食品盒自动包装流水线压盒装置设计

青岛农业大学海都学院本科生毕业论文（设计）题 目： 食品盒自动包装流水线压盒装置设计 姓 名： 系 别： 工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 号： 指导教师： 吕宝君 年月日目 录摘 要 .IAbstract .II1 绪论 .11.1 研究的目的及意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 本课题研究内容 .22 总体方案的确定 .32.1 设计要求 .32.2 方案分析 .32.3 工作原理 .43 主要零部件的设计 .63.1 模具的设计 .63.2 填料装置的设计 .93.3 喷胶装置的设计 .103.4 合盖装置的设计 .123.5 顶料装置的设计 .133.6 胶封装置的设计 .134 运动参数的计算 .16结论 .18参考文献 .19致谢 .20I食品盒自动包装流水线压盒装置设计摘 要本课题对食品盒自动包装流水线压盒装置进行了设计。在了解研究背景与现状后确定了设计方案，包括模具，压料装置，填料装置，喷胶装置，合盖装置，顶出装置，成盒箱等主要零部件。设计中采用了四工位环形布局，每个工位顺序完成流水线生产任务，通过气动元件与模具、控制模块的协调动作，实现包装盒一次成型、装料、密封、包装、出料的成套功能。为了各工位的工作能顺利完成，将模具固定在流水线上，置于流水线外部的各个机构通过气缸动作顺序完成工作。该压盒装置结构简单，解放了人手，不仅可保证加工质量，提高产品成品率，而且还将大幅度提高生产效率，从而提高经济效益。关键词：压盒装置；环形工位IIThe Design of Pressing Box Device for Automatic Packaging Line of Food BoxesAbstractThis article describes the pressing box device for Automatic packaging line food boxes.After finding out the background and current situation,I decide the Solution.Including mold, Pressing device, Packing unit, Spray equipment , Lid device, Eject device, and so on. Design ring with a four-station layout, each station in order to complete assembly line production tasks, through the pneumatic components and tooling, the coordination of movement control module, a shape of packaging boxes, loading, sealing, packaging, a complete set of functional materials . The work of the station to a successful completion, will be fixed on the assembly line mold, placed outside the line agencies in order to complete its work by the cylinder movement. Simple structure of the press box,liberating the staff, not only can