（机械工程专业论文）灌装机加塞机构的改进与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展，人们对于瓶装包装产品的需求大大增加，随之而来的是 对于灌装加塞设备的需求的猛增。但是由于我国行业发展起步较晚，灌装加塞 设备还存在着许多问题，不能满足相应的要求，本文以此为背景，通过参与某 企业合作的项目，负责了x g 2 4 1 2 8 型灌装机加塞结构的设计与改进的工作。 针对原加塞结构在生产中存在许多问题与不足，本文主要研究了灌装机加 塞机构的工作原理，设计原理，在原有的设计的基础之上，通过分析其在实际 生产中产生问题的原因，找出相应的解决方法，以相应的理论为基础，改进其 结构。通过设计软件，分析软件的应用，达到设计与优化的目的。为此本文主 要包括以下内容： 首先，研究了灌装机以及灌装机加塞结构的国内外的发展状况，各种加塞 方式与加塞原理的介绍。 其次，重点介绍了原有加塞机构的工作原理与结构，分析产生生产率不足 以及产生废品的原因，改进其传动方式。提出相应的驱动的解决方案，比较方 案优缺点，进而得出最优方案。 然后，分析原有的旋盖头的设计工作原理，通过磁力学方法计算，找出原 加塞头存在的问题，设计新加塞头。同时设计出其他各个组件的结构。 再次，以提高系统的工作的稳定性为目的，以有关支撑件刚度理论为基础， 设计改进加塞系统的支撑结构。 最后，建立新的设计的三维模型，分析计算机构重要部件的受力情况。通 过a n s y sw o r k b e n c h 软件对其进行静力学分析，分析其受力变形以及应力分 布情况，看设计是否符合要求，若有问题以此分析结果做出进一步的优化改进。 通过以上的设计过程，设计出了比原有加塞系统具有更高的生产率，成品 率，同时具有更好的可维护性的产品。相比原来，本机构复杂程度大大降低， 同时可以避免因提高生产速度而带来的一系列的问题，同时本产品的成本也在 企业可承受的范围之内，具有很好的产品竞争力。 关键词：加塞机构；伺服电机, a n 塞头；支撑机构；静力学分析。 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h ed e m a n do ft h eb o t t l ep a c k a g i n gp r o d u c t s h a sb e e ns h a r p l yi n c r e a s e d ，s od e m a n do ft h e f i l l i n ga n dc a p p i n ge q u i p m e n t i n c r e a s e dt o o b u tb e c a u s et h ed e v e l o p m e n to ff i l l i n gi n d u s t r yi no u rc o u n t r ys t a r t s l a t e r , t h e r ea r es t i l lm a n yp r o b l e m si nf i l l i n ga n dc a p p i n gd e v i c e ，c a n tm e e tt h e r e q u i r e m e n t ，t h i sa r t i c l et a k e st h i sa st h eb a c k g r o u n d ，c o o p e r a t e dw i t hab u s i n e s s c o o p e r a t i o n , p a r t i c i p a t ei nx g 一2 4 12 8f i l l i n gm a c h i n ec a p p i n gm a c h i n ed e s i g na n d i m p r o v e m e n tw o r k s i n c et h eo r i g i n a ld e s i g no fc a p p i n gp a r te x i s t i n gi nt h ep r o d u c t i o nh a sm a n y p r o b l e m sa n ds h o r t c o m i n g s ，m a i n l yf o c u so nt h ed e s i g np r i n c i p l ea n dt h ed e s i g n t h e o r yo ft h ec a p p i n gp a r to ff i l l i n gm a c h i n e i nt h ef o u n d a t i o no ft h eo r i g i n a ld e s i g n ， t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ep r o b l e m se x i s t i nt h ep r o d u c t i o n ；f i n do u tt h e c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s ，w i t ht h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a