（机械电子工程专业论文）医用瓶盖冲塞机的机械设计及控制研究.pdf

上海大学硕1 ：学位论文 摘要 随着人们的生活水平不断提高，对医药用品质量和用量的要求也在不断增 长。这势必对相应医药包装机械的性能提出了更高要求。作为包装机械的一大门 类产品，我国的医药包装设备较之世界先进水平还是有不小的差距，集中体现在 自动化程度低、加工速度慢、可靠性差、设备柔性和灵活性不够等方面。虽然目 前国内仍在大量制造这类机械产品，但是多为低水平重复建设，成品设备大都结 构简单，技术落后。基于此，本文以自主研发一种高自动化高速度医用瓶盖冲塞 机为目的，主要针对机械部件结构和控制电路两个方面进行研究。 首先，介绍了国内外包装机械的发展现状，并着重在技术特点上进行对比。 然后提出了本课题的研究内容，并简要的说明了该项目的一些技术参数要求。 其次，从控制任务要求角度出发，对该医用瓶盖冲塞机的机械部件进行了深 入的研究分析，主要包括理盖机构、送纸机构、送盖机构、冲裁机构和压入机构 这五大部分。通过比较提出了机械设计图和参数，并针对冲裁、送纸等关键部件， 进行简单的力学运动学分析和机械校核等。通过双排式送盖设计，该冲塞机较之 同类产品，其加工速度能提高大约一倍。 接着，对控制部件进行研究，提出控制方案。该设备控制器件众多，除了步 进电机和电磁阀，还集成了报警和计数等功能。对各控制器件原理和性能进行详 细分析之后，重点设计了系统弱电控制电路。而只有在控制上满足了时序要求， 各机械结构才能避免碰撞和冲突。 然后，针对设计的控制方案，设计了控制系统的芯片i o 扩展电路和软件程 序。详细介绍了基于a t 8 9 c 5 1 微处理器的硬件系统和软件设计流程。 最后，结合实验对瓶盖冲塞机控制系统的硬件电路和软件程序进行了调试分 析。 关键词：瓶盖冲塞机，偏心轮结构，双排式送盖，步进电机，a t 8 9 c 5 1 ，8 1 5 5 上海人学顸上学位论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rl i v i n gs t a n d a r d ，t h ed e m a n d so ft h ec u r a t i v e p r o d u c t si n c r e a s e dr a p i d l yb o t hi nq u a l i t ya n dq u a n t i t y t h ec a p a b i l i t yo f 耻斌a g p m a c h i n ew a sc o m eu ps t r i c k l y a sas o r to fp a c k a g em a c h i n e , m e d i c a lp a c k a g e e q u i p m e n t so f o u rc o u n t r y a r em u c hm o r eu n e n l i g h t e n e dt h a nm a c h i n e so f s o m eo t h e r c o u n t r i e s t h ew e a k n e s s e sf o c u s e do l ls o m ea s p e c t ss u c ha sl o wl e v e lo fa u t o m a t i c ， l o wp r o c e s ss p e e d ，l a c ko fr e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t ye t c a l t h o u g ht h ef a c i l i t i e sa l e m a n u f a c t u r e do nl a r g es c a l ei no u rc o u n t r yn o w , t h et e c h n o l o g ya n d q u a l i t yc a nh a r d l y m e e tr e q u i r e m e n t so fm o d e r n i z a t i o n s o ，i ti ss i g n i f i c a t i v et od e s i g nan e wt y p eo f m e d i c a lp a c k a g em a c h i n e f o ri n c r e a s i n ge f f i c i e n c y , t h ea u t h o rm a i n l ym a d er e s e a r c h o nm e c h a n i c a ls t r a c t u r ea n dc o n t r o lm e t h o d f i r s to fa l l ，t h ea u t h o ri n t r 0 h d u c o dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fm e d i c a lp a c k a g e m a c h i n e , t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h ec o n t e n to ft h et h e s i s t h e t e c h n i c a l p a r a m e t e r so f t h ep r o j e c t w e r ea l s oi n t r o d u c e db r i e f l y s e c o n d l y , t h em e c h a n i c a lp a r t sw e l el u c u b r a t e da c c o r d i n gt oc o n t r o lr e q u i r e m e n t i ti n c l u d e sf i v ep i v o t a ld e v i c e sa sf o l l o w i n g ：t h ec o o r d i n a t ep a r t ，t h et r a n s m i tp a r tf o r l i d ，t h et r a n s m i tp a r tf o rs c r i p ，p c hp a r ta n dt u a kp a r t t h ef i n a lp l a nw a sp u t f o r w a r dt h r o u g hd e t a i l e da n a l y s ea n dc o m p a r e a i m i n ga ts o m ec r u c i a lp a r t ss u c ha s p u n c hp a r ta n d t r a n s m i tp a r tf o rs c r i p ，e x h a u s t i v es t r e n g t ha n a l y s ew a sm a d ec a r e f u l l y s i n c ea p p l i c a t e dt w op a r a l l e lp a t h e s ，t h ep r o c e s ss p e e do ft h ep a c k a g em a c h i n eo f p u n c ha n d t a n kd o u b l e d t h e n , ac o n t r o ls c h e m eh a sb e e np r o p o s e d t h ew h o l es y s t e me m p l o y e dm a n y k i n d so f c o n t r o l l e r b e s i d e sc o o r d i n a t i n gw i t hc o n t r o l l e r ss u c ha ss t e p p i n gm o t o r sa n d e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e , t h ee q u i p m e n tw a se n d o w e dw i t hb o t ha l a r m i n ga n dc o u n t i n g f u n c t i o n s t h ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e me m p h a s i z e do nw e a kc u r r e n tc o n t r o le l e c t r o - c i r c u i t m e c h a n i c a ld e v i c e sc a nw o r kt o g e t h e rw i t h o u tc o l l i s i o nw h e ns c h e d u l i n g r e q u i r e m e n t sw e i 0m e t t op e r f o r mt h ec o n t r o ls c h e m e ，t h ei oe n l a r g e dc i r c u i to f m c ua n ds o f t w a r e n 圭童盔堂堡! 兰堡堡苎 塑茎 h a v eb e e nd e s i g n e d t h eh a r d w a r ew a sf o u n d e do nt h em i c r o p r o c e s s o r a t 8 9 c 5 1 a tl a s t w ed e m o n s t r a t e dt h ep a c k a g em a c h i n ee s p e c i a l l yi nc o n t r o ld e c 由d c i r c u “ a n dp r o g r a m m m s t h ef i n a lc o n c l u s i o nw a sd r a w no u t k e y w o r d s ：p a c k a g e m a c h i n eo f p u n c ha n dt u n k ，c c c e n t r i cm e c h a n i s m ， t w op a r a l l e lp a t hs t r u c t u r e , s t e p p i n gm o t o r a t 8 9 c 5 1 ，8 1 5 5 i l l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：奄壶 日期：望! z ：盔 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：扯导师签名：氆! 