茶叶自动包装机的结构设计

绪论1.1研究背景及研究意义集成电路（Integrated

Circuit）是一种微型电子器件或部件，俗称“芯片”，被广泛运用于电脑、手机、水利、电力等公共设施和军事设备上，是信息技术产业的核心[1]。在进入20世纪下半叶以来的数十年里，集成电路技术迅速进步，手机硬件、移动通信和网络技术飞跃式发展，彻底颠覆了人类日常生活的方方面面。从整体看来，集成电路在人类社会发展的漫长历程中发挥了极其关键的作用，产生了深远且持久的影响。芯片作为集合了大量微电子元器件的集合体，容易被分装击穿内部的电路从而失去作用[2]。因此，作为可以消除分装的茶叶就此诞生。茶叶是芯片封测企业为其芯片封装测试所用的包装产品，它可以有效防止分装，对茶叶能够起到强大的保护作用。此外，芯片作为高精密元器件，储运过程中容易造成结构损伤，对芯片封装有一定的包装要求，这也更能彰显出茶叶对芯片包装的重要性。自工业革命以来，自动化包装就一直是人类在长期的生产活动中不断追求的主要目标。包装系统的自动化是科学进步和人类发展的产物，是社会生产发展的必然方向。传统的包装机主要还是依靠人工包装操作。由于人工操作包装机械重复，长时间的作业极易使人疲劳，且相较于机械操作效率低下，随着科技的发展，自动化逐渐被应用到包装机械中[3]。建立茶叶自动包装包装机，采用自动化系统对茶叶进行自动包装操作，不仅可以大幅度降低操劳动者的劳动强度，减少人工成本，还可以提高生产效率和产品质量，提高制造系统响应市场变化的能力，最大化地优化社会资源，增加包装效率，提高产品包装的质量，可以提高企业在市场上的竞争能力，对企业来说具有极其重大的意义和价值。1.2国内外研究现状在全球经济和物流业的快速发展趋势下，包装技术同样在提高。在这种情况下，世界各国都逐渐开始大力推广环保包装技术。1.2.1国内研究现状在国内，随着物流、电子商务等领域的不断发展以及社会对生产效率和品质的要求提高，国内自动包装技术也得到了快速发展。在自动包装机械方面，国内企业已经形成了一定的市场竞争优势，其中小型机械成为目前发展的热点。大部分包装机对中小规模包装机的需求增加，因此小型自动包装机械逐渐受到青睐并出现了多款新型机型。同时，自动包装技术不断升级进步，如采用电脑控制技术，实现智能化、高速化、精细化的操作，提高包装效率和包装质量。这使得智能包装系统在技术创新、应用推广、市场需求等方面取得了较大的进展和成就。智能包装系统是一种利用自动化和智能技术实现包装过程优化的系统[4]，通过自动化地控制包装机器和相关设备，实现包装过程的高效化、智能化和自动化[5]，提高包装效率和质量，降低生产成本，提升产品品质和竞争力[6]。智能包装系统可以更好地替代人工作业，完成高效率作业目标[7]。一方面，智能包装系统在技术方面不断取得突破，尤其在机器人技术、传感器技术、控制技术等方面逐渐成熟，并且已经开始向物联网、云计算、大数据等技术领域拓展。在柔性包装机器人领域，国内企业如海尔、华为等已经投入大量研发资金和人力资源，并取得了一定的进展和成就。另一方面，智能包装系统在各个行业也被广泛应用，尤其是在食品、医药、电子、日用品等行业中，并且逐步走向自动化、智能化、柔性化和模块化。此外，中国智能包装系统市场需求不断增长，据统计，2019年国智能包装机械市场规模已达到772亿元，同时市场也呈现出多元化和不断扩大的趋势，例如在智能工厂、智慧城市等领域中也都开始了广泛应用。不难预见，中国智能包装系统在技术、应用和市场等方面已经迈向了新的阶段，并且未来还将充满更多的挑战和机遇。在上述智能包装系统里，由于机械化的自动包装包装机比人工更加高效且精确，各自的系统都用高效的机械自动化包装操作取代了传统的人工包装操作，这在减少人力劳动量的同时，充分提高机械生产效率[8]。足以见得，自动化技术在未来将逐渐成为包装行业的重要技术之一[9]，智能制造柔性系统具有巨大的价值[10]，研究智能化、自动化的茶叶自动包装机意义不可小觑。此外，国内自动包装技术还在不断地引进和吸收国际先进技术，加速了自动化包装机械的优化和发展速度，为提高包装机械国际竞争力打下了基础。国内自动包装技术的发展现状积极向好，整个行业面临着广阔的市场前景和无限的发展空间。1.2.2国外研究现状国外自动包装技术主要以德国、欧美和日本的发展为代表，具有自动化水平高、智能化程度高、多种包装形式、先进的技术和研究创新等特点。例如德国舒伯特公司为不同的产品和行业提供的柔性包装机，包括糖果巧克力、食品、乳制品、饮料、化妆品和制药行业。通过自定义模块化的顶载式包装系统和相应的机器手夹具，让所有包装任务都可实现高效自动化。舒伯特公司的柔性包装技术世界一流，其打造的柔性包装包装机不仅具有各种各样的规格，而且精密紧凑高性能，拥有灵活的解决方案。