lb a s i s ，i m p r o v i n gi t s s t r u c t u r e ，u s i n gt h ea n a l y s i ss o f t w a r et od e s i g na n do p t i m i z a t i o n t h i sp a p e rm a i n l y i n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： f i r s to fa l l ，i n t r o d u c ed o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p m e n tc o n d i t i o no ft h e f i l l i n gm a c h i n ea n dc a p p i n gp a r to ft h ef i l l i n gm a c h i n e ，a n ds e v e r a lk i n d so fc a p p i n g m a c h i n ea n dc a p p i n gp r i n c i p l e e s t a b l i s ht h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo f t h ec a p p i n g s y s t e m s e c o n d l y , i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo ft h eo r i g i n a lc a p p i n gp a r ta n ds t r u c t u r e ， a n da n a l y s i so ft h er e a s o no ft h el o wp r o d u c t i v i t y , d e f e c t i v eg o o d s ，p u tf o r w a r dt h e c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s ，i m p r o v ei t st r a n s m i s s i o n m o d e ，c o m p a r i s o n o ft h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe v e r ys o l u t i o n , a n dt h e ng o tt h eo p t i m a ls o l u t i o n t h e n ，r e s e a r c ht h eo r i g i n a ls c r e wh e a dd e s i g np r i n c i p l e ，t h r o u g hm a g n e t i cm e c h a n i c s m e t h o dt oc a l c u l a t et h ep l u g g i n gh e a d ，f i n do u tp r o b l e m s ，a n dd e s i g nan e w p l u g g i n g h c a d a tt h es a n l et i m et od e s i g ne a c ho ft h eo t h e rc o m p o n e n t so ft h es t r u c t u r e o n c e a g a i n ，t oi m p r o v et h ew o r k i n gs t a b i l i t y , t a k et h es u p p o r ts t i f f n e s st h e o r y a saf o u n d a t i o n ，d e s i g na n di m p r o v e m e n to ft h es u p p o r t i n gs t r u c t u r eo ft h ec a p p i n g p a r t f i n a l l y , e s t a b l i s han e wd e s i g nm o d e l ，a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nt h es t r e s so f 武汉理工大学硕士学位论文 k e yc o m p o n e n t so fm e c h a n i s m t h r o u g ht h ea n s y sw o r k b e n c hs o f t w a r et oc a r r y o nt h es t a t i ca n a l y s i s ，a n a l y s i so fi t sd e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n ，t os e ei ft h e d e s i g ni sm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，i