袁飛

常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（常州 213164）

隨著巧克力需求的日益增大，傳統(tǒng)的簡單機械和人力生產(chǎn)和包裝已不能滿足。自動機械化巧克力技術(shù)對巧克力制造和包裝就顯得尤為重要[1]。由于自動化生產(chǎn)效率高，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)，大幅提高工業(yè)生產(chǎn)效率[2]。自動化生產(chǎn)在機械、電子生產(chǎn)等行業(yè)滿足其生產(chǎn)要求的自動生產(chǎn)線。雖然這些自動生產(chǎn)線前期投入很多，但其具有的顯著優(yōu)點使前期投入具有價值，工業(yè)普及這些生產(chǎn)線確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性，大幅減低人力，提高產(chǎn)品生產(chǎn)率[3]。

傳統(tǒng)的流水線巧克力包裝和人工包裝雖然能滿足產(chǎn)品小批量加工，但并不能進行產(chǎn)品智能化操作，也無法完成大批量要求，為解決這一問題，確保產(chǎn)品穩(wěn)定有序進行加工包裝，在流水線的基礎(chǔ)上配備一些輔助裝置，并通過相關(guān)傳動裝置使其能協(xié)調(diào)按一定順序程序運轉(zhuǎn)工作，即構(gòu)成常用的自動生產(chǎn)線[4]。自動生產(chǎn)線的興起讓各行各業(yè)的產(chǎn)品加工數(shù)量、質(zhì)量大幅提升。在客戶使用體驗上使產(chǎn)品贏得良好口碑[5]。

1 整體方案設(shè)計和分析

1.1 巧克力基本參數(shù)條件

表1 巧克力基本參數(shù)

1.2 功能設(shè)計要求

1) 巧克力包裝設(shè)置要做到構(gòu)造緊湊，占用空間少，遇到機器障礙時要便于維修。

2) 節(jié)約成本、提高生產(chǎn)率。

3) 實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、損耗少、污染小、輕便靈活的操作。

4) 傳送的噪音在人的接受范圍內(nèi)。

5) 操作不能過于復(fù)雜，操作要便捷。

2 總體方案選擇

2.1 方案說明

橫式自動包裝機如圖1所示。

方案1：包裝機配有多個電機，其中的傳送帶、縱向?qū)л?、橫封器的動力均由單獨的伺服電動機提供[6]。利用巧克力質(zhì)量體積小的特點，使用臥式結(jié)構(gòu)，在外力作用下，巧克力被帶到未使用的包裝紙內(nèi)，實現(xiàn)對巧克力的包裝。其中，包裝材料是一種化學(xué)材料，用的較多的有PP塑料或復(fù)合材料，當(dāng)包裝材料通過紙袋器的轉(zhuǎn)動被帶到成型器，形成需要包裝的形狀[8]。成品巧克力通過傳送系統(tǒng)被帶到成型的紙袋內(nèi)，在縱封器和橫封器完成產(chǎn)品的封口和切斷，形成單獨產(chǎn)品。

圖1 橫式自動包裝機原理圖

立式包裝機圖如圖2所示。

方案2：同方案1類似，由多個伺服電動機單獨給各個系統(tǒng)提供動力，其包裝方式也和方案1類似，唯一區(qū)別就是方案2的巧克力是從豎直方向掉入包裝紙內(nèi)，因此各機構(gòu)的布置形式也有所差異[7]。

圖2 立式包裝機結(jié)構(gòu)圖

2.2 方案確定

2種包裝機械的各自特點：1）臥式巧克力包裝機大部分裝置都是水平放置包括成型器，所以巧克力和包裝袋上料便捷，立式則相反，需要借助傳送系統(tǒng)才能完成上料動；2）臥式巧克力包裝機裝置的包裝袋的成型和巧克力的包裝是同時進行的，而立式是獨立進行的，因此臥式包裝效率更高；3）臥式巧克力包裝機裝置因其放置方式可在其設(shè)置上配裝很多需要的裝備。

因此，根據(jù)巧克力包裝會有單顆和定量包裝的情況，進行單顆包裝時使用立式，進行定量包裝時使用臥式[8]。必須是臥式和立式的組合使用才能完成整個巧克力的包裝工序，如圖3所示。

使用方案1和方案2的組合包裝，目前巧克力包裝方式存在單個包裝和多個定量包裝。整體思路是確定此次方案對巧克力進行單個和定量包裝，采用臥式和立式的組合機械方式，對其組成重要零部件進行分析設(shè)計。

