12，摆臂绕旋转轴10摆动，并通过球型铰链9与热封支架8相连。热封块5通过封块轴4、调压弹簧7与热封支架装配。热封支架通过导套2与平行导轨作相对运动。

1-支架2-导套3-导杆4-封块轴5-热封块6-切断刀7-调压弹簧8-热封支架

9-球型铰链10-旋转轴11-机架12-摆臂13-复位弹簧14-滚轮

图4-10横封装置装配图

工作时，横封装置由分配轴驱动，分配轴上的共轭凸轮操纵装置的开合运动，通过摆臂12、旋转轴10、球形铰链9、传动热封支架8在导轨上做平行往复运动。当左右两热封块5接触后，热封支架开始压缩调压弹簧7，产生热封压力。切断刀6与热封支架通过螺栓呈刚性连接，热封支架在平行内导轨上运动压缩调压弹簧时，刀与热封块作相对运动，完成切袋粉粒制袋-充填-封口包装机的设计工作，横封装置的工作流程见图4-11。

图4-11横封装置工作流程图

4.2凸轮的研究设计及其他零件的选用

横封装置的凸轮是保证在规定的时刻内完成封合的关键，凸轮在分配轴的驱动下，每旋转一周，完成一个包装袋的封口。图4-12是凸轮运动规律图，结合图3-1工作循环图分析，当凸轮处于近休止时（0-90°），横封装置处于外极限位置；凸轮推程时（90-160°），横封装置进行合运动；凸轮处于远休止时（160-290°），横封装置处于封口状态；凸轮回程时（290-360°），横封装置完成开运动，完成一次封口。

图4-12横封凸轮的运动规律示意图

依照横封装置各结构尺寸和运动规律设计凸轮的轮廓曲线。图3-22为横封装置机构图，依照结构设计，摆臂A1B1 C1绕固定铰链B1点摆动，∠A1 B1 C1=160°，A1 B1 =260mm，B1 C1 =180mm，球形铰链在此转换为杆C1D1 =50mm，杆D E是横封支架和热封D1 E1 =145mm。当横封装置处于内极限位置A1B1C1D1E1时，凸轮处于远休止状态，现在，凸的外轮廓曲线最大半径R1 =A1O =106.6mm。

依照运动规律，作出横封装置开运动时的简图，即外极限位置A2B2C2D2E2，其步骤为：

（1）已知热封块的行程为35mm，因此D E偏离轴线35mm。

（2）以D2为圆心，C2D2为半径作圆；以B2为圆心，B2 C2为半径作圆。两圆的交点为C2点。

（3）∠A2B2C2 = ∠A1B1C1 = 160°，能够确定点A2的位置。

现在，凸轮处于近休止状态，因此，凸轮的基圆半径为OA2，测量得出OA2 =61.6mm依照横封系统的技术要求，为低速轻载，因此选择滚子从动件盘形凸轮机构。

滚子半径 r =16mm

最大轮廓曲线半径为 R1 = 106.6 - 16 = 90.6mm

基圆半径为R0 = 61.6 - 16 = 45.6 mm

凸轮行程h = R1– R2 = 90.6 - 45.6 = 45mm

推程位移

回程位移

式中0——推程运动角，0=70°；

‘‘0——回程运动角，0=70°；

s——远休止角，s= 130°；

''ss——近休止角， = 130°；

依照表4-1，能够作出凸轮的轮廓曲线，如图4-13和4-14所示。

表4-1凸轮转角对应的行程

2.其他零件的选用

（1）切断装置

选用如图2-15所示的锯齿刀切断装置。锯齿刀固定装在左热封块中间，在右热封块的对应部位则开有一道凹槽。热封时，锯齿刀穿透薄膜插入凹槽，使上下两袋切断分离。该锯齿刀的齿距为3-6mm，齿尖角为60°，每个齿的齿侧均磨成刃口。

