海带包装机设计本科毕业论文VIP

摘要：目前山东年产海带近百万吨，为解决销售运输中体积大、形状不规则的问题，企业主要采用人工折叠、液压压缩成块，人工包装的方式，劳动强度大且效率低。本文针对其包装流程，建立了包装机的三维模型，完成了海带包装机的整体设计。该包装机结构上由折叠部分、转位部分、压缩部分、包装部分和下料部分组成。整机驱动以液压缸为主，共计 5 个液压缸缸，2 个三相异步电动机，选用 PLC 作为主控制器设计整机的控制系统，控制方式分手动、自动 2 种运行模式。本文利用SolidWorks 对包装机进行了三维建模。目前折叠部分已经装配调试成功，实现了海带的自动折叠。自动海带包装机的设计，对于扩大企业生产规模，提高生产效率有着重要作用。关键词：自动折叠；海带包装；海带压缩1.引言我国是海带生产大国，占世界总产量的 70%以上。其中仅青岛市年产鲜海带一百多万吨，养 殖 面 积 和 产 量 居 全 国 第 一 。海带除食用外，工 业 上 还 用 海 带 提 取 钾 盐 、 褐 藻 胶 、甘 露 醇 等 。 海带收获后，经过初步晾晒，除出口的部分需进行深加工包装外，其余主要以原态进行压缩包装内销，供工业用和食用。由于干海带体积大，为解决海带销售运输过程中的包装问题，需对海带进行高压缩比的压缩后包装。目前的人工作业方式效率低且劳动强度大，另外随着海带养殖规模的扩大以及劳动力的减少，所以沿海地区大量的海带养殖生产企业迫切地需要高压缩率的海带自动包装机，以提高生产效率，增加利润。由于海带和烟叶等作物的形态有类似性，所以此款包装机的设计对于烟叶等类似的作物包装具有一定的指导意义。2.国内外在该方向的研究现状及分析2.1 海带包装机的国内外研究现状国内目前能查的最早海带压缩技术是 1961 年由福建省惠安县海带厂研究的海带包装机。主要采用杠杆原理由人工压缩海带，然后并进行包装，效率为每小时两个人能够包装 2200kg 海带。随着技术水平的发展，传统的由人工压缩海带已经变为由液压缸压缩海带为烟台市农业机械科学研究所研制的海带打捆机，其配套功率为 3KW，工作压力为 4.5-5MPa，行程为 560mm,压缩效率为 3 捆/分钟.其主要工作流程为，人工折叠海带送箱（同时送三捆） 、液压缸压缩、人工捆绳、人工套袋。算上后续工序等，平均每包海带的包装时间在两分钟以上。目前的设备自动化程度不高、效率低，仅能满足小型作业的场合，并且一台设备需要多个人员进行配合，限制了大规模作业。海带在晾晒到一定程度后就急需销售，否则会带来很多后期的投入。因此将海带包装机械的自动化程度提高就显得十分重要。2.2 包装机的概述包装机械是指“完成全部或部分包装过程的机器，包装过程包括成型、充填、裹包等主要包装工序，以及与其相关的前后工序，以及清洗、干燥、杀菌、贴标、捆扎、集装和拆卸等前后包装工序，转送、选别等其他辅助工序。 ”包装机械种类繁多，结构复杂，但通过对大量包装机械的工作原理和结构性能进行分析，可以找出其共同点，即八大要素，如图 1 所示。考虑到本课题会涉及到的包装机械种类，现将捆扎机和裹包机做一下介绍。捆扎就是使用捆扎带或绳捆扎产品或是包装件，然后收紧并将捆扎带两端通过热效应熔融或使用包扣将材料连接好。目前常见的捆扎材料主要由钢带，尼龙（PA）带，聚丙烯（PP）带和聚酯（PETP）带四种基本类型。捆扎带的接头形式大致可分为热熔搭接式、胶粘接式、铁皮口式及结扎式。3.