[工学]粒状巧克力包装机.doc

天津职业技术师范大学2012届本科生毕业设计1 引言1.1包装机械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、充填封、口裹、包等主要包装工序以及清洗、干燥、杀菌、贴标、困扎、集装、拆卸等前后包装工序，转送、选别等其他辅助包装工序。1.1.1包装的分类及作用包装的分类方法很多，按包装产品的流通领域分类，有工业产品包装和商业产品包装，按产品包装的结构形式分类，有内包装和外包装；还可以按包装材料或包装容器的品种类别分类以及按包装对象即包装物品的名称分类等等。其中按包装的结构形式分类比较有意义，内包装是一种基本的包装结构形式，它包括直接包装和中间包装。直接包装是用包装材料或容器直接裹包产品或装载的包装形式；包装材料或容器与被包装物品间保持着直接触，是最小的包装单元。直接包装时，必须根据被包装物品的物理性能，按包装要求，选择包装材料或容器，制定包装工艺，选择或设计包装机械设备。中间包装是以一定数量的直接包装品经组合后再作一次包装的包装形式。如物品装瓶或装袋后的装盒包装；卷烟小包包装后的条包包装；牙膏类物品的装管封尾后的装盒包装等。随着消费者需要的多样化，尤其是超级市场的发展，内包装突出日益重要的地位。完成内包装所需的机器设备，在包装工业中的需求量最大。 外包装是以一定数额的、经内包装后的产品装裁到包装箱的包装结构形式。包装箱现在多用瓦楞纸板箱。内包装的主要目的，在于促进销售，并为消费者提供使用上的方便，在包装设计中，除保证包装内容物质和量的要求外，还需重视包装装潢的重要作用。外包装的主要目的，是为流通储运提供保障，要求包装坚固牢实。包装是对被包装物所采取的一种保护性措施，包装的主要目的在于保护产品的使用价值。因此，包装中还要顾及到物品在流通中的运输、装卸、存贮保管和销售的方便；此外，包装的装潢还起到美化、宣传和推销的作用。包装加工是产品在生产中的最后环节，是提高产品的商品价值不可忽视的重要环节。1.1.2包装机械的组成被包装物品供送系统主传送系统成品输出系统控制系统传动系统辅助装置动力机机身包装材料供送系统包装操作执行系统图1.1包装机械的组成和特点1.1.3包装机械的特点（1）大多数包装机械结构和机构复杂，运动速度快且动作配合要求高。（2）用于食品和药品的包装机要便于清洗，符合药品和食品的卫生和安全要求。 （3）包装执行机构的工作力一般都较小，所以包装机的电机功率较小。 （4）包装机一般都采用无级变速装置，以便灵活调整包装速度、调节包装机的生产能力。（5）包装机械是特殊类型的专业机械，种类繁多，生产数量有限。为便于制造和维修，减少设备投资，在包装机的设计中应注意标准化、通用性及多功能性。（6）包装机械的自动化程度高，大部分已采用PLC、单片机控制，实现了智能化。 （7）包装机械实现了包装生产的专业化，大幅度地提高生产效率。（8）包装机械化降低了劳动强度，改善劳动条件，保护环境，节约原材料，降低产品成本。（9）保证了包装产品的卫生和安全，提高了产品包装质量，增强市场销售的竞争力。（10）延长产品的保质期，方便产品的流通。产品采用包装机，可减少包装场地面积，节约基建投资 。1.2包装机发展方向目前，国外包装和食品机械水平高的国家主要是美国、德国、日本、意大利和英国。而德国的包装机械在设计、制造及技术性能等方面则居于领先地位，2002年德国包装机械产值达34亿欧元，其产量的77 %为出口产品。最近几年，这些国家包装和食品机械设备发展呈现出新的趋势。德国包装机械设计的新趋势德国与美国、日本、意大利均为世界包装机械大国。在包装机械设计、制造、技术性能等方面居于领先地位。德国包装机械的设计是依据市场调研及市场分析结果进行的，其，目标是努力为客户，尤其是为大型企业服务。为满足客户要求，德国包装机械制造厂商和设计部门采取了诸多措施：(1)工艺流程自动化程度越来越高，以提高生产率和设备的柔性及灵活性。采用机械手完成复杂的动作。操作时，在由电脑控制的摄像机录取信息和监控下，机械手按电脑指令完成规定动作，确保包装的质量。(2)提高生产效率，降低生产成本，最大限度地满足生产要求。德国包装机械以饮料、啤酒灌装机械和食品包装机械见长，具有高速、成套、自动化程度高和可靠性好等特点。其饮料灌装速度高达12万瓶/h，小袋包装机的包装速度高达900袋min。(3)使产品机械和包装机械一体化。许多产品要求生产之后直接进行包装，以提高生产效率。如德国生产的巧克力生产及包装设备，就是由一个系统控制完成的。两者一体化，关键是要解决好在生产能力上相互匹配的问题。