劉喜平+許士超+李游+王鵬

摘要： 本機(jī)器主要針對尺寸在一定范圍內(nèi)的不同大小的外形輪廓近似球形的不同形狀的不同品種的水果，對其進(jìn)行禮品化包裝，在此機(jī)器中，采用機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)包裝紙的輸送。通過異型棘輪在托盤上旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)水果的運(yùn)輸，使水果到達(dá)機(jī)械手下后通過凸輪頂桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水果的轉(zhuǎn)移和裁紙刀片的工作。機(jī)械手部分通過彈簧實(shí)現(xiàn)隨包裝物體形狀而開合，從而達(dá)到包裝不同尺寸，不同材質(zhì)的水果的目的，后部運(yùn)用收口板和封口盤實(shí)現(xiàn)封口動(dòng)作，通過各個(gè)機(jī)構(gòu)來完成包裝目的。本機(jī)器利用OPP包裝紙可熱封的特點(diǎn)，對包裝封口采用熱封，既減少了人力投入，也因封口方式改變，省去了封口繩，節(jié)約了物力，即保留了人們對美感享受的追求，又體現(xiàn)了本機(jī)器的環(huán)保、快捷、節(jié)約的設(shè)計(jì)理念。

Abstract： Aimed at the different varieties of fruit with the approximate lineament and different shapes， this paper carries out the gift packaging for them. In this machine， the mechanical integration technology is used to achieve the delivery of packaging paper. The fruit transport is achieved by the rotation of the ratchet shaped on the tray to achieve the transfer of fruit and paper cutting blade work after the fruit into the mechanical hand by the cam lever mechanism. Part of the mechanical hands open and close with the shape of the packaging object by the spring to package the fruit with different sizes and different materials. The hindside uses rear closing plate and shaft cover to seal. The packaging is completed by the various agencies. Because of the OPP packaging paper can be hot sealing， this machine carries out heat sealing for the packing seal. It reduces the human input， omits the sealing rope and saves the material force by the changes of the seal. At the same time， it retains the people to enjoy the pursuit of beauty and reflects the machines design concepts of environmental protection， quick and saving.

關(guān)鍵詞： 包裝；圣誕果；機(jī)械手；熱封

Key words： packaging；Christmas fruit；mechanical hand；heat sealing

中圖分類號：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）29-0099-03

0 引言

包裝在日常生活中日趨廣泛，精美包裝對于人們來說更是一種追求。水果的包裝不僅能給人們帶來一種美的享受，也能使水果的存儲時(shí)間加長。這對于市場和消費(fèi)者來說都是迫切的需求。本文探討如何設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)電一體化的包裝機(jī)裝置，以實(shí)現(xiàn)包裝不同材質(zhì)、形狀和尺寸的商品，創(chuàng)意來源于圣誕節(jié)時(shí)的小禮物圣誕果的包裝。例如包裝柑橘、橙子、蘋果等水果小禮品。

1 包裝機(jī)的總體布局

1.1 機(jī)型選擇

從實(shí)際制作上來選擇，由于材料、成本和制作工藝尚存在限制，所以選擇機(jī)型是小批量生產(chǎn)。擬定產(chǎn)量是20個(gè)/分鐘，這樣對于材料的應(yīng)力就會大大減少，減少制作難度。

1.2 自動(dòng)機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

根據(jù)我們的設(shè)計(jì)思路確定自動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成如下：

①供紙機(jī)構(gòu)；②頂物機(jī)構(gòu)；③棘輪機(jī)構(gòu)；④鉗物機(jī)械手；⑤剪紙機(jī)構(gòu)。

下面介紹主要執(zhí)行的結(jié)構(gòu)和工作原理：

棘輪和鉗物機(jī)械手同步反向間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，把物塊依次撥至頂物包裝位置（即中間嚙合處）。棘輪的轉(zhuǎn)動(dòng)與頂物桿運(yùn)動(dòng)不但有時(shí)間的先后次序關(guān)系，并在空間上有一定的相互干涉，因此本設(shè)計(jì)應(yīng)該避免它們的運(yùn)動(dòng)循時(shí)產(chǎn)生干涉，注意結(jié)構(gòu)空間上的細(xì)節(jié)和誤差。

1.3 球狀水果包裝機(jī)設(shè)備的工作原理

分析工藝操作順序：

①剪紙。當(dāng)送紙至指定位置時(shí)，通過刀片裁割將包裝紙與卷筒分離完成剪紙動(dòng)作。

②頂物。頂物桿受力向上運(yùn)動(dòng)，在頂物桿上升至與待包裝物接觸時(shí)，頂物桿頂著包裝物底部向上運(yùn)動(dòng)，送至機(jī)械手的內(nèi)部，隨后頂桿返至原來位置。在這個(gè)過程中完成物品包裝。

③封口。鉗物機(jī)械手將物品和包裝紙一起固定住，熱封裝置將包裝口夾住，利用熱封原理完成封口動(dòng)作。包裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

2 選擇電動(dòng)機(jī)類型

電機(jī)的選擇是本次設(shè)計(jì)的重要部分，翻閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，結(jié)合自身設(shè)計(jì)需求，選擇電動(dòng)機(jī)為減速步進(jìn)電機(jī)，電壓為直流12V。其特點(diǎn)為：轉(zhuǎn)速較低，工作穩(wěn)定，耗電量少、運(yùn)動(dòng)性能穩(wěn)定、工作中振動(dòng)小、工作效率高、不會產(chǎn)生過多噪音、體積小、更易于維修。電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

