毕业设计（论文）-自动间隙式封口膜传送机构的设计.doc

本科毕业设计（论文） 全自动成型灌装封口包装机中自动间隙式封口膜传送机构的设计学 院 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 （机械电子工程方向) 年级班别 2012级（1）班 学 号 学生姓名 指导教师 2016年 6 月全自动成型灌装封口包装机中自动间隙式封口膜传送机构 的设计 机电工程学院 摘 要灌装封口机顾名思义是一种既可灌装又可封口的一种机器，针对不同行业可有不同机型。它在食品领域主要应用于无菌食品以及带有不同粘稠度可泵送的半流体产品。本论文主要涉及全自动成型灌装封口包装机中自动间隙式封口膜传送机构的设计。送膜机构是指将包装膜通过一定的轨迹输送到指定工位进行加工的机构。本次设计包括送膜机构方案的选择，具体结构的设计，机械零部件参数计算，相关材料选择、电气元件的选型，用SolidWorks软件建立起机构的三维模型示意图，并导出对应的装配图、零件图。确定相关配合公差，使用 ansys软件对关键零件的受力程度和形变量进行有限分分析。使得设计出的送膜机构能实现间隙送膜,并且机器运行过程中要保证膜的松紧程度相对稳定，出现故障可以及时停机，满足灌装封口包装机的使用要求关键词：食品包装机械，送膜机构，设计，有限元分析全套图纸加扣3012250582 AbstractAs the name suggests，the filling and sealing machine is a kind of machine that can be filled and sealed, and can be different for different industries.It is mainly used in the field of food products of sterile food and the semi fluid products of different viscosity which can be pumped.This thesis is mainly related to design about the sealing film delivery mechanism with automatic gap type in the fully automatic Forming filling sealing packaging machine.The sealing film delivery mechanism is refers to the packaging film through a certain path to the designated position of the processing mechanism. It includes Scheme selection,design of concrete structure,parameter calculation of mechanical components,selection of related materials,type selection of electrical components,using SolidWorks software to establish the 3D model of the mechanism,and make the corresponding assembly drawing and part drawing,determine the relative fit tolerance,using ANSYS software to analyze the stress degree and shape variable of key parts.Made the design of the film feeding mechanism can realize the gap to send the film and ensure that the degree of tightness of the film is relatively stable in the course of running of the machine.It also can be stopped in time if gets a failure .Meet the requirements of the use of filling and sealing packaging machine.Key words: Food packaging machinery, Film feeding mechanism,Design, finite