面向電商的小型立式糖果包裝機的設計

何瀟灑 王曉倩 尤勝哲

摘要：現階段電商飛速發(fā)展，網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、結構緊湊且制造維護成本低等特點。側封機構采用兩對等速同向轉動的滾輪組成，端封機構采用雙曲柄滑塊機構的原理，利用曲軸驅動實現往復封裝并切斷包裝紙，此外側封機構和端封機構通過機構組合實現聯動確保了聯動的穩(wěn)定性。

關鍵詞：包裝機；糖果；枕式包裝；效率；體積

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

基金項目：浙江省大學生科技創(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

近年來網絡的飛速發(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絡購物，于是電商行業(yè)也得到了快速發(fā)展。其中網紅糖果越來越受到年輕人的喜愛，銷量也逐年遞增，甚至到達了供不應求的地步。產生該現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營的網店，尤其是枕式包裝機大多數都是臥式，且價格均在萬元以上。中國的塊糖市場在2001年達到了15億美金，重量達到了74萬噸，2006年達到了22億美金，重量達到了92.3萬噸，預計后續(xù)還會繼續(xù)增加，而且散裝市場占據了很大比重[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紅糖果需求。

目前國內的糖果包裝機主要分為兩種，一種是扭結式糖果包裝機，一種是枕式包裝機。采用扭結式包裝密封效果較差，而且使用范圍較為狹窄；現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，包裝效率也得到了極大的提升，但是價格也相當的昂貴。日本國內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/分，機器運轉正常，穩(wěn)定性好。其代表為日本“Fuji”公司出產的FT-8型扭轉式包裝機。但這還不算最高，與英國的Rose Theegarten公司生產的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 包裝機整體結構設計

現有糖果包裝機的體積大、造價高是目前比較嚴峻的問題，要減小機器體積和造價就需要從機器的整體設計出發(fā)，先勾勒出機器的大致結構布局，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、送料機構、側封機構、端封機構四部分構成。現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計為立式結構，其次就是結構布局，良好的結構布局可以使結構更加緊湊，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；送紙機構下的布局依次為送料機構、側封機構和端部封切機構，將送料機構置于包裝熱封機構的上層有利于利用糖果顆粒的重力使送料機構順利完成送料工作，若送料機構放置于包裝熱封機構的下層則需要增加機構來完成糖果顆粒的向上運送工作，增加設計和制造難度；其次是端部封切機構，糖塊經端部封切機構后就已經完成了全部的包裝工作，將該機構置于底部便于后續(xù)收集打包。

2 工作原理及技術參數

該糖果包裝機包含一個伺服電機和一個交流無刷電機，伺服電機用于驅動送料機構，交流無刷電機用于側封機構和端部封切機構。送料機構中的電機轉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。側封機構和端部封切機構通過機構的設計組合實現聯動，只需一個恒定轉速的電機即可有序完成糖塊的側封和端部封切。其中端部封切機構以曲軸作為主動件，利用雙曲柄滑塊機構實現加熱切斷器的往復運動進行糖果端部熱封和切斷，側封機構和端部封切機構之間利用一個直角杠桿將滑塊的往復運動引用到側面熱封機構中，將兩部分實現聯動，工作穩(wěn)定可靠。

側封機構中采用兩對轉向相反的滾輪分別完成側面的熱封和包裝紙的下拉。側封機構和端部封切機構的機構簡圖如圖2所示。送紙機構的結構原理于與傳統(tǒng)的包裝機送紙機構大致相同，但是該包裝機送紙機構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的安裝固定功能，將送紙機構進行了很大程度上簡化。此外送紙機構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品的質量。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，送紙機構容易出現包裝紙跑偏的現象，對于翻領式成型器，其現象更加明顯[3]。所以將送紙機構置于機器的頂端，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，減小了輸送過程的阻力。

該包裝機的包裝紙成型器與現有的有較大不同，如圖2所示。目前常用的形式有：翻領式成型器、三角形成型器、象鼻成型器、V形成型器等。其中翻領成型器廣泛應用于各種立式袋包機[4]。如果翻領成型器交接曲線設計不合理，成型器加工質量不高，薄膜就容易跑偏，出現皺折、張緊度不一、成袋有魚鱗紋、糾偏困難等現象[5]。所以采用翻領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，所以在包裝紙經過翻領結構過程中阻力較大，包裝紙容易產生破損。為避免以上問題，設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外層的縫隙中穿過后包裹于成型管的外側完成紙袋成型，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 關鍵部件的設計

3.1送料機構部件

包裝機的設計目的在于代替人工，提高包裝效率，其中送料機構是整個機器運作的基礎機構，送料機構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用伺服電機驅動，通過絲桿傳動機構進行糖塊的輸送和料倉的前移，為防止發(fā)生糖塊卡死現象，在包裝紙成型器的入口位置設置了曲柄滑塊糖塊推進裝置，并且和送料機構共同使用同一個動力源，實現了送料機構和防卡死機構的協調工作[6]。

3.2端部封切機構部件

端部封切機構的基本原理是雙曲柄滑塊機構，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，其中長方形滑塊安裝于導軌中，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側封機構部件

側封機構利用兩對相鄰的轉向相反的滾輪實現包裝紙的下拉和熱封過程，結構如圖6所示。兩對滾輪均由間歇轉動的轉軸驅動，轉軸的間歇運動通過另一端連接的單向軸承來實現，單向軸承的內圈與轉軸固定，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的正方形滑塊上引入，實現了側封機構和端部封切機構的聯動，保證了兩部分結構的運動穩(wěn)定性和協調性。機構簡圖如圖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標準零件庫，極大的方便了該設計的建模仿真，所以該設計利用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標準零件庫調用相關標準件完成模型的裝配，后續(xù)還進行了簡單的運動仿真分析和干涉檢查，確保了該設計的合理性與可行性，整體結構如圖7所示。

5 結論

1）該設計在保證包裝效率的情況下，實現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)展具有一定的促進作用。

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

3）后續(xù)研究過程中可以進一步的進行綜合仿真分析，結合具體數據繼續(xù)進行優(yōu)化設計。

4）端部封切機構中，曲柄滑塊機構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，零件的設計可以進一步進行優(yōu)化，保證強度可用的同時減小零件的重量，進而減小沖擊。

參考文獻：

[1]李霞. 中國糖果業(yè)市場研究[D]. 天津大學， 2005.

[2]童浩華. 國外糖果包裝機簡介[J]. 食品工業(yè)科技， 1980（01）：28-32.

[3]付志泉. 送紙機構的研究[J]. 糧油加工與食品機械， 1999（04）：32.

[4]孫嶸，劉言順，凌世杰，楊丙信. 翻領式成型器的設計[J].包裝與食品機械， 2002（05）：15-17.

[5]王振玲. 翻領成型器的設計[J]. 河南機電高等?？茖W校學報， 2006（03）：10-11+24.

[6]葉鵬. 包裝機械推送機構設計[D]. 安徽工程大學， 2019.