何瀟灑 王曉倩 尤勝哲

摘要：現(xiàn)階段電商飛速發(fā)展，網(wǎng)紅糖果的銷量逐年飆升。針對目前已有的包裝機器體積大、價格昂貴不適用于電商使用等問題，設(shè)計一種能提高糖果包裝效率的小型立式枕式糖果包裝機。該機器整體為立式布局，具有占地面積小、包裝效率高、結(jié)構(gòu)緊湊且制造維護(hù)成本低等特點。側(cè)封機構(gòu)采用兩對等速同向轉(zhuǎn)動的滾輪組成，端封機構(gòu)采用雙曲柄滑塊機構(gòu)的原理，利用曲軸驅(qū)動實現(xiàn)往復(fù)封裝并切斷包裝紙，此外側(cè)封機構(gòu)和端封機構(gòu)通過機構(gòu)組合實現(xiàn)聯(lián)動確保了聯(lián)動的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：包裝機；糖果；枕式包裝；效率；體積

中圖分類號：TB486 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1400 （2020） 01-0043-05

基金項目：浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃資助項目（2018R429037）。

Design of Small Vertical Candy Packaging Machine for E-Commerce

HE Xiao-sa， WANG Xiao-qian， YOU Sheng-zhe

（Wenzhou University， Wenzhou Zhejiang province 325035， China）

Abstract： At present， the rapid development of e-commerce， web celebrity candy sales soared year by year. Aiming at the problems of the existing packaging machine， such as large size and high price， which is not suitable for e-commerce retailor， a small vertical pillow-like candy wrapper is designed to improve the efficiency of candy packaging machine. The machine has the characteristics of small floor space， vertical layout， high packaging efficiency， compact structure and low manufacturing and maintenance cost. The side sealing mechanism is composed of two pairs of rollers rotating in the same direction at the same speed， and the end sealing mechanism is based on the principle of double crank slider mechanism. In addition， the linkage between the side sealing mechanism and the end sealing mechanism ensures the linkage stability through combination of mechanisms.

Keywords： packaging machine； candy； pillow-like packing； efficiency； volume

引言

近年來網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展極大的方便了人們的日常生活，越來越多的人更傾向于網(wǎng)絡(luò)購物，于是電商行業(yè)也得到了快速發(fā)展。其中網(wǎng)紅糖果越來越受到年輕人的喜愛，銷量也逐年遞增，甚至到達(dá)了供不應(yīng)求的地步。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是目前的包裝機器體積大，造價高，并不適用于小成本經(jīng)營的網(wǎng)店，尤其是枕式包裝機大多數(shù)都是臥式，且價格均在萬元以上。中國的塊糖市場在2001年達(dá)到了15億美金，重量達(dá)到了74萬噸，2006年達(dá)到了22億美金，重量達(dá)到了92.3萬噸，預(yù)計后續(xù)還會繼續(xù)增加，而且散裝市場占據(jù)了很大比重[1]。所以目前急需一款小型全自動立式糖果包裝機來提高糖果電商的包裝效率，來滿足日益增長的網(wǎng)紅糖果需求。

目前國內(nèi)的糖果包裝機主要分為兩種，一種是扭結(jié)式糖果包裝機，一種是枕式包裝機。采用扭結(jié)式包裝密封效果較差，而且使用范圍較為狹窄；現(xiàn)階段最新的枕式包裝機都采用伺服電機，光電跟蹤和高速攝影等新技術(shù)，包裝效率也得到了極大的提升，但是價格也相當(dāng)?shù)陌嘿F。日本國內(nèi)糖果包裝機雖然形式多樣，但特別高速的卻少見，一般都在400-600轉(zhuǎn)/分，機器運轉(zhuǎn)正常，穩(wěn)定性好。其代表為日本“Fuji”公司出產(chǎn)的FT-8型扭轉(zhuǎn)式包裝機。但這還不算最高，與英國的Rose Theegarten公司生產(chǎn)的U1-F1型和“Twister”包裝機相比，就顯得不足為奇。它們分別每分鐘1300顆和1500顆[2]。