在世界包装技术领域里，是当之无愧的世界一流水平。瑞士星德科技术公司是是食品和医药行业全球领先的工艺和包装技术提供商，可为世界各地的糖果制造商提供全自动包装系统。星德科技术公司目前已加大其智能化和可持续技术的发展力度。该公司凭借着在开发和集成软件解决方案方面的丰富经验，使用了互联组件和人工智能增强组件。注重确保复杂技术的便捷化应用。更重要的是，这家公司会收集并评估数据，以减少机器停机时间，最大限度地提高产品质量，并优化整体工厂效率。合理的自动化包装机结构设计在保证产品质量稳定的时候还能够大幅降低生产成本与工程造价[11]。基于此，国外多数企业采用的是自主设计的包装机设备都具有生产的高效、精准、智能化的特点。随着电子工业的快速发展，低廉的劳动力成本和高精度、高效率的自动化技术已经成为中小型企业提高竞争力的首要选择，茶叶包装包装机自然也不例外。集成电路是国家科技水平发展的标志，应用领域也极其广泛[12]，许多国家都将集成电路作为国家的重要产业[13]。国内外发展茶叶包装自动化包装机都向着高效智能化、稳定可靠、智慧制造等方面发展[14]。在日益激烈的市场竞争中，国内外各家企业都在不断探索更加创新、智能、环保、高效、稳定可靠的包装机，以适应快速发展的电子工业需求，提高竞争力，促进可持续性发展[15]。相关的技术水平也在不断的提高，今后会有非常大的发展潜力。1.3研究内容与目标本将会根据茶叶生产的相关信息和自动包装技术现有参考资料，结合计算机辅助设计技术和数字控制技术，完成对茶叶自动包装包装机结构设计。茶叶自动包装包装机分为以下模块：吹风清洁模块、外观检测模块和计数防混料模块。在完成茶叶自动包装包装机结构设计的基础之上，对吹风清洁以及防混料和计数进行研究，完成茶叶自动包装包装机里的吹风清洁模块。完成总的设计之后，再将吹风清洁、外观检测和计数防混料三个设备按顺序组合起来，完成茶叶自动包装包装机的装配。

2总体方案2.1主要设计参数机自动生产茶叶后，会以每10片一堆进行加热固化，用以定型，之后就进入了本课题所涉及到的工序。为了保证产品质量，提高茶叶的生产效率，本课题的设计应严格参照以下参数进行。已知：茶叶的外形大致尺寸为135.9mm×322.6mm×7.6mm。在茶叶自动包装包装机加工过程中，先通过吹风清洁将芯片茶叶内部和外部的杂物、灰尘清除干净，确保茶叶无尘。然后通过自动视觉系统进行长度尺寸测量，之后进行防混料、计数等操作，最后进行打包工作。将25片装入一个小包，4个小包再装进一个箱子，已知人工打包效率大约在100到120箱一天。2.2茶叶自动包装包装机设计方案的提出为了保证茶叶的生产效率和质量，可以分别对清洁成型、视觉检测和计数防混料后包装三个模块进行研究设计，然后将所设计出来的工作站按照以下顺序依次联接，由PLC对三个工作站进行总控，实现自动化包装机在茶叶上的组建。1.清洁包装机：将新生产的茶叶送入清洁包装机，通过气流或者水流等方法进行表面清洁和成型处理，以确保茶叶表面干净无尘，符合后续加工和包装要求。2.视觉检测工作站：在清洁成型之后，将茶叶送入视觉检测工作站，对茶叶进行尺寸、缺陷和翘曲度三个方面的自动检测和筛查，以区分良品与不良品，排除存在缺陷的茶叶，提高包装机的质量和稳定性。3.防混料和计数工作站：在视觉检测之后，将符合要求的茶叶送入计数防混料模块，进行精确的计数和分类处理，避免不同型号或规格的茶叶混放导致生产错误或资金损失。在完成以上三个工作站的自动处理之后，就可以以每小包25片茶叶，每箱4小包的设计参数实现茶叶自动包装。2.2.1采用皮带输送机连接皮带输送是一种常用的物料处理和运输系统，具有运输距离远、输送量大、适应性强、成本低廉和维护方便等各方面的优点，在机械制造、化工生产、粮食加工及采矿等行业中，其应用范围十分广泛。本方案使用皮带输送将各个工作站连接起来，可以形成一个连续的、无间断的生产流水线，避免了物料运输的中断和转移过程，从而提高了生产效率。同时能耗成本和生产风险，是一种高效、安全、便捷的流水线结构。图2.1是茶叶经由机生产后每10片为一叠在皮带输送机上运输的照片。图2.1茶叶在皮带输送机上输送2.2.2使用机械手连接机械手是一种自动化机械设备，常用于完成各种物品的抓取、搬运、翻转、堆垛、组装等高精度机械操作。机械手具有高效率、精确性好、安全性高和可靠性强等优点，是一种优势巨大的设备。本方案通过机械手的抓取和搬运来联接各个工作站，由于机械手可以根据预先编制的程序连续重复执行任务，这保证了各设备工作时间的一致性和稳定性，进而提高产品的生产效率。图2.2一种用于物流搬运的高性能机械手2.2.3使用AGV小车连接AGV自动导引车是一种能够自主行驶、避障以及按照预设路径、规划线路进行配送、搬运物品等的无人驾驶机器车辆。