机械毕业设计（论文）-磁力式拧瓶机的设计及工程分析【全套图纸UG三维】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 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 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师：（职称：副教授） （职称： ） 2013 年 5 月 25 II 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 磁力式拧瓶 机的设计及工程分析 是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注 引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其 他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 94 学 号： 0923190 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 磁力式拧瓶机的设计及工程分析 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 拧瓶机是封口机的一种，它广泛用于玻璃瓶或 PET 瓶的螺纹盖 封口。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。 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。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 拧瓶机的生产效率能达到 4000 瓶/小时，并在拧盖过程中能适应 不同高度的瓶子； 利用 UG 绘制主机总图及主要零件图 ； II 对拧盖机主要零件进行强度校核； 根据计算结果，确定拧盖机结构尺寸，完成总装配图； 查阅相关数据，完成毕业设计说明书一份，不少于 30 页。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 94 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 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：关键词：拧瓶机；磁力；自动化；圆柱凸轮 ； IV 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 V 目目 录录 摘 要III ABSTRACT.IV 目 录.V 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 VI 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 VII 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 绪论绪论 1.1 本课题的本课题的设计设计内容和意义内容和意义 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 本课题本课题应达到的要求应达到的要求 (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 无锡太湖学院学士学位论文 2 应该综合考虑，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 拧瓶机的总体设计拧瓶机的总体设计 2.1 拧瓶机的简介拧瓶机的简介 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 拧瓶机的设计拧瓶机的设计 2.2.1 拧瓶机的整体传动设计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拧瓶机重要参数的确定 2.4.1 设计参数设计参数 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拧瓶机的组成及部件设计 3.1 拧瓶机的组成拧瓶机的组成 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 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（如图 3.4b） ， 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 9 1料斗筒壁 2“E”形缺口 3螺旋形滑道 图 3.3 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 3.4 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 10 3.3.3 输输盖槽部件盖槽部件 定向的瓶盖从料斗出来，即进入送盖槽。图 3.5 和图 3.6 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 3.5 送盖槽 3D 图 图 3.6 送盖槽 2D 图 3.3.4 理盖机机架理盖机机架 机架设计准则： 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； 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。 