绷日期：釜曼垒 上海大学硕 ：学位论文 1 1 引言 第一章绪论 包装机械是包装工业的一大门类产品，是集机、电、光、气、生、磁为一体 的机械电子设备，它给行业提供必要的技术设备，以完成所要求的产品包装工艺 过程。 包装机械包含包装工业采用的所有完成包装过程的机械设备。按照完成任务 的不同，它主要分为加工包装材料或容器的机械和用于完成包装过程的机械。加 工包装材料或容器的机械又分为：纸板加工机械、复合材料加工机械、纸盒( 箱) 加工机械、制袋机械、塑料容器加工机械、金属容器加工机械、玻璃容器加工机 械等。用于完成包装过程的机械分为：充填机、灌装机、封口机、裹包机、贴标 签机、清洗机、干燥机、杀菌机、捆扎机、多功能包装机、辅助包装设备等。 本课题所研究的医用瓶盖冲塞机，属于完成包装过程的设备中的充填机一 类。目前国内对类似的设备也有一些研究，但有两个很显著的劣势就是自动化程 度不高和生产效率低。很多当前应用非常广泛的设备，还是将裁减纸垫片和冲塞 入盖分成两个不同的步骤来完成的。国外技术先进而完善，但价格高昂的同时还 对外严格技术封锁，而且仅仅依赖进口，也难以改变我国包装技术落后的现状。 因此，研究高生产率和高自动化医用瓶盖冲塞机，是非常具有现实意义和经济价 值的。 本课题是和上海傍华包装机械有限公司的合作科研项目。本文主要研究一种 新型结构的医用瓶盖冲塞机的机械设计以及电气控制方案。 1 2 课题研究的目的和意义 包装机械发展到今天，技术已经相对比较成熟。但是，近年来人们的生活水 平不断提高，对食品、乳制品、农副产品、医药用品、生活用品的需求量和质量 要求也在不断增长。2 0 0 5 年我国包装工业总产值已经达到3 0 0 0 亿元，年递增速 度在7 左右。根据权威预测，2 0 1 0 年起我国包装工业总产值将达到6 0 0 0 亿元， 并保持6 的稳定年增幅【”。这是一个潜力巨大的市场。而随着中国加入w t o ， 上海人学硕t 学位论文 国外企业进入中国市场，国内一些无力竞争的包装机械企业将被国外企业收购、 兼并、甚至破产，其垄断化的趋势将越来越明显，并且垄断的范围逐渐从香烟， 饮料包装机械产品扩大到其他包装机械产品2 1 。既要把握市场机遇，又要抵御国 外包装机械强国的冲击，研发具有自主知识产权的先进设备，就成了当务之急。 医药包装设备作为包装机械的一大门类产品，目前国内年产值约1 5 0 亿元。 根据发展势头，短期内就能突破2 0 0 亿，并满足国内制药8 0 的需求。但是我 国医药包装产值仅占药品价值的1 0 ，远低于发达国家的3 0 ，因此具有非常 广阔的发展空间3 1 。国产医药包装机械存在机械性能落后、控制水平低、功能单 一可扩展性差等i 邮诸多不足，性价比远远不及国外先进产品。而使用质次价低的 国产设备，尤其是一些没有达到行业标准的私营作坊生产的机械，其加工质量、 安全系数、使用寿命、医卫状况均难以达到令人满意标准。 因此，研制高生产率、高可靠性的自动化医用瓶盖冲塞机，不但能够满足医 药包装市场扩大化的需求，还能在一定程度上提高我国包装行业的技术水平。 本课题研究的目的是：设计一种高加工速度和高成品率，实现无人操作的医 用瓶盖冲塞机为最终目的，在机械结构上，提出一种新型的双排式进盖机制，并 将冲裁纸垫片和塞入进盖的两一次完成，使其加工速度能够得到较大提升；在控 制上，选择合适的控制检测部件、控制执行部件以及控制芯片，并采用合适的控 制方法，达到稳定、自动化的目的。 理论意义：通过对医用瓶盖冲塞机的研究，吸收国内外先进包装机械的机电 一体化技术，理解包装机械设计的一些要求；通过对其控制方案、控制器件的研 究，将先进的控制理论应用到实际中，并反过来促进控制技术的完善。 实际应用价值：研制医用瓶盖冲塞机对提高国内医药包装行业的技术水平、 实现对医药用瓶盖快速高效的冲塞、提高生产率和合格产品率有十分重要的意 义。此外，医用瓶盖冲塞机还能实现计数、错误报警等一系列功能。 通过提出一种新的机械结构，从而大幅提升瓶盖冲塞机的加工速度，具有非 常重要的实用价值； 在中国已经加入w t o 之际，通过自主研发，让国内包装机械跟国外先进水 平的对抗中，在质量和价格上能更多一些竞争力； 为医疗卫生部门提供合乎医卫标准的封装瓶盖； 上海人学硕e 学位论文 在包装行业蓬勃发展的今天，能高度冲塞、稳定可靠、基本实现无人操作、 价格相对较低的瓶盖冲塞机，是有很大市场经济潜力的。 1 3国外包装机械发展概况 美国、日本、德国、意大利是当今世界四大包装机械强国。