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0引言

食品包裝機械行業(yè)作為食品行業(yè)和設(shè)備制造行業(yè)的交叉行業(yè)，在我國起步于80年代，經(jīng)過30
多年的發(fā)展，尤其是近10年，在自動化新技術(shù)層出不窮、勞動力成本逐漸攀升的背景下，得到了快速的發(fā)展，使得食品企業(yè)在包裝工藝階段的生產(chǎn)模式發(fā)生顯著的改變，從半自動化，向全自動化、成套化、智能化以及柔性化的方向發(fā)展。但是在具體工程實施中，依然面臨著各種問題，主要表現(xiàn)為：單條包裝線對包裝產(chǎn)能要求越來大；包裝線能夠適應(yīng)品相繁多、換產(chǎn)頻繁的工況；包裝線日益嚴格的潔凈設(shè)計要求：設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、與食品相接觸的材料，要能確保輸出的產(chǎn)品在整個包裝工藝段不能被設(shè)備或設(shè)備附帶的材料（如潤滑油）污染；設(shè)備能夠在一定程度上經(jīng)受食品對機器造成的污染；較高設(shè)備單體穩(wěn)定性和一定的整線系統(tǒng)魯棒性。包材質(zhì)量不穩(wěn)定和被包裝產(chǎn)品本身性狀不穩(wěn)定，對產(chǎn)品輸出造成的不可預(yù)計影響；食品的產(chǎn)品生命周期越來越短，帶來越來越苛刻的設(shè)備投資回報率要求，設(shè)計制造成本壓力越來越大。因此為解決上述問題，本文針對巧克力涂層米棒自動化包裝問題重點闡述其布局設(shè)計，其目的是為提供行業(yè)內(nèi)的包裝自動化水平提出一定的技術(shù)借鑒［1］。