(4)适应产制品变化，具有良好的柔性和灵活性。由于市场的激烈竞争，产品更新换代的周期越来越短。如化妆品生产三年一变，甚至一个季度一变，生产量又都很大，因此要求包装机械具有良好的柔性和灵活性，使包装机械的寿命远大于产品的寿命周期，这样才能符合经济性的要求。(5)普遍使用计算机仿真设计技术。随着新产品开发速度不断加快，德国包装机械设计普遍采用了计算机仿真设计技术，大大缩短了包装机械的开发设计周期。包装机械设计不仅要重视其能力和效率，还要注重其经济性。所谓经济性不完全是机械设备本身的成本，更重要的是运转成本，因为设备折旧费只占成本的68，其他的就是运转成本。1.3国内包装机发展现状及趋势我国包装机械行业起步于20世纪70年代，在80年代末和90年代中得到迅速发展。已成为机械工业中的10大行业之一，无论是产量，还是品种上，都取得了令人瞩目的成就，为我国包装工业的快速发展提供了有力的保障。目前，我国已成为世界包装机械工业生产和消费大国之一。包装机械作为一种产品，它的含义不仅仅是产品本身的物质意义，而是包括形式产品、隐形产品及延伸产品3层含义。形式产品是指包装机本身的具体形态和基本功能；隐形产品是指包装机给用户提供的实际效用；延伸产品是指包装机的质量保证、使用指导和售后服务等。所以包装机的设计应该包括：市场调研、原理图设计、结构设计、施工图设计、使用说明书编写及售后服务预案等。包装机械设计的类别主要有：测绘仿制设计、开发性设计、改进性设计、系列化设计。如啤酒灌装生产线生产能力为164万瓶/h，其中灌装机的灌装阀工位数从48个、60个、90个到120个就属于系列化设计。由普通啤酒灌装生产线到纯生啤酒灌装生产线的设计就属于改进、开发性设计。对于中低速运行的包装机，目前我们基本上可以进行自主设计。而高速运行的包装机，特别是一些先进机型，大多是测绘、仿制国外的同类机型，进行国产化设计和系列化设计。其主要的原因是：(1)大多数设计人员还没有真正掌握先进的设计方法，如高速包装机械的动力学设计理论和方法等，对高速工况下机构的动态精度分析等问题还不能模拟解决；(2)产、学、研结合不够紧密，理论上的科研成果不能及时地在实际设计中运用，设计人员缺乏及时的技术培训；(3)整个行业缺乏宏观调控的力度，优势资源不能得到合理的配置与调整。在包装机械设计领域，绝大多数设计人员仍沿用以前的设计方法：(1)根据设计任务书寻找同类机型作为样机；(2)参考样机制定各项技术性能指标及使用范围；(3)设计工作原理图、传动系统图；(4)设计关键零件，部件；(5)设计总装图方案和动作循环图；(6)设计部件图、总装图和零件图；(7)对主要部件中的关键零件进行强度、刚度校核；(8)设计控制原理图、施工图等。而今，国内一些大学的设计软件，可以对包装机中常用机构进行有限元分析和优化设计，其开发的凸轮连杆机构CADCAM软件已经能够满足企业进行凸轮连杆机构自主设计的能力，但在实际包装机械的设计中应用还不普遍。新型包装机械往往是机、电、气一体化的设备。充分利用信息产品的最新成果，采用气动执行机构、伺服电机驱动等分离传动技术，可使整机的传动链大大缩短，结构大为简化，工作精度和速度大大提高。其中的关键技术之一是采用了多电机拖动的同步控制技术。其实掌握这种技术并不很难，只是一些设计人员不了解包装机械的这一发展趋势。如果说以前我国包装机械设计是仿制、学习阶段，那么现在我们应该有创新设计的意识我国包装业技术与机械近些年所取得的成绩是显著的，其起步于20世纪70年代末，刚起步时年产值仅七、八千万元，产品品种仅100 余种，技术水平也较低。在20纪80年代中期至20世纪年代中期十余年的时间里，才得到快速发展，年增长率达到20%30% ，到1999年底食品和包装机械达40 大类，品种达1700种，到2000年产值增加到300亿元，且技术水平也上了个台阶，开始出现了规模化、自动化趋势，传动复杂、技术含量高的设备也开始出现，许多包装机械如液体食品灌装机等设备已开始成套出口。1.4我国包装技术与国外先进包装技术的差距虽然我们食品包装技术与机械在近年来取得骄人的成绩，但同国外比较，技术上仍存在二十年的差距，其具体表现在：1）产品品种单调，成套设备少到2000年为止,国外食品包装机械达2300余种，且大多配套生产；国内食品包装机械只有1700余种，且多以单机为主。2）技术水平低主要表现在产品可靠性差，技术更新速度慢，新技术、新工艺、新料材应用少，单机多，成套机少，技术含量低的产品多，高技术含量的产品少，智能化的设备还处于研制阶段。3）产品质量低主要表现在稳定性可靠性差，造型落后，外观粗糙，且大多数产品还无可靠标准。