袋装螺蛳粉自动化包装生产线设计

杨新新，林贤坤，冷臻

（广西科技大学机械与汽车工程学院，广西 柳州 545000）

0 引言

目前，各大厂家在生产袋装螺蛳粉时，通常采用自动化设备与人工合作模式，具体方式是自动化设备将螺蛳粉料包包装成单个成品后，由人工将料包装入包装袋中，随后送入包装机中。在自动化+人工的模式中，人工环节占比较大，因此由于人工操作的局限性，可能导致生产成本较高、生产效率较低[1-2]。为减少人工环节在袋装螺蛳粉生产中所占的比重，设计了袋装螺蛳粉自动化包装生产线，该生产线包含4个子系统[3]，分别为干米粉包分拣系统、腐竹包分拣系统、料包分拣系统与包装系统。干米粉包分拣机可实现干米粉包的自动上料、分拣、送料等环节。腐竹包分拣机可实现腐竹包的自动上料、分拣、送料等环节。料包分拣系统是采用切包机阵列实现料包的分拣与送料。包装系统是采用真空包装机实现袋装螺蛳粉料包的包装环节[4]。

1 自动化包装生产线概述

1.1 干米粉包分拣机结构

干米粉包分拣机可实现干米粉包自动化上料、分拣等环节。该设备设计送料速度为50 包/min，干米粉包分拣机结构如图1所示。

图1 干米粉包分拣机结构图

干米粉包分拣机共有4个装置组成，分别为干米粉包提升机、干米粉包收口机构、干米粉包去重叠机构和真空吸摆臂。

1）干米粉包提升机。图2所示为干米粉包提升机结构图，干米粉包提升机主要实现的功能是将干米粉包运送到干米粉包分拣机的主传送带上。传送带材质为PVC材质，PVC材质可以减少传送带自重，减少电动机负载，使得传送效率变高。干米粉包提升机的料仓设计为斗型，宽约55 cm，长约35 cm，深度约为38 cm。干米粉包的规格约为14 cm×7 cm×4 cm。该干米粉包料仓设计容量为80包。

图2 干米粉包提升机结构图

干米粉包提升机选用减速电动机作为驱动电动机，型号为5GU20K，减速比为1:20。传送带共有18个挡板，在正常工况下每分钟能将65包干米粉运送到干米粉包分拣机的主传送带上。

2）干米粉包收口机构。如图3所示，收口机构主要由主传送带、侧向传送带、挡板和收口机构组成。其工作流程如下：干米粉包分拣机将干米粉包运送到主传送带上，此时干米粉包的姿态不能满足后续环节要求，收口机构将干米粉包姿态调整为单列多层，并运送到去重叠环节，侧向传送带设置的目的是给干米粉包侧向力，使得干米粉包按预期通过收口机构，同时防止干米粉包阻塞在收口机构处。图4所示为收口机构，该机构用于实现干米粉包的姿态调整。

图3 干米粉包收口机构结构图

图4 收口机构

3）干米粉包去重叠机构。图5所示为干米粉包去重叠机构，去重叠机构由传送带、掉料仓和去重叠块组成。该机构能将干米粉包姿态调整至单列且单层，去重叠机构通过以下方式实现去重叠效果：a.利用收口机构与去重叠机构主传送带速度差实现去重叠效果；b.利用摆臂实现干米粉包的去重叠效果，掉料仓可以收集被摆臂击落的干米粉包；c.将去重叠块容许通过高度设置成仅能通过单包干米粉包。

图5 去重叠机构

4）真空吸摆臂。图6所示为真空吸摆臂结构示意图，真空吸摆臂用于实现干米粉包的送料。当干米粉包到达真空吸摆臂时，末端传送带停止，阻料气缸动作，挡板伸出将干米粉包阻挡在预设位置。真空吸摆臂在接收到送料指令时将干米粉包运送到传送带的料盒中。

图6 真空吸摆臂结构图

1.2 腐竹包分拣机结构

图7所示为腐竹包分拣机结构图，腐竹包分拣机主要由腐竹包料仓、阶梯传送带、往复机构、料传送带、高度限位板、触摸屏、真空喷气口和真空吸摆臂组成。

图7 腐竹包分拣机结构图

腐竹包分拣机流程如下：阶梯传送带启动，将料仓中腐竹包运送到往复机构上，往复机构光电检测到到料信号后，往复机构启动将腐竹包运送到料传送带上，料传送终端设置有光电开关，该开关用于检测腐竹包姿态，若腐竹包姿态错误，则电磁阀动作，喷气口吹气将腐竹包吹落至料仓中，姿态正确的腐竹包会被运送到传送带末端，当传送带末端的光电开关检测到到料信号后，阻料气缸伸出，料传送带停止，真空吸摆臂等待包装传送带信号，当检测到送料信号后，真空吸摆臂动作，将腐竹包运送到包装传送带的料盒中。

