机械式拧瓶机的设计及工程分析机械式拧瓶机的设计及工程分析

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摘要拧瓶机是自动拧瓶生产线的主要设备之一,它是封口机的一种,广泛用于玻璃瓶或PET瓶的螺纹盖封口。由于螺纹盖具有封口快捷、开启方便及开启后瓶又可重新旋上瓶盖等优点,所以一些不含气的液料,诸如饮料、酒类、调味料等类似瓶包装的封口中大量采用螺纹盖封口。为了适应现代包装机高速、高效和高可靠性生产的需要,在广泛吸收国内外先进机型的基础上,本课题设计了全自动拧瓶机。它靠异步电动机带动传送带实现瓶子的输入和输出,中间在传送带上部巧妙地安置了转盘,给旋盖工作带来很大的便利,也大大提高了效率,旋盖装置更是此次设计的关键部件,靠电机带动空心轴以及其以上的机构旋转,同时上部的圆柱凸轮实现旋盖头的升降,旋盖头运用机械式的方法,夹头的另一头联接弹簧,运用杠杆原理实现瓶盖的夹紧。当旋盖头夹紧瓶盖时,上方的电动机启动开始旋盖。本课题的设计不但结构简单明了操作方便,而且实现了从进瓶到出瓶的全部自动化,具有速度可调、定位准确、旋盖可靠、运行平稳、无噪音和不伤瓶盖等优点,克服了传统机构的缺点,总体上达到了我们预期设计的目标。关键词拧瓶机;旋盖头;机械式;杠杆ABSTRACTCAPPINGMACHINEISONEOFTHEMAINEQUIPMENTOFTHEAUTOMATICFILLINGPRODUCTIONLINE,WHICHISAKINDOFSEALINGMACHINE,ANDWIDELYUSEDINGLASSORPETBOTTLESSEALEDWITHSCREWCAPSCREWCAPWITHSEALINGTHEFAST,ISEASYTOOPENANDCANBEREOPENEDAFTERTHEBOTTLESCREWCAPONTHEBOTTLE,ETCSOSOMENONGASLIQUIDMATERIAL,SUCHASBEVERAGES,WINE,SEASONINGSANDTHELIKEINALARGENUMBEROFTHESEALEDBOTTLESWITHSCREWCOVERSEALINORDERTOADAPTTOTHEPRODUCTIONNEEDSOFTHEMODERNHIGHSPEEDPACKAGINGMACHINE,HIGHEFFICIENCYANDHIGHRELIABILITY,EXTENSIVELYABSORBINGONTHEBASISOFTHEADVANCEDMODELS,THEPROJECTDESIGNSTHEAUTOMATICSCREWINGMACHINEITISBELTDRIVENBYINDUCTIONMOTORSTOACHIEVEINPUTANDOUTPUTOFTHEBOTTLE,THEUPPERMIDDLEOFTHECONVEYORBELTTURNTABLECLEVERLYPLACED,THECAPHASCAUSEDGREATCONVENIENCE,BUTALSOGREATLYIMPROVEEFFICIENCY,CAPPINGDEVICEISTHEKEYTOTHEDESIGNPARTS,RELYONMOTORDRIVENHOLLOWSHAFTANDTHEINSTITUTIONSROTATION,WHILETHEUPPERPARTOFTHECYLINDRICALCAMLIFTINGOFCAPPINGHEADTHEMETHODOFTHECAPPINGHEADSISMECHANICALTHEOTHERENDOFTHECHUCKCOUPLINGSPRINGITUSESTHELEVERPRINCIPLEIMPLEMENTATIONCLAMPINGBOTTLECAPSWHENTHETHECAPPINGHEADCLAMPINGCAP,THETOPOFTHEMOTORSTARTSTARTCAPPINGNOTONLYTHESTRUCTUREISSIMPLE,EASYTOOPERATE,BUTALSOTHEDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFTHEPROJECTFROMTHEBOTTLEINTOTHEBOTTLETOTHEFULLAUTOMATION,WITHADJUSTABLESPEED,ACCURATEPOSITIONING,CAPPINGRELIABLE,SMOOTHRUNNING,NONOISEANDNOTTOHURTTHECAPS,ETC,TOOVERCOMETHESHORTCOMINGSOFTRADITIONALINSTITUTIONS,THEOVERALLDESIGNTOACHIEVETHEGOALOFOUREXPECTATIONSKEYWORDSCAPPINGMACHINE;CAPPINGHEAD;MECHANICAL;LEVERAGE目录摘要IABSTRACTII目录V1绪论111本课题的设计背景112国内外发展113本课题应达到的要求32拧瓶机的整体设计421设计任务分析4211设计参数4212工艺路线4213技术要求422拧瓶机的工作原理423总体方案确定4231方案一的介绍4232方案二的介绍5233方案三的介绍5234方案四的介绍624方案比较625采用方案的详细设计7251传送机构的设计7252转盘的设计7253升降机构的设计8254理盖器的设计8255旋盖头的设计10256底座箱的设计103传动系统的设计计算1331电动机的选择1332传动比的分配1433减速器的设计选择1534带传动的设计1535锥齿轮的设计计算1936轴的设计及校核2437键的选择与校核25371键的选择25372键的校核2638轴承选择与校核284拧瓶机的安装及维护3141安装3142维护保养315拧瓶机的改进与展望3251自动润滑的改造3252展望326小结33致谢34参考文献351绪论11本课题的设计背景随着食品,医药产业的发展,对产品的密封提出越来越高的要求,完善的密封不仅可以延长食品,医药产品的保质期,而且可以避免食品中营养的流失。拧瓶机就是完成包装容器封口的机器,属于包装机的一种,主要针对玻璃瓶或PET瓶的螺纹盖封口。这种密封机对瓶和盖都有一定的要求,瓶盖一般要求为内螺纹,瓶口为外螺纹,通过旋盖头的旋转将瓶盖固定在瓶头。这种封口方式由于封装和开启都很方便,所以被广泛应用于不含气体的果汁,饮料,调味品,药品和化妆品1。但是我国的包装机械发展还处于初级阶段,对包装机械的设计和研发没有太多的经验与理论基础,很多机器只是对外国现有机器的仿绘,没有自主研发的知识产权,机器一旦出现问题,解决起来十分困难,而且要对机器进行改进也无从下手目前总体来看,我国的包装机械主要存在以下两方面的问题其一,自动化程度低,很多国外的包装机从原料进入到成品出来,基本全部自动化,而我国的包装机械自动化程度还很低,很多环节需要人工辅助其二,效率低下,很多国外的包装机械的生产效率是国内机械生产效率的几倍甚至是几十倍4。本课题就是顺应时事的需求,针对上述的这些问题而提出的,通过对拧瓶机旋盖头运动的主驱动系统的深入研究,找出影响拧瓶机稳定工作的各个因素,通过忽略次要因素,控制主要因素,对各个主要因素的参数进行优化,从而实现高自动化,高效率,高精度,低废品率,低污染经济适用的拧瓶机。并通过分析找出各个参数之间的相互影响关系,为以后拧瓶机的设计提供一定的理论依据和参考。本课程的设计包括对拧瓶机的工作原理的分析,以及对已有拧瓶机方案的对比,得出本课程的设计方案。具体对传送机构,转盘,旋盖头,升降机构,理盖器及底座箱体的设计,进而对各个零件机构的设计及校核。12国内外发展从质量方面来说,我国拧瓶机与国外还存在很大差距,不论是内在质量还是外观设计,都无法与国外产品相抗衡内在质量差主要表现在材料粗糙,生产效率低,耗电量大,工作不稳定,使用寿命短等。