摘 要

三明治常用手工方式裹包，存在生产效率低，不卫生的问题，本文通过对此问题进行研究，目的是为了提出一种自动化的包装方案，以提高产品的生产效率以及安全程度。

本文通过对现有理论知识和相似裹包机构的研究，将三明治的裹包工艺过程分为三个部分：纸张取出机构，纸张折叠机构和贴标机构。在机械设计理论的基础上，提出了两种可行性方案，通过对比选出了较好的一种方案。该方案的设计主要包括以上三部分机构的运动形式、传动方式和主要零部件的理论计算分析和设计选型及对应的三维模型的建立。

在本次研究中，运用SolidWorks三维模型软件建立相关模型，能更直观地了解机构的主要特点及架构特征，再结合实际对机构进行一定程度的优化之后，从而能能大大提高三明治工业化生产的自动化进程。

关键词：三明治;工艺；裹包机构；三维模型

Abstract

Sandwiches are often wrapped by hand and have low production efficiency and unhygienic issues. This article has studied this issue in order to propose an automated packaging solution to increase product production efficiency and safety.

By studying the existing theoretical knowledge and similar wrapping mechanism, this paper divides the wrapping process of sandwich into three parts: paper taking out mechanism, paper folding mechanism and labeling mechanism.Based on the theory of mechanical design, two feasible schemes were proposed and a better one was selected through comparison. The design of the program mainly includes the theoretical calculation analysis and design selection of the movement forms, transmission methods and main components of the above three parts, and the establishment of a corresponding three-dimensional model.

In this study, the use of SolidWorks 3D model software to establish the relevant models, can more intuitively understand the main features of the organization and the architecture characteristics, combined with the actual optimization of the organization to a certain extent, which can greatly improve the automation of sandwich production process.

Key Words：sandwich；technique；wrapping mechanism；three-dimensional model

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的目的及意义 1

1.2国内食品包装机械发展现状 1

第2章 总体技术方案 3

2.1总体方案设计 3

2.2各部分方案设计 3

2.2.1取纸机构 3

2.2.2折纸机构 3

2.2.3贴标机构方案设计 5

第3章 取纸机构设计 6

3.1初始条件设定 6

3.2凸轮机构的设计 6

3.2.1凸轮的设计与电机选型 6

3.2.2 凸轮轴的设计及键、轴承、联轴器的选型 8

3.2拉纸辊机构的设计 9

3.2.1电机的选用 10

3.2.2齿轮的相关计算 10

3.2.3电机相连轴的相关计算 15

3.2.4拉纸辊轴的相关计算 20

第4章 折纸机构的设计 21

4.1平带的相关设计计算 21

4.1.1电机的选型 21

4.1.2平带的设计 21

4.1.3齿轮的相关计算 21

4.1.4与小齿轮相连轴的相关计算 23

4.1.5第二根带轮轴的相关计算 26

4.1.6与电机相连轴的相关计算 27

4.2气缸的选型计算 28

4.3金属盒的相关设计 30

第5章 贴标机构的设计 32

5.1小量程无杆气缸的选型计算 32

5.2摆动气缸的相关选型计算 33

结论 34

参考文献 35

致谢 36

第1章 绪论

1.1研究的目的及意义

三明治是一种典型的西方食品，是以两片面包夹几片肉和奶酪再加上各种调料制作而成，吃法方便简单，在西方各国广泛流行。三明治的口感十分鲜美，而且营养还很丰富，原料非常简单，需要的制作时间很少，适合各个年龄层次的人群，方便快捷。现在国内的生活节奏越来越快，同样人们对快餐的需求也越来越多，在这种情况下，三明治也就成了一个很好的选择。可是现在的三明治一般都是在超市里售卖，需求量非常大。所以在自动化快速发展的今天，如何让三明治搭上顺风车，弥补市场上的空白，创造更大的经济效益，提高食品的安全性^[1]，也就成为了一个紧追实际的研究课题。

图1—1 三明治

而且通过本次毕业设计，在完成该课题的过程中可对大学四年以来所学的知识进行一次较为合适的整合训练，这种训练可以使笔者掌握运用大学所学知识来解决实际问题的方法，使今后从事相关实际工作的基本能力和研究经验有一个大幅度的增强增强，为今后从事该专业方面的工作打下一个良好的基础。

