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免費畢業(yè)論文--巧克力包裝機設計(一)
一、設計任務書
1、粒狀巧克力糖
被加工對象是呈圓臺形粒狀巧克力糖，如圖1所示。H=12mm，Ø1=30mm，Ø2=20mm。
2、包裝材料
巧克力糖包裝采用厚度0.008mm的銀色鋁箔卷筒紙。
3、機器的生產率
生產任務為每班產量570kg，約合自動機的正常生產率為120件/ min。考慮自動機工藝條件的變化，采用無級調速，使自動機的生產率為70～130件/min。
4、包裝質量要求
要求巧克力糖包裝后外形美觀、挺括、鋁箔紙無明顯損傷、撕裂、褶皺（如圖2所示）。
5、對自動機的基本要求
機械機構簡單，工作可靠、穩(wěn)定，操作方便、安全，維修容易，造價低。
6、研制費用：
4萬元。
7、設計工作量：
1）巧克力糖包裝機裝配圖1張(A0)；
2）零件圖1～3張；
3）設計說明書一份。
二、粒狀巧克力糖包裝機的工藝確定
在廣泛調查研究的基礎上，對產品的包裝工藝進行詳細的分析。
一般來說，開始總是以模仿人工包裝的動作，作為自動機工藝設計的初步依據。但是作為高明的設計者，不能只局限于模仿人工包裝動作。如大家熟悉的家用縫紉機，它的縫制工藝遠比手工縫制的完美，面線、底線同時完成。
因此，在開始設計自動機工藝時，首先應對人工包裝動作進行分析研究，并在此基礎上進行綜合、提高，使之更加完善，更能適合機械動作的要求。
1．產品特征
粒裝巧克力糖呈圓臺形，輪廓清楚，但質地疏松，容易碰傷。因此，考慮機械動作時應適合它的特點，以保證產品的加工質量。例如產品夾緊力要適當；在進出料時避免碰撞而損傷產品；包裝速度應適中，過快會引起沖擊而可能損傷產品等。
包裝工藝首要的是要解決坯件的上料問題。顯然，像巧克力糖之類的產品，使用一般料斗上料方法是不適宜的。如果采用料倉式上料方法，則需要人工定時放料，每分鐘放120粒糖也夠緊張的。如果將自動機的進料系統(tǒng)直接與巧克力糖澆注成形機的出口相銜接，則比較容易解決巧克力糖的自動上料問題。
2．包裝材料
食品包裝材料應十分注重衛(wèi)生。粒狀巧克力糖包裝紙采用厚度為0.008mm的金色鋁箔紙，它的特點是薄而脆，抗拉力較小，容易撕裂，也容易褶皺。因此，在設計供紙部件時對速度應十分注意。一般包裝的速度越高，紙張的拉力就越大。根據經驗，一般送紙速度應小于500mm/s。
在選擇供紙機結構時，主要依據下列兩點：
1）采用紙片供料或是采用卷筒紙供料。本機采用卷筒紙。
2）紙張送出時的空間位置時垂直置放的還是水平置放的。將紙片水平置放對包裝工藝有利。但卷筒紙水平輸送，只能采用間歇式剪切供紙方法。
3．包裝工藝方案擬定
圖3 包裝工序分解圖
圖3為最初的巧克力糖包裝工藝圖.根據人工包裝動作順序,針對產品包裝質量要求,該機包裝工藝如下:
1) 將90mm×90mm鋁箔紙覆蓋在巧克力糖Ø20小端正上方,如圖3(a)所示。
2) 使鋁箔紙沿糖塊錐面強迫成行如圖3(b)所示.
3)將余下的鋁箔紙分成兩半,先后向Ø30大端中央折去,迫使包裝紙緊貼巧克力糖,如圖3(c),(d)所示.
上述包裝工藝只是一種設想,還須經過工藝實驗加以驗證.
4.巧克力糖包裝工藝的實驗
工廠的設計人員,根據初擬的包裝工藝方案,進行了工藝實驗.在第一次實驗時,采用剛性錐形模腔,迫使鋁箔紙緊貼在糖塊的圓臺錐面上.圖4為第一次工藝實驗的結構簡圖.