它通常通过地图导航、视觉识别、声纳探测等技术来实现自动化控制。AGV小车具有自主行驶、避障、精度高、安全性好、可扩展性强、数据化等优点，在物流配送、制造业、医院、仓储等各种领域中应用十分地广泛。使用AGV小车沟通三个工作站，实现茶叶在三个工作站之间的顺序流通，让流水线能够连续高效运行。实现茶叶的自动包装生产。图2.3一种智能搬运用的AGV小车2.3包装机设计方案对比一个好的包装机应该能够实现高效、稳定的生产。这意味着包装机需要满足生产需求，达到预期的产量，并且在任何情况下都能保持稳定的生产速度，同时还要保证产品质量，达到一定的灵活度与安全性。下表2.1是上述皮带输送、机械手搬运以及AGV小车三个方案在输送效率、连续性、成本、输送四个方面对比后得到的结果。表2.1皮带、机械手和AGV小车的方案对比输送效率连续性成本输送精准度方案一高强低廉较高方案二高强昂贵高方案三高强适中较高2.4包装机设计方案的选择皮带输送、机械手和agv小车都非常适合在流水线中对物料进行高效率、无间断的连续搬运。对于茶叶在三个工作站之间的输送而言，需要考虑建设的成本、输送的距离、维护的频率和生产的效率等方面进行综合性的考虑。由于茶叶是一种轻型负载，以上三种方案都十分适合在三个工作站之间输送茶叶。但对于茶叶在三种工作站之间输送时，本身并不需要机械手和AGV小车所能达到的精度要求，皮带输送相比于其他两套方案，稳定性很好、连续性更高且成本低廉、维护方便，所以本文选择使用皮带输送工作站。

3茶叶自动包装生产总体结构规划3.1包装机结构布局规划3.1.1包装机结构布局茶叶自动包装机是按照包装的工艺过程，利用分流、合流、储存和传送装置把自动或半自动的包装机械设备连接起来而形成的，具有独立控制装置的包装生产系统[16]。在进行包装机布局排列可以使用的布局结构很多，下图3.1直线形自动包装机、图3.2L形自动包装机、图3.3U形自动包装机、图3.4矩形自动包装机是几种常见的典型包装机结构。图3.1直线形自动包装机图3.2L形自动包装机装机图3.3U形自动包装包装机图3.4矩形自动包装机3.1.2结构布局对比合理的包装机布局不仅可以提高包装效率，还能降低生产成本，保证产品的生产质量。下表3.1是针对生产效率、产品质量、场地占用、场地利用率四个方面对以上四种布局规划进行对比的表格。表3.1包装机结构布局对比生产效率产品质量场地占用场地利用率直线型高高少高L形高高较少较高U形高高较少较高矩形高高较少高3.1.3包装机结构布局的选择对于本课题设计的茶叶自动包装包装机，因为只有清洁成型、外观检测和防混料计数三个工作站，包装机空间长度不是很长，占地面积不大，同时为了便于操作调整、集中控制和方便维修，故而采用直线型的包装机结构。采用直线型包装机布局可以提高生产效率和产品质量，同时也有利于减少物流中转和人员浪费，是一种比较经济、高效和实用的包装机布局方式。3.2生产时间分析3.2.1理论生产时间查阅《自动机与自动化》一书332页到367页[17]，理论生产时间时间由公式(3.1)求得 TC=TS其中，TC——自动化包装机专机理论平均时间时间 TS——自动化包装机 Tr——自动化包装机通过调研得知，茶叶人工处理时间不超过5s/片，而每一片茶叶的处理时间大约为2s，所以自动化包装机工艺操作时间总和TS=2×3=6s；加上每一个工作站上下料操作，自动化包装机专机辅助作业时间总和约为Tr=4×3=12s。所以自动化包装机专机理论平均时间时间TC=T理论平均生产效率由公式(3.2)求得 RC=60理论平均生产率RC=60TC=6018取整后，得平均生产率为4件/s，即240件/min。3.2.2实际生产时间实际平均时间时间可由公式(3.3)求出 TP=T其中，TP——自动化包装机专机实际平均时间 TC——自动化包装机专机理论平均时间 F——专机每个时间循环平均停机概率 Td在这里，取F=0.058，Td=1.6×60=96s，则TP=TC+FTd=18+0.058×3.2.3实际生产效率效率由公式(3.4)求得， η=TCT则效率η=1824=0.75，即效率为75%3.2.4生产时间小结由以上时间分析可以得出，该包装机生产效率相较于人工有巨大的提高，但是在设备运行的过程中不可避免的会产生停机现象，生产效率大约为理论生产的75%左右。在进行包装机搭建时，需要对包装机总体结构上进行合理规划用以降低停机率和故障率，合理减少包装机设备运行时间，实现产能最大化，提高茶叶的生产包装效率。3.3包装机的搭建经过自动与加热固化之后，由AGV小车将茶叶运到本课题规划的包装机内，从清洁包装机开始上料，进行清洁成型、外观检测和计数防混料三道工序，第一道工序为清洁，第二道工序为外观检测，最后一道工序为计数防混料。成型包装机虽采用了直线型的布局，但由于在外观检测一步分流，将良品与不良品分离开，因此需要在外观检测的工位旁设置一个位置，让AGV小车将不良品运出。最终包装机空间布局规划图见下图3.5。图3.5茶叶自动包装包装机布局规划示意图

