CN107531345B - 用于将产品填充到容器中的装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于将产品填充到容器中的装置。装置包括填充单元，其配置成将产品输送到容器，填充单元包括泵，且还包括在端部的填充喷嘴；驱动单元，其在第一位置和第二位置之间相对于填充单元来回移动容器或者反之亦然，在第一位置，容器的底端布置在离填充喷嘴的距离最大处，在第二位置，容器的底端布置在离填充喷嘴的距离最小处；及控制单元，其被配置为控制产品通过填充喷嘴的输送以及控制驱动单元。控制单元还被配置为基于由所述泵输送的当前产品体积来计算所述新的驱动单元运动轨迹以用于控制从所述第二位置到所述第一位置的运动，所述当前产品体积被转换为长度单位。

Description

用于将产品填充到容器中的装置和方法

技术领域

本发明涉及用产品填充容器的装置的领域和方法。

背景技术

在将液体产品以高填充速率填充到容器中的填充机领域中，通常已知的问题是如何确保以最小量的溅射、后滴落(after-dripping)或起泡尽可能快地填充容器。特别是将在填充操作之后被热密封的容器中，被捕获的液滴或起泡泡沫可能破坏密封完整性。这些问题由于高填充速度和在产品表面与填充管的端部之间的大的距离而加剧。

在食品包装行业，将液体食品装入稍后将被密封的容器中时，液体食品通常通过末端具有橡胶喷嘴的填充管道输送。在一种变型中，要填充的容器的开口端与橡胶喷嘴对准，并通过升降机构朝向橡胶喷嘴移动，使得其进入容器的内部。升降机构被编程为在容器与其初始位置或最低位置相隔某预定距离时使容器的运动停止。在该预定距离内，液体食品从喷嘴倒入容器的底端，并且升降机构将容器向下移回到其初始位置，同时将液体食品装入容器中。在容器达到其初始位置之前不久，使来自橡胶喷嘴的流停止。在到达最终位置之后，停止升降机构和容器的垂直运动。此后，将容器移动到机器的密封部分。在一些其他变型中，在填充循环期间移动填充喷嘴而不是容器。

现在，为了能够以指定的机器容量填充包装，非常重要的是将产品以受控的方式从填充喷嘴中倒出，使得安装在填充管下端的橡胶喷嘴和包装内的产品水平之间的距离基本上是恒定的并且在升降机构降低包装的时间期间在数字上是正确的。通常，升降机构以某种方式与通过橡胶喷嘴输送液体食品的填充泵同步。从机器角度观察的产品水平在至少一半的填充时间(即直到升降机构与填充泵不同步时的时间点为止)期间应该接近恒定(在空间上)。

在一些已知的填充机中，例如图1A所示的示例中，由容器升降器将容器从底部导轨提升到其最高位置，使得橡胶喷嘴的最低部分与包装的内部底部之间的距离在泵开始输送产品时是合适的。

内部容器底部和橡胶喷嘴的最低点之间通常有定义的推荐距离。当填充“棘手的”产品如豆浆时，这个距离可能不是最佳的，会导致被困的气泡、产品溅射和泡沫。带有所提及的影响的问题是产品残留物通常会污染容器的横向密封区域，从而导致容器完整性不好。

这种填充机的其它实例在美国专利No.4108221和No.6941981中给出。

令人不满意的填充性能有很多原因。其中之一是入口阀和出口阀的打开和关闭之间的时序差，这些阀设置用于控制产品进入容器的排放。如果例如在泵输送行程结束时，阀重叠(即，入口阀和出口阀同时打开)，则将从橡胶喷嘴的内部发生严重的后滴落。这种后滴落在容器换位期间，即在容器从包装装置(填充装置是其一部分)的一个站点移动到另一个的时间期间，很可能撞击横向密封区域。如果阀重叠在泵输送行程的开始处，则太多的产品可能太快地出来，导致可能最终在橡胶喷嘴的外侧上的溅射。该产品可能会/将来会产生不良的后滴落。

后滴落的另一个原因是产品在填充期间的某段时间一直溅射在橡胶喷嘴的外侧上。当第一产品撞到包装的底部时，这可能刚好在填充开始时发生。容器升降器和相关联的产品泵的凸轮轨迹之间的不良同步也可能使橡胶喷嘴下降到产品中，从而使橡胶喷嘴的外部变湿。在填充结束时，当纸盒升降器与泵不同步并向下移动到底部导轨时，与橡胶喷嘴外部接触的产品将滴落。

产品溅射到橡胶喷嘴的外侧上的第三个原因是当泵已经开始减速并且纸盒升降器刚刚继续向下移动到底部导轨时发生的所谓的距离填充。在这种“距离填充”期间，产品表面可能非常粗糙和暴风雨式的(stormy)。当橡胶喷嘴的最低部分与粗糙产品表面之间的距离较大时会更糟，即这种距离应该尽可能地最小化。

值得一提的是，不仅仅是在填充站，产品残留物可能会污染横向密封区。可能导致顶部密封区域中的产品残留物的其它机器功能的示例是包装输送、顶部密封区域的热空气加热和山形顶部的挤压。如果产品表面在填充结束时是粗糙的，那么产生的震动波很有可能使产品接触密封区，同样，如果由于被捕获的空气而产生泡沫，或者橡胶喷嘴和产品表面之间的距离在填充的主要部分期间过大时，则这种泡沫将位于震动波的顶部，或者被顶部加热器吹到横向密封区上，或者在顶部挤压器关闭动作开始时被吹出。

为了消除泡沫和溅射，在填充的主要部分期间在理想的产品表面和橡胶喷嘴之间具有非常短的距离是非常重要的。使用目前的解决方案，其极难优化。虽然手动调节入口阀和出口阀打开的时间以实现改进的填充结果对于一些产品可能起作用，但是对于其他产品，可能只能在填充开始时或者在结束时使喷嘴距离“良好”，但不能在填充开始时和结束时都使喷嘴距离“良好”，由此可能发生上述不期望的结果之一。为了获得最佳的填充循环，希望在整个填充循环中保持容器中的产品水平与橡胶喷嘴的端部之间的距离基本恒定。