element analysis目 录1 绪论11.1 食品包装技术介绍11.2 包装机械简介21.3 灌装封口机简介31.4 本文主要研究课题32 送膜机构简介43 送膜机构方案设计选择63.1 机构的设计要求63.2 送膜机构整体设计概述63.3 装料部分设计83.4 驱动部分设计83.4.1 驱动部分结构设计83.4.2 驱动电机的选择93.4.3 齿轮副的选择设计103.4.4 导胶轴的结构设计143.4.5 键的选择153.4.6 轴承的选择153.5 张紧装置设计163.5.1 张紧装置结构设计163.5.2 限位开关选型173.6 色标检测和刹车部分设计183.6.1 色标检测和刹车部分结构设计183.6.2 气缸的选型183.6.3 色标传感器的选型193.7 缓冲机构的设计204 送膜机构材料选择235 零件图设计256 机构零件的有限元分析277 总结与展望32参考文献33致谢341 绪论1.1食品包装技术介绍我们知道，没有经过封存包装的食品只能保存很短的时间，食品如果不能及时食用就会腐坏变质，失去其食用价值，而食品包装技术可以延长食品的保质期，提高其价值性，食品包装可以保护食品的外观质量和食品的原有品质，延长食品的保存期，还可以增加食品品种，方便消费者，方便流通。食品包装又可以防止食品的污染，促进食品流通的合理性和计划性，促进食品的竞争，扩大食品的销售。因此,充分利用现有的食品资源，通过加工和包装向人民提供丰富、安全、卫生、富有营养的食品，是人们生存和发展的需要,现代生活离不开食品包装。现代食品包装技术主要包括以下几种技术：充填技术：充填是指将食品按一定的规格、重量要求充入到包装容器中的操作，主要包括食品的计量和充入。根据食品计量方式的不同,将食品充填技术分为容积式充填、称重式充填和计数式充填三种方式。灌装技术：灌装是指将液体(或半流体)食品灌入包装容器内的操作。液体的灌装具有灌装精度高，使用方便、卫生、快速的特点。液体的灌装方法一般有常压灌装、等压灌装、真空灌装和压力灌装。裹包技术：裹包是块状类物品包装的基本形式，它用柔性包装材料对被包装物品进行全部或局部的包封。这种方法不但能对单件物品进行裹包，也能对排列后的物品做集积式裹包。由于块状物品的物化特性各异，所需裹包的目的不同，裹包的形式也多种多样，一般可分为半裹包、全裹包、缠绕裹包、贴体裹包、收缩裹包以及拉伸裹包。袋装技术：在现代食品加工工业中,袋装技术应用最为广泛，许多食品包装技术都是以袋装技术为基础发展起来的。集装技术：集装技术就是将若干产品或包装件包装在一起，使其形成一个合适的搬运单元。集装的目的就是节省运输费用；减少货差、货损事故；便于实现搬运现代化；提高仓库与货位利用率。封口技术：封口操作是食品包装继计量充填或灌装之后的另一道重要的包装工序。由于被包装食品种类繁多,包装要求所用的包装材料和容器各不相同，因此采用的封口技术也就各不相同。按封口的不同方法,分为无封口材料的封口机、有封口材料的封口机和有辅助封口材料的封口机3种。贴标技术：贴标是在包装作业的最后进行。标签是在容器或商品上的标示，标签的种类主要有胶粘标签、热敏标签等以及直接印在包装件或包装容器上的标签。贴标的基本工艺过程一般为取标、标签传送、印码、涂胶、贴标、抚平等。绿色包装技术：绿色包装是指包装材料及包装制品从设计、制造、使用到废弃及其处理均对环境无害，或者说在包装的全过程中对环境的影响降低到最低限度。绿色包装技术主要体现在回收技术、减量技术、再生技术1。而要实现这些食品包装技术，做到高效精准，需要制作对应的包装机械。1.2 包装机械简介包装机械除具有一般机械的共性外，还具有其自身的特点。主要是多功能、高速度、自动化程度高、成套性较强、多品种、小批量生产和容易实现三化(系列化、通用化、标准化)等特点。现代商品种类繁多，尺寸各异，因此对包装机械的要求是多功能、多品种、小批量生产，例如对于颗粒状物料的包装就要使用具有制袋、计量充填、封口、打印日期、传递输送等功能的立式包装机；而对于果酱、蜂蜜等膏状物的小包装就要使用容器热成型、充填、封口、打印日期、切割和传输的卧式热成型包装机2。国外发达国家包装机械的发展已有较长历史，伴随其商品生产的发展，一直处于领先地位，国外工业发达国家的包装机械，近些年来，一方面为满足现代商品包装多样化的需求，发展适应多品种，小批量生产的包装技术装备，同时紧跟当代新技术革命的发展步伐，积极研究和开发对现代先进技术的应用，发展应用高新技术的现代包装机械。现代包装机械上已应用了航天中的技术，微电子技术、信息处理技术，传感技术、激光技术、生物技术以及新工艺技术和光纤材料等，且以群体的复合应用方式出现，反映出先进包装机械的高技术水平。随着药品制造业的迅猛发展，其对制药包装机的要求也越来越高。