磁力式拧瓶机的设计及工程分析

I 摘 要 国内外已经有 了 相当成熟的封口机 的 技术，形成了成熟的生产线，各种有特定功能的封口机、拧瓶机在生产生活中随处可见，技术 经过 不断创新和改良，形式 得到 多样化发展。 拧瓶机是在灌装 中旋紧瓶盖的专用设备 ,工作时必须保证适宜的旋紧力矩。力 过小 ,则 瓶盖旋不紧；力若 过大， 则易损坏瓶嘴和瓶盖。为此，我们在 吸收国 内外 先进设备的基础上研制了一种利用 电 磁力传递扭力矩实现瓶盖旋紧的旋盖头 , 它不仅 能根据需要方便地设定 、调整旋紧力 的大小 , 还 能适用于不同高度的瓶子。 本文介绍了本课题的研究背景和意义，论述了拧瓶机在国 内外 发展 的状况，介绍了本次设计设计 的内容及方法。本次设计的重点是拧瓶机的总体设计方案、封装 过程的旋盖、输送方式和定位 的方法，在此基础上进行了运动与结构设计。本次设计采用了 回转式的 封装方法，通过圆柱凸轮 来实现旋盖头的上下 升降运动。 在满足包装机械原理的条件下，充分考虑了整机的布局和经济性。 关键词： 拧瓶机； 磁力；自动化； 圆柱凸轮 ； II Abstract At home and abroad has been quite mature technology sealing machine, forming a fairly mature production line, various specific functions sealing machine, capping machine can be seen everywhere in the production and living, technical innovation and improvement, form diversified development. Capping machine is tightening the cap in the process of beverage filling equipment, work must ensure that appropriate tightening torque. Torque is too small, cap screw is not tight； Torque is too big, easy to damage the bottle mouth and bottle caps.Therefore, we developed on the basis of absorbing foreign advanced equipment from a use of magnetic transfer torque capping head cap tightened, can be easily set as required, adjust the tightening torque of the size, and can be applied to different the height of the bottle. This paper introduces the research background and significance of the topic， discussed capping machine development at home and abroad, introduced the content and methods design research.This is designed to focus the overall design of the capping machine, Capping, transportation and positioning of the packaging process, Based on this the