（机械制造及其自动化专业论文）道钉锚固剂粉料自动包装设备创新设计.pdf

摘要 毫曼毫曼皇1 兽曼皇皇量皇曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼鼍量曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼皇置皇曼曼曼皇鼍量鼍曼鼍量 摘要 系统分析了现有一种道钉锚固剂包装设备存在的效率低、计量不准确、污染 严重等问题，提出一种自动高效、清洁环保、安全实用的新型包装设备。 设计题目来自于潍坊大元实业有限公司，原因是该公司生产的一种主打产品 d b 型道钉锚固剂现在所用的包装设备，因存在效率低、计量不准确、劳动强度 大、生产现场污染严重等诸多缺陷，严重影响了企业生产进度，而且粉尘污染严 重，时刻危害着工人的健康，因此，急需研制一台自动高效、清洁、实用的包装 设备，解决产品的包装问题。 主要研究内容为设计一套绿色环保、自动高效的粉粒自动包装设备，用于粉 末、颗粒混合材料的定量塑料薄膜袋填充包装。在包装原理上，改变了旧设备上 机械结构复杂、密封性差、设备自动化程度低等缺陷，着重考虑了设备的自动控 制和运转包装过程中对环境的污染的控制。设计采用螺旋供送系统上料，采用容 积式充填机构填料，采用象鼻式袋成型器制袋，采用热辊加压式纵封器和高频加 热式横封器( 带热切断刀) 实现料袋的封边，牵引及裁断，采用带式输送机输送 包装后的成品料袋，同时实现了料袋填充重量的检测和无料报警。 为了控制包装生产现场环境、最大限度地降低粉尘，设计采用了被包装原料 堆与包装设备隔离的方法，在原料堆与填充、包装系统之间设置了隔墙，通过全 封闭式的螺旋输送机将储料间内的原料输送至填充机构的小料斗，填充系统的小 料斗设置了防尘罩，袋成型器与加料口之间也实现了密封，整个系统除加料口处 开设进气：f l # l - ，全部实现了密封。实现绿色、清洁包装是本设计的创新点之一。 设计中尽量减少复杂机构的使用，而是将各个系统中需要精确控制的运动改 为步进电机单独控制，这样整个设备就非常容易地实现了系统自动控制。在设备 运转过程中只需要一个员工对设备进行操作，将传送带上的料袋取下摆放整齐， 山东大学硕十学何论文 在固定间隔时间内到储料间为螺旋供送系统的大料斗填料。 设计采用理论联系实际的方法，本人多次到生产现场进行观察、了解，掌握 了生产现场及原材料的参数等第一手资料，而且设计的整体方案也经过了企业的 审核，并得到肯定。由于各功能模块采用了单片机自动控制，各系统协调运作， 可以最大限度地提高包装速度，减少员工数量，降低劳动强度，自动高效，深受 企业欢迎。 本设计突出了包装现场环境保护及包装过程的自动化，对于粉料、颗粒状料 及二者混合料的包装，具有较强的实用性、可推广型。 关键词道钉锚固剂包装设备容积式计量输送装置 a b s t r a c t 1 -i i i l l 一一一一m 一- -一一- - 一- _ 量置量皇曼量曼皇璺皇皇曼皇置曼量皇葛鼍曼量毫 a b s t r a c t s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z et h ee x i s t i n gs p i k ea n c h o r i n ga g e n tp r e s e n tl o we f f i c i e n c y p a c k a g i n ge q u i p m e n t t h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n tc a u s es e r i o u sp o l l u t i o np r o b l e m s p r o p o s ea na u t o m a t i ca n de f f i c i e n t , e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y , s a f ea n dp r a c t i c a ln e w t y p eo fp a c k a g i n ge q u i p m e n t t h ed e s i g nt o p i cc o m e sf r o mw e if a n gd a - y u a ni n d u s t r i a lc o ，l t d 。t h e r ei sa n m a i np r o d u c tw h i c hi sa p a c k a g i n ge q u i p m e n t f o rd b - t y p es p i k ea n c h o r i n ga g e n t 。d u e t ot h ev a r i o u sd e f e c t so fl o we f f i c i e n c y ，i n a c c u r a t em e a s u r e m e n ta n ds e r i o u s p o l l u t i o n ，t h ep r o d u c t i o ns c h e d u l ei ss e r i o u s l ya f f e c t e da n d t h ep o l l u t i o ni ss e r i o u s ， w h i c ha l w a y se n d a n g e r st h eh e a l t ho fw o r k e r s 。