1 包裝機整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)有糖果包裝機的體積大、造價高是目前比較嚴(yán)峻的問題，要減小機器體積和造價就需要從機器的整體設(shè)計出發(fā)，先勾勒出機器的大致結(jié)構(gòu)布局，合理的布局可以很大程度上減小機器的體積以及制造成本。如圖1所示，本文涉及到的包裝機的工作對象為立方體狀的糖果，主要有送紙機構(gòu)、送料機構(gòu)、側(cè)封機構(gòu)、端封機構(gòu)四部分構(gòu)成?，F(xiàn)有包裝機大多為臥式，所以占地面積較大。該問題最簡單有效的解決辦法就是將該機器設(shè)計為立式結(jié)構(gòu)，其次就是結(jié)構(gòu)布局，良好的結(jié)構(gòu)布局可以使結(jié)構(gòu)更加緊湊，減小機器的體積，提高空間利用率。該包裝機將送紙機構(gòu)放置在了機器的頂端，包裝紙自上而下運動，這樣不僅可以方便用戶更換包裝紙，而且避免了包裝紙運動過程中彎折卡死以及撕破等問題；送紙機構(gòu)下的布局依次為送料機構(gòu)、側(cè)封機構(gòu)和端部封切機構(gòu)，將送料機構(gòu)置于包裝熱封機構(gòu)的上層有利于利用糖果顆粒的重力使送料機構(gòu)順利完成送料工作，若送料機構(gòu)放置于包裝熱封機構(gòu)的下層則需要增加機構(gòu)來完成糖果顆粒的向上運送工作，增加設(shè)計和制造難度；其次是端部封切機構(gòu)，糖塊經(jīng)端部封切機構(gòu)后就已經(jīng)完成了全部的包裝工作，將該機構(gòu)置于底部便于后續(xù)收集打包。

2 工作原理及技術(shù)參數(shù)

該糖果包裝機包含一個伺服電機和一個交流無刷電機，伺服電機用于驅(qū)動送料機構(gòu)，交流無刷電機用于側(cè)封機構(gòu)和端部封切機構(gòu)。送料機構(gòu)中的電機轉(zhuǎn)向周期性改變完成糖塊的逐粒送出和料倉的周期性前移以完成料倉中所有糖塊的包裝。側(cè)封機構(gòu)和端部封切機構(gòu)通過機構(gòu)的設(shè)計組合實現(xiàn)聯(lián)動，只需一個恒定轉(zhuǎn)速的電機即可有序完成糖塊的側(cè)封和端部封切。其中端部封切機構(gòu)以曲軸作為主動件，利用雙曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)加熱切斷器的往復(fù)運動進(jìn)行糖果端部熱封和切斷，側(cè)封機構(gòu)和端部封切機構(gòu)之間利用一個直角杠桿將滑塊的往復(fù)運動引用到側(cè)面熱封機構(gòu)中，將兩部分實現(xiàn)聯(lián)動，工作穩(wěn)定可靠。

側(cè)封機構(gòu)中采用兩對轉(zhuǎn)向相反的滾輪分別完成側(cè)面的熱封和包裝紙的下拉。側(cè)封機構(gòu)和端部封切機構(gòu)的機構(gòu)簡圖如圖2所示。送紙機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理于與傳統(tǒng)的包裝機送紙機構(gòu)大致相同，但是該包裝機送紙機構(gòu)中的兩個過渡輥除起到支撐包裝紙的功能以外還兼具整個送紙機構(gòu)的安裝固定功能，將送紙機構(gòu)進(jìn)行了很大程度上簡化。此外送紙機構(gòu)是全自動包裝機的重要部件，其工作是否可靠，直接影響制袋及包裝產(chǎn)品的質(zhì)量。在立式成型充填封合包裝機中，由于包裝紙在輸送過程中受力不均勻，送紙機構(gòu)容易出現(xiàn)包裝紙跑偏的現(xiàn)象，對于翻領(lǐng)式成型器，其現(xiàn)象更加明顯[3]。所以將送紙機構(gòu)置于機器的頂端，讓包裝紙沿重力的方向自上而下輸送，這樣最大程度上避免了包裝紙受力不均勻的問題，而且減少了包裝紙的彎折次數(shù)，減小了輸送過程的阻力。

該包裝機的包裝紙成型器與現(xiàn)有的有較大不同，如圖2所示。目前常用的形式有：翻領(lǐng)式成型器、三角形成型器、象鼻成型器、V形成型器等。其中翻領(lǐng)成型器廣泛應(yīng)用于各種立式袋包機[4]。如果翻領(lǐng)成型器交接曲線設(shè)計不合理，成型器加工質(zhì)量不高，薄膜就容易跑偏，出現(xiàn)皺折、張緊度不一、成袋有魚鱗紋、糾偏困難等現(xiàn)象[5]。所以采用翻領(lǐng)式成型器會大大增加該機器的制造成本，對包裝紙的要求也較高。此外翻領(lǐng)式成型器要求包裝紙與成型器有較好的貼合度，所以在包裝紙經(jīng)過翻領(lǐng)結(jié)構(gòu)過程中阻力較大，包裝紙容易產(chǎn)生破損。為避免以上問題，設(shè)計了一種雙層的包裝紙成型器，包裝紙沿著縫隙的開口方向從內(nèi)外層的縫隙中穿過后包裹于成型管的外側(cè)完成紙袋成型，包裝紙輸送阻力較小，而且可以避免包裝紙變形、破損等問題。

