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1、上海交通大学硕士学位论文机械手式高速无菌砖包机横封系统运动特性研究及实现姓名：温鹏俊申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：王石刚20080201上海交通大学硕士学位论文 摘要 I 机械手式高速无菌砖包机横封系统运动特性研究及实现 摘 要 我国的液态饮品工业是近十多年发展起来的新兴行业。目前，液态食品和饮料市场的迅猛发展，极大的带动了国内饮料包装产业的发展。然而国外跨国公司对高速无菌砖包机核心技术的垄断，导致液态饮品包装成本居高不下，严重阻碍了国内饮料包装产业的健康发展。因此，研发具有自主知识产权的高速无菌砖包技术显得迫在眉睫。横封系统是高速无菌砖包机的核心部件之一，其优劣直接影响无菌
2、砖包的产品质量与生产效率。目前国内该部分技术仍属空白，因此横封系统的设计与研究对于研发具有自主知识产权的高速无菌砖包设备，打破国外技术垄断、促进国内饮品包装行业的发展具有极为重大的意义。本文结合实际要求，采用理论研究和软件仿真方法，对机械手式横封系统的工艺要求、运动特性、机械系统设计进行了较为详尽的研究分析，横封机构的设计满足了高速无菌砖包机复杂工艺及其高速性的需求。所做重点工作如下：1.研究高速无菌砖包的成型特点，分析得到横封系统的功能要求，为横封机构运动设计提供方向和依据；针对各个功能，提出机械上海交通大学硕士学位论文 摘要 II 实现方案及原理。2.根据横封工艺要求，推导夹爪最小张开角度
3、、行程总长度等运动约束条件。为实现复杂的工艺要求，设计机械手式横封夹爪两驱动导杆的运动规律，并利用 MATLAB 对该运动规律进行 5 次B-spline 拟合优化，成功消除了其加速度突变。3.为精确实现横封夹爪两驱动导杆的运动，采用局部建立约束的方法建立其连杆机构的运动学模型，并应用附加驱动约束的方法进行运动学分析。利用 MATLAB 强大的数值计算功能，根据最小二乘思想，编制开发连杆机构运动学模型的计算程序，反求出该机构输入端的运动规律。4.推导两个凸轮基本参数的相关条件，实现两凸轮的协调安装和工作。根据不同的安装方式分别建立两驱动凸轮廓线解析表达式，并利用 MATLAB 设计凸轮廓线自动
4、计算函数，根据设计需要给出相应的输入和输出参数，并显示凸轮廓线。利用 UG 的二次开发功能，编制凸轮廓线自动生成程序，将凸轮廓线数据转化为 UG三维模型，并利用其运动仿真模块进行机构运动仿真。仿真结果显示，该凸轮连杆机构实现了预期运动。全文围绕横封系统运动特性的设计要求，采用理论分析计算及软件仿真的研究方法，优化运动曲线，并完成具有复杂运动的基于凸轮驱动上海交通大学硕士学位论文 摘要 III 的机械手式横封机构的研究设计。关键词：高速无菌砖包，横封系统，运动特性分析，机构设计，软件仿真上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT III RESEARCH AND REALIZATION OF K
5、INEMATIC PROPERTIES FOR MANIPULATOR TRANSVERSE SEALING SYSTEM OF HIGH-SPEED ASEPTIC BRICK PACKAGING MACHINE ABSTRACT The liquid beverage production is a newly emerging industry in our country over the last decade.Nowadays,the rapid development of the liquid food and beverage market strongly promoted
6、 the development of domestic beverage package industry.However,the core technology of the high-speed aseptic brick packaging machine is monopolized by foreign multinational,which seriously impedes the sound development of the domestic beverage package industry.Consequently,its pressing that we devel