t h e r e f o r e ，a l la u t o m a t i cp a c k a g i n g e q u i p m e n ti su r g e n t l yn e e d e dw i t hh i g he f f i c i e n c y ，c l e a n l i n e s sa n dp r a c t i c a l i t y 。 t h ep r i m a r yc o v e r a g eo ft h ea r t i c l ei st od e s i g nag r e e n 、a u t o m a t i ca n dh i g h l y e f f i c i e n tp a c k a g i n gm e c h a n i c a le q u i p m e n tw h i c hi su s e dt of i l lq u a n t i t a t i v ep l a s t i c b a g sw i t hp o w d e r ，p a r t i c l em i x e dm a t e r i a l s 。i nt h ep r i n c i p l eo ft h ep a c k a g i n g ，t h eo l d m e c h a n i c a ld e v i c ei sc h a n g e dw h i c hh a sc o m p l e xs t r u c t u r e ，p o o rs e a l i n ga n dl o w d e g r e eo fa u t o m a t i o n 。t h ea r t i c l ep a y sm o r ea t t e n t i o n st ot h ea u t o m a t i cc o n t r o la n d t h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o nc o n t r o ld u r i n gt h ep a c k a g i n gp r o c e s s 。t h ed e s i g nm a k e su s e o faf e e ds c r e wf o rt h ed e l i v e r ys y s t e m ，v o l u m e t r i c f i l l i n gb o d yp a c k a g i n g 、 b e n d i n g - t y p el a p e l d e v i c eu s e dt oa c h i e v e p l a s t i cb a g sf o r m i n g 、h o t r o l l i n g p r e s s u r e - t y p ev e r t i c a ls e a l i n gd e v i c ea n dh i g h - f r e q u e n c yh e a t i n gt r a n s v e r s es e a l i n g d e v i c e ( w i t hc u t t i n gk n i v e s ) f o rt h es e a l 、p u l la n dt r i mo fp l a s t i cb a ge d g e s 、b e l t - t y p e c o n v e y o r st ot r a n s p o r tt h ep a c k a g e dp l a s t i cb a g sa n dt e s tt h ew e i g h to f f i l l e dm a t e r i a l s a n dn om a t e r i a la l a r m 。 i no r d e rt oc o n t r o lt h ep a c k a g i n go n s i t ee n v i r o n m e n ta n dm i n i m i z ed u s t ，t h e d e s i g nu s e si s o l a t i o nm e t h o db e t w e e nt h ew i n d r o wa n dp a c k a g i n ge q u i p m e n t ，t h a ti st o s e tu pw a l l sa m o n gt h ep i l e sf i l l i n g ，a n dp a c k a g i n g 。