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計

3.1送料機構(gòu)部件

包裝機的設(shè)計目的在于代替人工，提高包裝效率，其中送料機構(gòu)是整個機器運作的基礎(chǔ)機構(gòu)，送料機構(gòu)的效率決定了整個包裝機的效率上限。該包裝機的送料機構(gòu)用伺服電機驅(qū)動，通過絲桿傳動機構(gòu)進(jìn)行糖塊的輸送和料倉的前移，為防止發(fā)生糖塊卡死現(xiàn)象，在包裝紙成型器的入口位置設(shè)置了曲柄滑塊糖塊推進(jìn)裝置，并且和送料機構(gòu)共同使用同一個動力源，實現(xiàn)了送料機構(gòu)和防卡死機構(gòu)的協(xié)調(diào)工作[6]。

3.2端部封切機構(gòu)部件

端部封切機構(gòu)的基本原理是雙曲柄滑塊機構(gòu)，如圖5所示，動力源采用交流無刷電機，主動件是曲軸，最終工作原件是滑塊加熱切斷器。曲軸上連接兩個曲柄滑塊機構(gòu)，其中長方形滑塊安裝于導(dǎo)軌中，正方形滑塊安裝于長方形滑塊中間并可以相對滑動，兩個滑塊上均安裝有加熱器切斷器，曲軸轉(zhuǎn)動過程中兩個滑塊的運動方向始終相反，間歇性的貼合與分離，完成糖果包裝袋的端部熱封和剪切。此外，滑塊上還設(shè)有彈簧緩沖裝置，保證了包裝袋端部能夠有足夠的加熱時長和剪切的可靠性。

3.3側(cè)封機構(gòu)部件

側(cè)封機構(gòu)利用兩對相鄰的轉(zhuǎn)向相反的滾輪實現(xiàn)包裝紙的下拉和熱封過程，結(jié)構(gòu)如圖6所示。兩對滾輪均由間歇轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸驅(qū)動，轉(zhuǎn)軸的間歇運動通過另一端連接的單向軸承來實現(xiàn)，單向軸承的內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸固定，外圈與齒輪固定，齒輪由間歇性上下運動的雙面齒條帶動，齒條的動力通過一個直角杠桿從端部封切機構(gòu)的正方形滑塊上引入，實現(xiàn)了側(cè)封機構(gòu)和端部封切機構(gòu)的聯(lián)動，保證了兩部分結(jié)構(gòu)的運動穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性。機構(gòu)簡圖如圖2所示。

4 三維建模

由于Solidworks2016兼具建模和仿真分析的功能，以及Toolbox標(biāo)準(zhǔn)零件庫，極大的方便了該設(shè)計的建模仿真，所以該設(shè)計利用Solidworks2016三維建模軟件建立了糖果包裝機的1：1三維模型，并從Toolbox標(biāo)準(zhǔn)零件庫調(diào)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件完成模型的裝配，后續(xù)還進(jìn)行了簡單的運動仿真分析和干涉檢查，確保了該設(shè)計的合理性與可行性，整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

5 結(jié)論

1）該設(shè)計在保證包裝效率的情況下，實現(xiàn)了包裝機的小型化和輕量化，更加適用于小型電商使用，對于電商行業(yè)的發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。

2）該包裝機的包裝效率與現(xiàn)有較為成熟的包裝機相比雖然仍存在差距，但包裝效率已經(jīng)遠(yuǎn)超人工包裝，而且生產(chǎn)制造成本更加低廉。

3）后續(xù)研究過程中可以進(jìn)一步的進(jìn)行綜合仿真分析，結(jié)合具體數(shù)據(jù)繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

4）端部封切機構(gòu)中，曲柄滑塊機構(gòu)存在頻繁的運動換向，存在較大的加速度，限制了包裝機的效率，零件的設(shè)計可以進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，保證強度可用的同時減小零件的重量，進(jìn)而減小沖擊。

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