7、op the high-speed aseptic brick packaging technology of our own and possess the intellectual property.Transverse sealing system is one of the core parts of the high-speed aseptic brick packaging machine,which directly impacts the quality and productivity of the latter.At the present time,the technol
8、ogy of this part is still a blank at home.Then the design and research of the transverse sealing is a matter of great importance for developing the high-speed aseptic brick packaging technology with our own intellectual property,breaking up monopolies of the foreign multinational and promoting the d
9、omestic beverage packaging industry.In the light of practical applications,this paper conducted an elaborate study and analysis into the production technics,kinematic characteristic and machinery system design,employing the method of theory analyzing and software simulation fulfilled the mechanism d
10、esign of the transverse sealing system which satisfied the technical and kinetic demand by and large.The key work is as follow:上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT IV 1.Studied the characteristic of the high-speed aseptic brick package molding,worked out the functional request of the transverse sealing system,prov
11、ided orientation and evidence to the mechanism locomotion design of the transverse sealing system,proposed the implementation and elements of the machine aiming at different each function.2.According to the technical demand of the transverse sealing,considering constraints such as the minimal open a
12、ngle of the jaw,total travel length and so on,designed the motion law of the manipulator transverse sealing,conducted 5-order B-spline fitting optimization to the motion law with MATLAB,successfully eliminated the acceleration gust in the motion.3.In order to achieve the accurate movement of the two