稳定性 它是保证机架正常工作的基本条件，必须加以校核。 热变形 磁力式拧瓶机的设计及工程分析 11 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。 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。 机架应尽量轻、成本低，但前提必须满足强度和刚度。 抗振性好。 噪声小。 温度适合，减小热变形。 结构设计合理。 结构便于安装、调整及修理。 耐磨性好。 造型好，工艺性良好。 理盖机机架方案一的介绍 如下图3.7所示 图3.7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。 无锡太湖学院学士学位论文 12 理盖机方案二的介绍 如下图3.8所示 图3.8机架 此方案的机架比较合理，利用三脚支撑加强了稳定性，而且机架选用中空的形式这 样能够节省材料，成本较低。此方案结构设计合理，工艺性良好故选用此设计方案。 3.4 旋瓶转盘的设计旋瓶转盘的设计 如下图3.9所示，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。旋盖头的转速与转盘的转速是 相同的，这样可以保证旋盖头与转盘在围绕主轴公转时 ，两者相对静止，旋盖头再靠自 转把瓶盖旋紧在瓶子上。 磁力式拧瓶机的设计及工程分析 13 图3.9转盘 3.5 拨杆机构的设计拨杆机构的设计 如下图 3.10 所示，该拨杆机构和传送带上的挡板都是周期性的，根据瓶子的传送速 度，准确无误的把瓶子从传送带上送至中心转盘处。它可根据传送带上送瓶的速率而切 换不同的转速。 图 3.10 拨杆机构 无锡太湖学院学士学位论文 14 3.6 输送轨道的设计输送轨道的设计 如下图 3.11 和图 3.12 所示，该输送轨道不仅起到输送瓶子的作用，瓶子进入喇叭口 之后靠两旁的挡板限制了瓶子 Y 轴方向上的运动，再靠前端的挡板（做周期性的收缩运 动）又限制了 X 方向上的移动，靠这些挡板对瓶子进行了定位，使得瓶盖的中心轴线与 瓶子的中心轴线在同一直线上，以保证瓶盖能够准确无误的落到瓶子上。送盖轨道最前 端有一段平板，能将瓶口的盖压平，便于下一步的旋盖操作。 图 3.11 输送轨道 图 3.12 定位机构 3.7 旋盖头的设计旋盖头的设计 拧瓶机的关键部件之一便是旋盖头，它主要在封盖过程中完成瓶子的拧盖工作， 磁力式拧瓶机的设计及工程分析 15 它的质量能够直接影响封盖质量和效率。如果旋盖力矩过小，瓶盖旋不紧，如果旋盖力 矩过大,则易损坏瓶嘴和瓶盖。以下为几种旋盖头形式 3.7.1 初级的外靠摩擦轮形式初级的外靠摩擦轮形式 有驱动轴与工作摩擦轮成一力传递刚体。其间, 力传递没有缓冲和力矩限制结构。仅 靠摩擦轮与盖的外壁接触的程度而确定的动摩擦力来控制旋盖力矩。如下图 3.13 所示， 操作人员靠调整摩擦轮与盖的距离, 以达到改变摩擦轮与盖外壁的接触应力，但是旋盖质 量难以保证。 1驱动轴 2调整环 3弹簧 4摩擦片 5主动片（与驱动轴轴向滑键连接） 6从动片（与扭力输出体轴向滑键连接） 7扭力输出体 8摩擦轮或其他与盖工件相连接构件 图 3.13 带有摩擦片的扭矩限制机构 3.7.2 摩擦片扭矩限制机构摩擦片扭矩限制机构 这类装置是在驱动轴与工作摩擦轮间加有限力矩摩擦片, 或摩擦片组。这种结构用 于连续式旋盖形式时, 调整方便, 在调整时, 只要保证工作摩擦轮与盖外壁的接触应力 足够大, 以不出现相对滑动为限，扭矩控制由摩擦片产生的摩擦力矩确定8。 3.7.3 电磁力电磁力扭矩限制机构扭矩限制机构 本文设计的为电磁式旋盖头，一个稳定的电流在导线中流过，能在导线周围产生一个 静磁场。利用磁能产生的力或者力矩，驱动或控制置于磁场中的执行构件9。 此旋盖头为电磁式旋盖头如下图 3.14 和图 3.15 所示, 旋盖头的上下运动时依靠圆柱凸 无锡太湖学院学士学位论文 16 轮来实现，通电后利用电磁力来旋转拧盖，断电则停止旋盖。旋盖头旋转 3 圈则完成一 个瓶子的旋盖。若力超过 3N，旋嘴与瓶盖则会发生打滑，停止旋盖。 图 3.14 旋盖头 2D 图 3.15 旋盖头 3D 磁力式拧瓶机的设计及工程分析 17 4 拧瓶机传动部分的设计拧瓶机传动部分的设计 4.1 电动机的选择电动机的选择 4.1.1 类型和结构型式的选择类型和结构型式的选择 三相交流异步电动机价格低廉、结构简单、维护方便，可直接接于三相交流电网中， 因此在工业上应用最为广泛，设计时应优先选用。 4.1.2 功率的确定功率的确定 电动机的容量（功率）选择是否合适，对电动机的运行很大的影响。当容量过小时， 电动机不能保证正常工作，还有可能使电动机长时间过载而损坏；若容量过大，电动机 的价格高，能力不能充分利用，而且因为经常不在满载下运行，其效率较低。 电动机容量（功率）主要由它在运行时的发热条件所决定，而发热条件又与其工作 情况有关。对长期连续运转、载荷不变或者变化很小、常温工作下的机械，选择电动机 时只要使电动机负载不超过其额定值，电动机便不会过热。 工作机所需功率（kW） w P )1000/( wwww vFP （4.1） 或 )9550/( wwww nTP （4.2） 式中，为工作机的阻力，N；为工作机的线速度，m/s；为工作机的阻力矩， w F w v w T Nm；为工作机轴的转速，r/min；为工作机的效率，带式输送机可取， w n w 96 . 0 w 链板式输送机可取。95 . 0 w 电动机至工作机的总效率（串联时） （4.3） n 321 式中，为传动系统中各级传动机构、轴承以及联轴器的效率。 