t h r o u g ht h ew h o l ec l o s e ds p i r a l d e l i v e r ys y s t e m ，r a wm a t e r i a l sw i t h i nas t o r a g ea r et r a n s p o r t e dt oas m a l lh o p p e rw h i c h i ss e tc l o s u r e si nt h ef i l l e db o d i e s ，a n dt h ef e e d i n gp o r t 、撕也f o r m e ra c h i e v e ds e a l ，t h e m 山东大学硕十学位论文 w h o l es y s t e mo u to fi n t a k e sr e a l i z e st h ew h o l es e a l 。t h ei n n o v a t i o no ft h i sd e s i g ni s t oa c h i e v eg r e e na n dc l e a np a c k a g i n g 。 t om i n i m i z et h ed e s i g no fm a c h i n e r ya n dt h eu s eo fa g e n c y ，t h em o v e m e n to fe a c h s y s t e mi su s e das e p a r a t es t e p p e rm o t o rc o n t r o l ，s ot h a tt h ew h o l ed e v i c ei sv e r ye a s y t oa c h i e v eap l ca u t o m a t i o n 。i nt h ec o u r s eo fe q u i p m e n t o p e r a t i o n ，o n l yo n e s t a f fi s r e q u i r e dt oo p e r a t et h ee q u i p m e n t ，t or e m o v et h ep l a s t i cb a g so f f ab e l tc o n v e y o ra n d p l a c en e a t l y ，a n dt of i l lm a t e r i a l si n t ot h el a r g eh o p p e ro ft h es p i r a lt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m si nt h em a t e r i a ls t o r a g er o o m sa taf i x e di n t e r v a lo ft i m e 。 t h i sd e s i g nu s e sam e t h o do f i n t e g r a t i o no ft h e o r ya n dp r a c t i c e 。r e p e a t e d l yt ot h e p r o d u c t i o ns i t e ，t h ef i r s t - h a n di n f o r m a t i o nw a so b t a i n e db yo b s e r v i n g ，u n d e r s t a n d i n g a n dm a s t e r i n gt h e p r o d u c t i o nf i e l da n dt h ep a r a m e t e r so fr a wm a t e r i a l s 。t h ed e s i g no f t h eo v e r a l lp l a nh a sa l s ob e e na u d i t e da n dr e c o g n i z e db yt h ec o m p a n y 。a sar e s u l to f f u n c t i o n a lm o d u l e su s i n gp l cc o n t r o l ，c o o r d i n a t e do p e r a t i o no fv a r i o u ss y s t e m sc a n a u t o m a t i c a l l ya n de f f i c i e n t l ym a x i m i z et h ep a c k a g i n gs p e e d ，r e d u c et h en u m b e ro f e m p l o y e e s ，r e d u c el a b o ri n t e n s i t y , a n dp o p u l a rb u s i n e s sw e l c o m e 。 t h i sd e s i g nh i g h l i g h t sp a c k a g eo n s i t ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， a n dp a c k a g i n g p r o c e s sa u t o m a t i o n 。