motion and structure design. The packaging design is the rotary type ， through the cylindrical cam contour the capping head up and down reciprocating of the motion. And take full account to meet the principle of the packaging machinery, machine layout and economy. Key words: capping machine； magnetic force； automation； cylindrical cam III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . III 1 绪论 . 1 1.1 本课题的设计内容和意义 . 1 1.2 国内外的发展概况 . 1 1.3 本课题应达到的要求 . 1 2 拧瓶机的总体设计 . 3 2.1 拧瓶机的简介 . 3 2.1.1 拧瓶机系统的构成 . 3 2.2 拧瓶机的设计 . 3 2.2.1 拧瓶机的整体传动设计 . 3 2.2.2 拧瓶机的外形设计 . 3 2.2.3 拧瓶机自动化控制系统的设计 . 3 2.2.4 旋盖头装置的结构设计 . 3 2.2.5 转盘装置的结构设计 . 4 2.3 拧瓶机总体方案的确定 . 4 2.3.1 方案一的介绍 . 4 2.3.2 方案二的介绍 . 4 2.3.3 方案三的介绍 . 5 2.3.4 方案比较 . 6 2.4 拧瓶机重要参数的确定 . 6 2.4.1 设计参数 ： . 6 2.4.2 设计要求 . 6 3 拧瓶机的组成及部件设计 . 7 3.1 拧瓶机的组成 . 7 3.2 圆柱凸轮的设计 . 7 3.3 理盖装置的设计 . 7 IV 3.3.1 送盖自动料斗 . 8 3.3.2 螺旋形供盖滑道 . 8 3.3.3 输盖槽部件 . 10 3.3.4 理盖机机架 . 10 3.4 旋瓶转盘的设计 . 12 3.5 拨杆机构的设计 . 13 3.6 输送轨道的设计 . 14 3.7 旋盖头的设计 . 14 3.7.1 初级的外靠摩擦轮形式 . 15 3.7.2 摩擦片扭矩限制机构 . 15 3.7.3 电磁力扭矩限制机构 . 15 4 拧瓶机传动部分的设计 . 17 4.1 电动机的选择 . 17 4.1.1 类型和结构型式的选择 . 17 4.1.2 功率的确定 . 17 4.1.3 转速的确定 . 17 4.2 传动比的分配 . 18 4.2.1 传动比分配的参考数据 . 18 4.3 减速器的设计选择 . 18 4.4 带传动的设计 . 19 4.5 轴的设计及校核 . 21 4.5.1 轴的材料 . 21 4.5.2 轴的计算 . 21 4.6 键的选择和键链接强度计算 . 22 4.6.1 键的选择 . 22 4.6.2 平键链接强度计算 . 22 4.7 锥齿轮的设计计算 . 23 4.8 滚动轴承选择原则 . 27 5 拧瓶机控制系统 . 29 V 5.1 控制要求 . 29 5.2 控制系统的选择 . 29 5.2.1 为何采用 PLC 控制 . 29 6 拧瓶机的安装、维护和安全 . 30 6.1 安装 . 30 6.2 维护保养 . 30 6.3 安装要求 . 30 7 结论与展望 . 31 7.1 结论 . 31 7.2 不足之处及未来展望 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 33 磁力式拧瓶机的设计及工程分析 1 1 绪论 1.1 本课题的 设计 内容 和 意义 拧瓶机是 灌装生产线的主要设备之一， 它 被 广泛 用于玻璃瓶或 PET 瓶的螺纹盖封口。