【正文】 1 緒論 課題研究的背景和意義 目前, 國(guó)內(nèi)糖果產(chǎn)品的包裝形式有扭結(jié)式包裝、枕式包裝、折益信封式包裝。枕式包裝在國(guó)際上流行于上個(gè)世紀(jì)60—70年代, 國(guó)內(nèi)從80年代開始流行至今。傳統(tǒng)扭結(jié)式包裝是最老的包裝形式, 從發(fā)明到現(xiàn)在已有近百年歷史。這種包裝形式多用于糖果, 它不僅可以通過現(xiàn)代化高速、自動(dòng)化的包裝機(jī)來完成, 也可以通過手工操作完成。最初的扭結(jié)包裝機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一，操作復(fù)雜，只能完成最基本的扭結(jié)動(dòng)作，而且生產(chǎn)效率低下又極不衛(wèi)生。因此曾一度被枕式包裝機(jī)的出現(xiàn)所取代。多年以來, 糖果包裝一直是以枕式包裝獨(dú)占鰲頭，風(fēng)靡一時(shí)。直到現(xiàn)在枕式包裝機(jī)也較扭結(jié)包裝機(jī)普及,。目前大多數(shù)糖果、巧克力生產(chǎn)企業(yè)均采用枕式包裝。但隨著糖果包裝行業(yè)的迅猛發(fā)展，以及各種先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，糖果扭結(jié)包裝這種古老而有年輕的包裝形式越來越受到人們的青睞。糖果扭結(jié)包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能不斷完善, 使這種受人們歡迎的包裝形式沉寂了一段時(shí)期后又走上了舞臺(tái)[2]。目前大部分扭結(jié)裹包產(chǎn)品，如糖果、冰棒、雪糕、巧克力等食品包裝都已實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。但糖果扭結(jié)包裝機(jī)的設(shè)計(jì)上存在一些問題，其缺陷是限制生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸。例如：由于包裝速度過快，糖塊會(huì)嚴(yán)重偏移，使糖塊超前運(yùn)動(dòng)，碰著運(yùn)動(dòng)零部件；理糖裝置與出糖裝置不協(xié)調(diào)、不同步，從而容易出現(xiàn)卡包漏包現(xiàn)象；包裝材料制動(dòng)力太小，拉伸時(shí)容易出現(xiàn)松弛，包裝材料因飄動(dòng)而跑偏；糖果通道間隙大，包裝材料難以緊貼糖果。所以此次課題對(duì)這方面的研究對(duì)于優(yōu)化糖果扭結(jié)包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本以及減少機(jī)器故障等方面有著重要意義[4]。 扭結(jié)式糖果包裝機(jī)研究現(xiàn)狀 用撓性包裝材料裹包產(chǎn)品，將末端伸出的裹包材料扭結(jié)封閉的機(jī)器稱為扭結(jié)式裹包機(jī)。其裹包方式由單端和雙端扭結(jié)。我國(guó)糖果包裝六七十年代前主要以手工作業(yè)為主，這是由我國(guó)當(dāng)時(shí)的特殊國(guó)情決定的，對(duì)糖果扭結(jié)包裝機(jī)的研究很少。隨著市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大和食品工業(yè)的快速發(fā)展，改革開放前我國(guó)開始從歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)他們的糖果包裝機(jī)械設(shè)備，并開始有計(jì)劃的進(jìn)行仿制和改造，吸收國(guó)外糖果包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)理念和制造經(jīng)驗(yàn)。到八十年代初已經(jīng)基本完成了對(duì)引進(jìn)的糖果包裝機(jī)械裝置的消化吸收工作，并對(duì)糖果包裝機(jī)開發(fā)出自己的新技術(shù)、新設(shè)備。