加拿大、英国、 法国和瑞士也是世界上很重要的包装机械生产国家。这些国家在包装领域的侧重 点各有不同，具体如下： 德国在包装机械设计、制造、技术性能方面居于领先地位。产品以高速度、 高可靠性、高包装质量、高度自动化、高成套性等方面享誉全球。其设计尤其针 对大型企业量身打造。主要特点体现在工艺流程和自动化程度越来越高、提高生 产效率的同时降低生产成本、产品机械和包装机械一体化、提升产品的柔性和灵 活性、普遍使用计算机仿真技术等诸多方面。是世界上最大的包装机械出口国f 5 】 【9 】 i l l 。 日本包装机械起初主要是引进、消化欧美设备，之后着力开发自己的新技术。 主要集中在计算机和辅助马达驱动两种关键技术上。其包装机械制造厂以中小型 企业为主，而食品包装机械占据全部产品的5 1 ，主要针对国内市场1 6 1 1 9 h i 。 意大利包装机械以工艺精确、性能优良、外观考究、价格便宜著称。目前意 包装行业正在致力于两方面发展：首先是不断努力发展简单易用、维修少、改装 配套容易的的机器；另外，还在不懈发展更多完善的包装自动化生产线【7 】 s f l q o 美国是世界上包装机械发展历史较长的国家，已形成独立完整的包装机械生 产体系，靠大批量来降低生产成本。其产品以高、大、精、尖居多，机械与计算 机结合，实现机电一体化控制，主要满足美国国内大流通的需要。其包装机械制 造厂大部分附属于大型包装材料厂，销售也完全依赖母公司【8 】【9 】 1 1 1 。 加拿大的包装机械制造业以其灵活性的生产方式和可靠的质量享誉国际市 场，尤其擅长制造用于大量不同流水线速度的设备，擅长设计弹性很大的设备。 并且，加拿大的出口商在量身定做塑料设备方面建立了市场优势，为客户提供灵 活、创新、定做式解决方案【9 j 。 总体说来，国外的包装机械行业发展有如下几个特点 9 1 【1 0 】； ( 1 ) 自动化程度越来越高。其中美国重视将自动化操作程序、数据收集系统、 自动检验系统尽可能多应用于包装机械。而日本则擅长于微电子技术 ( 2 ) 高生产率和高可靠性。世界四大包装机械强国均十分重视市场及用户需 求，把生产率和可靠性作为产品设计的重要目标。提高转速是提高生产率的重要 途径，但也有相应的副作用。通过连续式工作或多工位多工头工作方式，以及使 生产机械和包装机械一体化，都能有效提高生产率。而故障分析系统的提出和改 进，能最大限度的提高设备的可靠性。 上海大学硕 学位论文 ( 3 ) 好的柔性和灵活性。随着市场竞争同益加剧，产品更新换代的周期越来 越短，因此要求包装机械具有好的柔性和灵活性，使其寿命远大于产品的寿命周 期，这样才符合经济型要求。 ( 4 ) 注重成套性和配套性。包装机械的成套性和配套性关系到包装机械的功 能能否全部发挥，只重视主机生产，而不考虑配套设备的完善，将使包装机械应 有的功能发挥不出来。 国外医药包装机械普遍而言在包装机械行业中的市场占有比例并不高。也很 少有相关的文献记载和报道。图1 1 和1 2 是德国产的食品包装机械，图1 - 3 是 日本产的食品包装机械。其外观考究，设备大型化，功能齐全，自动化程度高， 技术含量远胜国产同类型机械。 图1 - 1 德产食品包装机械图1 2 德产食品包装机械 图l o 日产食品包装机械 1 3国内包装机械及医药包装设备研究概况 我国包装机械起步较晚，在新中国成立时几乎一片空白。上世纪8 0 年代以 前发展缓慢，只能生产几种水平很低的包装机械，主要用于烟草加工、制糖、制 盐、酿酒等，还没有成为一个独立的行业。此后，由于改革开放，市场的需求、 政府的重视、政策的引导和积极扶持、使我国包装机械得到迅速发展，年平均增 长速度大于3 0 ，进入9 0 年代后，仍以2 0 的速度增长。经过多年发展，我国 包装机械已经成为机械工业十大行业之一，无论是产量和品种，都取得了令人瞩 目的成就，我国也已成为世界包装机械生产和消费的大国【i ”。但是较之国外的 技术水平和产品数量质量，还是有不少的差距。主要体现在以下几个方面i l 列： ( 1 ) 低水平重复建设。据不完全统计，目前行业内大约1 4 的企业存在低水 4 上海大学硕 学位论文 平重复生产的现象。那些档次比较高、技术含量大的机械产品，由于成本较高， 价格更贵，在市场上反而竞争不过低水平产品，这样的市场环境不利于整个行业 的升级换代。 ( 2 ) 技术水平落后。我国包装机械的技术水平从整体看落后先进国家2 0 - 3 0 年，在产品的开发、性能、质量、可靠性、服务等方面的竞争中完全处于劣势。 ( 3 ) 盲目引进境外设备。先进和大型的包装设备长期依赖进口。但是在引进 设备的种类和档次上表现出相当大的盲目性。这主要是由于信息不准确不畅通造 成的。 ( 4 ) 结构简单，技术含量较低的设备多，高技术附加值、高生产率的产品少； 通用机械多，特殊要求、特殊物料加工及包装的机械少；单机多，成套流水线少， 完整配套性尤差；重生产加工，轻开发研发，自主开发的创新产品很少。 以国内同类型的包装机械来说，图l - 4 是舟山市普陀双鱼药机包装厂研制的 b c s 1 2 0 1 2 0 i 型自动冲塞机。