图4-13横封装置机构简图

图4-14横封凸轮的轮廓曲线图

（2）调压弹簧

选择弹簧的材料为60 Si2MnA，弹簧钢丝直径d =3.5mm，弹簧中径D =22mm，节距t =7.3mm，工作极限负荷Pmax =409N。

（3）热封加热管

将电阻丝装入金属管或石英管中，内添氧化镁高绝缘、高导热性能填料，端部留出引出棒后封口，制成密封式电热元件，这种电热元件工作寿命长，安全性能较好，如图4-15。选用单向接线，材质上采纳无缝不锈钢管。直径d =10mm，长度L =150mm，额定电压U =110V，额定功率P =0.1KW。

1-左热封块2-切断刀3-右热封块

图4-15切断刀示意图

1-电线2-密封件3-氧化镁粉末4-电阻丝5-金属管

图4-16电热管示意图

4.3纵封装置

纵封装置采纳凸轮摆杆式间歇运动形式，其封口运动采纳扇形开合。

4.3.1要紧构成

纵封装置要紧由热封块1、摆臂5、热封支架2和旋转轴4组成，摆臂和热封支架由螺栓刚性连接。该装置由分配轴驱动，分配轴上的凸轮操纵装置的开合运动，凸轮驱动摆臂，由热封块支架带动热封块做扇形开合运动，如图4-17所示。

1-热封块2-热封支架3-机架4-旋转轴5-摆臂6-复位弹簧7-滚轮

图4-17纵封装置装配图

4.3.2凸轮的研究设计

设计方法与横封凸轮相同，其机构简图如图4-17所示，表4-2求得轮廓曲线如图4-18所示。

表4-2凸轮转角对应的行程

图4-17纵封装置机构简图

图4-18纵封装置机构简图

5传送装置设计

5.1供送装置设计

供送装置是粉粒制袋-充填-封口包装机的重要组件，其工作是否可靠，直截了当阻碍制袋及包装产品的质量。供送装置要紧完成将包装材料送入成型器制袋，同时要保证包装袋供送及时，在封切时图案完整等功能。现代包装机械大多采纳卷筒材料，与预先裁切好的平张材料相比，卷筒材料更适宜于包装机的连续化、高速化和自动化。卷筒材料的供送方式，有间歇供送和连续供送两种。按照切断位置，有定长切断和定位切断。定长切断，适用于没有印刷图案的(如玻璃纸、铝箔等)或虽有图案但不要定位的(如一样的糖果包装商标纸)卷筒材料。随着商品包装装潢水平和要求的提高，往往在卷筒材料上预先印刷精美图案，要求在供送切断过程中始终保持图案完整，并使图案与物品保持准确的相对位置。这就要求只能在指定的位置切断，即定位切断。依照包装材料的选择和整机的结构，本研究采纳间歇式定长切断供送方式。

5.1.1要紧构成

供料装置由侧板和各种辊轴构成，包括：调压辊轴3、牵引辊轴4、放膜辊轴5、过渡辊轴6和调位辊轴7。机构简图如图5-1所示。

1-卷筒材料2-光电传感器3-调压辊轴4-牵引辊轴5-放膜辊轴6-过渡辊轴

7-调位辊轴8-传感器9-电机、减速器10-侧架

图5-1供送装置示意图

5.1.2供送装置的传袋补偿及自动定位

在粉粒制袋-充填-封口包装机中，材料供送装置容易显现包装材料跑偏、供送时显现时紧时松而且抖动，包装袋在切断时不能保证完整的图案等现象。这是由于包装材料在供送过程中受力不均，输送过程中阻力较大致使包装材料产生弹性拉伸变形等缘故造成的。为了解决上述咨询题，包装机要具有传袋补偿功能和自动定位功能。

补偿方式有后退补偿式，前进补偿式和随机补偿式。前两种方式只能实现单方向补偿。当卷筒材料的印刷色标间距的误差较大，或每次牵引长度不能得到精确保证时，单方向的补偿就不太适用。随机补偿，则能自动检测牵引长度的偏长(色标超前)或偏短(色标滞后)，随机地完成后退或前进补偿。