13、 driving-links of the transvers sealing jaw,established the kinematic model of the transverse sealing by setting up local constraints,and performed kinematic analysis to it by appending drive constraints.Based on the MATLABs powerful function of numerical calculating and the least-squares algorithm,
14、worked out the computing program of the link mechanisms kinematic model,reversely determined the motion law of the input end of the mechanism.4.Deduced the correlative condition of the two cams basic parameters,implemented the unisonous installation and working.According to various fixing mode,the a
15、nalytical expression of the two drive cams profile was established respectively.And the auto-calculating function was worked out with MATLAB,which can provide relevant input and output parameters on demand,and display the cam profile.The auto-calculating was programmed based on secondary development
16、 of UG,which can convert the data of the cam profile into 3-d model and conduct kinematic simulation of the mechanism,taking advantage of the motion simulating module of UG.As displayed in the simulating 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT V result,the cam-linkage mechanism realized the prospective motion.This pa
17、per focuses on the design requirements of the transverse sealings technics and motion characteristics,employing the method of theory analyzing and software simulation,optimized the motion curve,and completed the design of the manipulator transverse sealing mechanism with complex motion and cam drive
18、n.KEYWORDS:high-speed aseptic brick packaging,transverse sealing system,kinematic properties analysis,mechanism design,software simulation 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法
19、律结果由本人承担。学位论文作者签名：温鹏俊 日期：年 月 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：温鹏俊 指导教师签名：王石刚 日期：2008 年 2 月 18 日 日期：2008 年