4）开发能力不足主要表现是我们还在仿制、测绘或稍加国产化的改进，更谈不上系统的开发研究。1.5本设计的内容与目标粒状巧克力糖包装机采用厚度为0.008mm的金色铝箔卷筒纸包装尺寸为17mm24mm12mm的圆台形粒状巧克力糖，机器由钳糖机械手、剪纸机构、拨糖机构等组成。过去一直用手工包装，产量低，质量不一，影响了销售额的扩大。为了提高产量和质量，减轻工人劳动强度，设计了粒状巧克力包装机经过不断改进，生产率为每分钟包装10130件，包装后外形美观、挺括、铝箔纸无明显损伤、撕裂、褶皱，结构简单，工作可靠、稳定，操作方便、安全，维修容易，造价低2 粒状巧克力包装工艺分析一般说来进行工艺分析，首先要对被包装物体的特性、包装材料和包装过程作详细的分析、研究。然后对手工包装动作进行分解，综合，使其符合机器包装的特点，对关键的动作，有时还要做工艺试验。最后，在对几种不同方案对比的基础上，得出最佳的工艺方案。巧克力包装机的工艺分析过程如下：2.1 被包装物体的特性圆台形粒状巧克力轮廓清楚，但质地松软容易碰坏。因此考虑机械动作时无论是进出料、夹紧力和包装速度等方面，都必须注意到巧克力在包装过程中被碰伤的可能。如果采用振动式、推板式或抓取等形式送料，都是容易碰环的，因此宜采用人工推进到传进带上进行送料。如果把进料系统直接放置在制造巧克力机器的出料口后面(即连成生产自动线形式)由传送带送出，经过自动排队装置进入包装机进行包装，就更为理想。2.2 包装纸张的要求包装纸的选择在包装机设计中也是很重要的，塑料包装的问世，引起了包装机的革命，他包装工艺和包装技术发生了巨大变化。如塑料包装，可以采用高频加热热封包装，或电热丝脉冲热封包装。目前食品行业采用聚乙烯薄膜包装是很广泛的， 如袋装花生巧克力糖，味精的包装等等。最近还采用了纸张经涂塑后的复台材料包装。这台粒状巧克力包装机采用厚度0008mm的金色铝箔纸，纸张薄而脆，拉力较小容易破裂也容易皱褶。因此，在设计结构时，无论是卷纸供送，或是纸张的夹紧力和包装的速度等方面均要注意到这一特点。一般说来，包装的速度越高，纸越容易被拉断，如果包装纸的拉力强度不够，势必影响包装速度的提高。因此，进一步捉高包装纸的质量是十分必要的。2.3包装工艺方案拟定2.3.1人工包装动作顺序人工包装动作顺序如下：图2.1巧克力糖包装顺序(1)将面积为6464mm2、厚0008mm的金色铝箔覆盖在巧克力糖l7mm小端的中央。如图2.1（a）。(2)使铝箔纸沿着圆锥面强迫成形。如图2.1（b）。(3)将多余部分的铝箔纸向24mm大端面上褶去即左右两边依次推褶，迫使其最后全部紧贴巧克力糖。如图2.1（c）、（d）。包装过程中不要碰伤巧克力糖表面，包装纸要紧贴巧克力糖而且小端l7和同锥面上的铝箔纸要平整，光滑美观，不准有大的皱褶。2.3.2包装工艺方案的拟定分析的手工包装工艺过程，机器怎样实现?经过调查研究及参考国内外类似的机器，初步确定工艺方案，方案确定后，没有把握的关键动作需做工艺试验，以检验其效果。现将方案试验结果说明如下：第一种方案试验采用锥形模子(见图2.2)。用手推动顶糖杆将巧克力糖与其上面覆盖的铝纸一起往上送入模子之圆锥形腔室内使其强迫成形但由于在制作巧克力糖时外形尺寸公差较大，加以糖纸又薄又脆，在强迫成形时纸张被拉伸过程中，常常在腔室的转角处造成纸张被拉破的现象。这是因为糖与模子之间间隙太小使纸张在包装成形过程中没有足够的变形间隙而造成的。如果间隙过大，则包装纸在糖粒表面会不平整。此外，试验中发现糖常常贴在腔室内不易自由落下，有时在顶糖杆上顶时还要碰坏巧克力糖。这说明这种方案不适合实际巧克力产品的特点，易造成废品，因此不宜采用。1模子2包装纸3顶糖杆图2.2第一种包装工艺方案试验第二种方案试验图2.3 第二种包装工艺方案试验1-转轴 2-转盘 3-弹簧 4-接糖杆 5-钳糖机械手(共6组)6-糖块 7-顶糖杆 8-铝箔纸 9-环行托板 10-折边器第二种方案是在第一种方案基础上提出来的，将锥形腔改成左右可松紧活动的机械手，如图2.3所示。机械手夹子的夹紧力由弹簧力产生夹紧力不宜太大，否则要夹坏巧克力糖，但夹紧力太小又夹不住。为了解决这一矛盾。在机械手下方设有托板，使包装过程中始终有托板托住巧克力，机械手夹子仅起到定位作用，夹紧不是主要的。如不加托板，糖可能要下落。包装纸的强迫成形过程是这样的。当顶糖杆将向上送糖时，机械手在松开状态，接糖杆此时压住包装纸，如图所示。然后接糖杆与顶糖杆同步一起上升上升将要结束时，机械手夹子夹紧，使铝箔纸强迫成形如图所示。