人工智能包装机械也应运而生，人工智能是传感技术、图象识别技术、信息处理技术和电子计算机技术间完善结合应用的产物.随着包装机械上微机控制技术的成功应用，高品质药品生产要求包装向无人化发展。当今很多的包装机械生产有小批量、多品种、多规格化生产的特点，使用块化与成组化技术能较好地适应这种变化趋势提高三化水平和提高其性能的研究，有利于缩短生产周期，提高机器的可靠性和降低生产成本3。包装机械产品要适应不断变化市场和满足相应的质量要求，大量采用先进的设计方法和设计技术。如机械优化设计、可靠设计、人机学设计、工业造型设计、专家系统、并行设计、机械CAD/CAPP/CAM以及价值优化设计等4。1.3 灌装封口机简介灌装封口机顾名思义是一种既可灌装又可封口的一种机器，针对不同行业可有不同机型。在食品领域主要应用于无菌食品的全自动包装，包括奶油牛奶酸奶奶制品；还可用于灌装航空用矿泉水、蕃茄酱蛋黄酱、果酱、蜂蜜、黄油、食用油，以及带有不同粘稠度可泵送的半流体产品5。它已经发展成液体食品行业，对世界有着重要的影响并在市场上有较高占有率6。因此，液体灌装机市场有很好的发展潜力。目前，各种灌装机生产厂生产的灌装机在灌装能力、效率、适用范围和自动化程度等方面，各有优缺点。在很大程度上制约了生产质量和生产效率7。本包装机主要用于生产小盒装的奶酪，实现吸塑的成型加工、奶酪的灌装、封口一系列自动化过程，全机主要由真空吸塑成型机构、自动定量灌装机构、自动间隙式封口膜传送机构、气压式封口机构、气液式裁断机构、片材收放及间歇步进拉片机构组成。本机集气、液、电为一体的自动包装机，自动化程度高，应用前景十分广阔。充填量：10克（偏差:0-0.5克），生产能力：6次/min。1.4本文主要研究课题本论文主要涉及全自动成型灌装封口包装机中自动间隙式封口膜传送机构的设计。送膜机构是指将包装膜通过一定的轨迹输送到指定工位进行加工的机构。本次设计包括送膜机构方案的选择，具体结构的设计，机械零部件参数计算，相关材料选择、电气元件的选型，用SolidWorks软件建立起机构的三维模型示意图，并导出对应的装配图、零件图。确定相关配合公差，使用 ansys软件对关键零件的受力程度和形变量进行有限分分析。2 送膜机构简介本论文主要涉及灌装封口机里的送膜机构的设计。送膜机构是指将包装膜通过一定的轨迹输送到指定工位进行加工的机构。也称包装材料供送装置，现代的送膜机构基本采用卷筒材料。因为与预先裁切好的平张材料相比，卷筒材料更适宜包装机的连续化、高速化和自动化生产。它应包括卷筒状材料的支撑装置，驱动部分，压紧部分，刹车部分，导向装置，自动检测部分。现有的送膜机构一般有一下缺点：自动包装机预送膜机构结构设置不太合理，预送膜时需要人工掌控，送膜不稳定，效果不好且预送电机启动频繁，市场上同行业包装机的送膜系统，大部分送只安装一卷薄膜，有些客户的包装产品较大时，一卷薄膜会在很短的时间内用完，就需要经常换膜，但现有的结构换膜时操作十分繁琐，需要多人协助，一个人往往很难完成，膜的传送过程中平稳性差，膜传输过程中，有时只需单边膜，现有的设备很难完成或者操作繁琐设置两个电机，增加了整体的成本不利于市场竞争8。其以后的发展主要是简化换膜机构，使用一个电机代替多个电机正常工作，增加膜传送的稳定性，可以同时传送多种类型的膜以满足生产，更多地朝着智能化的方向发展。从包装材料层数方面可分为单层卷筒材料送膜机构、多层卷筒材料送膜机构如图2.1、图2.2，从包装材料的供送方式可分为间歇送膜和连续送膜。其中间歇送膜机构又可分为后退或前进补偿式间歇送膜、随机补偿式间歇送膜和直接补偿式间歇送膜，连续送膜机构可分为后退或前进补偿式连续送膜如图和随机补偿式连续送膜9。本次论文所采的送膜机构为单层间歇送膜机构。1-包装材料；2-导辊；3-输送辊；4-导板；5-裁切装置；6-卷筒薄膜；7-导辊组；8-成型器；9-光电检测控制装置；10-张紧装置；11-横向热封器图2.1 单层卷筒材料供送装置示意图1、6-拉簧；2-支杆；3-压簧；4、5-制动杠杆图2.2 双层卷筒材料供送装置示意图3 送膜机构方案设计选择3.1 机构的设计要求要让灌装封口机能正常工作，其对送膜机构有以下要求：送膜机构为非连续送膜，因为将膜送到工位后，需要进行膜的贴合、牛奶盒的裁剪的步骤，这个过程膜是静止的，必须等这些工序完成，膜才能接着传动，因此膜的传送是断续的；机器运行过程中要保证膜的松紧程度相对稳定，稳定的松紧程度不会让膜出现变形，有利于提高产品质量；膜的安装要相对简单，有利于提高换料速度，提高生产率；送膜过程不能出现倾斜、折皱现象，若出现以上现象可以及时停止膜的传送；电机要满足功率、转速要求；当机器出现问题时能够及时停止膜的传送，防止原料的损失浪费。