1.2国内食品包装机械发展现状

技术革新和经济地大幅增长的今天，有越来越多的创业者投入到食品包装机械这一行业之中去。现在，我国已经拥有了超过9000多家的食品包装机械产业，这些企业生产的食品种类也是各种各样，据悉已经超过了3000种，这些企业的发展状况也是十分良好，其中有二十多家企业的年销售额超过一亿元^[2]。

虽然我国的食品包装机械产业已经在快速发展，但是其中也存在着不容忽视的问题。首先，比起投入到其他行业的资金，我国投入到食品包装机械产业的资金要少上很多，因为资金缺乏的缘故，这就导致了包装机械技术革新的力度非常小，只是仿制他人已经成熟甚至落后的包装机械，从而就会造成生产效率低下以及食品包装外形不具有吸引力这些后果；其次，我国的食品包装产业生产的食品包装的质量差，由于食品安全问题导致对于食品包装的生产要有很高的技术要求，而我国的一些食品包装由于技术的不达标就会造成很多问题，比如使用寿命短，导致厂家频繁地更换包装机械设备，包装机械外形较为粗糙简陋，运行稳定性很差差，导致经常出现故障，缺乏智能化^[5]，甚至有很多工作需要工人参加，导致生产效率很低；最后的问题就是保护知识产权的意识很差，这就会导致抄袭现象会出现得十分频繁，我国的创新型的技术人员其实并不缺乏，然而有很多技术人员缺乏对自身开发出的机械产品的保护意识，没有申请专利保护，然后再投放进入市场，而且其他企业因为复制了别人制造的新型产品，更加导致了这个市场的混乱。一方面是因为最初的研发人员很难被找到，另一方面是很难通过打官司来追究仿制企业的相关责任^[3][4][6]。

三明治裹包机构，在国内还是属于较为低级的阶段，没有形成一个良好的产业链，需要的发展时间还有很长,而且机械设计要以人为本，充分参考人机工程学^[15]来设计机械，这样三明治裹包机械的发展前景才会更加光明。

第2章 总体技术方案

2.1总体方案设计

在围绕“三明治裹包机构设计”课题，查阅相关文献资料^{[7][8][9][10]}，了解到其包装工艺过程后，即成品→传输→取纸→折纸→裹包→贴标这一过程，将三明治裹包机构分为了三个部分，即送纸机构，折纸机构和贴标机构。

送纸机构主要完成的是将纸张运输到传送带上，纸张折叠机构要完成的运动是将三明治包裹起来，贴标机构的作用是将包裹好的三明治封合好，并起到标签的作用。

2.2各部分方案设计

2.2.1取纸机构

在查阅相关资料后，初步设计了两个方案。第一个方案是用吸盘吸取纸张，再通过气缸传动将纸张运送到传送带上面，第二个方案是通过凸轮摩擦纸张，再通过拉纸辊将纸张输送出来^[12]。

决定选择第二个方案。原因有以下几点：第一，气缸传动已经有同学在做了，再做气缸传动就有一些重复了；第二，机械传动更为可靠，成本更低。

图2.1 摩擦式取纸装置

2.2.2折纸机构

折叠纸张时，可以选择先折叠前后再折叠再折叠两边的方法进行。该折叠方案时可以选择两个不同的机构组成方案，分别为一体折叠方案和分步折叠方案。一体折叠方案即为折叠裹包完一个三明治再裹包另一个三明治，分步折叠方案把折叠的步骤分步进行。

一体折叠方案的优点是占地面积小，空间需求不大，容易控制，缺点是生产效率不高。分步折叠的优点是生产效率更高，容易维修，但是它所需要的成产线长度更长，需要更多的空间。由此可见，为了追求更高的生产效率，我选择分步折叠方案为设计方案。

在选择具体机构时参考借鉴的是香烟盒的包装，所以就设计了和香烟包装类似的包装机构^[13]，原理图如1.2所示。

图2.2 条盒透明纸裹包机工作原理图

1—透明纸；2—摆动版；3—折叠板；4—推板与两顶端折叠板；5—固定折叠板；6—热封器；7—垂直导轨；8—顶板；9—条盒烟

那就是三明治是软的，不能承受那么大的压力，所以就放弃了这个方案，选择了另一个方案，那个方案就是通过金属盒上摇板的摆动来实现折叠左右方向的纸张这一目的，前后方向的纸张的折叠则可以通过推板和挡板来实现。摇板则是通过金属丝的牵引来实现摇摆的，金属盒与摇板则是通过铰接连接在一起。使用这个方案的好处是只需要折叠四个方向的纸张就可以了，省去了更多的复杂的机构，使生产线变得更简洁。金属盒示意图如图1.3所示。