1巧克力涂層米棒自動化包裝線布局設(shè)計

1.1產(chǎn)品特性
米棒為切割成形，尺寸比較穩(wěn)定；隨后的涂敷是否均勻、巧克力涂敷量是否恰當，會影響產(chǎn)品的外形尺寸均一性；冷卻是否迅速，則決定涂層產(chǎn)品底面最后是否存在一圈“大象腳”。這些會影響包裝袋的外形尺寸以及在產(chǎn)品傳送過程中，巧克力碎屑是否會大量產(chǎn)生。
考慮該食品廠選擇的上游巧克力涂敷線以及冷卻隧道品牌和投資金額，結(jié)合以往項目經(jīng)驗，初步認為該預(yù)計產(chǎn)品尺寸和公差是可信的。方案設(shè)計可以以該尺寸為依據(jù)。
1.2約束條件
包裝線上游工藝為產(chǎn)品冷卻。產(chǎn)品從冷卻隧道通過傳送帶輸出。輸出方式為整列，產(chǎn)品短邊朝前。兩種產(chǎn)品，一種尺寸預(yù)計L為（45±1）mm，W為（15±1）mm，H為（10±1）mm，從冷卻隧道輸出產(chǎn)品速度為40個/排、15排/min；另一種尺寸預(yù)計為L：（90±1）mm，W：（15±1）mm，H：（10±1）mm，從冷卻隧道輸出產(chǎn)品速度為40個/排、30排
/min；產(chǎn)品排寬度1m。
自動包裝線范圍從冷卻隧道到輸出裝盒產(chǎn)品，主要工藝包括：一次理料，一次枕式袋包裝，二次理料，袋包產(chǎn)品裝盒，輸出裝滿袋裝產(chǎn)品的紙盒。
整個包裝線需要配套必要的質(zhì)量控制工位，如：不合格產(chǎn)品的剔除（包括在上游設(shè)備可能產(chǎn)生的和在包裝線上可能產(chǎn)生的不合格產(chǎn)品），金屬檢測等。小范圍故障的影響能限制在一定范圍內(nèi)，包裝線能繼續(xù)以一定的產(chǎn)能繼續(xù)包裝生產(chǎn)，避免整線停滯。
1.3自動包裝線布局設(shè)計
在進行自動包裝線布局設(shè)計時需要研究生產(chǎn)線速度匹配、生產(chǎn)線緩存配置和剔除工位配置，下面重點闡述三個要素的設(shè)計思路。
1.3.1生產(chǎn)線速度匹配設(shè)計
生產(chǎn)線速度匹配的基本原理是：在一段時間內(nèi)，上游工藝設(shè)備的產(chǎn)品輸出速度等于下游工藝設(shè)備的產(chǎn)品接收速度?，F(xiàn)在設(shè)計計算下游包裝線的配套產(chǎn)線速度［2］。產(chǎn)品品相為兩種，截面積相同。產(chǎn)出速度為2：1，同時可以發(fā)現(xiàn)長短比為1：2。根據(jù)經(jīng)驗公式，包裝袋長度（切長）約為：
LOF長=產(chǎn)品長度+產(chǎn)品高度×1.25+端封長度=91+11×1.25+25≈130mm
LOF短=產(chǎn)品長度+產(chǎn)品高度×1.25+端封長度=46+11×1.25+25≈85mm
由此知道，在配套相同包裝機數(shù)量的情況下，膜速極限發(fā)生在包裝小產(chǎn)品的工況下?？紤]到產(chǎn)品在傳送帶上傳送時，產(chǎn)品之間會存在間距，在產(chǎn)品之間間隙相同的情況下，假設(shè)均為L，傳送長產(chǎn)品時的傳送帶速度V長（產(chǎn)品傳送數(shù)量600包/min）和傳送短產(chǎn)品時候的傳送帶速度V短（產(chǎn)品傳送數(shù)量1200包/min）分別為：
V長=［（91+L）×600］mm/min
V短=（46+L）×1200=［（92+2L）×600］mm/min
所以傳送帶的極限傳送速度也是發(fā)生在傳送小產(chǎn)品的情況下。因此傳送帶需要達到的極限速度和一次包裝的極限包裝速度都是以小產(chǎn)品尺寸為計算依據(jù)，一次包裝最大速度Q1max=1200包/min。
根據(jù)廠房空間和包裝機尺寸，估算能夠容納的包裝機數(shù)量和產(chǎn)品分配系統(tǒng)的布局。在廠房空間充裕的情況下，可以通過增加包裝機的數(shù)量來達到匹配上游設(shè)備的產(chǎn)品產(chǎn)出數(shù)量。在空間有限的情況下，只能配套較少數(shù)量的包裝機，需要考慮單機的包裝速度能否達到產(chǎn)量要求。雖然包裝機本身可以實現(xiàn)高速的包裝動作，但是結(jié)合包材的因素，過快的包裝速度意味著更短的封合時間，為了達到封合效果必然會增加封合壓力和封合溫度，會造成封合端褶皺、漏氣或是端封被壓破等情況。因此需要合理地安排平衡場地、包裝機包裝速度、包裝質(zhì)量以及包材投入四個因素。
在本項目中，考慮必要的走道寬度，包材運送通道，電柜門打開需要的預(yù)留空間以及潛在維修位置的空間，初步判斷只能擺放下兩臺包裝機以及一套分配兩路的產(chǎn)品分配系統(tǒng)。確定只能使用兩臺包裝機情況下，單條包裝支線傳送數(shù)量需要達到600包/min，接下來驗證該速度下，一次包裝線工況是否在其他邊界條件內(nèi)。
（1）需要最大膜速應(yīng)為：0.085m×600包/min=51m·包/min＜包裝機的可用熱封極限膜速100m/min（BVK系列包裝機）。
（2）包裝機上游傳送袋的線速度：0.085m×（1+）×（1200包/min/2）=76.5m·包/min＜窄傳送帶可用最大線速度120m/min（經(jīng)驗值：產(chǎn)品進入包裝機前的產(chǎn)品間距需要拉到0.5倍產(chǎn)品長度）。
（3）包裝速度為600包/min＜=包裝機理論可用最大包裝速度800包/min（BVK系列包裝機）。
