基于Solidworks巧克力包装机结构设计

袁飞

常州工业职业技术学院（常州 213164）

随着巧克力需求的日益增大，传统的简单机械和人力生产和包装已不能满足。自动机械化巧克力技术对巧克力制造和包装就显得尤为重要[1]。由于自动化生产效率高，被广泛应用于各种工业生产，大幅提高工业生产效率[2]。自动化生产在机械、电子生产等行业满足其生产要求的自动生产线。虽然这些自动生产线前期投入很多，但其具有的显著优点使前期投入具有价值，工业普及这些生产线确保产品的稳定性，大幅减低人力，提高产品生产率[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、质量大幅提升。在客户使用体验上使产品赢得良好口碑[5]。

1 整体方案设计和分析

1.1 巧克力基本参数条件

表1 巧克力基本参数

1.2 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，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。

2 总体方案选择

2.1 方案说明

横式自动包装机如图1所示。

方案1：包装机配有多个电机，其中的传送带、纵向导轮、横封器的动力均由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材料，用的较多的有PP塑料或复合材料，当包装材料通过纸袋器的转动被带到成型器，形成需要包装的形状[8]。成品巧克力通过传送系统被带到成型的纸袋内，在纵封器和横封器完成产品的封口和切断，形成单独产品。

图1 横式自动包装机原理图

立式包装机图如图2所示。

方案2：同方案1类似，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1类似，唯一区别就是方案2的巧克力是从竖直方向掉入包装纸内，因此各机构的布置形式也有所差异[7]。

图2 立式包装机结构图

2.2 方案确定

2种包装机械的各自特点：1）卧式巧克力包装机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便捷，立式则相反，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的，而立式是独立进行的，因此卧式包装效率更高；3）卧式巧克力包装机装置因其放置方式可在其设置上配装很多需要的装备。

因此，根据巧克力包装会有单颗和定量包装的情况，进行单颗包装时使用立式，进行定量包装时使用卧式[8]。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。

使用方案1和方案2的组合包装，目前巧克力包装方式存在单个包装和多个定量包装。整体思路是确定此次方案对巧克力进行单个和定量包装，采用卧式和立式的组合机械方式，对其组成重要零部件进行分析设计。

图3 巧克力包装机联合设备构造图

3 各机构具体设计

3.1 分料装置介绍

根据确定好的组合方式进行巧克力包装，关于组合方式重要零部件进行设计分析，并对巧克力分料装置进行分析。

一般情况下，巧克力在进行包装前，是比较混乱地摆放在包装机外，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。其主要组成部分由进料系统、分料机构、倾斜机构、外壳、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，导致巧克力受到离心力作用，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。

3.2 分料装置尺寸设计

选料盘构造如图5所示，材料使用Al-Si合金。

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

图4 分料装置

图5 选料盘

3.3 轴的设计

电动机额定转矩T=1.65 N·m，转速n=20 r/min，所以其功率计算如式（1）所示。

材料采用20钢，并进行处理，取A0=126，通过式（2）确定轴的最小直径。

由于后期轴上还需要做螺纹处理，所以加大直径，选12 mm。

通过分析，轴的尺寸见图6。其中，L1=32 mm，L2=3 mm，L3=30 mm。

图6 轴尺寸二维图

4 运输装置设计

对中间传送运输装置进行分析选择。

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、质量轻、成本低。驱动电源使用一般步进电动机[11]。

4.1 运输装置电机选择

分析可知，传送带以每分钟300个巧克力送入成型器内，每个巧克力长50 mm，巧克力之间距离10 mm，所以1 min内电机带到传送带运行的长度L=50 mm×300-10 mm=14 990 mm。

取L=15 000 mm查表，可知带轮的最小直径为75 mm，所以电机转速[12]V=15 000 mm/（75 mm× 3.14）=64 mm/min。

4.2 传送带V带设计

确定中心距a和基准长度L。

按式（3）计算可得中心距a0=100 mm。

按（4）计算可得基准长度L=425 mm。

查表得实际中心距L1=112.5 mm。

取a=110 mm，绘出输送构造数模图，见图7。

图7 输送机构

4.3 成型装置设计

常用的纸袋成型器分别为翻领式、象鼻式和U型式。

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

试验巧克力包装机采用翻领式成型器，材料使用Al-Si合金。

5 各辅助零件设计

5.1 巧克力入料口设计

加工好的巧克力需要经过入料口才可以进入分料机构，入料机构采用平行四连杆机构，其三维图如图8所示。

图8 入料口三维图

5.2 轴承选择

由于多个机构都需要轴承，但其承受的力和速度要求不高，所以统一用内经12 mm轴承，通过查表可知选用6201的轴承[13]。

5.3 弹簧选择

在定量控制器还是袋装横封器所使用的弹簧分别受到重力和拉力的作用，其基本要求是弹簧的压缩长度不能超过其极限长度，否则会破坏弹簧，使其寿命减短，在这2种机构中的弹簧均采用圈数为14圈的弹簧[14]。

5.4 导轮加热装置

纸袋由于其化学特性必须在加热后才能完成紧密粘合，所以导轮必须设有加热装置对纸袋进行加热处理，设计包装巧克力的材料，使用化学材料PP，并通过文献资料查找得知温度40～80 ℃时，PP这种化学材料就会成为熔融状态，为保证巧克力包装的密封性，选择密封温度55 ℃。同时为保证执行温度为55 ℃，在温度区加装一个温度检测装置，防止温度过高，熔化PP纸[15]。

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，常用的2种横封器分别如图9和图10所示。

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，可以连续工作。

图9 横封装置

暂停式横封设置是根据包装纸袋和密封器的相对静止，使用铝合金板进行密封。

图10 暂停式横封装置

因此，可根据需要选择相应的横封器，进行立式包装时选用连续性密封器，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、功率要求均不高，所以选用步进电机YK60HB56-03A。

6.3 横封机构结构详细设计

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。其三维模型如图11所示。

图11 横封器

通过对纵封器的分析并考虑到实际中密封不是瞬间完成的，所以需要的刀具应有一定圆弧，其角度为120°，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30 mm，二维图如图12所示。

图12 横封器

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。试验采用步进电动机和双螺旋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[16]。如图13所示。

图13 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，主要对其凸轮机构、横封板、刀片进行结构分析设计。

6.3.2.1 刀片组件设计

暂停式横封装置刀片每次仅需要转动1圈，可用凸轮和刀片组合机构完成刀片转动。

1) 凸轮设计

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5 mm。凸轮的三维图如图14所示。

图14 凸轮三维图

2) 刀片设计

材料选用20钢。根据纸袋宽度，刀具的宽度选为202 mm，厚度选为2 mm，二维图如图15所示。

图15 刀片二维图

6.3.2.2 横封组设计

1) 横封器设计

通过调查目前市场使用的封器装置，可知一般情况下上密封尺寸选择30 mm，下密封尺寸选择20 mm。中间需要留2 mm的宽度给刀具切割运动，所以横封板的总长度为52 mm，厚度为15 mm。材料选用Al-Si合金。

图16 横封器三维图

2) 横封凸轮设计

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。三维模型如图17所示。

根据要求凸轮上可分为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。

图17 横封凸轮三维图

7 结论

通过对现有巧克力包装机结构和参数的分析，设计出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，根据巧克力包装要其求设计出相关零件尺寸，并对重要的受力零件进行强度校核，以使其满足正常的加工要求，提高使用寿命。采用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，实现刀具和袋装横封器的推动。与传统巧克力包装方式相比较，该设计能够较快完成巧克力的颗粒和定量包装，自动化程度较高，大幅降低人工劳动力付出。