20、 2 月 18 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究的背景和意义 我国的液态饮品工业是近十多年发展起来的新兴行业。目前产品范围有:碳酸饮料、果汁饮料、菜汁饮料、植物蛋白饮料、天然矿泉水、乳饮料、固体饮料、其他饮料等八大类1。发展饮料工业对支援农业、为国家积累资金、丰富市场、满足人民日益增长的生活需要，将起着越来越重要的作用，己逐渐成为消费品生产中不可缺少的重要行业。我国正处于液态食品和饮料市场迅猛发展的时期。2001 年我国人均奶制品消费量为 7.2 公斤，到 2006 年人均消费量已增长到 18.29 公斤，年平均增长率达到了20.5%。而目前世界人均奶
21、制品年消费量约为 100 公斤，发达国家更是达到了 300公斤，我国人均奶制品年消费量才仅仅为世界平均水平的 1/5。中国奶协副理事长王怀宝表示：“未来 5 年内乳业市场的发展速度不会低于 15。”而麦肯锡最近的一份研究报告认为，2010 年中国乳业市场将达到 200 亿美元的规模。在饮料市场方面，其产量和销量同样快速增长。以果汁为例，2004 年，全国果汁及果汁饮料产量为 4816823.8 吨，比 2003 年同期增长了 27.95；2005 年全国果汁及果汁饮料的产量突破了 6000000 吨，比 2004 年增长了 29.17。2006 年 1-10 月份，中国果汁及果汁饮料产量为 7
22、196692.9 万吨，与上年同期相比增长 27.96%。液态食品的防腐、抗菌和运输是制约该产业发展的主要因素。由于无菌灌装具备防腐（无需任何添加剂，确保对身体无害），能最大限度地保留食品中原有的营养成分和风味，无需冷藏和便于保存、运输等优点2，目前无菌灌装已经成为液态食品的主要包装形式。食品的无菌包装是指将经过灭菌的食品（饮料、奶制品等）在无菌技术环境中包装，封闭在经过杀菌的容器中，以期在不加防腐剂，不经冷藏的情况下得到较长的货架寿命。无菌包装适合各种饮料包装要求，特别是对液态奶的保存、运输和销售起到了极为关键的作用。液态食品消费的飞速增长将为无菌包装行业带来巨大的市场。据预测，未来几年内我
23、国无菌包装市场将以每年 20%30%的速度增长。我国的无菌包装产业起步较晚且技术力量薄弱。目前国内包装企业只有山东泉上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 林、恒洋机械等少数包装公司开发出了具有自主知识产权的无菌包装设备，而这些设备也基本上停留在低速包装的水平，远远不能满足液态奶需求的发展。在包装材料方面，虽然已有国内企业掌握了无菌液态食品包装材料的制造技术，且具有低于国外公司同等产品的价格，但是由于高速无菌包装技术的欠缺，导致无法与国外公司进行有效的市场竞争。以上原因致使我国目前 95的液态食品无菌包装市场被瑞典利乐、瑞士康美等国外包装企业所控制。而以利乐公司为代表的生产设备与包装材料捆
24、绑销售的策略直接导致我国国内液态奶价格居高不下，严重制约了我国液态食品行业的健康发展。因此，开发出具有我国自主知识产权的高速无菌包装设备已经迫在眉睫。2004 年山东泉林包装有限公司和上海交通大学共同研制成功国内第一台高速无菌枕包灌装机，其实际生产能力达到了 80009000 包/小时，高于之前的国际同类最高水平 40006000 包/小时。枕包产品虽然具有较低成本，但是砖包产品所具有的易于饮用、便于上架和携带、外形美观等优点以及包装商对利润最大化的追求，使其成为无菌包装的国际主流产品，且具有更大的发展前景。目前，市场上一只 250ml 的利乐包装盒，其价格在 0.4 元左右，几乎占一包鲜奶出
25、厂价格的一半。据预测，假设包装设备和材料实现国产化以后，能使包装费用每包下降 0.15 元，那么仅仅以 100 亿包牛奶为例，就能为整个国家和社会节约 15亿元人民币。由此可见，开发出具有我国自主知识产权的高速无菌包装设备，打破国外企业对我国市场的垄断控制，能为国家和社会带来巨大的经济效益。1.2 无菌包装的发展及现状 无菌包装是指将经过灭菌的食品，在无菌技术环境中包装，封闭在经过杀菌的容器中，以期在不加防腐剂，不经冷藏的情况下得到较长的货架寿命。无菌包装主要包括三个环节：食品（饮料、乳制品等）的杀菌处理；包装材料（容器）的杀菌；在无菌环境下完成包装、形成产品。因此，无菌包装需要有这三个方面对
