摘 要:食品包裝機械自動化有利于提高設備的生產率,滿足人們日益增長的生活需求,保證食品
包裝的一致性和安全性.指出要實現食品包裝機械自動化,需要考慮包括控制器、傳感器、伺服驅
動技術、人機交互界面及網絡技術等問題;同時從食品包裝機械自動化的發展趨勢看,要加強對設
備的數控化,設備信息的一體化及設備故障診斷的智能化等方面的研究.
食品包裝機械是指能完成全部或部分產品和食品包裝過程的機械.包裝過程包括充填、裹包、封口等主要工序,以及與其相關的前后工序,如清洗、堆碼和拆卸等.此外,包裝還包括計量或在包裝件』二蓋印等工序.食品包裝機械具有自己的特點:1)種類繁多,功能各異,更新快.目前世界上包裝機械的品種已達到2 000種左右,這還不包括一些輔助機械和包裝材料機械、包裝容器的加工機械在內.隨著社會產品不斷增多,包裝材料和包裝工藝的變換,包裝機構的運動副迅速更新,并向更高的技術水平發展.2)包裝機械機構復雜,要求動作精確,工序多,速度快,影響其結構性能的因素多(如被包裝物品的尺寸、形狀,包裝材料、容器的質量,包裝:l:藝等),對包裝機械的設計和制造要求高(如精度、剛度和耐磨性等).
食品和包裝機械形成行業已20多年,相對于食品工業,還是一個新行業.目前國內食品包裝機械企業組合化和機電一體化生產力較低,多數食品包裝機械企業以生產單機為主,生產效率低、能耗高,穩定性和可靠性差,控制技術和自動化技術應用較少.這幾年是世界技術發展較快的時期,新技術不斷在行業上應用,而國內行業的基礎薄弱,技術及科研力量不足,其發展相對滯后,在某種程度上拖了食品和包裝工業的后腿。隨著人們生活水平的迅速提高,食品行業的發展空間愈發巨大.為了滿足人們日新月異的消費需求,對食品包裝機械提出了以下要求:1)食品包裝機械的生產效率越高越好.2)食品包裝機械具有很高的柔性和靈活性,能有效保證包裝機械可根據被包裝物品的要求和包裝材料的不同,實現包裝規格化、標準化,符合集合包裝的要求.3)對食品包裝機械在工作過程中發生的故障要迅速排除.4)食品包裝機械具有自動識別功能.5)食品包裝機械的包裝過程要實現綠色包裝.6)保證食品生產和包裝過程的安全衛生.
由此可見,實現食品包裝機械的自動化,尤其是實現具有高度柔性的自動包裝線,不僅體現了現代生產的發展方向,同時也可以使企業獲得巨大的經濟效益.
自動化技術可有效提高食品包裝機械的國內外競爭力,對我國食品包裝機械發展具有重要意義,是我國食品包裝機械發展的必由之路.
食品從生產到包裝,整個過程可采用3種控制方式:開環控制,對產品質量和包裝要求不高的食品包裝機械,可采用此種方式.成本低、可靠性高是其優勢.閉環控制,利用安裝在食品包裝機械上的各種傳感器檢測設備的工作狀態,并將檢測到的信息反饋到設備的控制器來實現閉環控制.對產品質量和包裝要求高的食品包裝機械,可采用此種方式.半閉環控制,利用安裝在食品包裝機械上某些位置的傳感器檢測設備的工作狀態,這些檢測到的信息只是間接反映了設備的工作狀態.對產品質量和包裝要求較高的食品包裝機械,半閉環控制是主要選擇.
自動化控制產品已逐步應用在食品包裝機械行業.就目前在食品包裝機械上采用的控制器而言,可以分為以下幾類、’:1)采用簡單的繼電器回路,利用按鈕對設備進行操作控制,設備功能單一固定,柔性差,自動化水平低.2)使用可編程邏輯控制器(PLC)強大的順序控制和邏輯控制功能,對食品包裝機械進行控制,設備的可靠性和靈活性得到更大的提升;同時為了方便操作人員操縱設備,采用人機交互圖形界面(HMI),交互性好,食品包裝機械的自動化水平得到迅速提高,這也是目前在國內食品包裝機械應用較廣泛的一種方式.3)總線技術的成熟,使在食品包裝機械上使用PROFIBUS—DP、CC—link和DEVI—CENET等現場總線技術、遠程I/O技術和網絡通訊技術成為事實.這在一定程度上發揮了自動化產品的優勢,為整個生產線的無人化操作以及為設備的傳動、檢測等工序的無縫銜接提供了便利.4)采用計算機作為主控機,PLC等工業計算機作為現場控制器,對設備進行管理.