3.2 送膜机构整体设计概述根据上述灌装机对于送膜机构的要求选择送膜机构的设计方案其具体的示意图如下图2.3、图2.4：1-装料轴；2-导胶轴；3-导胶压辊；4-张紧辊；5-限位开关；6-拉料滚筒1；7-拉料滚筒2；8-拉料滚筒3；9-拉料滚筒4；10-拉料滚筒5；11-色标检测传感器；12-旋转块1；13-弹簧1；14-旋转块2；15-弹簧图2.3 送膜机构示意图a16-电磁离合电机；17-薄型气缸；18-刹车块；19-机架；20-坐支架；21-右支架图2.4 送膜机构示意图b此送膜机构是由：装料部分、驱动部分、导胶辊、导胶压辊、张紧辊、拉料辊、检测装置，缓冲机构组成。膜传送的方向如图2里的红色线方向所示，依次是：装料轴导胶轴张紧辊拉料滚筒1拉料滚筒2拉料滚筒3拉料滚筒4拉料滚筒5。其具体的工作过程如下：通过拉料电机和驱动电机使膜传动，驱动电机通过齿轮传动转动导胶辊，由导胶辊和导胶压辊压住膜从装料辊送出，之后在拉料电机的引导下经过张紧辊、拉料滚筒和缓冲机构。期间，通过张紧辊、限位开关的控制保持膜的松紧程度相对稳定，限位开关闭合，驱动电机工作，限位开关断开，驱动电机停机。设驱动电机的转速稍快于拉料电机的转速。当张紧辊打到限位开关，驱动电机停机，拉料电机工作，膜在传送过程中渐渐将张紧辊往上拉，直至其离开槽的底部，此时限位开关闭合，驱动电机开始工作，又将张紧辊慢慢沿着槽往下放直到碰到槽底的限位开关，限位开关再断开。如此循环，就保证了传送过程中膜的张紧程度。在拉料滚筒1和拉料滚筒2之间安装色标传感器，用以检测膜上的图案印刷是否有误，若出现错误则发出信号，刹车装置工作，薄型气缸向前推动刹车块，刹车块在气缸两侧的导柱的导向下移动，将膜按在拉料滚筒的外胶上，及时将传动的膜刹住。机构里的缓冲机构被用来分担膜之间的拉力，将膜刚刚传动时的拉力转为拉料滚筒的重力势能和弹簧的弹性势能，有利于机构的稳定性。3.3 装料部分设计为防止装料轴每次受拉力而开始转动时出现振动、跳动等不利于膜稳定传送的现象，在装料轴的端部挂上预拉伸的弹簧，弹簧连着弹簧连接件，弹簧的松紧程度可以通过调节弹簧连接件的高度进行调整。这样装料轴开始转动时膜对其的拉力可以转化为弹簧的弹性势能，防止其跳动，提高了整个机器的稳定性。 如图3.1，为能让机器使用时工人能够方便的拆装薄膜卷，将装料辊胶1和装料辊胶2用螺钉连接。这样，更换时先把挂在装料轴两端的弹簧从轴上取下，卸下螺钉，再把原先套在装料辊胶1上的薄膜卷取下，再将薄膜卷套进装料辊胶1上，再旋上装料辊胶2，重新挂上弹簧，这样就完成了薄膜卷的换装，方便高效。1-装料轴，2-装料辊胶1,3-装料辊胶2；4-轴承；5-弹簧；6-弹簧连接件；7-左右支架图3.1 装料示意图3.4 驱动部分设计3.4.1 驱动部分结构设计送膜机构是由拉膜电机和驱动电机带动的，在这里省略了拉膜电机的设计。驱动电机主要是根据送膜速度来选择的，由于膜的传送过程是个不连续、间断的过程，同时还要保证膜要拥有比较稳定的张紧程度，因此选用电磁离合刹车电机，此类电机适合在不连续、需不断启动停止的工作场合工作，且采用离合刹车结构使其断电后快速停止转动，保证传送过程膜的张紧程度。如下图3.2所示，电磁离合刹车电机通过齿轮传动的方式驱动导胶辊转动。旋转块1的一面与左支架的一面保持平行，其一端通过轴连接的方式固定在左支架上，使其能够围绕这个轴进行旋转，并在旋转块的另一端嵌入压辊轴，这样导胶压辊就可以用平行于导胶辊轴的方式围绕着旋转块的一端进行摆动。工作时，膜从导胶压辊和导胶辊的接触面穿过。导胶压辊凭借自身的重力，与导胶辊一起压紧要传送的膜，使电机能顺利驱动导胶辊将膜从装料辊上拉出。利用导胶压辊自身重力压紧薄膜的方式，因其能够摆动，并不是固定死，因而提高机械的灵活性，例如：当遇到传送过程膜起皱的现象，可以抬起导胶压辊，对压皱的膜进行处理，而且能够适应不同厚度的膜。1-电磁离合刹车电机；2-齿轮；3-旋转块1；4-导胶辊；5-左支架；6-导胶压辊图3.2 驱动导胶部分3.4.2 驱动电机的选择根据前面所述方案，膜的运送是由收料滚轮处的电机和驱动滚筒处的电机完成。驱动滚筒处的电机转速要比收料滚轮处的电机速速快。由于设计了可上下移动的张紧辊，当两个电机工作时，相同时间内驱动滚筒出来的膜长度要长于收料滚轮收的膜长度，张紧辊下降，当其接触到最下端的常闭限位开关时，常闭限位开关断开，限位开关驱动处电机的通断，故驱动处电机断电。此时要求电机立即停止转动，以保持送膜机构对膜一定的张紧，故选择离合刹车电机。设驱动滚筒出来的膜速为130mm/s，设导胶辊外胶直径40mm，则其转速约为62rpm，故电动机还需接上减速机，由于传送过程中膜对导胶辊的作用力可以忽略。因此选择台湾ASTK调速附电磁刹车电机作为送膜机构驱动处的电机，选择型号为5RK90GU-AMF（60W，额定转速为1650rpm），搭配其型号为5GU25K的减速机（减速比为1:25）可将速度减至66rpm，基本满足送膜机构驱动电机的要求。