i np a r t i c u l a r l y , t h eu s eo f p o w d e r ，g r a n u l a ra n dt h em i x t u r eo f t h e t w om a t e r i a l sp a c k a g i n g ，h a sa s t r o n gp r a c t i c a b i l i t ya n dp r o m o t i o n 。 k e y w o r d s ：s p i k ea n c h o r i n ga g e n t ，p a c k a g i n ge q u i p m e n t i v v o l u m e t r i cf i l l i n gb o d yp a c k a g i n g ，d e l i v e r ys y s t e m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蒸垒! 蜀e t期：论文作者签名：塑：墨塾! 到期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蒸麴导师签名： 第1 章绪论 | 一m m 一- - i - - 一一- - iiii i 一毫曼皇曼曼曼曼舅曼曼皇曼皇量曼曼量曼曼曼曼皇曼曼蔓曼皇曼皇曼皇皇曼曼皇皇曼皇曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼舅舅曼 1 1 概述 第1 章绪论 袋装作业是将粉末料、半液体料充填到柔性材料制成的袋形容器中，再根据 包装内容物质量要求作排气或充气，最后作袋口封缄和切断，完成对物料的包装。 这种包装的优点是适用产品领域十分广泛，既适于各种散料产品，又适于各种中 小块体产品，甚至适用于对无一定形状的流体产品的包装。包装袋的材料多种多 样，许多柔性材料几乎都可以制作包装袋，例如纸、塑料薄膜、铝箔和各种复合 材料等。而对包装袋材料的要求不仅要成型容易，还要易于封口、印刷、开启和 回收处理。包装袋的材料尺寸、包装好的成品都应该力求高材料利用率和空间利 用率，避免浪费。对所包装商品的重量要求从几克到几千克甚至几十千克不等。 袋装作业的生产工艺要求，首先强调的是计量的准确性，然后依次是填充设 备工作的可靠性和稳定性、料袋成型的一致性、封缄装置及裁断装置工作的准确 性、可靠性，当然设备工作的高速无原料泄漏，保持生产现场的清洁卫生也是需 要重点考虑的环节。 粉末料的包装，最主要是正确选择填充机械，其选择的原则是先从充填物料 的计量精度考虑，比如容积式充填机适合充填计量精度要求不高的粉料，其特点 是结构简单，体积小、计量速度高、计量精度低；称重式充填机则适合于充填计 量精度要求高的物料，其特点是结构复杂、体积大、计量精度高、计量速度低； 计数式充填机的特点是结构较复杂，计量速度较高。因此，充填机械的设计或选 择，一定要既能满足计量精度的要求，又能实现高效快速，还要考虑结构简单、 制造成本低等条件。 现代包装设计已经不再仅仅是考虑包装设备的结构简单合理、计量准确、充 填速度快等因素，更要着眼于包装生产的全过程，进行系统化、自动化、柔性化 设计，因此包装机械的设计，要从物料的送入到包装完的料袋的输送、摆放全过 程进行通盘考虑，进行系统化设计。 1 2 包装机械的研究现状 近年来，我国包装机械工业发展很快，取得了很大的成就，尤其是进入上世 纪9 0 年代以后，每年以2 0 9 6 3 0 的速度快速发展，现在我国包装机械已经成为 机械工业十大行业之，现在已经能够生产的包装机械约有1 3 0 0 多种，从事包装 机械生产的企业多达1 5 0 0 多家，其中具有一定规模的企业近4 0 0 家。此外，为了 山东大学硕十学何论文 提高包装机械工业的技术水平，全国已有一批科研院所从事包装机械的研发工作， 全国已有5 3 所高等院校先后建立了包装工程专业，为我国包装机械工业的发展提 供专业技术人才。我国的包装机械工业已经向规模化、系列化、自动化方向发展。 但另一方面，我国的包装机械与发达国家相比，无论在产品品种、技术水平和产 品质量方面，都存在很大差距。发达国家已经将微机控制、激光技术、人工智能、 光导纤维、图像传感、工业机器人等高新技术成熟地应用于包装机械，而这些高 新技术在我国包装机械行业才刚刚开始采用，包装机械产品的性能、外观质量都 有一定的差距。同时我国包装机械行业发展还明显存在着产品结构的零散局面问 题。在包装机械研制方面，缺乏宏观调控和资金投入，难以进行大量的技术改造， 企业用于研究开发新型包装设备的投资占销售额平均水平不到1 ，不能做到生产 一代、开发一代、研究一代。此外，专业技术人员的缺乏也是制约包装机械研发 的一个制约因素。由于包装机械行业利润不高，难以吸收优秀的技术人才，以致 专业人才队伍参差不齐，老的技术人员虽有丰富的实践经验，但知识结构落伍， 对先进的技术难以掌握，而年轻的专业技术人员能够专心与产品研发的人员过少， 因此导致了包装机械生产企业自主研发和创新能力薄弱，甚至消化吸收国外同类 产品的能力都很弱，严重地制约了行业的发展。 