再用一抄纸板使其由右向左运动，将右边多余铝箔纸紧贴在巧克力24的大端面上。最后机械手夹住糖粒顺时针旋转，在旋转途中经过固定托板，使左边的铝箔纸也完全覆盖紧贴在巧克力的底面上。第二种方案试验获得了初步成功，铝箔纸未发生撕破现象，糖也没有碰伤。但包装质量还没有完全达到要求，包装表面不平整，有皱褶现象。经过多次摸索试验，发现铝箔纸只要用软性物体轻轻一抹就很平整地紧贴在巧克力表面，既平整又美观。因此，专门设计了一个带有锥形体的毛刷圈(尼龙丝制)，见图2.4。在顶糖过程中，让糖与铝箔纸均通过这个毛刷圈，最后迫使包装纸成形，光滑平整地紧贴巧克力表面，质量完全达到包装要求，因此这个方案试验成功。在机械手夹紧过程中，有时还存在巧克力粘在夹，上不易落下，故增添了一个拨糖杆把糖拨下。这样经过试验确实可行的工艺方案确定下来了，下一步就可以根据工艺方案进行包装机整体设计。图2.4 巧克力糖包装成型机构1-左抄板纸 2-钳糖机械手 3-接糖杆 4-右抄板纸5-锥形尼龙丝圈 6-铝箔纸 7-糖块 8-顶糖杆3 粒装巧克力包装机的总体布局包装工艺确定以后，就要考虑如何实现这种包装动作。因此要求选择合适的传动操作和执行机构。这些机构组成若干个部件，这些部件相互位置怎样安排?它们又是怎样联系和形成一个完整的总体?这就是包装机总体设汁的任务。包装机的传动与控制机构，采用机械、液压，或是气动，应根据产品的特点、年产量、使用厂的具体条件以及机器动作的复杂程度而定，糖果包装机，一般包装速度均在140粒min以上，高的可达1200粒min。要实现这样高的包装速度，而且要保证动作的相互协调和工作可靠稳定，用液压或气动控制机构尚有困难因为油液和气体有可缩性，而且油液的粘度大，高速换向运动时惯性冲击大，发热高。液压还会因温度升高而使粘度变化，影响动作的准确性所以一般只用于活塞往复动作在40次min左右的机械，目前国内外糖果包装机大多采用机械传动方式。因为连杆，凸轮机构一经调整后，就能严格保证动作的可靠性，并且能实现比较复杂的动作。有些国家的包装机中采用电子技术和计算机系统，以利进一步提高生产率。3.1机型选择由于大批量生产，所以选择全自动机型。根据前述工艺过程，选择回转式工艺路线的多工位自动机型。根据工艺路线分析，实际上需要两个工位，一个是进料、成型、折边工位另一个是出料工位。自动机采用六槽槽轮机构作工件步进传送。3.2自动机的执行机构根据巧克力糖包装工艺，确定自动机由下列执行机构组成：（1）剪纸机构；（2）供纸机构；（3）接糖和顶糖机构；（4）折纸机构；（5）拨糖机构；（6）钳糖机械手的开合机构；（7）送糖盘转位机构；（8）机械手转位：下面是主要执行机构的结构和工作原理。图3.1为钳糖机械手、进出糖机构结构图。送糖盘4与机械手作同步间歇回转，逐一将糖块送至包装工位。机械手的开合动作，由固定的凸轮8控制，凸轮8的廓线是由两个半径不同的圆弧组成，当从动滚子在大半径弧上，机械手就张开；从动滚子在小半径弧上，机械手靠弹簧6闭合。图7为接糖和顶糖机构示意图。接糖杆和顶糖杆的运动，不仅具有时间上的顺序关系，而且具有空间上的相互干涉关系，因此它们的运动循环必须遵循空间同步化的原则设计，并在结构上应予以重视。图3.1 钳糖机械手及进出糖块机构1-输送带 2-糖块 3-托盘4-送糖机构 5-钳糖机械手6-弹簧 7-托板 8-凸轮9-包装后成品 10-输料带接糖杆和顶糖杆夹住糖块和包装纸同步上升时，夹紧力不能太大，以免损伤糖块。同时应使夹紧力保持稳定，因此在接糖杆的头部采用如橡皮类的弹性件。4 粒状巧克力糖包装机的传动系统传动系统是机器的重要组成部分，由它驱动各执行部件按工艺要求完成各种动作，传动系统的传动精度将直接影响机器的加工质量传动系统的振动、噪音是机器振动、噪音的主要来源，传动系统直接影响机器结构的复杂程度，所以传动系统关系到机器的结构和性能轻工自动机的传动系统一般都比较复杂，其影响更大所以设计时须十分重视。4.1设计传动系统时应注意的问题包装机的传动系统设计，必须满足如下要求：(1)传动链应力求简短，传动件数少，以使传动精度和传动效率高。(2)传动链精度保持性好，因此必须合理选择传动件的制造和装配精度，同时正确选择传动件的材料及热外理，并尽量采用磨损补偿或可调结构等措施。(3)具有无级调速的功能，以适应轻工自动机最佳工作状态的需要。这是由于影响自动机的因素很多，设计者很难在试车前。确定最佳工作状态的工作速度。对高速的自动机，为防止产生“飞车”现象，总是以慢速启动，逐渐加速使自动机能正常工作。(4)传动系统中应有过载保护装置，在分配轴上设有盘车手轮，以便调整机器时用手慢速动作。