外观方而主要是外形不够美观,缺少人性化考虑。造成这些问题主要有以下几方面的原因我国制造业还比较落后,从材料制造,到加工生产,都无法达到包装机械的设计要求,设计理念,设计方法,设计手段还不够完善。在包装机械的制造中还没有统一的标准,或者标准过低,无法完成包装机械的特殊要求17。从科技含量来说,我国的包装机械主要表现是低效率,高能耗,科技含量低,创新产品少,最新的设计方法,检测技术,控制技术都没有应用进去。与发达国家相比,我国的技术水平与国外至少相差10年左右。由于以前我国对拧瓶机行业并不是十分重视,所以到目前为止,自主创新能力还很差,大部分企业都是对国外机器进行测绘仿制,没有进行自主研,各大高校的研发课题也与市场脱轨,不能转化为生产力。没有形成产,学,研相结合的研发道路。但随着包装产业需求的增大,国家在这方面的投资力度也逐年增加,与发达国家相比,科研经费还是不足,我国目前投入的科研经费仅占产品收入的35。而发达国家的研发费用投入已占销售收入的89左右科研经费的缺乏使得科研手段十分落后,很多还停留在使用测绘,仿制等方法。对于低效率,低档次的国外产品进行仿制,对于高技术含量包装机械只能花巨额金钱从国外进口18。提高自动化程度是包装机械发展重要的趋势。产品和产量居世界之首的美国十分重视白装机械与计算机紧密结合,实现机电一体化控制,将自动化操作序、数据收集系统、自动检验系统更多用于包装机械之中。日本则长于微电子技术,用以开那个值包装机械,有效地促进了无人操作和自动化程度的提高。在计量、制造和技术性能等方面居于世界领先地位的德国也高度重视提高自动化程度。几年前,德国包装机械系统设计时,自动化技术在整个系统操作及运行中还占30,现在已占到50以上。不过总的来说,其未来的发展趋势主要表现为以下几个方面1自动化程度不断提高不论什么机器,自动化肯定是未来发展的趋势,拧瓶机也不例外。自动化水平是衡量一台机器设计成功与否的一个标志。自动化水平的提高,不仅使工作人员从繁重的体力劳动中解放出来,而且提高了劳动生产率。目前德国的包装机械中,自动化技术己被广泛的应用,约占整个机械中的36。其它一些制造业大国也十分重视自动化水平的提高,并不断的把最新的技术与自动化技术紧密结合,如智能控制技术,传感器技术这些技术的加入,不仅使自动化水平显著提高,而且提高了生产效率,增加了工作的稳定性和准确性。2高效率,高可靠性高效率,高可靠性是机械设计人员追求的一个方向,但往往二者不可兼得,当效率高的时候,机器的运动速度一般要求较高,这时机构间的冲击,碰撞会大幅增加,稳定性下降,可靠性降低。低速时虽然工作稳定,可靠性高,但效率很低,所以找到二者的均衡点至关重要。但随着新的设计方法和设计理念的提出,或许可以设计出效率高,工作又稳定的机构。目前德国的罐装机生产能力可达13000瓶/时,茶叶包装机的速度达到了360袋/分,这些机械不仅效率高,而且工作稳定,满足了目前食品行业的需求。但是目前提高效率的手段主要是通过提高速度,但速度的提高不是没有限制的,一旦达到上限,未来该怎么办,这是值得考虑的。3好的柔性和灵活性随着生活质量的提高,人们对物质多样性的需求越来愈大,这就要求包装机械具有好的柔性和灵活性,能根据产品的要求作出改变。如新型的拧瓶机,只要通过更换旋盖头,就可以对不同类型,不同结构的瓶盖进行封口。相信简单,模块化,便携式,更紧凑,更灵活和更小巧将是未来包装机械的发展趋势。4注重成套性和配套性拧瓶机成套设备及相关设施是对拧瓶机功能的扩展,目前发达国家对这方面十分重视,这可以显著提高产品的市场竞争力,例如日本的包装机械,专门为用户提供了一系列的备选方案,针对具体的工作环境和工作要求,用户可以选择适合自己的配套设备。并且可以通过计算机仿真技术对现实情况进行模拟,及时发现问题并提出合理的解决方案。但这里同样要注意设备之间的匹配,如果有的效率高,有的效率低,最后的工作效率是山配套设备中效率最低的设备决定的。