本研究中采纳随机补偿式。用光电传感器与电磁制动离合器配合进行光标位置补偿。无张力送包装材料机构是采纳电机、传感器（接近开关）、齿轮减速器、卷筒、辊轴等组成，它们之间是靠包装材料连接的，当拉袋轮工作时，包装材料就会产生一牵引力，使包装材料带动放膜辊轴5向上运动，包装材料只受重力作用而张紧完成输纸运动。当放膜辊轴到一定高度时，电机收到传感器发出的电信号，驱动牵引辊轴4开始送膜，当放膜辊轴5接触传感器8后，电机收到信号停止工作。开机前，要让包装材料上的商标图案与各执行机构的位置相互对应，调剂光电传感器2使其对准包装材料上的色标。

5.1.3卷筒材料的最大驱动力矩和驱动功率的研究

在供送过程中，牵引辊是作瞬停的变速运动，为简化分析取平均供送速度来进行研究。

（1）卷筒材料展开长度

式中R——卷筒材料半径（m）；

r0——卷筒材料内极限半径（m）；

δ——材料厚度（m）。

（2）转动惯量

式中g——重力加速度（m/s2）；

ρ——单位长度卷筒材料重(N/m)。

（3）角速度

式中υp——卷筒材料平均供送速度(m/s)。

（4）平均角加速度

式中R0——卷筒材料的外极限半径(m)；

L0——卷筒材料的初始总长（m)。

设卷筒的传动效率为η0，将R0代入上式，可得卷筒材料的最大转动惯量J0，因此最大驱动力矩为

式中JZ——支承构件的转动惯量(kg.m2)

取，则相应的最大驱动功率为

通过上述分析，可知在供送的过程中牵引辊的转矩和功率差不多上随着卷筒材料的直径逐步缩小而下降的。

5.2制袋成型装置

制袋成型器是使塑料薄膜材料卷折成各种袋型的专用装置，对包装的形式、尺寸、产品质量等均

有直截了当阻碍。通过对制袋成型器的改进使其能够适应不同包装材料的宽度。

5.2.1要紧类型及成型原理

常用的制袋成型器有翻领成型器、象鼻成型器、三角板成型器、u形板成型器和缺口导板成型器五种，其中，三角板式成型器的形状最简单，而翻领成形器的形状最复杂且最具理论特色，其设计与制造也相当苦恼。但由于翻领成型器的结构尺寸紧凑，充填操作方便，都优于其它四种成型器，因而在包装机中被广泛的采纳。

翻领成型器由外表面为领状而内表面为管形的内、外工作曲面组合而成。薄膜沿翻领外表面翻折并沿管内壁下降。当其强制通过该成型器后，其纵缝相互搭接或对接而形成筒状。由于一只成型器只适用一种袋宽，当袋宽变化时则需另行更换。

5.2.2翻领成型器的改进设计

本研究在翻领成型器的基础上进行了改进，使其适合袋宽的变化。薄膜通过成型器时，应要求不产生纵向与横向位变形，使成袋的外形平坦美观，符合制袋要求。因此，在设计成型器时，不但要考虑形状和尺寸，更要紧在于确定其领口交接曲线。

图5-2改进后的翻领成型器几何图形

图5-3领口曲线在x噢y平面上的投影

那个地点将翻领成型器的圆形下料管改为U型下料管，如图5-4所示。参照翻领成型器的本原理与方法进行设计，令PT =f，CT ′=e。确定P点坐标、T点坐标、其各参数如图5-5所示。

P点坐标：

同理，可得T点的坐标，在此不再复述。

设计时，确定U型料管的周长πr +2l，夹角θ，翻领三角平面的后倾角α及其半顶角β，领口交接曲线的最大高度h，则可求出e值。再利用方程组运算出与每一段弧长u对应的在交接曲线上的各点的高度ψ(u)，就能够连成领口交接曲线。

