王豐元 李 蘭 李 震 聶家琎 周 俊 曹 碩

(1. 青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東 青島 266520；2. 青島理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東 青島 266520)

旋轉(zhuǎn)式多工位自動干果包裝機的設(shè)計

王豐元1李 蘭1李 震2聶家琎2周 俊2曹 碩2

(1. 青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東 青島 266520；2. 青島理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東 青島 266520)

針對現(xiàn)有的干果包裝機多為功能單一、占地面積大、對人工依賴程度高等問題，設(shè)計一種旋轉(zhuǎn)式多工位自動干果包裝機，該機器集干果的定量收集、裝袋、熱塑封袋、紙袋整齊裝箱、自動封箱等功能于一體。該機器結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，主要包括3個系統(tǒng)，即：旋轉(zhuǎn)式可控定量投料系統(tǒng)，集抓袋、開袋、裝袋、封袋于一體的打包系統(tǒng)，裝箱、封箱系統(tǒng)。經(jīng)實驗驗證，該機器每小時能包裝720袋(合360 kg)干果，損失率≤2%。

干果；包裝機；旋轉(zhuǎn)式；多工位；可控定量

現(xiàn)有的干果包裝機器[1]多采用光電技術(shù)和重感稱量方式進行計量，利用大型流水線進行包裝，功能單一，占地面積大，對人工依賴程度高，而且所需成本較高。

封少坤[2]發(fā)明了一種改進型食品包裝機，根據(jù)被計量物的特性結(jié)合可細微調(diào)控的食斗開閉合門達到瞬時計數(shù)的功能，設(shè)置有稱重提醒裝置可包裝出一定質(zhì)量的食品。過山[3]發(fā)明了一種干果堅果零食包裝機器，該機器是將干果用盒體包裝成三角錐形。Young-Man Jeong等[4]構(gòu)建了一個包裝自動化系統(tǒng)，并制造了一個自動監(jiān)測系統(tǒng)來測試其性能的好壞和螺絲/螺栓生產(chǎn)線包裝過程中的自動化程度。Yamamoto等[5]開發(fā)了一個在可回收托盤或單層托盤上包裝草莓的自動包裝系統(tǒng)。鄧永祥等[6]對CH型透明紙包裝機煙包壓緊裝置進行了改進，采用氣缸配合的停機可提升式壓緊裝置，以解決小盒煙包表面被輸送帶擦出劃痕的問題。邵忠良[7]設(shè)計了一種基于PLC的FFS包裝機移動平臺及控制系統(tǒng)，使之能夠自由平移、旋轉(zhuǎn)及定位等，與下料口準確對接，協(xié)調(diào)定量秤、包裝機的動作配合，從而使系統(tǒng)按照設(shè)定的工藝流程高效地完成整個生產(chǎn)過程。上述典型案例基本滿足各類形態(tài)被包裝物的包裝需求，相較之，本研究采用整體化多工位設(shè)計思路，將其全部功能利用同一驅(qū)動軸得以實現(xiàn)，機構(gòu)簡單且完成度高。

根據(jù)市場需求和干果包裝需要，本研究擬設(shè)計一種旋轉(zhuǎn)式多工位自動干果包裝機，該機器集干果的定量收集、裝袋、熱塑封袋和紙袋的整齊裝箱、自動封箱等功能于一體，可以實現(xiàn)干果的裝袋、裝箱一體化自動包裝，與傳統(tǒng)流水線生產(chǎn)相比，占地面積小，無需人工參與，大大提高了干果包裝的效率。而且像葵花子、桂圓、蠶豆等體積較小的干果，對重量要求不那么嚴格，以體積作為標準計量方式更為便捷。采用可降解材料的紙袋包裝(最大體積為800 cm3)，在包裝過程中不易損壞，符合綠色包裝的理念。

1 總體設(shè)計方案

1.1 總體布置方案

旋轉(zhuǎn)式多工位自動干果包裝機主要包括3個系統(tǒng)，分別為：旋轉(zhuǎn)式可控定量投料系統(tǒng)，集抓袋、開袋、裝袋、封袋于一體的打包系統(tǒng)，裝箱、封箱系統(tǒng)。產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)見圖1。旋轉(zhuǎn)式可控定量投料系統(tǒng)位于機器最上端，主要實現(xiàn)干果的儲料、送料、定量、調(diào)控容積功能；打包系統(tǒng)位于旋轉(zhuǎn)式可控定量投料系統(tǒng)下方，主要實現(xiàn)干果可調(diào)控的定量裝袋、封袋功能；斜面間歇運動式整齊裝箱系統(tǒng)和環(huán)形自動封箱系統(tǒng)位于機器底端，主要實現(xiàn)袋裝干果的自動裝箱、封箱功能。

