包装机械的自动化未来

包装机械在我国发展脚步迅猛。近年来,除了医药、食品行业对其需求攀升外,行业内自动化需求也在不断上升。对此,Romain Binand详细研究了高性能制袋机器背后的核心技术和自动化解决方案。

在当今竞争十分激烈的制袋工业领域,全球业务正面临着空前的剧变。制造商、原料供应商和机器生产商(OEMs)都受到了客户需求、全球化、产业联合、技术创新、安全要求、政府法规和更低价格需求不断变化带来的影响。

包袋制造商必须在每个生产流程都达成最大生产率,同时又要保证生产的包袋符合客户规范和整体质量标准。

根据所包装产品或终端用户产业需求的不同,包/袋的材质、形状、大小和设计各异。通常餐饮、制药和消费品行业以包装固体、液体产品为主。

根据所制包袋类型的不同,制袋机器的配置各异。通过将一卷塑料膜送入热封、裁剪、梳理等一系列操作流程,制袋机便能生产出塑料袋。塑料膜通常为柔软且能热封的塑料。

制袋机可与柔印机、分条机或薄膜挤塑机等上游机器结合,也能与立式成型填充密封机等下游机器结合一体,形成一条完整的包装线。

制袋是一种复杂的工艺。任何流程中出现一点差错或不当,都会威胁到包装袋结构的完整性。

问题大多出现在制造过程中,如今的新闻中频频曝出产品不合格报告。

通过将控制、信息和有限产能计划整合一体,制造商一系列的作业流程便能形成流水线。通过作业可见度、追踪性和控制度的提升,实现大幅节省资金、增加产量和利润的目的。

而机器生产商面临的挑战是,他们必须对全球竞争和飞速演变的技术进行明确区分。制袋所需机器应集高产出、可靠性、产品质量和低廉的人力与维护成本等特点于一身。机器本身也应高度灵活,从而能够适应各种包袋长度、材质和复杂的设计。

制袋机概述

制袋机生产的包/袋广泛用于包装餐饮、制药和消费品行业的各类产品。此类机器通常高度自动化,仅需操作员补充生产原料和拿取成品。通常制袋机的主要功能为送料、密封、裁剪和堆叠。

送料部位,卷筒送料机松开卷筒上柔软的包装膜,将其送入机器中按要求步骤作业。送料通常为间歇性作业,密封和裁剪等作业都在送料停止后才开始进行。采用张力调节系统来保持塑料膜网的恒定张力。送料时需要送料机和调节器来保持张力和重要的准确性。

密封部位,温度控制的密封元件与薄膜接触一段特定的时间后便能对材料进行良好密封。密封温度和时间视材料种类而定,且在机器不同运转速度下都应保持该恒定温度。包袋设计的密封方式决定了机器模式和密封元件配置。许多机器模式中,密封都与裁剪同时进行,且这两种工序都在送料停止时才开始。

裁剪和堆叠作业与密封类似,一般也在机器送料停止的工作周期内完成。同样,裁剪和堆叠也决定了理想的机器模式。

除上述基本功能外,根据包袋设计也能进行装拉链、打孔、冲孔、防窃启密封、喷射、加盖等作业。主机上的配件即用于附加操作。

制袋机的各道工序

1. 松卷

该工序负责在保持张力的同时,以卷轴的形式将薄膜松开并送入机器中。在特定机器中,松卷部位是一条静态芯滚(未通电),可采用气闸或摩擦闸来控制松卷动作和提供适宜的膜片张力。其他机器的松卷芯滚则需要变频器(VFD)、伺服控制或DC齿轮电机形式的控制。它既可以是表面驱动也可以是中心驱动配置。

松卷部位常具备双芯滚、卷筒提棍等卷轴更换功能。该部位也包括膜片张力控制和/或张力调整片。张力调整片能提供速度反馈(模拟或离散),从而松开控制电路和膜片储料区域,达到各种制袋目的。