九十年代，我國(guó)研制出伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的食品包裝機(jī)械，食品包裝機(jī)械行業(yè)實(shí)現(xiàn)了由機(jī)械裝置為主向電腦程控為主的技術(shù)升級(jí)。在這種情況下，我國(guó)糖果包裝機(jī)取得了長(zhǎng)久的發(fā)展。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的糖果包裝機(jī)生產(chǎn)速度更快，自動(dòng)化程度更高，機(jī)械性能的柔軟性、系統(tǒng)化程度也迅速提高。中國(guó)以糖果包裝機(jī)、顆粒充填機(jī)、液體灌裝機(jī)等為代表的食品包裝機(jī)械以其獨(dú)特性贏得了世界市場(chǎng)廣闊的銷售空間。例如上海久豐食品機(jī)械有限公司自行研發(fā)制造的雙扭型糖果包裝機(jī)處于世界領(lǐng)先水平,申請(qǐng)專利并取得國(guó)家級(jí)鑒定備案。目前糖果包裝機(jī)的研究和開發(fā)主要是抓住一個(gè)核心技術(shù)：計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入食品包裝機(jī)械領(lǐng)域。我國(guó)已成功地研發(fā)出具有世界領(lǐng)先水品的微電腦程控式扭結(jié)包裝機(jī)，并實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，開始向眾多國(guó)內(nèi)外食品包裝機(jī)械廠家提供該設(shè)備。該機(jī)采用國(guó)際流行的兩端扭結(jié)式包裝,設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)新穎、經(jīng)濟(jì)實(shí)用,受到廣東、福建、浙江、上海、山東、四川、河南等地及東南亞地區(qū)各使用廠家的一致好評(píng)。隨著時(shí)代的不斷發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，中國(guó)制造的糖果包裝機(jī)械必將走向世界[5]。雖然我國(guó)的糖果包裝機(jī)械發(fā)展較快，但由于歷史原因和我國(guó)的一些特殊國(guó)情，我國(guó)食品包裝機(jī)械起步較晚，技術(shù)水平從整體上看要比先進(jìn)國(guó)家的枝術(shù)水平整體落后好幾年。糖果包裝機(jī)在產(chǎn)品的開發(fā)、性能、質(zhì)量、可靠性等方面有著明顯不足。從質(zhì)量上看：我國(guó)糖果包裝機(jī)械的生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)手段較落后，大部分還是采用陳舊的通用設(shè)備加工，產(chǎn)品的規(guī)格、型號(hào)不全，質(zhì)量還有待于進(jìn)一步提高。糖果類包裝機(jī)械品種少，配套數(shù)量少，缺少高精度和大型化產(chǎn)品，遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求。自行研發(fā)的糖果包裝機(jī)性能較低，穩(wěn)定性和可靠性差、外觀造型不美觀、表面處理粗糙，許多元器件質(zhì)量差，壽命短、可靠性低，影響了整體的質(zhì)量。從產(chǎn)品開發(fā)看：我國(guó)糖果包裝機(jī)械主要還是仿制、測(cè)繪，稍加國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)，談不上正真意義的開發(fā)研究。目前，國(guó)內(nèi)廠家對(duì)糖果包裝機(jī)的研發(fā)投入較少，產(chǎn)品開發(fā)缺少創(chuàng)新，難上水平，新產(chǎn)品開發(fā)不但數(shù)量少，而且開發(fā)周期長(zhǎng)。在企業(yè)管理上，往往重生產(chǎn)加工，輕研究開發(fā)，創(chuàng)新不夠，不能緊跟市場(chǎng)需求及時(shí)更新產(chǎn)品。