1 2 3 n 所需电动机的功率（KW） d P 所需电动机的功率由工作机所需功率和传动装置的总效率按下式计算 （4.4）/ wd PP 电动机额定功率 w P 按来选取电动机型号。电动机功率的大小应视工作机构的负载变化状况而定。 dm PP 4.1.3 转速转速的确定的确定 额定功率相同的同类型电动机，有几种不同的同步转速。同步转速低的电动机磁极 多，外廓尺寸大、重量大，价格高，但可使传动系统的传动比和结构尺寸减小，从而降 低了传动装置的成本，因此，确定电动机的转速时，应同时考虑电动机及传动系统的尺 寸、重量和价格，使整个设计即合理又较经济10。 一般最常用、市场上供应最多的是同步转速为 1500r/min 和 1000r/min 的电动机，设 无锡太湖学院学士学位论文 18 计时应优先选用。 综合考虑整个系统所需要的功率，转速，结构尺寸等因素，再参考机械设计手册新 版的第 5 卷电动机的选择的相关资料，选择的电机型号为 Y90S-4 的电动机，该电动机额 定的功率为 1.1kW，满载时转速为 1400r/min。 4.2 传动比的分配传动比的分配 电动机选定后，根据电动机满载转速和工作机的转速就可确定传动系统的总传 m n w n 动比 ，即i （4.5） wm nni/ 传动系统的总传动比 是各个串联机构传动传动比的连乘积，即i （4.6） n iii ii 321 式中， ，为传动系统中各级传动机构的传动比。 1 i 2 i 3 i n i 合理的分配转动比是传动系统设计中的一个重要问题，他将直接影响到传动系统的外轮 廓尺寸、重量、润滑级传动机构的中心距等很多方面，因此必须认真对待。 各级传动比可在各自荐用值的范围内选取。各类机械传动的比荐用值和最大值见下表 3-2。 表 3.2 各类机械传动的传动比 平带传动V 带传动链传动圆柱齿轮传动锥齿轮传动蜗杆传动 单级荐用值 i42425253324010 单级最大值 max i 5768580 4.2.1 传动比分配的参考数据传动比分配的参考数据 带传动与一级齿轮减速器 设带传动的传动比为，一级齿轮减速器的传动比为 ， d i i 应使，以便使整个传动系统的尺寸较小，结构紧凑。 iid 二级圆柱齿轮减速器 传动比可按下式分配： （4.7） ii4 . 13 . 1 1 对于同轴式圆柱齿轮减速器： （4.8） iii 21 但应指出，齿轮的材料、齿数及宽度亦影响齿轮直径的大小。欲获得两级传动的大 齿轮直径相近，应对传动比，齿轮的材料、齿数、模数和齿宽等作综合考虑。 圆锥圆柱减速器 设减速器的传动比为 ,高速级锥齿轮的传动比为 ，传动比可按 i 1 i 下式分配： （4.9） ii25 . 0 1 4.3 减速器的设计选择减速器的设计选择 由于所选电动机的额度转速为 1400r/min，拧瓶机的生产能力为 4000 至 5000 瓶/时， 磁力式拧瓶机的设计及工程分析 19 拧瓶机的旋盖头头数为 12 头，所以拧瓶机每转生产 12 瓶，所以拧瓶机主轴的转速为 360r/小时，即 6r/min。设中心主轴上大锥齿轮与减速器上小齿轮的传动比为 i=6，设减速 器上大带轮与电动机上的小带轮的传动比为 i=2，则减速器上输入转速为 700r/min，输出 的转速为 25r/min，选择 CW 型减速器，减速器的型号为 CW80-25-IF,它的额定输入转速 为 750r/min,额定输入功率为 1.74KW，额定输入转矩为 364N。由于电动机的功率为 1.1KW，所以选择该型号的减速器符合要求。 4.4 带传动的设计带传动的设计 取带轮的传动比，小带轮转速，电动机的额定功率 P=1.1KW，一2i 1 1400 /minnr 天运转时间大于 16h 确定计算功率 ca 由机械设计（第八版） 表 8-7 查得工作情况系数2 . 1 A K （4.10） 1.2 1.11.32 caA pKWKW 选取 V 带带型 根据、由图 8-11 确定选用 Z 型。 ca 1 n 确定 d d 根据 V 带的带型，由表 8-6 和表 8-8 取mm71 1d d 按式 21 21 d d dn i nd （4.11） 从动轮基准直径 2d d mm 142712 12 dd idd 根据表 8-8，取mm140 2 d d 按式 1 60 100060 1000 p d d n d n v （4.12） 验算带的速度sm nd v d /2 . 5 100060 11 所以带的速度合适。 确定普通 V和中心距 d La 根据公式 21021 27 . 0 dddd ddadd （4.13） 初步确定 0 250amm 根据式 mm a dd ddaL dd ddd 5 . 836 42 2 0 2 12 2100 由表 8-2 选800 d Lmm 无锡太湖学院学士学位论文 20 按式 2 0 0 dd LL aa （4.14） 计算实际中心距 mm LL aa dd 250 2 0 0 验算主动轮包角 1 90164 3 . 57 180 121 a dd dd 故合适。 计算 V 带的根数z 由机械设计（第八版） 式(8-22)知: （4.15） 00 () ca L p z pp K K 由 n1=1400r/min、和 Z 型带查机械设计（第八版） 表 8-4a 和表 8-71 1d d2i 4b 得，294 . 0 0 P KWP03 . 0 0 查表 8-5 得,查表 8-2 得则0.96K1 L K 根据公式得 Z=3.7,取 Z=4 根。 计算单根 V 带的出拉力的最小值min)( 0 F 由表 8-3 得 Z 型带的单位长度质量,所以mkgq/06 . 0 Nqv zvK ca PK F46 2 )5.2( 500min)( 0 应使带的实际初拉力。