面向电商的小型立式糖果包装机的设计

何潇洒 王晓倩 尤胜哲

摘要：现阶段电商飞速发展，网红糖果的销量逐年飙升。针对目前已有的包装机器体积大、价格昂贵不适用于电商使用等问题，设计一种能提高糖果包装效率的小型立式枕式糖果包装机。该机器整体为立式布局，具有占地面积小、包装效率高、结构紧凑且制造维护成本低等特点。侧封机构采用两对等速同向转动的滚轮组成，端封机构采用双曲柄滑块机构的原理，利用曲轴驱动实现往复封装并切断包装纸，此外侧封机构和端封机构通过机构组合实现联动确保了联动的稳定性。

关键词：包装机；糖果；枕式包装；效率；体积

中图分类号：TB486 文献标识码：A 文章编号：1400 （2020） 01-0043-05

基金项目：浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划资助项目（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

近年来网络的飞速发展极大的方便了人们的日常生活，越来越多的人更倾向于网络购物，于是电商行业也得到了快速发展。其中网红糖果越来越受到年轻人的喜爱，销量也逐年递增，甚至到达了供不应求的地步。产生该现象的原因主要是目前的包装机器体积大，造价高，并不适用于小成本经营的网店，尤其是枕式包装机大多数都是卧式，且价格均在万元以上。中国的块糖市场在2001年达到了15亿美金，重量达到了74万吨，2006年达到了22亿美金，重量达到了92.3万吨，预计后续还会继续增加，而且散装市场占据了很大比重[1]。所以目前急需一款小型全自动立式糖果包装机来提高糖果电商的包装效率，来满足日益增长的网红糖果需求。

目前国内的糖果包装机主要分为两种，一种是扭结式糖果包装机，一种是枕式包装机。采用扭结式包装密封效果较差，而且使用范围较为狭窄；现阶段最新的枕式包装机都采用伺服电机，光电跟踪和高速摄影等新技术，包装效率也得到了极大的提升，但是价格也相当的昂贵。日本国内糖果包装机虽然形式多样，但特别高速的却少见，一般都在400-600转/分，机器运转正常，稳定性好。其代表为日本“Fuji”公司出产的FT-8型扭转式包装机。但这还不算最高，与英国的Rose Theegarten公司生产的U1-F1型和“Twister”包装机相比，就显得不足为奇。它们分别每分钟1300顆和1500颗[2]。

1 包装机整体结构设计

现有糖果包装机的体积大、造价高是目前比较严峻的问题，要减小机器体积和造价就需要从机器的整体设计出发，先勾勒出机器的大致结构布局，合理的布局可以很大程度上减小机器的体积以及制造成本。如图1所示，本文涉及到的包装机的工作对象为立方体状的糖果，主要有送纸机构、送料机构、侧封机构、端封机构四部分构成。现有包装机大多为卧式，所以占地面积较大。该问题最简单有效的解决办法就是将该机器设计为立式结构，其次就是结构布局，良好的结构布局可以使结构更加紧凑，减小机器的体积，提高空间利用率。该包装机将送纸机构放置在了机器的顶端，包装纸自上而下运动，这样不仅可以方便用户更换包装纸，而且避免了包装纸运动过程中弯折卡死以及撕破等问题；送纸机构下的布局依次为送料机构、侧封机构和端部封切机构，将送料机构置于包装热封机构的上层有利于利用糖果颗粒的重力使送料机构顺利完成送料工作，若送料机构放置于包装热封机构的下层则需要增加机构来完成糖果颗粒的向上运送工作，增加设计和制造难度；其次是端部封切机构，糖块经端部封切机构后就已经完成了全部的包装工作，将该机构置于底部便于后续收集打包。

2 工作原理及技术参数

该糖果包装机包含一个伺服电机和一个交流无刷电机，伺服电机用于驱动送料机构，交流无刷电机用于侧封机构和端部封切机构。送料机构中的电机转向周期性改变完成糖块的逐粒送出和料仓的周期性前移以完成料仓中所有糖块的包装。侧封机构和端部封切机构通过机构的设计组合实现联动，只需一个恒定转速的电机即可有序完成糖块的侧封和端部封切。其中端部封切机构以曲轴作为主动件，利用双曲柄滑块机构实现加热切断器的往复运动进行糖果端部热封和切断，侧封机构和端部封切机构之间利用一个直角杠杆将滑块的往复运动引用到侧面热封机构中，将两部分实现联动，工作稳定可靠。

侧封机构中采用两对转向相反的滚轮分别完成侧面的热封和包装纸的下拉。侧封机构和端部封切机构的机构简图如图2所示。送纸机构的结构原理于与传统的包装机送纸机构大致相同，但是该包装机送纸机构中的两个过渡辊除起到支撑包装纸的功能以外还兼具整个送纸机构的安装固定功能，将送纸机构进行了很大程度上简化。此外送纸机构是全自动包装机的重要部件，其工作是否可靠，直接影响制袋及包装产品的质量。在立式成型充填封合包装机中，由于包装纸在输送过程中受力不均匀，送纸机构容易出现包装纸跑偏的现象，对于翻领式成型器，其现象更加明显[3]。所以将送纸机构置于机器的顶端，让包装纸沿重力的方向自上而下输送，这样最大程度上避免了包装纸受力不均匀的问题，而且减少了包装纸的弯折次数，减小了输送过程的阻力。