(5)由于轻工自动机传动功率小，有时为了简化机构，常采用低效率的蜗轮副传动。4.2确定传动系统的有关参数传动系统的有关参数包括：分配轴的转速与调速范围送纸机构每次的送纸长度L送纸(mm次)以及输送带上送糖和出糖的线位移L送糖(mm次)。1、分配轴的转速和调速范围分配轴的转速n是根据实践经验和国内外同类机器的生产特点，以及巧克力本身质地较松软的性质确定的，如巧克力包装机的生产能力为120(粒min)，所以本机采用的无级调速范围为70130(r/min)即分配轴转速为n=70130 （ rmin)2、每次进纸长度L送纸为了简化传动机构，利用槽轮机构传动。拨销轴每转一转槽轮转过一个槽，即完成一只巧克力的包装。在槽轮转动时，同时驱动送纸机构，出糖与进糖传送带以及拨糖盘动作。根据包装的要求，每次的送纸长度L送纸=64mm 3、每次输送带送糖长度L送糖为了保证每次都能供料其输送带的位移量能保证超过圆台形巧克力的底径24mm的50以上。取L送糖=44m次。4.3几个主要传动尺寸的计算1、皮带传动尺寸计算本传动系统由电动机到分配轴采用二级减速，第二级采用链传动其传动比19/480.4, 而第一级采用变速皮带传动，其传动比为i皮。在分配轴的转速n为70130（rmin）无级变速时，i皮的调速范围应为：当n=70时其传动平衡方程为：70=n电i皮i链=1440 i皮19/48i皮=0.123当n=130时其传动平衡方程为：130=n电i皮i链=1440 i皮19/48i皮=0.228故i皮=0.1230.228若将大皮带轮做成固定直径，由于空间的限制，取大皮带轮直径为330mm，则小皮带轮的直径变化极限范围为当i皮=0.123时，dmin/330=0.123, dmin =40.59取dmin =40mm当i皮=0.228时，dmax/330=0.228，dmax =70.24取dmax =70mm式中、dmin、dmax分别为小带轮的有效最小及最大直径，螺旋齿轮副1、2、3的传动比,直齿标准齿轮副的传动比i=1.67。2、供糖部分传动尺寸计算供糖部分的传动路线为：槽轮齿轮Z1/Z2链轮Z7/Z8传送带轮供糖传送带每次移动44mm，槽轮每次转1/6转，设传送带辊轮直径为D辊，于是得传动平衡方程式为1/6Z1/Z2Z7/Z8D辊=44 即 1/660/3012/18D辊=44解得D辊=63mm4.4功率计算和零件尺寸计算4.4.1电动机功率的选择包装机的电动机功率，首先取决于各工作机构在完成包装工作中消耗的有效功率，其次取决于传动系统中消耗在摩擦上的功率最后还取决于克服各种机构惯性而消耗的功率，这些功率一般无法进行准确的计算，主要根据包装物的重量以及类比法，或实测法决定，其中类比法用得较多。根据初步调查，糖果 、食品等一类包装机，电动机的功率一般均在1 kw以下。当包装机上要完成类似切削动作时(如辗辊传动和连续切糖成形)才选用较大电动机。但一般性糖果，食品包装机功率均在0.5kW左右。这台包装机，巧克力小，重量轻，传动结构简单，凸轮不多，又不采用蜗轮蜗杆传动因此动力很小，选用0 35kW已足有余。如果采用实测法，即机器造好后，在正常工作条件下测量它的实际使用功率然后加适当的安全系数，就能比较准确地选择电动机的功率。查机械工程手册第31篇传动系统31-12的表31.2-5机械传动的特点和性能：带为0.900.94，链为0.950.97，槽轮为0.880.98螺旋齿轮为0.960.99；取带为0.92，链为0.96，槽轮为0.90，螺旋齿轮为0.97。所以P要=0.96WP额。由于查不到功率为0.4KW,转速为1440r/min的电机，查产品样本电机（1）P133，选的电机功率为0.4KW,转速为1400r/min。其型号为AZ3-7114P。4.4.2齿轮模数m的选择包装机因受力较小，强度计算是次要的。根据使用经验，一般取m=12.5mm在传动链后部低速级扭矩较大时，选用模数大一些。如分配轴上的螺旋齿轮取m=25mm。为了提高强度，还可以将轮齿部份高频淬火。对于卷纸部分齿轮的模数，一般取m=ll 5mm，本机选用m=l.5mm。齿轮取m=2mm。总之，设计包装机时，参考了同类型包装机上所采用的齿轮模数大小进行分析比较后选择。本机器用经验法选取了相应模数的齿轮，并根据所选用电动机功率逐级进行了强度计算，但要为了加工方便，本台机器上的齿轮模数不取得种类太多。4.4.3传动轴直径的确定包装机上所采用的轴径一般在2035mm之间，个别场合，如采用2 kw左右的电动机才选用405Omm之间的轴径。也可以根据已选定的电动机功率，用轴的刚度和强度估算方法计算。