網(wǎng)絡化數(shù)控高速PET瓶裝飲料裝備關鍵及共性技術

1、廣東工業(yè)大學 王欽若教授手機話mail：網(wǎng)絡化數(shù)控高速PET瓶裝飲料裝備關鍵及共性技術1、項目研制背景優(yōu)秀的企業(yè)針對PET瓶的特性尋求一種綠色環(huán)保的包裝方式PET瓶造成了回收處理的高成本，但又不可替代目的本項目主要研究減量化環(huán)保包裝技術，針對水、茶果蔬汁和含氣飲料，開發(fā)以節(jié)能降耗為目的的輕量化瓶飲料吹灌旋一體化裝備。意義原材料成本降低 26% 生產(chǎn)過程的能耗成本降低 20% 設備、廠房成本降低 15%-30%營運成本降低 （無需消毒水和洗瓶用水，節(jié)省存儲空瓶的倉儲間） 人力成本和設備維護成本降低 （降低人力成本、降低維護成本）1、項目研制背

2、景以每年10億瓶飲料估算，輕量化后將減少6200噸PET塑料，相當于降低了16400噸碳排放，也相當于新增了262平方公里（101平方英里）的森林。2.1 飲料包裝機械裝備的減量化共性技術研究 2.1.1 PET飲料瓶的減量化技術 2.1.2 減量化高速瓶坯加熱技術 2.1.3 減量化高速吹瓶技術 2.1.4 減量化高速旋蓋技術 2.1.5 高速視覺檢測技術2.2 減量化技術在水飲料包裝機械裝備的應用研究2.3 減量化技術在茶果蔬汁飲料包裝機械裝備的應用研究2.4 減量化技術在含氣飲料包裝機械裝備的應用研究2、研究內(nèi)容2.1飲料包裝機械裝備的減量化共性技術-減量化技術目的：設計可滿足吹瓶和灌裝

3、工藝要求的，可普遍使用的550ml減量PET瓶技術措施：（1）改變瓶口和瓶蓋的設計：降低瓶口的高度和直徑，適當?shù)臏p薄了瓶口的局部厚度；（2）對瓶身加強筋做了適當?shù)脑黾雍驼{(diào)整；（3）使用新的瓶底形狀設計，改善瓶底應力分布狀態(tài)，解決了瓶底受壓變形的問題；（4）增大瓶胚拉伸比率，進一步強化瓶身強度。冰露原包裝 瓶+蓋重：18g-22g冰露新包裝 瓶+蓋重：10g-12g節(jié)省PET材料26% 瓶口重量減少1.3g目的：在瓶胚變小，瓶壁變薄的情況下，研發(fā)適用于輕量化瓶胚的高速加熱及節(jié)能控制技術，降低加熱過程中的總體能耗。2.1飲料包裝機械裝備的減量化共性技術-高速瓶胚加熱技術技術措施：（1）24巴過濾空

4、氣的有效除塵 （2）輕量化瓶胚高速加熱及節(jié)能優(yōu)化瓶胚加熱示意圖節(jié)能措施：（1）單獨控制加溫箱的每只燈管的功率大小；（2）自動恒溫系統(tǒng)使加溫爐內(nèi)的設定溫度保持恒定；（3）實時監(jiān)控瓶胚的9段溫度；（4）通過控制系統(tǒng)，設定瓶胚加熱溫度、初始溫度、輸出電壓百分比、實際環(huán)境溫度等參數(shù)。（5）合理匹配風循環(huán)系統(tǒng)，減少熱量損失；使用9層可以單獨控制的燈管最上層燈管功率為3kw,其余是2.5kwCPXX14型吹瓶機配套的加溫鏈節(jié)距p=38.1，目前是國內(nèi)外同類產(chǎn)品加溫鏈節(jié)距中最小的一種，國際首創(chuàng)。與現(xiàn)有加溫鏈節(jié)距p=50.8相比較,間距縮小了1/4，相同產(chǎn)量和加溫時間能減少6組加溫箱,節(jié)約能耗20% 。加熱過

5、程分四個階段：1、初始滲透加熱，胚外溫度比胚內(nèi)要高；2、其次是穩(wěn)定階段3、熱量分配階段線燈管，依據(jù)瓶胚的質(zhì)量、壁厚、高度、瓶形特征等因素，使用9層紅外線燈管，由嵌入式控制器系統(tǒng)合理控制燈管電壓百分比，使瓶胚沿其壁厚方向具有較為均勻的溫度分布 4、穩(wěn)定階段；當瓶胚被加熱到一定的時間，達到需要的溫度時，要停止加熱，進入穩(wěn)定階段，否則，溫度過高時容易結(jié)晶或融化。熱量分布穩(wěn)定階段預加熱穩(wěn)定階段 “ 四段爐體，九段加熱，循環(huán)風冷，緊湊排列”（3）緊湊瓶胚排列設計（4）四段爐體設計及9段加熱設計目的：在吹瓶應力與質(zhì)量關系、成瓶壁厚均勻控制方法研究的基礎上，通過減小吹瓶壓力、優(yōu)化凸輪曲線設計、小型化模腔模架