ft h e r ei sap r o b l e m ，w i t ht h i sa n a l y s i sr e s u l t s ， m a k ef u r t h e ri m p r o v e m e n t i na d d i t i o nt od e s i g nt h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o nd e v i c e ， u s e dt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n t h r o u g ht h ed e s i g np r o c e s sa b o v e ，w eg o tan e wc a p p i n gs y s t e mw h i c hh a s h i g h e rp r o d u c t i v i t yt h a nt h eo r i g i n a ls y s t e m ，h i g hr a t eo fp e r f e c tf i n i s h e dp r o d u c t s ， a l s oh a s g o o dm a i n t a i n a b i l i t y c o m p a r e dt o t h eo r i g i n a l ，t h ec o m p l e x i t yo f m e c h a n i s mi sr e d u c e dg r e a t l y , a tt h es a m et i m eas e r i e so fp r o b l e m sc a nb ea v o i d e d d u et oi n c r e a s et h ep r o d u c t i o ns p e e d ，a l s ot h ep r o d u c ti si nr e a s o n a b l ep r i c e ，晰t h g o o dp r o d u c tc o m p e t i t i v e n e s s k e yw o r d s ：c a p p i n gs y s t e m ；s e r v om o t o r ；s c r e wh e a d ；s u p p o r t i n gm e c h a n i s m ； s t a t i ca n a l y s i s 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 旋盖机介绍 第一章绪论 本文研究的加塞机构即旋盖机，旋盖机又称为压盖机或者锁盖机，用于塑 料瓶、玻璃瓶分装后的瓶盖旋紧和旋松设备。现实生活中有许多行业，旋盖被 大量应用，其缘由就是为了能够让产品良好的密封保存，以保证产品不会变质 以及避免产品的流失等。旋盖机就是用来实现此种功能的机械，通过旋盖机可 以实现对各种瓶口的封闭保存，如玻璃瓶，p e t 塑料瓶等，通过瓶盖和瓶口的 螺纹的旋合来实现密封。螺纹在旋合之后具有良好的密封性，同时又能够方便 的开启，拧合等，在饮料灌装行业，药品生产企业，化妆品的生产线中被大量 应用。 旋盖机构一般有分为单件小批量生产的手持式的旋盖机和大批量生产的专 门的旋盖机构。工厂中一般将旋盖机整合于大型的生产线中，实现一体化的生 产，实现生产联动，使得生产线结构紧凑，效率高，以减少生产流程，减少生 产成本。对于旋盖机的设计应根据实际生产的需要，设计要求有一定不同，但 是都应具备的和达到的设计要求有： 1 能够达到相应的卫生要求。由于旋盖机大都用于对于卫生条件要求较高 的食品饮料，药品以及化妆品行业，要求其能够达到国家有关的卫生的要求。 这些行业对于卫生的高的要求其必须具备合理的设计，能够保证生产现场的卫 生，方便卫生的维护，以及设计材料的选型的合理，尽量采用无毒材料等。 2 具有良好的可靠性，保证旋盖的质量。在生产线中必须保证其加工的可 靠性，在生产中必须保证每一个瓶子的旋盖质量，能够准确的旋到合适位置， 尽量避免次品的形成。 3 便于调整安装，安全可靠。生产中往往需要对机械进行维护，调整以适 应生产要求，旋盖机的结构要尽量简单，便于调整安装。 4 具有良好的产品适应性。使其有较宽的工艺范围宽，能够能够胜任不同 要求的生产。即一种设备可以旋紧多种不同的瓶盖，提高机器的使用效率。 5 在设计合理的同时使其具有良好的经济性。即在保证以上各个要求的同 时使得整机的成本维持在企业可以接受的范围之内。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外包装机械的发展现状 包装机械是指能完成全部或部分产品和商品包装过程的机械。包装过程包 括充填、裹包、封口等主要工序，以及与其相关的前后工序，如清洗、堆码和 拆卸等。此外，包装还包括计量或在包装件上盖印等工序。包装机械按其主要 功能进行分类，其基本分类如下：充填机、封e l 机、裹包机、多功能包装 机。灌装机作为包装机械的重要组成部分，其包括了充填机、封口机、裹包机 等等于一体的生产线。旋盖机作为封口机械的一种，在包装机械中站有重要的 地位。