发明内容

根据本发明的一种方案通过一种用于将产品填充到容器中的装置来实现。所述装置包括：填充单元，其配置成将产品输送到容器中，所述填充单元包括泵，并且还包括在其一个端部的填充喷嘴；驱动单元，其用于相对于所述填充单元移动所述容器或者反之相对于所述容器移动所述驱动单元；控制单元，其被配置为控制所述产品通过所述填充喷嘴的输送和用于移动所述容器的驱动机构，其中所述控制单元还被配置为当所述驱动单元相对于所述填充喷嘴的端部到达第一端部位置时记录，并且将所述第一端部位置设置为所述驱动单元的新的初始位置，以便计算作为填充单元的泵位置轨迹(profile)的函数的新的驱动单元位置轨迹。

由于在包装填充期间产品表面和橡胶喷嘴之间的距离是获得良好填充性能的最重要的属性，即，使泡沫、溅射和后滴落(after dripping)最小化最重要的属性，因此，使用纸盒升降器的最顶部位置作为“虚拟”起点而不是使用机器中的底部轨道作为通常的起点，底部轨道、纸盒升降机连带其纸盒夹具和填充管道的所有“竖直”制造和安装公差的“不良”影响可以被消除。

在根据本发明的方法的一实施方式中，控制单元通过将驱动单元的新的初始位置与由泵输送的被转换成长度单位的当前产品体积进行比较来计算驱动单元位置轨迹。这个控制单元可以在容器填充期间的某些预定时刻进行。

控制单元还可以通过将新的初始位置与由泵输送的被转换为长度单位的当前产品体积减去常数乘以所转换的体积的平方进行比较来计算相对于所述驱动单元的所述新的初始位置的所述容器中的实际产品水平，并计算作为驱动单元的每个预定位置处的实际产品水平的函数的驱动单元补偿距离。以这种方式，由于容器膨胀而对容器中的产品水平的不良影响可以被最小化。

对容器升降器曲线的包装膨胀补偿使得可以精确地调整包装内的产品水平与橡胶喷嘴之间的距离，而不影响填充的任何其他部分。此功能显着改善了填充过程的结束。

根据本发明的装置的另一实施方式，控制单元还可以被配置为计算在驱动单元的预定位置处泵的速度，并且计算作为在驱动单元的每个预定位置处泵的速度的函数的驱动单元补偿距离。以这种方式，可以补偿由于泵与填充装置的泵壳体中的产品的粘度之间的相互作用而导致的比理论产品水平低的实际产品水平，并且容器内的产品水平与填充喷嘴的下端之间的实际距离可以最小化。补偿可以在容器填充循环的中间进行，因为在该时间附近效果变得更加明显。还值得一提的是，当泵速度增大时，速度补偿使得纸盒升降器上升得比理论泵和纸盒升降器位置曲线所要求的“更高”。

根据本发明的装置的又一实施方式，控制单元可以被配置为计算在驱动单元的预定位置处泵的加速度，并且计算作为在驱动单元的每个预定位置处泵的加速度的函数的驱动单元补偿距离。结果，控制单元可以在将容器远离填充喷嘴移动之前指示驱动单元将容器保持在新的初始位置，直到驱动单元的所计算的位置不到(less than)新的初始位置。以这种方式，可以在填充循环开始时实现对容器中的比预测的产品水平低的实际产品水平的补偿。通常，填充循环开始时的较低的实际产品水平是由于泵凸轮花费时间加速并将产品从泵壳体从静止位置推出所导致的。

根据本发明的装置的又一个实施方式，控制单元被配置为在容器到达其新的初始位置之前指示泵开始将预定体积的产品输送到容器，其中预定体积小于当容器已经到达新的初步位置时通常已输送到容器的产品体积。以这种方式，产品将在驱动单元刚好到达其最顶部位置的时刻到达容器的底部。这样做的效果是，产品将沿着容器的内部底部以最佳方式散开，从而防止产品溅射在橡胶喷嘴的外侧上。另一个效果是减少气泡的积聚，气泡后期可能在填充循环的后期阶段升高到容器的顶部。减少气泡的积聚也意味着降低由于在顶部密封中的可能的产品截留而导致的顶部密封完整性问题的风险。预填充操作可以就开始时间和开始体积进行调整。预填充将填充喷嘴进行填充，即，使填充喷嘴膨胀，并且确保当纸盒升降器处于与其顶部位置的距离最佳时，产品将开始离开橡胶喷嘴。

根据本发明的装置的另一实施方式，填充单元包括入口和出口阀以及泵壳体，其中入口阀和出口阀被配置成分别调节输送到泵壳体和容器的产品的体积，并且其中所述控制单元被配置为控制所述入口阀和出口阀打开和关闭的时刻。以这种方式，对于不同的机器速度，可以实现入口阀和出口阀之间的正确同步。调节阀门的一种方式是调节入口阀和出口阀上的气动限流器，从而可以实现限定的且恒定的移动或运动时间。然后，阀移动时间被用于自动调节作为当前机器速度的函数的阀打开和关闭时序点，从而保证入口阀和出口阀的正确打开和关闭。

根据第一方面，提供了一种用于将产品填充到容器中的装置。该装置包括：填充单元，其配置成将产品输送到所述容器中，所述填充单元包括泵，并且还包括在其一个端部的填充喷嘴；驱动单元，其用于在第一位置和第二位置之间相对于所述填充单元来回移动所述容器或者反之相对于所述容器来回移动所述填充单元，其中，在所述第一位置，所述容器的底端布置在离所述填充喷嘴的距离最大处，而在所述第二位置，所述容器的所述底端布置在离所述填充喷嘴的距离最小处；以及控制单元，其被配置为控制所述产品通过所述填充喷嘴的输送，以及控制所述驱动单元。所述控制单元还被配置为：基于由所述泵输送的当前产品体积来计算新的驱动单元运动轨迹以用于控制从所述第二位置到所述第一位置的运动，所述当前产品体积被转换为长度单位。

