總體方案設計應用舉例

本設計要求包裝速度為120包/分、充填量為0.5kg的食用碘鹽自動包裝任務的設計方案。

一、設計任務書

1．設計目的

設計一臺包裝速度為120包/分、充填量為0.5kg的食用碘鹽包裝設備。

2．約束條件

（1）包裝對象。

本機處理對象是顆粒狀物料食用碘鹽，其流動性較好，但吸潮后易結塊、腐蝕性強，自然休止角40°～45°，密度1.0～1.4。

（2）適用包材：聚丙烯/聚乙烯、聚酯/鋁箔/聚乙烯、聚酯/鍍鋁/聚乙烯、尼龍/聚乙烯、紙/聚乙烯等。

（3）包裝精度：±1%。

（4）計量方式：量杯式。

（5）制袋方式：枕型三面封口。

（6）包裝質量要求。

要求每袋食鹽包裝后外形美觀，包裝材料無明顯損傷、撕裂，如圖2-10所示。

（7）對包裝機的基本要求。

機械結構簡單，工作可靠、穩定，操作方便、安全，維修容易，造價低。

二、包裝機型的選擇

在廣泛調查研究的基礎上，對產品的包裝工藝進行詳細的分析后目前市面上常見的滿足本設計約束條件的是枕形袋包裝機型，本機型又有立式袋成型—充填—封口、臥式袋成型—充填—封口和供袋式開袋—充填—封口三大類。

1．建立性能分析矩陣

下面針對設計任務書要求，從包裝速度、占地面積、結構形式、適用物料、包材適應性、功耗角度等9個方面建立性能分析矩陣來分析何種機型能滿足本設計的設計目的，如表2-2所示。

2．建立評價目標權重矩陣

根據上述考核參數，建立評價目標矩陣。依據其在包裝機中的作用進行加權，其權重值最大為1.5、最小為1.0。經過5位專家打分，并取平均值的方法建立如表2-3所示的目標權重矩陣。

在表2-3中，包裝速度和包裝效果是用戶對包裝機追求的最高目標，也是用戶考核設備性能的關鍵參數，所以其分值為1.5，另外適應物料表示本包裝機能滿足顆粒料包裝的基本要求，其分值也為1.5；其次是占地面積、結構形式與設備維修3個參數，占地面積也就是說用戶在較低的基建投資的情況下，能滿足用戶包裝量要求；設備維修也是用戶使用設備過程中必須考慮的主要參數，也就是說維修簡便，用戶需要投入的設備使用成本相對就低；結構形式與占地面積和設備維修存在相關性，結構復雜也可能導致占地面積大、設備維修復雜，使用成本也就高。還有分值最低的兩個指標：包材適應性和設備成本。對包材適應性用戶要求不高，只需在一定膜厚的前提下（膜厚值大小和使用成本相關）選擇能滿足設備運行的何種包材，用戶一般都有明確要求。還有設備成本這一參數，用戶有能力購買全自動包裝機作為替代人工包裝物料，一般而言，關鍵指標能滿足用戶要求的前提下，設備成本都不作為主要指標來考核。

3．性能分析量化矩陣

建立按照“優、良、中、差”4個等級對不同機型的性能再聘請行業5位專家對各參數分別打分，優為0.9、良為0.8、中為0.7、差為0.6，并平均后建立如表2-4所示的量化后的性能分析矩陣。

4．目標評價

按照方案評價的法則，依次進行如下工作。

（1）建立目標集。

本例中，B=（立式間隔封切、立式連續封切、臥式連續回轉、臥式連續直線、供袋回轉式、供袋直線式）。

（2）建立目標評價因素集。

式中i——i=1,2, ..., n, n=評價目標數；

j——j=1,2, ..., m, m=目標評價因素數；

Pi, j——為第i個目標，第j個性能參數。

本例中n=6, m=9。將表2-3量化后的性能分析值代入到式（2-2）中，得

（3）建立性能參數權重集。

本例中將表2-2中的數值代入到式（2-4）中，得

（4）建立模糊評價模型。

評價矩陣為

將式（2-4）和式（2-6）代入到式（2-8）中得

由式（2-9）可以得出：立式間隔封切包裝機滿足度為9.962，在式（2-9）中為最大值。表明能滿足本設計目的的包裝機為枕形袋立式成型—充填—間隔封口切斷包裝機，以此機型作為設計機型。