如本机电动机功率N=0.35kW。分配轴的最低速为n=70r/min，按轴的扭转强度估算公式确定分配轴的直径为式中 N分配轴传递功率（kW） n分配轴转速（r/min） A系数，可查表4.1表4.1 估算轴径用系数A值轴材料系数A3.20A5.354540Cr1Cr132Cr131Cr18Ni9TiA15.913.513.511.811.810.710.79.81412.710.71010.912.6分配轴的材料为45钢，根据表3.1选A=10则，通过计算得出d=17mmA值在轴受弯矩较大时取大值。如果按轴的扭转刚度计算。 B为系数，可以查表4.2表4.2工作要求系数精密稳定的传动一般传动精度要求不高的传动B12.910.910.99.19.17.7取B=10 则 根据公式d=26.5mm现在实际使用25mm，因此强度是足足有余。在包装机中由于生产能力不断提高，转速也相应提高冲击振动，机构运动的不稳定性显得很突出。因此，有时刚度比强度更为重要从强度来看机构是安全的，但往往刚度不够而引起零件不规则的颤动，严重影响包装质量因此刚度不应忽视。由于本机速度不高，因而对刚度的要求并不太严格。5 粒装巧克力包装机的的工作循环图5.1 分析各执行机构的传动系统图图 5.1 粒状巧克力糖包装机传动系统1-电动机 2-带式无级变速机构 3-链轮幅 4-盘车手轮5-顶糖杆凸轮 6-剪纸导凸轮 7-拨糖杆凸轮 8-抄纸板凸轮9-接糖杆凸轮 10-钳糖机械手 11-拨糖杆 12-槽轮机构13-接糖杆 14-顶躺杆 5-送糖盘 16-齿轮副17-供纸部件链轮 18-输送带链轮 19-螺旋齿轮副 20-分配轴5.1.1 确定各机构的运动循环已知86件/mn，则分配轴的转速为 n=86(r/min)分配轴每转的时间就是该机的工作循环，即等于各个执行机构的运动循环，所以60/n=60/86=0.69（s）5.1.2 确定各机构运动循环的组成区段拨糖机、送料辊轮和机械手转位都是间歇运动机构，它们的运动循环由两个区段组成：拨糖机、送料辊轮和机械手转位等三个机构的转位运动时间；拨糖机、送料辊轮和机械手转位等三个机构的的停歇时间。因此，应有 (5.1)相应的分配轴转角为 (5.2)剪刀机构8的运动循环可分为三个区段：剪刀机构的剪切工作行程时间；剪刀机构的返回行程时间；剪刀机构在初始位置的停留时间。因此，应有 (5.3)相应的分配轴转角为 (5.4)顶糖杆机构5的运动循环的组成区段为：顶糖杆机构的顶糖工作行程时间；顶糖杆机构在工作位置的停留时间 顶糖杆机构的返回行程时间；顶糖杆机构在初始位置的停留时间。因此，应有 (5.5)相应的分配轴转角为 (5.6)活动折纸板机构6的运动循环也可以分为四个区段：活动折纸板机构的折纸工作行程时间；活动折纸板机构在工作位置的停留实际；活动折纸板机构的返回行程时间；活动折纸板机构在初始位置的停留时间；因此，应有 (5.7)相应的分配轴转角为 (5.8)5.1.3 确定各机构运动循环内各区段的时间及分配轴转角由于粒状巧克力自动包装机的工作循环是从送料开始的，因此以送料辊轮机构的工作起点为基准进行同步化设计，拨糖盘和机械手转位两个机构与之相同。a.送料辊轮机构运动循环各区段的时间及分配轴转角：根据工艺要求，试取送料时间s，则停歇时间为s，相应的分配轴转角为 =360=3601/5/0.69104.34 =360=3602/5/0.69208.69b剪刀机构运动循环各区段的时间及分配轴转角：根据工艺要求，试取剪切工作行程时间s，则相应的分配轴转角分别为： 3603602/45/0.6921.13初定s，则s，则相应的分配轴转角分别为： 3603604/45/0.6942.27 36036013/27/0.69251.20c.顶糖杆机构运动循环各区段的时间及分配轴转角：根据工艺要求，试取工作位置停留时间s，则相应的分配轴转角为： 360 3602/135/0.697.72初定s，s，则s，相应的分配轴转角分别为： 3603604/135/0.6915.45 36036014/135/0.6954.10 36036053/135/0.69204.82d活动折纸板机构运动循环各区段的时间及分配轴转角：根据工艺要求，试取折纸工作行程时间s，则相应的分配轴转角为： 3603604/65/0.6932.10初定s，s，则s，相应的分配轴转角分别为： 3603602/65/0.6916.05 36036031/195/0.6982.94 36036068/195/0.69181.935.2 各执行机构运动循环的时间同步化设计5.2.1 