2. 张力调整片

膜网的连续运动变更为间歇运动时,张力调整片维持张力不变。依靠张力调整片维持张力对制袋机的功能有着十分重要的影响,它是膜网送料准确度的决定性因素。张力调整片带有两组滚轴,一组为固定式,另一组为活动式。膜网从固定或活动的滚轴组中经过。采用线性弹簧、气动或伺服系统来限制活动滚轴组的运动,帮助维持所需张力。采用线性转换器、电位计或电容传感器来提供滚轴组的定位反馈。

3. 边缘位置控制(ePc)

EPC在制袋过程中起到保持膜网边缘位置的作用。机器生产商向第三方购买EPC,并将其整合入自身机器中。张力调整片维持的膜网张力是EPC发挥最佳性能的决定因素。根据第三方制造商的差异,EPC具备水平或垂直两种格式。它通常带有一个探测膜网边缘的特殊传感器和调整膜网位置的机制。某些机器上的这种机制通过适当调整松卷芯滚来实现边缘控制。

4.进给

进给用于将材料从松卷部位抽出并将其送入送料部位。它在带静态芯滚松卷的机器中扮演着尤为重要的作用。进给能将松卷部位的连续膜网运动与送料部位的高动态间歇运动分隔开来。

该部位由两个橡胶衬里的滚轴构成,通过气缸相互挤压。它们通过两端的齿轮连在一起,由一个电机向反方向进行驱动。常见的驱动方式是VFD控制,但在某些高速机器上也可通过伺服控制驱动。

5. 送料控制

进给/松卷部位的材料通过送料机送入密封机或裁剪机中。送料机保证在正确的时刻送入正确长度的包袋,同时也对打标传感器的反馈进行响应,确保将打印的膜网送至正确位置。送料机只在裁剪机/密封机处于开启位置时才移动膜网。上述工序也可相互配合,保证彼此之间张力一致,从而其间安装的各配件都能发挥有效作用。

送料机由两个橡胶衬里的滚轴构成,通过气缸相互挤压。通过两个滚轴的材料受到滚轴之间压力的拉扯。它们通过两端的齿轮连在一起,由一个电机往反方向进行驱动。由于需要高动态(高速和高加速/减速)和高准确度,它们一般通过伺服电机驱动。

6. 张力控制

机器各部位的膜网张力由不同的机制进行维持。送料机之间的膜网张力通过调节送料机之间的进给比来维持。张力调整片有助于维持特定位置的张力。某些材料处于高温下会伸展,密封机之后的工艺中有时会减少/减小膜网张力,避免材料伸展。

7. 印标控制

标印控制在送料机部位发挥作用,帮助正确定位送入裁剪机和密封机中的包袋。此部位包含薄膜配准传感器和位置调整机制。薄膜配准用于带图案或预先印有信息的薄膜。加速过程中印刷工艺变化、薄膜伸展、薄膜滑动及其它因素都可能使成品包袋上的图案偏离理想的美观/营销位置。配准标记则提供了一种能微调包袋实际最终密封和裁剪位置的方法。当包袋上不存在印记或图案时,该过程则完全由长度定义。

8. 裁剪/密封控制

制袋过程中裁剪机/密封机不断上下运动。该部位是制袋工艺的核心,包袋在此进行裁剪和/或密封。这一部位的设计决定了制袋机的类型。

有时可采用感应电机驱动机械凸轮来实现振荡运动。此类机器中,其它轴都与主轴同步,核心在于需通过与凸轮连在一起的辅助编码器,从这些位置获得机械凸轮的定位反馈。在某些配置中,也采用伺服电机和驱动组合来达到振荡运动。相较VFD方案,它能提供更高的灵活性、准确性和速度。

9. 温度控制

密封机维持在正确的温度下,从而保证包袋的密封效果良好。采用独立五金或通过特殊附加指令控制PID回路的方法来维持温度。密封温度主要由包袋材质和一定程度上包袋的设计决定。