现今旋盖机主要通过与灌装机一体的生产线，生产各种食品，药品，饮 料等瓶装行业。 改革开放以来我们包装机械行业有了较大的发展，但是比起欧美等发达国 家仍然较大的差距长期以来，包装机械一直是我们国家的比较薄弱的行业，起 步比较晚。在2 0 世纪7 0 年代后我国引进了一些国外的灌装生产设备，在为企 业提高效率的同时也促进了我国灌装机械的发展，即为我国的起步阶段。8 0 年 代我国在引进日本技术的基础之上生产出自己的灌装机械，并且成为我国消化 吸收技术的代表，大大促进相关行业的发展。9 0 年代，通过对德国k i - i s 公司 的啤酒生产线技术的引进，我国相关企业通过吸收与改进，是我国的灌装机械 技术达到了当时先进水平。 在我国食品药品工业飞速发展的大背景下，灌装机发挥着非常重要的作用。 但是由于底子薄，通常实在引进消化吸收再创新的基础之上发展的。目前国内 大概有1 2 0 多家生产灌装机械的企业，生产的产品较为齐全，单机设备，成套 的生产线都有，其产品基本上能够满足国内的生产需要，并且能够少量的出口。 最近几年，国外包装机械设备发展呈现出以下新的趋势： ( 1 ) 设备在向柔性化发展。根据灌装介质以及不同容器瓶口的变化，做出 相应的调整，即可以适应不同的包装容器、灌装液体的需要。使得产品具有很 强的适应性和较高的市场竞争力。 ( 2 ) 自动化程度越来越高。可以实现生产线的无人自动化管理，集现场监 控，故障诊断，故障排除等于一体，集灌装，旋盖，包装于一身的高度自动化 的机械。 ( 3 ) 广泛采用可编程控制器于灌装机的控制系统中，提高系统的柔性化。通 2 武汉理工大学硕士学位论文 过控制程序的编制提高系统的智能化。 ( 4 ) 模块化的设计。通过模块化的设计，更能够适应未来多变的市场，可 以根据自身需要选用不同模块组合使用，达到实际生产的要求，可以很好的经 济性。各组件之间具有一定的互换性，但又不乏独立性，在制造行业中模块化 的应用已非常普遍，如汽车工业和飞机制造等。 我国包装机械产品与国外先进的技术水平之间的差距主要体现在以下几个 方面： ( 1 ) 标准方面的差距 我国包装机械行业较为混乱，使得各个产品质量参差不齐，我国的包装机 械行业有许多至今未能建立起自己的标准，或者标准已经过时，造成产品的设 计无法满足当代的生产要求。 ( 2 ) 技术方面的差距 我国包装机械产品大多技术含量较低，主要体现在高新技术应用较少，比 如传感器，p l c 可编程控制器等应用较少，我国的包装机械大多还是纯机械的 机构，现代控制方法设计理念都运用比较的少。我国的技术发展水平与发达国 家相比大概有二十多年的差距。 ( 3 ) 产品质量上的差距 我国包装机械产品质量与发达国家产品质量有较大差距。无论外观质量还 是内在的质量都有明显的体现。外观质量差主要表现在做工粗糙，造型不美观。 内在质量差主要表现在实际生产中生产率底下，可靠性不好，容易出现次品， 寿命短。其中采用的设计理论不能满足现实需要、制造技术差、设计手段与设 计方法落后等是造成产品质量差的主要原因是。 ( 4 ) 产品品种与发达国家相比相差甚远 发达国家的包装和食品机械产品有6 0 0 0 多种，可以顺应市场的需求，快速 设计出许多不同的种类的产品。而我国包装机械产在高新技术产品、食品深加 工、环境保护、综合利用等领域有很多缺项，其品种仅仅为发达国家的1 2 左 右。 ( 5 ) 研发能力薄弱，科研投入较低，科研水平低下 我国的大部分企业是没有自己的科研力量，其新产品的研发需要相关的科 研院所以及各大高校的合作，然而这就形成了市场与研发的脱节造成研究过时， 或者科研成果不能转化为生产力，没有形成相关的良性机制来促进市场与研发 紧密结合相互促进的机制。同时我国在这方面投入较少，同时起步也较晚，使 3 武汉理工大学硕士学位论文 得我国科研水平落后，设备仪器十分落后，这也是造成我国研发能力较差的客 观原因。在国内许多企业热衷仿制及购买外国产品，轻视研发，更加使得我国 创新能力差，这也是造成我国科研能力底下的主观原因。 1 3 课题来源 随着生产的发展，市场需求的日益扩大，这就必然要求我们的生产线提高 生产效率来满足市场日益增长的需求。由于原有的老式灌装机只能满足一定生 产速度下的要求，当我们提高生产效率的时候，就会满足不了生产的要求，对 于原灌装机存在以下有待解决的问题：1 ) 灌装速度跟不上，当速度提升时，单 位时间里灌装的产品不能灌满瓶子。2 ) 旋盖速度达不到，旋盖机构工作不稳定， 容易出现扭坏，或者定位不准的毛病。3 ) 整个灌装机系统是纯机械式的传动， 同时各个运动需要精确的配合，当生产速度加快时，造成运动配合不准确。 对于加塞机构，加塞的生产速度与旋盖头的多少以及每个工位的工作时间 有关即公转速度，在旋盖头数目一定的情况下，想要提高生产效率，就必须想 办法减少单位旋盖时间，即每个旋盖所需的时间。然而原有灌装机的设计是通 过的一个电机带动这就造成了，如果想要增加生产速度的话就必须增加主动力 电机的转速，此时虽然满足了导瓶运动的要求，然而运动在经过几级齿轮传动 后，等到运动传递到旋盖头时，有可能会造成旋盖头的转速跟不上，转速过慢， 无法在相应的工位完成其加盖的动作。而现在通过对于原有结构的改进与设计， 提出伺服电机方案和气动马达方案这两种驱动方式的设计，这样就可以直接通 过控制调节转速，加快旋盖头转速使之与相应的生产效率相适应，就可以满足 不同生产效率的要求，这样一来，使得生产效率得以有较大的提高。