在一实施方式中，所述控制单元被配置为i)记录与所述第二位置对应的所述驱动单元的操作结束位置，ii)将所记录的所述操作位置指定为所述驱动单元的新的初始位置，以及iii)基于所述新的初始位置计算所述驱动单元运动轨迹。

所述控制单元还可以被配置为在所述驱动单元到达所述操作结束位置之前启动所述产品的通过所述填充喷嘴的输送。

在一实施方式中，所述驱动单元运动轨迹是作为泵运动轨迹的函数来计算的。

所述控制单元可以被配置为通过在所述容器的填充期间将所述驱动单元的所述新的初始位置与由所述泵输送的在某些预定情况下被转换为长度单位的当前产品体积进行比较来更新所述驱动单元运动轨迹。

所述控制单元还可以被配置为通过将所述新的初始位置与由所述泵输送的被转换成长度单位的当前产品体积减去常数乘以所转换的体积的平方进行比较来计算相对于所述驱动单元的所述新的初始位置的所述容器中的实际产品水平。

在一实施方式中，所述控制单元还被配置为计算作为在所述驱动单元的预定位置处的实际产品水平的函数的驱动单元补偿距离，并且使用所述驱动单元补偿距离来更新所述驱动单元运动轨迹。

所述控制单元还可以被配置为计算在所述驱动单元的预定位置处所述泵的速度，计算作为在所述驱动单元的预定位置处所述泵的速度的函数的驱动单元补偿距离，以及使用所述驱动单元补偿距离来更新所述驱动单元运动轨迹。

在一实施方式中，所述控制单元还被配置为计算在所述驱动单元的预定位置处所述泵的加速度，计算作为在所述驱动单元的预定位置处所述泵的加速度的函数的驱动单元补偿距离，以及使用所述驱动单元补偿距离来更新所述驱动单元运动轨迹。

所述控制单元可以被配置为在移动所述容器远离填充喷嘴之前指示所述驱动单元将所述容器保持在所述新的初始位置，直到所述驱动单元的所计算的位置不到所述新的初始位置。

在一实施方式中，所述填充单元包括入口阀和出口阀，所述入口阀和所述出口阀被配置成分别调节输送到填充体积中的产品的体积和输送到所述容器的产品的体积，并且其中所述控制单元被配置为控制所述入口阀和所述出口阀打开和关闭的时刻。

根据第二方面，提供了一种将产品填充到容器中的方法。该方法包括：控制驱动单元以从第一位置到第二位置相对于填充单元移动所述容器或者反之相对于所述容器移动所述填充单元，其中，在所述第一位置，所述容器的底端布置在离填充喷嘴的距离最大处，而在所述第二位置，所述容器的所述底端布置在离所述填充喷嘴的距离最小处；打开所述填充单元的一个端部并将所述产品填充到所述容器中；通过控制驱动单元根据驱动单元运动轨迹步进通过多个预定位置来使所述容器远离所述填充单元的所述端部移动或者反之使所述填充单元的所述端部远离所述容器移动，同时继续将所述产品填充到所述容器中；当容器已经移动到预定的端部位置时，关闭所述填充单元的所述端部。所述方法还包括：基于由所述泵输送的当前产品体积来计算所述新的驱动单元运动曲线以用于控制从所述第二位置到所述第一位置的运动，所述当前产品体积被转换为长度单位。

在一实施方式中，所述产品的通过所述填充喷嘴的输送在所述驱动单元被控制为使所述容器移动远离所述填充单元的端部或者反之使所述填充单元的端部远离所述容器移动之前启动。

所述方法还可以包括：将与所述第二位置对应的所述驱动单元的操作结束位置记录为新的初始位置；其中，相对于所述新的初始位置重新计算在所述容器的填充期间所述驱动单元的预定位置。

在一实施方式中，所述方法还包括通过将所述驱动单元的所述新的初始位置与由所述泵输送的被转换成长度单位的当前产品体积进行比较来计算所述驱动单元的运动轨迹。

所述方法还可以包括通过将所述新的初始位置与由所述填充单元的泵输送的被转换成长度单位的当前产品体积减去常数乘以所转换的体积的平方进行比较来计算相对于所述驱动单元的所述新的初始位置的所述容器中的实际产品水平。

所述方法还包括计算在所述驱动单元的预定位置处所述泵的速度，以便获得作为在所述驱动单元的每个预定位置处所述泵的速度的函数的驱动单元补偿距离。

所述方法还可以包括计算在所述驱动单元的预定位置处所述泵的加速度，以便获得作为在所述驱动单元的每个预定位置处所述泵的速度的函数的驱动单元补偿距离。

在一实施方式中，所述方法还包括通过控制所述填充单元的入口阀和出口阀的运动来分别控制输送到所述填充系统的填充体积中的产品的体积和输送到所述容器的产品的体积。

根据第三方面，提供了用于将产品填充到容器中的装置的计算机程序产品。所述计算机程序产品包括用于下述操作的指令集：控制驱动单元以从第一位置到第二位置相对于填充单元移动所述容器或者反之相对于所述容器移动所述填充单元，其中，在所述第一位置，所述容器的底端布置在离填充喷嘴的距离最大处，而在所述第二位置，所述容器的所述底端布置在离所述填充喷嘴的距离最小处；打开所述填充单元的一个端部并将所述产品填充到所述容器中；通过控制驱动单元步进通过多个预定位置来使所述容器远离所述填充单元的所述端部移动或者反之使所述填充单元的所述端部远离所述容器移动，同时继续将所述产品填充到所述容器中；并且当容器已经移动到预定的端部位置时，关闭所述填充单元的所述端部。所述计算机程序产品还包括用于下述操作的指令集：基于由所述泵输送的当前产品体积来计算所述新的驱动单元运动轨迹以用于控制从所述第二位置到所述第一位置的运动，所述当前产品体积被转换为长度单位。

