1、全自动高速接膜机的设计研制及应用李智峰 长沙矿冶研究院湖南金能自动化设备有限公司 湖南长沙 410012摘要：本文论述了一种新型全自动高速接膜机工作原理及实际应用，该高速接膜机自动化程度高、无固定岗位操作、可实现多品种生产、接膜速度高、操作方便、动作可靠、故障率低、适应性广。填 补了国内无自动接膜机空白，并且该技术已申请国家实用新型专利。全自动高速接膜机可实现塑膜包装过程中两片膜的自动粘接及裁断的技术，该设备主要用于含水炸药的全自动灌装生产线，还可应用于食品包装灌装全自动生产线。关键词：无固定岗位操作、大产能、高速接膜、全自 动化生产引言：工业和信息化部制定了民用爆炸物品行业“十二五” 发展规
2、划。该规划在总结“ 十一五”民用爆炸物品行 业发展现状的基 础上，提出了“十二五” 的发展思路和发展目标，确定了 8 项重点任务，并从规划布局、加强监管等方面提出了保障措施。规划的发布实施，将促进我国民用爆炸物品行业稳步发展。 民用爆炸物品行业“ 十二五”发展规划提出推广应用先进生产方式，鼓励企业采用自动化、信息化技术改造传统的生产方式和管理模式，支持引进和消化吸收国外先进技术，加快现有生产工艺、装备和产品的升级换代。推广应用井下现场混装作业方式，工业炸药制品采用连续化、自动化生产方式；工业雷管产品组件生产向专业化、规模化、集约化、清洁化和本质安全化方向发展。我公司为了配合自动工业炸药塑膜多卡
3、位灌装机研制了全自动高速接膜机，塑膜包装产品如火腿肠、速冻食品、装乳化炸药等,这些产品在连续高速灌装包装的生产情况下，当一卷膜用完时另一卷要能自动对接上，以保证生产的连续性，这样才能实现真正意义上的全自动化生产。全自动高速接膜机能在设备不停机不减速正常高速走膜的情况下实现高速自动裁接膜。全自动高速接膜机可应用于乳化炸药的全自动高速灌装机，还可用于其它需要高速自动裁接膜的场合。1全自动高速接膜机国内外发展技术现状及趋势1.1 国内接膜机包装技术的生产状况我国的包装行业发展还不够发达,以前对接膜机的要求不高,只要能手动粘接或手动热熔接合就行，所以没有全自动的接膜机，只有手动的如手压式脚踏式的接膜机
4、，该接膜机结构简单,对使用的塑膜材质也没有什么要求； 包装行业由于竞争激烈，行业利润率也低，因此投入的科研经费更少，没有形成一个良性循环。目前国产的手动接膜机能完成中小企业的一般生产需求，但在包装速度，精确度上和国外的还有很大的差距，以至于很多大型企业的生产线都选择国外设备，使得设备的购买，操作，日常维护费用大大增加。1.2 国外接膜机包装技术现状和发展趋势近年来，不少国外包装机械应用了现代化先进包装机械的高新技术，机械的特征趋于“ 三高” -高速、高效、高质量。这些发达国家一方面 为满足现代商品包装多样化的需求，发展多品种、小批量的通用包装技术设备，同 时更紧跟科技发展步伐，发展和开发应用高
5、新技术和现代化的专用高速接膜机。德国的接膜机等包装机械在设计、制造、技 术 性等各方面居于领先地位。中国是德国包装机械的重要出口国，尤其是食品加工及包装机械。德国的包装机械制造商致力于研究高科技、高素质生产及可靠的服务。美国是世界上接膜机等包装机械 发展历史较大的国家，早已形成了独立完整的包装机械体系，其品种和产量均居世界之首。日本的接膜机包装机械以中小型单机为主，具有体积小、精密度高、易安装、操作方便、自动化程度高等优点。纵观世界包装机械制造业发展，以信息技术为代表的现代科学技术发展，对接膜机等包装机械制造业提出了更高、更新的要求，它已伴随着高新技 术和新兴产业发展而共同进步，并充分体现出包
6、装机械制造技术向智能化、柔性化、网 络化、精密化、绿色化和全球化方向发展的总趋势和时代特征。先进 的制造技术，使国外机械制造商瞄准市场， 积 极推出了功能多样的包装机械，以适应 包装厂商的需求。总之，走向多功能和单一高速两极化，是世界包装机械制造技术的时 代潮流。1.3 本设备概述：全自动高速接膜机是新一代的全自动工业炸药塑膜多卡位灌装机系统的关键设备之一，该设备 的设计不仅充分考虑构件的强度、材料的选用、设备的操作及维护的方便，还考虑了产品的艺术造型以使外形美观和谐。该设备在设计的过程中参照了德国、美国、日本等国的先进设备，关健件在全球范围内选用美国、日本等国一流厂家的先进产品。本接膜研发的