调速附电磁刹车电机是具有负载保持力的刹车马达。在电源OFF的同时，马达会瞬间停止并保持负载。最适用于紧急刹车作业的用途。（因马达后部装有交流无激磁作动型电磁刹车器（断电刹车），在电源OFF的同时，马达会瞬间停止，并且具有负载保持力。适用于紧急时刹车保持位置用。3.4.3 齿轮副的选择设计由已选定的电机可知，输入功率P=90w，小齿轮转速n=66r/min，齿数比为1:1.06，由电动机驱动，设机器的工作寿命为15年（每年工作300天），两班制，机构工作平稳，转向不变。参考机械设计，选用直齿圆柱齿轮传动，压力角取为20；灌装机器为一般工作机器，选用7级精度。材料选择：由于大小齿轮的传动比接近1:1，故都选择45钢（调质），其齿面硬度为240 HBS。设选小齿轮齿数z为18，则大齿轮齿数为z=uz=1.0618=19.08，取20。（1）按齿面接触疲劳强度设计，如式3.1取，齿轮转矩 Nmm (3.2)取齿宽系数=1，区域系数=2.5；材料弹性影响系数；通过计算可得其接触疲劳强度用重合度系数 （3.3）计算接触疲劳需用应力，参考图表可知两齿轮的接触疲劳极限为550 MPa，查得接触疲劳寿命系数K=0.95，失效概率为1%，安全系数S=1，由公式 则该齿轮副的接触疲劳许用应力为523 MPa2）试算小齿轮分度圆直径 （2） 调整小齿轮分度圆直径1） 计算实际在和系数前的数据准备圆周速度v=齿宽b2) 计算实际载荷系数K查得使用系数K=1由V=0.123 m/s、7级精度，查得动载系数为K=1.02齿轮的圆周力可得齿间载荷分配系数为K=1.2取齿向载荷分布系数K=1.421，可得实际载荷系数3） 可得实际载荷系数算出分度圆直径及相应的齿轮系数3. 按齿根弯曲疲劳强度设计,如式3.2（1） 计算模数试选K=1.3取齿形系数Y=2.92，Y=2.82，应力修正系数=1.,52，两齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为=380 MPa，弯曲疲劳系数K取弯曲疲劳安全系数为S=1.4，则取2） 试算模数(2) 调整齿轮模数圆周速度v齿宽b宽高比b/h2) 计算实际载荷系数K由v=0.07m/s，7级精度得动载系数K=1.01由 故取K=1.2由插值法可得K，结合b/h得K=1.34故载荷系数为3) 可得模数m = 1.15mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决弯曲疲劳强度所决定承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可去由弯曲疲劳强度算得的模数1.13mm，并将其圆整为1.5mm，按接触疲劳强度算得到的分度圆直径d=39.11mm，算出小齿轮齿数取z=27，则大齿轮齿数取z=29，27与29互为质数。4、 几何尺寸计算（1） 计算分度圆直径（2） 计算中心距（3） 计算齿轮宽度则取两齿轮齿宽为42mm103.4.4 导胶轴的结构设计选择材料：由于输入功率较小，为90W，所以对轴的强度硬度要求不高，选择45号钢调质处理。从安装齿轮的轴段开始，设此轴段的直径d1=10mm，为了保证齿轮可靠的轴向固定，轴段的长度应略小于轮毂的宽度，根据前面取的齿轮宽度可以确定该轴段的长度，取其长度为L1=56mm，轴段d2用来过渡到轴承，故取其长度L2=5mm，其直径为15mm，轴段d3用来安装轴用挡圈，轴用档圈宽1mm，还有0.5mm余量用于安装轴承，因此轴段d3长为1.5mm，其直径根据轴用挡圈取13.8mm，轴段d4的长度要比轴承长度固定板厚度的和小一点，取L4=13.5mm，直径取为15mm，轴段d5做非定位轴肩，故取其直径为20mm，取L5=5mm，作为过渡长度，轴段d6用来安装轴用挡圈，轴用档圈宽1mm，还有1mm余量用于安装导胶套时便于其固定，因此轴段d6长为2mm，其直径根据轴用挡圈取18.5mm，轴段d7直径取20mm，长度比导胶套长度短一点，取319mm，轴段d8用来安装轴用挡圈，轴用档圈宽1mm，因此轴段d8长为1mm，其直径根据轴用挡圈取18.5mm，轴段d9直径取20mm，长度考虑从导胶套端部到右支架的距离加上一部分右支架的厚度，故取其长度L9=14mm，轴段d10的长度要比轴承宽度小一点，因为轴承宽为9mm，故取L10=8.5mm，直径取为15mm，轴段d11用来安装轴用挡圈，轴用档圈宽1mm，还有0.5mm余量用于安装轴承，因此轴段d11长为1.5mm，轴段d12直径取15mm，长度L12=10mm。故导胶轴的结构示意图为图3.311。图3.3 轴设计示意图3.4.5 键的选择选择半圆平键作为轴与齿轮的链接件。