该包装机的包装纸成型器与现有的有较大不同，如图2所示。目前常用的形式有：翻领式成型器、三角形成型器、象鼻成型器、V形成型器等。其中翻领成型器广泛应用于各种立式袋包机[4]。如果翻领成型器交接曲线设计不合理，成型器加工质量不高，薄膜就容易跑偏，出现皱折、张紧度不一、成袋有鱼鳞纹、纠偏困难等现象[5]。所以采用翻领式成型器会大大增加该机器的制造成本，对包装纸的要求也较高。此外翻领式成型器要求包装纸与成型器有较好的贴合度，所以在包装纸经过翻领结构过程中阻力较大，包装纸容易产生破损。为避免以上问题，设计了一种双层的包装纸成型器，包装纸沿着缝隙的开口方向从内外层的缝隙中穿过后包裹于成型管的外侧完成纸袋成型，包装纸输送阻力较小，而且可以避免包装纸变形、破损等问题。

3 关键部件的设计

3.1送料机构部件

包装机的设计目的在于代替人工，提高包装效率，其中送料机构是整个机器运作的基础机构，送料机构的效率决定了整个包装机的效率上限。该包装机的送料机构用伺服电机驱动，通过丝杆传动机构进行糖块的输送和料倉的前移，为防止发生糖块卡死现象，在包装纸成型器的入口位置设置了曲柄滑块糖块推进装置，并且和送料机构共同使用同一个动力源，实现了送料机构和防卡死机构的协调工作[6]。

3.2端部封切机构部件

端部封切机构的基本原理是双曲柄滑块机构，如图5所示，动力源采用交流无刷电机，主动件是曲轴，最终工作原件是滑块加热切断器。曲轴上连接两个曲柄滑块机构，其中长方形滑块安装于导轨中，正方形滑块安装于长方形滑块中间并可以相对滑动，两个滑块上均安装有加热器切断器，曲轴转动过程中两个滑块的运动方向始终相反，间歇性的贴合与分离，完成糖果包装袋的端部热封和剪切。此外，滑块上还设有弹簧缓冲装置，保证了包装袋端部能够有足够的加热时长和剪切的可靠性。

3.3侧封机构部件

侧封机构利用两对相邻的转向相反的滚轮实现包装纸的下拉和热封过程，结构如图6所示。两对滚轮均由间歇转动的转轴驱动，转轴的间歇运动通过另一端连接的单向轴承来实现，单向轴承的内圈与转轴固定，外圈与齿轮固定，齿轮由间歇性上下运动的双面齿条带动，齿条的动力通过一个直角杠杆从端部封切机构的正方形滑块上引入，实现了侧封机构和端部封切机构的联动，保证了两部分结构的运动稳定性和协调性。机构简图如图2所示。

4 三维建模

由于Solidworks2016兼具建模和仿真分析的功能，以及Toolbox标准零件库，极大的方便了该设计的建模仿真，所以该设计利用Solidworks2016三维建模软件建立了糖果包装机的1：1三维模型，并从Toolbox标准零件库调用相关标准件完成模型的装配，后续还进行了简单的运动仿真分析和干涉检查，确保了该设计的合理性与可行性，整体结构如图7所示。

5 结论

1）该设计在保证包装效率的情况下，实现了包装机的小型化和轻量化，更加适用于小型电商使用，对于电商行业的发展具有一定的促进作用。

2）该包装机的包装效率与现有较为成熟的包装机相比虽然仍存在差距，但包装效率已经远超人工包装，而且生产制造成本更加低廉。

3）后续研究过程中可以进一步的进行综合仿真分析，结合具体数据继续进行优化设计。

4）端部封切机构中，曲柄滑块机构存在频繁的运动换向，存在较大的加速度，限制了包装机的效率，零件的设计可以进一步进行优化，保证强度可用的同时减小零件的重量，进而减小冲击。

参考文献：

[1]李霞. 中国糖果业市场研究[D]. 天津大学， 2005.

[2]童浩华. 国外糖果包装机简介[J]. 食品工业科技， 1980（01）：28-32.

[3]付志泉. 送纸机构的研究[J]. 粮油加工与食品机械， 1999（04）：32.

[4]孙嵘，刘言顺，凌世杰，杨丙信. 翻领式成型器的设计[J].包装与食品机械， 2002（05）：15-17.

[5]王振玲. 翻领成型器的设计[J]. 河南机电高等专科学校学报， 2006（03）：10-11+24.

[6]叶鹏. 包装机械推送机构设计[D]. 安徽工程大学， 2019.