巧克力枕式包装机

学士学位论文巧克力包装机的设计院（系）名 称：机电工程学院专业名称：机械设计制造及其自动化学生姓名：指导教师：哈尔滨工程大学巧克力包装机的设计 姓名 哈尔滨工程大学I巧克力包装机的设计摘 要本论文对国内外巧克力包装机的现状及其未来发展方向进行了调查研究，针对巧克力的特殊物理性质，设计出能自动的完成送料、送膜、制袋成型、纵封、横封、横切、成品输出等流程的枕式巧克力包装机。巧克力包装机生产率高、精度高，当被包装巧克力外形发生变化时，只需稍加调整控制系统的参数即可。本论文对巧克力包装的要求进行分析，确定巧克力包装机工艺流程。对包装机进行总体设计，并确定巧克力包装机的整体布局，然后根据巧克力包装机的工艺流程，合理设计巧克力包装机的执行机构。并且选定适合驱动执行机构的伺服交流电机，设计出各执行机构的传动方案，合理分配传动比，使各执行机构正确的工作。巧克力包装机的主要执行机构包括送料装置、送膜装置、制袋成型器、纵向封口、横封横切和产品输出机构。各机构能够按照一定顺序高效完成巧克力的包装工艺，并且各执行机构具有结构简单紧凑，便于拆装和调整等特点。关键词： 巧克力包装机；枕式包装机；制袋成型器IIIABSTRACTAstudyiscarriedoutinthispapertoresearchthestatusquoofchocolatepackaging machineathomeandabroadaswellasitsfuturedevelopingdirection.Aimingatthespecial physicalpropertyofchocolate,apillowchocolatepackingmachinewhichcanautomatically finishfeeding,filming,bagforming, verticalsealing,horizontalsealing,crosscutting, productsoutputtingandotherprocessesisdesigned.Chocolatepackagingmachineenjoys a highproductivityandhighaccuracy,andtheparameterofitscontrolsystemonlyneedtobe adjustedslightlyoncethetheshapeofthepackingchocolatechanges.The technological process of chocolate packaging machine is determined as the analysis of chocolates package in this paper. A general design of packaging machine and its overall layout are established to feasibly contrive the actuator mechanism of chocolate packing machine in accordance with its technological processes. Besides, that the proper AC servo motor to drive actuator mechanism is selected and the transmission scheme of each actuator mechanism is designed to guarantee it work correctly with reasonable transmission ratio.Chief actuator mechanisms of chocolate packing machine include the branches of feeding, filming, bag forming, vertical sealing, horizontal sealing, crosscutting and products outputting. Each part must finish the packing processes of chocolate with high efficiency according to certain orders and the structure of each must be simple as well as compact to enjoy easy dismounting and adjustment. Key words：chocolate packaging machine; pillow-style packaging machine; bag forming mechanism目 录第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题研究的目的和意义11.3 国内外相关技术的发展状况21.3.1 巧克力包装机国外发展状况21.3.2 巧克力包装机国内研究现状31.4 本论文的研究工作5第2章 巧克力包装机总体方案设计62.1 引言62.2 巧克力包装机的设计要求62.3 巧克力包装机的工艺流程72.4 巧克力的尺寸和包装分析72.4.1 巧克力产品尺寸分析82.4.2 包装形式和材料分析92.5 巧克力包装机的技术要求102.6 