包装机的方案和结构设计自动海带包装机的包装原理来源于现有海带包装方式，其过程可分解为六步：折叠、换位、压缩、捆扎、装袋、下料。根据海带加工厂提供的要求，技术要求如下：（1）海带捆的质量：18-20kg,压缩后体积为 ；5039m（2）海带捆先先使用两道打包带捆扎，外面包裹 300 宽的塑料布；（3）海带原料长度小于两米，长出部分可以手工折回；（4）人工上料时，须将根部对齐，并朝一个方向；（5）其余压缩打包作业全部自动完成。以上参数为企业给定，作为设计该包装机的依据。3.1 总体方案设计自动海带包装机属于包装机械的范畴，因此在设计过程中，应以包装机能否按照包装工艺要求进行包装、各部分之间工作节奏是否协调、整体设备的生产效率是否得以提高、整体机器成本是否合理等准则进行设计。图 1 海带形态（1）折叠方案海带在进行压缩前，需进行折叠处理。由于包装美观等要求，需要将海带展平，并且根部要朝一个方向，该整理称重工作需人工完成。海带形态如图 2人手在折叠过程中主要采用两侧对折的方式，可以不必担心海带发生滑移，但是采用机械折叠就必须考虑这一方面问题。由于折叠的海带已经晒至七八成干，所以此时的海带既有脆性，又有韧性，要求用尽量少步骤的将其折叠至要求形状。在查阅大量相关资料后，决定采用专利煎饼切割折叠机中采用的折叠结构。现在就其折叠部分的工作原理简介如下：折叠装置包括依次排列的第一折叠托板，第二折叠托板和第三折叠托板。第一折叠托板的面积等于第二折叠托板和第三折叠托板之和。并且在第二折叠板和第三折叠板之间的折缝处设有可对煎饼在对折前压上压痕的压棒，在第二折叠板向第三折叠板翻转前，将第一次折叠后的煎饼从中间压一下，这样便于折叠，不会折碎煎饼。工作时，折叠板翻转 180与第二折叠板和第三折叠板上表面重合，煎饼被第一次折叠，然后回位，第二折叠板翻转 180与第三折叠板的上表面重合，完成二次折叠。由于平铺好的海带与煎饼有形态上具有相似性，因此考虑采用机械设计中的类比法，设计的折叠部分主要由折叠板一、折叠板二和折叠箱组成，折叠板一的长度等于折叠板二和箱体长度之和，在折叠板一和折叠板二之间有空隙，并且在折叠板一的中间部位有一压辊。将称好重量并展开的海带由人工摆放在折叠部分上，由于海带具有一定柔韧性，在重力作用下，会在折叠板一和折叠板二之间凹下去一部分，以便于折叠。折叠板一摆动 180，同时由于在折叠板一的中间有一压辊，在第一次折叠好的海带中间便压出压痕，然后折叠板一返回，折叠板二折叠海带，将海带折叠进入折叠箱。其中折叠板一和折叠板二的转动中心为转轴一和转轴二。由于该方案结构简单、部件少，因此决定采用此方案作为海带折叠方案。（2） 捆扎方案 捆扎工艺简介 海带在经过高压缩比的压缩后具有很大的回复性，因此需要将海带捆扎好，防止其回复变形。然后再进行裹包处理。根据实际需要，决定采用聚丙烯材料的捆扎带，聚丙烯捆扎带价格便宜，具有较高的伸长率和回复率。热熔搭接式分为电热熔接、机械高频振荡熔接和超声波熔接等，这里采用电热熔接，具有连接强度高，装置结构简单，操作简便等优点。 热熔粘结装置的设计热熔粘结主要采用板式热熔粘结，主要原理如图 2 所示：图 2 热熔粘结装置原理图其主要工作过程为：当两层捆扎带进入轨道后，电热板对两层打包带的内表面同时加热，采用高温，加热时间短的方式，以防止过高温度使得带子过分融化而无法粘结。