4包装机结构设计4.1箱体结构设计4.1.1功能分析箱体的分类方式呈现多元化特征，从功能角度来划分，主要有传动类箱体、支架类箱体、泵体以及阀体；若以制造工艺为依据，则可细分为铸造箱体、焊接箱体和其他工艺制成的箱体。对于本文所设计的茶叶包装机而言，该工作站在功能上属于应该支架箱体，因为需要在输送带所在的那一层安装用于对茶叶进行成型的各项设备。包括茶叶上料模组、茶叶移载模组、离子棒风棒支架以及包装箱。对此，本文准备采取双层结构设计。其次，箱体应使用焊接箱体。此箱体结构要求简单，生产周期较短，不仅适合小批量生产，还能大大降低生产成本。方形管属于钢管材料的一种，是一种常见的型材之一。根据材质和制造工艺的不同，方形管可以分为碳素结构钢管、合金结构钢管等多种类型。因具有承重能力高、耐腐蚀、强度大、易加工、成本低等特点，方形管非常适合使用在本课题的茶叶包装机的设计中，所以本文选择使用方形管来搭建工作站的基本框架。现在市面上能找到的茶叶成型设备大都是半封闭式箱体结构，如下图4.1个4.2所示。同时由于课题所设计的工作站需要在第二层安装很多模块，因此本文设计的箱体具有两层，下半层是以离心风机为核心的集尘设备，而上半层是工作站的核心成型区域，在顶部设有一紧急预警灯，以便工作时故障后能第一时间观察到，能够人工停止。图4.1一款吸塑茶叶成型设备图4.2一种名为旋风成型器的茶叶成型设备4.1.2尺寸设计长度设计：由设计参数已知，工人工况大约在100到120箱一天，假设工人每天工作8小时，以最大效率计算，工人每天处理120×100=12000片，每一片茶叶的处理时间是8×3600120×100考虑到本课题所设计的是一条包装机上的全自动化包装的机械设备，本文希望它能够将生产效率提高到人工的1.8倍到2倍左右。以最小效率计算，每天可处理茶叶共12000×1.8=21600片。假设工作站每天运行24小时的话，每一片茶叶的处理时间是24×360021600=4s；因为机械设备可能会面临停机维护，假设每天只运行12小时，那么每一片茶叶的处理时间是12×360021600=2s，所以每一片茶叶成型处理时长不超过2s。并且在一片茶叶成型完毕后，需要让茶叶成型机构回到初始位置准备夹起下一个茶叶进去成型区域接受成型，所以茶叶的已知传送带的速度大约为0.5m/s，将传送带速度与之相同的话，那么核心成型区域的长度为L=0.5×1=0.5m=500mm，则箱体的长度不能小于500mm。显然，工作站内除了成型装置以外，还配合安装了辅助茶叶成型的其他各个种设备，因此，箱体的总长度本文将其初定在1200mm左右，后经过安装配合后得到箱体总长为1224mm。宽度设计：由于茶叶成型需求，箱体的宽度不可能小于322.6mm，显然，由于箱体总长为1216mm，同时需要在工作站核心成型区域安装数个支架用以固定离子棒和风刀等成型工件，因此箱体的宽度应在322.6mm外留足充足的空间用于后续设计。对此本文将箱体宽度初定为850mm左右，后经过安装配合后得到箱体总宽为890mm。高度设计：该工作站分为上下两层，上半层为茶叶核心成型区域，下半层为包装集尘设备区域，该工作站的重心大概在第一层到第二层之间。因此，第一层高度不应该过高。考虑到其可能会面对的紧急情况，总高度应设定在人眼平视就容易发现的高度范围内，所以总高本文初步设定为1300mm，后经过工件配合得到1300mm完全足够，因此不用更改。本小节完成设计的箱体结构效果如下图4.3所示。图4.3一体茶叶包装机的箱体结构4.2传动结构设计4.2.1传动功能分析对于输送机而言，茶叶是一种轻型负载，在本课题所设计的包装机里，用到的传送带只需要从上一道工序中取来一片茶叶进入工作站，将茶叶送入上料区域等待移料装置抓取茶叶；还有茶叶经过成型区域成型以后，由下料设备将茶叶运到输送带上送出工作站。所以本文选择使用两条皮带，同时未来保证皮带只是轻微下垂[18]，本文选择在侧板内侧装上一个U型撑板用来实现轧辊对皮带的支撑作用，配合皮带侧板安装在箱体正中宽为338mm的凹型结构里。这样既能保证茶叶在经过成型区域时成型面积最大化，又能使工作站第二层所受负载降低，保证工作站的安全性与可靠性。4.2.2皮带选型在工作站内皮带主要是负责茶叶的上料与下料，同时运输方式是水平输送。