巧克力包装机的主要组成方案102.6.1 原料运送装置和包装膜供送装置112.6.2 制袋成型器和纵封装置112.6.3 横封横切和成品输出装置122.6.4 动力、传动和控制系统122.6.5 牵引整理装置和机身122.7 控制系统方案选型132.8 巧克力包装机机体设计142.8.1 包装机机体的要求142.8.2 包装机机体的设计142.9 本章小结15第三章 巧克力和包装膜输送装置的设计163.1 巧克力原料运送机构的设计163.1.1 链条的设计163.1.2 链轮的设计173.1.3 机架和导轨的设计173.2 包装膜供送装置的设计173.2.1 送膜装置的工作过程183.2.2 托辊的结构设计193.2.3 摆臂调节辊的设计203.2.4 驱动辊与压力辊的结构设计213.3 巧克力包装牵引装置的设计233.4 巧克力成品输出装置的设计243.5 本章小结25第四章 袋装装置的设计264.1 制袋成型器的设计264.1.1 制袋成型器的结构设计264.2 纵封装置设计274.2.1纵封装置的结构设计284.3 横封横切装置设计294.3.1 横封横切装置的要求294.3.2 横封横切装置的结构设计304.4 本章小结315.1 巧克力包装机的工作循环图325.2 巧克力包装机动力系统方案的确定325.3 巧克力包装机传动系统方案设计345.3.1 传动系统的要求345.3.2 传动系统的传动机构355.3.3 送料装置传动系统的设计365.3.4 送膜、纵封和牵引装置传动系统设计385.3.5 横封横切和成品输出装置传动系统设计395.4 本章小结40总结41参考文献42致谢44 第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景目前，随着我国经济的快速发展、城镇化以及人民生活水平的逐步提高，对于巧克力及巧克力制品的需求也越来越旺盛，巧克力的包装工业也相应的得到了高速的发展。据中国行业研究网报道，近5年来中国的巧克力产量均以两位数的涨幅在增长。国产巧克力企业非常需要高速全自动的包装机械，然而我国的自主巧克力包装机械仍然处于比较落后的水平，难以应对巧克力生产的需求。其中存在的主要问题是加工工艺和设备的不完善，并且技术含量较高的成套巧克力包装设备仍旧依赖于进口，这就导致了我国的自主包装工业市场竞争力不足，发展缓慢。虽然大量的国外先进包装的设备进口加快了我国的包装工业的发展，但是国外的技术设备价格昂贵，普通中小企业难以承受，我们不能依赖于进口国外的设备，也要发展属于自己的包装设备。1.2 课题研究的目的和意义传统的巧克力包装机械品种单一，速度和精度都较低，不能满足巧克力企业的多样化包装要求。我国提出了“中国制造2025”战略，其核心就是发展具有自主知识产权的制造装备。巧克力包装机是一种比较典型的食品包装机，相关的技术也可用于其他类似形状食品的包装机上，所以本课题的相关研究也可以一定程度上带动其他食品包装工业的发展。本论文研究的巧克力包装机，是专门针对市场上最常见的大众消费的条块状巧克力所设计，同时也可以包装其它形状相似的产品，具有包装速度快、技术成熟、包装精度高、机体结构简单、可靠性高、成本低等特点。并能有效提高生产效率，减少工人的劳动，而且包装机机体干净卫生环保。因为包装速度快，并且采用了冷封包装技术,减少了巧克力在空气中暴露的时间,也消除了高温对巧克力品质的影响。此外，巧克力包装机的包装精度高，使得巧克力包装成品的外形美观、整洁，能够提高巧克力包装的质量和巧克力产品的市场竞争力。包装机结构能够有效减少包装场地占地面积，产品和包装材料供给集中，包装工序紧密，可以节约厂房基础设施建设投资。1.3 国内外相关技术的发展状况1.3.1 巧克力包装机国外发展状况巧克力包装有许多种，其中有袋装、粒装及纸壳装等。针对不同的包装外形需要采用不同的包装机。目前国际上使用最多的巧克力包装机属于枕式包装机。枕式包装机最早于1930年出现在美国。现今，美国、日本、德国和意大利是世界上包装工业最发达的四个国家。美国作为世界上包装机械工业发展历史最长的国家之一，早已经形成了完整独立的包装机械工业体系，美国的包装机械无论是产品的种类、质量还是产量一直都远超其他世界上主要的包装机械生产国，其包装机械产品以高速、高精度、高度自动化著称1。日本的包装机械工业与美国、德国相比起步比较晚，但是其发展非常迅速，率先将微机技术应用在包装机械的控制领域，而后又首次将工业机器人技术、模块化技术等应用于包装机械之上，使包装机械的生产速度和安全性大幅提高，并实现了自动控制，其产品也迅速的占领了国际包装机械市场，在包装机械领域确立了自己的强大地位2 。如图1.1，日本富士公司生产的FW3200型枕式伺服包装机，包装速度可达300 袋/分。其采用了触摸屏操作，简单方便，特殊的伺服控制系统使包装过程十分精确，新型的制袋器，可任意调节，操作方便迅速，制袋美观。并且还具有故障检测和排除系统，可以实时监控机器运行状态。整机采用密封设计，能够减少灰尘的影响，适合食品包装3。 图1.1 日本FUJI-TOPAK枕式伺服包装机FW3200 4 由此可以总结出国外包装机的主要特点56：（1） 结构设计标准化、模组化。国外的包装机一般都使用模组化设计，能够实现一台包装机包装多种不同类型的产品，就是在短时间内可以迅速对原包装机型进行规格更换或转换为其它包装形式的机型，只需在原机的基础上拆卸或装上不同的模块，比如调整巧克力包装机的制袋器，就能够包装球状的巧克力产品。