磁力式拧瓶机的设计及工程分析磁力式拧瓶机的设计及工程分析

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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;IIABSTRACTATHOMEANDABROADHASBEENQUITEMATURETECHNOLOGYSEALINGMACHINE,FORMINGAFAIRLYMATUREPRODUCTIONLINE,VARIOUSSPECIFICFUNCTIONSSEALINGMACHINE,CAPPINGMACHINECANBESEENEVERYWHEREINTHEPRODUCTIONANDLIVING,TECHNICALINNOVATIONANDIMPROVEMENT,FORMDIVERSIFIEDDEVELOPMENTCAPPINGMACHINEISTIGHTENINGTHECAPINTHEPROCESSOFBEVERAGEFILLINGEQUIPMENT,WORKMUSTENSURETHATAPPROPRIATETIGHTENINGTORQUETORQUEISTOOSMALL,CAPSCREWISNOTTIGHT;TORQUEISTOOBIG,EASYTODAMAGETHEBOTTLEMOUTHANDBOTTLECAPSTHEREFORE,WEDEVELOPEDONTHEBASISOFABSORBINGFOREIGNADVANCEDEQUIPMENTFROMAUSEOFMAGNETICTRANSFERTORQUECAPPINGHEADCAPTIGHTENED,CANBEEASILYSETASREQUIRED,ADJUSTTHETIGHTENINGTORQUEOFTHESIZE,ANDCANBEAPPLIEDTODIFFERENTTHEHEIGHTOFTHEBOTTLETHISPAPERINTRODUCESTHERESEARCHBACKGROUNDANDSIGNIFICANCEOFTHETOPIC,DISCUSSEDCAPPINGMACHINEDEVELOPMENTATHOMEANDABROAD,INTRODUCEDTHECONTENTANDMETHODSDESIGNRESEARCHTHISISDESIGNEDTOFOCUSTHEOVERALLDESIGNOFTHECAPPINGMACHINE,CAPPING,TRANSPORTATIONANDPOSITIONINGOFTHEPACKAGINGPROCESS,BASEDONTHISTHEMOTIONANDSTRUCTUREDESIGNTHEPACKAGINGDESIGNISTHEROTARYTYPE,THROUGHTHECYLINDRICALCAMCONTOURTHECAPPINGHEADUPANDDOWNRECIPROCATINGOFTHEMOTIONANDTAKEFULLACCOUNTTOMEETTHEPRINCIPLEOFTHEPACKAGINGMACHINERY,MACHINELAYOUTANDECONOMYKEYWORDSCAPPINGMACHINE;MAGNETICFORCE;AUTOMATION;CYLINDRICALCAMIII目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111本课题的设计内容和意义112国内外的发展概况113本课题应达到的要求12拧瓶机的总体设计321拧瓶机的简介3211拧瓶机系统的构成322拧瓶机的设计3221拧瓶机的整体传动设计3222拧瓶机的外形设计3223拧瓶机自动化控制系统的设计3224旋盖头装置的结构设计3225转盘装置的结构设计423拧瓶机总体方案的确定4231方案一的介绍4232方案二的介绍4233方案三的介绍5234方案比较624拧瓶机重要参数的确定6241设计参数6242设计要求63拧瓶机的组成及部件设计731拧瓶机的组成732圆柱凸轮的设计733理盖装置的设计7IV331送盖自动料斗8332螺旋形供盖滑道8333输盖槽部件10334理盖机机架1034旋瓶转盘的设计1235拨杆机构的设计1336输送轨道的设计1437旋盖头的设计14371初级的外靠摩擦轮形式15372摩擦片扭矩限制机构15373电磁力扭矩限制机构154拧瓶机传动部分的设计1741电动机的选择17411类型和结构型式的选择17412功率的确定17413转速的确定1742传动比的分配18421传动比分配的参考数据1843减速器的设计选择1844带传动的设计1945轴的设计及校核21451轴的材料21452轴的计算2146键的选择和键链接强度计算22461键的选择22462平键链接强度计算2247锥齿轮的设计计算2348滚动轴承选择原则275拧瓶机控制系统29V51控制要求2952控制系统的选择29521为何采用PLC控制296拧瓶机的安装、维护和安全3061安装3062维护保养3063安装要求307结论与展望3171结论3172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11绪论11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。12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。13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32拧瓶机的总体设计21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。211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。22拧瓶机的设计221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。222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。223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。224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4225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。23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231方案一的介绍如图21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。232方案二的介绍如下图22所示在控制面板7上启动拧瓶机后,首先定位气缸2B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3A,B都接通时,定位气缸2A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21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51、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22拧瓶机结构简图233方案三的介绍图23拧瓶机结构示意图如上图23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。234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。24拧瓶机重要参数的确定241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242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73拧瓶机的组成及部件设计31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。32圆柱凸轮的设计如下图31图31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。33理盖装置的设计如图32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81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32理盖器的结构示意图331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。332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33所示。盖口向上的瓶盖可以顺利地通过该缺口(如图34A);而盖口向下的瓶盖运动到该缺口处时,会翻落下去(如图34B),然后再重新沿螺旋形供盖滑道向上运动,因此,只有盖口向上的瓶盖才能通过“E”形缺口,继续沿螺旋形供盖滑道向上运动,直至出盖口,即完成了瓶盖的第二次定向11。磁力式拧瓶机的设计及工程分析91料斗筒壁2“E”形缺口3螺旋形滑道图33螺旋形供盖滑道上的“E”形缺口1料斗筒壁2螺旋形滑道3瓶盖(正向)4瓶盖(反向)图34两种状态的瓶盖通过“E”形缺口时的状况无锡太湖学院学士学位论文10333输盖槽部件定向的瓶盖从料斗出来,即进入送盖槽。图35和图36为送盖槽部件,经过计算瓶盖由于重力及惯性能够顺利通过送盖槽。在最底部有挡板防止瓶盖由于惯性而冲出去。此外,挡板还起到了定位作用,它与送瓶轨道上的挡板保证了瓶盖的中心轴与瓶子的中心轴在同一轴线上。轨道最前端有一段水平板,将瓶口的盖压平,便于下一步的旋盖操作。图35送盖槽3D图图36送盖槽2D图334理盖机机架机架设计准则⑴刚度评定大多数机架工作能力的主要准则是刚度。在机床中刚度决定着机床生产效率和产品精度;⑵强度强度是评定机架工作性能的基本准则之一。除了需要校核机架的静强度之外还要校核其疲劳强度。⑶稳定性它是保证机架正常工作的基本条件,必须加以校核。⑷热变形对于机床、仪器等精密机械还应考虑热变形。热变形将直接影响机架原有精度。磁力式拧瓶机的设计及工程分析11在满足机架设计准则的前提下,必须根据机架的不同用途和所处环境,考虑下列各项要求,并有所偏重。⑴机架应尽量轻、成本低,但前提必须满足强度和刚度。⑵抗振性好。⑶噪声小。⑷温度适合,减小热变形。⑸结构设计合理。⑹结构便于安装、调整及修理。⑺耐磨性好。⑻造型好,工艺性良好。理盖机机架方案一的介绍如下图37所示图37机架由于理盖机需要震动,此方案的机架对理盖机来说不够稳定,而且实体圆柱形的机架较浪费材料,不满足机架的设计准则中的,在满足强度和刚度的前提下,机架的重量应要求轻、成本低,故此方案舍弃。
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