附图说明

图1A根据一实施方式示出了用于在第一位置填充包装容器的装置。

图1B示出了在第二位置的相同的装置。

图2根据本发明的第一实施方式示出了所述方法的流程图。

图3根据本发明的第二实施方式示出了所述方法的流程图。

图4根据本发明的第三实施方式示出了所述方法的流程图。

图5根据本发明的第四实施方式示出了所述方法的流程图。

图6根据本发明的第五实施方式示出了所述方法的流程图。

图7根据本发明的第六实施方式示出了所述方法的流程图。

图8示出了使用根据图2-7所示的实施方式所述的方法图解在示例性填充装置中的容器的填充过程的一个循环的示图。

具体实施方式

在下面的页面中，给出了本发明的几个示例性实施方式。这些示例不应被解释为限制本发明，而应被理解为仅用于说明的目的。

图1A示出了用于填充容器的装置100，在这种情况下容器是由纸板制成的包装容器CONT。在图1A中，容器CONT处于底部位置，它们刚刚从先前的处理步骤到达该位置，先前的处理步骤可以是容器的灭菌。容器CONT位于底部导轨上。另外，从图1A可以看出，容器的上开口端与属于填充装置100的填充喷嘴FN1、FN2的下端对齐。用于移动容器的机构是容器升降器的形式的驱动单元DU，其具有可沿由双箭头所表示的竖直方向移动的凸轮CCAM。

填充装置100包括产品供应阀PSV，其调节要填充到容器CONT中的产品(未示出)流入产品罐PT中的流动。此外，位于罐PT上方的喷洒阀SV用于调节用于清洁属于填充装置100的产品罐PT、泵壳体PH1、泵壳体PH2、填充管道FP1、填充管道FP2和填充喷嘴FN1、FN2的清洁液体的供应。该清洁流体通过位于产品罐PT的上部的清洁头CH输送。

此外，填充装置100包括用于通过液位探针LP检测罐PT中的产品水平的装置，液位探针LP浮在想象的产品水平之上。

为了保护从填充喷嘴FN1、FN2进入容器CONT的受控产品流，在填充管FP1、FP2内设置了成组的入口阀IV1、IV2和出口阀OV1、OV2。每个填充管FP1、FP2与一个入口阀IV1、IV2和一个出口阀OV1、OV2相关联。此外，每个填充管FP1、FP2与相应的泵P1、P2相关联。

在本图中，各泵壳体PH1、PH2的入口阀IV1、IV2打开，使得产品能以某一速率进入泵壳体PH1、PH2，具体取决于入口阀开口。在该位置，出口阀OV1、OV2关闭，并且将保持关闭，直到容器升降器DU已将容器CONT移动到与上端位置相对应的指定高度。

在图1B中，呈现容器升降器DU处于其最顶部位置处的状态，其中填充喷嘴FN1、FN2已经进入相应的容器内部，并且它们离容器底部的距离短并位于容器底部的竖直上方。通常，当容器升降器DU达到其最顶部位置时，填充循环开始。因此，在容器升降器DU达到最顶部位置时启动的填充循环开始时，泵P1、P2开始通过填充管FP1、FP2将产品从泵壳体PH1、PH2抽出并通过填充喷嘴FN1、FN2进入容器CONT。在下一步骤中，容器升降器DU向下移动容器CONT，同时产品仍然从填充喷嘴FN1、FN2输送。通常，产品通过喷嘴FN1、FN2的输送在容器升降器DU已经到达其第一初始位置(即当其已经达到底部导轨的水平)之前不久就停止，底部导轨是使容器在其上朝向填充装置运送并经过填充装置的导轨。在容器升降器DU移动的第二部分期间，即从容器升降器DU到达其最顶部位置移动直到至少在到达底部轨道之前不久填充过程结束时，容器升降器凸轮CCAM和泵凸轮(未示出)的运动是同步的。其原因是在容器CONT远离填充喷嘴FN1、FN2并朝向底部导轨移动期间在容器CONT中的产品水平与填充喷嘴FN1、FN2的下端之间达到或多或少恒定的距离，至少在理论上是这样。

然而，如前所述，在高填充速度下，即在以每小时填充几千个容器的速度下，填充装置的这种设置可能会导致可能会影响经填充的容器的密封完整性的溅射、后滴落和起泡。

本发明旨在减轻这些问题中的至少一些，并使得填充装置能以更高的速度运行，甚至在高于已设定的操作速度下运行。为此，提供控制单元CU，其被配置为控制通过填充喷嘴FN1、FN2的产品的输送，并且控制驱动单元DU。此外，控制单元CU被配置为当驱动单元DU相对于填充喷嘴FN1、FN2的端部到达第一端部位置时记录，并且将第一端部位置设置为驱动单元DU的新的初始位置，以便计算作为填充单元的泵位置轨迹的函数的新的驱动单元位置轨迹。换句话说，控制单元CU被配置为i)记录与使容器CONT的底端布置在离填充喷嘴FN1、FN2最小竖直距离的位置相对应的驱动单元DU的操作结束位置，ii)将所记录的操作位置指定为驱动单元DU的新的初始位置，以及iii)基于所述新的初始位置计算新的驱动单元运动轨迹，以控制从所述位置到使容器CONT的底端布置在离填充喷嘴FN1、FN2最大距离处的位置移动。

图2示出了表示本发明的第一实施方式的流程图。该示例假设通过图1A和1B的填充装置100的操作来实现。然而，应当提及的是，根据该示例所述的方法的原理以及根据本发明所述的方法的其它实施方式可应用于任何其中进行垂直填充并且经填充的容器的开口端需要以某种方式密封的填充系统。