26、应的设备与技术，并使上述三个环节有机的结合在一起。首先，食品灭菌的关键是提高杀菌温度，缩短杀菌时间，实现在不破坏或少破坏物料营养成分的前提下杀灭细菌的目标。乳品灭菌的方法主要包括巴士消毒法和超高温灭菌技术(UHT)。近几年，超高温瞬时杀菌技术发展较快，并在乳品无菌包装行业获得广泛应用。此外，高电压杀菌的技术与设备也在研究，并得到初步应用。上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 第二，无菌包装设备利用双氧水对包装材料进行消毒，并要求在无菌环境中完成对包装材料的烘干、纵向封合、食品灌注以及横向封合等工序。为保证整个过程的无菌状态，必须实现上述动作的完全自动化。每一台无菌包装设备都具有不可或缺的
27、机械、控制、微生物栅栏和质量监控保障系统。每个系统彼此之间既相对独立又相互联系。在主控计算机的监控下整体协同运行。无菌包装的优越性表现在以下几方面：(1)可最大限度地保持食品的天然风味、品质和营养，确保产品质量；(2)无需冷藏或添加防腐剂便可在常温下贮存 1218个月不变质，风味可保持 68 个月不损失；(3)不仅可处理一次性小包装，还可以进行分装用大包装；(4)便于自动化、连续化作业，生产效率高；(5)可采用多种包装材料、节约包装成本；(6)节约能源3。因此无菌包装得到包装企业和消费者的认可，市场迅速扩大，无菌包装技术、设备、材料也得到迅速发展。1.2.1 国内外无菌包装技术的发展及现状 无
28、菌包装技术诞生于上世纪 40 年代，并于 60 年代初由瑞典的利乐公司首先推出无菌包装机械。现在国外共有 30 多家无菌包装设备生产商，且部分产品已成系列,如瑞典利乐公司(LEALER)，美国国际造纸公司，法国埃卡(ERCA)公司、SERAC 公司，英国 METAL-Box 公司，德国 BOSCH 公司、HAMBA 公司、GASTI 公司，意大利 BENCO 公司、CERAC 公司，芬兰 ELECSTER 公司，瑞士 SIG 公司，日本四国化工机械株式会社等3,4。目前，纸质无菌砖式包装已经成为世界液态食品包装的主流包装形式。在发达国家，无菌包装在乳品包装中占 70左右，而这个市场仍然在快速增
29、长5,6,7。而无菌包装在我国乳制品中仅占 10%，而且这些市场都被外资品牌所垄断8。无菌包装技术的发展与无菌包装的包装材料的发展及包装设备的改进有着密切的关系。屋顶型纸盒在本世界 20 年代末期已初具雏形，此时纸盒内壁是采用涂蜡工艺。60 年代，这种工艺被挤压涂塑所取代。到了 70 年代，标准的半品脱包装纸盒诞生了。随后不久，容量为 8 盎司的“经济包”问世，1986 年，“厚壁包”亮相，这种包装不仅能抵制果汁的酸性，同时能保留果汁的香味，延长产品的货架期。1990 年，帽塞屋顶型纸盒“保鲜屋”面世。无菌包装设备技术是无菌包装技术发展水平的重要衡量标准。世界范围内以利乐公司的无菌包装设备最具
30、代表性，其发展史可简述如下：上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 1946 年，第一部液体包灌装机正式诞生。将涂塑纸卷卷成灌装，在充填产品后在液位下封口而成。整个过程不但能连续操作，而且包装成型及填充工序都在同一台机器中进行。1961 年，首台无菌牛奶灌装机诞生。通过超高温杀菌技术（UHT），使牛奶的有效期从几天延长到几个月，而口味和营养成分几乎不受影响。之后，利乐公司又推出了 TBA 系列无菌砖式包装机。2002 年，他们推出的 TBA/22 将无菌砖式包装带入到了真正意义上的高速时代。目前，利乐的客户们正在使用的有两种高速包装线：利乐 A3/高速线，每小时可生产 12,000 个家庭
31、装；TBA/22 灌装线，每小时可成形、灌装 20,000 个个人装。TBA/22可处理 5 种不同的 200 毫升和 250 毫升的利乐无菌砖个人装，而利乐 A3/高速线可生产 1,000 毫升的无菌利乐砖正方形、标准形及苗条形包装。TBA/22 也能够处理1,000 毫升包装三种不同的开口。可以看出高速、包装规格多样化是包装机械的发展方向9,10。越来越多的国内单位从事无菌包装设备、材料、工艺、元器件的开发与生产。北京航空工艺研究所开发生产了大袋无菌包装生产线，并通过了国家鉴定，获得了国家级奖励。沈阳自动化仪表研究所、广东远东食品包装机械公司分别开发生产了大袋、砖型包无菌包装设备。宁波轻工