7、目的在于提供一种接膜技术在设备不停机不减速正常高速走膜的情况下实现高速自动裁接膜，设备性能稳定可靠，外形美观，控制面板采用 TFT 触摸式人机对话屏，操作人员可方便而快捷地输入所要求的工艺参数，并可在操作屏上方便的看到设备运行状况，足够大的编程自由度（加热时间、气缸动作时间及吹风时间均可大范围地调节），具有极高的灵活性，可适用客户的多种工艺要求。运行过程 TFT 触摸屏实时显示。全自动高速接膜机的研发成功使新一代的全自动工业炸药塑膜多卡位灌装机系统实现了自动化及智能化。2、主要技术性能指标和技术方案的确定依照国家工业和信息化部的民爆行业技术进步指导意见精神，研究开发高效率、大产能、低成本、操作
8、人 员少的多卡位灌装机成为必要，为了加速推动民爆行业的这一技术进步进程，实现工业炸药生产全线连续化、全自动化这一科技发展的战略目标，我们公司根据国内的实际情况，为配合全自动工业炸药塑膜多卡位灌装机自主研究开发了国内新一代全自动高速接膜机。该设备的研发目的是为适用于乳化炸药塑膜包装，通过送膜、供膜、接膜、切断全自动完成工业 两卷膜的自动接合及裁断，也可应用于其它需要高速自动裁接膜的场合。2.1、全自动高速接膜机主要技术指标2.1.1 操控人员：无固定岗位 1 名/班(不含其它工序人员)；2.1.2 设备稳定性：综合效率99% ；2.1.3 包装用材料：塑料复合膜薄膜，2.1.4 塑料膜卷内径 7
9、5；2.1.5 最大卷外径 400；2.1.6 膜厚：t 60m2.1.7 膜最大速度：98M/MIN2.1.8 设备占用区域面积：1.2m(W)2m(L) ；2.1.9 动力电源：AC 380V 3 相 50Hz 1KW （含地，含零，不含空压站）；2.1.10 控制电压： DC 24V， AC 110V；2.1.11 高压空气： 0.01 m3/min，压力 0.6MPa；2.2、总体技术方案设计的全自动高速接膜机使其能适应后端合膜机的技术要求，高速接膜机上的速度跟踪器自适应装置能感应后端合膜机的速度，当后端的合膜机用膜速度加快或接膜机供膜速度慢时，膜会拖动滑动板及滚筒组合向前移动，带动位
10、置感应块向前移动，位置传感器发信号给电机使供膜速度加快，在张紧气缸恒定张紧力作用下，气缸驱动滑动板及滚筒组合复位运动，从而达到一个动态平衡及膜缓冲作用。全自动高速接膜机与合膜机可直接对接，全自动高速接膜机在开机状态下可完全自适用于合膜机的启动运行与停车，在自动控制方面与后端合膜机实行联动，本设备只需 1 人巡视便可运行。全自动高速接膜机要实现两卷膜自动对接、自动接膜、自动裁断，设备在高速状态下不间断连续运行，全自动高速接膜机的安全特性设计主要从以下方面考虑： 零部件全采用不生锈的铝合金或不锈钢，增强防腐性能； 驱动电机设计选用防爆型，或是防护等级在 IP55 以上； 自动接膜合膜部分有切刀及电
11、热合，采用全封闭结构； 气动与电动执行机构部件采用国际知名公司的产品，并要求其产品的供应商在原有防腐性能的基础上再进一步进行改善，使其更适应民爆行业的耐腐蚀的要求，延长其使用寿命。 有高温的设计考虑保温材料隔热，有温度及压力传感器的要有防过温度及过压力。通过高效、稳定的工业自动化控制及合理的工艺流程，最大限度的缓解、去除生产线上的人为不稳定因素，减少威胁人身安全可能性，提高生产效率，提高工厂本质安全性。 全自动高速接膜机的设计要以 GB3836.1-2000爆炸性气体环境用电气设备第 1 部分、GB50089-98民用爆破器材工厂设计安全 规范、GB4064电气设备安全设计导则、GB12158
12、-90防静电事故通用导则 、GB12801-91生产过程安全卫生要求总则、GB50058-92爆炸和火灾环境电力装置 设计规范为基础，其动作流程步骤全部用 AIE 理 论进行论证与分析，使其每步动作更具合理化。2.3、全 自 动 高 速 接 膜 机 的 结 构 原 理 及 设 计2.3.1、 全 自 动 高 速 接 膜 结 构 及 组 成全自动高速接膜机是全自动给多卡位灌装机供膜的专用设备。本设备可自动接膜，当其中一卷膜用完时可自动切换到另一卷膜并自 动接合。本设备根据多卡位灌装机用膜速度的快慢自行调节供膜速度，可完全满足多卡位灌装机的高、中、低速装 药。本设备可适应大、中、小药 卷用膜的各种