伴 随着社会的发展 ， 产品的包装质量 要求对人们来说也越来越重要。 在 饮料，调味料， 酒类， 化妆品及药品等瓶包装的封口就大量采用螺纹盖封口。 因为螺纹盖具有封口快捷，开启方便及开启瓶后又可重新封好等优点。 目前已有全自动洗瓶机、全自动灌装机、全自动拧瓶机三合一的机型。 许多大型零售商都要求饮料 和食品生产商采用塑料包装 ，为了减少包装破损和运输重量，并满足消费者的安全需要 。 带有螺旋密封 盖的 瓶子 具有 快速、便捷 和密封等优点 ,使它越来越广泛的应用于许多产品包装。 现在竞争日趋猛烈， 自动封口机 的 高度自动化 ,智能化 ,高 配置、 高 效率 和低消费越来越受到行业的青睐。 为了提高生产效率， 特进行本课题磁力 拧瓶机 的设计 。 第二章主要介绍了拧瓶机的总体设计，简单介绍了下拧瓶机的几种设计方案并与自己的方案比较了下以及拧瓶机的设计要求等。第三章介绍了拧瓶机的组成以及各部件设计，包括圆柱凸轮、理盖装置、转盘、输送轨道和旋盖头的设计。 第四章主要介绍 了拧瓶机传动部分的设计，包括电动机的选择、减速器的选择、带传动设计、轴校核、键的选取、滚动轴承的选取 和锥齿轮的计算等 等 。第五章讲的是拧瓶机控制系统，分析后决定采用 PLC控制系统。第六章主要讲拧瓶机的安装 和维护 。 1.2 国内外的发展概况 国内外已经有相当成熟的封口机技术，形成了相当成熟的生产线，各种有特定功能的封口机、拧瓶机也在生产生活中随处可见，技术不断创新和改良，形式多样化发展。 但目前国内自主研发的拧瓶机还存在可靠性低、稳定性差、旋盖质量低、返工率高等问题，国内灌装生产线中广泛使用的拧瓶 机大多为直线式拧瓶机，采用瓶颈挂盖。经定位、预封后使盖平稳坐落在瓶口上，最后由皮带对盖顶部搓压摩擦而将盖旋紧。旋盖头主要结构型式经历了弹簧摩擦片式和磁力耦合式 2 种。弹簧摩擦片式在满足恒扭矩要求方面效果 较差，如经长时间使用后弹簧力会减小，摩擦片使用一段时间后也需进行更换和调整。目前，国内普遍使用的旋盖头为磁力耦合式。为了适应现代包装机高速、高效和高可靠性生产的需要 , 研制出了 FX12 型拧瓶机 1和 XG12 回转型拧瓶机。近几年来随着食品饮料工业向大规模高效率方向发展。 拧瓶机是饮料灌装过程中旋紧瓶盖 的专用设备 ,工作时必须保证适宜的旋紧力矩。力矩过小 , 瓶盖旋不紧 ； 力矩过大 , 易损坏瓶嘴和瓶盖。为此 , 我们在吸收国外同类先进设备的基础上研制了一种利用磁力传递扭力矩实现瓶盖旋紧的旋盖头 , 能根据需要方便地设定、调整旋紧力矩的大小 , 并能适用于不同高度的瓶子， 它具有效率高、速度快、可靠性好和自动化程度高等特点 2。 1.3 本课题应 达到的要求 (1) 一机多用：利用同一台设备旋不同高度的瓶盖，提高设备 利用率； (2) 使用安全，维修方便：在 设计 过程 中 对于 机器 的安装、设备的维修、保养和维护 应无锡太湖学院学士学位论文 2 该综合考虑， 使 得 零部件更换方便 2。 (3) 降低成本： 综合考虑后应选取成本最低的材料。 (4) 旋紧力度要合适： 力过大 则不易开瓶，影响顾客 打开瓶子喝水；力过小 则不利于密封，造成 漏气 影响产品质量。 磁力式拧瓶机的设计及工程分析 3 2 拧瓶机的总体设计 2.1 拧瓶机的简介 拧瓶机的功能一般是为了将瓶盖旋紧在容器口上 ,通过密封垫或瓶盖的弹性变形使瓶口密封 ,这种封口形式主要用于盖子为塑料盖或金属盖 ,而瓶身为塑料 ,金属的容器。 2.1.1 拧瓶机系统的构成 拧瓶机 ,属于封口机械的一种 ,其种类繁 多 ,构造复杂。 拧瓶机的系统一般 由传动系统 ，供料系统 和执行系统 ,控制系统 ,机身五部分组成。 （ 1） 传动 系统 包装过程一般需要多步完成 ,每一步工序都需要将外包装和被包装物品从一个位置运送到另一个位置 ,直至最后输出成品。所以传动系统就是完成以上功能的。