（2） 包装速度高。现阶段，国外的单列小袋包装机包装速度一般为30-300袋/分，同时很多的国外公司都研制出了多列包装机（从2至10列）来组成包装生产线，这样就使得包装速度大为提高。目前世界上最高的包装速度可以超过1000袋/分（12列同时包装）。（3） 包装过程精度高。国外的包装机械产品通过使用编码器、伺服电机及数字控制(NC)、PLC控制系统等新技术，用高精密的控制机构来控制包装的各个工艺过程，使得包装机整机的制袋成型精度和充填计量精度都非常高。极大的减小了包装材料的浪费，使包装成品更加美观精致。（4） 控制智能化、弹性化。现在大多数的国外包装机器都使用触摸屏进行机器的控制和包装参数的显示，电子显示屏界面友好，可以显示包装机的包装速度制袋长度、包装产品净含量、包装速度以及包装产量等。并且，包装机也能对工作过程进行实时状态检测和工作故障的排除诊断，一旦生产过程中发生任何问题，都能够自动停机并显示发生故障的原因以及解决方法。1.3.2 巧克力包装机国内研究现状相比于国外蓬勃发展的先进包装技术，我国的包装机械工业起步较晚，技术积累较少，在该方面的研究也较国外更落后一些。并且由于巧克力包装机用户的技术水平、成本预算以及各种环境因素的限制，国内的生产企业对于高精尖设备的需求量也较低，但对于中低档的设备需求确十分巨大。在改革开放后特别是九十年代后，我国的包装机械工业有了快速的发展。通过仿制或参考国外的同类型产品，进行消化、吸收国外的先进工艺技术，然后再进行自主设计开发，在包装工业技术上有了很大的提高，特别是产品的高度自动化和多功能性方面有了长足的进步。如图1.2所示的国产枕式包装机，其包装速度能够达到60200袋/分，并且可以包装大多数的块状产品，通用性比较好。包装机采用进口色标检测器，精度有保证，整机变频调速，方便简单7。 图1.2 国产TDB-320枕式包装机7如图1.3所示的PE膜枕式包装机，采用了可调整式制袋成型器，可以包装不同宽度范围的产品。但是其不具有先进的电子显示屏，很多操作也不方便，需要通过手轮、按钮以及操纵杆等机械结构来控制调节生产过程8。 图1.3 国产PE膜枕式包装机8目前来说国产包装机还是与国外同类型先进包装机械有一定的差距，国产包装机的主要特点是9-10：（1）包装速度不高。国内大多数巧克力包装机只能进行单列包装，还没有相关的包装生产线技术，包装速度一般在20-100袋/分之间。（2）包装品种较单一。国产包装机一般通用性不强，因为不同的包装原料性质差别较大，对机器的结构以及包装膜的要求不同，国产包装机由于技术研究少，很难做到通用性高。并且也不具备模块化的技术，包装机生产出来之后就无法进行后续的升级和改进。（3）耐用性低。很多国产包装机的生产企业在国内国际市场上进行恶劣竞争，采用低价策略倾销产品，但低价无法保证包装机元器件的质量和耐用性，并且也没有使用规范的包装机加工和装配工艺，这就导致了生产出来的包装机不稳定、不耐用。（4）智能化、自动化水平低。虽然目前有一些国产包装机使用了PLC技术，减少了人工操作，但是大多数还是属于低水平的机电控制，无法智能自动控制生产，解决生产中的问题，也不能进行生产过程中的数据采集和数据存储。（5）低水平重复生产较多。国内市场上有很多劣质、低成本、工艺水平落后的包装机械产品在不断的生产。有些企业由于没有资金投入研发设计，创新不足，导致产品更新换代速度较慢，生产了大量低水平低档次的产品出来。这种大规模生产一方面使这类产品大量供过于求，造成行业竞争混乱，影响包装机械工业的发展，另一方面也浪费了大量宝贵的资源。（6）研发自主创新能力不足。现阶段我国大多数包装机械的设计和研发仍停留在仿制阶段，只是将国外的包装机械稍加修改就变成了自己的产品。我国大多数的生产企业研发资金投入很少，基本上只相当于国外企业的一半或者更低，这些企业的自主创新能力难以得到保证。随着近年来人民生活水平不断的提高，我国巧克力的市场前景广阔。对巧克力包装工业的发展也是有很大的促进作用。虽然表面上包装机械行业竞争剧烈，但实质上却缺少高水平、高科技的包装设备，我国现阶段非常需要技术高、精度高、速度高的包装机械来提高包装的技术水平和工艺。未来的包装机械将向着节能减排、先进的控制水平、性能稳定可靠、结构紧凑、低噪音等方向发展。1.4 本论文的研究工作本论文的主要研究工作和设计内容如下： （1） 巧克力包装机的总体方案设计。对整个巧克力的包装形式进行研究，确定包装机需要设计的包装工艺流程以及对执行机构进行初步设计选型； （2） 动力和传动系统的设计。确定巧克力包装机的设计方案后，再计算出巧克力包装机的功率和驱动方式，设计出稳定可靠并且安全的动力和传动系统； （3） 送料、送膜装置的设计计算。巧克力包装机必须具备自动送料和送膜的功能，所以要设计出高效稳定的送料和送膜装置，保证包装机能快速的完成巧克力的包装工艺； （4） 制袋成型器的设计，能够生产出符合要求的包装袋型； （5） 纵封装置和横封横切装置的设计； （6） 控制系统的选型，本论文不涉及非常具体的控制系统设计。27 第2章 巧克力包装机总体方案设计第2章 巧克力包装机总体方案设计2.1 引言本论文的巧克力包装机是一款能够自动完成运送条块状巧克力原料、运送包装薄膜、制袋成型、纵封横封包装膜、切断、包装成品输出等工序的设备。本论文的总体设计主要是根据市场上主要的巧克力产品的包装形式，确定完成该类型巧克力外包装加工所需要的工艺过程，并依据所包装巧克力的尺寸参数,拟定包装机的主要外形参数尺寸。