由于键槽所在的轴的直径为15mm，通过查表可知平键的bh=55，L取25mm。3.4.6 轴承的选择由机构的总体设计可得轴的主要受径向载荷因而轴承可选择深沟球轴承设其能稳定工作5000h。以导胶轴上的轴承选择为例轴上的齿轮通过啮合对轴承施加的力为加上导胶轴、导胶套、齿轮本身的重量、对轴承产生的径向力总共为取载荷系数则当量动载荷为取X=1，Y=0所以轴承应有的基本额定动载荷值为查表可选择深沟球轴承6002型号其基本额定静载荷为2.85KN则其寿命为远大于5000h故符合使用要求。其它轴承的选择校验请参考上例10。3.5 张紧装置设计3.5.1 张紧装置结构设计如下图3.4是送膜机构的张紧辊部分，张紧辊是用来张紧膜，保证传送过程中膜的张紧度不会出现较大波动，保证机器的正常运行。由于送膜机构有两个电机驱动，两个电机的转速很难统一，故设定驱动电机的转速稍快于拉料电机的转速。为保证膜的张紧，将张紧辊设计成可在支架的槽内上下移动，并在槽的底部安装常闭限位开关，限位开关闭合，驱动电机工作，限位开关断开，驱动电机停机。一开始张紧辊打到限位开关，驱动电机停机，拉料电机工作，膜在传送过程中渐渐将张紧辊往上拉，直至其离开槽的底部，此时限位开关闭合，驱动电机开始工作，又将张紧辊慢慢沿着槽往下放直到碰到槽底的限位开关，限位开关再断开。如此循环，就保证了传送过程中膜的张紧程度。1-张紧辊；2-限位开关图3.4 张紧辊部分3.5.2 限位开关选型限位开关又称行程开关，可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等，简称静物）上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和电机。限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。限位开关有接触式的和非接触式的。接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装上行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行程”以保护开关不受损坏。非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。当然还有更多的先进形式。由于送膜机构的工作温度处于常温状态，湿度为一般湿度，对限位开关的灵敏度、额定频率、工作方式、外形结构要求不高，故选择欧姆龙D4CC-1024限位开关。其具体参数如下图3.5。图3.5 欧姆龙D4CC-1024限位开关参数图3.6 色标检测和刹车部分设计3.6.1 色标检测和刹车部分结构设计如图3.6是送膜机构里的色标检测和刹车部分，送膜时膜经过拉料滚筒1和拉料滚筒2，色标检测传感器安装在拉料滚筒1和拉料滚筒2之间，在膜的下方，实时检测膜上面印刷的图案，当检测错误时，发出信号，机器可以控制薄型气缸动作，薄型气缸向前推动刹车块，刹车块在气缸两侧的导柱的导向下移动，将膜按在拉料滚筒的外胶上，及时将传动的膜刹住，避免生产出现重大错误以及浪费。1-薄型气缸；2-刹车块；3-拉料滚筒1；4-色标检测传感器；4拉料滚筒2图3.6 色标检测及刹车3.6.2 气缸的选型气缸安装在刹车板上用来在送膜异常时，停止膜的整体输送，防止后面的膜出现变形、撕裂等现象。需要气缸可以提供足够的压力防止膜的滑动。由于膜传送的拉力不大，于是对气缸所输出的工作压力没有太高要求。设气缸工作压力为30N，选择气缸缸径为32mm，则根据公式：P=F/S可得提供给气缸的工作气压约为0.4MPa，符合气缸的一般工作气压（0.3MPa0.8MPa）的范围。设气缸顶部与膜的距离为15mm，故可选择SSA32X25的薄型气缸。薄型气缸是引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。涡轮机、旋转活塞式发动机等的壳体通常也称“气缸”。薄型气缸，具有结构紧凑、重量轻、占用空间小等优点。3.6.3 色标传感器的选型色标传感器指的是对各种标签进行检测，即使背景颜色有着细微的差别的颜色也可以检测到，处理速度快。自动适应波长，能够检测灰度值的细小差别，与标签和背景的混合颜色无关。它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。色标传感器实际是一种反向装置，光源垂直于目标物体安装，而接收器与物体成锐角方向安装，让它只检测来自目标物体的散射光，从而避免传感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄。选用德国SICK生产的色标传感器，型号为KT3，它有如下优点：（1）小型外壳；（2）RGB-3 种颜色技术；（3）具有大扫描距离的激光变型；（4）简单示教功能（在机器停机或操作）；（5）在极其闪亮的物体自动防眩适应确保高设备利用率在高亮的薄膜上运行稳定实现更高的机器使用性；（6）物料流安全运行；（7）开关频率 10 kHz；如图3.7为其参数示意图。图3.7 KT3色标传感器参数示意图3.7 缓冲机构的设计如图3.8是送膜机构的缓冲机构，它是由旋转块2、拉料滚筒3、弹簧和两枚限位螺钉组成。因为送膜机构又是非连续工作的，现实中当拉膜电机拉动膜运行时，前面的膜具有了速度，而后面的膜还保持静止的状态，要克服膜之前保持的静止的惯性，考虑到膜传送的距离比较长，与膜接触的辊胶比较多，产生的摩擦力比较大。因而从膜开始传动到整个机构平稳运行期间，膜之间的拉力会较大而且不稳定。这容易对膜造成拉扯，变形，断裂、折皱等损害。所以在膜传送的中间加入缓冲机构，可以用它来分担膜之间的拉力，防止其出现上述的损害。如图3.9是送膜机构膜没传送时缓冲机构静止的状态，红线和箭头表示膜及其传送的方向。容易知道，开始缓冲机构不受膜对它的拉力，由于拉料滚筒的自重和限位螺钉1的作用，缓冲机构静止时其拉料滚筒3与垂线会形成一定角度。当膜开始传送后，膜的拉力会将拉料滚筒抬起并使连在旋转块2上的弹簧伸长，渐渐转化为拉料滚筒3的重力势能和弹簧的弹性势能，当前后膜的速度一致后，拉料滚筒3的重力势能和弹簧的弹性势能渐渐释放，在某个值达到动态平衡。图3.10为送膜机构里的缓冲机构的拉料滚筒3重力势能和弹性势能达到最大值的状态。因为有限位螺钉2的作用，限制拉料滚筒3只能被抬高到某一高度，故此缓冲机构的作用是有限度的。1-拉料滚筒2；2-旋转块2；3-弹簧；4拉料滚筒3；5-拉料滚筒4图3.8 缓冲机构图3.9 缓冲机构工作示意图a图3.10 缓冲机构工作示意图b4 送膜机构材料选择1、机构轴材料选择 由于机构里的轴的受力负载不大，故对材料的强度，硬度要求不高，选45号钢作为轴材料，做调质热处理。 45号钢是国标中的叫法，也叫“油钢”。其碳含量0.420.50%，该钢冷塑性一般，退火、正火比调质时要稍好，具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便。GB/T699-1999标准规定45钢抗拉强度600MPa，屈服强度355MPa，伸长率16%，断面收缩率40%，冲击功为39J。调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。但表面硬度较低，不耐磨。可用调质+表面淬火提高零件表面硬度。2、装料轴、拉料滚筒导胶材料选择选择POM材料作为装料导胶材料POM（聚甲醛树脂）定义：聚甲醛是一种没有侧链、高密度、高结晶性的线型聚合物。按其分子链中化学结构的不同，可分为均聚甲醛和共聚甲醛两种。两者的重要区别是：均聚甲醛密度、结晶度、熔点都高，但热稳定性差，加工温度范围窄（约10），对酸碱稳定性略低；而共聚甲醛密度、结晶度、熔点、强度都较低，但热稳定性好，不易分解，加工温度范围宽（约50），对酸碱稳定性较好。是具有优异的综合性能的工程塑料。有良好的物理、机械和化学性能，尤其是有优异的耐摩擦性能。俗称赛钢或夺钢，为第三大通用塑料。 适于制作减磨耐磨零件，传动零件，以及化工，仪表等零件。合成树脂中的一种，又名聚甲醛树脂、POM塑料、赛钢料等；是一种白色或黑色塑料颗粒，具有高硬度、高钢性、高耐磨的特性。主要用于齿轮，轴承，汽车零部件、机床、仪表内件等起骨架作用的产品。它的一般性能特点为：（1）POM是结晶型塑料,密度为1.42g/cm3,它的钢性很好,俗称“赛钢”。（2）它具有耐疲劳、耐蠕变、耐磨、耐热、耐冲击等优良的性能,且摩擦系数小,自润滑性好。（3）POM不易吸湿,吸水率为0.220.25%,在潮湿的环境中尺寸稳定性好,其收缩率为2.1%(较大),注塑时尺寸较难控制,热变形温度为172,聚甲醛有均聚甲醛两种,性能不同(均聚甲醛耐温性好一点)。它的力学性能为：POM强度、刚度高，弹性好，减磨耐磨性好。其力学性能优异，比强度可达50.5MPa，比刚度可达2650MPa，与金属十分接近。POM的力学性能随温度变化小，共聚POM比均聚POM的变化稍大一点。POM的冲击强度较高，但常规冲击不及ABS和PC；POM对缺口敏感，有缺口可使冲击强度下降90%之多。POM的疲劳强度十分突出，10交变载荷作用后，疲劳强度可达35MPa，而PA和PC仅为28MPa。POM的蠕变性与PA相似，在20、21MPa、3000h时仅为2.3%，而且受温度的影响很小。POM的摩擦因数小，耐磨性好（POMPA66PA6ABSHPVCPSPC），极限PV值很大，自润滑性好。POM制品对磨时，高载荷作用时易产生类似尖叫的噪声。3、弹簧材料选用合金钢65Mn作为弹簧材料，并采用淬火加中温回火的热处理方法。