再者，现 有的灌装机的旋盖结构传动系统非常的复杂与繁琐，其运动传动的方设计经由 一个动力源，这就造成了运动传递的不准确，以及需要多个运动速度相配合的 运动实现是的难度很大。运动部件过多也造成了，整个运动系统的振动，误差 的累积，使得在旋盖过程中出现对盖不准确，旋盖不到位等等的问题。同时当 旋盖生产速度提高时，会造成支撑的不稳定，传动的这超出了系统的稳定性的 要求，必然导致整个系统的稳定性的削弱，引起机构的震动颤动的增强，影响 了旋盖质量，因此对于支撑结构的改进也显得有位必要。此外，在旋盖中经常 运动的机构很多，在工作过程中必然带来磨损，在设计中也要对其进行重新的 设计与改进。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 主要研究任务 1 4 1 研究目标与内容 在实现更高的灌装速度的同时，要对现有的封盖技术进行技术改造。按 照现有的技术，满足厂方对于生产率的要求和旋盖质量的要求的前提下，即 一个封盖头的工作效率在1 5 0 0 1 8 0 0 瓶d , 时。作为配合伺服泵灌装设备的封 盖，要将单个封盖头的工作效率提高到2 0 0 0 2 2 0 0 瓶，j 、时。满足其对旋盖速 度的要求，旋盖准确性的要求，同时在项目预算范围之内的方案，满足整个 产品的成本要求，对于灌装机旋盖系统进行合理的设计与改进，提出解决方 案，研究各种不同方案设计的可行性。 1 4 2 拟解决的关键问题 根据厂方所提出的要求，现有的加塞部分所存在的问题主要是旋盖的运 动没办法跟上生产率提高的需求，同时旋盖不稳定，容易出现旋废的情况， 根据实际情况，导瓶以及理盖机构是没有问题的，问题主要出现在旋盖机构 部分，因此着重研究这一部分的原理及其改进方案。在可行的方案下，设计 出一套能解决原有旋盖问题的机构，具体就是探讨各种方案的可行性，优缺点， 相比较之下拿出一套最优越的解决方案。使得整个机构能够在完成旋盖运动的 同时具有良好的生产效率，较好的维护性，同时以较低的成本解决问题。其主 要关键问题包括：传动系统的设计，支撑组建的设计改进，旋盖头的设计。其 次就是各种方案所带来的其他的设计问题，如校核计算，控制问题和其他的一 些配套的结构部分的设计。同时通过分析仿真软件进行结构的验证及其优化设 计。为此拟采取以下研究路线： ( 1 ) 根据原有加塞结构的二维图，绘制出三维实体模型并且进行装配，根 据三维模型，以便于更为细致的了解每个结构的功能原理。对每一个零件作用， 每一部分结构都有一个比较全面的认知。 ( 2 ) 按照厂方给予的原灌装机在生产过程中出现的问题，分析产生问题的 原因，找出问题的症结所在。提出设计方案： a 改进加塞机构的传动驱动方式，提出气动，电机驱动的解决方案，设计出 初步的原理图。 b 同时对于不同的旋盖传动的方案旋盖头也提出不同解决方案，提出改进原 5 武汉理工大学硕士学位论文 有磁力旋盖头的方案或者直接采用设计一套新的解决方案。 c 提出主轴部分，支撑部分的改动方案，改进主轴结构提高稳定性措施等等。 e 对于旋盖中其他部件的改动，提出几种不同以此来提高传动的准确性的方 案的设计，考虑材料，以及结构方面以减少磨损以及误差等。 ( 3 ) 根据问题提出解决问题的各种方案，分析各种不同方案的优缺点，可行 性，选出其中最合适的解决方案。主要包括成本的核算，可行性的研究，以及 能否达到预定的运动要求的，通过对比得到最为合适的方案，进行初步的设计。 ( 4 ) 根据确定的解决方案，进行三维设计，逐步解决在设计中遇到的各种新 的问题，初步设计出三维模型。除上面改动方案以外还有以下，包括：改动后 的尺寸的设计，支撑结构的设计，同时还包括一些基本的计算尺寸，校核，相 关传动比的设计，元器件的选型，成本的核算，引线组件的设计以及零件可加 工性可装配性的分析等等。 ( 5 ) 进行细节尺寸的设计 ( 6 ) 用分析软件对重要的部件进行受力的分析，根据分析结果进行进一步的 优化设计改动。 ( 7 ) 运用分析软件仿真软件对相关部件的运动进行仿真分析，评估系统结构 的可靠性，优化系统结构。 ( 8 ) 能否达到厂方的要求，若不能则找出原因继续进行相应的设计。 1 5 小结 本章主要介绍了旋盖机设计要求，国内外研究现状，以及课题来源，研究 的主要内容等。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章灌装机旋盖机构介绍 2 1 旋盖容器及容器盖介绍 在进行灌装生产或者是旋盖设备设计的时候，所要加工的产品对于加塞机 构的结构往往起到决定性作用。在加塞机构的设计之前，首先应当考查所要旋 盖产品的容器，即通常意义上的瓶子等，以此来决定加塞或者灌装的方式。比 如，易拉罐和啤酒的加塞方式有很大的区别，而啤酒和p e t 饮料瓶加塞的方式 区别也是比较大的，二者采用的设备当然也是区别比较的大。当容器选定时， 其加盖的种类也有所不同，比如有些盖是直接压上，类似于皇冠盖( 啤酒盖) 和旋开盖等又有比较大的差别。因此，在进行产品设计之前应当对所要旋盖的 容器以及容器盖有比较清晰的认识，然后根据其加盖的对象设计选用相应的加 盖方式及加盖设备。 2 1 1 旋盖容器介绍 包装容器安其材料划分，一般可以分：玻璃包装容器、金属罐、塑料包装 容器等。 金属罐 金属罐在日常生活中我们可以经常看到，如易拉罐，罐头等。