我國(guó)糖果包裝機(jī)械行業(yè)缺乏知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)，這也是其他行業(yè)的通病，往往剛設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品很快就被仿制出來了，短時(shí)間內(nèi)有上千家企業(yè)同時(shí)投放市場(chǎng)，到最后甚至根本找不到誰(shuí)是該設(shè)備產(chǎn)品的開發(fā)者。許多企業(yè)忙于現(xiàn)有產(chǎn)品擴(kuò)大市場(chǎng)，忙于仿制和抄襲他人的產(chǎn)品，根本不去考慮產(chǎn)品如何升級(jí)換代，如何實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新。從糖果包裝機(jī)自動(dòng)化程度看：國(guó)外使用的糖果包裝機(jī)械自動(dòng)化程度高，單產(chǎn)比我國(guó)大。這不是我國(guó)的制造水平達(dá)不到，而是需求上的問題。其原因：一是我國(guó)勞動(dòng)力多、成本低；二是我國(guó)制造企業(yè)總體規(guī)模不大，而產(chǎn)能大的機(jī)型一次性投入大，會(huì)給企業(yè)帶來很大的負(fù)擔(dān)[7]。目前我國(guó)糖果類食品包裝機(jī)械出口額還不足總產(chǎn)值的5%，進(jìn)口額卻與總產(chǎn)值大抵相當(dāng)，與發(fā)達(dá)國(guó)家相去甚遠(yuǎn)。 扭結(jié)式糖果包裝機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)未來扭結(jié)式糖果包裝機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)將配合產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化、智能化趨勢(shì)，技術(shù)發(fā)展將朝著四個(gè)方向發(fā)展：一是機(jī)械功能多元化。工商業(yè)產(chǎn)品已趨向精致化及多元化，在大環(huán)境變化形勢(shì)下，多元化、彈性化且具有多種切換功能的糖果包裝機(jī)種方能適應(yīng)市場(chǎng)需求。二是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、模組化。充分利用原有機(jī)型模組化設(shè)計(jì)，可在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換新機(jī)型。三是控制智能化。目前食品包裝機(jī)械生產(chǎn)廠家普遍使用PLC動(dòng)力負(fù)載控制器，雖然PLC彈性很大，但仍未具有電腦（含軟件）所擁有的強(qiáng)大功能。四是結(jié)構(gòu)高精度化。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制等事關(guān)包裝機(jī)械性能的優(yōu)劣，可通過馬達(dá)、編碼器及數(shù)字控制（NC）、動(dòng)力負(fù)載控制（PLC）等高精密控制器來完成，并適度地做產(chǎn)品延伸，朝高科技產(chǎn)業(yè)的包裝設(shè)備方向研發(fā)。糖果包裝機(jī)械越來越注重開發(fā)快速、成本較低的包裝設(shè)備，未來的發(fā)展趨勢(shì)是設(shè)備更小型、更靈活機(jī)動(dòng)、多用途、高效率。此趨勢(shì)還包括節(jié)約時(shí)間、降低成本，因此包裝機(jī)所追求的是組合化、簡(jiǎn)潔化、可移動(dòng)的包裝設(shè)備[8]。要快速縮短國(guó)內(nèi)糖果制造業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，只有走技術(shù)革新之路。