13、尺寸规格（ 25- 120），可挂膜最大宽度为400mm，总体外形及结 构如上图所示。设备工作时可高速完成两卷膜的自动接合及切断，使工作时不停机从将要用完的一卷膜切换到另一卷完整膜，其中移动滚筒部分由磁致伸缩位移传感器、气缸、滑块、导轴及滚筒组成，其中电机带膜部分由防爆电机、轴承座、旋转接头及气涨轴组成，工作时膜定位放置在气涨轴上，通高压空气时气涨轴涨紧固定膜，电机可驱动膜正转反转并且速度可调。2.3.2、挂膜高速接膜机的动作原理：2.3.2.1、工常工作时，左右气胀轴上均有膜，假设左边的膜在工作（送膜，左电机旋转），右边放一卷备用膜。后工序拖动膜运动，当后工序拖膜的速度加快时， 膜拖动气缸夹
14、紧及膜缓冲装置中的滑动板及滚筒组合装置向左滑动，滑块带动感应块向左滑动，位置传感器发信号给电机，左边的电机驱动速度加快以加快供膜，供膜速度加快后，气缸张紧力使滑动板及滚筒组合装置向右滑动，滑 动板及滚筒组合又回到平衡点。后工序拖动膜运动，当后工序拖膜的速度减慢时，气缸 张紧力使滑动板及滚筒组合装置向右滑动，滑块带动感应块向右滑动，位置 传感器发信号给电机，左边的电机驱动速度降低以减少供膜，供膜速度降低后，膜拖动气缸夹紧及膜缓冲装置中的滑动板及滚筒组合装置向左滑动，滑动板及滚筒组合又回到平衡点。2.3.2.2、切膜接膜工作时，左右气涨轴上均有膜，假设左边的膜在工作（送膜，左电机旋转），右边放一卷
15、备用膜。当左边的膜快用完了。当光纤传感器感应左边的膜用完之后，双边双压紧气缸及镍铬带热合系统及双切刀组合工作，动作过程参考上图 4 所示，气缸压紧装置（两气缸伸出，两压块压紧膜使膜停止运动，然后两气缸推动左边的切断装置向右移动，同时气缸推动右边切断装置向左移动，使镍铬带与压条贴紧完成热合动作，两气缸推动左边的切断装置向右移动时，带动活动切刀移动，使活动切刀与固定切刀工作切断左边的膜，完成动作左切断膜右接膜。然后所有气缸缩回，右边电机供膜。在实现左切断膜右接膜的过程中，两压块压紧膜使膜停止运动，后工序供膜不停，膜拖动气缸夹紧及膜缓冲装置中的滑动板及滚筒组合装置向左滑动，滑块带动感应块向左滑动，必
16、须在滑块到达左极限位置前完成左切断膜右接膜动作。当完成动作左切断膜右接膜动作后，位置传感器发信号给电机，右边的电机驱动速度加快以加快供膜，供膜速度加快后，气缸张紧力使滑动板及滚筒组合装置向右滑动，滑动板及滚筒组合又回到平衡点。2.3.3、挂膜气胀轴转速选型设计计算：一卷没使用过的膜的外径最大 350mm，气胀轴选用 75mm 的，膜用完后的最小直径为 85mm，设计产能 4.2T/h（以 32mm200g计算），单支药卷膜的长度为 260mm。按设计产能可计算每分钟生产的药卷支数：4.2T/h 200g/支21000 支/h=350 支/分；每分钟走膜长度为：350 支/分 x280mm980
17、00mm/分=98m/分；气胀轴最小转速：98m/分 350mm 3.14 =89 转/分；气胀轴最大转速：98m/分 85mm 3.14 =368 转/分；则气胀轴转速范围为：89 转/分368 转/分，设计选型时以此参数为基准。2.3.4、挂膜减速电机选型设计计算：气胀轴转速范围为：89 转/分368 转/分，设计减速电机选型时，以此参数为基准，首先确定减速机的安装方式为 90 度出轴，从转速范围可看出转速的变化跨度比较大，则电机选用变频电机以方便电器自动控制，具体选型设计如下：减速机的规格和选择取决于几 个参数使用系数 fB 总的使用系数的计 算如下：fB fBL x fB1 x fB2
18、 fBL 载荷特性曲线 fB1 环境温度 fB2 持续工作时间 必要的使用系数 fB 按右图查取。I均匀负载，允许的惯性加速系数 0.2II 中等冲击负载，允许的惯性加速系数3III强冲击负载，允 许的惯性加速系数 10在接膜换型时，减速机有个停止起动的过程，单卷没使用过的膜的外径最大350mm，按最大 100 米 /分的走膜速度，膜厚 t 60m 则单卷膜长可使用 20 分钟，每分钟减速机停止启动 3 次，但需快速启动，使膜的行走速度快速达到 100 米/分，启动冲击比较大， 则负载类型选定为：中等冲击负载，允许的惯性加速系数10，综合启动次数及负载冲击类型进行取值 fB。功率选定计算： M