加热 0.20.3 秒后，位于机构下方的主动轴转动，由于连杆机构的作用，使得 1 下拉，6上顶，同时将 5 从中间抽出，将两层打包带的熔化面压紧在一起，完成整个热熔粘结过程，市场上主要的手提打包产品其原理与热熔粘结装置相同。分析现有的设备工作原理，主要部件就是两侧的夹板和中间的加热烫头，工作时加热烫头加热打包带后抽出，两侧夹板夹紧打包带进行热合。考虑到压缩箱体的整体尺寸和安装位置，设计机构如 3 所示:图 3 热熔粘结部分左侧为原理图，右侧为三维模型图。其工作原理为，固定板和加热烫头固定在压缩板上，但二者之间存在一稍大于打包带厚度的间隙，二者能随着固定板上下移动，在固定板上有送带轨道（保证打包带不会发生偏移）,移动板设计成上窄下宽的形状，通过连接的光轴固定在箱体上，但是能够水平移动，移动板和箱体壁之间有弹簧。工作时，加热烫头和固定板之间有上层打包带，移动板表面有下打包带，当固定板、烫头随着压缩板下降时，会导致移动板发生接触，将其顶回去，但由于弹簧的作用，所以固定板、上打包带、烫头、下打包带，移动板是紧紧压在一起的，之后，烫头通电，达到加热时间后，烫头向垂直于纸面的方向抽出（可参考三维图理解） ，通过调节移动板的初始位置，可以使得此时移动板和固定板仍能将两层打包带压紧，从而达到热熔粘结的功能。完成一个工作周期。（3） 裹包方案由于包装时的海带并没有完全晾干，因此不能采用全封闭的包装形式，否则海带会发生腐烂。根据海带压缩块的实际形状及包装要求，因此决定采用如图 4 的袖筒式包装方法，从而利于剩余水分的散发。图 4 袖筒式裹包形式想要实现以上的裹包形式，可以有以下几种方案供选择：图 5 可采用的裹包工艺路线左侧的方案：海带在捆好后，随传动装置水平运动，包装膜为单张垂直供料，当产品与包装材料接触后，实现裹包，然后由特定的机构实现下料，热封，完成一个包装过程。右侧的方案和左侧方案类似，将海带捆变为垂直运动，包装材料变为水平供料。这就要求包装机器有足够的包装空间，并且要求海带进行变工位操作。由于海带包装机械要求整体结构紧凑，并且在包装过程中海带尽量不离开压缩箱。根据包装要求，提出一种双供料裹包过程，一个循环过程主要分为四步：初始位置、上料、包装和下料。首先，手动将下包装膜拉过包装箱与上包装膜热合在一起，完成初始工位。之后折叠好的海带块落在下层包装膜上，先进行捆扎作业，此时已经将下层包装膜和海带捆贴紧，然后通过气动装置将上层包装膜推进包装箱，将上层包装膜与下层包装膜热合在一起，之后在气动装置的带动下，将包装好的海带捆移出包装箱，切断刀和热合装置 1 同时作用，在下料的同时为下一个循环设好零工位。对于热合处的结构设计，将在接下来的篇幅内介绍。（4）海带包装机的方案整体详述在以上的文章中，就海带包装机的折叠、捆扎和裹包方案分别做了比较和选择。由于是一个整体的设计，现将包装机的整体方案做一下叙述。海带包装机的工作流程，其中折叠、捆扎和裹包的方案在上面的部分已经叙述，现将余下部分做一下介绍。一二工位下料指的是将折叠箱内的海带转移到折叠箱内，根据实验室码垛机工位转换机构的启发，采用四个轴支座，两根光轴，两个直线滑动单元和一个液压缸。其中光轴负责承受力矩，液压缸拉杆负责拉力，液压缸的行程即是转位箱的运动距离。具体零件的选型将会在结构设计部分提及。压缩部分决定在现有的基础上加以改进。现有压缩机构的组成是是一个液压缸直接连接压板，由于现有机械只是压缩海带，并不进行自动包装，因此对于压板是否转动等因素考虑不多，而高压缩比海带自动包装机要求在压缩海带的同时进行包装，因此对于位置等精度要求高，故采用图 6 所示结构，利用导向轴，防止压板发生转动，从而保障包装效果。