葉瀾楠，甄凱威，劉柯言，陳 曉，張 榮（臺州科技職業(yè)學(xué)院，浙江臺州 318020）

1 引言

隨著人們對巧克力的需求日益增大，傳統(tǒng)簡單的機(jī)械及人力生產(chǎn)和包裝完全不能滿足其需求。所以自動機(jī)械化巧克力技術(shù)的對巧克力的制造和包裝就顯的尤為重要[1]。而且由于自動化生產(chǎn)的高效率、便捷被廣泛地應(yīng)用到各種工業(yè)生產(chǎn)中，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率[2]。自動化生產(chǎn)在機(jī)械、電子生產(chǎn)等行業(yè)都已經(jīng)滿足其生產(chǎn)要求的的自動生產(chǎn)線。雖然這些自動生產(chǎn)線前期投入很多，但與其顯著的優(yōu)點(diǎn)相比前期投入還是很值得，工業(yè)普及這些生產(chǎn)線確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性，大大減低人力，提高了產(chǎn)品的生產(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)品小批量的加工，但并不能進(jìn)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)定有序的進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)工作，即構(gòu)成目前常用的自動生產(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)量大幅度提升，在客戶使用體驗(yàn)上使產(chǎn)品贏的良好的口碑[5]。

2 總體設(shè)計(jì)方案的分析與確定

2.1 巧克力基本參數(shù)條件

巧克力的基本參數(shù)如表1所示。

表1 巧克力基本參數(shù)

2.2 功能設(shè)計(jì)要求

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

（2）節(jié)約成本提高生產(chǎn)率。

（3）實(shí)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。

3 總體方案選擇

3.1 方案說明

（1）圖1所示為橫式自動包裝機(jī)。

方案一：這個方案包裝機(jī)是配有多個電機(jī)，其中的傳送帶、縱向?qū)л啞M封器的動力都是單獨(dú)的伺服電動機(jī)提供[6]。利用巧克力質(zhì)量體積小的特點(diǎn)，使用臥式結(jié)構(gòu)，在外力的作用下，巧克力被帶到未使用的包裝紙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對巧克力的包裝。其中包裝材料是一種化學(xué)哦材料目前用的較多的是PP塑料或者復(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，最后形成需要包裝的形狀[7]。與此同時(shí)，成品巧克力通過傳送系統(tǒng)被帶到成型的紙袋內(nèi)，最后在縱封器和橫封器完成產(chǎn)品的封口和切斷，最后形成單獨(dú)產(chǎn)品。

圖1 橫式自動包裝機(jī)原理圖

（2）圖2所示為立式包裝機(jī)。

方案二：該方案同方案一類似也是由多個伺服電動機(jī)單獨(dú)給各個系統(tǒng)提供動力，其包裝方式也和方案一類似，唯一區(qū)別就是這種方案的巧克力是從豎直方向掉入包裝紙內(nèi)當(dāng)然各機(jī)構(gòu)的布置形式也有所差異[8]。

圖2 立式包裝機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.2 方案確定

兩種包裝機(jī)械的各自特點(diǎn)：

（1）臥式巧克力包裝機(jī)裝置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都很便捷，立式相反，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(jī)裝置的包裝袋的成型和巧克力的包裝是同時(shí)進(jìn)行，而立式的是獨(dú)立進(jìn)行，可知臥式包裝效率更高。

（3）臥式巧克力包裝機(jī)裝置因其放置方式可以在其設(shè)置上配裝很多需要的裝備。

根據(jù)以上對比可知，并根據(jù)巧克力包裝會有單顆和定量包裝的情況，所以當(dāng)進(jìn)行單顆包裝時(shí)使用立式，當(dāng)進(jìn)行定量包裝，使用臥式[7]。所以可知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。

4 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 分料裝置介紹

一般情況下，巧克力在進(jìn)行包裝前，是比較混亂的擺放在包裝機(jī)外，包裝機(jī)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。其主要組成部分有：進(jìn)料系統(tǒng)、分料機(jī)構(gòu)、傾斜機(jī)構(gòu)、外殼和驅(qū)動機(jī)及出料裝置組成[9]。其工作機(jī)理是：電動機(jī)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(yùn)動，因?yàn)檗D(zhuǎn)動的原因，導(dǎo)致巧克力收到離心力作用，掉進(jìn)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(shí)，巧克力由于重力作用掉下，并進(jìn)入綠色過渡帶。

4.2 分料裝置尺寸設(shè)計(jì)

選料盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

選料盤構(gòu)造如圖4所示，材料使用Al-Si合金。

圖3 巧克力包裝機(jī)聯(lián)合設(shè)備構(gòu)造圖

三維圖說明：選料盤上開15個孔，孔直徑選為φ80mm相鄰孔的中心距為50mm，即周長為15×80=1,200mm，而且傾斜盤采用45°設(shè)計(jì)[10]。

5 運(yùn)輸裝置設(shè)計(jì)