19、a max x n out fB permissible = - Pmot x 9550Ma max 减速机的最大输出扭矩（N.m） n out 输出转速（rpm） Pmot 电机额定功率（kw） 根据上述计算，从上图及负载类型得出相应参数：n out368，fB permissible 1.55 Ma max9.6；计算出 Pmot(9.6x368)/(1.55x9550)=0.24kw ，则电机的设计计算功率为 0.24kw，考 虑功率因素 cos0.8 ，及安全系数取值 1.3，则电机选型功率为：P=0.24x1.2/0.8=0.36kw，根据电机样本手册，查得电机参数：0.37kw 2
20、720rpm 380v2.3.5 控制系统全自动高速接膜机的自动控制系统分为自动模式和手动模式两种运行模式，操作盒采用触摸屏方式，在自动模式下，只要全自动 高速接膜机的两气涨轴上的膜准备好，按下自动模式即可。3、 研制过程的组织和管理3.1、研制过程全自动高速接膜机于 2010 年 1 月设计完成，设备由主支架、固定滚筒组合、切膜合膜部分、移动滚筒部分、大面板、角 铝、筋板、 电机带膜部分与过渡滚筒组成，共出 设计图纸 100 余张，设计过程中主要攻克高速接膜及接膜的稳定性、可靠性等两大难点，经过多次反复实验、改变方式方法，于 2010 年 5 月终于完成样机，在没有灌装物料的情况下空载运行，
21、各项性能指标均达设计要求。2010 年 7 月进行乳胶基质模拟料的灌装实验，主要测试在高温、高速状态下设备运行的稳定性（最高接膜速度 98M/MIN）。2010 年 11 月聘请专业安评机构及相应专家对全自动高速接膜机进行了安全评价，目前，设备 的各功能模块均能满足安全生产的要求。3.2、试制中出现的主要问题及解决措施a 接膜机接膜不稳定：当一卷膜用完时与备用膜对接，接头接合不稳定，接口在过衣领位置时容易被拉断，无法保证设备运行的连续性，通过多次实验，不断改变控制器电阻、通电时间、加 热 温度以及系统电流等，终于得出一组最佳数值保证了两卷接口的稳定性。b 接膜机裁膜不断：膜在接合切断过程中有切
22、不断的现象，左边的切刀中间位置经常切不断膜，影响接膜，使两边的膜同时往下拖。改进措施：对切刀及滑动部分重新加工并提高加工精度，问题得到了根本性的解决。3.3、存在的加工难点及解决措施本设备是新设计试制开发，零件种类多，单品种数量少，小零件多，加工精度要求比较高，而且基本采用不锈钢材质增强防腐性，故加工的难度相对较大，不锈钢材质的防腐性高，但其加工工艺性差，有些零件除了要好的防腐性外还得有好的耐磨性，故需对不锈钢零件进行特殊的表面处理工艺，以增加美观以及耐腐蚀性。3.4、试验情况接膜机组装好后，先进行手动调试，两卷膜接合后作简单抗拉试验，接合处没断其它地方拉断了，说明接合处强度达到了设定的要求，
23、说明手动接膜是成功的；2011 年 7月全自动高速接膜机配合全自动工业炸药塑膜多卡位灌装机系统进行了乳胶基质模拟料的灌装实验，主要测试该设备在高温、高速状态下自动接膜的稳定性（最高接膜速度98M/MIN），实验结果表明全自动高速接膜机在高中低速状 态下全部实现了自动接膜裁膜，接口在过衣领位置时完全正常。后来又在广西某化工厂试生产了三个月，全自动高速接膜机均运行稳定，出色的完成了高速状态下自动接膜的任务，设备稳定性好，各项指标均达到了设计要求。4、关键技术全自动高速接膜机在设计开发过程中，我公司共申请并通过了几项实用新型专利，1、膜速度和张力的自动控制机构，实用新型专利号： ZL 2009 20
24、066070.1；2、全自动高速接膜机，实用新型专利号：ZL 2011 20228073.8。另还有一批后续专利正在申请中。5、结论全自动高速接膜机通过样机试制、组装、调试正常后，在低、中、高速空载运行无故障发生，在不同的速度下用卷筒式塑料片膜进行膜焊接，焊接效果非常好，接口焊接性能稳定，并与全自动工业炸药塑膜多卡位灌装机系统进行乳胶基质模拟料的灌装实验，经过与湖南某化工有限公司协商，借助湖南某化工有限公司的生产厂房和部分生产原材料对全自动高速接膜机进行了试验。试验主要分为高、中温化学敏化和低温物理敏化（珍珠岩）三部分，在高中低速状态下全部实现了自动裁接膜，膜的接口焊接牢固，接口在过衣领位置时