一般由电机带动齿轮 ,凸轮 ,链条进行传动。 （ 2） 供料 系统 供料系统将包装材料进行有序的排列 ,送到合适的工位 ,为后续工作做准备 ,如将瓶口摆在合适的位置 ,竖起 ,定位等。同时对包装产品称重 ,计量 ,送入封口工位。为封装产品做准备。 （ 3）执行机构 执行机构是采用机械化的方法 或自动化手段代替人工操作 ,如夹持冲洗、封口、滚花、封装等操作的机构。 （ 4）控制系统 控制系统由各种手动和自动装置组成。在包装过程中 ,各个环节的运转 ,各个机构的配合 ,人与机械的互动 ,都需要控制。控制系统不仅决定了包装的质量 ,而且影响到人身安全 ,所以提高控制系统的水平至关重要。 （ 5）机身 机身不仅用于安装、固定、支承机器 ,还具有减震、防护等作用。因此 ,机身必须具有高强度和稳定性等特点。 2.2 拧瓶机的设计 2.2.1 拧瓶机的整体传动设计 选择好 电机型号后 ，应该判断 如何合理分配各级传动 以 及采用的传动方式， 如带传动，齿轮传动等等。 2.2.2 拧瓶机的外形设计 从拧瓶机的外观 设计需要 符合机械设计的工艺性要求， 除此之外 机器的密封必须可靠，而且要考虑到出现问题后 ，机器的 维修调试要方便等等。 2.2.3 拧瓶机自动化控制系统的设计 首先是从产品的进料到出料过程的自动化，其次是拧瓶机旋盖过程的自动化控制，甚至还有检测装置的自动化检测和报警。 2.2.4 旋盖头装置的结构设计 从旋盖头 内部各零件的设计。 无锡太湖学院学士学位论文 4 2.2.5 转盘装置的结构设计 转盘周边设计成与瓶大小适当的槽，可以顺利的取瓶，送瓶，转盘与中心主轴靠键链接，中心主 轴旋转从而带动转盘旋转。 2.3 拧瓶机总体方案的确定 经过对拧瓶机相关文献和专利的阅读和详细分析，运用已经掌握的知识对本课题初步形成了三种大致的设计方案如下： 2.3.1 方案一的介绍 如图 2.1 所示，该方案 靠 带动传送带将 瓶子 传送至上 理盖器下方 ， 瓶子上好盖子后 停止在拧瓶机正下方，传感装置 检测到后 ，通过上部 的气缸 进行运动， 旋盖头 进行下降 ，旋盖头旋转将瓶盖旋紧在瓶上。 本方案结构简单 易懂，但是从整体来分析，旋盖的效率不高，自动化程度也不够高，成本也不低所以此方案舍弃。 2.3.2 方案二的介绍 如下图 2.2 所示：在控制面板 7 上启动拧瓶机后，首先定位气缸 2(B)动作，伸出挡板可以把输送带 1 上的带盖瓶子拦住；当光电传感器 3(A, B)都接通时，定位气缸 2(A)动作，把后面的瓶子拦住；同时电机 5 开始旋转，通过皮带带动旋盖头 4（ A,B）转动，然后升降气缸 6（ A,B）伸展，旋盖头下降旋盖，旋好盖后电机停止转动，气缸 6（ A,B）自动收缩，定位气缸 B 收缩挡板，瓶子通过输送带送出，定位气缸 A 收缩挡板，等待人工启动，进入下一个工作过程。该方案结构简单，成本低，但是旋盖的效率不是很高，自动化程度低还需要人工操作，不适合大批量生产。 图 2.1 方案一拧瓶机的结构的正视图 磁力式拧瓶机的设计及工程分析 5 1、输送带； 2、定位气缸； 3、光电传感器； 4、旋盖头； 5、电机； 6 升降气缸； 7 控制面板； 图 2.2 拧瓶机结构简图 2.3.3 方案三的介绍 图 2.3 拧瓶机结构示意图 如上 图 2.3 所示，该拧瓶机主要由进出瓶机构、理盖系统、送盖机构、旋盖装置、传动系统、升降圆柱凸轮、机身支架等部分组成。拧瓶机工作时 ,传送带将瓶按一定的间距传送瓶子 ,瓶子在行进过程中定位，获取瓶盖后由周期性的拨杆机构送入到旋盖头下的中无锡太湖学院学士学位论文 6 心转盘 ,与旋盖头一起同步转动。同时 ,旋盖头在圆柱凸轮作用下 ,实现取盖、升降，旋盖功能 ；旋盖头在电机的驱动下，在与瓶子公转的同时又自转 ,将瓶盖旋紧在瓶子上。随后 ,旋好盖的瓶子由出瓶拨杆输出。 