6、設計及冷卻加熱、電液氣 的優(yōu)化傳送設計、伺服控制及節(jié)能降噪技術，研發(fā)性能穩(wěn)定、高速的輕量化吹瓶技術。2.1飲料包裝機械裝備的減量化共性技術-高速吹瓶技術技術措施：（1）高速吹瓶成瓶壁厚均勻控制方法 工藝過程控制示意圖在研究影響壁厚因素的基礎上，對制品壁厚不均勻原因進行分析，提出輕量化瓶胚的解決措施：因高速吹瓶過程中，每個工藝步驟時間間隔非常短（約0.10s1.0s），特別是從拉伸開始到預吹完成過程，這個過程對瓶胚材料的分布起著決定性的作用（即對瓶壁厚度的分布）。材料的分布是通過拉伸桿縱向拉伸及壓縮空氣橫向拉伸而實現(xiàn)的，通過拉伸導軌控制拉伸桿的縱向拉伸速度，通過調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力和流量控制橫向拉

7、伸速度，從而達到材料的理想分布和壁厚的均勻性。凸輪各參數(shù)及壓縮空氣的壓力、流量的值需根據(jù)不同的瓶子進行計算、調(diào)整。 技術措施：（2）機械凸輪和電子凸輪的混合優(yōu)化設計目的在于利用機械凸輪機構(gòu)及電子凸輪的優(yōu)化設計，實現(xiàn)模架的高速開合，減小滾輪的受力、降低整機噪音、滿足平穩(wěn)高速吹瓶的工藝要求。主要內(nèi)容包括： 對不同凸輪曲線力學性能的研究； 優(yōu)化凸輪曲線參數(shù)，降低滾輪的速度和加速度； 對各凸輪機構(gòu)進行運動分析，對曲線和曲線參數(shù)進行再優(yōu)化；開合模凸輪底模凸輪電子凸輪拉伸拉伸電子凸輪曲線技術措施：（3）小型化模具設計及冷卻、加熱管路優(yōu)化小型化模具具有質(zhì)量輕，加工、安裝方便等優(yōu)點，在模具設計時，充分考慮冷卻

8、水道要離成型表面近、密集且分布均勻，冷卻水的流量要大，要迅速將吹瓶時的熱量帶走，消除拉伸時產(chǎn)生的應力。設計模具時，油道要離成型表面近、要密集且分布均勻，油的流量要大。本機裝有穩(wěn)定的紅外加熱系統(tǒng)，紅外燈管可分段獨立控制。 技術措施：（4）小型化模架設計1）進一步地落實減輕重量及減少慣性矩的設計宗旨，對左右模架的本體利用三維設計軟件UG，采用有限單元法進行結(jié)構(gòu)受力分析，并進行優(yōu)化處理，使左右模架的本體結(jié)構(gòu)設計趣向合理；2) 采用了與傳統(tǒng)的鎖模方式不同的設計；3) 減小了模架的徑向尺寸及外形尺寸 ,在整機外形尺寸變化不大的情況下，產(chǎn)能增加57.15% 。技術措施：（5）機架優(yōu)化設計及機身向旋轉(zhuǎn)機架內(nèi)

9、電、液、氣的優(yōu)化轉(zhuǎn)送設計 總布置示意圖機架布置圖吹瓶過程中，需要主機實時供給旋轉(zhuǎn)吹塑站使用的高壓空氣、低壓空氣、電源、冷卻水或加熱油、檢測信號和控制信號等，在嵌入式系統(tǒng)控制下，實現(xiàn)主站和從站之間的電、液、氣高速傳輸，傳輸過程要求穩(wěn)定可靠。技術措施：（6）高速吹瓶系統(tǒng)的伺服控制及同步 吹瓶機的高速運行由伺服控制系統(tǒng)來完成，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，伺服電機采用全閉環(huán)控制，具有控制精度高，恒力矩輸出、低頻性能優(yōu)越、響應速度快、過載能力強等特點。有利于提高吹瓶動作的重復精度，減小機械振動，降低凸輪導軌沖擊，降低噪音，有效提高了機械效率和設備使用周期。加溫機、機械手星輪盤均由主電機經(jīng)減速器和同步帶傳動