25、完全正常，各项技术指标均达到了设计要求。全自动高速接膜机在设计研制过程中出现的问题均采取了有效的解决措施，全自动高速接膜机运行的可靠性有了较好的保证。全自动高速接膜机上所安装的设备、设施等选用的都是知名品牌，均技术成熟，质量可靠，在整个研制过程中均未出现质量问题。全自动 高速接膜机运行稳定，可靠性高，生产产品兼容性高，能够满足用户要求。通过实践的检验，全自动高速接膜机总体设计思路正确，总体方案和各分系统方案可行，总体布局合理，各项性能指标均达到了设计的要求。参考文献国外包装机械市场需要和生产出口情况巡礼 胡志鹏,杨燕 - 机电信息- 2004-03-05钮扣自动包装机的研发与应用 王姬 - 浙
26、江工业大学硕士论文- 2009-05-01世界包装机械市场需求概况 孔凡真; - 中国包装- 2010-12-18应加快发展我国包装机械工业 刘晓玫 ,王超 ,刘国靖 - 中国包装- 2003-12-18我国包装机械业现状及发展方向 吴国荣,何宗金 - 包装与食品机械- 2003-12-25我国包装机械的现状与发展思路 吴国荣 - 中国包装报- 2003-08-22欧美包装机械市场需求及产销 孔凡真; - 中国包装- 2006-10-18国外包装机械市场产需两旺 龚晔; - 中国包装工业- 2006-04-10中华人民共和国工业和信息化部民爆行业技术进步指导意见中华人民共和国工业和信息化部民用
27、爆炸物品行业“十二五” 发展规划 中华人民共和国国家标准：GB50089-98民用爆破器材工厂设计安全规范Design,research and development of automatic high-speed meet film machine LI Zhifeng ChangSha Mining and Metallurgy Institute, Hunan Kenon Automation Equipment Co., LTD 410012ABSTRACT: This paper discusses a new type of automatic high-speed meet f
28、ilm machine working principle and practical application, this high-speed meet film machine has high degree of automation, no fixed position operation, can achieve more variety production, answer the film speed is high, easy to operate, reliable, low failure rate, wide adaptability. Filled the countr
29、y without automatic picking film machine blank, and the technology has the applicant state utility model patents. Automatic high-speed meet film machine can realize plastic film packaging process of two pieces of film automatic bonding and cutting technology, This equipment is mainly used for water-bearing explosive automatic filling production line, can also be used in food packaging filling fully automatic production line. KEY WORDS: No fixed position, large production capacity, high-speed meet film, full automatic production