10. 堆叠机/传送带

包袋通过机器末端的这些模块进行堆叠和传送。根据包袋设计和下游布置要求的不同,模块的配置各异。某些机器中,各独立的包袋通过一个模块进行堆叠并按堆传送至下游,或需要操作人员移开此堆包袋。而其它位置的包袋则单独传送至下一个机器中。根据功能要求,它们可以是VFD、伺服驱动或VFD结合伺服驱动等。

机器类型

根据包袋类型和使用包袋的终端行业的不同,机器有多种可用配置。下文对几种常用机器类型进行了简要的介绍。

类型1: 侧封

最常见的机器类型。松卷部位的材料对折送入机器中。采用滚烫的刀裁剪材料的同时进行密封。包袋只在侧边处密封,该机器因此得名。

包袋底部经对折操作后为封闭状态,包袋上端为开合状态,也可用拉链或类似附件封口。此类机器的简单配置为仅送料机采用伺服驱动,而其它轴采用VFD。它能每分钟制造200个500mm的包袋。更先进的机器中,送料机、密封机和堆叠机都采用伺服驱动,每分钟可制造300个包袋。
 
图注:在侧封机中,松卷处的材料对折送入机器。采用滚烫的刀裁剪材料的同时进行密封。

类型 2: 下封

此类机器通常用于制造长达2000mm的包袋,每分钟产量为120个。采用一组或两组伺服驱动器的送料机对管状材料(双层)进行输送。感应电机驱动的主机械凸轮能促发封头、链刀和堆叠机。链刀刀片与皮带相连,皮带旋转时刀片开始裁剪材料。材料管被密封后,即在密封处下方进行裁剪,从而形成下部密封的包装管,机器因此得名。速度更快的下封机采用两个伺服送料机和伺服链刀,每分钟能制袋180个。
 
图注:下封机通常用于制造长达2000mm的包袋。

类型3: 立袋

生产立袋的机器是最万能和最精密的制袋机。它们能通过各独立的送料机最多送入四层材料来制造立袋。通常具备两到三组伺服驱动送料机。交叉密封机和侧封机用于密封袋子四条边缘。简易机器中,所有密封机的上部都由单一的感应电机驱动,而下部静止不动。设计复杂的机器中,通过伺服电机的驱动,密封机上下部相对运动。每分钟能制袋200个。
 
图注:生产立袋的机器是最万能和精密的制袋机。

类型4: 包和卷

此为连续运动制袋机。材料在送料机中折叠后通过旋转封头中。与其它类型制袋机不同的是,送料作业不会在密封阶段停止。封头带有特殊的切刀,密封时在包袋上打孔。最简易的机器采用一个VFD来旋转密封机,而其它作业则通过气动方式完成。

制袋工艺中的挑战

制袋工艺中出现的挑战有:在机器速度范围下保持恒定的密封时间;印标校正;膜网张力控制。

恒定密封时间

材料需要一定的热能才能达到良好密封的效果。密封时,一些传统机器的密封轴会在密封位置停留一段时间。根据机器速度,非密封位置的速度则会受到相应调整。这样的间歇运动对机械系统造成了巨大张力,并减短了电机寿命。其它传统机器中,封头温度随时因速度变化而调整。速度较大时,密封时间缩短,因此温度升高。速度较小时,密封时间增加,因此温度降低。针对新设定速度而封头温度调整延迟,将对机器正常运行时间产生不利影响,且无法在温度变化时保证密封质量。

就解决方案简单说来,密封轴需在两种不同速度下运转。在密封部位,密封时间决定了轴的速度;在非密封部位,机器速度决定了轴的速度。

采用先进的凸轮外形,保障速度顺畅改变,大幅减少对系统造成的张力。PLC中的附加指令 (AOIs) 用于根据机器速度和密封时间,生成先进的凸轮外形,对密封部位(往返动作)进行控制。采用AOI对虚拟主机的密封参数,如密封角度和下一速度比等进行计算。反之这些参数又被另一AOI用于计算凸轮外形。