3 零件的設(shè)計(jì)

3.1 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)

由于本次設(shè)計(jì)水果包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)特殊性，要求機(jī)械手（棘輪與機(jī)械手反向同轉(zhuǎn)速）每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，要包裝5個(gè)水果，相當(dāng)于頂物桿要推送待包裝物5次。而本系統(tǒng)中機(jī)械手和頂物桿的速度又間接的由蝸輪蝸桿決定，所以，我們必須選擇一對傳動(dòng)比為1：5的蝸輪蝸桿。它的材料是ZCuAl10Fe3，精度等級8，砂型鑄造，適用于普通機(jī)構(gòu)查表得[σH]=200MPa。蝸輪蝸桿的基本參數(shù)如表2。

3.2 錐齒輪的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的特殊性，需要傳動(dòng)比為1：1并且可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)垂直軸傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)裁割刀片的運(yùn)轉(zhuǎn)。本裝置選用材料為45鋼的直齒圓錐齒輪。錐齒輪壽命長、高負(fù)荷承載力并且耐化學(xué)和腐蝕性強(qiáng)、降噪和減震、重量輕，成本低、易于成型、潤滑性好。所選錐齒輪的基本參數(shù)如表3所示。

3.3 軸的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的水果包裝機(jī)，結(jié)構(gòu)比較簡單，總共有5根軸，它們的受力總共來自這幾個(gè)方面。一方面是軸帶動(dòng)裝在它上面的零件過程中需要的轉(zhuǎn)矩；二是凸輪及頂物桿對軸的徑向沖擊力；三是承受自身、軸上零件等的重力。表4為計(jì)算所得的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)。

3.4 凸輪的設(shè)計(jì)

3.4.1 凸輪的選擇

本次設(shè)計(jì)中，凸輪機(jī)構(gòu)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，根據(jù)我們設(shè)計(jì)的包裝機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，我們選用盤形凸輪。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，廣泛被用?？紤]機(jī)械結(jié)構(gòu)需要，選用平底直動(dòng)從動(dòng)件。

3.4.2 凸輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)空間與行程初步取基圓半徑r=50mm，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)需求，初步確定凸輪工作圖與行程表如圖2和表5。

3.5 機(jī)械手夾持裝置設(shè)計(jì)

要求：①需要跟尺寸在一定范圍內(nèi)的水果一樣的形狀，并且機(jī)械手能夠?qū)⒋b的水果夾住且不掉落。②保證工件正確定位。保證機(jī)械手和棘輪能在要求的位置正確定位，以便頂物桿能順利的把物品送入機(jī)械手內(nèi)腔內(nèi)。機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)如圖3。

3.6 箱體的設(shè)計(jì)

考慮到此包裝機(jī)是屬于包裝食品類機(jī)械，為了食品的加工包裝處于一個(gè)干凈、無污等的環(huán)境中，我們利用亞克力板做箱體的上端面，將包裝物品與各傳動(dòng)零件隔離開。箱體設(shè)計(jì)理念采用鑲嵌式設(shè)計(jì)，巧妙利用鋁型材自帶的凹槽，將與其相適配的亞克力板固定在其中，既固定可靠，又節(jié)約亞克力板材，盡可能減少機(jī)器制造成本，提高性價(jià)比，為初期創(chuàng)業(yè)人員謀福利。

4 結(jié)束語

本包裝設(shè)備為水果包裝運(yùn)輸生產(chǎn)線全部設(shè)備的一部分，但在整個(gè)水果包裝中卻起到核心作用，另外本設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡單，關(guān)鍵零部件易于加工，壽命長且加工成本低?？紤]到加工技術(shù)的提高，設(shè)備制造費(fèi)用應(yīng)該更低一些。

經(jīng)過對水果市場調(diào)查，特別是對經(jīng)過外形包裝和未包裝的水果對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過外形包裝的水果不僅比未包裝的水果儲藏的時(shí)間長，而且銷量也要比未包裝的銷量大。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，消費(fèi)者對于有外形包裝的水果更加青睞。根據(jù)水果外形包裝市場前景分析，本包裝機(jī)可以節(jié)省大量的勞動(dòng)力，對于水果商品銷售者和網(wǎng)店創(chuàng)業(yè)初期缺少資金和人手的創(chuàng)業(yè)者來說，本包裝機(jī)的出現(xiàn)，無疑是幫助他們解決了大難題，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值顯而易見。

參考文獻(xiàn)：

[1]李育錫.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]門艷忠.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2010.

[3]苗淑杰，劉喜平.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012.

[4]嚴(yán)家杰.機(jī)械原理[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1987.

[5]成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[6]高德.包裝機(jī)械設(shè)計(jì) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[7]高志，黃純穎.機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2010.

[8]宋寶玉、王黎欽.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2010，5.

[9]沈鴻，周建南，汪道涵，等.機(jī)械工程手冊[M].北京：機(jī)械工程出版社，2007，9.

[10]駱光林.綠色包裝材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[11]邱映輝.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[12]丁尚林.塑料包裝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[13]吳宗澤.高等機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[14]張國全.包裝機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：印刷工業(yè)出版社，2013.

[15]黃穎.包裝機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[16]劉筱霞.包裝機(jī)械[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[17]Reimpell，J，Stoll，H，Betzler，JW.The automotive chassis： engineering principles.Butterworth-Heinemann：2002.

[18]Reuven Katz. Design principles of reconfigurable machines[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2011 （5-6）.