球状巧克力包装生产线机械系统设计1

第1章绪论1.1课题的开发背景和意义1.1.1本课题的目的和意义包装机械是指完成全部或部分包装过程的机器。包装过程包括成型、充填、封口、裹包等主要包装工序以及清洗、干燥、杀菌、贴标、捆扎、集装、拆卸等前后包装工序，转送、选别等其他辅助包装工序。包装机械是包装工业的重要基础，在轻工机械行业中占有重要的地位。包装机械为包装业提供重要的技术保障，对包装业的发展起着重要的作用。包装机械是使产品包装实现机械化、自动化的根本保证。目前发达国家糖果、巧克力工业已步入现代化的进程，新的材料、新的设备和新的技术促使糖果巧克力生产工艺和包装技术不断推陈出新，精益求精。标准化的产品包装机向高速自动化发展,糖果、巧克力制造商在对标准化的产品包装时，一般需要高速、自动化的包装机，以追求规模经济的包装成本优化。因此，近年来包装机制造商研制开发出适合不同类形产品的高速、自动化糖果、巧克力包装机，例如针对传统的枕式包装和一些适合双扭结类产品用的扭结包装机等。在这类包装机上，制造商采用了当今最新的技术，如全伺服电机、光电跟踪、高速摄像等，以达到提高包装机效能。另外，与巧克力包装机连接的传送带的自动转向、整理、急停、加速也被广泛应用。个性化产品包装机向一机多能化发展,对于非标准化或季节性的产品，包装机应是灵活的，特点是轻便和小巧。该类型包装机不追求速度，而是寻求个性化的包装和灵活适应性。目前ChocotechGmbh(德国巧克泰)公司生产的系列PRALIPACK包装机，适合于包装各种形状平底的巧克力，如心形、小熊形状、兔子形状的巧克力，可以包装成刷包的形式。如果设备经细微的元件改装，还可以用于需要贴脚的产品。另外该系列的包装机还可以包装如信封折叠式的巧克力。设备制造商为满足用户的需要正努力使一台设备向多能化方向发展。包装设计理念求新、求异：独具匠心的包装设计在迎合商品竞争中，不断求新、求异给人强烈的视觉冲击，如目前市场上瓶装木糖醇口香糖，由于包装上的改进适合年轻一代的消费心理产品，产品十分畅销。我国糖果和巧克力行业的生产历史不过半个世纪。其产品包装经历了从手工包装、半机械化包装、连续化机械包装阶段，现在已有部分大企业引进国外先进的自动化包装机，实现了包装自动化。在发展的过程中也仍有部分小企业还在沿用手工包装，但随着包装技术的发展，手工包装会越来越少。目前，糖果、巧克力产品的包装形式有，纽结式包装、枕式包装、折叠（信封）式包装。传统扭结式包装是最老的包装形式，这种包装形式多用于糖果，它不仅可以通过现代化高速、自动化的包装机来完成，也可以通过手工操作完成；枕式包装在国际上流行于60～70年代，国内从80年代开始流行至今。而对于球形巧克力的包装生产线还处于初级水平，此类型的包装生产线还很少，因此研究生产高效率化、资源高利用化、产品节能化、高新技术实用化、科研成果商业化的球形巧克力包装生产线具有重要的意义。包装机行业是一个市场潜力很大的行业，面临着巨大的国内外市场和极好的发展机会，尤其是在食品包装方面有着巨大的商机，因此巧克力包装机发展潜力巨大，该项目也是拉动内需增强经济发展动力的重要项目，参与世界第三次超级产业革命，具有广阔的前景。1.1.2包装的分类及作用包装的分类方法很多，按包装产品的流通领域分类，有工业产品包装和商业产品包装，按产品包装的结构形式分类，有内包装和外包装；还可以按包装材料或包装容器的品种类别分类以及按包装对象即包装物品的名称分类等等。其中按包装的结构形式分类比较有意义，内包装是一种基本的包装结构形式，它包括直接包装和中间包装。直接包装是用包装材料或容器直接裹包产品或装载的包装形式；包装材料或容器与被包装物品间保持着直接触，是最小的包装单元。