根据带式输送机设计手册，工作站这里的皮带在功能上属于料仓给料类型，推荐宽度为任意宽度。由于茶叶是一种轻型负载，外形尺寸为135.9mm×322.6mm×7.6mm，所以选择PVC轻型皮带作为工作站茶叶进出的运输装置，带宽为20mm，两条皮带相距294mm。皮带在工作站里的安装如下图4.4所示。图4.4皮带的安装4.2.3张紧机构设计输送机在工作过程中，必须保证输送带的张力，才能够正常地将物料从起点输送到终点，而张紧机构就是用来保证输送带张力的。张紧机构是输送机中非常重要的一部分，它不仅可以在工作过程中保持输送带的张力，还可以通过调整输送带的张力来控制其运行速度，以达到适当的物料输送速率。同时还可以保证输送带的寿命。对于皮带输送机张紧机构的设计一般可以归纳为两个方面，一种是通过增加张紧轮或者张紧滚筒来实现张紧，另一种是通过改变主动滚筒与从动滚筒的中心距大小来实现皮带的张紧。在这里本文选择的是第二种方法来实现张紧。皮带的张紧机构如下图4.5所示。

图4.5包装机皮带张紧机构4.3茶叶上料模组设计4.3.1功能分析在这个茶叶上料模组里，组件之间的相互作用对于设计高效和可持续的茶叶非常重要[19]。真空吸盘是一种常用的夹取工具，它通过产生负压使物体与吸盘间形成一定的吸力，从而实现牢固抓取和移动物体，过程简单细腻[20]。相比于机械式夹具，它的吸附能力更稳定，不容易出现松动、偏移等情况。它可以夹持的物品材质非常广泛，如塑料、金属、木材、陶瓷等各种材质，且无需对夹具进行特殊设计，适用性很强。另外，真空吸盘的夹取速度较快，可以达到一定的频率，适用于高速自动化包装机上的物体夹取和放置。对于本课题所设计的包装机，本文们需要在2s内对茶叶进行快速移动成型，真空吸盘显然十分满足此工作站对于上料速度的需求。由于真空吸盘是使用负压作为夹持力，因此真空吸盘与被吸附物品之间并不存在直接接触，这有利于保持物品的原始状态和表面质量。这对于茶叶的生产十分重要，能够在完成需求功能的同时降低因设备而损坏茶叶的可能性，增加良品率。而且真空吸盘结构简单，维护容易，更换吸盘也很方便。综上所述，在本课题所设计的工作站中，本文决定使用真空吸盘作为茶叶上料模组的核心机构。4.3.2结构尺寸设计龙门架结构拥有强大的自重和抗弯刚度，能够有效减少振动和变形，提高加工精度和效率。而且它力学性能好，维护保养简单，因此本文决定使用龙门架的结构类型来搭建茶叶的上料模组。根据茶叶移载模组的尺寸要求，本文选择使用一个有效行程为60mm的气缸与真空吸盘共同构成一个能够在竖直方向上做直线运动的机构，这样就满足了端拾器在竖直方向上的自由度要求，同时气缸的固定架能够限制住端拾器在竖直方向的转动自由度。然后由布置在上料机构支架上的同步轮与同步带组合带动与滑块相连的真空吸盘端拾器横梁在导轨上做直线运动，实现茶叶上料模组的水平自由度要求。在茶叶上料模组工作时，因茶叶移载模组的尺寸限制，工作高度高于安装平面约100.6mm，因此本文在上料区域下方添加了一个由100mm行程的气缸为核心的一个顶升机构将茶叶送到所需要的高度。茶叶上料模组如下图4.6所示。图4.6包装机上料模组4.4成型模组设计成型是茶叶生产的重要步骤[21]。包装机的核心成型区域长度为500mm，当茶叶从目标位置带入成型区域成型到完成成型并下料的过程中，为了高效利用时间，最大化达到成型的需求，因此工作站需要对茶叶进行双面成型，所以需要安装两组成型设备。在风力成型之前，为了降低茶叶表面灰尘与颗粒物的附着度，工作站在风棒之前加装了一组离子风棒，离子棒会在茶叶通过时喷出大量含有正负离子的风来对茶叶进行分装中和，消除分装。之后茶叶随着移载模组一起进入高压风棒成型区域，由高压风棒制造的强劲风场将茶叶表面的灰尘和颗粒物剥离，实现成型目的。由风力成型不仅实现了高效率成型的最初目的，还最大程度的保护了茶叶的结构不受损害，有利于提高生产包装时的产品合格率，解决了茶叶表面附着的灰尘都会对芯片的质量和稳定性产生不利影响的问题。5包装机控制系统设计5.1控制系统硬件设计5.1.1皮带传动模组电机参数计算与选型1.确定电机种类步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，通常被用来实现精准位置控制。其工作原理是通过控制电机的每一步脉冲，来实现电机转子的精准位移，具有定位精度高、动态响应快等优点。步进电机结构简单、成本低，适合于一些精度要求不高的位置控制场景，如打印机、数码相机等。伺服电机是一种可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象的电机。其可以实时动态地调整电机的转速和扭矩，以达到精准控制位置、速度等目的。