ensure the machining quality, increase product yield, but will also greatly improve production efficiency and economies of scale.Key words: Pressing box device; Ring station 11 绪论1.1 研究的目的及意义目前中国食品包装业正逐步由粗放型向集约型转变，采用新技术、新工艺，改进机器设备、加大科技含量的方式来增加产量，改变以前通过增加投资、扩大厂房、增加劳动投入来增加产量的生产模式。食品盒自动包装流水线的引入生产带来了食品生产行业的一次革命。这大大减少了劳动力的投入，降低了生产成本，同时也提高了生产效率，提高了卫生指标。食品盒自动包装流水线的设计国内外已经有很多成功的先例，但是进口或者引进的成本比较高，对于确定的食品加工厂设备的适用性也存在问题。从工厂的资金和技术方面作为出发点，设计制造一套满足工厂需求的食品盒自动包装流水线有着它巨大的经济效益和必要性。1.2 国内外研究现状二 十 世 纪 60 年 代 以 来 ， 新 材 料 逐 渐 代 替 传 统 的 包 装 材 料 ， 特 别 是 采 用 塑 料 包 装 材料 后 ， 包 装 机 械 发 生 重 大 变 革 。 超 级 市 场 的 兴 起 ， 对 商 品 的 包 装 提 出 了 更 新 的 要 求 。为 保 证 商 品 输 送 快 捷 安 全 ， 集 装 箱 应 运 而 生 ， 集 装 箱 体 尺 寸 也 逐 渐 实 现 了 标 准 化 和 系列 化 ， 从 而 促 使 包 装 机 械 进 一 步 完 善 和 发 展 。近 十 余 年 来 ， 国 际 包 装 界 十 分 重 视 提 高 包 装 机 械 及 整 个 包 装 系 统 的 通 用 能 力 和 多功 能 集 成 能 力 ， 为 市 场 开 拓 日 新 月 异 的 多 样 化 商 品 提 供 及 时 灵 活 应 变 的 生 产 手 段 。 同时 基 于 合 理 简 化 包 装 和 优 势 包 装 工 艺 方 法 的 实 际 需 要 ， 不 断 探 索 ， 明 显 地 加 快 了 自 身技 术 革 新 的 步 伐 。 尤 其 是 与 现 代 自 动 机 床 同 步 发 展 相 呼 应 ， 逐 步 明 确 。 要 想 建 立 多 样化 、 通 用 化 、 多 功 能 集 成 化 的 包 装 机 械 新 体 系 ， 首 先 必 须 着 重 解 决 组 合 化 和 机 电 一 体化 的 大 问 题 ， 无 疑 这 是 今 后 的 重 要 发 展 方 向我国的食品包装机械多以单机为主，科技含量和自动化程度低，在新技术、新工艺、新材料方面应用的少，满足不了我国当前食品企业发展的要求。一些食品企业为了技术改造，不得不花费大量的资金从国外引进一些技术先进的、生产效率高、包装精度高的成套食品包装生产线，导致很大一部分国内的市场份额被国外品牌所占领 4。由于目前我国手工作坊式生产还大量存在，先进设备的优势还不明显，有时甚至被手工产品打得很惨。中国跟国际水平相比还比较落后，国内主流设备相当于国外 80 年代2的水平，而市场上还比较接受手工产品。说到这个差异，杭州中亚机械有限公司负责人称， “国外食品包装机械对品质和速度要求高，而且人均成本比较高；在我国，恰好相反。当人们对质量和价格要求提升后，这就需要高速设备代替手工制作。我们相信这是一个过程，可能 35 年后，先进设备的竞争力会有明显体现。食品盒自动包装流水线压盒包装部分的工作是将平整的包装盒压制成大体成型的食品包装盒，并将填充料用内包装包装好的食品，放入型腔内，然后在粘粘部分涂胶，合盖。制成完整的内有填充料食品盒成品。