葉瀾楠，甄凱威，劉柯言，陳 曉，張 榮（臺州科技職業(yè)學院，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)簡單的機械及人力生產(chǎn)和包裝完全不能滿足其需求。所以自動機械化巧克力技術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)定有序的進行加工包裝，在流水線的基礎上配備一些輔助裝置，并通過相關傳動裝置使其能協(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，在客戶使用體驗上使產(chǎn)品贏的良好的口碑[5]。

2 總體設計方案的分析與確定

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 功能設計要求

（1）巧克力包裝設置要做到構造緊湊，占用空間少，當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。

方案一：這個方案包裝機是配有多個電機，其中的傳送帶、縱向?qū)л啞M封器的動力都是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，在外力的作用下，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哦材料目前用的較多的是PP塑料或者復合材料，當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，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，最后形成單獨產(chǎn)品。

圖1 橫式自動包裝機原理圖

（2）圖2所示為立式包裝機。

方案二：該方案同方案一類似也是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)當然各機構的布置形式也有所差異[8]。

圖2 立式包裝機結(jié)構圖

3.2 方案確定

兩種包裝機械的各自特點：

（1）臥式巧克力包裝機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）臥式巧克力包裝機裝置的包裝袋的成型和巧克力的包裝是同時進行，而立式的是獨立進行，可知臥式包裝效率更高。

（3）臥式巧克力包裝機裝置因其放置方式可以在其設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，所以當進行單顆包裝時使用立式，當進行定量包裝，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 機構設計

4.1 分料裝置介紹

一般情況下，巧克力在進行包裝前，是比較混亂的擺放在包裝機外，包裝機分料裝置就是對混亂的巧克力做直線處理，從而達到依次包裝。其主要組成部分有：進料系統(tǒng)、分料機構、傾斜機構、外殼和驅(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)動的原因，導致巧克力收到離心力作用，掉進分料盤的圓孔里，當圓孔轉(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。

4.2 分料裝置尺寸設計

選料盤結(jié)構設計：

選料盤構造如圖4所示，材料使用Al-Si合金。

圖3 巧克力包裝機聯(lián)合設備構造圖

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°設計[10]。

5 運輸裝置設計

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電動機[11]。

5.1 運輸裝置電機選擇

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)電機帶到傳送帶運行的長度為：

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

5.2 成型裝置設計

目前常用的紙袋成型器有以下幾種分別為：翻領式、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，且出來的紙袋要求光滑；②成型自然，銜接縫隙??；③構造簡單，容易維修。

本文巧克力包裝機采用翻領式成型器，材料使用Al-Si合金。

6 橫封裝置設計

6.1 橫封裝置相關介紹

橫封裝置的作用就是將通過縱封機構完成的產(chǎn)品進行切割，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)橫封裝置同時完成密封和切割運動，且由于其結(jié)構保證產(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，用鋁合金板進行密封。

通過以上分析，可根據(jù)需要選擇相應的橫封器。當進行立式包裝時選用連續(xù)性密封器，當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、功率要求都不是很高，所以選用步進電機YK60HB56-03A。

6.3 橫封機構結(jié)構設計

6.3.1 連續(xù)性橫封裝置結(jié)構設計

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際中密封不是瞬間完成，所以需要在刀具應有一定的圓弧，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。

在實際切割時，紙袋的錯位經(jīng)常發(fā)生，所以需要設計一套控制系統(tǒng)，本文采用步進電動機和雙螺設置組合而成的機構，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)行機構發(fā)出命令，即使步進電動機旋轉(zhuǎn)一定角度，雙螺旋構造便完成角度位移，橫峰器水平挪動[13]。如圖9所示。

圖9 雙螺旋機構原理圖

6.3.2 暫停式橫封裝置結(jié)構設計

暫停式橫封裝置是由很多機構組成，本文主要對其凸輪機構、橫封板、刀片進行結(jié)構分析設計。

（1）刀片組件設計。

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構來完成刀片的轉(zhuǎn)動。

a.凸輪設計。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動長度決定，刀片運動距離為5mm，如圖10所示。

圖10 凸輪三維圖

b.刀片設計。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）橫封組設計。

a.橫封器設計。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.橫封凸輪設計。本文選用凸輪機構，在其基礎上裝有彈簧，其作用是讓橫封器在完成每次切割時遠離紙袋，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)有巧克力包裝機結(jié)構和參數(shù)的分析，在此基礎上設計出了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，設計出能實現(xiàn)該功能的機構，再根據(jù)巧克力包裝要其設計出相關零件尺寸，并對重要的受力零件進行了必要的強度校核，以使其滿足正常的加工要求，提高使用壽命。并采用了雙螺旋機構進行顆粒橫封器位移微小移動，利用凸輪滑塊機構，實現(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。