最终完成巧克力包装机的整体机械结构设计。但由于本论文所设计的包装机需要满足市场需求，实现对巧克力的包装，所以必须根据包装机械的工作原理、技术性能和经济效益三个方面分析对比确定最终合理的设计方案。通常来说包装机械的组成分为以下几个部分11：被包装原料产品的计量和运送装置，包装膜的整理和供送装置，包装执行装置，成品输出机构，动力与传动系统，控制系统，机身。在进行巧克力包装机的总体方案设计之前，首先应查阅资料确定巧克力的形状以及其所采用的包装形式，然后确定包装机的工艺流程，并且也要对包装材料进行分析选择，这样才能确定出最合理最完美的设计方案。2.2 巧克力包装机的设计要求要完成本论文的巧克力包装机的机械结构设计，使得整个巧克力包装机能够安全、有效、协调地运转。应该满足以下要求：1、包装质量。影响包装质量的因素主要是被包装物品和包装材料的性能，包装机械使用的包装工艺流程，包装机械的质量和工作条件，操作者的恰当操作。对于巧克力包装机，主要考虑的是巧克力包装制品的质量，即包装工序完成后巧克力被包裹的紧密程度、计量水平以及封口的密闭性。在任何情况下包装机对巧克力包装质量的影响都不能超过允许范围。2、生产率要求。生产率即单位时间内所生产的巧克力包装件的数量，在实际生产中，开机前后需要准备时间，添加包装膜需要时间，发生故障停机也要耗费时间，所以实际生产率总是要小于理论生产率。同时，生产率越高，对巧克力包装机的制造精度、控制精度、润滑材料等要求也越高，应该根据生产经济合理性来确定生产率，并不是越高越好。3、自动化控制。巧克力包装机要求能够实现全自动的控制，即使用控制系统对包装机的包装速度、制袋长度和宽度、巧克力的供送和包装膜的供送速度进行控制。要求控制方案稳定可靠、精确、易操作。4、安装和使用要求方便简单。如果巧克力包装机的操作过于复杂，就不利于企业生产。设计时应考虑简化控制并提高包装机零部件的通用性，改善结构工艺性。此外，巧克力包装机的占地面积要小，外形应尽量合理美观。2.3 巧克力包装机的工艺流程巧克力的最佳储存温度在12到18摄氏度之间，当温度较高时（高于30）巧克力在数分钟之内就会融化并产生脂肪析出，严重影响巧克力的品质12。本论文所要设计的是一款专门针对巧克力的包装机，该包装机有别于市面上一般的巧克力包装机。市面上销售的巧克力包装机一般都是有一定通用性的枕式包装机，此类包装机没有考虑到巧克力特殊的物理性质，采用的是热封装置进行包装封口。而本论文设计的巧克力包装机没有使用加热结构，运用的是冷封技术，使巧克力的加工一直处于较低温度下，不会对巧克力产生任何影响。本论文所设计的巧克力包装机工艺流程如图2.1。首先，冷封包装膜经供膜装置，在制袋成型器内被卷成筒状，待包装的块状巧克力原料由物料运送装置的推板推入在制袋成型器中已成型的筒装包装膜内，拉膜牵引带把包装膜压紧并不断向前推送，包装膜接合处伸出的一折到达纵封装置时就进行封合，然后已经封合的筒状包装膜进入横封横切装置，完成巧克力包装膜的横向封合与切断工序，至此就完成了巧克力原料的枕式袋包装，最后包装好的巧克力产品经由成品输出带输出。巧克力包装机的包装膜输送和巧克力原料输送是同步进行的，由送膜装置中的光电开关(色标传感器)、送料装置中的接近开关来分别检测包装膜输送和巧克力输送的位置是否准确。为使横封横切装置中的横切刀准确的切到设定好的包装长度，需要检测切点的位置信号，同时可以进行实时的横切速度调节。巧克力包装机的工作循环图和工艺流程图分别如下、图2.2所示。2.4 巧克力的尺寸和包装分析 巧克力包装机的功能是完成包装容器的成型后，将巧克力装入包装容器并完成封口工序。但是巧克力这种食品由于其特殊的物理性质，可以制成各种不同的形状，对于不同的形状就要采用不同的包装。因此，要对巧克力的尺寸和包装进行分析以确定出市场上最广泛采用的巧克力产品形状和包装，再确定包装该类型巧克力所应使用的包装机械类型。 图2.1 巧克力包装机的工作循环图 图2.2 巧克力包装机的工艺流程图 2.4.1 巧克力产品尺寸分析目前，中国巧克力市场主要有以德芙、吉百利为代表的外国巧克力品牌，它们属于高端的巧克力品牌；然后是以金丝猴、金帝为代表的国产巧克力，主要生产廉价的巧克力产品13。这些巧克力公司所生产的巧克力主要形状有长条形、方块状、长条棒状、圆球形以及许多不规则形状。而市场上最常见的巧克力形状目前来说应该是条块状的巧克力如图2.4所示，长度在50-150mm之间，宽度为25-70mm之间，高度在5-20mm之间。 图2.3 球状巧克力 图2.4 条块状巧克力图2.5 不规则形状的巧克力2.4.2 包装形式和材料分析目前包装袋的形式有很多种，对于条块状巧克力，最适合的包装形式为纵接缝枕形袋如图2.6所示，其技术非常成熟，形式较简单，包装速度快效率高，并且成本也低。图2.6 枕式包装袋装的巧克力目前，巧克力的包装材料一般采用BOPP包装膜，其一面印刷包装图案，另一面涂覆冷封胶14。涂有冷封胶的包装膜，在横封装置的压力下冷封胶与冷封胶封合在一起，即可完成对巧克力的包装。这种包装技术也是最早出现在巧克力包装上的。冷封胶的主要成分是天然橡胶和水，无异味也无污染，不会对巧克力产生影响，并且由于是在常温条件下进行的封合，所以也不会使巧克力因高温而产生物理性质的变化。冷封包装的速度一般比热封的速度快数倍以上，并且封合强度适中，包装易于撕开。目前占领了大量市场份额的一些巧克力生产企业如德芙、好时、金丝猴等采用的都是冷封包装技术对巧克力进行包装。