本课题拟设计一种将各工位均布于流水线的各个部位的压盒包装部分，这是一种立体式的机械，在各个工位完成一部分的工作，各个工位的工作顺次相承，联系紧凑，实现流水作业。1.3 本课题研究内容1.模具的可替换性设计：为适应不同规格的包装盒的包装要求，模具要求可替换性，达到一机多用。并且更换模具时模具的安装拆卸要简单方便2.与传送料装置的同步性设计：计算好各（工步）工位的工作时间间隔，与进料、出料时间间隔同步。研究目标：通过相应模具与气动元件、控制模块的协调动作，实现包装盒一次成形、装料、密封包装、出料等成套功能，有效减少用工需求，提高工作效率。研究方法：采用理论分析与生产实际相结合的方法，借鉴已有相近产品的包装生产线，提出设计方案，完成设计。技术路线：调查研究确定总体方案压盒装置设计装配图纸、零件图绘制整个系统的协调。32 总体方案的确定2.1 设计要求食品盒原料图如图 2-1 所示：图 2-1 食品盒原料示意图按照生产要求，通过相应模具与气动元件、控制模块的协调动作，实现包装盒一次成形、装料、密封包装、出料等成套功能，有效减少用工需求，提高工作效率。2.2 方案分析考虑到实际生产中的要求，因此流水线布局采用环形结构。根据压盒装置需要完成的工作种类不同，设置工位数量为四个，均布在环形流水线上。压盒装置的第一个工作是将如图 2-1 的食品盒原料经过冲压成如图 2-2 的食品和半成品。因为食品盒的的材料为厚度为 1mm 的4纸类，硬度不高，弹性较大，冲压成型后若立刻顶出模具进行其他的工作，食品盒将会不能保持冲压之后的形状，进而影响后面的工作，是流水线生产不能进行。因此选择冲压之后，食品盒一直位于模具的下模之中，直到完成填料、喷胶，合盖等工作之后，再将食品盒顶出。这样就要求下模随流水线运动买到各个工位，以完成后续的工作。因此，设定流水线的四个工位皆装备一套模具的下模，完成冲压的上模、填料装置、喷胶装置、合盖装置装备在流水线下模的上面，不随流水线转动，待食品盒随下模转动到其所在工位时在完成相应的工作。第一工位：完成冲压工作。第二工位：完成填料工作。第三工位：完成喷胶、合盖工作。第四工位：完成顶料、胶封工作。图 2-2 食品盒冲压完成示意图2.3 工作原理送料装置将一个食品盒原料（板料）送到第一工位的下模上，将食品盒原料经过冲压，制成如图 2-2 的食品盒半成品，此半成品将在模具内随模具在旋转工位上一直到第四工位，完成其他的工作 1。5冲压完成后，模具体旋转到第二工位，完成放料（将经过食品覆膜包装的食品放进如图 2-2 食品盒的腔内）工作。第二工位的推料装置需要设置上部下料箱、推料通道，通过气缸动作将食品推入盒腔内。放料工作结束后，模具体旋转到第三工位，完成喷胶，合盖工作。通过喷胶头往喷胶部位喷胶，同时通过气缸动作将箱体的前耳和侧耳折弯推平，然后气缸动作合上盒盖。胶封工作结束后，模具体旋转到第四工位，完成顶料，胶封工作。通过模具体下方的顶料装置将食品盒顶进盛盒箱内，盛盒箱四个壁是滚子结构，食品盒由下向上运动，完成胶封工作。盛盒箱底部进料口设置了弹销，防止食品盒下落。盛盒箱内食品盒累积到一个完整盒体高于盛盒箱上沿时，由气缸动作将食品盒推到倾斜滑板上。63 主要零部件的设计3.1 模具的设计由于需要冲压的食品盒原料为纸质材料，对冲压模具的轻度要求不是很高。另外本着从经济性角度出发的原则。因此，无需冲压金属件所使用的实体模具。如果选用实体模具，不但会加大模具的生产难度，而且由于实体模具的质量较重，会影响流水线的运行，更会增加生产成本，降低经济效益。食品盒材料为 0.5mm 厚的白板纸。拟定选用 304 不锈钢板的钣金件 3组合而成模具。钣金厚度均为 1mm。模具的上模如图 3-1 所示图 3-1 模具上模图根据食品盒的尺寸，并且考虑食品盒材料本身的厚度，上模的外形轮廓尺寸为长宽高=241 11827（mm ）。模具由不锈钢板经过钣金加工形成适合于食品盒行腔的外形，为了减轻模具质量，及从经济性的角度出发，将模具钣金加工成中空的结构。