而今后國(guó)內(nèi)糖果包裝的發(fā)展趨勢(shì)必然會(huì)朝包裝機(jī)的高速自動(dòng)化、一機(jī)多能化及包裝設(shè)計(jì)的特色化方向發(fā)展。首先，使用機(jī)械的目的在于提高生產(chǎn)率，在包裝產(chǎn)品時(shí)要求效率非常高，強(qiáng)調(diào)的是速度和質(zhì)量，而更換包裝結(jié)構(gòu)卻是次要的。在糖果類進(jìn)行包裝時(shí)，一般需要高速、自動(dòng)化的包裝機(jī)，以追求規(guī)模經(jīng)濟(jì)的包裝成本優(yōu)化。在這類包裝機(jī)上，采用了當(dāng)今最新的技術(shù)，如伺服電機(jī)、光電追蹤、高速攝影等，以達(dá)到包裝機(jī)效能。與糖果包裝機(jī)連接的傳送帶的自動(dòng)轉(zhuǎn)向、整理、急停、加速也被廣泛應(yīng)用。其次，對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)化或季節(jié)性的產(chǎn)品，包裝機(jī)應(yīng)該是靈活的，特點(diǎn)是輕便和小巧。靈活則是為適應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)需求而開發(fā)的，糖果就有扭結(jié)式、枕式、三角式、異形等，這些產(chǎn)品的包裝要求能在一套包裝設(shè)備上完成，而只需在局部控制或操作上稍加變換便可完成不同結(jié)構(gòu)形式的包裝。該類型糖果包裝機(jī)不追求速度，而是尋求個(gè)性化的包裝和靈活適應(yīng)性?？傮w來說，今后我國(guó)的糖果包裝設(shè)備將會(huì)向著多功能、高性能、自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展。加入WTO 以后，我國(guó)的食品包裝機(jī)械行業(yè)既面臨機(jī)遇，也將受到挑戰(zhàn)。我們將在基本同等的世界市場(chǎng)環(huán)境里同國(guó)外企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。所有的相關(guān)企業(yè)應(yīng)研究適合自身的發(fā)展對(duì)策，找準(zhǔn)有潛力的發(fā)展方向，爭(zhēng)取與世界同步，并到世界市場(chǎng)上一爭(zhēng)高低。只有這樣，我國(guó)的糖果包裝機(jī)械才能在激烈的全球競(jìng)爭(zhēng)中找到立足之地，并最終獲得巨大的發(fā)展[10]。2 糖果扭結(jié)包裝機(jī)總體方案設(shè)計(jì) 功能、參數(shù)及應(yīng)用范圍分析用途：包裝已成型的蛋白糖和乳脂糖。生產(chǎn)能力：每分鐘200—350塊。糖塊規(guī)格：圓柱形和長(zhǎng)方體形兩種糖塊。圓柱形糖塊規(guī)格為長(zhǎng)26—30mm，直徑Φ為12—16mm，長(zhǎng)方體形糖塊規(guī)格為長(zhǎng)25—30mm，高12—18mm，厚10—14mm。 包裝材料：用卷筒式內(nèi)外兩層紙裹包。內(nèi)襯紙為淀粉紙或防油脂紙，寬30—40mm，外商標(biāo)紙為蠟紙或玻璃紙，寬85—90mm。裹包方式：雙端扭結(jié)式裹包。電動(dòng)機(jī)：。外形尺寸：1450mm650mm1620mm。 工藝分析 扭結(jié)包裝機(jī)類型的確定扭結(jié)式糖果裹包機(jī)有間歇運(yùn)動(dòng)和連續(xù)運(yùn)動(dòng)兩種類型。連續(xù)運(yùn)動(dòng)型一般用于一層紙包裝，包裝速度較間歇運(yùn)動(dòng)型要快。但它如果用兩層紙包裝糖果時(shí)要求內(nèi)襯紙與外商標(biāo)紙一樣寬，這樣會(huì)造成內(nèi)襯紙的很大浪費(fèi)。間歇運(yùn)動(dòng)型既可用于一層紙包裝，也可用于兩層紙包裝，用兩層紙時(shí)內(nèi)襯紙和外商標(biāo)紙可以不一樣寬，這樣可以節(jié)約成本。根據(jù)本次課題的設(shè)計(jì)要求選用間歇運(yùn)動(dòng)型包裝機(jī)。