圖4 第一次工藝試驗結構圖
1-轉軸 2-巧克力糖 3-轉盤
4-頂糖桿 5-鋁箔紙 6-槽凸輪機構
如上圖所示,糖塊和包裝紙由頂糖桿4頂入轉盤上的錐形模腔,迫使鋁箔紙緊貼糖塊.實驗結果表明,基本符合要求,但還存在如下問題:由于巧克力糖在澆注成行時,外形尺寸誤差較大,而剛性模腔不能完全適應這種情況;又由于鋁箔紙又薄又脆,在強迫成行時,鋁箔紙有被拉破的現象,特別當糖塊與模腔之間間隙太小時,使鋁箔紙沒有足夠的變形間隙而被撕破;此外,在實驗中常常發(fā)生糖塊貼牢模腔不能自由落下的情況;有時在頂桿頂糖時發(fā)生損傷糖塊的現象等等.這說明第一次工藝實驗還很不完善.
在第二次工藝實驗時,將剛性錐形模腔改成具有一定彈性的鉗糖機械手.圖5為鉗糖機械手及巧克力糖包裝簡圖.
圖5 鉗糖機械手及巧克力糖包裝
1-轉軸 2-轉盤 3-彈簧 4-接糖桿 5-鉗糖機械手(共6組)
6-糖塊 7-頂糖桿 8-鋁箔紙 9-環(huán)行托板 10-折邊器
如上圖所示,機械手設計上是具有彈性的錐形模腔,這樣能適應巧克力糖外形尺寸的變化,解決第一次工藝實驗中存在的拉破鋁箔紙的現象.在機械手下面有圓環(huán)形托板,以防止糖塊下落。
第二次工藝實驗的過程如下:
當鉗糖機械手轉至裝糖未位置時,接糖桿4向下運動,頂糖桿7向上推糖塊6和包裝紙8,使糖塊和鋁箔紙夾在頂糖桿和接糖桿之間,然后它們同步上升,進入機械手5,迫使鋁箔紙成型如圖5(b)所示,接著折邊器10向左折邊,成圖5(c)狀,然后轉盤2帶機械手5作順時針方向轉動,途徑環(huán)行托板9,使鋁箔紙全部覆蓋在糖塊的大端面上,完成全部包裝工藝如圖5(d)所示.
第二次工藝實驗,獲初步成功.鋁箔紙沒有撕破現象,糖塊也沒有說明損傷.但是包裝紙表面還不夠光滑,有時還發(fā)生褶皺現象,還需要進一步改進.
又經過譏刺實驗,發(fā)現鋁箔紙只要用柔軟之物輕輕一抹,就很光滑平整地緊貼在糖塊表面上,達到預期的外觀包裝質量要求.因此增設了一個帶有錐形毛刷圈（軟性尼龍絲），在定糖過程中，先讓糖塊和鋁箔紙通過毛刷圈，然后再進入機械手成形，結果使包裝紙光滑、平整、美觀，完全達到包裝質量要求。
圖6是經過改進后的巧克力糖包裝成型機機構簡圖。
圖6 巧克力糖包裝成型機構
1-左抄板紙 2-鉗糖機械手 3-接糖桿 4-右抄板紙
5-錐形尼龍絲圈 6-鋁箔紙 7-糖塊 8-頂糖桿
另外，考慮自動機工作的可靠性，在成品出料口增設撥糖桿，確保機械手中的糖塊落入輸送帶上。這樣的工藝方案就比較完善了。
三、粒狀巧克力糖包裝機的總體布局
1.機型選擇
從產品的數量看，屬于大批量生產，給定生產任務超過年產100萬粒。因此，選擇全自動機型。
從產品的工藝過程看，選擇回轉式工藝路線的多工位自動機型。
根據工藝路線分析，實際上需要兩個工位，一個是進料、成型、折邊工位另一個是出料工位。自動機采用六槽槽輪機構作工件步進傳送。
2.自動機的執(zhí)行機構
根據巧克力糖包裝工藝，確定自動機由下列執(zhí)行機構組成：
送糖機構；
供紙機構；
接糖和頂糖機構；
抄紙機構；
撥糖機構；
鉗糖機械手的開合機