10、，有效保證與主機的同步精度。 技術措施：（7）節(jié)能和降噪技術 1優(yōu)化各運動曲線設計，最大限度的減少運動時軸承對導軌產(chǎn)生的沖擊；2采用小模架結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本40%；3采用加溫鏈節(jié)距p=38.1，節(jié)約能耗20%；4使用回收氣裝置，節(jié)約能耗15-20%； 目的：研究小瓶蓋情況下的旋蓋技術，保證產(chǎn)品質(zhì)量和高速旋蓋合格率。2.1飲料包裝機械裝備的減量化共性技術-高速旋蓋技術技術措施：1、瓶蓋清洗及輸送 瓶蓋在主機外單獨進行消毒、清洗，再用封閉的提升輸送鏈送至位于旋蓋機上方的理蓋器中，以保證瓶蓋的大產(chǎn)量清洗及防止輸送過程中的再次污染；理蓋器帶有反蓋去除機構(gòu)，保證理出的蓋方向正確一致；2、高速旋封系統(tǒng)傳動 利

11、用永久磁鐵的扭力，實現(xiàn)抓蓋擰蓋功能，旋蓋頭和空心軸齒輪連接為一體，擰蓋力矩可無級調(diào)速，恒扭矩旋封蓋，保證瓶子或瓶蓋不被損壞，實現(xiàn)旋蓋頭傳動、旋蓋頭轉(zhuǎn)速、旋蓋圈數(shù)的方案優(yōu)化。目的在于利用高速視覺檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)成品缺陷檢測、自動剔除功能，提高整機成瓶合格率，滿足質(zhì)量檢測工藝要求。主要內(nèi)容包括： 基于自適應濾波和線性灰度變換的圖像預處理算法研究； 采用中值濾波/直方圖均衡算法進行圖像增強，采用區(qū)域增長結(jié)合邊緣檢測算法進行圖像分割，利用特征匹配和模式識別算法實現(xiàn)高速吹瓶缺陷檢測； 基于邊緣跟蹤算法的成瓶瓶蓋檢測技術；基于Hough圓檢測的成瓶瓶口圓度及壁厚檢測技術；瓶蓋檢測吹瓶缺陷-瓶身檢測2.1飲料

12、包裝機械裝備的減量化共性技術-高速視覺檢測技術集成：理胚機、瓶胚進給、加溫機、吹瓶機、灌裝機、旋蓋機、機械手、傳動系統(tǒng)、星輪傳動、控制系統(tǒng)等幾部分組成 。2.1飲料包裝機械裝備的減量化共性技術-集成化和同步控制技術同步控制： 吹罐旋一體機的兩個主要伺服驅(qū)動電機（1）吹瓶主電機額定功率為7.5KW伺服電機，受變頻器控制可實現(xiàn)無級調(diào)速；傳動系統(tǒng)采用同步帶傳動，帶動整個吹瓶機旋轉(zhuǎn)，機械手旋轉(zhuǎn)，加溫機運動。（2）灌裝主電機 額定功率為5.5KW伺服電機，帶動灌裝主機、旋蓋機、進瓶星輪轉(zhuǎn)動 。2.2 減量化技術在水飲料包裝機械裝備的應用研究（1）研發(fā)可控制閥及其換向式定量灌裝機（2）灌裝工藝特別添加一個

13、充填氮氣的裝置，創(chuàng)新采用氮氣充填技術以加強成品瓶身的堅挺。（3）采用重力灌裝方案，用U型回流腔代替?zhèn)鹘y(tǒng)灌裝閥裝置的穩(wěn)流片。（4）實現(xiàn)1mm高精度的灌裝液位的控制。應用減量化技術后的包裝應用減量化技術前的包裝2.2 減量化技術在水飲料包裝機械裝備的應用研究普通水飲料包裝工藝減量化水飲料包裝工藝節(jié)能/材效果PET瓶重量（G）15.911.826.3%加溫鏈節(jié)距（MM）50.838.120%灌裝溫度()常溫常溫-產(chǎn)能（瓶/小時）2400024000-灌裝精度（MM）3mm1mm-產(chǎn)品不銹鋼用量（T）40（吹瓶+輸送+洗瓶+灌裝）24（吹灌旋一體化）40%生產(chǎn)用水量(T)4T/H1T/H75%用電量(

14、KWH)16012025%用氣量(bar)302033%水飲料減量化包裝前后節(jié)能/材效果對照表2.3 減量化技術在茶果蔬汁飲料包裝機械裝備的應用研究研究一種新的流量計式熱灌技術，避免回流，實現(xiàn)熱灌裝瓶的減量化。擬解決的主要問題：流量計的選用提高回流閥的使用壽命是需要解決的難題；灌裝閥清洗閥的材料電器控制系統(tǒng)2.3減量化技術在茶果蔬汁飲料包裝機械裝備的應用研究表4 茶果蔬汁飲料減量化包裝前后節(jié)能/材效果對照表18.75%195240用電量(KWH)75%1T/H4T/H生產(chǎn)用水量(T)40%24（吹灌旋一體化）40（吹瓶+輸送+洗瓶+灌裝）產(chǎn)品不銹鋼用量（T）35%NY回流(Y/N)-0.31.