图 6 压缩部件裹包和捆扎两个工作过程是同时进行的，在此，有必要进行阐述一下其过程，首先零工位时，将各包装材料滚子安装到位后，手工将两层打包带和两层包装膜的末端热合在一起，之间的间隙供转位箱运动到压缩箱上方，海带掉落后，转位箱返回，压缩板带着上层打包带下压，将海带压缩成型后，在海带左侧将打包带热封此时打包带的热封面积是正常打包带热封面积的两倍，最终下料时候，下料装置会从热封面积中间切开，以保证包装过程连续性。（a） （b）图 7 捆扎和裹包过程对于有些未提及的部分，考虑到其方案没有异议，因此将在结构设计中详细叙述。3.2 结构设计计算（1） 折叠部分结构设计折叠板 1 和折叠板 2 的结构设计如图 8 所示：（a）折叠板一 （b）折叠板二图 8 折叠板折叠板 1 和折叠板 2 两侧的固定轴座分别设计如下：其中转轴 1 为动力输入，三相异步交流电动机配减速器后与小同步带轮固定，大同步带轮转轴通过平键与转轴 1 固定，输入动力源。转轴 1 与右侧摇臂通过键连接，右侧摇臂和左侧摇臂与图 9 所示折叠板通过螺栓连接在一起。从而实现转轴 1 和转轴 2 的同步转动。（a）折叠板一轴座 （b）折叠板二轴座图 9 轴座滚动轴承将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失。此处采用的深 沟 球 轴 承 结 构 简 单 ， 使 用 方 便 ， 适 合 使 用 在 无 安 装 、 配 合 、 密 封 等 特 殊 要 求的 场 合 ， 对 主 轴 的 安 装 制 造 精 度 要 求 较 低 ， 因 此 在 机 构 中 放 置 一 对 深 沟 球 轴 承 ， 轴 承6007 左 边 采 用 轴 肩 定 位 ， 右 侧 靠 轴 承 座 定 位 ， 轴 承 6202 外 圈 利 用 轴 承 座 定 位 ， 内 圈采 用 止 动 垫 片 加 圆 螺 母 或 是 同 步 带 轮 凸 起 定 位 。 平 键 主 要 用 于 装 配 定 位 ， 用 作 连 接 零件 和 传 递 载 荷 。 通过三维建模，模拟出折叠板一（含海带）的重量为 33.217kg,设定转动速度为 15 ，转动到位时间为 2s,其中一直处在加速时间，则其加速度角加速度为/minr0.785 ，根据材料力学等计算的出最大的扭矩为 141.647 。同样对于折叠板二2ads NmA（含海带） ，质量为 24.149kg,在设定同样转动条件下，折叠板二所需最大扭矩为 38.547，由于减速器在设计时，其输入动力容量及许用承载能力计算按照每天连续运转八NA小时，载荷稳定不变的理想情况工况设定，在实际使用，现场工况可能与理想相差甚远，在选型时应充分考虑，可按下列公式加以修正：修正输出转矩 ( )=理论输出转矩 （ ） 工况系数 K 2TNmA1TNmA（1）考虑到工作中承受较大冲击和正反转次数，选定工况系数 K 为 1.8。则折叠板一所需扭矩为 254.965 ，折叠板二所需扭矩为 69.385 。按照 15 的转速来计算功AA/minr率，效率设定为 0.9，则由/min954PkwTNr（2）计算得 =0.445kw, =0.121kw，根据上海宜嘉传动机械有限公司提供的减速器样12P本，对于折叠板一选择 R47 系列减速器，配用