三、總體布置

從包裝速度、占地面積、結構形式、適用物料、包材適應性、功耗角度等9個方面建立性能分析矩陣確定的枕形袋立式成型—充填—間隔封口切斷包裝機為研究機型，利用上述求解策略，得出現市場上常見的小袋包裝機結構組成如圖2-11所示。

在圖2-11中，包裝材料和被包裝物品（食用碘鹽）的供送路線以及它們在包裝過程中的傳送路線、包裝成品的輸出路線采用組合型布置。被包裝物品（食用碘鹽）自上而下流動，可利用其自身重力實現充填動作；包裝材料從左至右再向下，這樣便于系統布局，簡化系統結構；包裝成品從機器底部輸出。

四、工藝路線

由圖2-11可以得出圖2-12的包裝工藝流程。包裝材料（膜卷）在拉膜裝置3的作用下，將由供膜裝置6送來的片膜通過成型裝置7，將片膜制成筒狀膜，并由縱封裝置4將縱向筒膜對接處焊合成一體，形成縱向封口；橫封切斷裝置8將已形成筒狀的袋筒，根據袋長要求，焊接橫向封口并切斷，形成包裝袋底部封口。此時，料倉1中小顆粒狀物料食用碘鹽在重量或攪拌作用下，自流入計量裝置2的計量組件中，計好量的食用碘鹽又在重力作用下，落入已成型的袋筒中。下料完成后，再由橫封切斷裝置8封口切斷，形成一個完整的成品包裝袋。

本包裝工藝的關鍵技術就是要解決計量與落料問題。像食用碘鹽之類的物料，使用一般下料方法是不適宜的，容易導致計量不精確，包裝精度差。如果采用二次下料變相縮短了物料下落高度，相應地也就減少了物料下落時間，就可以達到提高工作效率和包裝精度的要求。

五、繪制工作循環圖

根據圖2-12的工藝路線，擬定包裝機運動規律和動作配合，繪制初始工作循環圖。采用坐標式表示法，將執行構件運動與時間的關系轉換為與分配軸轉角的關系。在循環圖中，若執行構件在某段時間內是運動的，用斜直線表示；如果是靜止或做連續勻速轉動及振動的，則用平直線來表示。根據工作要求與時序繪制成如圖2-13所示的工作循環圖。

在圖2-13中，橫坐標為一個工作周期，用角度表示；縱坐標為各主要裝置。

包裝機在一個工作周期內，料倉用水平線表示，其意義在于其內部一直處于有料狀態。計量裝置在工作周期起始就開始進料并計量到90°，計量盤旋轉到180°后卸料至225°，卸料完成后再旋轉到初始位。拉膜裝置和成型裝置其工作節拍基本相似，在工作周期時間內有一半時間處于工作狀態；而供膜裝置將薄膜送到位后，停歇90°時間間隔，再返回，準備下一次供料。縱封裝置和橫封裝置都在卸料開始、拉膜裝置將薄膜拉到一個袋長，并延遲5°后才開始工作。

由上分析可以看出，選用的包裝機工作時序編排是合理的，各裝置開始運行時間與結束時間都不存在互相干涉現象。也就是說，圖2-13中的小顆粒狀物料包裝機的工作循環圖是可行的。

但由圖2-13也可以看出，現有市面上的小顆粒狀包裝機雖然能滿足包裝要求，但利用現有的各裝置很難提高包裝速度。如計量裝置在工作時，在225°處是在非計量狀態；拉膜和成型裝置在180°處也為非工作狀態；供膜裝置在90°處為停歇狀態。如何提高現有包裝機的包裝速度，必須對現有的計量裝置、拉膜裝置、供膜裝置和成型裝置從原理上進行改進設計，盡可能地消除停歇時間，最大限度地利用系統性能，提高系統包裝效率。