包裝機整體尺寸為1 200 mm×1 200 mm×1 800 mm(長×寬×高)，動力由電機提供，其型號為JK 90YCJ 90/4(濟寧精科電機有限責(zé)任公司)。機架采用20 mm×20 mm×4 mm 的角鋼，材料為軋制鋼。傳動方式主要是帶傳動和齒輪傳動，小帶輪結(jié)構(gòu)為實心式，大帶輪結(jié)構(gòu)為腹板式，材料均為HT200。限位導(dǎo)軌直徑1 200 mm，采用鋁合金材料。

1. 料斗 2. 旋轉(zhuǎn)式定量桶 3. 鼓風(fēng)機 4. 儲袋箱 5. 吸盤 6. 封箱裝置 7. 小擋板 8. 大輪轂 9. 束箱機構(gòu) 10. 小輪轂 11. 熱塑封袋裝置 12. 前擋板 13. 大擋板

1.2 包裝機工作原理及工作過程

將一定量的干果倒入機架上方的儲料斗1(見圖1)，干果沿著儲料斗滑槽進入旋轉(zhuǎn)式定量桶2中，經(jīng)定量后均勻落入伸縮定量管中，利用齒輪齒條升降機構(gòu)調(diào)節(jié)伸縮定量管體積，進而控制干果的包裝體積和質(zhì)量。同時，電動機順次帶動各級錐齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動皮帶上的抓袋葉片循環(huán)轉(zhuǎn)動，抓袋葉片在運動過程中抓下儲袋箱4中的包裝紙袋。紙袋落到滑槽上時，固連在輪轂上的輻條推動包裝袋間歇式運動，當紙袋到達光電感應(yīng)處時，氣缸帶動具有吸氣功能的吸盤5將紙袋吸開，同時鼓風(fēng)機3工作將紙袋完全展開。紙袋裝料后，運送到熱封裝置11處，氣缸帶動封袋器將紙袋封口，完成封袋后，紙袋經(jīng)滑槽落入紙箱中，滑槽處裝有計數(shù)繼電器，當落下紙袋數(shù)達到設(shè)定值時，封箱系統(tǒng)開始工作。封箱系統(tǒng)中，箱子沿軌道依次經(jīng)過：可復(fù)位連桿機構(gòu)、左右合蓋裝置及可復(fù)位封箱裝置。在左右合蓋處，紙箱完成左右合蓋，最后利用可復(fù)位封箱裝置，將紙箱膠封?？墒垢晒麚p失率≤2%，干果成功收集率≥98%。整個包裝過程無需人工參與，只需要機械工作即可完成。包裝后的干果膠封在箱子中，便于下一步的運輸與流通。

2 主要系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 旋轉(zhuǎn)式可控定量投料系統(tǒng)的設(shè)計

旋轉(zhuǎn)式可控定量投料系統(tǒng)，集干果體積的定量、可改變體積、可振動防阻塞三大功能于一體，包括料斗、定量裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、震動裝置，見圖2。將一定量的干果倒入機架上方的儲料斗，干果沿著儲料斗滑槽進入旋轉(zhuǎn)式定量桶中，為使干果能順利通過料斗，料斗出口形狀設(shè)置為40 mm×40 mm的正方形，此時固定在機架上的擋板擋住干果轉(zhuǎn)動并落入直徑為60 mm的伸縮定量管中。由鏈輪帶動齒輪齒條縱向移動轉(zhuǎn)化為升降盤的平動，從而控制定量管的長度(120～200 mm)，進而控制干果的包裝體積和質(zhì)量。同時，電動機順次帶動各級錐齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動皮帶上的抓袋葉片循環(huán)轉(zhuǎn)動，抓袋葉片在運動過程中抓下儲袋箱中的包裝紙袋。

1. 料斗 2. 旋轉(zhuǎn)式定量桶 3. 定量盤

2.1.1 旋轉(zhuǎn)式定量桶 旋轉(zhuǎn)式定量桶(圖3)的直徑為40 mm、高為40 mm，桶壁是透明的，方便控制人員根據(jù)桶壁上刻度來調(diào)整伸縮定量管體積，電動機獲得動力進行旋轉(zhuǎn)，帶動平動式升降盤進行上下平移。定量盤、平動式升降盤通過主軸自上而下依次連接在一起，伸縮定量管環(huán)形陣列在定量盤上，安裝在定量盤與平動式升降盤之間，開口上大下小，可以隨著平動式升降盤的上下移動而壓縮和伸長，從而控制定量管的長度，起到干果定量的作用。