为防止冲压时上模将食品盒切伤，冲压时上模与食品盒正面接触的一面的棱角要钣金出圆角 2，考虑到多选用 304 不锈钢板的厚度及钣金加工时的实际情况，设置圆角的的半径为 R=3mm。模具的凹模如图 3-2 所示7图 3-2 模具下模装配体模具凹模装配体由如图 3-3、图 3-4、图 3-5 所示的钣金件组合焊接而成。考虑到食品盒的弹性伸缩及配合公差，设置模具下模装配体的行腔尺寸为 247124（mm）。为了防止将食品盒切伤和便于冲压，在如图 3-3、图 3-5 所示的模具前耳和模具侧面的模具口部位在钣金加工时要加工出一定的斜度，斜度拟定为 25 度。图 3-3 模具前耳8图 3-4 模具底部平板图 3-5 模具侧面由于模具材料为 1mm 厚度的 304 不锈钢板，强度不是很高，在加工模具的零部件时加工出的圆角、折弯也增加了模具的强度。冲压力的计算冲裁力：在冲裁过程中，冲裁力是随凸模进入凹模材料的深度而变化的。通常说的冲裁力是指冲裁力的最大值，它是选用压力机和设计模具重要依据之一。冲裁力的大小主要与材料力学性能、厚度及冲裁件分离的轮廓长度有关。用平刃口模具冲裁时，冲裁力 F(N)可按下式进行计算： KLtF9式中：L 冲裁件周边长度（mm） ；t 材料厚度（mm） ；材料抗剪强度（MPa） ；K系数。考虑到模具刃口的磨损，模具间隙的波动，材料力学性能的变化及材料厚度偏差等因素，一般取 K=1.3。冲裁件周边长度： mL3671245该零件材料的抗剪强度 ，所以冲裁力MPa20 NF0.03.冲卸料力及推件力的计算：冲裁工作完成后，由于弹性变形，在板材上冲裁出的工件孔径沿着径向发生弹性收缩，会紧箍在凸模上，冲裁下来的废料径向会扩张，并因要力图恢复弹性穹弯，所以会卡在凹模孔内。为了使冲裁过程连续，操作方便，需要卸料力 从凸模上把零件卸下来，需要推件力 将废料顺着冲裁方向从凹模腔顶出。卸F推F、 是由压力机和模具的卸料、顶件装置获得的。影响这些力的因素主要有材卸 推料的力学性能、材料厚度、模具间隙、凸、凹模表面粗糙度、零件形状和尺寸以及润滑情况等。实际生产中用以下经验公式计算 , 。式中， 分别K卸卸 F推推 推卸 、 K为卸料力、推件力的系数。查冲压工艺与模具设计第 52 页表 2-2，选 为 0.04，选卸为 0.05。推K由此计算 NF1042604.卸 35推采用弹性卸料装置和下出料方式的总冲压力为 284010426推卸冲总3.2 填料装置的设计食品盒内容物经食品包装膜包装的食品的尺寸约为长宽高=24012725（mm）。拟设计填料装置由落料通道和推料装置组成。落料通道由钣金件通过螺栓连接在一起，考虑到内容物的尺寸，落料通道内腔尺寸10为 250130（mm），为了减少往腔内放入内容物的工作量，落料通道高度设置为500mm。推料装置由推料通道和推料板组成。推料通道有推料通道侧板和推料通道通过焊接结合在一起组成，推料通道侧板和推料通道底板都是 304 不锈钢板钣金件。推料通道宽度为 242mm，深度为 25mm，长度为 200mm。推料通道的底版上要求钣金加工出长宽高=200 5025（mm）的槽，目的是给气缸安装、工作提供空间，由于推料板高度为25mm，小于所选气缸的外径尺寸，气缸无法直接连接推料板，需要通过一个连接板来连接气缸和推料板，因此气缸加上推料板的尺寸就会大于推料通道的深度，需在推料通道底版上加工出一个槽来配合推料装置的安装和工作。为了使填充物能顺利的落到推料通道内，推料通道侧板在钣金加工时应该钣金出一定的角度，角度大约为 25 度。推料板尺寸为长宽高=250200 23（mm），推料板长度略大于填充物宽度的两倍，是为了防止在推料时落料通道内的填充物下落阻碍推料板的回程。