确定粒状巧克力自动包装机最短的工作循环 (5.9) （s）5.2.2 确定粒状巧克力自动包装机的工作循环令上述三对同步点的错移量分别为t1、t2和t3，若取 t1=t2=t3=1/195（s）则其在分配轴上相应的转角为 粒状巧克力自动包装机的工作循环应为5.3 绘制粒状巧克力自动包装机的工作循环(如图5.2) (图5.2)5.4 修正自动包装机的工作循环图实际上,粒状巧克力自动包装机要求每转生产一个产品,即要求,因此应对图进行修正,即按比例或用其他分析方法,求出循环图截短后各动区段的分配轴转角若将修正前各机构运动循环各区段对应的分配轴转角按比例放大,则有式中, -修正后各机构运动循环各区段对应的分配轴转角。6 粒状巧克力糖包装机的齿轮设计6.1 斜齿轮副1、2、3的设计计算表表6.1项目计算（或选择）依据计算过程单位计算结果1选齿轮精度等级级72.材料选择45#钢3.选择齿数ZZ1=28Z2=128个28284.选取螺旋角一般取（8-20）度12度125.齿宽系数d0.66.选取模数查标准模数系列表mm27.计算齿轮的分度圆直径dmm57.2557.258.计算齿轮宽度Bb = dd1圆整后取：B1 =57.250.6=35B2 =57.250.6=35mm35356.2 标准直齿齿轮副16的设计计算表表6.2项目计算（或选择）依据计算过程单位计算（或确定）结果1.选齿轮精度等级级72.材料选择45#钢3.选择齿数ZZ1=32Z2=1.6732个32544.齿宽系数d0.55.选取模数查标准模数系列表mm26.计算齿轮的分度圆直径dmm641087.计算齿轮宽度Bb = dd1圆整后取：B1 = 32B2 = 54mm32547 粒状巧克力糖包装机的机械手设计7.1 机械手松紧机构设计为机械手松紧机构的结构图。在转盘上装有六对机械手1, 在每对机械手上装有一对三牙的扇形小齿轮2及3，保证巧克力糖的中心位置不变。机械手的闭合靠弹簧，张开依靠上部的松紧凸轮的摆动，通过滚子和松紧驱动臂4来实现。其动作顺序是，工位“”进糖。然后机械手夹紧。在“”工位到“”工位的回转过程中进行裹包；在“”工位上由顶糖杆把巧克力糖上面的铝箔纸压贴在糖的顶面；在“IV”工位，首先松开机械手，然后敲糖杆下降进行卸糖所以要求“” 。“”工位的机械手处于夹紧状态， “”、“” 工位的机械手处于放松状态。“I”工位的机械手由松变紧，“”工位的机械手由紧变松。机械手松紧凸轮见上节图7.1所示。当转盘转位结束时“”。“”。“I”工位放松，“”、“”、“”工位夹紧。然后偏心机构推动凸轮逆时针旋转，使“I”工位的机械手由送变紧， “”工位的机械手由紧变松，当转盘顺时针转位时，凸轮也顺时针旋转。因此滚轮并没有改变位置，机械手保持原状，只有在逆时针摆动时机械手才功作，这就完全满足了包装工艺的要求。图5.1钳糖手结构图1机械手，2，3扇形小齿轮，4松紧驱动臂，5销子7.2 机械手松紧机构凸轮设计根据前面的工艺原理，六个机械手安置在转盘的六个工位上 “”、“”工位的机械手始终处于夹紧状态，“”、“”工位的机械手始终处于放松状态，只有“”、“”工位的两只机械手才有松、紧动作。“”、“”工位的两只机械手，其相位角始终相差180度其中一只手松开，则另一只手夹紧，处于两种不同的状态。根据循环图给定的条件只有当分配轴转到250度时，“”工位的机械手逐渐由紧变松；当分配轴转到300度时，“I”工位的机械手由松逐渐夹紧。因此在250度300度之间，“”、“”工位两机械手的属松开状态。此时，“”工位的顶糖杆把糖顶入机械手，进行糖纸强迫成形的裹包动作，“”工位则完成敲糖动作。上述动作要求可采用摆动凸轮，它控制机械手的摆动杠杆来获得松、紧动作如图5.2所示。机械手的夹紧依靠弹簧力。而松开则依靠凸轮上升曲线从图中可以看出此时凸轮恰好沿逆时针方向摆动，“”工位机械手到达夹紧时的极限位置，即将由紧变松。当凸轮摆动了10度(相当于分配轴由250度转到300度)以后，机械手完全放松此时，“”工位机械手将由松变紧，当凸轮继续摆动l0度(分配轴由300度转到350度)以后，“”工位完全夹紧，完成这二个动作，凸轮逆时针方向摆动20度，此时，相应的分配轴转过了将近100度。当转盘沿顺时针方向转位时，摆动凸轮也顺时针方向摆回，因而各工位机械手的松紧状态保持不变。根据结构，机械手杠杆的杆长54mm和30mm，当杠杆上的滚轮与凸轮R=42mm的轮廓接触时，机械手呈松开状态，而与R=46mm轮廓接触时呈夹紧状态，所以半只机械手松开的距离S为。