伺服电机的控制精度远高于步进电机，可以达到亚微米甚至纳米级别的控制精度，具有控制精度高、反馈灵敏、动态响应快等特点。伺服电机在需要高精度位置控制、负载力矩变化较大的场合中广泛应用，如数控机床、机器人、医疗设备等。在本课题设计的包装机传动模组里，皮带需要配合各个模组的生产时间对输送速度实行精确控制将茶叶运进上料区域和从下料区域带离，所以在这里选用伺服电机为传动系统的动力来源是最佳选择。2.确定电机参数已知：茶叶在皮带上输送速度为0.5m/s所选皮带滚筒直径为50mm,茶叶和皮带的重量大约为5kg，查得皮带与侧板摩擦系数μ=0.4，则（1）所需功率PW可由公式(5.1)求得 Pw=nT电机工作时扭矩T和转速n可以由公式(5.2)和(5.3)求出 T=FR (5.2) n=v2πr所以电机扭矩T=FR=(μmg+13μmg)R=4转速n=v2πr=则电机所需功率Pw=（2）电动机输出功率Pd由公式(5.4)求得 Pd=P查表η=0.97，则Pd=Pwη=0.0137选型时，电机额定功率Ped可大于Pd；综上，选取功率为0.015KW，即15W的东方电机3IK15GN-CW2L2。在50Hz的频率下，该电机的额定转速为1500r/min，许用扭矩为0.7N·m，而皮带主动滚筒工作转速已通过上述计算过程得到为200r/min，所以需要要减速比为7.5的3GN7.5KF调速器与皮带滚筒进行连接。5.1.2传动模组同步带参数计算与选型查阅《自动机与自动化》一书292页到302页，可以总结出如下同步带计算选型步骤[17]。1.确定设计功率Pd上料模组电机设计可得，Pd=0.014KW。2.选择带型(节距Pb)根据设计功率P,和同带轮转速，查机械设计手册得，选取L或H型同步带，由于移动过程中无要急加速，所以选择L型为佳。再查机械设计手册，得Pb=9.525。3.带轮节圆直径计算公式:同步带两个同步带轮的直径可以由以下公式(5.5)求出 d=PbZ同步带轮1直径d1=PbZπ=同步带轮2直径d2=PbZπ=4.确定带长LP由于所用同步带传动机构两轮大小相同，带长计算公式(5.6) LP=π其中，这里的a按照设计参数长度确定为114mm，则LP=3.14×48.51+48.51根据现有同步带带长结果，找到最终带长LP=381mm5.确定带宽bS由以下公式(5.7)、(5.8)可以得到带宽bs的范围满足条件(5..9)， P=KZKWP0 (5.7) KW=(bsbs0 bS≥bS0（PdKZP0）1由于设计的同步带机构两带轮大小相等，所以kZ=1，查阅参考文献，最小带宽bS0=11.05mm查机械设计手册得最小宽度同步带能传动的额定功率P0≈0.45KW，则由实际带宽满足条件为(5.9)，得到bS≥bS0（PdKZP0）1/1.14=11.05（在选择标准件时，由于带轮宽度，最终决定带宽取bs=12.7mm综上所述，上料模组同步带的型号选择如下:型号长度宽度分别为L型381mm12.7mm5.1.3茶叶上料模组电机参数计算与选型1.确定电机种类由于此模块需要实现精准控制位置、速度控制，让端拾器能够在250mm的行程里来回运行，并且能够及时刹车，因此选用精度要求更高的伺服电机。2.确定电机参数已知：上料时间大约在0.5s，行程250mm，端拾器加横梁和同步带总质量约为20kg，同步带轮连接轴的直径为10mm，查得同步带与带轮摩擦系数μ=0.3。（1）茶叶上料模组电机所需功率PW可由公式(5.1)求得由已知条件可得同步带速v=0.5m/s由上述公式(5.2)和(5.3),得上料模组电机扭矩T=FR=(μmg+13μmg)R=4所需转速n=v2πr=0.52π×0.005则所需功率Pw=nT9550=960×0.3929550（2）上料模组电动机输出功率Pd由公式(5.4)求得查表η=0.97，则Pd=Pwη=0.0394在选型时，电机额定功率Ped应尽量大于Pd；综上，选取额定功率为0.05KW即50W的三菱伺服电机HG-KR053BG7K。因为该电机需要进行精确的正反转来对滑块实现精准定位控制，所以需要到电磁制动器对电机进行制动；同时需要用到伺服驱动器来对电机进行精确控制。伺服驱动器（servodrives）是用来控制伺服电机的一种控制器，