本论文设计的巧克力包装机也使用冷封包装技术，使用的巧克力包装膜都预先涂覆好一层方格状的冷封胶如图2.7所示。图2.7 冷封胶的涂布图案2.5 巧克力包装机的技术要求 本论文设计的巧克力包装机为卧式袋成型-充填-封口机，俗称枕式包装机。其主要的技术参数如表2.1所示。 表2.1 巧克力包装机的主要技术参数要求包装膜宽度最宽300mm制袋长度50-200mm包装宽度25-80mm包装速度20-240袋/分整机尺寸3800mm1000mm1500mm包装机重量550kg2.6 巧克力包装机的主要组成方案巧克力包装机的主要组成部件：巧克力原料运送装置、包装膜供送装置、制袋成型器、纵封装置、横封横切装置、成品输出装置、控制系统、动力和传动装置、机身等。巧克力包装机的结构图如图2.8所示。图2.8 巧克力包装机的组成图2.6.1 原料运送装置和包装膜供送装置 巧克力原料的运送采用链条输送装置，由牵引链条、链轮、张紧装置、支撑装置、导轨、推板及附件组成。链条采用平板式，可直接承托巧克力，在链条上装有一定数量的推板推送巧克力向前移动，链条与推板铰接在一起。链条上还有输送滑台以及导轨，使得巧克力能以正确的姿态运向下一个部件。在输送装置长时间运行以后，链条会出现磨损伸长，发生松垂现象，为了让链条和链轮正确啮合确保输送装置正常运行，需要设置链条张紧装置。 送膜装置大体由包装膜主托辊、过渡辊、驱动辊、压力辊、张力调节辊、送膜角度调节辊等组成，动力从链轮传动到驱动辊，驱动辊在压力辊作用下与包装膜有较大的摩擦力，由于摩擦力包装膜会被牵引运动。送膜速度会发生瞬时变化从而导致包装膜时紧时松，这时由张力调节辊来调整包装膜来保持适当的张紧力。2.6.2 制袋成型器和纵封装置 对于本论文设计的巧克力包装机，制袋成型器是个非常重要的部件，是将平面包装膜折叠成枕形包装袋的专用装置。主要作用是将包装膜变成筒状，并预留出纵封边，以便于巧克力原料的进入和包装膜的纵向封口。本论文设计的制袋成型器要求能够进行调整以适应不同宽度巧克力的包装要求。 巧克力包装机上的纵封装置，主要用来完成筒状袋成型后的纵边封合。纵封器的主要结构是作等速相向旋转并互相压紧的一对辊筒，其对包装纵边施加压力使包装膜表面的冷封胶黏合在一起完成包装袋的纵封，同时也对包装袋有一定的牵引作用。2.6.3 横封横切和成品输出装置 横封横切装置是对已经装入巧克力并且经过纵向封合的筒状包装按照预先设定的包装长度进行横向封合以及切断15。横封横切装置分为回转式和往复式两种，回转式机构在结构上又有单刀座、双刀座和多刀座等形式。回转时由于半径恒定，需要进行不等速的运动，并且要可以调节横封速度来适应包装长度的变化。本论文设计的包装机所使用的横封横切装置采用回转式单刀座设计，并采用交流伺服驱动器驱动，驱动器自身可实现不等速的驱动，所以简化了传动结构，提高了装置的稳定性。 巧克力包装成品采用传送带输出，输送距离较短，采用托板对其进行支撑。传送带表面涂覆有某些合成材料涂层，能防潮，对酸、碱、油脂有一定抗侵蚀的能力，无味无毒可清洗。2.6.4 动力传动和控制系统 巧克力包装机的动力系统采用的是交流伺服驱动器，能够实现精确的包装速度控制，同时运行平稳、噪音小。传动系统采用同步带和齿轮啮合传动，能平稳传递转矩和转速，驱动包装机的执行机构，完成包装工艺流程。 本论文设计的巧克力包装机的控制部分采用PLC控制，配合人机界面、伺服系统等先进系统来实现巧克力包装机的准确包装工艺流程。但是本论文重点的是巧克力包装机的结构设计，所以对于控制系统不进行详细设计，只是简单选型设计。2.6.5 牵引整理装置和机身巧克力包装机的牵引装置是由两条平行的传送带组成，装有巧克力经过纵封之后的筒状包装膜夹在两条传送带之间，传送带和包装袋之间的摩擦力牵引包装袋向横封横切装置运去。两条传送带之间的距离可以进行调整以适应不同的巧克力高度。机身用于安装、固定和支承巧克力包装机所有的零部件，使其能够满足相互运动和相互位置的要求。因此，机身必须具有足够的强度、刚度和稳定性16。巧克力包装机的机身内装有交流伺服驱动器和传动机构，位于制袋成型器、纵封装置和横封横切装置的下方。2.7 控制系统方案选型巧克力包装的控制系统采用PLC控制，其中的主要部件还包括伺服驱动器、操作面板和传感器。控制系统框图如下图2.12所示。巧克力包装机控制系统的重点，是送料、送膜、横封横切三个执行部件位置和速度的同步控制。位置同步就是要保证巧克力进入包装膜指定位置内，横封横切刀准确地封切包装膜规定的位置。速度同步就是巧克力供送的速度、包装膜供送的速度、纵封的速度、包装膜牵引的速度以及横封横切速度要同步，这样才能保证包装工序的准确进行。 图2.13 控制系统方框图PLC控制系统发送脉冲给伺服驱动器，脉冲个数代表了运动位移，脉冲频率代表了输出的速度。伺服驱动器接收到PLC发送的脉冲信号后，对信号进行处理，然后根据信号控制伺服电机的运动。同时伺服电机内置的旋转编码器将电机运转的实时速度信号反馈给PLC，实时与系统预设值进行比较并记录。送膜装置上还有色标传感器来确定包装膜的精准输送。PLC控制系统使用电子凸轮来控制横封横切轴的不等速回转17,18。系统选用了台达DVP-20EH。触摸屏能显示巧克力包装机运行的情况，并可以调整包装的参数，比如包装袋的规格、包装速度，也可以对包装机进行简单的手动调整。触摸屏选择UG221H-SR4(彩)。在送膜装置与制袋成型器之间有一个光电开关来检测巧克力运送的情况，以确保每块巧克力都能准确地进入包装膜中，其反馈的信号也能够使PLC系统对送料的实际速度与设定进行比较并确定是否进行调整。