现在，在步骤200中，驱动单元(如图1A所示的容器升降器形式)将容器从底部导轨向上朝向填充设备中的填充喷嘴的下端提升到其最顶部位置，在该最顶部位置，驱动单元停止进一步的移动。优选地，已经预定义了驱动单元的最顶部位置。在最顶部位置，填充喷嘴已经进入容器的内部，并且位于离容器底部的距离短或最小处。这里应该说明的是，容器底部是指容器的封闭侧，其可能不是“实际的”容器底部，特别是在要填充的容器被倒置的情况下。

在步骤210，填充装置的控制单元CU将容器升降单元的新的顶部位置设置为其新的初始位置。由于在容器填充期间产品表面和填充喷嘴之间的距离对于获得良好的填充性能具有显著影响，良好的填充性能即最小化泡沫形成、溅射和后滴落，因此纸盒升降器的最顶部位置被选择作为“虚拟”起点，而不是像通常情况那样，填充机中的底部轨道位置是容器升降器的正常起点。通过这样做，消除了底部轨道、纸盒升降器(及其纸盒夹具)和填充管道的所有“竖直”制造和安装公差的负面影响。

在步骤220，控制单元CU重新计算新的驱动单元运动轨迹，例如通过使用该新的最顶部位置作为容器升降器的起点或新的初始位置来重新计算在容器升降器位置凸轮轨迹上的预定点来进行。容器升降器位置凸轮定义点优选地基于其最顶部位置和在填充期间泵的输送运动。重新计算的一种变型是获取容器升降器的新的初始位置，并且然后减去转换为纸盒升降器的长度单位的由填充泵输送的当前体积。长度单位可以例如是毫米。

接下来，在步骤230，控制单元CU通过指示泵开始将产品输送到容器中并且指示容器升降器凸轮跟随重新计算的容器升降器凸轮位置轨迹来启动填充循环。

在步骤240，容器升降器将容器从填充喷嘴的端部朝向底部轨道移动，同时产品仍然向容器输送。

在步骤250，当容器升降器几乎到达底部导轨时，从泵到容器的产品输送被停止，并且容器的填充循环已经结束。

最后，在步骤260，当容器升降器到达底部导轨时，容器升降器停止其远离填充喷嘴移动。

容器将随后被转送到密封和折叠站(未示出)以进行进一步加工。

因此，根据本发明的方法的第一实施方式是通过使控制单元计算在填充期间作为泵凸轮位置轨迹的函数的理想的容器升降器位置轨迹或运动轨迹来控制在填充期间在产品表面和填充喷嘴之间的距离。假设产品完全可压缩，没有积聚泡沫和小气泡的，填充设备中没有弹性(弹性部件)，并且包装的横截面是恒定的，则上述补偿方法效果很好。

图3示出了根据本发明的方法的第二实施方式，其中可以进一步改善填充性能。

本申请人已经发现，在某些情况下，根据图2的本发明的实施方式导致容器升降器向下移动太早或太快，并且橡胶喷嘴的下端与产品之间的距离表面在填充过程中逐渐增大。

搜索此行为的根本原因发现它是由填充期间的包装膨胀引起的。包装膨胀可以解释为包装横截面从理想的正方形格式改变成稍微较圆的，理想的正方形格式通常为70mm×70mm或91mm×91mm。较圆的横截面意味着横截面面积增大，并且包装内的产品水平将低于理论上的泵和纸盒升降器位置值将给出的值。

包装内的真实/实际产品高度的测量在750ml、1000ml和1750ml的Tetra Rex纸盒上进行，以了解它们在不同产品水平下膨胀的程度。对于填充水的1000ml的、横截面为70mm×70mm的包装，最终产品水平比理论产品水平低约15mm。对于1750ml的、横截面91mm×91mm的包装，最终产品水平差为约13mm。膨胀测量是在静态下进行的，即包装在水平表面上保持静止，即完全没有如泵将产品向下压入包装中那样的动态影响。

回到根据本发明的方法的第二实施方式中，类似于图2中的实施方式，容器升降器形式的驱动单元在步骤300中将容器从底部轨道移动到使驱动单元停止的最顶部位置。

在步骤310，开始填充循环，即泵开始通过填充喷嘴将产品输送到容器。

在步骤320，容器升降器使容器远离填充喷嘴并向下朝向底部导轨移动。

在步骤330，控制单元CU计算容器中的当前产品水平并将其与理论值进行比较。容器中实际产品水平的计算可以根据方程式进行，在该方程式中，假设包装内的实际产品水平等于理想水平，即泵已经输送的产品转换成毫米的毫升数减去“常数”乘以所输送的体积的平方。根据该方程式计算的该产品水平值已经显示偏离在填充开始时在包装内的理论产品水平很小，但是后来当产品水平逐渐变高时，影响将变大。此外，膨胀量取决于容器的底表面的面积，其中具有较大底面积的容器比具有减小的底面积的容器更易于膨胀。

现在，如果在步骤340，控制单元CU检测到当前产品水平低于理论值，这是容器膨胀的信号，即容器的包装材料向外膨胀，从而有效地降低容器的产品水平到理论值以下。在这种情况下，控制单元在步骤350指令泵增加向容器的产品体积的输送以补偿容器膨胀。对纸盒升降器轮廓进行膨胀补偿的运行测试表明，现在可以在填充结束时将喷嘴调整到产品水平距离，而不在开始时改变。

如果没有检测到实际产品水平与理论产品水平之间的差异，则填充循环在步骤345中照常继续进行，直到在步骤360在驱动单元到达底部导轨之前不久停止。

在步骤370，当驱动单元到达底部导轨时，驱动单元停止进一步的移动。

即使使用利用如图所示的补偿技术的填充方法，如果仅仅实际位置泵和升降器被考虑在内，则在一些情况下也可能遇到泵和容器升降器不彼此跟随的问题，尽管它们应该如此。因此，泵和容器升降器之间的这种同步丧失的结果可能导致包装内的产品水平低于根据理论计算应当有的产品水平。