5.3传袋装置设计

传袋装置的要紧作用是完成包装袋的牵引功能。

1.功能要求

从包装工艺方面考虑，传袋装置具有以下功能：

（1）能够准确地，按预定长度牵引包装材料；

（2）能在一定范畴内灵活调剂所需的包装袋长度；

（3）依照生产能力和包装材料的变化，能操纵适当的牵引速度。

2.传袋装置的设计

依照上述要求，进行本研究的传袋装置设计。现有传袋装置大多数采纳多级齿轮传动，传动动作专门复杂，而且有的需要与横封机构或者纵封机构相结合才能实现。传袋装置的形式有滚轮式牵引装置图5-4、夹板式牵引装置图5-5、真空吸头式牵引装置图5-6，摩擦带式牵引装置图5-7。

1-锥辊齿形带微调无级变速器 2-牵引辊 3-纵封辊

图5-4传袋装置示意图-滚轮式牵引

1-包装袋夹持气缸2-横封气缸3-包装袋牵引气缸

图5-5传袋装置示意图-夹板牵引式

1-包装袋牵引气缸2-真空吸头板3-横封气缸4-纵封装置

图5-6传袋装置示意图-吸头牵引式

1-纵封装置2-摩擦带3-横封装置

图5-7传袋装置示意图-摩擦带牵引式

依照总体布局和传袋成效，本研究选择滚轮式的牵引方式。传动简图如图5-9中所示。用偏心盘和摆杆机构提供给整个传袋机构动力。偏心盘是核心零件，用来调剂包装袋的长度，按照图5-10所示的方向调剂。当电磁离合器2通电时，电磁制动器1断电，现在偏心盘8推动摆杆驱动传袋轴3运动从而带动齿轮机构4、5，进而带动传袋滚轮6向下输送包装袋；当电磁制动器1通电，电磁离合器2断电时，传袋轴3在弹簧力的作用下复位完成一次包装。设计中，增加离合器7，要紧作用是当进行整机调试时使传袋滚轮6处于离合位置停止输送包装袋，节约包装材料，并提高整机的经济性，见图5-10。其工作流程图见图5-11。

1-摆杆2-偏心盘3-分配轴

图5-9调剂袋长示意图

1-电磁制动器2-电磁离合器3-传袋轴4-大齿轮5-小齿轮6-传袋滚轮7-离合器

图5-10 传袋机构示意图

图5-11传袋装置的流程图

5.4供料装置

供料装置是粉粒制袋-充填-封口包装机中不可缺少的组成部分，是整个机器的“咽喉”，完成物料的供送功能。其结构、工作性能的好坏，对提高成品质量、生产效率和自动化水平粉粒制袋-充填-封口包装机的设计起着重要作用。自动包装的供送对象一样是包装物料、包装容器和包装材料（板片、卷带等）。

粉粒制袋-充填-封口包装机的供料装置有两种形式：

（1）简单的料斗型，靠物料自身的重力进行供料充填，适合粘湿性较小的粉料和颗粒物料，如奶粉、味精、砂糖、咖啡、茶叶、药丸、片剂等。关于较粘稠性的物料，常常发生物料粘结在一起，不易落料的现象。

（2）电磁振动供料，是利用电磁振动的简谐变化动力作用于使料槽获得简谐振动，使

物料沿料槽作有规律的运动，其特点是效率高，结构简单，送料稳固可靠，安装调试方便，改善了一些附着性强的物料的流淌性，解决了较粘稠物料的供料咨询题。本研究采纳在贮料槽下方串联配置三台槽式电磁振动供料器，作为连续供料和计量的供料装置，分不完成粗供料和细供料，见图5-12。

1-铁芯线圈2-铁衔3-料槽4-主振板弹簧5-底座6-隔振橡胶弹簧

图5-12槽式电磁振动供料装置示意图

结 论

本文全面论述了粉粒制袋-充填-封口包装机的改进设计，过程以CAXA实体设计软件为开发工具，对包装机三维造型设计和动态仿真进行了有益的研究；应用CAXA V5软件对分配轴进行有限元强度分析，通过试验研究论证了改进设计的可行性，得到以下结论。本研究给出了本机的改进设计原理和方法，将横封装置的封口形式改进为平行形式封口比原有扇形形式封口提高了封口强度，改进了外观质量。