1. 料斗 2. 定量盤 3. 伸縮定量管

2.1.2 平動式升降盤 平動式升降盤(圖4)的主軸由電機提供動力，在定量過程中，平動式升降盤固定不動，隨著定量盤的轉(zhuǎn)動，擋料板把落在定量盤上的干果撥到每一個伸縮定量管內(nèi)，擋料板與機架固連在一起，考慮到定量盤轉(zhuǎn)速不大，故其所受到的彎曲應(yīng)力未達到其強度極限。出料管直徑為66 mm，安裝在平動式升降盤下方，保證出料管上端壓縮部分在平動式升降盤向上或向下運動時能夠與升降盤緊密接觸，確保干果不會漏出，一定量的干果通過出料管投出。出料管一側(cè)安裝有偏心震動裝置，偏心軸的旋轉(zhuǎn)給出料管穩(wěn)定而高速的震動，保證干果不會堵塞在出料管內(nèi)。

1. 定量盤 2. 平動式升降盤

2.2 打包系統(tǒng)的設(shè)計

集抓袋、開袋、裝袋、封袋為一體的打包系統(tǒng)俯視圖見圖5，包括摩擦取袋裝置、包裝袋運送裝置、吸盤式開袋裝置、落料裝置、熱塑封袋裝置、槽輪間歇機構(gòu)和主軸。電動機順次帶動各級錐齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動皮帶上的抓袋葉片循環(huán)轉(zhuǎn)動，抓袋葉片在運動過程中抓取儲袋箱中長為180 mm、寬為130 mm的包裝紙袋。紙袋落到滑槽上時，固連在輪轂上的輻條推動包裝袋間歇式運動，當運動到吸盤式開袋裝置處時，感應(yīng)器感應(yīng)到包裝袋，氣缸開始工作，帶有抽氣功能的吸盤吸附在包裝袋兩側(cè)，當輪轂下次開始轉(zhuǎn)動時，感應(yīng)器停止工作，氣缸撤回，從而帶動吸盤將包裝袋開口，在此過程中鼓風(fēng)機也通過感應(yīng)器實現(xiàn)對包裝袋完全展開。當包裝袋推動到指定位置時，伸縮定量管中的干果落入袋中。繼續(xù)推動包裝袋運動，當包裝袋運動到熱塑封袋裝置處時，光電感應(yīng)裝置進行感應(yīng)，并控制氣缸工作，袋子在氣缸的作用下合口并瞬時高溫加熱，完成熱塑封袋工作。

1. 鼓風(fēng)機 2. 鼓風(fēng)開袋裝置 3. 熱塑封袋裝置 4. 槽輪間歇機構(gòu) 5. 儲袋箱

以上各個工序是在機器中上部的滑槽中完成，為保證有足夠的空間保證干果包裝帶可以在滑槽中移動，滑槽的內(nèi)外壁直徑及高度應(yīng)設(shè)計得恰當合理。整個滑槽被以上工序均分為四段，每隔90°為一個工序。

2.2.1 摩擦取袋裝置 摩擦取袋裝置包括儲袋箱、抓袋裝置，見圖6。抓袋裝置包括第一皮帶輪、第二皮帶輪和皮帶以及安裝在皮帶上的抓袋葉片，此處為了防止皮帶打滑，采用同步帶，使其所傳遞載荷增大，傳動效率提高。儲袋箱安裝在機架上，其另一側(cè)開口，抓袋葉片安裝在皮帶上，皮帶連接皮帶輪，兩個皮帶輪分別安裝在帶輪軸上，帶輪軸安裝在帶輪支架上，帶輪軸另一端安裝有錐齒輪，錐齒輪與錐齒輪相配合并安裝在電動機主軸上。首先將紙袋整齊地放入儲袋箱內(nèi)，使袋子有折疊的一側(cè)朝外。通過電機帶動第一、第二皮帶輪及皮帶轉(zhuǎn)動，其上的抓袋葉片與紙袋的接觸摩擦[8]，從而使紙袋下落至透明桶滑槽。根據(jù)紙袋的大小，儲袋箱底面傾斜20°，后板裝有彈簧，目的是使袋子在重力和彈力的作用下，一直處于儲袋箱前部，同時儲袋箱的底板前部開有長方形槽，其寬度為2 mm，保證每次抓袋葉片抓取一個紙袋落下。