本设计的服务对象一潍坊大元实业公司尽管对散粒自动包装设备的需求十 分迫切，然而由于被包装原料的特殊性，致使该公司找不到愿意为其产品量身订 做一套专用包装设备的企业，通过这一现象已经明显地看出，我国的包装机械生 产厂家适应市场、快速研发新产品的能力十分薄弱。 1 3 包装机械的发展趋势 我国包装机械工业历史短，总体技术水平和生产能力较低，但近年来国内巨 大包装市场的促进及受国外先进技术的影响，发展速度很快，局部水平有了明显 提高。生产高效率化、资源高利用化、产品节能化、高新技术实用化、科研成果 商业化成为我国包装机械的发展趋势。通过系统的优化设计，把技术的先进性、 可行性与经济合理性有机地结合起来，包装单机向高速化方向发展，使包装效率 大大提高。计算机技术的应用，提高了被包装物的计量精度，加强了包装设备的 故障诊断能力，大大提高了包装系统工作的可靠性与稳定性。现代包装不仅要进 一步满足产品包装多样化、个性化的需求，还要逐步实现包装过程的柔性化、无 人化，注重清洁包装、绿色包装。 对于本研究所涉及的袋成型一充填一封口设备，其发展趋势还表现为研发系 列化产品及配套装置，解决对物料的适应性、配套性和可靠性问题。在采用先进 技术提高包装速度的同时，注重提高设备的自动化、多功能化水平，研制可适用 2 第1 章绪论 于单膜和复合膜两用的包装机，尽快开发性能可靠、高水平的粉粒自动包装设备。 本设计所针对的被包装原料是粉末与颗粒的混合体，对这种混合物的包装设 备的研究，于国内包装机械的研究发展方向是相吻合的，是具有一定难度的研究。 1 4 研究的目的和意义 本文研究的目的一是为潍坊大元实业公司研制一套绿色环保、自动高效的粉 粒自动包装设备，二是为了解决粉粒包装机械目前普遍存在的系统性差、自动化 程度低、环境保护差等问题。设计尽可能多地采用步进电机、传感器、光电测头 等适合自动控制的元件，并对整个包装过程采用了单片机编程的控制方式，尽量 简化复杂的机械结构，对设备中需要精确控制的运动全部实现自动控制，而且采 取了从物料供送到包装成品料袋的输送全过程的系统化设计，强调包装过程的高 效化、自动化、柔性化。研究的另一个重点的解决目前多数粉料包装设备都存在 生产现场的环境保护问题，控制现场的粉尘污染，实现清洁包装。本设计的意义 在于力求研制一套性能可靠的高水平的粉粒自动包装设备，探索粉粒袋包装设备 研制的新结构、新思路，为今后此类设备的研发提供借鉴和参考。 1 5 论文研究的主要内容 本篇论文主要是针对企业正在使用包装设备所存在的问题进行分析，找到现 有设备的设计缺陷，并根据被包装材料的特性，提出一整套切实可行的设计方案， 旨在提高包装设备自动化程度、提高包装生产效率、节省人力物力、降低包装成 本的同时，全面提高设备的环保性能，解决原有设备存在的包装现场粉尘污染严 重、效率低下的问题。本论文的研究对象为大元实业公司的专利产品一道钉锚固 剂的粉、颗粒混合料现用的包装设备。 以下是论文的写作安排： 第一章：认真、全面地分析我国包装设备的生产、研究现状和今后的发展趋 势，了解企业需求，明确研究的意义、确定研究内容和目标。 第二章：研究分析大元实业公司现在使用的粉粒包装设备所存在的缺陷与不 足，了解设备的具体结构和功能，在与企业多次沟通协商的基础上，提出新设备 研制的技术任务指标和性能参数，明确具体设计步骤和目标。 第三章：对大元实业公司现在使用的粉粒包装设备各功能模块进行研究、分 析，结合现代粉料、颗粒料包装设备的先进结构和创新研究成果，明确设计思路， 针对各功能模块提出解决问题所依据的设计原理，提出创新性的设计思路，完成 各功能模块的原理设计，完成各功能模块的结构方案设计以及整机的结构方案设 计，完成功能模块及整机主要技术参数的计算，完成整机结构性能分析，验证、 山东大学硕十学何论文 校核主要零件的强度。 第四章：在认真研究企业现有设备在操作控制方面所存在的问题的基础上， 融合现代控制理论的成熟模式和经验，提出全新的自动控制方案。 完成各功能模块控制方案的分析与设计，完成整机自动包装控制方案的设计 布局，确定整机控制参数，完成各功能模块控制的有机组合，完成整机自动控制 原理图设计。 第五章：对设备整机设计方案进行可行性、实用性、可靠性、创新性、经济 性等进行综合效果评价，并将该方案拿到企业进行论证。 4 第2 章食业现有道钉锚同剂粉料包装设备现状分析及改造要求 第2 章企业现有道钉锚固剂粉料包装设备现状分析及改造要求 2 1 现有道钉锚固剂粉料包装设备的工作原理 山东省大元实业有限公司生产的d b 型道钉锚固剂由液态原料和粉料组成，其 中粉料又是由一种粉末状物质和一种颗粒状物质组成的二元混合料。使用时将液 态原料与粉料按照固定的比例混合搅拌，注入已经铆上道钉的道钉安装孔，混合 锚固剂凝固后道钉便被牢固封住，不再松动。 该公司为了使产品包装高速快捷，委托某包装设备生产厂家，为其产品量身 定做了两种包装设备，一种用于的粉料的包装，一种用于液态制剂的包装。由于 这两种设备在设计上都存在许多弊端，不适应产品的包装需求，目前都不能正常 使用。本论文将针对粉料包装设备所存在的问题进行有针对性的研究分析，并找 出解决办法。 