图8所示为往复机构结构图，该机构主要由1个固定板和2个活动板，以及驱动电动机组成。该机构主要用于将腐竹包从料仓中运送到料传送带。

图8 往复机构结构图

往复机构工作流程如下：当光电开关检测到到料信号后，往复机构开始动作，推料板1上升并将腐竹包从料仓中运送到固定板处，此时推料板2处在高位，与固定板形成一个临时储料区，随着电动机继续动作，临时储料区的腐竹包掉落到推料板2上，腐竹包由推料板2运送到料传送带上。

图9所示为真空吸摆臂，设置在传送带末端，用于腐竹包送料，当腐竹包运送到传送带末端时，光电开关检测到到料信号，电磁阀动作，阻料气缸伸出，待收到送料指令后，真空吸摆臂动作，将腐竹包运送到包装传送带料盒中。

图9 真空吸摆臂结构图

1.3 切包机阵列与包装机

袋装螺蛳粉共有8种料包，分别为米粉包、腐竹包、辣椒油包、酸醋包、汤料包、花生包、酸笋包、酸豆角木耳包。其中米粉包和腐竹包由于尺寸较大，且制作工艺中有充气环节，较难制作成连包并使用切包机送料，因此设计专用的米粉包分拣机和腐竹包分拣机。剩余6种料包可采用连包切包投料的方式进行分拣与送料。

图10所示是生产线切包机阵列的示意图，切包机阵列送料的工作流程是：切包机光电开关检测到包装传送带后，会进行切包和投料动作，在生产线调试环节仅需要根据各料包袋长进行参数调整即可完成切包机调试。

图10 切包机阵列示意图

图11所示为包装机结构图，该包装机为外购，包装系统包含包装机本体和包装传送带。其中包装机本体用于实现包装工序，包装传送带由包装机控制，用于向各环节发送送料信号。

图11 包装机结构图

2 自动化包装生产线硬件设计

自动化包装生产线主控制器选用PLC，PLC是工业控制的核心控制器，具有较高的抗干扰性、较好的稳定性且编程较为简单等特点[5-6]。

图12所示为干米粉包分拣机的硬件组成。干米粉包分拣机输入组件包括按键开关、光电传感器。输出组件由1个气缸、2个减速电动机、2个变频器、1个伺服电动机等组成。调速电动机1用于2段传送带，调速电动机2用于3段传送带；减速电动机1用于干米粉包提升机，减速电动机2用于收口机构传送带。PLC型号选用三菱FX3U-32MT，该型号是三菱公司生产的小型PLC[7-8]。

图12 干米粉包硬件组成图

图13所示为腐竹包硬件组成，输入组件包括光电开关、物理按键、磁性开关和编码器。输出组件包括伺服驱动器和伺服电动机、变频器和调速电动机、电磁阀和气缸、指示灯。

图13 腐竹包分拣机硬件组成图

伺服驱动器和伺服电动机用于控制和驱动真空吸摆臂，变频器和调速电动机用于控制腐竹包料仓阶梯传送带、往复机构和料传送带。电磁阀用于控制气缸动作、吹气口动作和真空吸吸盘动作。

腐竹包分拣机PLC 选用西门子生产的S7-200，CPU 型 号 为224XP，扩 展 模 块 为EM223CN DC/RELAY I/O[9]。

3 生产线控制系统设计

3.1 生产线整体流程

螺蛳粉自动化包装生产线流程如图14所示，在系统启动后，会进行各系统自检，若自检通过则启动干米粉包分拣机、腐竹包分拣机、切包机和包装机，若失败则报警并请求工作人员处理故障。干米粉包分拣机、腐竹包分拣机、切包机动作逻辑是通过光电开关检测包装传送带设置的挡板，当挡板通过光电开关位置，各机构动作并进行送料。

图14 生产线整体流程图

3.2 干米粉包分拣机控制流程

图15为干米粉包分拣机控制流程图，干米粉包分拣系统控制程序主要由以下功能组成：1）系统初始化；2）变频器控制；3）伺服电动机控制；4）故障检测；5）自动控制程序；6）手动控制程序。

图15 干米粉包控制系统流程图

在干米粉包收口机构设置有光电开关，若此光电开关长时间没有检测到信号，则干米粉包分拣机停止并发出缺料警报，待工作人员处理故障后继续运行，若此光电开关长时间处于接通信号，此时会判断为收口机构阻塞，干米粉包提升机会停止动作，发出警报并请求工作人员处理。