1. 儲袋箱 2. 抓袋葉片 3. 同步帶 4、6. 帶輪 5、7. 帶輪軸

2.2.2 吸盤式開袋裝置 吸盤式開袋裝置包括氣缸、吸盤(一個裝在與氣缸連接的平板上，另一個固定在上滑槽內(nèi)壁上方)、真空發(fā)生器、鼓風(fēng)機和光電開關(guān)，見圖7。運動的紙袋到達吸盤式開袋裝置，光電感應(yīng)器接收到信號，使氣缸發(fā)生動作，在真空發(fā)生器的作用下吸盤將紙袋打開，此時鼓風(fēng)機向打開的紙袋中進行鼓風(fēng)，鼓風(fēng)機功率為20 W，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，使紙袋下部得以充分展開，為下一步向紙袋中投料做好準備。

1. 吸盤 2. 氣缸 3. 擋板

2.2.3 熱塑封袋裝置 熱塑封袋裝置位于上滑槽末端，紙袋運動到此處時，光電感應(yīng)元件進行感應(yīng)，隨后氣缸帶著熱塑板彈出，在上滑槽內(nèi)壁上部裝有海綿條，兩者緊密貼合，利用瞬時高溫加熱使袋子迅速熱熔封合，完成封袋工作。

2.2.4 槽輪間歇機構(gòu) 槽輪間歇機構(gòu)(圖8)、第二皮帶輪依次安裝在主軸上端，其目的在于實現(xiàn)輪轂的間歇運動，使透明桶滑槽上的落袋、鼓風(fēng)、落料、束帶及熱塑5個工位同時工作，且能實現(xiàn)每個工位一個紙袋，每個紙袋依次按照順序完成以上工作。其中主動撥盤直徑為90 mm，從動槽輪直徑為70 mm，兩者中心距為126 mm，由電機帶動主動撥盤連續(xù)運動，其速度為1.25 r/s，而從動槽輪每分鐘轉(zhuǎn)過3圈，完成12個袋子的抓、開、裝、封工序。此系統(tǒng)與上層投料系統(tǒng)實現(xiàn)良好配合，確保一袋一出、一料一投。同時，包裝好的紙袋沿落袋槽下，進入下一個裝箱封箱系統(tǒng)。

圖8 槽輪間歇機構(gòu)俯視圖Figure 8 Slot wheel intermittent mechanism

2.3 裝箱封箱系統(tǒng)的設(shè)計

裝袋封袋系統(tǒng)與裝箱封箱系統(tǒng)(圖9)通過計數(shù)繼電器連接，在包裝袋完成封口之后，通過落袋槽落入下滑槽上的箱子中，在下落過程中，光電開關(guān)感應(yīng)到包裝袋對計數(shù)繼電器發(fā)出指令，計數(shù)繼電器開始計數(shù)。當箱子內(nèi)的包裝袋數(shù)量達到計數(shù)繼電器設(shè)定值時，大輪轂開始工作，在擋板推動下，運動到箱體滑槽2/5處時，前擋板將箱子的前蓋合上，箱體在前進過程中，使對稱可復(fù)位連桿機構(gòu)(圖10)將箱體后蓋合上。當推動到箱體滑槽3/5處時，左右合蓋機構(gòu)(圖11)將箱子左、右頁合閉，當推動到箱體滑槽4/5處時，可復(fù)位封箱膠帶機將箱子封死。

1. 大輪轂 2. 合前蓋機構(gòu) 3. 合側(cè)蓋機構(gòu) 4. 膠帶封箱

1. 連桿機構(gòu) 2. 支架

1. 箱體盒右蓋機構(gòu) 2. 箱體盒左蓋機構(gòu)

2.4 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

本產(chǎn)品采用多種傳動方式相結(jié)合，主要包括圓柱齒輪傳動、錐齒輪傳動、齒輪齒條傳動、鏈傳動、皮帶傳動等。其中，電機直接與圓柱齒輪相連，達到減速的目的；由傳動帶動齒輪齒條縱向移動轉(zhuǎn)化為升降盤的平動，從而控制定量管的長度，起到干果定量的作用；為了減輕機器的震動，采用帶傳動，使傳動更為平穩(wěn)。傳動系統(tǒng)的正確利用，使得機器的運轉(zhuǎn)速度得以控制，并且將各系統(tǒng)合理安排連接，實現(xiàn)總體包裝功能。

針對于帶傳動的設(shè)計[9]155-159，取帶輪的傳動比為i=2，小帶輪轉(zhuǎn)速為n1=6 r/min，傳遞的額定功率為120 W，從而確定帶的型號為A型普通V帶，帶長為1 250 mm，中心距為400 mm，大、小帶輪的基準直徑分別為75，150 mm。