光电开关型号选择TL46-WL(三色)。在包装膜供送装置上还有色标传感器，能够检测包装膜运送的位置以及速度，使PLC系统对送膜装置进行相应的控制调整。色标传感器采用R58系列。 2.8 巧克力包装机机体设计本论文设计的巧克力包装机质量不大，受力也较小，所以机体多采用钣金和型材的组合设计，为了简化工艺节省材料，本机的支撑结构和外部罩壳是合成一体的。2.8.1 包装机机体的要求对巧克力包装机的机体要求包括性能、结构和使用三个方面19。（1） 具有足够的静刚度，在包装机装配完成后整个机体产生的变形不能超过一定数值，否则会影响到整个巧克力包装机所有零部件相对位置的准确性。（2） 有较好的抗振性，机器运转过程中产生的一些振动不能影响其他零部件的正常工作。（3） 噪音低，要控制巧克力包装机在高速运转时的噪音，营造良好的生产环境。（4） 结构简单合理，从节省成本的角度要求结构简单，制造难度要低。（5） 使用、维修方便，整个包装机要符合人机工程学，高度适中。2.8.2 包装机机体的设计巧克力包装机的机体安装大多数零部件，其形状为箱形，其内部装有动力和传动装置、制袋成型器以及纵封装置，同时也支撑着包装膜供送装置、送膜装置、横封横切装置和成品输出带。高度为800mm，长度为1000mm。底部有四根机脚支撑，为了方便移动和调整，每个机脚旁还装有万向轮如下图2.13所示。在包装机内需要放置三个伺服交流驱动器，以及所对应的传动系统，应该设置相应的滑槽和螺栓孔以方便轴承的安装。机身上方采用开口形式，在左侧可以开启柜门，以方便箱体内零部件的安装。机体内部的安装座及滑槽支架等采用焊接固定，机体材料选择灰铸铁和不锈钢。图2.14 机脚和万向轮2.9 本章小结本章节对巧克力包装机进行总体方案的设计。首先对巧克力包装相关的理论和设计要求进行研究，确定了巧克力包装机的设计要求、工艺流程和基本参数。对巧克力包装机的主要部件进行了方案设计，简要介绍各个执行部件的工作原理。对巧克力包装机的控制系统进行了选型设计。合理的设计了包装机的机体部分。 第3章 巧克力和包装膜输送装置的设计第三章 巧克力与包装膜输送装置的设计 巧克力包装机需要输送巧克力和巧克力包装膜，涉及到输送部分的装置有巧克力原料运送机构、巧克力包装膜供送装置、巧克力包装牵引装置和包装成品输出装置。3.1 巧克力原料运送机构的设计 巧克力原料的运送机构是巧克力包装机的一个重要部分，其性能直接决定了包装速度的快慢和包装质量的好坏。巧克力供送过程的基本要求是，适当安排巧克力原料的运送路线、间距、方式和速度等，将巧克力原料按要求供送到制袋成型器内，并与包装膜供送机构配合，每一个包装对应一块巧克力。整个送料机构长2200mm。送料机构采用链条输送机，是用环形链条作为牵引构件的输送装置，整个装置由链条、链轮、电机、同步带、齿轮减速器、机架、导轨和附件组成。电机经过传动系统减速后驱动链轮转动来带动链条的运动，链条带动巧克力原料向前输送。3.1.1 链条的设计 送料机构以链条作为载体输送巧克力，链条上有橡胶垫片和推杆，用以承载并推动巧克力原料前进，没有带传动的弹性滑动现象，能保持准确地传动比，从而保证以预先设定的速度精确传送巧克力，其结构如图3.1所示。链条输送装置主要采用套筒辊子链条，相比其他类型的链条，其链轮与链条之间以及链条本身的磨损更小，性能好输送能力大，可承载的载荷也较大，比较适合进行高速运输，所以生产率更高。由于整个链条输送机的长度较长，所以在两个大链轮之间还要装有一定数量的小链轮，可以支撑链条使其保持水平，同时也能起到张紧作用。 图3.1 输送链条和推杆结构图初步确定链号为10A，节距p=15.875mm，材料使用不锈钢。推杆铰接在单个链接上，用开口销固定，推杆之间的距离为200mm，推杆的高度为15mm，宽度略宽于链节宽度以方便安装。橡胶垫片正好对应一个链节，所以其长度稍大于链节距，为20mm，为了能稳定承托巧克力，应设计的宽一些，为30mm，高度要高于链条5mm。链条采用食品级润滑油对其进行润滑，润滑油可以直接与巧克力产品接触，并且无毒无害无污染，既能起到润滑作用也不会对巧克力产生任何影响。3.1.2 链轮的设计链轮包括驱动链轮、从动链轮和支撑链轮，其中驱动链轮和从动链轮是一样的结构和参数，选定齿数z=20，两链轮中心距取2000mm。则链轮的分度圆和齿顶圆直径可由下式确定 式中：d为分度圆直径； p为链节距； z为链轮齿数； 、最大、最小齿顶圆直径； 为滚子外径；链节距p为15.875mm，链轮齿数z选为20，滚子外径选为10.16mm，可算出主动和从动链轮分度圆直径为101.5mm，齿顶圆直径范围为106110.2mm，取齿顶圆直径110mm。链轮材料选择40Cr，经热处理后硬度高，能承受较大载荷。支撑链轮的尺寸选小些，经济性更好，取齿数z=10，则分度圆直径为51.4mm，取齿顶圆直径为60mm。小链轮在输送链条下的排布应该不能过多，会影响送料机构的功率，增大摩擦损失，同时也不能太少，起不到支撑和张紧链条的作用。选择10个小链轮等距排列在链条之下。3.1.3 机架和导轨的设计 送料机构的机架是一个长方形的箱体用以安装各个零部件，左端有机脚支撑，右端直接支撑于巧克力包装机机体上。机架上方是导轨，导轨的宽度要大于箱体的宽度，为400mm，而机架宽度为200mm。导轨的末端还有光电门装置，用以计量巧克力的块数，每一块巧克力经过则光电门发出信号一次给PLC。