5使用新的设计理念和方法随着计算机技术的发展,新的设计方法不断涌现,如计算机辅助设计,计算机辅助制造,计算机仿真等,使用这些新的方法,可以改善传统设计过程中设计周期一长,成本高的缺点。而且随着现代设计理论的发展,可以在设计前先做一定的理论分析,缩小设计的范围,减少实验的次数。理论数学的发展也为机械设计提供了一定的理论基础,如遗传算法,最优算法,可以快速的找到最优解,找到设计中的最佳尺寸。总之,新的技术和方法有利于机械制造业的发展19。13本课题应达到的要求本课题基于我国目前拧瓶机的发展现状,首先根据设计的指标要求来确定系统的总体方案,提出满足设计要求的方案,并运用UG软件进行模型的搭建,通过仿真分析,找出其中的问题,以期达到最佳设计目标。本课题要解决的问题是提高拧瓶机的旋盖的速率的较大的提高,其中包括理盖,送盖,压盖,旋盖和拧好瓶的输出部分的结构设计以及拧瓶机的整体设计,实现结构的最优。2拧瓶机的整体设计21设计任务分析设计一台回转式拧瓶机,用于将容器盖上瓶盖。211设计参数①生产能力40005000瓶/H;②瓶盖尺寸直径30~40MM;高12~15MM;③瓶子尺寸直径60MM;高150MM~200MM;212工艺路线供送瓶和盖旋盖送出产品213技术要求①旋紧力要合适,过紧则瓶子用户不易开瓶,影响顾客使用,过松则会试瓶内的液体漏出。②瓶口直径、瓶子高度在一定范围内可调,使拧瓶机具有一定的柔性,适合不同类型的罐头。③拧瓶机旋盖动作要保证瓶盖本身的美观,防止对瓶盖造成刮伤。④拧瓶机的效率高,使用拧瓶机能满足工厂降低生产成本的目的。⑤具体到不同类型的拧瓶机,还有其它一些要求,比如低重量、高稳定性、低功耗等等。22拧瓶机的工作原理拧瓶机主要由进出瓶机构,理盖系统,送盖机构,拧瓶机构,传动系统,机身支架等部分组成。机械式全自动拧瓶机采用机械式旋盖头进行旋盖。传送带通过两侧的栏杆夹紧瓶子并带动瓶在流水线上运动。旋盖头安装在圆盘上方,通过圆柱凸轮实现升降,并随瓶身一起转动。当旋盖头接触到盖子时,电动机开始运作,随着旋盖头的下降将瓶盖拧紧。旋盖头又会随着圆柱凸轮上升脱离瓶盖,最后将拧好的瓶子经过拨杆送出圆盘,到达输出的传送带上。23总体方案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几种大致的设计方案如下231方案一的介绍如图21所示,该方案利用步进电机带动传送带将待旋盖瓶传送至上盖装置下方自动上盖并抚平,然后将上好盖的瓶子停止在拧瓶机正下方,传感装置将信号传至拧瓶机构,通过上部的气缸实现旋盖头的整体下移,通过下部的杠杆机构实现瓶子的夹紧,选盖头旋转将瓶盖旋紧在瓶上。旋盖完成后旋盖头升起,传送带继续前进一定距离,开始重复旋盖过程。本方案结构较为简单,易懂,但是从整体来分析,旋盖的效率不是太高,而且对传送带的各种要求比较高,需要特别订制,成本会提高2。图21方案一拧瓶机的结构的正视图232方案二的介绍如图22所示,该方案的全自动拧瓶机由上盖装置,传送带,底座箱,拧瓶机构,旋瓶圆盘,控制机箱等组成。传送带是靠三项异步电动机带动一直匀速的前进,中间的由步进电机驱动的旋瓶圆盘间歇转动,转动时,从上料侧将瓶子取走通过振动上盖装置上盖;停止时,一直旋转的旋盖头靠下部气缸的作用整个支撑杆向下运动完成旋盖并抬起,与此同时,前面旋盖完成的瓶子会随着传动带输出。从而,顺利的完成了全自动旋盖的整个过程6。图22方案二拧瓶机结构图233方案三的介绍如图23,该方案将盛满液体的瓶子固定在输送链上,再传送到转盘上,理盖器将盖通过圆柱凸轮放到瓶口,再传送到带轮上,用旋盖头将盖拧紧25。