广泛应用于 食品和饮料行业。其具有良好的密封性，同时包装强度较高。金属罐通常采用 铝或者铁为原材料加工而成的，按金属罐的制造方法可以分为三片罐和两片罐。 三片罐顾名思义，即其由3 片原材料制成，由罐身、罐底和罐盖三部分组 成，罐身有接缝，罐身、罐底和罐盖卷封的包装容器，以金属薄板为材料经压 接、粘接合电阻焊接加工成型的罐型包装容器。两片罐顾名思义，即其由2 片 原材料制成，由罐身和罐盖组成，用金属薄板通过冲压拉伸成型，使罐身罐底 形成一体。两片罐的材料有铝板和铁板，而铝罐采用较多，特别是应用于含气 类饮料的罐装。 两片罐相对于三片罐，由于罐身直接冲拔成型，密封性好，而且节省原材 料，美观大方。但两片罐对材料性能、制罐设备和制罐技术要求较高。三片罐 生产工艺成熟、简单，具有刚性好的特点，适应各种形状、尺寸的罐型生产， 7 武汉理工大学硕士学位论文 因此其包装产品种类更多【6 3 1 。 玻璃包装容器 玻璃包装容器是指将熔融的玻璃料经吹制、磨具成型制成的一种透明容器。 玻璃包装容器一般用于包装液体、固体药物及液体饮料类商品。按其瓶口大小 可以分为大口瓶、小口瓶。大口瓶又名罐头瓶，指其瓶口内径大于3 0 m m 的瓶 子，瓶口较大装料和出料都比较容易，一般用于包装罐头类食品和比较粘稠的 物料。 按其形状又可以分为圆形瓶、方形瓶、曲线形瓶和椭圆形瓶。 塑料包装容器 塑料包装容器是指将塑料原料经成型加工制成，一般的加工方法有拉伸、 吹塑、注射等。塑料包装容器被广泛应用于矿泉水、纯净水以及含气饮料等均 包装中。塑料容器具有许多优良特性，如耐腐蚀、易成型、质量轻、耐冲击等 性能。 2 1 2 容器盖介绍 常见的瓶盖有下列几种： 螺旋盖 金属螺旋盖采用铝板或镀锡薄板制造，内衬聚氯乙烯垫，多用于广口瓶包 装固体饮料。塑料螺旋盖以聚乙烯、聚氯乙烯等树脂为材料，可用于细口瓶或 广口瓶包装酒类、果汁饮料、调味料以及固体饮料。 扭断螺纹盖 又名防盗盖，因瓶盖下端有压痕，开启时瓶盖可沿压痕线拧断以示瓶盖经 过开启。这种盖是螺旋盖的改进，由铝板制成，内衬软木、纸板和铝箔、塑料薄膜 等，多用于葡萄酒类的包装。 皇冠盖 最初以铝为材料，现代以镀锡薄板、镀铬薄板制造，内衬聚氯乙烯塑料垫，多 用于啤酒、软饮料、调味料的包装。 压封旋开盖 又名热塑螺纹盖，压入一拧开盖。是7 0 年代开发的新品种，由镀锡薄板或 镀铬薄板制造。盖内四周有塑料衬里，装罐时乘热压封，冷却至室温后，塑料 衬里随瓶口的多线螺纹成型。特点是封盖速度高，密封性好，开启方便。瓶盖 8 武汉理工大学硕士学位论文 有2 7 - 7 7 m m 的系列，适用于多种食品的包装。 旋开盖 又名四旋盖，由镀锡薄板或镀铬薄板制造。按瓶的直径( 2 7 1 l o m m ) ，边缘 分别有3 、4 、6 、8 个爪，内衬聚氯乙烯塑料垫。可用于细口瓶或广口瓶包装果 汁、果酱、水果、婴儿食品、蔬菜以及肉类等。 咬封盖 又名抓式盖，由金属薄板制造。设计用于密封环形玻璃瓶嘴。当盖压入瓶 嘴上，盖子四周的金属突缘与瓶壁产生的压力使瓶盖牢固地压在瓶嘴上，盖内衬 垫便同时起到密封作用。瓶盖直径有2 8 - - 7 7 m m 的系列。可用于果汁、果酱、 水果等食品包装。 边封盖 又名撬开盖，属压入式盖，由金属薄板制造。盖内四周有橡胶垫片，具备 密封功能。适用于环形玻璃瓶嘴或玻璃杯。开盖时需用工具，撬开的盖可压回 瓶嘴上重新封闭瓶子。可用于包装果汁、水果、蔬菜等。 卷封盖 又名胜利瓶盖，由镀锡薄板制造。盖内边缘有橡胶衬垫，密封性好。适用于 水果、蔬菜及肉类食品的包装。缺点是瓶盖开启困难【1 5 】。 2 2 加盖方式的介绍 日常生活中可以看到许多种不同的加盖方式生产的产品一般有：旋盖封口 机、压盖封口机、滚边封口机、滚纹封口机、压塞封口机和卷边封口机等。 ( 1 ) 旋盖封口机 旋盖封口机即通过旋合达到密封的封口方式。通过瓶口的外螺纹与瓶盖的 内螺纹相互配合，当瓶口与瓶盖旋合达到一定程度是使得盖内的弹性密封垫发 生挤压变形，由此获得密封，如图2 1 所示。 踺i 3 h 。 ! i 。 ：l： 箩ii ￥ -t 巡 二一， 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 旋盖封口机 旋盖封口机的工作流程一般取盖、捉盖、定位、旋盖、脱瓶、复位这6 步。 如下图2 2 所示： ( a ) 取盖( ”捉盖( c ) 定位( d ) 旋盖( e ) 脱瓶( f ) 复位 1 ) 瓶子2 ) 盖子3 ) 对盖4 ) 旋盖头 图2 2 旋盖的工艺过程 一般来说，旋盖机有大致可分为有气动的、电动的、半自动、全自动的， 原理一般以搓擦式为主，也就是依靠摩擦将盖旋紧。在旋盖方面，旋盖方法有 按照驱动方式有两种：电动旋盖机和气动旋盖机两种。其中电动旋盖方式按照所 选用电机的不同又有伺服电机旋盖和步进电机旋盖。电动即直接以电力为动力 驱动，电机产生扭矩，驱动旋盖头旋转进行旋盖；气动旋盖即以气动马达为动 力驱动旋盖的方式1 2 j 。 ( 2 ) 压盖封口机 压盖封口机广泛应用于啤酒与汽水生产行业，应用对象主要是皇冠盖。皇 冠盖在该压盖机的压盖模下受压力作用，盖子的周边被挤压内缩，卡在瓶口颈 部的凸缘上，使得瓶盖和瓶1 3 能够紧密相接，封住瓶口。