3.2 包装膜供送装置的设计包装膜的自动供送是实现巧克力包装机自动化，保证包装产品美观的重要条件，因此要确保包装膜供送过程的高速、准确和稳定。本论文设计的巧克力包装机的送膜装置必须要满足以下的要求20：（1） 包装膜的装卸要方便。包装膜装卸过程简化可以提高生产效率，降低工人的劳动强度。（2） 符合巧克力包装机的工艺流程。要求包装膜要连续供送，包装机运转过程中包装膜要有一定的张力，这样可以保证袋长均匀，但是张力也不能太大，否则会导致包装膜被拉扯变形。（3） 包装膜定位要准确。巧克力包装有图案和文字，要求每一块巧克力都进入特定的位置，需要供膜装置的准确供送包装膜。（4） 包装膜的供送要与包装机其它机构同步。（5） 包装膜的供送速度要符合预先设定的生产率的要求，并且可以进行调整。3.2.1 送膜装置的工作过程包装膜供送装置包括对包装材料的支撑、导向和牵引装置，以及对包装材料检测定位和调节的控制装置。本论文设计的送膜装置大体由托辊。导向辊、驱动辊、张紧辊、压力辊和调节辊等部分组成。包装膜在送膜装置上的位置如图3.2所示。图3.2 送膜装置示意图 卷成筒状的包装膜放置在支撑托辊上，绕经导向辊进行导向，然后经张紧辊给包装膜提供张力张紧，在驱动辊和压膜辊的压力提供的摩擦力下牵引包装膜运动，使其向前输送，此时包装膜由于瞬时速度的变化会产生时松时紧的现象，其后的张紧辊用以调节包装膜的拉力，使其保持适当的张紧状态，同时色标检测装置对包装膜上的色标进行检测，确定包装膜的供送速度，保证于送料的速度一致，最后包装膜送至制袋成型器内被卷成筒状薄膜。3.2.2 托辊的结构设计供膜装置的轴辊一般是由套筒、芯轴和轴承组成。套筒多由钢管镀铬、铝管氧化、尼龙或橡胶做成，这类的套筒不会生锈，对包装膜无污染，套筒外表面光洁，在包装膜的供送速度很快时也不会影响包装膜的外观质量。芯轴和套筒之间常用滚动轴承连接，这样套筒就能灵活转动，对包装膜运送的阻力就小。供送装置各辊轴的直径对包装膜的供送牵引影响不大，但从零件加工的角度要求芯轴的直径不能太小，因为直径太小难以加工，并且刚度也不够。在整个包装膜供送装置中，托辊的是一个非常重要的部分，因为托辊是用来安放成筒的包装膜，其结构和功能直接影响到整个供送装置。对于包装膜卷筒托辊的设计要求如下：1. 托辊要便于装卸包装膜卷筒，能适应于一定宽度，一定内筒直径的包装膜卷筒；2. 托辊要便于调节包装膜滚筒的中心位置，来与纵封器、横封器对中；3. 托辊上安装有阻尼轮，阻尼轮上使用皮带进行减速刹车，通过调节刹车皮带的张紧力大小使托辊轴具有一定的阻力矩，这样包装薄膜在供送过程中就会具有一定的张力，有利于包装膜的供送。初步拟定托辊的结构示意图如图3.3所示。1微调螺帽；2微调螺杆；3圆锥锁紧装置； 4托辊套筒；5轴承套；6机架；7阻尼轮；8轴承；9托辊轴；图3.3 托辊结构示意图 安装卷筒包装材料时，把圆锥锁紧装置取下来，再将卷筒塑料薄膜装上去，然后调整两端圆锥锁紧装置将包装膜对中，使包装材料的宽度方向中心线与纵封、横封的中心线保持一致。当中心位置稍有偏离时，也可以通过转动微调螺帽进行微动调节，其逆时针旋转是使托辊套筒远离机架运动，顺时针旋转式使托辊套筒向机架一侧运动，从而达到微调的效果。圆锥锁紧装置的锥面能在一定范围能适应不同内筒直径的卷筒包装材料，其采用锁紧螺钉紧固在套筒上。由于卷筒薄膜支架上需要套阻尼盘，则其轴径及长度不仅要根据卷筒包装薄膜的直径来确定，还需要根据阻尼盘的直径和宽度来确定。选定阻尼盘内径为30mm，宽度为15mm，为了能够周向固定阻尼轮，需要在轴的端部加工螺纹。根据具体要求，取安装阻尼轮部分轴的长度为25mm，轴端部螺纹长度取为11mm.采用一对轴承支撑卷筒辊轴使其能够进行回转运动以实现供膜功能。参照工作要求并根据轴的直径d=35mm,选取一对角接触轴承安装，其基本参数为：，装轴承段的轴的直径为35mm，其长度为60mm。最后选定套托辊滚筒的一段辊轴直径为最小直径45mm，套筒的外径为65mm，内径为45mm，其长度根据包装膜最大宽度300mm、需要一定的调节范围及留的余量确定为400mm。刹车盘与辊轴的周向定位采用平键定位。安装刹车盘段的轴径d=30mm,查手册得键的截面尺寸，键槽用键槽铣刀加工。滚动轴承与轴的周向的定位是借过渡来配合的，此处轴采用基孔制，公差配合为k6。3.2.3 摆臂调节辊的设计巧克力包装机由于需要能够包装不同尺寸规格的巧克力，包装速度也会随着尺寸规格的变化而变化，包装膜供送过程的速度和张力也要改变。为了使包装膜供送时的张力均匀，就需要调节装置进行调节。本论文的调节辊采用了摆杆机构，其工作示意图如图3.4所示。图3.4中，其中驱动辊对包装膜驱动供送，所以整个包装膜会拉动着摆杆辊产生一个力矩，而通过与辊轴相连的摩擦轮带动制动轮，并使其转动一定角度后，重力块也会在制动轮上产生一个力矩，该力矩会与包装膜产生的力矩相平衡，会阻止摆杆被包装膜拉动过大角度。重力块可以自动的调节包装膜供送的张力，使其保持在一定范围内，不会因供送速度的变化而发生剧烈的波动。摆臂调节辊的结构大致如图3.5所示，整个摆臂调节辊滚筒的长度根据包装膜最大宽度（300mm）可以设定为320mm，则摆臂辊长度为350mm。上方固定摆杆长度根据安装轴承和摩擦轮的需要设计为450mm。轴的直径可以小一些，确定为20mm，滚筒外径为40mm，内径为32mm。轴承选择7002AC角接触球轴承，内径15mm，外径32mm。摆臂支撑杆长度为200mm。