32、机械厂开发生产了盘管式换热器。扬州昌隆无菌包装公司、陇西复合软包装材料厂、广州金威龙实业公司分别开发生产了大袋无菌包装用袋11。从无菌包装发展的本身来看，目前国内食品无菌包装设备大部分是国外进口的，不少包装材料和零备件也依赖进口。价格过高、折旧费及银行贷款利息对厂家压力很大。另一方面，进口无菌包装设备技术先进，使用维修复杂，而短时间内部分中小企业的人员素质上不去，也造成开工率不足。2004 年由上海交通大学与山东泉林包装有限公司合作，成功研制出我国首台具有自主知识产权的高速无菌枕灌装机，并且已获 9 项国家发明专利和 2 项实用新型专利。这台机器是我国第一代链式高速无菌灌装机，灌装速度可达 8
33、0009000 包/小时，已超越世界最先进的 40006000 包/小时的水平。这标志着我国自主的无菌包装水平上升到了一个新的台阶，从低速无菌包装走向了高速无菌包装。然而对于在世界范围内占主流地位的高速无菌砖包设备在我国尚为空白，因此在已有的高速无菌枕包设备技术的基础上，对高速无菌砖包设备的研究具有重要意义。上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 5 1.2.2 高速无菌砖包生产系统 完整的高速无菌砖包生产流水线，如图 1-1，包括以下设备：无菌砖包设备、日期打印设备、贴管设备、分送设备、产品缓冲库、纸箱包装设备和运货平台等12。图 1-1 高速无菌砖包生产流水线 Fig.1-1 Produc
34、t line of high-speed aseptic brick packaging 其中无菌砖包设备是整个生产系统的核心，是决定无菌砖包生产水平的关键设备。高速状态下，包装材料的消毒、无菌环境的形成和保持、饮料灌注和产品封口和成型等主要工作都在自动化程度极高的无菌砖包机中完成，其流程如图 1-2 所示。图 1-2 高速无菌砖包过程 Fig.1-2 Process of high-speed asepsis brick packaging 1.3 高速无菌包装机的关键技术 高速无菌砖包机是机、电、液一体化的高科技设备，在其机械系统和控制系统当中存在着大量的关键技术，而掌握这些关键技术并实现
35、其应用正是研发具有自主上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 6 知识产权的高效无菌砖包机的关键和难点所在。机械系统是高速无菌砖包机的载体和执行机构，可分为辅助部分和机器主体部分。辅助部分主要有送纸小车和输送设备组成，其构造比较简单。而机器主体部由以下几个部分组成：机架，纸路系统，包材飞接系统，竖封条飞接系统，贴封条系统，双氧水系统，横封系统，终端成型系统。相对与无菌枕包机，无菌砖包机中的横封系统结构和组成发生重大变化，而终端成型系统则为其所特有。本研究课题主要是进行其横封系统的设计和研究工作。控制系统主要包括：过程控制系统、状态监控系统、图案校正系统、高频加热系统、无菌工艺控制系统、张力液位
36、及纠偏控制系统、故障诊断系统、远程维护与通讯系统。高速无菌砖包机的控制系统主要由可编程控制器（PLC）、工业控制计算机、触摸屏、图案校正控制卡、温控仪、汽缸、阀、各类传感器、伺服电机、变频电机和步进电机等组成。横封系统作为高速无菌砖式包装机最主要的系统结构之一不仅要完成高频封合13和包装切断工作，而且必须包含砖包预成型和位置校正等功能，同时保证高速高精度运动的有效执行，因此横封系统成为高速无菌砖包机的核心技术之一。1.4 论文的主要内容和结构 1.4.1 论文的主要内容 结合机电一体化的设计思想，本文着力通过新思路、新方法研究开发一种新型的砖包成型系统，针对横封系统研究难点，本文主要进行以下工
37、作：1.利用凸轮连杆机构原理对砖包连续横封成型机构进行设计，并根据各功能要求和凸轮连杆机构特点编排工艺路线，设计相应的实现机构。2.基于工艺路线编排，设计横封夹爪运动规律。根据工作过程要求给出夹爪最小张开角度、行程总长度等运动约束条件，并按照要求设计出控制夹爪张合的两导杆运动规律，并采用样条曲线对上述运动规律进行优化，成功消除加速度突变。3.为保证横封夹爪两驱动导杆的高速运动精度，采用局部约束的方法建立了连杆机构的运动学模型，并利用附加驱动约束的方法对该模型进行分析。利用 MATLAB 数值计算功能，根据最小二乘思想编制计算程序，给出该连上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 7 杆机构的极值