（4）包裝機輸出傳送帶的線速度：0.085m×1.5×600包/min=76.5m·包/min＜窄傳送帶可用最大線速度120m/min。
（5）小產(chǎn)品從上游烤爐輸出排次較多，如采用兩包裝支線，采用兩段下沉式傳送帶把產(chǎn)品分配到兩路包裝支線，下沉式傳送帶動作頻次為30次/min/2=15次/min＜下沉式傳送帶可用最大動作頻次25次/min。
（6）交叉式傳送帶把下沉式傳送帶送來的產(chǎn)品送出（考慮產(chǎn)品排寬1000mm，設(shè)計主傳送帶寬度1200mm），交叉式皮理論上有4s（60s/15次）的時間把產(chǎn)品送出，考慮一定的余量［3］，要求2s內(nèi)把產(chǎn)品送出，那么交叉式傳送帶所需達到的速度為：1200mm/2s=36m/min＜窄傳送帶可用最大線速度120m/min.
1.3.2生產(chǎn)線緩存配置
根據(jù)上述計算，驗證了一次包裝方案可以滿足單支線600包/min，整線1200包/min的理料和包裝速度。但在實際生產(chǎn)中，存在各種因素導(dǎo)致某個短時段（幾秒～幾分鐘）內(nèi)出現(xiàn)以下情況：
（1）上游來料可能不足1200包/min，然而包裝線卻在1200包/min下工作，導(dǎo)致包裝機產(chǎn)出空包。
（2）上游來料1200包/min，然而包裝線短時部分或者完全停止包裝，從而造成產(chǎn)品在包裝線上某個地方堆積溢出。
雖然理論上可以使包裝機的速度去跟隨上游來料速度，但是實踐上往往不可行。因為熱封的基本原理是控制封鉗的溫度、壓力和封合時間三個要素，用包材將產(chǎn)品封合。所以對于上述問題，如使包裝機的速度去跟隨上游來料速度，那么當包裝機速度變動時，原本合適的溫度、壓力和封合時間是可以產(chǎn)生合格的封合效果，在突然改變速度的情況下，溫度無法瞬時改變，壓力由于機械結(jié)構(gòu)的固定也無法改變，只有封合時間在包裝速度的改變時可以改變。結(jié)果導(dǎo)致封合結(jié)果的三個因素里，兩個因素未變化而只有一個因素發(fā)生了變化，那么這必然使封合質(zhì)量受到影響。
作為用于包裝的設(shè)備，其工藝目的是包裝本身。來料不穩(wěn)，應(yīng)考慮用其他手段去彌補，而不是用包裝設(shè)備去解決來料不穩(wěn)的問題。為了保證包裝質(zhì)量的穩(wěn)定，包裝機理應(yīng)工作在恒定包裝工況下而不是頻繁變速。
針對這個上下游產(chǎn)線的生產(chǎn)速度短時不匹配的問題，目前比較成熟的方案就是在流水線中設(shè)置緩存，來吸收短時間內(nèi)上下游的速度不匹配。考慮投資成本的最小化，采用緩存?zhèn)魉蛶?，可以緩?～2min的產(chǎn)品。在（1）情況下，可以用緩存?zhèn)魉蛶Ю锏漠a(chǎn)品補足1200包/min，在（2）情況下則可以把多余溢出的產(chǎn)品送到緩存?zhèn)魉蛶?。如果投資預(yù)算充足，可以根據(jù)產(chǎn)品流向和布局采用先進先出或者是后進先出類型的緩存塔，緩存塔可以存儲更多的產(chǎn)品，也就是能吸收更大的產(chǎn)品不穩(wěn)定波動，極大地提高了流水線的穩(wěn)定性和魯棒性［4］。
同時，將緩存功能結(jié)合故障控制設(shè)計，對于該兩分支包裝線，在程序中設(shè)置的故障處理邏輯為當一個分支包裝線發(fā)生故障，繼續(xù)向未發(fā)生故障的包裝支線輸送產(chǎn)品，多余未能包裝的產(chǎn)品送入緩存?zhèn)魉蛶?。當主傳送帶發(fā)生故障，而兩包裝直線正常時，由緩存?zhèn)魉蛶л斔彤a(chǎn)品到兩包支線進行包裝。
1.3.3剔除工位配置
在包裝線的合理位置配置不合格產(chǎn)品的檢測和剔除機構(gòu)。不合格的產(chǎn)品，可以是產(chǎn)品質(zhì)量本身不合格，比如有殘缺；也可能是產(chǎn)品在傳送過程中的位置或朝向不正確，會造成生產(chǎn)線卡停的風險。剔除功能一方面可以提高包裝線的穩(wěn)定性，另一方面可以提高輸出產(chǎn)品的合格率。
在本項目中，考慮需要做的檢測和剔除功能有：
（1）對產(chǎn)品進行金屬檢測，檢測出金屬則觸發(fā)剔除動作。
（2）對進入包裝機進料機構(gòu)的產(chǎn)品朝向進行整理，如果在產(chǎn)品導(dǎo)向后，產(chǎn)品的朝向和預(yù)設(shè)朝向還是存在較大差異、產(chǎn)品并排或產(chǎn)品有堆疊，則需要剔除這些產(chǎn)品。
（3）主動剔除：當有產(chǎn)品質(zhì)量檢驗需求，需要從包裝流水線上抽檢產(chǎn)品、或者因為后續(xù)工藝停機而前端工藝未停機情況下，產(chǎn)品需要有出口而不是堆積在包裝線上，需要有主動剔除機構(gòu)或?qū)?/span>向機構(gòu)把產(chǎn)品導(dǎo)出包裝生產(chǎn)線，避免產(chǎn)品堆積在包裝線上。
（4）由于前端剔除產(chǎn)品，而在包裝機某個鏈接產(chǎn)生空位，或是短時間產(chǎn)品沒有送到包裝機而包裝機依然在運行，最后會在包裝機輸出空包，因此須要配置空包剔除，避免空包流向后道包裝工序。
（5）由于包裝膜換卷產(chǎn)生的自動接膜包，須要在包裝機出口剔除。
（6）包裝膜自身的工藝性接頭，須要在包裝機出口剔除。
（7）短暫停機后，由于在長封處停留的包膜可能已經(jīng)燙壞，須要在包裝機出口剔除這種燙壞的包裝袋。