如下图2 3 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 压盖封口机 压盖封口机的工作流程一般有：送盖、定位、封口、复位这4 步。如下图 2 - 4 所示： 6 1 ) 压盖模2 ) 皇冠盖3 ) 送盖滑槽4 ) 压头5 ) 磁铁6 ) 压盖头柱塞 图2 - 4 压盖的工艺过程 ( 3 ) 卷边封口机 卷边封口机一般应用于金属容器的封装，如铝管，铁罐等。通过将涂有密 封填料翻边的罐身与的罐盖内侧周边互相卷曲、勾合、压紧，来实现密封包装。 如图2 5 所示【2 1 。 图2 5 卷边封口机 卷边封口机的工艺过程主要有：头道卷边开始、头道卷边终止、二道卷边 开始、二道卷边终止，如下图2 6 所示。 尺纳剜八 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) 头道卷边开始( b ) 头道卷边终止( c ) 二道卷边开始( d ) 二道卷边终止 1 ) 头道滚轮2 ) 罐盖3 ) 罐身4 ) 上压头5 ) 二道滚轮 图2 6 卷边的工艺过程 ( 4 ) 滚边封口机 滚边封口机适用的口径一般较大，其主要用于口径较大的玻璃瓶的封口， 类似水果罐头瓶等的封装。先将盖内垫上密封圈，再用滚轮滚压瓶盖边缘，使 瓶盖与瓶口外沿紧密的连接在一起，密封圈由于受压力的作用发生弹性变形， 从而将瓶口密封1 3 j 。 滚边封口机的工艺流程一般有：送盖、压盖、滚边、复位，这4 步组成， 如下图2 7 所示。 奉吕峨曝 + b l c ： i d ( a ) 送盖( b ) 压盖( c ) 滚边( d ) 复位 1 ) 瓶子2 ) 瓶盖3 ) 压头4 ) 滚轮 图2 7 滚边的工艺过程 ( 5 ) 滚纹封口机 它是先将筒形金属盖套在瓶口，用滚轮滚压其底边，使其内翻变形，紧扣 住瓶口凸缘而将其封口。这种封口方式具有很好的防盗效果，因此又称为防盗 盖。在日常生活中一些酒类一起其他的贵重物品的保存，如采用此种方式封口， 我们可以通过瓶盖即可以发现有没有被开启过，因为此种封口方式决定了若要 开盖必然要导致封盖包装的破坏【3 1 。 其工艺过程主要包括；送盖、定位夹紧、滚纹、复位，如下图2 8 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 巾m 密 但d 嗵 隹韬 翻 lu l ( a ) 送盖( b ) 定位夹紧( c ) 滚纹( d ) 复位 1 ) 瓶子2 ) 瓶盖3 ) 压头4 ) 滚纹滚轮5 ) 封边滚轮 图2 8 滚纹封口工艺过程 ( 6 ) 压塞封口机 这种封口材料是用橡胶、塑料、软木等具有一定弹性的材料做成的瓶塞， 利用其本身的弹性变形来密封瓶口。该机封口时，将瓶塞置于瓶口上方，通过 对瓶塞的垂直方向的压力将其压入瓶口来实现封口包装。压塞封口既可用作单 独封口，也可与瓶盖一起用作组合封口。 2 3 灌装机概述 旋盖机构作为灌装生产线的一部分，下面对于灌装机构作如下的介绍。灌 装设备是包装机中的一种，从对物料的包装角度可分为液体灌装机，膏体灌装 机，粉剂灌装机，颗粒灌装机；从生产的自动化程度来讲分为半自动灌装机和全 自动灌装生产线。一个灌装生产线需要包括以下部分：导瓶机构、洗瓶机构、 灌装机构、加塞机构、理盖机构等组成。其中最为重要的是灌装机构和旋盖机 构，这两部分决定着灌装生产线的生产质量和生产效率。 洗瓶机构，即清洗瓶子的结构，主要功能是对瓶子进行生产前的处理工 作，包括清洗，烘干等，如图2 - 9 。 灌装机构，即实现产品灌装动作的机构，把产品灌入瓶内时，需要良好 的工作精度和较高的工作效率，如图2 一l o 。 导瓶机构，即完成瓶的传递的动作，在生产线上导瓶机构贯穿于整个生 产线，其不断的输送空瓶以及送出生产完毕的成品，如图2 1 l 。 加塞机构，即实现瓶盖旋紧的机构，在保证生产效率的同时需要保证生 武汉理工大学硕士学位论文 产质量，防止或尽量减少废品的产生，如图2 1 2 。理盖机构即为加塞机构提供 充足的瓶盖，协调好与旋盖机构的运动。 生产线上的加塞机构一般有直线式的和旋转式的，直线式和旋转式是对于 瓶子的运动而言的。直线式即瓶子在直线运动过程中实现加塞过程；旋转式的 即瓶子在绕着一个中心旋转的过程中实现加塞运动的。在此处我们根据厂方要 求研究的是旋转式的旋盖机。直线式的结构比起旋转式的简单，然而旋转式的 生产效率要高于直线式的。因此在大批量生产时大多数用的都是旋转式的。而 现在厂方是大批量的生产，故选择旋转式设计。 改进灌装生产线的设计以满足改进要求时，主要需要对于原有生产线的灌 装机构和加塞机构进行重新设计，本文主要是研究加塞机构的改进与设计。以 下四图为其原始结构建模以后的三维模型。 誓瓣 蓦丢f j 函i 石= i 丢毫东 誉酉 ，鞲罐墟k 捌 图2 9 洗瓶机构 勰瓣邓狮唏 j 甏；、辩。 图2 一1 0 灌装机构 图2 - 11 导瓶机构图2 1 2 加塞机构 2 4 加塞系统结构 1 4 鋈 戮 甓。瓣 甏熏蘑 武汉理工大学硕士学位论文 由于文中多次用到不同的类似的名词，故在此对其进行说明： 1 加塞机构，即灌装机实现加塞过程的所有组建的总称； 2 旋盖机构，即仅实现盖子选入部分的运动的机构。 此次研究我们所面对的产品需要用到旋盖式的封口机械，并且此加塞系统 是整合于此灌装生产线上的，是其中非常重要的一个环节。 