S=64/30(46 42)=72(mm)机械手具体的结构见图5.1图5.2分配轴转至250度时各机械手状态示意图1滚轮，2凸轮，3机械手8 顶糖、接糖、拨糖机构凸轮设计8.1顶糖凸轮设计在整个包装机中,顶糖机构起运送糖块到指定位置的作用,其机构示意图如图8.1。如图8.1所示,此包装机的顶糖机构运动过程为:顶糖杆3以平面槽凸轮4为原动件,在导轨间作上下的往复运动,将糖块送至指定位置;其循环过程为先上升再停止后下降,因此平面槽凸轮的从动件滚子的运动规律为升停降停。图8.1顶糖机构示意图1接糖杆；2糖块；3顶糖杆；平面槽凸轮顶糖机构主要使用的是对心平底直动从动件盘形凸轮机构，主要作用是将糖块从模具中顶出以便卸糖机构将其送上传送带。由于设计凸轮机构的偏心距e=0，基圆半径r=30，推程h=15，近休角90，推程角135，等加速、等减速运动规律，远休角45，回程角90简谐运动规律。811 凸轮机构轮廓曲线设计结构示意图图8.28.1.2顶糖凸轮机构平底从动件位移曲线图图8.38.2 拨糖凸轮设计拨糖凸轮与顶糖凸轮的形态类似，仅仅连接杆及拨糖杆有异，故不详细介绍，请参考8.1内容8.3 接糖凸轮设计凸轮机构，大都采用摆动从动件，其允许的压力角较直动式大，（a）45度，不容易自锁，而且可以根据具体传动结构配置其适当位置，杠杆比的大小和具体尺寸，视结构尺寸而定，对于工作行程精度要求高的，宜采用缩小杠杆比，即把凸轮尺寸放大，便于使凸轮廓线制造精确。而这台包装机其凸轮升程曲线不特殊精度要求，因此杠杆比一般均采用放大式，即将凸轮尺寸缩小，以减少结构尺寸，接糖杆凸轮上升时转角为105度。凸轮下降时的转角为150度。凸轮空行程的转角105度。杠杆比为3：1，最大行程为51mm，则，凸轮的升值h为511/6=17mm.图8.4接糖机构凸轮结构示意图8.4 凸轮材料选择凸轮和从动件的材料，应保证其工作表面有一定的耐磨性，并能承受较大的动载荷。所以一般较重要的凸轮材料多用优质碳素钢或者合金结构钢制造。如45号刚、50号钢、20Cr钢或40Cr钢等。在此均选取20Cr钢。20Cr钢经表面渗碳后淬硬并回火，其硬度HRC=6062结 论本设计是对包装机械进行的一次有效的理论讨论。通过对包装机各级传动比的分配研究计算，了解了包装机实现夹取，间歇运动及送料这一完整的过程。这为进一步了解包装的其他功能和发展要求打下了一定的基础。对包装机进行有效的理论分析，不仅有一定的使用价值，更有较高的理论参考价值，这有利于我们技术人员消化吸收国外先进技术，缩小与发达国家包装业的差距。在设计中，我通过分析研究包装机的功能和各级传动比，提出了设计槽轮机构来实现包装机的有效间歇动作来完成包装机的功能要求。并对机械手机构和部分凸轮机构进行了设计和讨论。CAD技术虽然三维绘图功能没有UG强大，但是二维绘图能力是不可被取代的，特别是在画工程图上，虽然是用UG转过来的，但是部分还是要靠在CAD里修改完成，这样比在UG里修改方便的多。可见CAD的二维绘图功能还是非常强大的。通过这次的毕业设计，使我对机械设计的有了更进一步的认识，从拿到图纸到设计完成，以及整个机械动作过程有了深入的理解，也大大提高了我对于机械设计的兴趣。参考文献1 雷伏元主编.自动包装机原理M.天津：科学技术出版社,1986.2西北工业大学机械原理及机械零件教研室编,孙恒,陈作模主编.机械原理M.第六版.北京:高等教育出版社,2001.3机械设计手册联合编写组编.机械设计手册M.第二版.北京:化学工业出版社,1987.4机械工程师手册第二版编辑委员会编.机械工程师手册M.第二版.北京:机械工业出版社,2000.5孟宪源,姜琪编著.机构构型与应用M.北京:机械工业出版社,2004.6高德主编.包装机设计M.北京:化学工业出版社,2005.7傅继盈,蒋秀珍主编.机械学原理M.哈尔滨工业大学出版社出版.8刘鸿文主编.材料力学M.第四版.北京:高等教育出版社,2004.9廖念钊等编.互换性与技术测量M.第四版.北京:中国计量出版社,2000.10卜炎主编.机械传动装置设计手册M.上册.北京:机械工业出版社,1998.11吴宗泽,罗圣国主编.机械实际课程设计手册M.第二版.北京:高等教育出版社,1999.12 西北工业大学机械原理及机械零件教研室编, 濮良贵，纪名刚主编.机械设计M.第七版.北京:高等教育出版社,2001.13孙智慧、高德. 包装机械.中国轻工业出版社,2010.14谭元刚.试述我国食品包装技术与机械的发展J.山西食品工业.2004,2. 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