直接包装时，必须根据被包装物品的物理性能，按包装要求，选择包装材料或容器，制定包装工艺，选择或设计包装机械设备。中间包装是以一定数量的直接包装品经组合后再作一次包装的包装形式。如物品装瓶或装袋后的装盒包装；卷烟小包包装后的条包包装；牙膏类物品的装管封尾后的装盒包装等。随着消费者需要的多样化，尤其是超级市场的发展，内包装突出日益重要的地位。完成内包装所需的机器设备，在包装工业中的需求量最大。外包装是以一定数额的、经内包装后的产品装裁到包装箱的包装结构形式。包装箱现在多用瓦楞纸板箱。内包装的主要目的，在于促进销售，并为消费者提供使用上的方便，在包装设计中，除保证包装内容物质和量的要求外，还需重视包装装潢的重要作用。外包装的主要目的，是为流通储运提供保障，要求包装坚固牢实。包装是对被包装物所采取的一种保护性措施，包装的主要目的在于保护产品的使用价值。因此，包装中还要顾及到物品在流通中的运输、装卸、存贮保管和销售的方便；此外，包装的装潢还起到美化、宣传和推销的作用。包装加工是产品在生产中的最后环节，是提高产品的商品价值不可忽视的重要环节。1.1.3包装机械的组成被包装物品被包装物品供送系统主传送系统成品输出系统控制系统传动系统辅助装置动力机机身包装材料供送系统包装操作执行系统图1.1包装机械的组成包装机由驱动系统、传动系统、执行机构、控制系统等组成。（1）被包装物品的计量与供送系统该系统将被包装物品进行计量、整理、排列，并输送至预定工位。（2）包装材料的整理与供送系统该送系统将包装材料进行定长切断和整理排列，并逐个输送至预定工位。（3）主传送系统主传送系统将被包装物品和包装材料由一个包装工位顺次传送到下一个包装工位。（4）包装执行机构包装执行机构直接进行裹包、封口、贴标、捆扎等包装操作。（5）成品输出机构成品输出机构将包装成品从包装机上卸下，输出由主传送系统完成或靠成品自重卸下。（6）动力机与传动系统动力机与传动系统将动力机的动力与运动传递给执行机构和控制元件，使之实现预定动作。（7）控制系统控制系统由各种自动和手动控制装置所组成，包括包装过程及其参数的控制，包装质量、故障与安全的控制等。（8）机身机身用于支承、安装固定有关零部件，保持其工作时要求的相对。1.1.4包装机械的特点（1）大多数包装机械结构和机构复杂，运动速度快且动作配合要求高。（2）用于食品和药品的包装机要便于清洗，符合药品和食品的卫生和安全要求。（3）包装执行机构的工作力一般都较小，所以包装机的电机功率较小。（4）包装机一般都采用无级变速装置，以便灵活调整包装速度、调节包装机的生产能力。（5）包装机械是特殊类型的专业机械，种类繁多，生产数量有限。为便于制造和维修，减少设备投资，在包装机的设计中应注意标准化、通用性及多功能性。（6）包装机械的自动化程度高，大部分已采用PLC、单片机控制，实现了智能化。（7）包装机械实现了包装生产的专业化，大幅度地提高生产效率。（8）包装机械化降低了劳动强度，改善劳动条件，保护环境，节约原材料，降低产品成本。（9）保证了包装产品的卫生和安全，提高了产品包装质量，增强市场销售的竞争力。（10）延长产品的保质期，方便产品的流通。产品采用包装机，可减少包装场地面积，节约基建投资。1.1.5国外包装机的发展方向目前，国外食品包装机械水平高的国家主要是美国、德国、日本、意大利和英国。而德国的包装机械在设计、制造及技术性能等方面则居于领先地位，2002年德国包装机械产值达34亿欧元，其产量的77%为出口产品。最近几年，这些国家包装和食品机械设备发展呈现出新的趋势。德国与美国、日本、意大利均为世界包装机械大国。