首先，我对该公司现在使用的包装设备的基本工作原理及工作过程进行了细 致观察研究和分析，发现其基本工作原理为：上料一由人工向料斗注入袋装的粉 料，注入过程粉尘大；搅拌采用人力转动搅拌手柄，进行机械搅拌，劳动强度 大，搅拌效果差；计量固定量杯式计量，因底盖泄漏不准确；灌装由转盘转 动量杯到指定位置，由杠杆机构与凸轮机构共同工作，打开量杯底部的堵板进行 灌装；料袋成型采用象鼻式袋成型器；封袋机构一采用纵封器、横封器。控制 系统主要为利用凸轮机构、杠杆机构的机械控制。( 参看图l 原包装设备工作 原理简图) 1 0 9 8 7 图0 1 量杯式定容计量与充填装置 4 5 6 山东大学硕十学仲论文 l 一料斗2 刮板3 量杯上杯罩4 一量杯下杯罩5 填料筒6 料袋 7 传动机构8 堵板9 拉杆1 0 储料盘 11 搅拌器 2 2 现有道钉锚固剂粉料包装设备使用状况及实用性分析 2 2 1 现有道钉锚固剂粉料包装设备各组成部分基本功能及特点 上料料斗一主要用于储存原料。 容积约4 0 升，每斗原料能装3 0 袋左右，料 斗内原料快用完时，由人工向料斗注入袋装的粉料。因下料不均匀，后安装了采 用人力转动搅拌器，进行机械搅拌。特点：每次倾倒原料时都会扬起粉尘，且工 人加料频繁，劳动强度大。 计量一固定量杯式计量。 因结构原因，不能保证量杯容量，有时填不满，误 差大。 填装一由转盘转动量杯到指定位置。由杠杆机构与凸轮机构共同工作，打开 量杯底部的堵板进行充填。其缺点是堵板密封不严，有泄漏，造成计量不准确， 且有粉尘。 料袋成型一采用象鼻式袋成型器。袋成型没有问题，但受频繁打开的量杯底 盖的影响，料带与填料管之间封闭不严，每次填装都会扬起粉尘，污染空气。 封袋机构采用纵封器、横封器。纵封器实现料袋的纵向热封并牵引料袋下 行，可以正常工作，但运行速度由传动机构控制，因传动比固定，故速度基本不 可调。横封器实现料袋横向热封及料袋裁断，工作基本正常，因封、裁速度由凸 轮机构控制，故速度也不可调。受机械控制的固定方式的影响，包装速度为8 袋 分钟，不能随意调整。 控制系统一主要为利用凸轮机构、杠杆机构的机械控制。电气系统设计简单， 没有自动控制设计，仅能实现开车停车等简单控制。 2 2 2 现有道钉锚固剂粉料包装设备存在的问题 通过对设备各部件的结构功能特点及工作流程各环节所采用工作原理的分 析，我们不难发现，这套设备的自动化程度低、包装效率低，设备运行可靠性差，环 保性差。具体表现在以下几方面： 1 ) 包装效率该设备的正常运行需要4 名员工同时工作，其中一名负责往料 斗里加料，一名员工负责操作搅拌器，一名员工观察量杯装料情况，随时处理、 清扫溢出的粉料，一名员工负责整理、搬运包装袋。在4 个人协调工作的情况下， 包装速度为每分钟8 袋。由此可见，该设备占用员工数量过多，且速度较低，总 包装效率非常低，自动化程度也非常低，工人劳动强度大。 2 ) 设备运转可靠性该设备的计量装置不可靠，经常出现量杯不满的情况， 有时误差高达4 0 ，这种情况经常造成设备运转停滞，废袋等状况。再就是量杯 6 第2 章企! i k 现有道钉锚同剂粉料包装设备现状分析及改造要求 底部的可翻转的盖板，每次打开再关上时，盖板与杯口之间经常会由于夹料而封 闭不严，造成粉料的泄漏，影响计量和环境。 3 ) 密封性该设备所包装的原料为粉状、颗粒状混合原料，每次向料斗加 料，都会扬起很大的粉尘，而且量杯堵板每次打开向加料筒内加料时，也会引起 较大的粉尘。所以，该设备的工作环境非常差，操作员工不得不戴口罩工作。再 就是包装现场的大料堆与包装机没有隔离，也是导致生产现场粉尘大，环境差的 一个原因。通过了解，该公司的员工对操作该设备也有很大的怨言。 2 3 企业提出的设计要求及基本技术指标 潍坊大元实业公司对现在使用的道钉锚固剂粉料包装设备非常不满意，改造 原设备设备或重新设计制造一台包装设备的愿望非常迫切。该公司与多家专业包 装设备生产制造厂家就此问题进行过协商，一直没有结果，没有厂家愿意承接该 种设备的生产制造任务。上海有一家公司虽然表示可以设计一台新设备，但要价 非常高，企业难以接受。本人在与该企业进行多次接触后，了解了现有设备所存 在的不足之处，提出了自己的初步改进方案，并得到了企业的肯定。为了正式开 展设计工作，尽快拿出正式的设计方案，公司提出了基本设计要求和基本技术指 标： 1 新设计的包装设备，要做到计量准确，但由于道钉锚固剂粉料的特点是使 用时不需要配比精确，因此，计量精确到+ 2 0 9 即能满足要求。 2 新设计的包装设备，包装速度应可调，范围在每分钟8 - 2 0 袋之间，包装袋 的容量可在1 1 5 k g 范围内调整。 3 新设计的包装设备，自动化程度要明显高于原设备，保证设备正常运转时， 所需操作员工不得多于2 人。 4 包装袋采用不透明印刷塑料薄膜，外表面印有企业名称、产品名称、产品 性能简介及使用说明等内容。包装袋表面还印有控制袋长的色标，要求色标位置 基本固定。 5 新设备要明显改善生产操作现场的环境，做到清洁无明显粉尘。 6 新设备要明显降低操作员工的劳动强度，除必要的填装原料外，能够实现 设备自动包装。 2 4 本章小结 通过多次深入生产现场考察，彻底了解了潍坊大元实业公司现在所使用的道钉 锚固剂粉料包装设备的运行使用状况，明确了其现在所使用的包装设备的结构特 点和工作原理，对设备的实用性进行了详细透彻的分析，总结出设备整机及各功 能模块所存在的问题于不足。 