图6方案三总体结构布置图234方案四的介绍如图24,瓶子通过传送带经过轨道的限制约束,到达前面的挡板定位,瓶与瓶盖接触,瓶盖就会盖在瓶上,在经过拨杆拨入转盘中,旋盖头经过圆柱凸轮的升降与瓶盖接触将盖卡紧旋盖头进行定位,此时旋盖头的电动机开始工作将盖拧紧,由于旋盖头内有弹簧,当旋盖头上升时可以有效的与瓶体脱离,减少对瓶盖的伤害,当拧好的瓶转到出口时,在经过拨杆拨到输出的轨道上,通过传送带传送出去。本方案可以有效的节省空间,而且显著的提高了生产效率,一改先前的单线拧盖。24方案比较方案一结构简单,生产成本低,但是传送带的停走精度难以控制,所以整个旋盖的精度低而且生产效率低,而且整个装置的自动化程度不是很高,较为适合小批量生产;方案二结构设计简单且精密合理,旋盖精度,效率相对高一些,但是还是单线生产;方案三的考虑到了将盖通过圆盘旋转的方式将盖放在瓶上,但是拧瓶时仍然还是单线,效率不是很高;方案四有效的解决以上的一般问题,虽然将盖放在瓶上也是单线,但是效率比之前高的多,而且选用双道都在同侧,节省了很多空间,运用圆盘十二瓶的机构显著的提高了生产效率。所以本方案选择了方案四的结构设计。图24方案四拧瓶机的前视图25采用方案的详细设计251传送机构的设计图26传送带轨道如图26,传送机构的轨道是喇叭口的,开口是较大些方便瓶子的进入,但是到左边轨道的宽度就和瓶身直径相同,便于定位。252转盘的设计如图27,地面转盘的是根据瓶子的半径设计的,为了提高生产率选择有12个卡口,可以同时进行12个瓶的旋盖,可以节省很多的时间。圆环轨道的宽度刚好是瓶身的直径,可以很有效的起到定位的效果,方便旋盖。图27转盘253升降机构的设计图28圆柱凸轮机构如图28,升降机构选择圆柱凸轮机构,当圆柱凸轮转动时,滚子也会沿着里面滚槽向上或向下滚动,实现旋盖头的升降26。254理盖器的设计①通用瓶盖理盖器的结构瓶盖理盖器主要由料斗、螺旋形供盖滑道、出盖口、支承板弹簧、减振橡胶弹簧、衔铁、电磁铁、气隙调节结构和基座等部件构成,如图29所示。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“往复扭转+上下微幅振动”的运动;在这种复合式运动过程中,瓶盖将沿螺旋形供盖滑道从料斗底部向上移动,同时进行自动排队、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29理盖器的结构示意图定向。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,最后由送盖机构将瓶盖按生产要求的节拍依次送入封口机的机头中,完成酒瓶的封口工作27。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。在螺旋形供盖滑道上开有“E”形缺口(如图210所示)。盖口向上的瓶盖可以顺利地通过该缺口(如图211A);而盖口向下的瓶盖运动到该缺口处时,会翻落下去(如图211B),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。1料斗筒壁2“E”形缺口3螺旋形滑道图210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211两种状态的瓶盖通过“E”形缺口时的状况255旋盖头的设计如图212所示,旋盖机构工作时,利用三爪卡头抓取瓶盖,三爪卡头中有两个是固定的,内侧有橡胶增加摩擦力;还有一个是活动的,其另一侧联接弹簧,当抓取到瓶盖时该爪张开弹簧受力产生相反的推力,利用杠杆原理同时瓶盖也会受到一定的压应力,并通过顶压弹簧产生顶压力将瓶盖向下压,此时电机转动将瓶盖拧紧,随着升降结构上升,旋盖头就会自动脱离瓶盖。256底座箱的设计如图213所示。根据需要,初步设计底箱的整体尺寸为1200800400,壁厚30MM,整个箱体靠下面的四个支柱支撑。图212旋盖头正视图及剖视图图213底座箱
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