图4示出了根据本发明的方法的解决该问题的第三实施方式。

在图4的实施方式中，步骤400-430与图3中的步骤300-330相同，因此将不再重复。

在步骤440中，因此在容器升降器开始将容器远离填充喷嘴并朝向底部导轨移动之后，控制单元CU确定容器中的实际产品水平。如果在步骤440处检测到实际产品水平低于填充循环开始时的理论产品水平，那么在泵和被输送到容器的产品之间的相互作用中可能会产生弹簧效应。可能的弹簧效应与泵加速度有关，其可以通过容器升降器的移动来补偿。

在步骤450中，控制单元CU将信息存储在存储器中，使得后续的容器应该保持在其最顶部位置持续较长的时间段，从而补偿泵加速效应。

然而，如果在步骤445没有检测到偏差，则填充循环在步骤445中持续不减，直到在步骤460在容器升降器到达底部导轨之前不久停止。

在步骤470中，容器升降器在到达底部导轨时停止。

图5示出了根据本发明的方法的另一实施方式，其中步骤500-535与图4所示的先前实施方式中的步骤400-445相同。

现在，如果在步骤530中确定实际产品水平为低于预期的理论值，并且该确定在已经接近填充循环的中间进行，这种偏差可能是由于泵凸轮将产品推出填充体积和产品本身的粘度之间的相互作用导致。

在这种情况下，控制单元CU在步骤540中计算容器升降器的补偿值，然后相应地减慢容器升降器的向下移动。控制单元CU本质上是根据泵凸轮位置曲线计算泵凸轮在某些预定位置的速度值，并将该值与相同曲线的理论值进行比较。然后，在这些预定位置，控制单元CU计算容器升降器凸轮位置曲线上相应的预定位置处的容器升降器补偿距离。补偿只是一个比例因子，当应用于容器凸轮升降器时，会导致容器凸轮升降器的运动减慢。

在步骤550将补偿因子应用于容器升降器凸轮以暂时将容器升降器凸轮减速后，填充循环在步骤560在容器升降器到达底部轨道之前不久停止。

最后，在步骤570，当容器升降器到达底部导轨时，停止其移动。

图6示出了根据本发明的方法的解决以下问题的另一实施方式。为了避免在填充循环开始时空气截留在产品中，正确数量的产品在完全正确的时间内离开橡胶喷嘴以填满内包装底部表面是非常重要的。理想的情况是，从橡胶喷嘴出来的第一产品恰好在纸盒升降器到达其最顶部位置时接触到包装的内部底部。

现在，在步骤600，容器升降器将容器从底部导轨朝向填充装置的填充喷嘴移动。此后，在步骤610，在容器升降器已经达到其最顶部位置之前不久，控制单元CU指示泵将小量的产品释放到容器中，即所谓的预填充体积。通常可以将术语“最顶部位置前不久”定义为在容器升降器已经到达其最顶部位置的时刻之前的预定的时刻。可以操控这种预填充体积开始以在正常泵凸轮开始之前填充数毫秒，正常泵凸轮开始的时间与纸盒升降器到达其最顶部位置的时间完全相同。预填充的体积和启动预填充的时间均可由操作员调整。泵预填充动作的效果是在开始填充时及早获得稳定的产品表面，从而避免将空气捕获在产品表面下。如果气泡被捕获在产品表面之下，那么在填充的其余部分期间会导致大量的干扰。

被捕获气泡的第一种干扰是，它们将具有体积。该体积将导致产品水平更高，更靠近橡胶喷嘴，或者甚至使橡胶喷嘴浸入产品中。被捕获气泡的第二种干扰是，当它们在产品表面破裂时，结果将是一个粗糙和暴风雨式的表面。当这两种干扰效应同时发生时，即产品表面更接近或甚至接触橡胶喷嘴，并且破坏表面的气泡产生粗糙的波浪时，则产品很可能开始爬上橡胶喷嘴的外侧。该爬行产品甚至会在横向密封区通过橡胶喷嘴的下部时润湿横向密封区，或者产生可能在包装的换位期间润湿横向密封的后滴落。

现在，在步骤620，当容器升降器已经达到其最顶部位置时，停止进一步的移动。

然后，容器的正常填充循环在步骤630开始，如在前面描述的任何实施方式中那样。

在步骤640中容器升降器将容器向下远离填充喷嘴朝向底部轨道移动，同时在步骤650在容器升降器已经到达底部轨道的最底部位置之前不久，泵停止填充循环。

最后，在步骤660，容器升降器一旦达到底部轨道，就停止进一步的运动。

图7示出了根据本发明的方法的另一实施方式。

在步骤710中，控制单元CU检查由操作者选择的机器速度。其原因是对于一种机器速度的入口阀和出口阀的同步可能不能保证这些阀针对其他机器速度保持同步。

入口和出口阀的打开和关闭的时序对于满意的填充循环来说是非常关键的。必须避免阀重叠，因为存在增大的产品不受控制的流动的风险。

入口和出口阀由气动气缸驱动。这些气缸的移动或运动时间主要取决于气动压力和安装在气缸上的流量限制器。实际上，这意味着对于特定的气动空气压力和特定的限制器设置，移动时间或多或少是恒定的。举例而言，填充设备可以被设置为每小时产生5000个、5500个、6000个、6500个、或7000个包装。这意味着实际的开启和关闭时间点需要改变，以便获得使进口阀和出口阀的正确的同步以及针对所有生产速度的泵轨迹(profile)。

因此，在步骤710，控制单元CU使用算法来计算入口阀和出口阀的打开和关闭的时刻，并且相应地调整在填充装置中的时刻。以这种方式，入口和出口阀同步变得与当前的机器速度无关。