7 山东大学硕十学何论文 经过与企业技术人员、生产现场管理员和操作员工的沟通，了解了企业对设备 功能的需求，与企业共同协商制订了新设备研制的具体设计要求和要达到的技术 性能指标，进一步明确了今后的研究内容和目标。 8 第3 章总体方案设计分析 曼皇曼曼皇曼皇曼曼曼鼍曼皇曼鲁曼曼曼- - - - - i|tm 曼 第3 章总体方案设计分析 3 1 总体分析 针对潍坊大元实业公司d b 型道钉锚固剂粉料包装设备的设计，首先彻底放弃 了原设备的设计思路，从企业对设备的设计要求出发，结合生产现场的具体条件， 制订了绿色环保、自动高效、柔性的设计目标，符合包装设备从物料进入、包装、 成品输送全过程系统化设计，各参数综合、协调控制的机电一体化自动控制的设 计理念，顺应了包装过程连续化、集成化、柔性化、智能化的发展趋势。设计过 程紧紧抓住自动高效、清洁环保这两个侧重点，进行总体方案的构思。 由于潍坊大元实业公司已经明确了包装的基本方式为袋成形包装，包装袋采 用不透明的印刷塑料薄膜，因此本设计已经可以明确地定义为以塑料薄膜袋成型 为包装容器，以粉、颗粒混合原料为被包装原料的自动包装机设计。此类设备的 设计，从系统性角度出发，其机器的主要构成部分有：包装物料的供送装置、制 袋成型器、产品定量及充填装置、袋成型器、封袋( 包括纵封和横封) 与切断装 置、成品输送装置以及电气控制系统等。而该公司现在所使用的设备，没有设置 包装物料的供送装置和成品输送装置，各功能模块也没有采用可自动控制的元器 件，因此导致了其自动化程度不高、包装效率低的结果。本设计将针对d b 型道钉 锚固剂粉料的包装，进行系统化、自动化的整体设计，现对机器各功能模块进行 初步分析。 ( 1 ) 生产现场的整体布局 由于潍坊大元实业公司d b 型道钉锚固剂粉料是一种铁路导轨与枕木连接道 钉上应用的原料，存放比较随意，堆放在地面即可，没有其他的保护要求。因此 考虑将料堆与包装操作间隔离开，原料放在储料间，而包装设备安装在操作间， 两个房间通过原料供送装置连接，将原料由储料间传送到操作间，直接送入填充 机的小料斗。这种方式是保证包装现场环境清洁的必要手段。制袋成型器、产品 定量及充填装置、封袋( 包括纵封和横封) 与切断装置、电气控制柜、操作面板 等部件集中安装在机器的主体框架上；成品输送装置与其他装置没有直接的必要 联系，可单独设计，并能够根据包装生产现场的实际情况方便地调整摆放位置， 将完成包装的成品输送到预定位置。 ( 2 ) 原料的供送 散粒体物料的供送装置有多种成熟的方案的可供选用，比如振动供送装置、 输送带供送装置、螺旋供送装置及齿鼓轮供送装置等。但最适合粉状、颗粒状混 合原料供送的是螺旋供送装置，这种装置可直接到专业生产厂家订做，也可选用 9 山东大学硕十学位论文 固定型号的产品。螺旋供送装置的原料输送槽既有敞开式的，也有封闭式的，比 如圆管送料槽。封闭式输送槽容易实现对环境清洁的要求，因此本设计选用密封 性好的无缝钢管外壳作为送料槽。本设计由于受螺旋供送装置的安装位置影响， 难以直接使用定型的产品，而且为了延长加料时间，节省人力，需要配置容量较 大的料斗。因此，螺旋输送机可重新设计，也可以选购成品进行二次改造设计。 ( 3 ) 物料定量、充填机构的选择 由于被包装的原料的使用特性决定了计量精度要求不很高，即2 0 克，因此 可选用容积式充填机来实现物料的充填。容积式填充机是将物料按预定容量充填 至包装容器内的充填机，其特点是结构简单，体积较小，计量速度高，计量精度 低。但其要求被充填物料的一定体积的重量稳定，否则会产生较大的计量误差。这 种充填机的精度一般为( 1 0 2 0 ) ，比称重充填机的计量精度要低。在充填 时多采用震动、搅拌、抽真空等方法使被充填物料。因此，本设计中储料的小料 斗要设置搅拌器，确保原料充满量杯，以保证每袋产品的容量的准确性。 ( 4 ) 制袋成型器的选择 由于企业明确提出使用已经印制的塑料薄膜制袋，因此应该选用、设计合适 的制袋成型器。袋装机械按工艺路线走向可分为立式和卧式两种，按制袋、充填、 封口等工序间的布局情况可分为直移型与回转型。根据企业指定的生产现场的空 间以及结合该型产品产量不是很大的实际情况，制袋成型器的工艺走向选择立式 袋成型一充填一封口机，这种充填机是包装机械中应用最广泛、批量最大的充填 设备，其特点是被包装原料的供料筒设置在制袋器内侧，制袋与充填物料由上到 下沿竖直方向进行，制袋阻力小，成型容易。 制袋成型器主要有象鼻形成型器、翻领形成型器、四边封口袋成型器、三角 封口袋成型器、屋顶形成型器等多种形式。每种成型器的特点及适用的包装材料 是不同的，例如：翻领形成型器的特点是成型阻力大，易使薄膜产生变形、发皱或 撕裂，因此对塑料薄膜适应性差；象鼻形成型器封装时，薄膜变化较平坦，成型 阻力小，对材料适应性强，设计制造较容易；三角形成型器的特点是结构简单， 具有一定的通用性，对于袋子的尺寸变化，具有一定的适应性，适用范围广泛。 通过对上述几种成型器的分析，结合厂家所选用的塑料薄膜的特点，选择象鼻形 成型器比较适合本设计。 由于大元实业有限公司现在使用的袋成型包装机所使用的袋成型器正是象 鼻形成型器，而且该成型器在使用过程中也没有出现质量问题，性能是可靠的。 因此，本设计可直接借用原设备的袋成型器的主体结构及零件，但是其塑料薄膜 转轴的支撑机构却必须根据本次设计的设备的具体结构重新设计和调整。 ( 5 ) 封袋与切断装置的分析 1 0 第3 章总体方案设计分析 由于本设计限定了选用塑料薄膜作为包装材料来制袋，袋型确定为一纵封两 端封的形式。那么袋口的封缄应该选用热封法，封袋装置应选用纵封器、横封器、 裁断装置来完成料袋的封装与裁断。常见的袋口热封方法主要有热板加压式、热 辊加压式、环带热压式、加热熔断式、热板熔断式、高频加压式、热管式、脉冲 加压式等等。由于前面我们已经确定选择象鼻形袋成型器制袋( 这种制袋方式阻 力小，袋成型容易，包装材料运动流畅) ，因此可以选用热辊加压式纵封装置来完 成料袋的纵封及对包装材料的牵引。 采用热辊加压式的纵封器还有一个优点，即 可以采用步进电机或伺服电机来控制制袋长度，控制系统通过对料袋上面色标的 检测，及时将反馈信号传输给伺服电机控制系统，来控制纵封辊的开合及起停。 因此，只要在纵封辊处设置一个光电信号传感器( 光电头) ，实时对料袋上印制的袋 长控制色标进行监测即可实现对制袋长度的控制，同时完成对制袋准确性进行监 控，保证包装质量。 由于象鼻式袋成型器在高度方向上占据了较长的距离，因此，在选择横封器 和切断装置时，为了简化结构，节省空间，应该将横封器与切断装置设置在一起， 让横封与切断同时进行。常用的小型横封器有脉冲加热式横封器、水冷却式横封 器、高频加热式横封器等，其中高频加热式横封器适于在封合电极之间设置加热 切刀，在横封的同时，实现切断，因此，横封与切断装置可确定为高频加热式横 封器。 ( 6 ) 成品袋输送装置的分析 由于该设计中物料充填、袋成型、纵封及横封等功能都是采用的立式布置的， 这种方式成品料袋与地面之间的距离很小，成品存放空间小，一旦操作人员离开 设备时间稍长，就会使成品料袋堆积，影响设备的正常运行，甚至造成设备的损 坏。为了给操作员工留出调整设备、摆放成品的工作时间，需要在成品落下的区 域设置成品输送装置，将包装后的成品落在输送装置的传动带上，输送至成品摆 放区。 输送装置主要有重力输送装置和动力输送装置两大类。重力输送装置有滑槽、 滚道和滑轮输送道等，虽然这类装置结构简单，应用较广，但由于成品输送要靠 物件自身的重力和惯性力来实现成品输送的，因此对生产现场要求有高度方向上 的空间落差，使生产现场变得复杂，故不采用。动力输送装置能够很容易地驱动 物件做连续或间歇运动，其种类大致有动力滚道、带式、链式及板链式输送机等。 由于本设计已经确定为袋成型包装，因此可以选择的输送机应该首选带式输送机， 因为这种输送机结构简单、工作可靠、造价低廉、适应性强。这种输送机对工作 节拍没有严格要求，而且适于比较干燥的生产场所，用于柔性或半柔性自动包装 线，输送袋、盒、箱等产品。本设计所包装的产品以及生产环境都符合这种输送 山东大学硕十学何论文 机的使用要求，因此可确定选择带式输送机来输送成品。 本设计还注意到，由于使用容积式计量方式，一旦料斗缺料或封袋机构出现 问题，将导致袋内容量出现较大偏差。因此需要对料袋的容量进行监控，以便操 作者及时调整设备，控制包装质量。初步设想是在带式输送机传动带两支承辊之 间设置一个开关量，当料袋重量在设定的误差范围内时，开关不动作；当料袋重 量超出设定的误差范围内时，开关动作，使整个系统停机，并发出报警信号，此 时操作员工即刻检查导致料袋容量不足的原因，对设备进行检查和调整。 ( 7 ) 功能模块图：经上述分析可以基本确定本设计各功能模块的组成，见图 3 - 1 。 1 2 自 动 包 装 机 运 输 存 储 模 块 物料供送装置 成品输送装置 定量充填装置 基i 本i 萎卜臣堕垂 模i 块l 控 制 系 统 封袋与切断装置 包装过程控制 原料供送控制 图3 1 整机总计结构模块图谱 料斗及支架 量杯及传动装置 纵封装置 横封及切断装置 充填料控制 袋成型控制 输送机控制 带式输送机控制 羹 第3 章总体方案设计分析 3 2 结构原理设计 ( 1 ) 螺旋输送机的设计原理 在前面的分析过程中，已经确定了采用螺旋输送装置送料，但螺旋输送机也 分为有轴螺旋输送机和无轴螺旋输送机两种类型。由于本设计所输送的原料为粉 状、颗粒状散料，且颗粒直径较d , ( 3 m m ) ，因此原料在输送过程中阻力较小。 再就是物料的包装现场环境为室内，比较干燥，这就能够确定被包装原料基本不 会出现因潮湿引起的板结等现象。因此，本设计可确定选择传统的有轴螺旋送料 装置。其设计原理图如下： 科斗 图3 2螺旋供送装置原理图 如图3 2 所示，螺旋输送机的电动机、减速器、联轴器与螺旋轴采用直联式布 置，料斗与输送管上方通过法兰盘连接，输送管下方右端设置出料口。 ( 2 ) 物料充填装置的设计原理 图3 3 为搅拌器结构原理简图图。搅拌电机1 选用低速电机，用于带动搅 拌器搅拌料斗内的原料，使之向下流动顺畅。主动带轮2 通过三角胶带3 将电机 的动力传递给被动皮带轮5 ，被动皮带轮转动搅拌器ll ，使料斗1 0 内的原料不停 地转动，并经过出料口填入安装在旋转送料盘上的量杯8 ，直至量杯8 充满原料。 l ij 东大学硕十学位论文 为了避免电动机过于频繁启动，可使搅拌电机在整机运转过程中一直处于低速运 转状态。量杯8 固定安装在旋转送料盘9 上。当旋转送料盘使量杯口转动到与料