用于制药、食品、化工等行业的塑料瓶及玻璃容器， 在封口过程中，将盘带状铝箔片，先冲裁成圆片，自动塞入瓶盖。已经 图1 - 4b c s 1 2 0 1 2 0 1 型自动冲塞机图1 5s z - 1 型自动塞纸机 是国内少有的冲裁塞一次性连续完成的设备。但其生产能力只有4 0 6 0 个分钟， 其速度只是国外同样设备的1 3 1 4 。但其功能，可靠性，自动化程度已经属于 国内相当领先的水平了【。 图1 5 是黑龙江迪尔制药机械有限责任公司研制的s z 1 型自动塞纸机。主 要用于医药行业的片、丸类药品装瓶后的塞纸工序。该机能自动完成送瓶、送纸、 剪纸、制纸片预变形、塞纸全部过程。通用性好，能适应几种常用规格瓶和纸带 盘。已经是国内市场非常具有竞争力的一款设备。但是制约其大范围推广的还是 4 0 6 0 瓶分钟的较低生产速度。 经过市场调研，在冲塞机这一款医用包装机械中，还有若干小厂家也有生产。 但是其性能和技术水平均难以达到b c s 1 2 0 1 2 0 i 型的水准。自动化程度最低的， 冲裁圆铝箔片功能由机器完成，而塞入盖是由人手工操作。相对先进一点的设备， 也是先冲裁铝箔片，然后理好，进入下一个工序，用类似吸盘的装置，每次吸5 上海犬学预 ：学位论文 片圆铝箔，然后同时塞入五个瓶盖。自动化程度相对提高了，但是冲裁和塞的动 作分成两步，系统集成化程度较低。这些机械无论是在可靠性还是稳定性方面都 难以达到要求，而且机器使用寿命短。最关键的是加工速度相当低，最快也只有 6 0 - 7 0 令 食诀。 1 5 论文的主要研究内容 主要研究内容： l 、医用瓶盖冲塞机的机械结构研究。提出一种新的双排式进盖机制，并据此进 行机械设计，让冲裁圆铝箔片和塞入盖能几乎同步完成。包括绘制各机械部件图 和整机总装图。还要对关键机构进行结构和力学分析。 2 、医用瓶盖冲塞机的控制研究。根据机械设计和力矩分析选择合适的控制执行 电机，根据控制任务的要求选择合适控制芯片并制定控制算法。电气控制不但要 求稳定可靠，关键是要执行精确，无累积误差。包括电路设计，试验电路板的制 作和同步方案选择。 3 、设计出控制系统的软件程序，包括程序流程。提出若干可能完成控制任务的 程序设计方法，并选择最优方案，务必要求能满足所有控制要求。 1 6 本章小结 本章主要介绍了医用瓶盖冲塞机的研究目的和意义以及国内外包装机械的 发展现状，同时提出了本课题的主要研究内容。 6 上海大学硕i 二学位论文 第二章瓶盖冲塞机机械结构研究 2 1 引言 机械部件是控制方法和控制程序的载体，更是各种加工工序的直接实施机 构。机械结构设计的合理与否，将直接影响整个设备的性能。该设备采用了平行 并排的双轨道同时送盖机制，这是在机械设计上的最大创新点。另外，特型卡轮 送盖和定位，滚筒送铝箔纸片等独创性设计。本章将一一介绍其工作原理及整个 系统的组成。 2 2 机械系统概述 为了能完成1 2 0 只分钟的功能，设备的机械结构采用振动料斗理盖、双通 道送盖、双刀口冲裁、两个步进电机控制送盖、一个步进电机控制送纸。电磁阀 控制气缸带动活塞塞纸等设计。 总体上在机械部分，系统地整体流程如图2 - 1 所示，该瓶盖机的机械系统可 以分为：理盖机构、瓶盖传送机构、垫片材料传送机构、冲裁机构和塞纸机构这 几大部分组成。 圈圈 8 圈圈商圈畸囡 图2 - 1 系统加工工序流程图 机械部分各个机构的功能如下： 1 理盖机构 使瓶盖口朝上，以便能完成后续的工作。其机构原理可以通过振动和自重等 原理使盖口朝上，在传送给冲裁机构时进行检测，将朝下的瓶盖送回振动料斗中 再次进行振动处理，朝上的瓶盖送入瓶盖传送机构。 2 瓶盖传送机构 上海大学硕l 学位论文 目的是将整理出来的瓶盖送入冲裁机构。目标是保证瓶盖的传输功能和准确 进入冲裁位置，暂停并接受冲裁机构冲下来的纸片。 3 垫片材料传送机构 目的是将垫片材料送入冲裁机构。如果垫片材料是卷筒，需要先将卷料松开。 4 冲裁机构 瓶盖到达工位时，将垫片材料裁减后，冲入瓶盖。该机构的工作效率决定了 加工速度，可以采用多个冲刀，同时加工多个瓶盖，从而提高效率。 5 压入机柏 将裁减好的垫片材料，压紧到瓶盖里面，保证瓶盖翻转时垫片也不会脱落。 该方案的保证速度的关键是传送机构和冲裁机构。采用多个冲刀的同时，相 应的对传送机构的要求也提高了。 2 3 理盖机构 2 3 1 振动上料器基本原理 利用振动过程中的惯性力、重力和摩擦力的综合作用，实现输送工件( 或材 料) 的上料器称为振动式上料器。目前国内使用较多的是电磁驱动作为其动力源， 其外形及结构如图2 2 所示，一般由具有螺旋料槽的料盘、支承弹簧、电磁振动 器、底座及减振底脚等基本构件组成。当电磁铁线圈中通入交变电流后，料盘被 带动，作小振幅高频率的上下往复振动，并通过倾斜安装的支承弹簧同时产生微 振幅往返扭振。工件在惯性力、重力和摩擦力的综合作用下，沿料盘内壁的螺旋 槽向上移动，并在上移过程中通过定向机构，然后由料盘上部出口处进入输料槽， 送往加工位置。通过改变电磁铁线圈的输入电压，可以调整料盘的振幅，进而调 整料斗的送料速掣。 2 3 2 定向方法 定向机构的设计与加工是振动上料器设计与制造过程中一个非常突出和棘 手的问题。