又由于糖果生產(chǎn)批量大，扭結(jié)式裹包動(dòng)作也較多，故選用多工位裹包機(jī)。 包裝工藝流程、工藝路線和工位數(shù)的確定（1）包裝程序和工藝流程圖糖果被理糖機(jī)構(gòu)、推搪機(jī)構(gòu)送到工序盤的指定位置后，內(nèi)襯紙和外商標(biāo)紙同時(shí)圍繞糖塊進(jìn)行裹包動(dòng)作，將糖塊裹包成呈筒狀。然后糖塊兩端伸出包裝紙被扭結(jié)機(jī)械手扭結(jié)，糖果被封閉完成裹包，最后糖果被打糖桿打出。整個(gè)包裝過程結(jié)束，下個(gè)包裝過程開始。包裝工藝流程圖[11]： 包裝工藝流程圖 1—送糖；2—糖鉗手張開、送紙；3—夾糖；4—切紙； 5—紙、糖進(jìn)入糖鉗手； 6—接、送糖桿離開； 7—下折紙； 8—上折紙；9—扭結(jié)；10—打糖（2）： 包裝扭結(jié)工藝路線圖 1—扭結(jié)手；2—工序盤；3—打糖桿； 4—活動(dòng)折紙板； 5—接糖桿；6—包裝紙； 7—送糖桿；8—輸送帶；10—固定折紙板（3）工位數(shù)及描述，糖果需經(jīng)過夾持、下折紙、上折紙、扭結(jié)、打糖這幾個(gè)階段，為了減少工位數(shù)可將扭結(jié)和成品輸出分別安排在工位Ⅲ、Ⅳ完成，這樣只需四個(gè)工位即可。但為改善槽輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性，并使總體布局合理，扭結(jié)和成品輸出還是分別布置在工位Ⅳ、Ⅵ為佳，這樣可簡(jiǎn)化傳動(dòng)，并且操作人員還可兼顧成品裝盒工作。，在第Ⅰ工位，送糖桿接糖桿5將糖果9和包裝紙一起送入工序盤上的一對(duì)糖鉗手內(nèi)，并被夾持形成“U”形。然后，活動(dòng)折紙板4將下部伸出的包裝紙（U形的一邊）向上折疊。當(dāng)工序盤轉(zhuǎn)到第Ⅱ工位時(shí)，固定折紙板10已將上部伸出的包裝紙（U形的另一邊）向下折疊成筒狀。固定折紙板10沿圓周方向一直延續(xù)到第Ⅳ工位。在第Ⅳ工位，連續(xù)回轉(zhuǎn)的兩只扭結(jié)手夾緊糖果兩端的包裝紙，并完成扭結(jié)，在第Ⅵ工位，鉗手張開，打糖桿3將已完成裹包的糖果成品打出，裹包過程全部結(jié)束。 對(duì)執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)要求 ，對(duì)各執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)要求，結(jié)合以下五個(gè)部分說明[113]。 工藝流程圖1—內(nèi)襯紙；2—商標(biāo)紙；3—送紙輥；4—切紙刀；5—糖塊；6—推糖桿；7—送糖帶；8—折紙板；9—接糖桿；10—工序盤；11—糖鉗；12—打糖桿；13—固定折紙板（1）包裝材料供送為了將內(nèi)襯紙1和商標(biāo)紙2連續(xù)等速地供送到工位Ⅰ，并將其定長(zhǎng)切斷，需配置一對(duì)等速轉(zhuǎn)動(dòng)的送紙輥3和切紙刀4。每張紙長(zhǎng)為56—65mm，當(dāng)紙長(zhǎng)改變時(shí)，須更換送紙部件。（2）糖塊整理與供送為將糖塊整理成列開供送到工位Ⅰ，需配置理糖與送糖機(jī)構(gòu)，它們的運(yùn)動(dòng)形式與所選機(jī)構(gòu)類型密切相關(guān)。（3）主傳送為將糖塊和包裝紙由工位Ⅰ間歇地依次傳送到工位Ⅵ，需配置工序盤10，在盤上設(shè)置六對(duì)糖鉗11，以便夾緊糖塊和包裝紙作轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)。每對(duì)糖鉗在工位Ⅵ、Ⅰ停留期間都須作張開和閉合運(yùn)動(dòng)，以便糖塊和包裝紙?jiān)诠の虎襁M(jìn)入糖鉗，成品從工位Ⅵ輸出。工序盤采用有六個(gè)槽的糟輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，這樣就可將槽輪與工序盤布置在一根軸上以簡(jiǎn)化主傳送系統(tǒng)和提高傳動(dòng)精度。（4）裹包執(zhí)行機(jī)構(gòu)1