轉盤步進傳動機
下面介紹主要執(zhí)行機構的結構和工作原理。
圖7為鉗糖機械手、進出糖機構結構圖。送糖
盤4與機械手作同步間歇回轉，逐一將糖塊
送至包裝工位Ⅰ。
機械手的開合動作，由固定的凸輪8
控制，凸輪8的廓線是由兩個半徑不同
的圓弧組成，當從動滾子在大半徑弧上，
機械手就張開；從動滾子在小半徑弧上，
機械手靠彈簧6閉合。
圖8為接糖和頂糖機構示意圖。接糖桿和頂糖桿的運動，不僅具有時間上的順序關系，而且具有空間上的相互干涉關系，因此它們的運動循環(huán)必須遵循空間同步化的原則設計，并在結構上應予以重視。
接糖桿和頂糖桿夾住糖塊和包裝紙同步上升時，夾緊力不能太大，以免損傷糖塊。同時應使夾緊力保持穩(wěn)定，因此在接糖桿的頭部采用如橡皮類的彈性件。
3.包裝機總體布置
圖9 總體布置圖
四、粒狀巧克力糖包裝機的傳動系統(tǒng)
粒狀巧克力糖包裝機是專用自動機，根據自動機傳動系統(tǒng)設計的一般原則和巧克力糖包裝工藝的具體要求，擬定如圖10所示的傳動系統(tǒng)。
圖10 粒狀巧克力糖包裝機傳動系統(tǒng)
1-電動機 2-帶式無級變速機構 3-鏈輪幅 4-盤車手輪
5-頂糖桿凸輪 6-剪紙導凸輪 7-撥糖桿凸輪 8-抄紙板凸輪
9-接糖桿凸輪 10-鉗糖機械手 11-撥糖桿 12-槽輪機構
13-接糖桿 14-頂躺桿 15-送糖盤 16-齒輪副
17-供紙部件鏈輪 18-輸送帶鏈輪 19-螺旋齒輪副 20-分配軸
如圖所示，電動機轉速為1440r/min，功率為0.4kW,分配轉速為70～130r/min，總降速比＝ ，采用平帶、鏈輪兩級降速，其中＝1/（4.4～8），＝1/2.67。而無級變速的錐輪直徑。螺旋齒輪副1、2、3的傳動比,直齒標準齒輪副的傳動比i=2。
五、粒狀巧克力糖包裝機的工作循環(huán)圖
1.分析各執(zhí)行機構的運動循環(huán)圖
1) 確定各機構的運動循環(huán)。
已知＝120件/min，則分配軸的轉速為
n=120(r/min)
分配軸每轉的時間就是該機的工作循環(huán)，即等于各個執(zhí)行機構的運動循環(huán)，所以
＝（s）
2) 確定各機構運動循環(huán)的組成區(qū)段。
撥糖機、送料輥輪和機械手轉位都是間歇運動機構，它們的運動循環(huán)由兩個區(qū)段組成：
——撥糖機、送料輥輪和機械手轉位等三個機構的轉位運動時間；
——撥糖機、送料輥輪和機械手轉位等三個機構的的停歇時間。
因此，應有 ＝＋ (5.1)
相應的分配軸轉角為 (5.2)
剪刀機構8的運動循環(huán)可分為三個區(qū)段：
——剪刀機構的剪切工作行程時間；
——剪刀機構的返回行程時間；
——剪刀機構在初始位置的停留時間。
因此，應有
＝＋＋ (5.3)
相應的分配軸轉角為
(5.4)
頂糖桿機構5的運動循環(huán)的組成區(qū)段為：
——頂糖桿機構的頂糖工作行程時間；
——頂糖桿機構在工作位置的停留時間
——頂糖桿機構的返回行程時間；
——頂糖桿機構在初始位置的停留時間。
因此，應有
(5.5)
