巧克力包装机的传动设计

叶澜楠，甄凯威，刘柯言，陈 晓，张 荣（台州科技职业学院，浙江台州 318020）

1 引言

随着人们对巧克力的需求日益增大，传统简单的机械及人力生产和包装完全不能满足其需求。所以自动机械化巧克力技术的对巧克力的制造和包装就显的尤为重要[1]。而且由于自动化生产的高效率、便捷被广泛地应用到各种工业生产中，大大提高了工业生产的效率[2]。自动化生产在机械、电子生产等行业都已经满足其生产要求的的自动生产线。虽然这些自动生产线前期投入很多，但与其显著的优点相比前期投入还是很值得，工业普及这些生产线确保产品的稳定性，大大减低人力，提高了产品的生产率[3]。

传统的流水线巧克力包装和人工包装虽然能满足产品小批量的加工，但并不能进行产品智能化操作，也无法完成大批量要求，为解决这一问题，确保产品稳定有序的进行加工包装，在流水线的基础上配备一些辅助装置，并通过相关传动装置使其能协调按一定顺序程序运转工作，即构成目前常用的自动生产线[4]。自动生产线的兴起让各行各业的产品加工数量、质量大幅度提升，在客户使用体验上使产品赢的良好的口碑[5]。

2 总体设计方案的分析与确定

2.1 巧克力基本参数条件

巧克力的基本参数如表1所示。

表1 巧克力基本参数

2.2 功能设计要求

（1）巧克力包装设置要做到构造紧凑，占用空间少，当遇到机器障碍时要便于维修。

（2）节约成本提高生产率。

（3）实现高质量高效率、损耗少、污染小、轻便灵活的操作。

（4）传送的噪音在人的接受范围内。

（5）操作不能过于复杂、操作要便捷。

3 总体方案选择

3.1 方案说明

（1）图1所示为横式自动包装机。

方案一：这个方案包装机是配有多个电机，其中的传送带、纵向导轮、横封器的动力都是单独的伺服电动机提供[6]。利用巧克力质量体积小的特点，使用卧式结构，在外力的作用下，巧克力被带到未使用的包装纸内，实现对巧克力的包装。其中包装材料是一种化学哦材料目前用的较多的是PP塑料或者复合材料，当包装材料通过纸袋器的转动被带到成型器，最后形成需要包装的形状[7]。与此同时，成品巧克力通过传送系统被带到成型的纸袋内，最后在纵封器和横封器完成产品的封口和切断，最后形成单独产品。

图1 横式自动包装机原理图

（2）图2所示为立式包装机。

方案二：该方案同方案一类似也是由多个伺服电动机单独给各个系统提供动力，其包装方式也和方案一类似，唯一区别就是这种方案的巧克力是从竖直方向掉入包装纸内当然各机构的布置形式也有所差异[8]。

图2 立式包装机结构图

3.2 方案确定

两种包装机械的各自特点：

（1）卧式巧克力包装机装置大部分装置都是水平放置包括成型器，所以巧克力和包装袋上料都很便捷，立式相反，需要借助传送系统才能完成上料动。

（2）卧式巧克力包装机装置的包装袋的成型和巧克力的包装是同时进行，而立式的是独立进行，可知卧式包装效率更高。

（3）卧式巧克力包装机装置因其放置方式可以在其设置上配装很多需要的装备。

根据以上对比可知，并根据巧克力包装会有单颗和定量包装的情况，所以当进行单颗包装时使用立式，当进行定量包装，使用卧式[7]。所以可知必须是卧式和立式的组合使用才能完成整个巧克力的包装工序，如图3所示。

4 机构设计

4.1 分料装置介绍

一般情况下，巧克力在进行包装前，是比较混乱的摆放在包装机外，包装机分料装置就是对混乱的巧克力做直线处理，从而达到依次包装。其主要组成部分有：进料系统、分料机构、倾斜机构、外壳和驱动机及出料装置组成[9]。其工作机理是：电动机发出动力，使得中间轴转动，即选料盘跟随旋转，通过倾斜盘作用使得巧克力向盘边运动，因为转动的原因，导致巧克力收到离心力作用，掉进分料盘的圆孔里，当圆孔转到黄色外壳空孔对齐方位时，巧克力由于重力作用掉下，并进入绿色过渡带。