15、5灌裝精度（%）-2400024000產(chǎn)能（瓶/小時）-9595灌裝溫度()20%38.150.8加溫鏈節(jié)距（MM）18.5%21.226PET瓶重量（G）節(jié)能/材效果減量化茶果蔬汁飲料包裝工藝普通茶果蔬汁飲料包裝工藝2.4 減量化技術在含氣飲料包裝機械裝備的應用研究含氣飲料主要指可樂、啤酒等含有CO2(二氧化碳)氣體的飲料，由于需要承受較大的壓力，瓶身、瓶口和瓶蓋都要保證一定的厚度和氣密性，因此含氣飲料瓶在PET物耗方面的減量非常有限，目前600ml可樂瓶的重量大約為25g左右。含氣飲料包裝的減量化主要體現(xiàn)在包裝機械裝備的減量化上。生產(chǎn)過程的能耗成本降低 20% 設備、廠房成本降低 15%-

16、30%營運成本降低 （無需消毒水和洗瓶用水，節(jié)省存儲空瓶的倉儲間） 人力成本和設備維護成本降低 （降低人力成本、降低維護成本）(1)輕量化瓶坯的精確加熱技術瓶胚加溫熱風抽送系統(tǒng)ZL200820003147.6瓶胚加溫風流通系統(tǒng)200810093470.1新型瓶胚加溫鏈ZL200820043633.0 (2)輕量化瓶坯加熱節(jié)能優(yōu)化技術快換式獨立加溫燈箱ZL 200820044221.9(3)輕量化瓶坯成瓶壁厚均勻控制方法非結(jié)晶瓶口封口氣缸及封頭組件200810028929.X (4)高速吹瓶系統(tǒng)的小型化模具設計和優(yōu)化模架設計技術吹瓶機模具組件ZL200820003148.0）吹瓶機模架組件中的底

17、模升降機構(gòu)ZL200820004555.3吹瓶機模架/模具組件ZL200810093469.93、擬解決的關鍵技術(5)新型夾坯頭裝置專利號：201110031050.2 (6)輕量化瓶傳輸技術瓶子傳輸裝置之被動夾201020118338.4、個體物件傳送裝置200910037322.2 一種物件傳送裝置（中國）ZL 200820131258.5；（德國）202008014089.7(7)高速準確灌裝與氮氣填充技術(8)高速旋封同步控制技術瓶蓋封裝方法201010127467.4 (9) PET瓶吹灌旋一體化集成和同步控制技術3、擬解決的關鍵技術(1)PET瓶減量化設計，可節(jié)約PET材料26%

18、(2)帶電子氣缸的低氣壓吹瓶技術，節(jié)約能耗約25%（吹氣壓力 從30bar降為20bar)(3)帶環(huán)境補償?shù)钠颗骷訜醿?yōu)化系統(tǒng)，節(jié)約能耗約20%(4)提高氣密性的新型夾坯頭技術，降低瓶口損傷(5)高速準確灌裝與氮氣填充技術，提高灌裝精度（1mm）和手 感 (6)開發(fā)帶流量計熱灌裝閥，提供了一種新的熱灌裝方法4、項目關鍵點謝謝！5、項目實施計劃及保障措施6）研發(fā)基礎達意隆公司國家級立項證書：國家火炬計劃重點項目證書國家級火炬計劃項目證書科技型中小企業(yè)技術創(chuàng)新基金立項證書達意隆公司產(chǎn)品歷年所獲榮譽：05-06年中國食品工業(yè)協(xié)會科技獎一等獎08年中國輕工業(yè)聯(lián)合會科技進步獎一等獎08年廣東省高新技術產(chǎn)品（吹灌旋一體機）08年廣州市科技進步獎一等獎（吹灌旋一體機）08年廣東省科技進步獎二等獎（吹灌旋一體機）08年廣東省企業(yè)創(chuàng)新記錄十大首創(chuàng)技術獎5、項目實施計劃及保障措施達意隆公司吹灌旋技術專利：