印标校正

根据配准标记确定薄膜长度和位置校正是制袋机的重要功能。印标形状尺寸各异。某些印膜上,设计图案即为印标。难以选取某个特定的设计作为印标。配准选择“窗口”用于从背景中选择适宜的设计。在多膜机器中,窗口用于各层薄膜。若位置误差刚好位于位置误差窗口之中,控制系统仅补偿长度误差;若位置误差高于位置误差窗口,则控制系统既补偿长度误差,也补偿位置误差。

膜网张力控制

薄膜受到拉头/送料机间歇性拉扯时,保持膜网恒定张力十分关键。为此,采用特殊的同一直线上的张力调整片装置来维持不同送料部位之间恒定的张力。根据张力调整片的输入,通过向送料机输送长度误差来实现这一目标。

各张力调整片在机器中的位置决定了反馈将如何控制张力。某些部位的印标校正会覆盖张力调整片校正。膜网上的张力还会影响印标位置和裁剪位置。它对包袋的质量产生直接影响。

寻求解决方案

针对制袋机应用有数个良好的技术解决方案。譬如,带集成运动的洛克威尔自动化集成架构系统能与制袋机高度匹配。所有元件都通过以太网通信。

某些类型的制袋机中,裁剪机、密封机或堆叠机轴都由VFD控制的AC电机驱动。因此它的所有轴都应与AC电机驱动轴同步。与主轴相连的编码器有助于轴的同步化。

其他主轴受伺服驱动的机器中,采用时间轴(虚拟主机)进行同步化。薄膜送料机上的伺服器在送料过程中维持张力,从而确保在浪费最少的情况下利用正确数量的材料。

伺服轴能根据操作员提供的清单输送正确长度的薄膜。若薄膜预先印有信息,配准传感器会调整薄膜位置,从而保持正确的印标位置。送料机仅在主轴处于特定的角度或窗口下才会移动材料。根据各部位在薄膜上操作的完成情况,薄膜移动或停止移动时都能看见驱动其它部位的轴处于运动状态。

工厂操作员通过从操作终端输入参数来选择尺寸适宜的凸轮外形,或利用联机的MCCP指令计算出凸轮外形。这种高速间歇性机器要求各轴协调一致,产生了额外的控制功能需求,如凸轮定位和虚拟轴等。

制袋机中采用的罗克韦尔自动化“中档”标准架构为:控制系统:CompactLogix 5370 系列PLC;伺服解决方案:带VPL伺服电机的Kinetix 5500 伺服驱动器;控制AC电机:PowerFlex 525 变频器;主AC轴定位反馈:CIP编码器;人机接口:PanelView Plus;远程I/O性能:Point I/O。
 
图注:制袋机中采用的自动化架构

CMD公司制造了一系列完整的塑料垃圾袋制袋机。自1980年起,该公司就制造出生产穿绳袋、八折连卷袋、旋转袋、下封袋、风琴袋、包袋和薄膜等的机器。CMD致力于为客户提供有助于提升竞争力和利润空间的机器产品。该公司曾寻求能提高其产品5213ED旋转制袋机工作质量和使用性,减少交货时间并降低总体成本的解决方案。运用洛克威尔自动化技术的解决方案后,CMD终于尝到了甜头。这些好处包括:接线和元件的减少。通过整合控制台,减少了25%的接线和20%的元件。机器的装配时间更短(减少了10%)且试运行时间更快(从五天减少至两天之内)。

CMD还从Logix控制台和人机接口中发现了诊断能力的大幅提升。这有助于减少维护活动并降低支持需求。

Kinetix集成运动解决方案提供了可靠稳定的性能,帮助减少了停工期,实现了更高的产量且提升了产品质量,因此机器性能整体得以提升。

Romain Binand 先生是罗克韦尔自动化东南亚地区OEM & CPG业务经理。

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