相應的分配軸轉角為
(5.6)
活動折紙板機構6的運動循環(huán)也可以分為四個區(qū)段：
——活動折紙板機構的折紙工作行程時間；
——活動折紙板機構在工作位置的停留實際；
——活動折紙板機構的返回行程時間；
——活動折紙板機構在初始位置的停留時間；
因此，應有
(5.7)
相應的分配軸轉角為
(5.8)
3) 確定各機構運動循環(huán)內各區(qū)段的時間及分配軸轉角
由于粒狀巧克力自動包裝機的工作循環(huán)是從送料開始的，因此以送料輥輪機構的工作起點為基準進行同步化設計，撥糖盤和機械手轉位兩個機構與之相同。
a.送料輥輪機構運動循環(huán)各區(qū)段的時間及分配軸轉角：根據工藝要求，試取送料時間＝，則停歇時間為＝，相應的分配軸轉角為
=360°×=360°×＝120°
=360°×=360°×＝240°
b．剪刀機構8運動循環(huán)各區(qū)段的時間及分配軸轉角：根據工藝要求，試取剪切工作行程時間＝，則相應的分配軸轉角分別為：
＝360°×＝360°×＝26.7°
初定＝s，則＝s，則相應的分配軸轉角分別為：
＝360°×＝360°×＝44.4°
＝360°×＝360°×＝288.9°
c.頂糖桿機構5運動循環(huán)各區(qū)段的時間及分配軸轉角：根據工藝要求，試取工作位置停留時間＝s，則相應的分配軸轉角為：
＝360°× ＝360°×＝9.1°
初定＝s，＝s，則＝s，相應的分配軸轉角分別為：
＝360°×＝360°×＝80°
＝360°×＝360°×＝62.2°
＝360°×＝360°×＝208.9°
d．活動折紙板機構6運動循環(huán)各區(qū)段的時間及分配軸轉角：根據工藝要求，試取折紙工作行程時間＝s，則相應的分配軸轉角為：
＝360°×＝360°×＝36.9°
初定＝s，＝s，則＝s，相應的分配軸轉角分別為：
＝360°×＝360°×＝18.5°
＝360°×＝360°×＝161.5°
＝360°×＝360°×＝143.1°
2.各執(zhí)行機構運動循環(huán)的時間同步化設計
確定粒狀巧克力自動包裝機最短的工作循環(huán)。
(5.9)
＝＝（s）
確定粒狀巧克力自動包裝機的工作循環(huán)。
令上述三對同步點的錯移量分別為△t1、△t2和△t3，若取
△t1=△t2=△t3=17/4212（s）
則其在分配軸上相應的轉角為
粒狀巧克力自動包裝機的工作循環(huán)應為
3.繪制粒狀巧克力自動包裝機的工作循環(huán)(如圖11)
(圖11) (圖12)
4.修正自動包裝機的工作循環(huán)圖
實際上,粒狀巧克力自動包裝機要求每轉生產一個產品,即要求,因此應對圖進行修正,即按比例或用其他分析方法,求出循環(huán)圖截短后各動區(qū)段的分配軸轉角若將修正前各機構運動循環(huán)各區(qū)段對應的分配軸轉角按比例放大,則有
式中, ----修正后各機構運動循環(huán)各區(qū)段對應的分配軸轉角.
根據修正后的分配軸轉角繪制的粒狀巧克力自動包裝機的工作循環(huán)圖,如圖12所示.