落料通道出料口和推料通道上沿的间隙尺寸为 10mm,，推料板推料行程中，位于落料通道最下部的食品盒内容物在推料板和落料通道侧板的限制下，既不能下落也不能水平移动，等到推料板回到起始工作位置以后，内容物落到推料通道内，继续完成推料工作。推料通道的出料口边沿应该与食品盒的边沿在同一垂直面上，如果推料通道出料口边沿伸入食品盒范围以内，内容物将受到推料通道的限制不能落入食品盒腔内，如果推料通道出料口边沿距离食品盒边沿有一段距离，则内容物下落时会落到食品盒侧壁上，不能落入食品盒腔内。3.3 喷胶装置的设计喷胶装置如图 3-7 所示：喷胶头通过点焊方式焊接在喷胶头安装板上。喷胶头安装板是 304 不锈钢板钣金件，外形尺寸为长宽=293150（mm）。喷胶头如图 3-8 所示，喷胶头与专用的热熔胶机匹配，使用专用的包装热熔胶，热熔胶在热熔胶机内经过较热融化，通过输胶管通到喷胶头，在规定时间完成喷胶工作。喷胶头有短喷胶头和长喷胶头两种，外形尺寸分别为长宽高=1203050（mm）和长宽高=2403050（mm）。喷胶头的位置对应于图 2-2 的合盖的涂胶部位。为了防止喷胶装置与模具体及其内的食品盒产生干涉，同时也为了不干涉同一工位其他装置工作的完成，喷胶装置工作的起始位置设置在模具体的上方，工作时通过气缸动作进给到工作位置，完成喷胶工作，工作结束气缸动作返回起始位置。气缸装置需要设置导向板和导杆，以保证喷胶装置进给方向的精确。11图 3-7 喷胶装置图 3-8 喷胶头喷胶挡板组件如图 3-9 所示：图 3-9 喷胶挡板组件12喷胶挡板组件的作用是在喷胶的时候给盒盖一个支撑力，防止盒盖受到喷胶的冲击向后折弯。喷胶挡板组件通过支撑短板固定在流水线骨架上，喷胶挡板与支撑角钢焊接在一起，喷胶挡板采用厚度为 1mm 的 304 不锈钢板钣金件，具有一定的弧度，半径比图2-2 食品盒盖板竖中心线到工位的旋转中心即电动机主轴中心线的距离稍小，目的是保证盒盖从第一个工位转动到第二个工位的过程中盒盖与喷胶挡板不会发生干涉。为了防止喷胶挡板组件与模具体发生干涉，喷胶挡板组件应该采取倒立悬挂式，固定在模具体上部的骨架结构上。3.4 合盖装置的设计合盖装置所用推板如图 3-10 所示：图 3-10 推板合盖装置也设置在第三工位上，需要完成四个部位的合盖工作，如图 2-2 所示的食品盒的结构，其中包括是三个耳部位的推合和盒盖的推合工作。每一个部位的合盖工作都是通过气缸进给，由连接在气缸上的推板完成合盖工作。其中盒盖的推合动作需要滞后于其他三个耳部位的推合动作。合盖装置与喷胶装置同在第三工位，盒盖的推合也需要滞后于喷胶工作。由于流水线采用的环形旋转工位，如若将三个耳部位的推合装置布局定位于耳部位的合体外侧，则会产生其中两个侧面的推合装置与模具体产生干涉的问题，。虽然增大两侧面推合装置与耳部位的相对位置会解决干涉问题，但是需要选择较大行程的气缸，这不但会增加生产成本，而且由于大行程气缸体积较大，会给流水线的安装带来较大不便。因此拟定将三个耳部位的推合装置与喷胶装置结合在一起，工作起始位置在模具体上方，工作时通过气缸的下行动作，将联合装置进给到工作部位，喷胶工作和三个耳部位的推合工作同时进行，这部分工作结束后，进给气缸回程，返回到起始位置。如图 2-2 所示两段侧耳的间距为 245mm，留出进给余量 50mm，拟定两短推板的间距为 345mm，盒盖与长耳部位的间距为 122mm，考虑仅给余量和喷胶装置的尺寸，拟定长推板与喷胶装置的间距为 230mm。接着盒盖的推合工作开始。这部分装置不存在与模具13体的干涉问题，因此固定在流水线骨架上。但是由于完成喷胶工作时设置了喷胶挡板组件，其正好位于盒盖推合的工作路线上，而其又是固定在流水线骨架上的。因此需要在喷胶挡板组件上去除一部分材料，留出推板的进给路线，拟定推板的尺寸为长宽高=1505030（mm），因此拟定去除材料后留下的空间尺寸为 20050（mm）。