4、刹车材料选择选用硅胶作为刹车材料硅胶（Silica gel; Silica）别名：硅酸凝胶是一种高活性吸附材料，属非晶态物质。硅胶的化学组份和物理结构，决定了它具有许多其他同类材料难以取代得特点：吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度等。4、 旋转块材料选择选择45号钢作为旋转块材料，热处理为调质。6、左右支架板材料选择因为支架板所受负载不大，故选择Q235-A作为左右支架板材料。5 零件图设计1 装料轴零件图设计装料轴的零件图如图5.1所示，由于灌装机属于一般机械，其精度要求不高，故轴与轴承的配合精度等级可以取P0级，采用基孔制的的间隙配合方式，取公差为H7/g6。则在图里标注为20g6，取配合面粗糙度为3.2m，其余取6.3m12。图5.1 装料轴零件图2 电机轴齿轮零件图设计如下图5.2是电机轴齿轮的零件图，由电机轴直径为15mm，可选齿轮内孔直径为15mm，采用基孔间隙配合方式，取公差为H7，设键连接为一般连接，其b值正负0.015mm，孔壁粗糙度为3.2m。图5.2 电机轴齿轮零件图3 支架板零件图设计 支架板的零件图如图5.3所示，由于灌装机属于一般机械，其精度要求不高，故轴与轴承的配合精度等级可以取P0级，采用基孔制的的间隙配合方式，取公差为H7/g6。则在图里标注为20g6，取配合面粗糙度为3.2m，其余取6.3m。图5.3 支架板零件图6 机构零件的有限元分析在本次设计里面，由于送膜机构的作用对象是膜，它对送膜机构产生的作用力很小，相对于送膜机构的材料，膜产生的作用力几乎可以忽略不计，故基本上所用的零件承受的负载都比较小。唯一有可能出现强度问题的是缓冲机构里的旋转块。如下图6.1里的示意图所示，是旋转块在机构中的位置，它的示意图如图6.2，可以看到，在旋转块的孔1插入定位销轴用于旋转块的一端定位，使其能够围绕销轴进行旋转，在旋转块的孔2插入拉料滚筒轴，使得拉料滚筒可以连着旋转块绕着销轴进行转动。再在旋转块的3、4处锁上螺钉，将孔和轴锁紧，防止轴从孔脱落。在图里可以看到，拉料滚筒的位置固定全靠旋转块的孔2对拉料滚筒轴的作用约束，而其另一端是完全悬空的，这对旋转块的孔2会有一个力矩的作用，如果旋转块的强度不够，所产生的应力和变形太大，将会造成拉料滚筒的倾斜，这将会使传送的膜倾斜变形，不利于机器的稳定变形。图6.1 缓冲机构示意图图6.2 旋转块示意图故使用有限元分析软件ANSYS workbench15.0对此零件进行受力分析，以此判断它是否满足设计要求。有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。国际上大型有限元分析程序主要有ANSYS，NASTRAN，ASKA，ADINA，SAP等12。有限元法是一种求解复杂工程结构的非常有效的数值方法，是将所研究的工程系统转化成一个结构近似的有限元系统，该系统由节点及单元组合而成，以取代原有的工程系统。它通过运用弹性力学等理论知识在计算机上运用软件将工程问题进行模拟仿真，这个过程不需要真的把东西做出来。有限元系统可以转化成一个数学模式，并根据数学模式，进而得到该有限元系统的解答，并通过节点、单元表现出来。完整有限元模型除了节点、单元外，还包含工程系统本身所具有的边界条件、约束条件、外力负载等13。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件,可广泛地应用于土木工程、交通、水利、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、国防军工、电子、造船、生物医学、地矿、日用家电等一般工业及科学研究14。ANSYS具有强大的计算分析能力,可以进行结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析和多耦合场分析。其自身提供了完善的前、后处理功能。通过通用后处理器可以查看整个模型在某一个载荷步和子步的结果,时间历程后处理器可以查看模型指定点的特定结果相对于时间、频率或其他结果项的变化；通过前处理器可以进行实体建模、材料属性定义及有限元网格划分15。在SolidWorks里将其转为x_t格式，导入到ANSYS workbench里。选择材料为45号钢，设其弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。设置约束面，由于旋转块是围绕孔1旋转，于是假定孔1 的内表面为约束面，如下图6.3图6.3 建立约束面施加外部载荷。由于此载荷为力矩，需要知道的参数有力的大小，作用力与孔2的距离，由于膜对机构的作用力很小，在这里只考虑拉料滚筒本身的重力。取拉料