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、重量輕、成本低。驅(qū)動電源采用一般步進(jìn)電動機(jī)[11]。

5.1 運(yùn)輸裝置電機(jī)選擇

根據(jù)以上分析可知，傳送帶每分鐘內(nèi)將300個巧克力送入成型器內(nèi)，每個巧克力的長為50mm，巧克力之間的距離為10mm，所以一分鐘內(nèi)電機(jī)帶到傳送帶運(yùn)行的長度為：

L取15,000mm查表可知帶輪的最小直徑為φ75mm，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速為[12]：

5.2 成型裝置設(shè)計(jì)

目前常用的紙袋成型器有以下幾種分別為：翻領(lǐng)式、象鼻式、U型式。

選取紙袋器的原則：①紙袋可以順利小阻力的通過成型器時(shí)，且出來的紙袋要求光滑；②成型自然，銜接縫隙??；③構(gòu)造簡單，容易維修。

本文巧克力包裝機(jī)采用翻領(lǐng)式成型器，材料使用Al-Si合金。

6 橫封裝置設(shè)計(jì)

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(jī)構(gòu)完成的產(chǎn)品進(jìn)行切割，目前常用的有兩種分別如圖5和圖6所示。

圖5 連續(xù)橫封裝置

圖6 暫停式橫封裝置

這種連續(xù)橫封裝置同時(shí)完成密封和切割運(yùn)動，且由于其結(jié)構(gòu)保證產(chǎn)品的均勻性和一致性而且可以連續(xù)工作。

暫停式橫封裝置是利用紙袋和密封器的相對靜止，用鋁合金板進(jìn)行密封。

通過以上分析，可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的橫封器。當(dāng)進(jìn)行立式包裝時(shí)選用連續(xù)性密封器，當(dāng)進(jìn)行臥式包裝時(shí)選擇暫停式密封器。

6.2 連續(xù)型橫封裝置電機(jī)選擇

巧克力包裝機(jī)所需的電動機(jī)要求不高，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率要求都不是很高，所以選用步進(jìn)電機(jī)YK60HB56-03A。

6.3 橫封機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.3.1 連續(xù)性橫封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連續(xù)性橫封裝置是要求連續(xù)切割，如圖7所示。

通過對縱封器的分析并考慮到實(shí)際中密封不是瞬間完成，所以需要在刀具應(yīng)有一定的圓弧，其角度為12°，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30mm，如圖8所示。

圖7 橫封器

圖8 橫封器

微移控制器。

在實(shí)際切割時(shí)，紙袋的錯位經(jīng)常發(fā)生，所以需要設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)，本文采用步進(jìn)電動機(jī)和雙螺設(shè)置組合而成的機(jī)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(jī)構(gòu)發(fā)出命令，即使步進(jìn)電動機(jī)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[13]。如圖9所示。

圖9 雙螺旋機(jī)構(gòu)原理圖

6.3.2 暫停式橫封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

（1）刀片組件設(shè)計(jì)。

暫停式橫封裝置刀片每次僅需要轉(zhuǎn)動一圈，所以可以用凸輪和刀片組合機(jī)構(gòu)來完成刀片的轉(zhuǎn)動。

a.凸輪設(shè)計(jì)。本文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(yùn)動長度決定，刀片運(yùn)動距離為5mm，如圖10所示。

圖10 凸輪三維圖

b.刀片設(shè)計(jì)。材料選用20鋼。根據(jù)紙袋寬度刀具的寬度選為202mm，厚度選為2mm。

（2）橫封組設(shè)計(jì)。

a.橫封器設(shè)計(jì)。通過市場調(diào)查，一般橫封板上密封選為30mm，下密封選為20mm。中間需要留2mm的寬度給刀具切割運(yùn)動，所以橫封板的總長度為52mm，厚度選為15mm，材料選用AL-SI合金，如圖11所示。

圖11 橫封器三維圖

b.橫封凸輪設(shè)計(jì)。本文選用凸輪機(jī)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(shí)遠(yuǎn)離紙袋，橫封凸輪如圖12所示。

圖12 橫封凸輪三維模型

根據(jù)要求凸輪上可以分為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。

7 總結(jié)

通過對現(xiàn)有巧克力包裝機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了一款組合性包裝機(jī)械，可實(shí)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(jì)出能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)，再根據(jù)巧克力包裝要其設(shè)計(jì)出相關(guān)零件尺寸，并對重要的受力零件進(jìn)行了必要的強(qiáng)度校核，以使其滿足正常的加工要求，提高使用壽命。并采用了雙螺旋機(jī)構(gòu)進(jìn)行顆粒橫封器位移微小移動，利用凸輪滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了刀具和袋裝橫封器的推動。和傳統(tǒng)的巧克力包裝方式相比較，能夠較快的完成巧克力的顆粒和定量包裝，自動化程度較高，大幅度降低了人工勞動力的付出。