在干米粉包分拣机控制程序中，若干米粉包长时间处在传送带末端的送料位，且未收到送料信号时，各段传送带将停止送料，待接收到送料信号后继续动作。

3.3 腐竹包分拣机控制流程

腐竹包控制程序共有1个主程序、7个子程序。子程序分别为理料、摆臂动作、报警、输出、初始化、数据处理和送料[10]。主程序用于调用各个子程序，子程序用于实现腐竹包上料、姿态调整、真空吸摆臂送料等过程的控制。图16所示为腐竹包控制系统流程图，其控制流程是腐竹包通过阶梯传送带运送到往复机构，往复机构将腐竹包运送到料传送带上，在料传送带中段设置光电开关，用于检测腐竹包姿态，仅姿态正确的腐竹包可通过，若姿态错误则吹气口将腐竹包吹落。当运送到传送带末端送料位时，料传送带停止，待送料完成后料传送带继续动作。

图16 腐竹包分拣系统控制流程图

3.4 包装机与切包机控制流程

本生产线中切包机与包装机均为外购，因此在生产线控制系统设计过程中仅需对相应参数进行修改即可。

切包机参数修改原则为：将切包机内置的屏蔽长度参数设置为待切包料长度的一半即可实现投料，并将切包机的工作模式由单机模式切换为联机模式。

包装机参数修改项为每分钟包装量和袋长等参数。

4 实物搭建与实验测试

实物搭建主要进行机械结构连接、电气控制柜搭建和电路连接，气动回路连接。图17所示为干米粉包分拣系统电气控制柜。图18为腐竹包分拣机电气控制柜。

图17 干米粉包分拣机电气控制柜

图18 腐竹包分拣机电气控制柜

为测试袋装螺蛳粉自动化包装生产线的生产效率与各系统的峰值产能。进行了如下试验：1）干米粉包分拣机送料速度测试；2）腐竹包分拣机送料速度测试；3）切包机送料速度测试；4）整体试验。

测试结果如下：由于在实际测试中，真空吸摆臂动作效率总是落后于干米粉包送料效率，因此干米粉包分拣机送料效率取决于真空吸摆臂的动作周期，调整真空吸摆臂送料周期。实验方案如下：每组实验采用30包干米粉包进行测试，测试时采用人工干涉保证干米粉包供应正常，通过调整干米粉包控制程序改变摆臂动作周期。得出以下数据：在动作周期小于1.33 s时，真空吸摆臂送料存在失败情况。分析失败原因主要是真空吸嘴的吸力不足，当速度较快时，摆臂产生的冲击较大，真空吸附不能有效地吸住干米粉包。因此摆臂周期不宜过小，当摆臂周期不小于1.33 s时，真空吸嘴产生的吸力能对抗摆臂停止产生的冲击。

通过计算可以得到，干米粉包理论送料效率为45 包/min，在实际生产环节可能存在干米粉包分拣不及时的情况，因此在实际生产环节送料效率约为40 包/min。

腐竹包送料速度测试方法与干米粉包测试方法一致，测试数据如表2所示，通过测试可以看出，腐竹包送料与干米粉包送料存在相同的情况，即在速度较快时成功率较低，通过分析可知，在摆臂速度较快时，真空吸嘴不能有效地将腐竹包吸住。具体原因如下：真空吸嘴不能完整地按照预定效果吸住，即存在因包装袋凹凸不平，不能完全发挥吸盘吸力；真空吸嘴的吸力在周期较短时不能抵挡摆臂的冲击。通过测试，以1.34 s为摆臂周期既拥有较高的效率，也拥有较高的成功率。因此通过计算可得腐竹包分拣机理论送料量为44 包/min，考虑到在实际生产环节可能存在分拣不及时的情况，因此，腐竹包分拣机送料效率约为40 包/min。

表1 干米粉包分拣机测试数据

表2 腐竹包分拣机测试数据

切包机送料速度测试方法为在调试完成后，测试单包模式下切包速率，通过测试切包机每分钟送料达80包，远高于干米粉包分拣机和腐竹包分拣机。

生产线整体实验，本生产线的生产节拍由包装机控制，具体控制方法为在包装机内嵌的触摸屏上设置生产效率，该效率会改变包装传送带的速度，进而改变生产效率。通过测试，在包装机生产效率设置为24 包/min时，包装成功率较高，若将包装速度调整至28 包/min时，包装机会由于空气压缩机的供气效率问题，不能达到包装机的最低工作气压，因此24 包/min的生产效率为包装机的最佳工作效率。

5 结语

本文设计了一条袋装螺蛳粉自动化包装生产线，该生产线采用模块化设计，实现了袋装螺蛳粉生产过程的自动上料、分拣、包装等。大大降低了自动化+人工模式中的人工环节占比，降低了生产成本，提高了生产效率。