在步骤720，容器升降器开始将容器朝向填充喷嘴向上移动，并且在步骤730，在容器达到其最顶部位置时停止。

之后，填充循环在步骤740开始，但使用更新的输入和输出阀关闭和打开时刻。

接下来，在步骤750中，当产品仍被填充到容器中时，容器升降器沿着朝底部轨道的方向将容器远离填充喷嘴移动。

在步骤760中，通过停止进一步输送产品进入容器，但使用更新的出口阀关闭时刻来终止填充循环。

最后，在步骤770，容器升降器到达底部导轨，并且进一步的容器升降器运动被停止。

图8描述了使用许多先前描述的补偿方法中的许多以获得最佳的填充循环的新的填充循环。

首先，上面装载有容器982的容器升降器(未示出)位于底部轨道处。然后，过程在900当容器升降器将容器朝向填充装置的填充喷嘴984并朝着最顶部位置移动时开始。为了避免后期在填充循环中可能上升到容器的顶部并潜在地危及密封完整性的被捕获的气泡，小的产品体积从填充喷嘴释放，使得刚好在纸盒升降器已达到最顶部位置时的时刻产品到达容器的底部。换句话说，在容器升降器已经到达其最顶部位置之前几毫秒，在步骤910，从填充喷嘴984释放预填充体积，这在图6的实施方式中描述。这种补偿可以被称为步骤1填充优化。

此后，“实际”填充循环从步骤920开始。由于在此阶段，产品表面920可能低于理论值，并且最可能是由泵凸轮的加速度与在填充容积中的泵产品相互作用引起，因此控制单元CU指示容器升降器保持在其最顶部位置持续预定的时间段。预定的时间量可以根据泵凸轮位置轨迹曲线计算，并将其转换为容器升降器停留在其最顶部位置的毫秒数。可以将这种补偿称为步骤2填充优化。

一旦容器升降器在步骤930开始将容器向下移动，则控制单元CU可以指示容器升降器减慢其运动，以便补偿泵速度与产品的粘度的相互作用。这种补偿可以称为步骤3填充优化。

填充循环将要结束时，容器的横截面面积与其内的产品的重量一起可能造成容器的膨胀，从而导致与理论产品水平相比产品的水平降低。然后，控制单元CU可以在步骤940指示泵朝向填充循环的结束，以增加输送到容器的产品体积以补偿膨胀。这种补偿可以称为步骤4填充优化。

最后，在填充循环结束时，在步骤950，泵停止将产品输送到容器，并且在步骤950之后不久，容器升降器在步骤960再次到达底部轨道。

为了总结上述优化步骤，通常可以认为，如果橡胶喷嘴的最低部分与产品表面之间的距离在填充开始之后立即变大，则应该增大加速度补偿。仅仅存在一些力(朝向端部泵凸轮位置的加速度)相关的弹性，其使得离开橡胶喷嘴的实际产品相对于泵活塞的运动相移。

如果橡胶喷嘴的最低部分与产品表面之间的距离在填充中间在加速变为减速时增加，那么应该改变速度补偿。然后，导致包装内的产品水平低于其应该有的水平的是某些种类的速度依赖型粘性效应或包装的动态膨胀。

然后，如果橡胶喷嘴的最低部分与产品表面之间的距离在接近填充结束时变得更大，那么应该使用包装膨胀补偿。

还应该提及图2-7中描述的用于所有补偿方法的参数可以由操作员在控制面板上选择。此外，一些或所有参数受到要填充到容器中的产品类型、容器尺寸、特别是其底表面面积和机器速度的影响。

预填充补偿、泵凸轮速度和加速度补偿以及膨胀的预定的成组的值可以已经存储在用于多种产品、容器尺寸和机器速度的填充装置的存储器中。因此，操作者可以简单地选择这些已知值，并且控制单元CU然后可以选择预填充补偿、速度和加速度补偿以及膨胀的相应的参数。

使用控制面板，操作者可以微调补偿值以实现最优的填充过程。

为了理解产品在容器中的移动，也可以使用多个窗口容器(窗口容器是指具有一个透明面的容器)。在填充循环期间，观察液体的行为和容器中产品水平的水平变化，操作者可以决定使用哪种类型的补偿技术或组合多种补偿方法。

如较前已提及的，补偿参数将从产品到产品变化、从机器到机器变化、以及从包装尺寸到包装尺寸变化。因此，在可以使用正确的补偿参数和技术之前，需要对每个新配置进行测试运行。

在上面的描述中已经描述了用于调整填充操作的许多不同的方法。这些方法都基于在填充操作期间通过容器的整个向下移动期间实现容器内部的产品水平相对于填充喷嘴的期望位置的一般构思。通过补偿一个或多个不期望的影响，实现了对灌装操作的更精确的控制。这些不期望的影响例如会涉及i)在填充循环的初始阶段期间截留的气泡，ii)容器的膨胀，iii)由于产品粘度引起的泵速度的变化，或iv)由于泵的可移动部件和产品之间的相互作用而导致的泵加速度的变化。

Claims (21)

1.一种用于将产品填充到容器中的装置，其包括：

-填充单元，其配置成将产品输送到所述容器中，所述填充单元包括泵，并且还包括在其一个端部的填充喷嘴；

-驱动单元，其用于在第一位置和第二位置之间相对于所述填充单元来回移动所述容器或者反之相对于所述容器来回移动所述填充单元，其中，在所述第一位置，所述容器的底端布置在离所述填充喷嘴的距离最大处，而在所述第二位置，所述容器的所述底端布置在离所述填充喷嘴的距离最小处，以及

-控制单元，其被配置为控制所述产品通过所述填充喷嘴的输送，以及控制所述驱动单元，

其特征在于，

所述控制单元还被配置为基于由所述泵输送的当前产品体积来计算新的驱动单元运动轨迹，以用于控制从所述第二位置到所述第一位置的运动，所述当前产品体积被转换为长度单位。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制单元被配置为i)记录与所述第二位置对应的所述驱动单元的操作结束位置，ii)将所记录的所述操作结束位置指定为所述驱动单元的新的初始位置，以及iii)基于所述新的初始位置计算所述驱动单元运动轨迹。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制单元还被配置为在所述驱动单元到达所述操作结束位置之前启动所述产品的通过所述填充喷嘴的输送。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述驱动单元运动轨迹是作为泵运动轨迹的函数来计算的。