六、粒狀巧克力糖包裝機的齒輪設計
1．斜齒輪副1、2、3的設計計算表
項目 計算（或選擇）依據 計算過程 單位 計算（或確定）結果
1．選齒輪精度等級 級 7
2.材料選擇
45#鋼
3.選擇齒數Z
Z1=28
Z2=1×28
個 28
28
4.選取螺旋角β 一般取（8-20）度 12 度 12
5.齒寬系數Фd 0.6
6.選取模數 查標準模數系列表
mm 2
7.計算齒輪的
分度圓直徑d
mm 57.25
57.25
8.計算齒輪寬
度B
b = φdd1 圓整后�。�
B1 =57.25×0.6=35
B2 =57.25×0.6=35 mm 35
35
2．標準直齒齒輪副16的設計計算表
項目 計算（或選擇）依據 計算過程 單位 計算（或確定）結果
1.選齒輪精度等級 級 7
2.材料選擇
45#鋼
3.選擇齒數Z
Z1=28
Z2=2×28
個 28
56
4.齒寬系數Фd 0.5
5.選取模數 查標準模數系列表
mm 2.1
6.計算齒輪的
分度圓直徑d
mm 56
117
7.計算齒輪寬度B
b = φdd1 圓整后�。�
B1 = 28
B2 = 56 mm 28
56
七、粒狀巧克力糖包裝機的機械手設計
鉗糖機械手及送糖盤的設計計算表
項目 計算（或選擇）依據 計算（或確定）結果 項目 計算（或選擇）依據 計算（或確定）結果
A1 A1> Ø1= 40 R5 R5=（ R1－R2）/2 =（5~15） 10
A2 取A2=A1 40 T1 取 T1=60度 60
r1 r1=（100~200） 150 T2 T1= T2=60度 60
r2 取 r2= r1-（30~50） 110 Ø1’ Ø1’= Ø1= 30
r’ r’=（30~50） 50 Ø2’ Ø2’= Ø2= 20
R1 R1=（80~120） 100 Ø3 Ø3= Ø2’-(5~10) 14
R2 R2= R1-（10~30） 80 Ø4 Ø4 =Ø3= 14
R3 R3= R4- Ø1’ 100 R 取 2R= Ø1=15 15
R4 R4=（100~200） 130 H H= h+(4~10)= 16
八、粒狀巧克力糖包裝機的凸輪設計
1．頂糠桿槽凸輪5
R=（40~70） 50
H=（50~100） 80
推程h=H-R 30
2．撥糠桿偏心凸輪7
R=（40~70） 50
H=（50~100） 87
推程h=H-R 37
3．剪紙刀平面凸輪6 、抄紙板平面凸輪8
剪紙刀平面凸輪6參數
序號 凸輪運動角δ 推桿的運動規(guī)律
1 0°~120° 等速上升h= 60
2 120°~180° 推桿遠休
3 180°~270° 正弦加速度下降h= 60
4 270°~360° 推桿近休
偏心距e = 25 基圓半徑r0 = 50
抄紙板平面凸輪8參數
序號 凸輪運動角δ 推桿的運動規(guī)律
1 0°~120° 等速上升h= 50
2 120°~180° 推桿遠休
3 180°~270° 正弦加速度下降h=50
4 270°~360° 推桿近休
偏心距e = 20 基圓半徑r0 =40
4．接糖桿圓柱凸輪9
R=（50~150）
60
推程h=（50~120）
100
九、粒狀巧克力糖包裝機的槽輪設計
項目 計算（或選擇）依據 計算（或確定）結果 項目 計算（或選擇）依據 計算（或確定）結果
T1 取T1=30度 30度 d d=(15~30) 20
T2 取T2=90度 90度 d1 d1<2L(1-sinT1)-d-2(3~6) 20
L L=（100~200） 150 h h=L(sinT1+cosT1-1)+d/2+(3~6) 80
D D= 2LcosT1=259.8 260 R R=Lsin(180/z) 75
z 取z=6 6 d2 d2<2(L-h) 20
十、設計小結
十一、參考資料
[1] 濮良貴，紀名剛。機械設計。北京：高等教育出版社，2001。
[2] 孫桓，陳作模。機械原理。北京：高等教育出版社，2000。
[3] 尚久浩。自動機械設計。北京：中國輕工業(yè)出版社，2006。
[4] 湯瑞。輕工機械設計。上海：同濟大學出版社，1994。
[5] 鄒慧君。機械系統(tǒng)設計。上海：上�？茖W技術出版社，1996。
[6] 成大先。機械設計手冊。北京：化學工業(yè)出版社，1993。
[7] 吳宗澤。高等機械設計。北京：清華大學出版社，1991。
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