1 2 3 4 5

图2.3 金属盒示意图

1—摇板；2—金属盒；3—纸张；4—三明治；5—铰链

2.2.3贴标机构方案设计

贴标机构预先设想的是用真空轮毂的方式来贴标，随即发现这一方法不太合适三明治裹包，我无法计算出来相应尺寸，随后我就改变了方案采取了气缸传动的方法。这个机构由两个气缸组成，一个气缸实现摆动，一个气缸实现直线运动，这样就可以实现贴标了。

设计的相关步骤是先计算出各种机构的尺寸数值，之后利用SolidWorks建模软件进行模拟，以校验设计效果。此三维软件操作简单，方便修改，而且能很好地展现产品^[5]。

第3章 取纸机构设计

3.1初始条件设定

设定预先制好的三明治长，宽，高分别为14.5cm，7.5cm，4.5cm，根据这些数据设定纸张为菱形，两条对角线分别为440mm和300mm。因为纸张需要包裹三明治，所以选用防油纸^[14]作为裹包材料，纸张定量选为50g/m²，纸张的厚度为0.1mm，纸张间的摩擦系数为0.1。

图3.1 纸张三明治尺寸图

3.2凸轮机构的设计

3.2.1凸轮的设计与电机选型

设定储纸箱中的纸张有2000张，纸张是如上图所示横向输送。纸张的面积

（3.1）

其中：S—纸张的面积，m²；

a—纸张的横向对角线长度，m；

b—纸张的纵向对角线长度，m.

纸张的总重质量为

(3.2)

其中：m—纸张的总重量，kg；

w—纸张的定量，kg/m²；

S—纸张的面积，m²。

最底层纸张与上层纸张间的摩擦力

(3.3)

将式（3.1），（3.2）带入式（3.3），可得摩擦力大小为8.1N。

为保证凸轮与纸张间的摩擦力足够大，设定凸轮材料为橡胶。设定凸轮每秒取一张纸，凸轮最大径长为r，那么凸轮的转速为n=60r/min，凸轮的最大线速度为

（3.4）

凸轮的功率为

(3.5)

最大转矩为

（3.6）

选用松下伺服电机型号为MHMJ042P1，电机功率为P₀=0.4kW，转速n₀=3000r/min，额定转矩为T₀=1.3N·m。

很显然凸轮的功率小于电机功率，即

（3.7）

将(3.4),（3.5）代入（3.7），可得rlt;78.63mm。

且轴的转矩要小于0.8倍的电机额定转矩。

取r=70mm，凸轮基圆半径为50mm，凸轮厚40mm。为保证凸轮摩擦取纸时，纸张不发生偏转，在同一根轴上设置三个凸轮，凸轮间距为40mm。为保证凸轮与轴同步转动，将凸轮延伸一部分套筒，用螺钉将其与轴连接在一起。

轴传递的功率P=0.00356kW。

轴的转矩为T=0.567N·mlt;0.8T₀。所以转矩符合要求，该伺服电机符合要求。

图3.2 凸轮轴三维图

3.2.2 凸轮轴的设计及键、轴承、联轴器的选型

轴的材料是Q235，满足扭转强度的轴径估算公式

（3.8）

式中：C是由轴的材料和承载情况确定的常数，见表3—1。

表3—1 常用材料的C值

注：①当弯矩相对转矩较小或只受转矩时，C取较小值；当弯矩较大时，C取较大值。

②当用Q235、Q275及35SiMn时，C取较大值。

取C=158，代入公式（3.8），得最小轴径d6.12mm。

取最小轴径为20mm，轴的长度为30mm。

第二段轴径为30mm，轴长为40mm。

第三段轴径为40mm，轴长为280mm。

第四段轴径为30mm，轴长为20mm。

该凸轮轴总长为370mm。

根据轴的直径由有关设计手册查得联轴器处键的截面尺寸为b×h=6mm×6mm，配合均为H7/k6；滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制，轴的尺寸公差为k6。

轴上的键为A型键，计算键的长度，根据公式

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