1制动轮； 2摩擦轮；3固定端部；4重力块图3.4 摆杆机构示意图1摆臂辊支撑；2固定摆杆；3摩擦轮；4机架；5摆臂辊支撑；6摆臂滚筒；7摆臂辊图3.5 摆臂调节辊结构示意图3.2.4 驱动辊与压力辊的结构设计（1）驱动辊的结构设计驱动辊是巧克力包装膜供送装置的动力辊，能够牵引包装膜向前供送。动力是经过链传动到达驱动辊，使其转动并带动包装膜运动。驱动辊轴要进行回转运动，应该在轴的两端安转轴承，轴和外部套筒是一起转动的，套筒为橡胶材料。整个驱动辊大致结构如图3.6所示。根据包装膜驱动辊的定位和输送速度要求，确定橡胶套筒的外径为50mm，长度为320mm。安装链轮处的轴的直径取为20mm，这一部分轴的长度取为50mm,链轮的定位轴肩高度取为2.5mm，则链轮右端的这段轴的直径为25mm，长度取25mm，其上有10mm的螺纹以使螺母旋紧而将轴定位。轴承主要承受来自包装膜的径向拉力和来自压力辊的径向压力，但也有可能因为包装膜的移位而受到一定的轴向载荷，所以选用角接触球轴承。按照驱动辊的要求并根据轴承安装段轴的直径为d=25mm,选取角接触球轴承型号7005C，内径为25mm，外径为47mm。轴承的配置采用两端固定支撑以方便安装调整，支撑分别为轴肩和弹簧挡圈。取安装轴承处的轴肩的直径为30mm，此段轴上安装有橡胶辊筒，所以取其长度为360mm，右端轴肩长度取为20mm。由于整个巧克力包装机供膜装置的受力不大，所以这里选择的各段轴径是较为安全的。1链轮；2螺母；3弹簧挡圈；4机架；5轴承；6驱动辊轴；7端盖； 8橡胶辊筒； 9轴承：10弹簧挡圈；11右端轴肩； 12平键图3.6 驱动辊示意图链轮与轴的联接采用平键联接。根据装链轮轴段的直径为d=20mm,取平键的截面尺寸，键槽用键槽铣刀加工，长L=25mm,。滚动轴承与轴的周向的定位是借过渡来配合的，此处选轴的直径尺寸公差为k6。（2） 压力辊的设计压力辊与驱动辊相压紧在包装膜表面产生摩擦力，使驱动辊能够驱动包装膜向前输送。压力辊的外层套筒也为橡胶材质，摩擦系数大，压力辊与驱动辊压紧时，摩擦力会比较大。而为了方便包装膜的安装，又要求压力辊能与驱动辊分离，不再压紧。将轴的两端都铣成方形放入机架上的导轨内使其可以上下移动，压力辊的下方在机架上焊接一个凸台，凸台上安装压力弹簧用来顶住压力辊，其在自然状态下给压力辊一个向上的弹力把压力辊顶起使其与驱动辊分离，压力辊的上方装有偏心轮装置，当偏心轮旋转时能把压力辊向下压下使其与驱动辊压紧。其结构示意图如图3.7所示压力辊的橡胶辊筒直径与驱动辊的一致，为50mm，长度也一样都为320mm，则支撑轴承选择角接触球轴承7002C,内径d=15mm，外径D=32mm。则压力辊内轴径为20mm，长290mm，安装轴承段轴径15mm，长20mm，两端的最小轴径为10mm，长40mm。偏心轮装置的工作过程示意图如图3.8所示。1压力辊筒；2压力辊轴；3弹簧；4偏心轮图3.7 压力辊结构示意图图3.8 偏心轮工作示意图 设计偏心轮的偏心距e=10mm，回转轴径d=6mm，偏心轮直径D=30mm。当偏心轮转过180度的时候偏心轮的垂直位移为2e=20mm，即其行程为20mm。而最初状态下压力辊与驱动辊之间的距离是20mm。所以当偏心轮转过180度的时候，压力辊正好与驱动辊压紧。而偏心轮所受到的支撑力在工作前后都经过其回转中心，故偏心轮会产生自锁，偏心轮不仅起到了控制压力辊与驱动辊离合的作用又起到了夹紧的作用21。3.3 巧克力包装牵引装置的设计巧克力包装机的包装袋牵引装置为两个平行的传送带，叫做上牵引带和下牵引带。这两个带通过与包装薄膜之间产生的摩擦力来牵引带动其向横封横切装置运送，同时也能够整理经过纵封制袋成型和纵封之后的筒状包装膜。牵引传送带是由经特殊处理的聚酯复合织物作为骨架，涂覆聚氨酯（PU）树脂作载物面，材质无毒无害无污染，对于包装膜有较大的摩擦牵引力。其结构如图3.9所示。传动带主要是对包装膜起牵引作用，所以其带长不用太长，取牵引带的有效牵引长度为400mm，上下两传送带的间距根据巧克力的高度设计为20mm。辊筒的直径为100mm，传送带宽度根据巧克力包装袋最大宽度（80mm）确定为150mm。则辊筒长度为200mm。整个传送带由齿轮传动驱动，所以在辊筒的一端安装有齿轮，安转齿轮轴径为24mm。辊筒轴的支撑轴承选用角接触球轴承7206C，内径d=30mm，外径D=62mm。轴承套在套筒里，套筒安装在机架上。辊筒安装示意图如下图3.10所示。图3.9 上下牵引带示意图1齿轮；2支撑轴；3套筒；4轴承；5辊筒；图3.10 上牵引传动辊筒安装示意图3.4 巧克力成品输出装置的设计本论文的巧克力包装机的成品输出装置采用传送带机构，因为巧克力包装产品的输出要求不高，且带式输送结构简单，安装使用和维护都比较方便。输送带选择涂覆有聚氨酯（PU）树脂合成材料的聚酯复合织物带，能防潮，无味、无毒，专门针对食品的传送带。传送带采用两个辊筒支撑，因为输送距离较短，所以不用在配置托辊。传送带装置采用两个平行的机体支撑，一端直接使用螺栓固定在巧克力包装机机体上，另一段悬空，因为长度不长所以不用配置机脚支撑。输送带的宽度根据所输送的最大尺寸的巧克力（）的对角线长度（约215mm），再加100mm左右的余量可确定为300mm。输送带的有效输送距离取为500mm，驱动辊的直径可根据以下公式确定：式中： 比例系数，时，取；较小时，取。 输送带的断面层数。 本论文设计的巧克力包装机包装的巧克力自重很低，成品输出带为特轻载荷类型，要求结构紧凑、轻巧，所以输送带的选择2层结构，则驱动辊和从动辊的直径可以确定为100mm。