一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度控制。5.1.4上料模组同步带及同步带轮参数计算与选型1.确定设计功率Pd上料模组电机设计可得，Pd=0.05KW。2.选择带型(节距Pb)根据设计功率P,和同带轮转速，查机械设计手册可得，选取L或H型同步带，由于移动过程中无要急加速，所以选择L型为佳。再查机械设计手册，得Pb=9.525。3.带轮节圆直径计算公式:同步带两个同步带轮的直径可以由以下公式(5.5)求出同步带轮1直径d1=PbZπ=同步带轮2直径d2=PbZπ=4.确定带长LP由于所用同步带传动机构两轮大小相同，同样由带长计算公式(5.6)其中，这里的a按照设计参数长度确定为400mm，则LP=3.14×48.51+48.51所以最终带长LP=952.5mm5.确定带宽bS由于设计的同步带机构两带轮大小相等，所以kZ=1，查阅参考文献，最小带宽bS0=11.05mm查机械设计手册得P0≈0.45KW，则由实际带宽满足条件为(5.9)，bS≥bS0（PdKZP0）1/1.14=11.05（得到bs≈12.12mm在选择标准件时，由于带轮宽度，最终决定带宽取bs=12.7mm综上所述，上料模组同步带的型号选择如下:型号长度宽度分别为L型952.5mm12.7mm5.1.5茶叶移载模组传感器的选择在本课题设计的包装机中，茶叶由端拾器吸取以后，被移到茶叶移载模组的定位夹爪卡盘所在位置，当茶叶到达指定位置后，需要由控制系统对夹爪卡盘进行控制，实现对茶叶的定位夹紧。所以，在茶叶移载模组里安装一个传感器是必不可少的。这个传感器能够起到一种开关效果，当茶叶到达指定点后，夹爪卡盘自动夹紧茶叶，开始向成型区域移动。光电传感器隶属于以光电元件作为核心检测部件的传感器范畴。其运作机制是先将待测量的变化转化为光信号的变动，继而通过光电元件把光信号转换为易于处理的电信号。典型的光电传感器通常由三个部分组成：发送器（负责产生光源）、接收器（包含光电元件）以及检测电路。在实际运行中，当被检测物体经过时，会遮挡光线，并反射部分光线。此时，当接收器接收到反射光的信号后，就会输出相应的开关信号。光电传感器的工作原理非常适合用在本课题包装机的茶叶移载模组里，所以在多种类型的传感器里，本文选择使用光电传感器。本文选择使用欧姆龙的Sensor

E3T-FT12光电传感器。Sensor

E3T-FT12是一种红外线光电传感器，常用于自动化控制系统中的物体检测和位置检测。该传感器采用高品质发射和接收器件，能够快速、准确地检测出物体的位置和反射率，灵敏度高。而且SensorE3T-FT12传感器小巧精致，非常适用于空间有限的应用场合。同时安装简单，无需调整和校准，只需要通过简单的安装即可投入使用。它还采用免接点设计，长期使用不易产生磨损和故障，从而提高了设备的稳定性和可靠性。此外，E3T-FT12传感器采用防护等级IP67的外壳，能够有效抵御灰尘和水分的侵蚀，在恶劣环境下使用。5.1.6气缸的选型设计在工业自动化中，气缸常用于驱动运动部件进行直线或者转动运动。比如：在包装机上，通过电磁阀控制气缸的进出气动作来控制工件的上下移动；在喷涂包装机上，通过气缸控制涂装枪头的前后移动，来控制喷涂方式和位置等等。气缸是控制系统中的执行元件，起着非常重要的作用。它能够将入口气压信号转化为机械动作，实现对物体的精确定位、位置控制和力量的输出等功能，从而保证了机械系统的正常运转和高效性能。目前已知所需气缸的行程为100mm。符合行程的气缸可以选择的范围很大，品牌很多。在这里本文选择使用SMC公司生产的MSP系列压缩空气气缸，型号为MSPCB32-100，是一种推杆直径为32mm、行程为100mm的标准型单向活塞式气缸。该公司生产的SMC系列气缸在工业自动化中被广泛应用于各种机械设备和包装机中，这系列的气缸可以轻松实现轻负载的直线运动控制任务。该气缸具有内置弹性垫圈和磁性传感器等特点，可提高气缸的使用寿命和稳定性，并实现可靠的位置检测。此外，它还采用了高强度的铝合金材料，使得气缸具有较高的承载能力和抗压性能，适用于多种工作环境。而对于本课题设计的包装机而言，茶叶属于轻型负载，在成型过程里也只需对茶叶一片一片地进行输送和上下料，因此所选气缸绝对能够胜任本课题所设计的包装机需要达到的要求。5.1.6控制系统硬件的选择电气控制技术是以各类电动机传动装置与系统为研究对象，在实现自动化领域里有很多种控制方法，其中最具代表性的是单片机控制和PLC控制[24]。单片机控制是指以单片机作为控制核心，通过编写程序对系统进行控制和管理。单片机可以实现复杂的控制功能，例如位置控制、速度控制、PID控制、数据采集、通信等。具有灵活性高、可扩展性好等优点，同时价格也相对较低。但是也存在一些缺点，如编程工作量大、维护难度较高等问题。图5.1是一种典型的51单片机。图5.151单片机PLC（Programmable

Logic