在包装机械设计、制造、技术性能等方面居于领先地位。德国包装机械的设计是依据市场调研及市场分析结果进行的，其目标是努力为客户，尤其是为大型企业服务。为满足客户要求，德国包装机械制造厂商和设计部门采取了诸多措施：(1)工艺流程自动化程度越来越高，以提高生产率和设备的柔性及灵活性。采用机械手完成复杂的动作。操作时，在由电脑控制的摄像机录取信息和监控下，机械手按电脑指令完成规定动作，确保包装的质量。(2)提高生产效率，降低生产成本，最大限度地满足生产要求。德国包装机械以饮料、啤酒灌装机械和食品包装机械见长，具有高速、成套、自动化程度高和可靠性好等特点。其饮料灌装速度高达12万瓶/h，小袋包装机的包装速度高达900袋／min。(3)使产品机械和包装机械一体化。许多产品要求生产之后直接进行包装，以提高生产效率。如德国生产的巧克力生产及包装设备，就是由一个系统控制完成的。两者一体化，关键是要解决好在生产能力上相互匹配的问题。(4)适应产品变化，具有良好的柔性和灵活性。由于市场的激烈竞争，产品更新换代的周期越来越短。如化妆品生产三年一变，甚至一个季度一变，生产量又都很大，因此要求包装机械具有良好的柔性和灵活性，使包装机械的寿命远大于产品的寿命周期，这样才能符合经济性的要求。(5)普遍使用计算机仿真设计技术。随着新产品开发速度不断加快，德国包装机械设计普遍采用了计算机仿真设计技术，大大缩短了包装机械的开发设计周期。包装机械设计不仅要重视其能力和效率，还要注重其经济性。所谓经济性不完全是机械设备本身的成本，更重要的是运转成本，因为设备折旧费只占成本的6％～8％，其他的就是运转成本。

1.1.6国内包装机发展现状及趋势我国包装机械行业起步于20世纪70年代，在80年代末和90年代中期得到迅速发展。已成为机械工业中的10大行业之一，无论是产量，还是品种上，都取得了令人瞩目的成就，为我国包装工业的快速发展提供了有力的保障。目前，我国已成为世界包装机械工业生产和消费大国之一。包装机械作为一种产品，它的含义不仅仅是产品本身的物质意义，而是包括形式产品、隐形产品及延伸产品3层含义。形式产品是指包装机本身的具体形态和基本功能；隐形产品是指包装机给用户提供的实际效用；延伸产品是指包装机的质量保证、使用指导和售后服务等。所以包装机的设计应该包括：市场调研、原理图设计、结构设计、施工图设计、使用说明书编写及售后服务预案等。对于中低速运行的包装机，目前我们基本上可以进行自主设计。而高速运行的包装机，特别是一些先进机型，大多是测绘、仿制国外的同类机型，进行国产化设计和系列化设计。其主要的原因是：(1)大多数设计人员还没有真正掌握先进的设计方法，如高速包装机械的动力学设计理论和方法等，对高速工况下机构的动态精度分析等问题还不能模拟解决；(2)产、学、研结合不够紧密，理论上的科研成果不能及时地在实际设计中运用，设计人员缺乏及时的技术培训；(3)整个行业缺乏宏观调控的力度，优势资源不能得到合理的配置与调整。

在包装机械设计领域，绝大多数设计人员仍沿用以前的设计方法：(1)根据设计任务书寻找同类机型作为样机；(2)参考样机制定各项技术性能指标及使用范围；(3)设计工作原理图、传动系统图；(4)设计关键零件，部件；(5)设计总装图方案和动作循环图；(6)设计部件图、总装图和零件图；(7)对主要部件中的关键零件进行强度、刚度校核；(8)设计控制原理图、施工图等。而今，国内一些大学的设计软件，可以对包装机中常用机构进行有限元分析和优化设计，其开发的凸轮连杆机构CAD／CAM软件已经能够满足企业进行凸轮连杆机构自主设计的能力，但在实际包装机械的设计中应用还不普遍。