2生產(chǎn)線實施

整個自動化包裝線布局設(shè)計如圖1所示。

圖1包裝生產(chǎn)線布局簡圖
首先布置進料傳送帶組A：在這里把每行產(chǎn)品排列整齊，然后通過行間距拉伸傳送帶把每行產(chǎn)品之間的間距拉開，接著在傳送帶A末端的下擺傳送帶，把產(chǎn)品送入交叉式傳送帶B-1和B-2。
其次是交叉式傳送帶B-1和B-2把產(chǎn)品分別送到兩道包裝支線；在轉(zhuǎn)向傳送帶C-1和C-2對產(chǎn)品做90°轉(zhuǎn)向后，把產(chǎn)品的朝向?qū)虺僧a(chǎn)品短邊朝前，在經(jīng)光眼驗證朝向和產(chǎn)品尺寸后，把合格的產(chǎn)品送入產(chǎn)品間距匹配傳送帶組D-1和D-2，而如果光眼檢測出朝向不符合要求或是產(chǎn)品尺寸不合格，則觸發(fā)檢測光眼后面的空氣吹嘴動作，把產(chǎn)品剔除出包裝線并同時產(chǎn)生一個產(chǎn)品的空位。之后的D-1和D-2為三段式傳送帶組，功能是小范圍消除每個產(chǎn)品之間的間距差（間距差小于兩個個產(chǎn)品的尺寸），把產(chǎn)品整列成等間距的產(chǎn)品流，送入包裝機。

最后在包裝機把產(chǎn)品包裝好后，送入二次裝盒工序。
另外，為應(yīng)對上游設(shè)備的產(chǎn)品供料少于包裝機用料、或是某包裝支線短時停機導(dǎo)致上游產(chǎn)品供料多于包裝機吃料的情況，在E處配置了緩存?zhèn)魉蛶?。具體功能為：在上游設(shè)備沒有傳送來產(chǎn)品的時，由此處緩存?zhèn)魉蛶О咽孪染彺婧玫漠a(chǎn)品供給包裝線，以達到上游設(shè)備的短時停機不會導(dǎo)致包裝線停機的目的；而當包裝線出現(xiàn)小故障停機后，進料傳送帶組A把產(chǎn)品送入緩存?zhèn)魉蛶而不送入交叉?zhèn)魉推-1或B-2，當包裝線恢復(fù)運行后，傳送帶組A再把產(chǎn)品輸送切換回B-1和B-2，同時略微提升包裝線的速度，使得包裝線吃料略大于上游設(shè)備供料，以便消耗緩存?zhèn)魉蛶1里的產(chǎn)品，慢慢清空緩存［5-7］。
3結(jié)束語

巧克力涂層米棒包裝線項目交付投產(chǎn)后，實現(xiàn)了在較小的場地內(nèi)、僅由兩個操作人員就可完成整個一次理料和包裝工藝并達到每小時7.2萬
包的產(chǎn)品包裝任務(wù)；對比4-5臺包裝機的人工喂
料的半自動化方案；每個班次節(jié)省10個人次，場地節(jié)省約20～30%；設(shè)備投資回報率達到2.5年以內(nèi)。通過該自動化項目，企業(yè)節(jié)省了生產(chǎn)成本并提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

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