改进了翻领成型器的结构，扩大了翻领成型器的适用范畴。塑料薄膜的热封参数对薄膜生产厂家、包装机械生产厂家、包装机械用户以及科研人员都有着十分重要的意义。热封装置的设计，缺少理论基础，其热封参数差不多上依照体会而定的，因此对塑料薄膜的热封过程进行试验研究是专门必要的。但由于试验条件有限，只是完成了封口压强为0.17MPa时的封口强度的研究，封口压力对封口强度的阻碍，还有待进一步研究。

致 谢

本文是在老师们的精心指导下完成的，在完成之际，向精心指导我的老师们致以衷心的感谢。在论文的撰写过程中，也得到了许多同学的无私关心和支持。在此，向他们表示感谢。我还要感谢我的家人，是他们无私的爱以及支持，才能使我有今天的一切，我会好好报答他们。

最后，衷心的感谢各位专家和老师在百忙之际对本文的批阅。

参考文献

[1]

陈勇.虚拟样机的仿真过程及其建模技术研究[D].南京理工大学.2002:4～9.

[2] 董彤.基于UG的小型凹版印刷试验机的设计[D].西安理工大学.2005:49～52.

[3] 高德,黄德臣,刘树林.制袋成型器运算机辅助设计[J].包装与食品机械. 1997,15(1)：1～3.

[4] 何卫锋.高速接缝式自动包装机的设计和开发[D].广东工业大学. 2004:7～63.

[5] 23.

呼英俊,刘志平,孙立达.全自动制袋包装机计量装置的方案设计[J].轻工机械. 2002(2):19～

[6] 黄志刚.运算机仿真技术在包装机械设计制造中的应用[J].包装工程. 2002(3)：67～69.

[7] 梁燕飞,梁旦宇.包装机横封机构平稳咨询题的研究[J].包装工程. 2000(2)：28～31.

[8] 林凤云,田恬生.单片微机定位补偿操纵系统的研究[J].机械与电子2002(3):15～16.

[9] 刘云霞,周春国,杨军良.多功能枕型包装机光电自动定位系统分析[J].包装与食品机械.

2000(2)：8～11.

[10] 陆佳平.螺旋式定量包装的研究[J].包装工程. 2002(6)：29～32.

[11] 宁鹏.管道清灰机器人结构设计及运动学仿真[D].兰州理工大学2004:30～48.

[12] 彭国勋，陈满儒.中国包装产业进展研究[J].包装工程. 2002(6)：1～3.

[13] 齐真，邓雪莲.送纸机构的研究[J].现代机械. 2002(2):92～93.

[14] 沈海宁. CATIA V5的建模技巧.青海大学学报. 2004, (5)：75～77.

[15] 孙聪慧,张荣.包装机中常热式薄膜热封过程的仿真研究[J].包装工程. 2002(5)：131～134.

[16] [17] 35.

[18] [19] [20] [21] 21.

[22] 宋晓华.机械压力机运动学仿真分析和虚拟样机研究[D].浙江工业大学. 2005:12～19.

陶云堂.SVZ2500A型自动包装机传动原理及运动分析[J].包装与食品机械.1997(4)：31～王亚辉.塑料食品包装材料的新进展[J].中国包装. 2003(3):～91.

王知行.机械原理.高等教育出版社[M].第1版. 2000:97～172.

伍冬生.翻领成型器交接曲线研究的现状与进展[J].包装工程. 1999 (3)：45～46.

项新建,郑春水.多功能枕式包装机自动定位操纵系统的研究[J].电工技术杂志. 2001(8)19～熊焕云.虚拟现实技术在灌装生产线设计中的应用研究[D].广东工业大学. 2003:1～10.