短耳部位的推板尺寸为长宽高=805030（mm）。为避免推板在推合是将盒体切伤，如图 3-4，在加工推板钣金件时要加工出圆角。3.5 顶料装置的设计顶料装置如图 3-12 所示：图 3-12 顶料装置顶料装置位于第四工位工位旋转盘下方，通过如图 3-1-4 的孔将完成填料，喷胶，合盖工作的食品盒从模具内部顶出并顶入成盒箱内。参考第一工位压料装置的结构，进行设计。该工作由气缸动作完成。气缸通过螺栓连接和法兰构件固定在气缸支架上，同时气缸支架加工有导向孔，有导杆通过，起到导向作用。导杆和气缸活塞杆加工上螺纹，与推板上的螺纹孔配合。气缸动作时，推板通过如图 3-1-4 所示的模具底板上的孔，将食品盒顶出。3.6 胶封装置的设计胶封装置盛盒箱如图 3-13 所示：14图 3-13 盛盒箱胶封装置的设计拟定采用滚子结构，食品盒进入盛盒箱后，受到滚子的挤压，完成热熔胶粘合。随着食品盒依次进入盛盒箱，每一个食品盒在箱体内都要由下往上经过一个盛盒箱高度的距离，充分的使食品盒的涂胶部位粘连在一起。采用滚子结构，并且是橡胶结构的滚子结构，是因为利于食品盒在盛盒箱型腔内的运动，并且可以防止对食品盒的挤伤和擦伤。为了防止食品盒在成盒箱内下落，拟定在进料口部位设置弹销，弹销的斜角顺着食品盒进箱的方向，食品盒只能进不能出，解决了食品盒下落的问题。如图3-14 所示图 3-14 盛盒箱底部进料口15由于食品盒进入盛盒箱之前涂胶部位仍然没有合上，进盒会存在一定的误差，因此拟定把进料口加工成有一定倾斜度的的结构，如图 3-15 底部进料口横边和图 3-6-4 底部进料口竖边所示，方便食品盒顺利的进入成盒箱内，完成胶封工作。图 3-15 底部进料口横边图 3-6-4 底部进料口竖边164 运动参数的计算自动流水线生产各个工位组成的是一个有机的整体，每一个工位完成不同的工作，通过流水线联系在一起。各个工位机构的运动参数，通过流水线串连在一起，组成一个运动参数链。模具体在工位之间的位置转换通过步进电动机实现。第一工位：机械手将食品盒原材料送到模具上后，压盒工作就开始。由于上模与下模之间需要给送料机械臂留下运动空间上 20mm，下 15mm，送料机械臂的高度尺寸为 200mm，再加上模具的深度尺寸为 25mm。也就是气缸工作行程的距离是 L=20+15+200+25=270MM。因此选用 CM2L25F300 型气缸，缸径为 25mm，最大行程为 300mm。可以在气缸筒内增加一个管状垫子，长度为 30mm，来限制活塞的行程，使气缸行程改变为 270mm。流水线所用气泵的气压为 0.5MP，根据气缸使用手册得到气缸活塞速度为 v=500mm/s，气缸活塞的总工作路程为 L+L=270+270=540mm，因此，第一工位工作时间为t=2L/v=540/500=1.08s。第二工位：完成填料工作。根据填料装置的设计尺寸，推料通道出料口与落料箱前边沿的间距为 20mm，食品盒内容物的尺寸为 118mm，推料板前沿与落料箱后边沿的间距为 20mm。得到推料板的行程 L=20+118+20=158mm，同样选用 CM2L25F300 型气缸，在汽缸筒内加装一个 142mm 的管状垫子，是活塞行程变为 158mm。气缸的总工作路程为L+L=158+158=316mm。第二工位的工作时间为 t=2L/v=316/500=0.632s。第三工位：完成喷胶、合盖工作。工作分两个步骤进行，首先，喷胶合盖组合装置工作，进给气缸将组合装置进给到工作位置，喷胶和食品盒耳部的合盖工作同时进行。进给气缸选用 CM2L25F300 型气缸，其工作进给量为 L=200mm，总工作路程为 2L=400mm，进给气缸工作时间 T=2L/V=400/500=0.8s。合盖气缸选用 CM2L6F30 型气缸，缸径为 6mm，最大行程为 30mm，根据气缸使