4.2 分料装置尺寸设计

选料盘结构设计：

选料盘构造如图4所示，材料使用Al-Si合金。

图3 巧克力包装机联合设备构造图

三维图说明：选料盘上开15个孔，孔直径选为φ80mm相邻孔的中心距为50mm，即周长为15×80=1,200mm，而且倾斜盘采用45°设计[10]。

5 运输装置设计

作用是将巧克力送到成型器端口，基本要求有：功率不需要太大、转速中等合适振动不能太大、重量轻、成本低。驱动电源采用一般步进电动机[11]。

5.1 运输装置电机选择

根据以上分析可知，传送带每分钟内将300个巧克力送入成型器内，每个巧克力的长为50mm，巧克力之间的距离为10mm，所以一分钟内电机带到传送带运行的长度为：

L取15,000mm查表可知带轮的最小直径为φ75mm，所以电机转速为[12]：

5.2 成型装置设计

目前常用的纸袋成型器有以下几种分别为：翻领式、象鼻式、U型式。

选取纸袋器的原则：①纸袋可以顺利小阻力的通过成型器时，且出来的纸袋要求光滑；②成型自然，衔接缝隙小；③构造简单，容易维修。

本文巧克力包装机采用翻领式成型器，材料使用Al-Si合金。

6 横封装置设计

6.1 横封装置相关介绍

横封装置的作用就是将通过纵封机构完成的产品进行切割，目前常用的有两种分别如图5和图6所示。

图5 连续横封装置

图6 暂停式横封装置

这种连续横封装置同时完成密封和切割运动，且由于其结构保证产品的均匀性和一致性而且可以连续工作。

暂停式横封装置是利用纸袋和密封器的相对静止，用铝合金板进行密封。

通过以上分析，可根据需要选择相应的横封器。当进行立式包装时选用连续性密封器，当进行卧式包装时选择暂停式密封器。

6.2 连续型横封装置电机选择

巧克力包装机所需的电动机要求不高，转矩、转速、功率要求都不是很高，所以选用步进电机YK60HB56-03A。

6.3 横封机构结构设计

6.3.1 连续性横封装置结构设计

连续性横封装置是要求连续切割，如图7所示。

通过对纵封器的分析并考虑到实际中密封不是瞬间完成，所以需要在刀具应有一定的圆弧，其角度为12°，这样可以保证产品连续性，密封器的宽度根据巧克力的宽度可选为30mm，如图8所示。

图7 横封器

图8 横封器

微移控制器。

在实际切割时，纸袋的错位经常发生，所以需要设计一套控制系统，本文采用步进电动机和双螺设置组合而成的机构，其工作原理是：通过电传感器把纸袋错位信号发到处理器，处理器得到信息，通过脉冲形式向执行机构发出命令，即使步进电动机旋转一定角度，双螺旋构造便完成角度位移，横峰器水平挪动[13]。如图9所示。

图9 双螺旋机构原理图

6.3.2 暂停式横封装置结构设计

暂停式横封装置是由很多机构组成，本文主要对其凸轮机构、横封板、刀片进行结构分析设计。

（1）刀片组件设计。

暂停式横封装置刀片每次仅需要转动一圈，所以可以用凸轮和刀片组合机构来完成刀片的转动。

a.凸轮设计。本文刀片组的凸轮使用一个椭圆型凸轮，其外形基本尺寸是由刀片运动长度决定，刀片运动距离为5mm，如图10所示。

图10 凸轮三维图

b.刀片设计。材料选用20钢。根据纸袋宽度刀具的宽度选为202mm，厚度选为2mm。

（2）横封组设计。

a.横封器设计。通过市场调查，一般横封板上密封选为30mm，下密封选为20mm。中间需要留2mm的宽度给刀具切割运动，所以横封板的总长度为52mm，厚度选为15mm，材料选用AL-SI合金，如图11所示。

图11 横封器三维图

b.横封凸轮设计。本文选用凸轮机构，在其基础上装有弹簧，其作用是让横封器在完成每次切割时远离纸袋，横封凸轮如图12所示。

图12 横封凸轮三维模型

根据要求凸轮上可以分为4个部分，而且每部分都为90°。近休止过程为定直径圆弧，推程过程为变直径圆弧，远休止过程为定直径圆弧，回程过程为变直径圆弧，其与推程圆弧对称。

7 总结

通过对现有巧克力包装机结构和参数的分析，在此基础上设计出了一款组合性包装机械，可实现颗粒包装和定量包装两种功能。根据各部分的功能要求，设计出能实现该功能的机构，再根据巧克力包装要其设计出相关零件尺寸，并对重要的受力零件进行了必要的强度校核，以使其满足正常的加工要求，提高使用寿命。并采用了双螺旋机构进行颗粒横封器位移微小移动，利用凸轮滑块机构，实现了刀具和袋装横封器的推动。和传统的巧克力包装方式相比较，能够较快的完成巧克力的颗粒和定量包装，自动化程度较高，大幅度降低了人工劳动力的付出。