圖3 巧克力包裝機聯(lián)合設(shè)備構(gòu)造圖

3 各機構(gòu)具體設(shè)計

3.1 分料裝置介紹

根據(jù)確定好的組合方式進行巧克力包裝，關(guān)于組合方式重要零部件進行設(shè)計分析，并對巧克力分料裝置進行分析。

一般情況下，巧克力在進行包裝前，是比較混亂地擺放在包裝機外，包裝機分料裝置就是對混亂的巧克力做直線處理，從而達(dá)到依次包裝。其主要組成部分由進料系統(tǒng)、分料機構(gòu)、傾斜機構(gòu)、外殼、驅(qū)動機及出料裝置組成[9]。其工作機理是：電動機發(fā)出動力，使得中間軸轉(zhuǎn)動，即選料盤跟隨旋轉(zhuǎn)。通過傾斜盤作用使得巧克力向盤邊運動，因為轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致巧克力受到離心力作用，掉進分料盤的圓孔里，當(dāng)圓孔轉(zhuǎn)到黃色外殼空孔對齊方位時，巧克力由于重力作用掉下，并進入綠色過渡帶。

3.2 分料裝置尺寸設(shè)計

選料盤構(gòu)造如圖5所示，材料使用Al-Si合金。

選料盤上開15個孔，孔直徑選80 mm相鄰孔的中心距50 mm，即周長為80 mm×15=1 200 mm，而且傾斜盤采用45°[10]。

圖4 分料裝置

圖5 選料盤

3.3 軸的設(shè)計

電動機額定轉(zhuǎn)矩T=1.65 N·m，轉(zhuǎn)速n=20 r/min，所以其功率計算如式（1）所示。

材料采用20鋼，并進行處理，取A0=126，通過式（2）確定軸的最小直徑。

由于后期軸上還需要做螺紋處理，所以加大直徑，選12 mm。

通過分析，軸的尺寸見圖6。其中，L1=32 mm，L2=3 mm，L3=30 mm。

圖6 軸尺寸二維圖

4 運輸裝置設(shè)計

對中間傳送運輸裝置進行分析選擇。

作用是將巧克力送到成型器端口，基本要求有：功率不需要太大、轉(zhuǎn)速中等合適振動不能太大、質(zhì)量輕、成本低。驅(qū)動電源使用一般步進電動機[11]。

4.1 運輸裝置電機選擇

分析可知，傳送帶以每分鐘300個巧克力送入成型器內(nèi)，每個巧克力長50 mm，巧克力之間距離10 mm，所以1 min內(nèi)電機帶到傳送帶運行的長度L=50 mm×300-10 mm=14 990 mm。

取L=15 000 mm查表，可知帶輪的最小直徑為75 mm，所以電機轉(zhuǎn)速[12]V=15 000 mm/（75 mm× 3.14）=64 mm/min。

4.2 傳送帶V帶設(shè)計

確定中心距a和基準(zhǔn)長度L。

按式（3）計算可得中心距a0=100 mm。

按（4）計算可得基準(zhǔn)長度L=425 mm。

查表得實際中心距L1=112.5 mm。

取a=110 mm，繪出輸送構(gòu)造數(shù)模圖，見圖7。

圖7 輸送機構(gòu)

4.3 成型裝置設(shè)計

常用的紙袋成型器分別為翻領(lǐng)式、象鼻式和U型式。

選取紙袋器的原則：紙袋可以順利小阻力通過成型器，且出來的紙袋要求光滑；成型自然，銜接縫隙??；構(gòu)造簡單，容易維修。

試驗巧克力包裝機采用翻領(lǐng)式成型器，材料使用Al-Si合金。

5 各輔助零件設(shè)計

5.1 巧克力入料口設(shè)計

加工好的巧克力需要經(jīng)過入料口才可以進入分料機構(gòu)，入料機構(gòu)采用平行四連桿機構(gòu)，其三維圖如圖8所示。

圖8 入料口三維圖

5.2 軸承選擇

由于多個機構(gòu)都需要軸承，但其承受的力和速度要求不高，所以統(tǒng)一用內(nèi)經(jīng)12 mm軸承，通過查表可知選用6201的軸承[13]。

5.3 彈簧選擇

在定量控制器還是袋裝橫封器所使用的彈簧分別受到重力和拉力的作用，其基本要求是彈簧的壓縮長度不能超過其極限長度，否則會破壞彈簧，使其壽命減短，在這2種機構(gòu)中的彈簧均采用圈數(shù)為14圈的彈簧[14]。

5.4 導(dǎo)輪加熱裝置

紙袋由于其化學(xué)特性必須在加熱后才能完成緊密粘合，所以導(dǎo)輪必須設(shè)有加熱裝置對紙袋進行加熱處理，設(shè)計包裝巧克力的材料，使用化學(xué)材料PP，并通過文獻(xiàn)資料查找得知溫度40～80 ℃時，PP這種化學(xué)材料就會成為熔融狀態(tài)，為保證巧克力包裝的密封性，選擇密封溫度55 ℃。同時為保證執(zhí)行溫度為55 ℃，在溫度區(qū)加裝一個溫度檢測裝置，防止溫度過高，熔化PP紙[15]。

