免費畢業論文--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,有時還發生褶皺現象,還需要進一步改進.
又經過譏刺實驗,發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.自動機的執行機構
根據巧克力糖包裝工藝，確定自動機由下列執行機構組成：
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
粒狀巧克力糖包裝機是專用自動機，根據自動機傳動系統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。
圖10 粒狀巧克力糖包裝機傳動系統
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圖
1.分析各執行機構的運動循環圖
1) 確定各機構的運動循環。
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，即等于各個執行機構的運動循環，所以
＝（s）
2) 確定各機構運動循環的組成區段。
撥糖機、送料輪和機械手轉位都是間歇運動機構，它們的運動循環由兩個區段組成：
——撥糖機、送料輪和機械手轉位等三個機構的轉位運動時間；
——撥糖機、送料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的運動循環可分為三個區段：
——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的運動循環的組成區段為：
——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的運動循環也可以分為四個區段：
——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內各區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是從送料開始的，因此以送料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.送料輪機構運動循環各區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運動循環各區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運動循環各區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運動循環各區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.各執行機構運動循環的時間同步化設計
確定粒狀巧克力自動包裝機最短的工作循環。
(5.9)
＝＝（s）
確定粒狀巧克力自動包裝機的工作循環。
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應為
3.繪制粒狀巧克力自動包裝機的工作循環(如圖11)
(圖11) (圖12)
4.修正自動包裝機的工作循環圖
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,求出循環圖截短后各動區段的分配軸轉角若將修正前各機構運動循環各區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各區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 圓整后取：
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 圓整后取：
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。機械系統設計。上海：上海科學技術出版社，1996。
[6] 成大先。機械設計手冊。北京：化學工業出版社，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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