針對于電機減速器的高速級齒輪傳動的設(shè)計[9]210-216，已知電機的輸入功率為120 W，小齒輪轉(zhuǎn)動為n1=48 r/min，傳動比為i=4，包裝機工作平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向不變，故可分為以下幾個步驟：

2.4.1 齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)選定 按照齒輪單級傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動，壓力角取為20°。全自動包裝機為一般工作機器，參考“各類機器所用齒輪傳動的精度等級范圍”[10]，選用7級精度。選擇小齒輪材料為40Cr，齒面硬度280HBS，齒數(shù)為24；大齒輪材料為45鋼，齒面硬度240HBS，齒數(shù)為96。

2.4.2 小齒輪分度圓直徑 按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計，使得小齒輪分度圓直徑d1t滿足：

(1)

式中：

d1t——小齒輪分度圓直徑，mm；

KHt——接觸疲勞強度計算的載荷系數(shù)的試選值；

T1——小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·mm；

φd——齒寬系數(shù)；

ZH——區(qū)域系數(shù)；

ZE——材料的彈性影響系數(shù)；

Zε——接觸疲勞強度用重合系數(shù)；

然后再對其進行調(diào)整。

2.4.3 模數(shù) 按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計，使得模數(shù)滿足：

(2)

式中：

mt——模數(shù)；

KFt——載荷系數(shù)的試選值；

Yε——彎曲疲勞強度計算的重合度系數(shù)；

YFa——齒形系數(shù)；

Ysa——應(yīng)力修正系數(shù)；

2.4.4 幾何尺寸計算 計算出分度圓的直徑d1和d2、中心距a和齒輪寬度b，考慮到不可避免的安裝誤差，為了保證設(shè)計齒寬和節(jié)省材料，一般將小齒輪略加寬5～10 mm。

2.4.5 圓整中心距后的強度校核

(3)

(4)

2.4.6 主要設(shè)計參數(shù) 最終確定齒數(shù)z1=24，z2=96，模數(shù)m=2mm，壓力角α=20°，中心距a=120mm，齒寬b1=55mm，b2=48mm。小齒輪選用40Cr(調(diào)質(zhì))，大齒輪選用45鋼(調(diào)質(zhì))。齒輪按7級精度設(shè)計。

3 結(jié)論

通過對干果包裝機的市場分析，提出并設(shè)計了一種集干果的定量收集、裝袋、熱塑封袋和紙袋的整齊裝箱、自動封箱等功能于一體的旋轉(zhuǎn)式多工位自動干果包裝機，該機器采用旋轉(zhuǎn)式可控定量投料系統(tǒng)實現(xiàn)干果的儲料、送料、定量、調(diào)控容積功能；集抓袋、開袋、裝袋、封袋于一體的打包系統(tǒng)實現(xiàn)干果可調(diào)控的定量裝袋、封袋功能；斜面間歇運動式整齊裝箱系統(tǒng)和環(huán)形自動封箱系統(tǒng)實現(xiàn)袋裝干果的自動裝箱、封箱功能。最終通過多次試驗得到，干果損失率≤2%，果實破碎率≤1%，干果成功收集率≥98%。該機器全部采用機械機構(gòu)實現(xiàn)功能，操作簡單，適用性強。整體采用封閉式圓柱形設(shè)計，大大減少機器占地面積，因而具有良好的應(yīng)用前景。但本機的計量方式是量杯式的，計量精度不夠，進一步開發(fā)時可采用多頭計量稱和光電控制的自動數(shù)粒等方式。

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Design of automatic nut packing machine with rotary multi-station

WANG Feng-yuan1LILan1LIZhen2NIEJia-jin2ZHOUJun2CAOShuo2

(1.SchoolofAutomobileandTransportation,QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao,Shandong266520,China; 2.CollegeofMechanicalEngineering,QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao,Shandong266520,China)

Considering solution for existing nut packing machines on the market with the problems, including non-multifunction, high demanding in area occupation and human labor, a rotary multi-station automatic nut packing machine was designed. The machine combined the function of collecting quantitative and bagging the nuts, sealing with thermoplastic plastics, packing paper-bag and automatic sealing of the box. The machine mainly consisted of three systems, i.e., the feeding system with rotary controllable quantitative mechanism, the bagging system of catching and opening bags, bagging, sealing of the bags and the packing, and the sealing system for the boxes. It was verified that 720 bags (360 kg) of nuts could be packed using this machine in an hour, and the nut loss rate was less than 2%.

nut packing machine; rotary type; multi-station; controllable quantification

王豐元(1963—)，男，青島理工大學(xué)教授，博士后。 E-mail：fy58wang@126.com

2016-10-26

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.018