2.3.4 方案比较 方案一和方案二的结构 比较 简单，生产成本低，但 是自动化程度不够高导致效率低 下 ，所以 适 合小批量生产；方案三结构设计简单且精密合理，旋盖精度高，效率高。除此之外，可以适用于不同高度的瓶子，旋紧力度也可调，自动化程度也比较高，所以 综合考虑 后，本课题采用方案三。 2.4 拧瓶机重要参数的确定 2.4.1 设计参数 旋盖头数为 12 个； 适用盖（直径）： 30mm； 适用盖（高度）： 12mm 至 15mm； 瓶子试用高度： 170mm 至 200mm； 生产效率： 4000 至 5000 瓶 /时 2.4.2 设计要求 (1) 一机多用：利用同一台设备旋不同高度的瓶盖，提高设备利用率； (2) 使用安全，维修方便 ：在设计过程中对于机器的安装、设备的维修、保养和维护应该综合考虑，使得零部件更换方便。 (3) 降低成本：综合考虑后应选取成本最低的材料。 (4) 旋紧力度要合适： 力过大则不易开瓶，影响顾客打开瓶子喝水；力过小则不利于密封，造成漏气影响产品质量。 磁力式拧瓶机的设计及工程分析 7 3 拧瓶机的组成及部件设计 3.1 拧瓶机的组成 拧瓶机主要由机架、 输瓶系统、 理盖 机 、 旋盖头、传动系统、控制系统等组成。 机架的作用是固定和支承所有工作 件 ， 经过焊接而成的主机架选用不锈钢板， 这样的结构，既能保证稳定性，又美观耐用。 理 盖系统主要 给瓶子不断的提供瓶盖 ， 瓶盖在进入输送轨道之前就已经整理好了 。该系统主要由理盖机，送盖槽，电机等组成。 输 瓶系统 主要有输送带、拨杆机构、挡板等组成，它 的主要作用是 把瓶子分隔开一定的距离 。 旋盖头是拧瓶机的关键部件，主要在封盖过程中完成取盖、拧盖等工作， 本文设计的是电磁式旋盖头。 传动系统 主 要实现以下几个部分的运动：旋盖头的自转、公转、 升降运动；中心转盘的旋转等。 控制系统是机器的核心组成部分之一。对生产效率和工作可靠性影响很大。本机主要由传感器监控，用 PLC 控制。 3.2 圆柱凸轮的设计 如下图 3.1 图 3.1 圆柱凸轮 旋盖头在圆柱凸轮作用下 ,实现取盖、升降，旋盖功能。 经过计算，圆柱凸轮里面的滚子可以顺利的通过圆柱凸轮里的轨道。 3.3 理盖装置的设计 如图 3.2 所示。 该 理盖器的工作原理是：在电磁铁与支承板弹簧的交替作用下，料斗作 上下微幅振 动 的运动；在这种 运动过程中，瓶盖将 一边自动排队、定向，一边 沿螺旋形供盖滑道从料斗底部向上移动。所以，只有盖口向上的瓶盖才能到达料斗上部的出盖口，然后进入输盖槽，再沿输盖槽翻转 180，变成盖口向下的状态，最后由旋盖头完成瓶子的封口工作 11。 无锡太湖学院学士学位论文 8 1料斗 2螺旋形滑道 3支承板弹簧 4气隙调节结构 5减振橡胶弹簧 6出盖口 7衔铁 8电磁铁 9基座 图 3.2 理盖器的结构示意图 3.3.1 送盖自动料斗 送盖自动料斗是指通过一定的转动或振动机构，使瓶盖不断地运动。有机械搅拌式自动送盖料斗、电磁 式振动 的自动送盖料斗、磁力回转式的自动送盖料斗等形式。由于机械式的自动料斗存在着容易划伤瓶盖表面甚至会使瓶盖变形的缺陷，磁力回转式自动送盖料斗适应范围小，所以本机选用 的是电磁式振动 自动料斗。 3.3.2 螺旋形供盖滑道 圆筒状料斗的底面呈 扁圆锥形，内壁设有螺旋形供盖滑道。当料斗作复合式运动时，瓶盖会沿扁圆锥形底面滑移到料斗底面与侧壁的交接处；在摩擦力、惯性力和离心力等作用下，瓶盖又沿螺旋形供盖滑道由底部向上运动。在料斗中杂乱堆集的瓶盖运动到螺旋形供盖滑道上之后，只有盖口向上和盖口向下两种状态，而其它状态（如 “侧立 ”状态）的盖瓶会在料斗作上下微振时滚落回料斗底部，即瓶盖完成了第一次定向 11。 在螺旋形供盖滑道上开有 “E”形缺口，如图 3.3 所示。盖口向上的瓶盖可以顺利地通过该缺口（如图 3.4a）；而盖口向下的瓶盖运动到该缺口处时，会翻落下去 （