尤其对于一些形状复杂的工件，相应的定向机构几乎难以用通常的视 上海大学硕十学位论文 图2 - 2 振动上料器外形及结构示意图图2 - 3 瓶盖在轨道上姿态图 1 料盘2 弹簧3 电磁振动器 4 底座5 减震底脚 图来表达，在实际制造与加工过程中，只能边调整边修磨，加工周期很长。定向 机构所起的作用，在本项目中来说，就是要保证瓶盖在送入双排轨道时，要盖口 朝上。瓶盖处于其余姿态时，冲裁的纸片没办法塞入，而且还可能因为机械碰撞 而产生严重的设备故障。如图2 3 ，瓶盖落到料斗内可能有a 、b 、c 和d 四种姿 态，但是b 和c 只算一种自然姿态。我们需要瓶盖在螺旋槽内排列成a 姿态，而 把槽中可能出现的其他姿态的瓶盖通过定向机构过滤掉。b 和c 两种姿态是不稳 定的，在振动力的作用下，进入螺旋上升槽后，只可能存在a 和d 姿态的瓶盖。 定向常有两种基本方法，即积极定向法和消极定向法。消极定向法的特点是， 按照选定的定向基准，采取措施让符合要求的物件在供送滑道上始终保持稳定运 动状态，并设法剔除不符合要求的物件，使之集中回流。积极定向法的特点是， 采取强制措施使原来不符合定向要求的物件全部改变为规定基准方向。本设备采 用的消极定向原理如图“所示。 图2 - 4 消极定向原理示意图 9 上海大学硕上学位论文 2 4 瓶盖传送机构 2 4 1 送盖方案的比较和确定 较之国内一些同类型的设备，本设备提高加工速度的关键，在于采用双行进 盖机制。也就是从振动料斗出来的瓶盖，经过预定轨道，到达冲裁位置时，成两 行排列，冲刀每次同时裁减两个垫片，然后由塞入机构塞进两个瓶盖。轨道设计 如图2 5 所示。这样，较之单行加工方式，其他条件等同的情况下，生产速度提 高一倍。同理，如果采用三行进盖甚至四行进盖，加工速度会更快。但是盲目的 增加行数也会出现问题，最大的瓶颈在于瓶盖定位，同时加工多个瓶盖要求这些 瓶盖正好位于多口冲刀下方并整齐排列，位置稍有出入，就会出现加工不合格的 错误出现，这是很难做到的。 侧挡板导轨 幸 一 幸u 一一+v i l + 十 p - li p 一 | j “ 图2 - 5 双排轨道机械设计图 振动料斗位置较高，瓶盖经过振动上料器的整理，进入冲裁轨道时都是开口 向上并排成两行，到达冲裁位置。因为采用金属轨道，瓶盖质量较小，盖面和轨 道之间摩擦力很小。但是驱动瓶盖到达冲裁位置，仅仅依赖瓶盖受重力作用从位 置高处滑落下来是不够的。还涉及到一个瓶盖定位问题。如前所述，瓶盖到达冲 裁位置必须排列整齐，正对冲刀。本设备在冲裁位置之前安装卡轮，其形状和原 理如图2 6 和2 7 。 考虑到控制的要求，驱动采用两个品牌型号完全相同的步进电机。其中一个 齿轮顺时针旋转，另一个则逆时针旋转。每旋转9 0 。的圆心角，这个送盖机构 1 0 上海大学硕e 学位论文 就向前推了一排( 2 个) 瓶盖。旋转一整周，将有4 排( 8 个) 瓶盖经过特型齿轮， 往前推进，周而复始。该机构不但能给瓶盖自口进以足够的推力，而且能保证瓶盖 在进入冲裁位置时排列整齐，起到定位功能。 闺劬 图2 - 6 送盖卡轮外形 图2 - 7 卡轮送盖原理示意图 2 4 1 2 送纸与送盖相互配合的方案比较和确定 为了保证垫片纸条更充分的利用，送盖和送纸的方向不能在一条直线上，而 应该保持一定的角度。 如图2 8 所示。当采用a 和b 的排列方式时，铝箔垫片和盖列方向完全一致。 其垫片材料利用率分别为7 8 5 和7 2 3 5 。但是无间隙排列时，刀具难以实现， 所以a 只是一种理想状况，必须像图b 那样留下间隙。当采用c 和d 的排列方式 时，铝箔垫片和盖列夹角1 2 0 。其垫片材料利用率分别为8 4 1 3 和7 7 9 8 。同 理，c 也只是一种理想状况，难以具体实现。但是比较d 和b ，采用d 方式时， 垫片材料利用率比b 状况下提高了5 6 3 。作为一种生产效率较高，产量较大的 加工机械来说，原材料的节省能有效的降低成本，提高经济效益。因此本设备在 设计时，铝箔纸垫片和盖列要设计成d 方式，即夹角1 2 0 。 上海大学硕上学位论文 雷0 4 露1 1 4 黯9 7 0 3 曙1 0 5 6 9 4 b 利用率7 8 5 利用率7 2 3 5 利用率8 4 1 3 图2 - 8 铝箔垫片材料利用率计算示意图 2 4 3 送盖机构的力学估算及控制电机选择 d 利用率7 7 9 8 步进电机必须为卡轮提供足够的转矩，来克服 ( 1 ) 卡住的瓶盖和轨道的摩擦力； ( 2 ) 卡轮本身的转动惯量； ( 3 ) 卡轮位置之后瓶盖列和轨道的磨擦力。 才能保证送盖机构能推动瓶盖在轨道上前进。 卡轮送盖过程中，瓶盖和金属材质轨道底以及轨道壁产生摩擦阻力，但是因 为瓶盖质量太轻( 约1 2 克) 的缘故，磨擦力几乎可以忽略不计； 卡轮材料为聚四氟乙烯，其质量较轻( 大约2 6 9 ) ，其本身的转动惯量也很 ，j 、； 瓶盖在送到卡轮位置之前，倾斜的轨道能给瓶盖下滑提供动力。