新型包装机械往往是机、电、气一体化的设备。充分利用信息产品的最新成果，采用气动执行机构、伺服电机驱动等分离传动技术，可使整机的传动链大大缩短，结构大为简化，工作精度和速度大大提高。其中的关键技术之一是采用了多电机拖动的同步控制技术。其实掌握这种技术并不很难，只是一些设计人员不了解包装机械的这一发展趋势。如果说以前我国包装机械设计是仿制、学习阶段，那么现在我们应该有创新设计的意识我国包装业技术与机械近些年所取得的成绩是显著的，其起步于20世纪70年代末，刚起步时年产值仅七、八千万元，产品品种仅100余种，技术水平也较低。在20纪80年代中期至20世纪年代中期十余年的时间里，才得到快速发展，年增长率达到20%—30%，到1999年底食品和包装机械达40大类，品种达1700种，到2000年产值增加到300亿元，且技术水平也上了个台阶，开始出现了规模化、自动化趋势，传动复杂、技术含量高的设备也开始出现，许多包装机械如液体食品灌装机等设备已开始成套出口。1.2课题设计构想与思路球状巧克力包装生产线是集巧克力包装、装盒及装箱等为一体的生产线，其工艺过程为：巧克力由送料装置送到包装装置进行包装，然后由包装装置送到整形装置整形，再由传送装置送到装盒部位进行装盒，然后由装箱部件装箱，最后由输出装置输出成品。包装机由驱动系统、传动系统、执行机构、控制系统等组成。1.3课题任务的提出随着科学技术的不断发展进步，各种食品加工品的出现，对包装技术和包装设备都提出了新的要求，包装机械在流通领域中发挥着越来越大的作用。目前包装机械竞争日趋激烈，而高度自动化、智能化、多功能、高效率、低消耗的包装设备越来越受到行业的青睐。进入21世纪以来，较之传统包装机械，新型包装机要求具有简洁化、高生产率、配套更完善，更具自动化等特点。未来的包装机械将配合产业自动化趋势，促进包装设备总体水平提高。巧克力能缓解情绪、对于集中注意力、加强记忆力和提高智力都有作用，有防治心血管循环疾病的作用，能增强免疫力，预防癌症，干扰肿瘤的供血，对延缓衰老有一定功效。正因为如此，在人们的日常开支中，巧克力的开支也是必不可少的一部分，即使在深受经济危机的这几年里，巧克力受到得冲击仍然很小，国人对巧克力的需求也呈现不减反增的势头。随着我国经济水平的提高，我国的食品市场需求量呈保持增长势头。近几年，我国食品每年需求额超过千亿元，市场规模正在以几何级地速度增长，消费市场也在快速增长，年增幅在25%左右。2009年，我国食品市场容量已高达400亿元以上，但人均消费量仅为23.6g，远低于发达国家每年人均消费3.2kg的水平。随着我国经济水平的提高及人们消费水平、购买能力的不断提高，食品市场仍将以20%以上的速度增长，仅食品企业注册一项就已高达10多万家，这些数据无疑都表明我国食品企业在未来具有较大的发展潜力和生存空间。而企业要想在规定的时间内，为自己创造出最大的利益，就要确保自己的食品包装生产线运行良好，在生产过程中不会出现错误，这样尽量避免错误的出现和故障的影响，才会为企业获得最大的利益。自动化水平在制造工业中不断提高，应用范围正在拓展。包装机械行业中自动化操作正在改变着包装过程的动作方式和包装容器及材料的加工方法。实现自动控制的包装系统能够极大地提高生产效率和产品质量，显著消除包装工序及印刷贴标等造成的误差，有效减轻职工的劳动强度并降低能源和资源的消耗。具有革命意义的自动化改变着包装机械行业的制造方法及其产品的传输方式。设计、安装的自动控制包装系统，无论从提高包装机械行业的产品质量和生产效率方面，还是从消除加工误差和减轻劳动强度方面，都表现出十分明显的作用。我国的包装工业虽然发展很快，成就很大，但与发达