38、条件、初始位置常数条件等，并最终反求该连杆机构输入角度运动规律。4.推导两个凸轮基本参数的相关性，以实现横封夹爪工艺运动要求。根据不同的方式建立两驱动凸轮廓线解析表达式，并利用 MATLAB 设计凸轮廓线计算程序，根据设计需要给出相应的输入和输出参数，并显示凸轮廓线。利用 UG 的二次开发功能，编制凸轮廓线自动生成程序，将凸轮廓线数据转化为 UG 三维模型，并利用其运动仿真模块进行机构运动仿真。仿真结果显示，该凸轮连杆机构实现了预期运动。5.结论以及展望。总结全文，并提出高速无菌砖包机横封系统今后的研究领域和发展方向。1.4.2 论文的结构 论文共分七章，它们的结构安排如图 1-3 所示，其中
39、第 3、4、5、6 章为本文的核心章节。绪论无菌砖式包装机综述基于凸轮驱动的夹爪式横封机械系统方案设计连杆系统运动学理论分析和MATLAB数值计算横向封合工艺路线编排，及横封夹爪运动规律设计驱动凸轮协同建模及其MATLAB辅助设计，机构运动学仿真结语使用方法：1.三维实体建模（UG）2.数值计算和仿真分析（Matlab）图 1-3 论文结构 Fig.1-3 Structure of the paper 上海交通大学硕士学位论文 第二章 无菌砖式包装机综述 8 第二章 无菌砖式包装机综述 无菌砖式包装技术的工艺流程如图 2-1 所示，产品（牛奶、乳制品、饮料等）经过巴氏灭菌（低温灭菌）或超高温瞬
40、时灭菌（UHT）后经管道输送到灌装机，同时包装材料在输送过程中进行灭菌，然后在无菌环境中进行产品的灌装、密封，然后切割为一个个的独立小包装，再经过终端成形后，形成我们常见的独立砖式包装。图 2-1 无菌包装工艺流程 Fig.2-1 Process of Aspect Packaging 上述流程图中，虚线包围的过程，即包装材料输送灭菌、无菌包装过程直到形成独立的密封包装就是无菌砖式包装机所要完成的功能。2.1 无菌包装材料介绍 无菌砖包的包装材料是一种复合材料14,15，其组成如图 2-2 所示,主要由纸、聚乙烯和铝箔三种材料分层组成。图 2-2 无菌砖包的包装材料组成 Fig.2-2 The
41、 package material for aseptic brick 由外而内，第一层是聚乙烯，主要作用是防水并能防止微生物的透过；第二层是纸层，主要作用是赋予包装材料良好的形状和强度，并可印刷；第三层是聚乙烯，主要作用是粘合纸层与铝箔；第四层是铝箔，主要作用是在封合过程中经电感应加上海交通大学硕士学位论文 第二章 无菌砖式包装机综述 9 热熔化内层聚乙烯，在一定压力的作用下完成封合，同时能阻止氧气、风味物和光线的透过；第五层是高密度聚乙烯，主要作用是防止纸层的印刷油黑分子向内迁徙，同时防止产品风味物质向外渗透；第六层是聚乙烯，主要作用是防止液体透过及熔化封合。这种复合材料在高速无菌砖包生产
42、时会受到一定的张力而在长度方向上发生不定的变形，影响包装成型过程。无菌砖包的包装纸是以纸卷的形式储存的，在包装生产的时候才将包装纸平展拉出，而且原包装纸上设置有图案等元素。为了砖形包装产品的外形美观，在原包装纸的一定位置上已刻有“预折痕”。预折痕可使无菌砖包外形显得有棱有角，但是前提是保证实际成型时恰好在预折痕处折弯。如图 2-3，部分预折痕与成型砖包上的实际折痕位置必须一致，才能保证产品外形的美观。图 2-3 预折痕与实际折痕的对应 Fig.2-3 The matching of pre-crease and actual crease 2.2 无菌砖式包装机机械系统构成 高速无菌砖包生产的
43、主要过程就是将连续的原始包装材料输送至双氧水槽进行消毒处理，之后经滚筒仓挤压除去包装材料上大部分的附着双氧水，再进入由高温灭菌的无菌环境进行干燥处理以蒸发掉残余双氧水，紧接着继续在该无菌环境下通过成型机构将平展的包装材料在长度方向上卷成竖直的管状，并利用竖封系统进行纵向封合的同时，注入已经过消毒处理的液态产品，而纸管底部则由横封系统在连续的切割及封口过程中保持闭合，横封的同时要进行图案校正以保证切割及封合位置的准确性，初步成型的产品最后进入终端成型系统完成最后定型。整个砖包机主要由以下五个系统组成：无菌仓、纸路系统、竖封系统、横封系统、终端成型系统，其中横封成型和终端成型系统通称为成型系统，下
44、面对这五个预折痕 实 际 折上海交通大学硕士学位论文 第二章 无菌砖式包装机综述 10 系统进行简要说明，以阐述无菌砖包的成型过程及各系统的功能。2.2.1 无菌仓系统 无菌仓本身只是一个仓体，却是无菌灌装的关键部分。在无菌仓这个无菌环境中完成一系列的操作：包材成型（包材由片状逐步卷成筒状）、竖封（筒状包材中缝粘合，形成密封纸筒）、物料填充。还包括包材成型前的挤压、烘干和纸路纠偏。无菌仓是一个人为制造的无菌环境，其形成原理是双氧水雾化喷洒。在机器处于生产状态时是一个密闭的仓体，由双氧水喷雾灭菌后热空气流入保证仓内正压。外部的主加热器、热交换器、预热阀及管道等热空气部分、双氧水补液、喷雾等双氧水