在卡轮位置 之后的轨道很短( 大约3 4 个瓶盖直径的长度) ，虽然瓶盖列完全依赖卡轮的拨 动才能前进，但是瓶盖列的和轨道底的摩擦阻力也非常小； 额定电压1 2 v缳持转矩0 2 5 n m 颧定电流o 4 a定位耪矩0 1 2 k g c m 电阻3 0 q步矩角1 妒 电感3 7 m h 运行矩频特鲢n m h z 0 2 j 3 0 0o 1 2 j 5 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 图2 - 94 2 b y g h 2 5 0 a 型四相步进电机 由于扭矩实在太小，不可能超过轴的材料承受范围，因此无需对卡轮的传动 上海大学硕 学位论文 轴进行校核。直接选取上海固若金电子有限公司型号为4 2 b y g h 2 5 0 a 的四相步 进电机，其外形和主要参数如图2 - 9 所示。 2 5 垫片材料传送机构 2 5 1 传送机构设计 本设备所用的垫片材料，是单面镀金属膜的纸条，有一定厚度和硬度。初始 状态是卷在轴筒上，就如同日常生活所用卷筒纸。但是在纸条到达冲裁机构时， 事先要拉直摊平，再传送到排列好的瓶盖正上方。考虑到在裁减之后，纸条中间 会有规则排列的圆形孔洞，如果在冲裁机构后面用拉的方式送纸，可能会因为受 力点过小而将纸条拉断。所以本课题拟在冲裁机构之前，用两个圆形滚筒来送纸。 如图2 1 0 所示，主动滚筒由步进电机拖动。只要滚筒间距适当，能产生足够的 摩擦力，而带动滚筒的电机功率足够，滚筒送纸还能有将原本卷曲的纸条压直的 效用。 2 5 2 轴承强度校核 图2 1 0 垫片材料传送机构 篱 滚筒轴在载荷作用下，将产生弯曲或者扭转变形，若变形量超过允许的限 度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机械应有的工作性能。 1 主动轴扭转强度校核【1 6 】 轴的扭转强度条件为： d ， 9 5 5 0 0 0 0 - - - f r = 三_ 4 【f r 】( 2 5 2 1 ) 。孵0 2 d 、7 j ：海大学硕| f 学位论文 其中t t 和 o 】分别表示扭转切应力和许用扭转切应力，单位m p a ：t 表示 轴所受扭矩，单位为n m m ；孵表示轴的抗扭截面系数，单位为m m 3 ；栉表示轴 的转速，单位r m i n ；p 表示轴传递功率，单位k w ；d 表示计算截面处轴的直径， 单位r a i n 。 由上式可得轴的直径必须满足条件： d 一刮等= 需摆= 4 钙叫52-2一)02nr 0 2 i t j f _ = j f - ；f 一= 4 j 一 ( z vr 】v ，】 v 以”v 菲 、 送纸滚筒轴承材料为4 5 钢，【t r = 2 5 - - 4 5 m p a ，则a o = 1 0 3 1 2 6 ，取代= 1 0 3 。 又直径d i o o m m 的轴，有一个键槽时，轴径增大5 0 o - - 7 。滚筒运动状态为转 1 3 5 。角停一次，总共耗时大概1 秒钟，转速n = 4 5 r m i n 。据此计算轴不会被 扭断的最小直径为6 m m ，而设计用轴直径为1 5 r a m ，因此送纸滚筒的主动轴扭 转强度足可满足要求。 2 从动轴弯曲强度校核【1 6 】 2 5 0 4 哆 黼 2 5 0 n m 图2 - i i 从动轴弯曲强度校核分析圈 已知轴的弯矩和扭矩后，可针对某些危险截面，作弯扭合成强度校核计算。 按照第三强度理论，计算应力仃km m 盯2 + 4 r 2 。 通常由弯矩产生的弯曲应力盯是对称循环应变力，而有扭矩产生的扭转切应 力f 则不是对称循环应变力，为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数 口，则计算公式为： 1 7 = 盯2 + 4 ( 口r ) 2 口约为0 6 ( 2 5 2 3 ) 1 4 上海大学硕学位论文 从动轴的截面如图2 1 2 所示。 图2 - 1 2 从动轴的截面图 矿= 笙3 2 1 b t ( d 广- t ) z ( 2 5 2 卸2 d 、 弯曲应力盯= 万m ( 立5 2 6 ) 睇= 等一1 b t ( d 厂- t ) 2 ( 2 5 2 - 5 ) 1 1 62 d 7 扭转切应力f = 瓦t ( 2 5 2 - 7 ) 将( 2 5 2 4 ) - ( 2 5 2 7 ) 代入( 2 5 2 - 1 ) ，钢4 5 的许用弯曲应力【仃一。】_ 5 5 m p a ，容 易得到设计的轴承满足条件0 0 盯一。】，因此从动轴的弯曲强度可满足要求。 2 5 3 控制电机选择 根据滚筒的直径尺寸、要求的加工速率、待加工瓶盖的直径等参数，可以计 算出带动滚筒的电机额定速度。根据纸片的厚度和硬度，调整两个滚筒之间的距 离。通过试验，可以测得带动滚筒送纸所需要的转矩。以磨擦力3 0 n ，主动轴直 径1 5 m m 计，则步进电机负载转矩必须不小于3 0 x 7 5 = 2 2 5 n m m 根据上述参数 要求，送纸滚筒选取上海固若金电子有限公司型号为5 7 b y g 0 0 7 - 4 的四相步进电 机。其外观和参数如图2 1 3 所示。 