min)( 00 FF 计算压轴力 p F 压轴力最小值为 NFzFp364 2 sin)(2)( 1 min0min 下图 4.1 为小带轮的工程图 磁力式拧瓶机的设计及工程分析 21 图 4.1 小带轮工程图 下图 4.2 为大带轮的工程图 图 4.2 大带轮工程图 4.5 轴的设计及校核轴的设计及校核 4.5.1 轴的材料轴的材料 轴的材料主要是碳钢和合金钢。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提 高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢,由于此设计中的 轴并不需要传递很大的动力，故选用 45 钢11。 4.5.2 轴的计算轴的计算 在做轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。对于不是很重要的轴，也可 作为最后结果。轴扭转强度条件为 （4.16） T T T d n P W T 3 2 . 0 9550000 式中：扭转切应力，； T MPa T轴所受扭矩，；mmN 轴抗扭矩截面系数，； T W 3 mm 轴的转速，；nmin/r 轴传递功率，；PKW 计算截面处轴直径，；dmm 由上式可得轴直径 （4.17） 3 0 3 2 . 0 9550000 n P A n P d T 式中，对于中心轴，则 3 0 2 . 0 9550000 T A 无锡太湖学院学士学位论文 22 （4.18）3 4 0 )1 ( n P Ad 式中，即空心轴内径与外径之比，通常取。 d d1 1 dd6 . 05 . 0 中心轴上的输出功率KWp768 . 0 96 . 0 75 . 0 97 . 0 1 . 1 中心轴转速： min/6rn 选取轴的材料为 45 刚，调质处理。根据机械设计（第八版） 表 15-3，取，112 0 A ，于是得 35 T mm n P Ad 4 . 56 6 768 . 0 112 33 0min 考虑到轴上键槽的影响mmd 1 . 58%)31 ( 4 . 56 min 为了满足所选的圆锥滚子轴承的内径，所以选直径，mmD60 1 第二段直径，长度为；mmD66 2 mmL20 2 第三段直径，长度为；mmD76 3 mmL330 3 第四段直径，长度为；mmD70 4 mmL110 4 第五段直径，长度为；mmD64 5 mmL85 5 第六段直径，长度为；mmD60 6 mmL205 6 下图 4.3 为轴工程图 4.3 中心轴工程图 4.6 键的选择和键链接强度计算键的选择和键链接强度计算 4.6.1 键的选择键的选择 键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键链接的结构特点、 使用要求和工作条件来选择。 磁力式拧瓶机的设计及工程分析 23 4.6.2 平键链接强度计算平键链接强度计算 假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为 （4.23） pp kld T 3 102 导向平键连接和滑键连接的强度条件为 （4.24） p kld T p 3 102 式中：T-传递的转矩，； （4.25） 2 d FFT y mN 键与轮毂键槽的接触高度，此处为键的高度，；khk5 . 0hmm 键的工作长度，圆头平键，平头平键，这里为键的公称长lmmbLlLl L 度，；为键的宽度，；mmbmm 轴的直径，dmm 键、轴、轮毂三者中最弱材料许用挤压应力， p MPa 键、轴、轮毂三者中最弱材料许用挤压应力， pMPa 根据中心主轴的直径为=60mm，根据机械设计（第八版） 查表 6-1 查得选用的平d 键宽度为，高度为。取键长。查表 6-2，取。mmb20mmh12mmL90 MPa p 110 键的工作长度，键与轮毂键槽的接触高度mmmmmmbLl702090 。由上式公式可得mmmmhk6125 . 05 . 0 MPaMPaMPa kld T pp 1107 .85 70706 1012602102 33 由以上的计算可知，该平键的强度极限满足要求。 4.7 锥齿轮的设计计算锥齿轮的设计计算 先确定锥齿轮的传动比，大齿轮的速度为 11.4，则小齿轮的速度为 619:10imin/r 。min/r 计算步骤如下， 1.选精度等级、材料及齿数 根据要求选用直齿锥齿轮。 拧瓶机一般转速不高，故选用 8 级精度。 材料选择：小锥齿轮的材料和大锥齿轮的材料都选择为 45 刚，并且要进行调质处 理。 选择大齿轮齿数为，初定，则。38 2 Z9 . 1u20 1 z 2.按齿面接触强度设计 即 （4.26） 3 2 1 1 2 2.92 (1 0.5) tE t RRH K TZ d u 无锡太湖学院学士学位论文 24 初选载荷系数=1.3； t K 小齿轮的转距 mmN n P T 5 5 1 1 5 1 107 . 6 4 .11 8 . 010 5 . 9510 5 . 95 选取齿宽系数。5 . 0 d 材料的弹性系数。 1/2 E Z189.8MP 按齿面硬度中查得； ； Hlim1 600MPa Hlim2 550MPa 由式得 1 60 h Nn jL 7 11 10888 . 3 1530024166060 h jLnN 7 2 1039 . 7 N 取。 12 0.930.95 HNHN KK； 接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%,安全系数 S=1,由式得 limN K S 1lim1 1 2