45、功能均是实现无菌仓内无菌环境的必要组成。2.2.2 纸路系统 纸路系统主要是实现以下几个功能：(1)保证纸路输送的连续和通畅，不出现卡纸、折纸或断纸现象。(2)保证包装纸输送平稳，无抖动、窜动。(4)进行包装纸的自动飞接，保证生产的连续性。(3)横向定位平展开的包装纸，保证竖封位置的准确。纸路系统主要包括走纸滚筒、自动飞接装置、缓冲纸库、张力调节装置、纸路调偏装置和成型环等六个部分。这里需要说明的是纸路系统并不提供包材输送的动力源，而是由横封系统对包装纸的连续拉动来实现的。走纸滚筒是包装纸输送的主要载体，滚筒表面要求光滑以防止对包装纸的接触刮伤，并要求能安装在机架的不同位置，为了尽量减少包装材
46、料横向偏移，需要在滚筒两侧安装专门设计的挡纸边。自动飞接装置只有在已有的包装纸将快耗尽时发挥作用，它的任务是将准备好的新包装纸快速、准确的接合到原先的包装纸上，并切断原包装纸的少量剩余部分，以防止无菌砖包生产因包装纸耗尽而被迫中断。缓冲纸库是保证整个生产过程连续性的重要组成部分。由于在进行自动飞接时，纸仓内的包装纸会在短时间内停止输送，此时要靠缓冲纸库的库存纸来保证继续生产。在非自动飞接阶段，应保证缓冲纸库始终有足够的库存纸。张力调节装置主要是控制纸路张力在合适的范围内，使纸路既不能由于张力过上海交通大学硕士学位论文 第二章 无菌砖式包装机综述 11 大被拉断，又不能由于张力过小，包装纸缠绕在
47、滚筒上面或者纸路发生偏转，从而对后道工序产生影响16,17。纸路调偏装置的作用是精确控制纸路的横向偏移，使得包装纸竖封位置准确以保证产品包装横向无偏移。成型环的功能是将平展的包装纸卷成管状以进入下一步的竖封，高速无菌砖包机系统中设置有多级成型环使得包装纸能够顺畅地卷曲。2.2.3 竖封系统 竖封系统主要采用高频感应加热的方法将通过成型环已形成纸管状的包装纸在竖直方向上进行封合，并协同正下方的横封系统使得一定长度的一段包装纸形成只有上端开口的圆形容器状，从而可以实现牛奶或其他饮料的灌注。高频感应加热是利用导体在高频磁场作用下产生的感应电流（涡流损耗），以及导体内磁场的作用（磁滞损耗）引起导体自身
48、发热而进行加热的。无菌砖包的包装纸是多层复合包装材料，其中包括有铝箔层与聚乙烯层，高频感应使得铝箔产生涡流发热从而熔化聚乙烯层，同时施加一定压力下使得包装纸封合。高频感应加热系统有高频电源（高频发生器）、导线、变压器、感应器组成。高频电源把普通电源（220V/50Hz）变成高压高频低电流输出；变压器再把高压高频低电流变成低压高频大电流；而感应器通过低压高频大电流后在感应器周围形成较强的高频磁场，一般电流越大，磁场强度也越高；最后紧压在感应器上的铝箔在高频磁场作用下，在极短的时间里，能达到熔化聚乙烯的温度13,18。2.2.4 横封系统 横封系统的主要功能是将已注入饮料的连续纸管封合切割成为单个
49、的半成品。具体的讲，横封系统要完成以下几个工艺动作和要求：(1)夹爪动力提供，横封夹爪的运动拖动包装材料运动，横封夹爪的动力是整个包装机的主动力源；(2)产品基本成型；(3)产品封口与切割。由上述工艺要求决定了横封系统中必须包含包装盒预成形系统、高频封合系统和包材位置校正系统。2.2.5 终端成形系统 经过横封切割的单个半成品随即被送入终端成型系统，该系统是无菌砖包成型上海交通大学硕士学位论文 第二章 无菌砖式包装机综述 12 的最后一道工艺，其主要功能是巩固和修整砖式包装、将横封遗留下的扁平状突出进行折叠并粘合在砖包侧面，最后将成品送入高速无菌包装生产流水线的下一道工序。如图 2-4 为终端
50、成型系统的机械系统示意图。图 2-4 终端成型机构图 Fig.2-4 Mechanism of final folder 2.3 本章小节 本章首先对无菌砖包机的工作流程进行综述，并对并对其机械系统进行分类，这其中包括：无菌仓、纸路系统、竖封系统、横封系统以及终端成型排包系统，并分别对其功能进行了初步地阐述。上海交通大学硕士学位论文 第三章 机械手式横封系统方案设计 13 第三章 机械手式横封系统方案设计 无菌包装是指液体食品在经过短时间灭菌之后，在包装材料、包装食品、包装设备及环境均无菌的情况下进行灌装、封合的一种包装技术。整个灌装封合的过程又可以分为：包装材料消毒处理后进入无菌密封仓中；在