5.根据权利要求2所述的装置，其中，所述控制单元被配置为通过在所述容器的填充期间将所述驱动单元的所述新的初始位置与由所述泵输送的在某些预定情况下被转换为长度单位的当前产品体积进行比较来更新所述驱动单元运动轨迹。

6.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制单元还被配置为通过将所述新的初始位置与由所述泵输送的被转换成长度单位的当前产品体积减去常数与所转换的体积的平方的乘积进行比较来计算相对于所述驱动单元的所述新的初始位置的所述容器中的实际产品水平。

7.根据权利要求5所述的装置，其中所述控制单元还被配置为通过将所述新的初始位置与由所述泵输送的被转换成长度单位的当前产品体积减去常数与所转换的体积的平方的乘积进行比较来计算相对于所述驱动单元的所述新的初始位置的所述容器中的实际产品水平。

8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述控制单元还被配置为计算作为在所述驱动单元的预定位置处的实际产品水平的函数的驱动单元补偿距离，并且使用所述驱动单元补偿距离来更新所述驱动单元运动轨迹。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其中所述控制单元还被配置为计算在所述驱动单元的预定位置处所述泵的速度，计算作为在所述驱动单元的预定位置处所述泵的速度的函数的驱动单元补偿距离，以及使用所述驱动单元补偿距离来更新所述驱动单元运动轨迹。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其中所述控制单元还被配置为计算在所述驱动单元的预定位置处所述泵的加速度，计算作为在所述驱动单元的预定位置处所述泵的加速度的函数的驱动单元补偿距离，以及使用所述驱动单元补偿距离来更新所述驱动单元运动轨迹。

11.根据权利要求7所述的装置，其中，所述控制单元被配置为在移动所述容器远离所述填充喷嘴之前指示所述驱动单元将所述容器保持在所述新的初始位置，直到所述驱动单元的所计算的位置不到所述新的初始位置。

12.根据权利要求7所述的装置，其中所述填充单元包括入口阀和出口阀，所述入口阀和所述出口阀被配置成分别调节输送到填充体积中的产品的体积和输送到所述容器的产品的体积，并且其中所述控制单元被配置为控制所述入口阀和所述出口阀打开和关闭的时刻。

13.将产品填充到容器中的方法，其包括：

-控制驱动单元以从第一位置到第二位置相对于填充单元移动所述容器或者反之相对于所述容器移动所述填充单元，其中，在所述第一位置，所述容器的底端布置在离填充喷嘴的距离最大处，而在所述第二位置，所述容器的所述底端布置在离所述填充喷嘴的距离最小处；

-打开所述填充单元的一个端部并将所述产品填充到所述容器中；

-通过控制所述驱动单元根据驱动单元运动轨迹步进通过多个预定位置来使所述容器远离所述填充单元的所述端部移动或者反之使所述填充单元的所述端部远离所述容器移动，同时继续将所述产品填充到所述容器中；

-当容器已经移动到预定的端部位置时，关闭所述填充单元的所述端部；其中所述方法还包括

基于由所述填充单元的泵输送的当前产品体积来计算新的驱动单元运动轨迹以用于控制从所述第二位置到所述第一位置的运动，所述当前产品体积被转换为长度单位。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述产品的通过所述填充喷嘴的输送在所述驱动单元被控制为使所述容器移动远离所述填充单元的端部或者反之使所述填充单元的端部移动远离所述容器之前启动。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其还包括：

-将与所述第二位置对应的所述驱动单元的操作结束位置记录为新的初始位置；其中

相对于所述新的初始位置重新计算在所述容器的填充期间所述驱动单元的预定位置。

16.根据权利要求15所述的方法，其还包括通过将所述驱动单元的所述新的初始位置与由所述泵输送的被转换成长度单位的当前产品体积进行比较来计算所述驱动单元的运动轨迹。

17.根据权利要求16所述的方法，其还包括通过将所述新的初始位置与由所述填充单元的泵输送的被转换成长度单位的当前产品体积减去常数与所转换的体积的平方的乘积进行比较来计算相对于所述驱动单元的所述新的初始位置的所述容器中的实际产品水平。

18.根据权利要求17所述的方法，其还包括计算在所述驱动单元的预定位置处所述泵的速度，以便获得作为在所述驱动单元的每个预定位置处所述泵的速度的函数的驱动单元补偿距离。

19.根据权利要求18所述的方法，其还包括计算在所述驱动单元的预定位置处所述泵的加速度，以便获得作为在所述驱动单元的每个预定位置处所述泵的速度的函数的驱动单元补偿距离。

20.根据权利要求13-14中任一项所述的方法，其还包括通过控制所述填充单元的入口阀和出口阀的运动来分别控制输送到填充系统的填充体积中的产品的体积和输送到所述容器的产品的体积。

21.一种存储用于将产品填充到容器中的装置的计算机程序产品的机器可读介质，所述计算机程序产品包括用于下述操作的指令集：

-控制驱动单元以从第一位置到第二位置使所述容器相对于填充单元移动或者反之使所述填充单元相对于所述容器移动，其中，在所述第一位置，所述容器的底端布置在离填充喷嘴的距离最大处，而在所述第二位置，所述容器的所述底端布置在离所述填充喷嘴的距离最小处；

-打开所述填充单元的一个端部并将所述产品填充到所述容器中；

-通过控制驱动单元步进通过多个预定位置来使所述容器远离所述填充单元的所述端部移动或者反之使所述填充单元的所述端部远离所述容器移动，同时继续将所述产品填充到所述容器中；

-当容器已经移动到预定的端部位置时，关闭所述填充单元的所述端部；

所述计算机程序产品还包括用于下述操作的指令集：

基于由所述填充单元的泵输送的当前产品体积来计算新的驱动单元运动轨迹以用于控制从所述第二位置到所述第一位置的运动，所述当前产品体积被转换为长度单位。