菝定电压1 2 v保持转矩3 4 3 n c m 额定电流0 3 8 a 定位转矩5 8 8 n c m 电阻3 2 q步矩角1 电感3 0 m h 运行矩壤转挂n c m h z f 1 控筠f 4 1 2 舢 图2 1 35 7 b y g 0 0 7 - 4 型四相步进电机 j 二海大学硕f ：学位论文 2 6 冲裁机构 2 6 1曲柄滑块机构和偏心轮机构 曲柄滑块机构如图2 1 4 所示。它是由铰链四杆机构的演化而来。当机架4 和摇杆3 的长度同时无限增长，铰链d 无限延移时，这时杆3 上c 点的运动轨迹 由左图中弧咖变为直线m m ，杆3 的运动变为移动，此运动可用与杆3 固联 的滑块及机架固联的导轨来实现，就演化为曲柄滑块机构。此机构为含有一个移 动副的四杆机构，若不考虑哪个杆作机架，就是含有一个移动副的4 构件系统【2 ”。 曲柄滑块机构中滑块c 点的运动轨迹称为导路，c 点在两个极限位置之间的 距离称为行程，用h 表示，如果导路通过曲柄回转中心，称为对心曲柄滑块机构。 如果导路不通过曲柄的回转中心，成为偏置曲柄滑块机构。 基 圈2 - 1 4 曲柄滑块结构原理示意图 当曲柄滑块机构的行程h 很小时，曲柄很短，受力又很大，此时可将转动 副b 的尺寸扩大到超过曲柄长度，则曲柄a b 就演化成几何中心b 不与转动中 心a 重合的圆盘，称为偏心轮。如图2 1 5 ，图a 中，杆1 为圆盘，其几何中心 为b 。a 和b 之问的距离e 称为偏心距。按照相对运动的关系，该机构运动简图 如c 所示。有图可知，偏心轮是回转副b 扩大到包括回转副a 形成的，e 即曲柄 的长度。同理，图b 所示的偏心轮机构能用d 来表示。 当曲柄长度很小时，通常都把曲柄做成偏心轮，这样不仅增大了轴颈的尺寸， 提高偏心轴的强度和刚度，而且当轴颈位于中部时，还可以安装整体式连杆，使 结构简化。偏心轮机构结构简单，其轴颈的强度和刚度大，广泛用于曲柄长度要 求较短、冲击较强和体积较大的机械设备中田】【2 3 1 。 1 6 j ：海人学硕l ：学位论文 c 鲡。，一 2 6 2 冲裁机构设计 c ) 图2 一1 5 偏心轮机构原理示意图 因为本设备所用的垫片材料，是单面镀金属膜的纸条，虽然有一定的厚度及 硬度。所以本机构拟采用由交流伺服电机带动驱动轴，直接利用一个偏心轴，接 上冲压模具的曲柄滑块机构进行纸片的冲压，这种机构相对于利用液压缸或其他 机构，省去了中间的转换和控制部分，具有机构运行稳定可靠、磨损小寿命长等 优剧1 6 1 。 图2 - 1 6 冲裁机构机械设计示意图 1 7 上海大学硕i ：学位论文 本设备冲裁机构设计如图2 1 6 所示。左图为冲裁机构的主视图，右图为冲 裁机构的侧视图。当给主动轴提供动力，让其旋转时，由主动轴带动的偏心轮， 将通过传动板，带动冲头支架在导轨内上下滑动。冲头支架以及冲头冲刀，相当 于图2 1 5 中的滑块，传动板相当于曲柄，而主动轴圆心即为传动中心a 。冲裁 机构设计的机械理论依据就是由曲柄滑块演变的偏心轮机构。具体尺寸见机械设 计图纸。 2 6 3冲裁机构运动学分析 偏心轮机构和曲柄连杆机构具有等效性，因此，冲裁机构可以等效成图2 1 7 所示的模型。其中，o 为偏心轮结构的旋转中心，也是主动轴轴心，b 为从动轴 轴心，a 为偏心轮几何中心。r 为偏心距，为爿和口之间的距离。假设偏心轮 绕d 顺时针方向以角速度w 匀速转动。推导滑块的运动方程如下【1 5 1 【1 7 】【1 舯。 取彳为基点，则点口的速度用矢量方程表示为= + ( 2 6 3 - 1 ) 而匕= o a x w = w r ，方向垂直于o a 指向左上方；竖直向上，大小未知； p 0 垂直a b ，大小未知。则根据式( 2 6 3 1 ) ，可以列写方程组： 匕c o s 0 = c o s 卢 ( 2 6 3 2 ) = s i n o + s i n f l ( 2 6 3 3 ) 将= w r 代入式( 2 632 ) 和式( 2 6 3 - 3 ) 可得 = 匕訾= w r 警( 2 6 3 - 4 ) 则由= 面可得= 瓷警( 2 6 3 - 5 c o s ) f正， 如图2 1 7 所示，点b 的加速度可以用矢量方程表示为 a 口= a j + 口缸+ 口0 ( 2 6 3 6 ) 其中a 。= d ：= o a x 矿= w 2 r ，方向由a 指向o ；竖直向上，大小未知； a b “, 4 由b 指向a 大小为 上海人学硕l 学位论文 口刍_ _ 慨2 = 筹c o s 矿( 2 6 3 _ 7 )f一廿 口厶垂直于a b ，大小未知。 a v b 图2 一1 7 偏心轮结构运动学模型 则根据( 2 6 - 3 6 ) 可p g 列写方程组如下： 4 刍s i n p = a s i n o + a s a c o s ( 2 6 3 8 ) a 口= a c o s o + a 刍c o s p + a s i n g ( 2 6 3 9 ) 将已知条件代入式( 2 6 - 3 8 ) 和式( 2 6 3 - 9 ) ，可得 ：们孚塑凳+竺!氅马(2触10)ab 。瓦万+ 意尹1 ( 2 丙3 另外根据模型还有几何关系l s i n f l = r s i n o 。加工要求大约每秒冲刀冲裁一 次，贝l j w = 2 l a d 8 ，偏心距，= 5 m m ，而f = l l o m m 。将具体数值代入式(