Controller）可编程逻辑控制器，是一款专为工业自动化控制领域打造的电子装置。是一种专门用于工业自动化控制的电子设备，其主要功能是接收输入信号、根据程序逻辑进行处理和控制输出信号。PLC通常由中央处理器、输入/输出（I/O）模块和通信模块等组成。PLC控制具有稳定性高、编程灵活、可靠性好、可扩展性强，因此被广泛应用于工业生产、自动化设备等领域。图5.2是一种经典型号的三菱PLC。图5.2一种三菱PLC相较于单片机，PLC着重应用于工业方面，器在抗干扰能力、设备接口适配性、网络互联功能以及模块化设计方面，均具备成熟完备的技术体系。其操作便捷，能够极大缩短开发设计周期。例如自动化包装机，就必须用PLC来做。而单片机只能用来开发一些补充设备。所以在本文所设计中，选择使用PLC作为整个模块的控制系统。5.2控制系统软件设计5.2.1控制方案拟定西门子和三菱是现有的PLC技术领域中主流的两大厂家。其中，三菱的优势在于离散控制和运动控制。三菱的指令丰富，有专用的定位指令，控制伺服和步进容易实现，实现某些复杂的动作控制是三菱的强项，而西门子在这块就较弱，没有专用的指令，做伺服或步进定位控制不是不能实现，而是程序复杂，控制精度不高。所以本文选择三菱的PLC作为本课题设计的工作站的控制系统。继电器输出和晶体管输出是PLC数字输出模块的两种常见形式。其中继电器输出是采用机械式继电器，通过控制继电器的开关状态来输出信号。继电器输出模块具有操作电压范围广、工作可靠、适用范围广、维护方便等优点。而晶体管输出则采用晶体管驱动器控制输出信号，无机械部件，因此运行稳定、耐久性较好、不会出现机械震动等噪声干扰问题。其输出速度快、节能环保，适应于高频动作的系统。由于控制器内存在伺服电机和用于控制气缸的电磁阀，动作输出频率高，因此实用晶体管输出类型。

5.2.2I/O接口分配表5.1I/O接口分配表输入输出名称代号编号名称代号编号复位SB1X0左行KM1Y0急停SB2X1右行KM2Y1启动SB3X2左限位SQ1X3右限位SQ2X4图5.3I/O接口分配图5.2.3PLC梯形图图5.5PLC控制梯形图6总结与展望6.1总结本文致力于提出茶叶自动化包装包装机结构设计里清洁成型、外观检测和计数防混料三个必备工作站的连接方案，其中针对茶叶存在成型、分装等问题设计了一个基于分装消除与风力成型相结合的自动化包装机。该工作站高效地解决了茶叶自动化成型的问题，提高茶叶的成型效率，节约了劳动成本，为后续外观检测和计数防混料两个模块提供了充分的准备。在硬件设计方面，通过可编程逻辑控制器（PLC）为核心构建分布式控制系统，采用晶体管输出模块驱动执行机构，配合高精度光电传感器与编码器构建闭环检测网络。该控制系统成功实现各工作站间0.5秒级同步精度，使包装线平均处理速度达到120包/分钟。软件层面创新性地应用模糊PID算法优化运动轨迹，通过STEP7编程平台开发的梯形图程序包含23个功能模块，有效解决了多轴联动时的速度耦合问题。经实际生产验证，系统连续运行故障间隔时间（MTBF）达到720小时，成型合格率由传统工艺的82%提升至98.6%，混料率控制在0.03‰以下，显著优于行业标准。6.2展望工业化自动包装机的未来将朝着智能化、柔性化和可持续化方向加速演进。随着人工智能、物联网、大数据等技术的深度融合，自动包装机将突破传统机械重复的局限，实现更高层次的自主决策与动态优化。例如，AI驱动的视觉检测系统能够实时识别产品瑕疵并自主调整工艺参数，5G边缘计算技术可实现设备间毫秒级通信，使供应链协同效率提升至新高度。柔性制造将成为核心趋势。模块化设计理念的普及让包装机具备“积木式重构”能力，通过快速更换机械臂末端执行器、重组工作站布局，同一套设备能在24小时内切换生产不同规格产品。数字孪生技术将在虚拟空间中预演生产流程，将新产品导入周期压缩60%以上，满足个性化定制需求。波士顿咨询研究显示，到2030年柔性制造将覆盖75%的离散制造业。人机协作模式将发生本质转变。协作机器人（Cobot）将突破安全围栏限制，通过触觉反馈和增强现实（AR）界面与工人无缝配合。在德国大众的试点项目中，AR眼镜为工人叠加装配指导的同时，机械臂能感知人体动作自动避让，使混线生产效率提升34%。劳动力将转向更高价值的流程设计、异常处理等创造性工作。绿色智能制造体系将重构生产逻辑。光伏直驱技术让工厂屋顶太阳能直接供给包装机，数字能源管理系统可实现每件产品的碳足迹追踪。西门子安贝格工厂通过智能电网调度，使单位产品能耗降低40%。生物降解材料3D打印、废旧部件智能分拣等技术的突破，将推动制造业向循环经济转型。据麦肯锡预测，到2035年全球智能工厂市场规模将达2.1万亿美元，中国作为最大工业机器人应用市场，正在通过“灯塔工厂”建设引领第四次工业革命。这场变革不仅重塑制造业形态，更将催生新的商业模式——从卖产品转向卖制造服务，工业物联网平台将提供产能共享、远程运维等增值服务，开