6 橫封裝置設(shè)計

6.1 橫封裝置相關(guān)介紹

橫封裝置的作用就是將通過縱封機構(gòu)完成的產(chǎn)品進行切割，常用的2種橫封器分別如圖9和圖10所示。

連續(xù)橫封裝置同時完成密封和切割運動，且由于其結(jié)構(gòu)保證產(chǎn)品的均勻性和一致性，可以連續(xù)工作。

圖9 橫封裝置

暫停式橫封設(shè)置是根據(jù)包裝紙袋和密封器的相對靜止，使用鋁合金板進行密封。

圖10 暫停式橫封裝置

因此，可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的橫封器，進行立式包裝時選用連續(xù)性密封器，進行臥式包裝時選擇暫停式密封器。

6.2 連續(xù)型橫封裝置電機選擇

巧克力包裝機所需的電動機要求不高，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率要求均不高，所以選用步進電機YK60HB56-03A。

6.3 橫封機構(gòu)結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計

6.3.1 連續(xù)性橫封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

連續(xù)性橫封裝置是要求連續(xù)切割。其三維模型如圖11所示。

圖11 橫封器

通過對縱封器的分析并考慮到實際中密封不是瞬間完成的，所以需要的刀具應(yīng)有一定圓弧，其角度為120°，這樣可以保證產(chǎn)品連續(xù)性，密封器的寬度根據(jù)巧克力的寬度可選為30 mm，二維圖如圖12所示。

圖12 橫封器

在實際切割時，紙袋的錯位經(jīng)常發(fā)生，所以需要設(shè)計一套控制系統(tǒng)。試驗采用步進電動機和雙螺旋設(shè)置組合而成的機構(gòu)，其工作原理是通過電傳感器把紙袋錯位信號發(fā)到處理器，處理器得到信息，通過脈沖形式向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出命令，即使步進電動機旋轉(zhuǎn)一定角度，雙螺旋構(gòu)造便完成角度位移，橫峰器水平挪動[16]。如圖13所示。

圖13 雙螺旋機構(gòu)原理圖

6.3.2 暫停式橫封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

暫停式橫封裝置是由很多機構(gòu)組成，主要對其凸輪機構(gòu)、橫封板、刀片進行結(jié)構(gòu)分析設(shè)計。

6.3.2.1 刀片組件設(shè)計

暫停式橫封裝置刀片每次僅需要轉(zhuǎn)動1圈，可用凸輪和刀片組合機構(gòu)完成刀片轉(zhuǎn)動。

1) 凸輪設(shè)計

刀片組的凸輪使用一個橢圓型凸輪。其外形基本尺寸是由刀片運動長度決定，刀片運動距離為5 mm。凸輪的三維圖如圖14所示。

圖14 凸輪三維圖

2) 刀片設(shè)計

材料選用20鋼。根據(jù)紙袋寬度，刀具的寬度選為202 mm，厚度選為2 mm，二維圖如圖15所示。

圖15 刀片二維圖

6.3.2.2 橫封組設(shè)計

1) 橫封器設(shè)計

通過調(diào)查目前市場使用的封器裝置，可知一般情況下上密封尺寸選擇30 mm，下密封尺寸選擇20 mm。中間需要留2 mm的寬度給刀具切割運動，所以橫封板的總長度為52 mm，厚度為15 mm。材料選用Al-Si合金。

圖16 橫封器三維圖

2) 橫封凸輪設(shè)計

選用凸輪機構(gòu)，在其基礎(chǔ)上裝有彈簧。其作用是讓橫封器在完成每次切割時遠(yuǎn)離紙袋。三維模型如圖17所示。

根據(jù)要求凸輪上可分為4個部分，而且每部分都為90°。近休止過程為定直徑圓弧，推程過程為變直徑圓弧，遠(yuǎn)休止過程為定直徑圓弧，回程過程為變直徑圓弧，其與推程圓弧對稱。

圖17 橫封凸輪三維圖

7 結(jié)論

通過對現(xiàn)有巧克力包裝機結(jié)構(gòu)和參數(shù)的分析，設(shè)計出一款組合性包裝機械，可實現(xiàn)顆粒包裝和定量包裝兩種功能。根據(jù)各部分的功能要求，設(shè)計出能實現(xiàn)該功能的機構(gòu)，根據(jù)巧克力包裝要其求設(shè)計出相關(guān)零件尺寸，并對重要的受力零件進行強度校核，以使其滿足正常的加工要求，提高使用壽命。采用雙螺旋機構(gòu)進行顆粒橫封器位移微小移動，利用凸輪滑塊機構(gòu)，實現(xiàn)刀具和袋裝橫封器的推動。與傳統(tǒng)巧克力包裝方式相比較，該設(shè)計能夠較快完成巧克力的顆粒和定量包裝，自動化程度較高，大幅降低人工勞動力付出。