同時PackML技術在食品包裝機械上的應用,使得食品包裝機械自動化技術進一步標準化,控制接口規范化,提高設備的靈活性和市場適應能力.
食品包裝機械的動作組成多,動作細,速度快,而且各個動作在設備的工作過程中要協調一致,以便實現設備精確的位置控制和各部分嚴格的速度同步.傳統的食品包裝機械一般采用一個主電機作為動力源,通過復雜的機械傳動,實現各個分動作.整個機械結構十分繁瑣,故障率高,而且設備維護或維修起來較困難.將先進的伺服驅動技術應用到食品包裝機械上,可以使整個設備的機械傳動裝置得到精簡.如在食品包裝機械上應用三軸聯動或多軸聯動伺服驅動技術,既能保證設備可靠高效的運行,又能使整個設備的機械傳動機構簡單化.食品包裝機械上常用的伺服電機有步進電機、直流電機和交流電機,設備的速度控制可通過步進電機的細分技術、直流電機的PWM技術、交流電機的變頻技術等來實現.
伺服驅動技術主要應用于食品的輸送、裝卸、碼垛、卸垛、打標等工序.可根據食品包裝機械中采用的伺服驅動技術不同,將其劃分高、中、低檔,這與食品包裝機械采用的控制方式相對應,有利于食品包裝機械的產品升級.
要實現食品包裝機械設備的自動化,在設備上安裝傳感器是必不可少的.如在食品飲料存儲罐的監控、灌裝封裝、混合及加工、冷卻及加溫、清潔、包裝等工序中都要用到傳感器.在食品包裝機械上可應用的傳感器有電感傳感器、壓力傳感器、光電傳感器、電容傳感器等6-7.廣東組合秤領域,有一家規模制造企業,就是廣東精威智能機器有限公司,這家企業產品線寬且深,象上述四類傳感器,產品線上都用到了,而且每一類都是更大幅度的使用。
將開發數控機床的成功經驗應用到食品包裝機械的設計與開發上,采用數字控制,可以應用程序來控制食品包裝機械的包裝過程和包裝動作,提高設備使用的柔性和適應面,有利于提升食品包裝機械的設備價值.
CAD技術在工程領域已得到廣泛應用.將CAD技術應用到食品包裝機械上,可以大大縮短設備的設計開發周期,在設計過程中可應用人機工程學,充分考慮人操作起來方便與否來進行反復多次的設計;對設計出來的結果應用CAE軟件進行性能和結構的優化,使設計滿足綠色環保的要求;應用CAPP技術將產品的各個零件盡量標準化,對零件進行編碼歸類,對每一類零件進行加工工藝規劃,存儲到加工知識庫中;在產品的制造過程中,可應用CAM技術進行零件的加工過程仿真和數控加工代碼的生成,實現產品的虛擬制造或應用數控加工技術快速制造設備.食品包裝機械設備從市場需求和調研開始,到*后設備的維修和保養整個過程可以統一歸納到CIMS中去.在食品包裝機械上采用CAX技術,有利于適應市場快速多變的需求8-9.
為了提高食品包裝機械的自動化程度,保證設備的利用率和生產率,有必要建立食品包裝機械的故障診斷和監控系統.在廣泛收集設備在工作過程中發生的故障現象、故障原因和故障位置的基礎上,建立設備的故障診斷系統.利用多傳感器信息融合的監控系統,對設備進行實時監控.發現問題時,可利用設備故障診斷系統,通過智能的正向推理和反向推理相結合,快速幫助用戶確定和解決故障.企業利用網絡技術也很容易實現遠程監控和設備故障診斷、自動排除,減少人工參與,保證食品包裝機械生產的產品在生產中沒有人為接觸和污染,產品質量均勻統一.安全衛生.同時借助現有的商用網絡,設備制造商可以很輕松實現異地對生產線的監控、診斷和修改,提高自己的產品在市場上的競爭力.
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