对于一个完整的加塞系统而言，其设计应包含一下组成部分：导瓶机构、 供盖机构、旋盖机构、动力机构、支撑结构等。如下图3 1 所示： 1 导瓶机构，即把瓶子导入到相应工位的机构，对瓶子进行传递运输。此 部分功能一般由星轮的转动来实现的，通过传递其瓶颈，并且卡主来实现瓶子 的进给。 2 供盖机构，即提供理盖供盖的作用，为旋盖机构提供充足的瓶盖。供盖 机构的供盖速度需要与生产率高低相适应，以避免生产中出现缺盖的现象。 3 旋盖机构，即实现旋盖运动的主要部分，此部分实现瓶盖的旋入动作。 旋盖机构为旋盖系统的核心部件，旋盖的效率，稳定性都依赖于此。对于所有 旋盖机械所要实现的运动有三种，一种即实现瓶的传输的运动，一种是实现旋 盖头的旋转的运动，还有一种是实现旋盖头部分的上下的活塞式的运动，这3 种运动不仅要在同一过程中实现，还要有一定的配合的要求，这就决定了实现 旋盖所需的运动的传动过程是一个非常复杂的过程。旋盖机构即为旋盖机的核 心部分，旋盖的效率，稳定性都依赖于此。 4 动力机构，即整个部分的动力来源，提供旋盖旋转的动力以及导瓶运动 的动力。原旋盖系统的动力由一个电机带动，通过齿轮传递致旋盖部分，这些 部分的运动必须协调稳定才能够保证工作的稳定进行。 5 支撑结构，为整个机构提供支撑，由于加塞机构需要较高的运动精度， 在加塞过程中需要防止整个机构的颤动，对于整个系统有重要作用。对于此次 研究的灌装机旋盖系统而言，其原支撑系统主要有支撑主轴和辅助支撑部件组 成。支撑主轴支撑着其主要的零部件的重量。 各个部分的结构，以此次设计的灌装机为例，各个部分的组成如下图2 1 3 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 3 加塞机构原理图 2 5 加塞机构运动的分析 对于所有旋盖体统而言，个加工动作的完成所要实现的运动有四种，即 递瓶运动，旋盖转动，旋盖头的上下运动、拨盖运动。以上四种运动是加塞系 统所要实现的主要的运动，四种运动必须协调好运动快慢使得每个工位所需要 的旋盖的时间与递瓶的速度相配合，在工位到达时候旋盖头能够刚好对准瓶口 进行旋盖，在此时间里旋盖头可以旋合好瓶盖，在离开工位时候能够快速的退 出。下面以原灌装机的加塞机构为例分别介绍以上几种运动： ( 1 ) 递瓶运动，即实现瓶的传输的运动。在生产线上需要保证瓶子的不断 输入，以保证加工的连贯性。递瓶运动贯穿于整个过程，从开始的洗瓶到后来 的灌装旋盖都需要通过递瓶机构将瓶子从一个工位传递到下一个工位。其瓶子 传递的速度由生产力n - r _ 的速度所决定的，同时要控制好递瓶运动的同步性，故 一般整个灌装生产线都是由同一个电机驱动产生动力，通过齿轮进行运动的传 递致各个工位，以免出现传递不同步的现象。对于本次研究的灌装生产线，产 生此运动的动力都是由一个主电机来完成，此电机提供着整个灌装机械的递瓶 的动力，以实现整个瓶子传送系统的运动的协调。 ( 2 ) 旋盖转动，即实现盖子旋入瓶口的旋转运动。这种运动对于整个加塞 系统而言至关重要，因为它的动作的快慢直接决定着这个加塞系统乃至整个灌 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 装系统的生产的效率的高地，单位时间了旋盖头的旋转速度越快，能够加塞完 成的数量就越多。同时，此种运动能否很好地完成也直接决定了加塞的质量的 好坏，因此必须保证旋转的平稳，有效的进行。 ( 3 ) 旋盖头的上下运动，即完成旋盖时的一边旋转一边进给的向下运动和 旋盖退出时向上的复位运动，类似于活塞式的上下运动。对于旋盖头的上下运 动一定要平稳，因为其直接关系到对盖的准确与否，若果在下降过程中存在不 稳定的颤动，有可能在工位对歪瓶盖，进而影响旋盖的质量。 ( 4 ) 拨盖运动，作用就是吧从理盖机构中出来的瓶盖准确送至旋盖头下面， 等待旋盖头进行对盖。在这运动过程中需要精确保持盖子的位置，以保证对盖 的精度，防止出现对歪，以免影响旋盖的质量。 2 5 小结 本章主要介绍了灌装机的有关知识，以及各种加塞方式的原理及工艺过程。 简要介绍灌装机加塞系统的有关知识。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章加塞系统分析及问题的提出 3 1 加塞系统的设计性能要求 1 - 根据市场需求以及机器的总体成本控制需要，伺服泵饮料灌装机在公司 现有相同工位机器相同成本的前提下能够使机器的生产效率达到现有设备的 1 5 0 以上。( 在实现此产能的情况下成本必须控制在现有设备成本的基础上， 最多不可增加1 0 。) 2 结构设计合理，方便日常维护，拆装方便，( 由于饮料灌装生产车间空 间都有一定的局限，当灌装部分的伺服泵或者运动部件需要更换检修时不需要 对灌装机进行大的拆卸) 。 3 在实现更高的灌装速度的同时，要对现有的封盖技术进行技术改造。按 照现有的技术，一个封盖头的工作效率在1 5 0 0 1 8 0 0 瓶d , 时。作为配合伺服泵 灌装设备的封盖，要将单个封盖头的工作效率提高到2 0 0 0 2 2 0 0 瓶d , 时。改进 后的旋盖机根据厂方提供的机型、盖型来设计制作，封盖扭力应满足扭力标准 要求。 4 灌装机设计符合国标g b l 6 7 8 9 1 9 9 7 食品机械安全卫生要求。 5 不合格品数量郢3 ：漏瓶：将瓶倒转用手挤压出现滴水；液位不准和 无盖、歪盖或封盖损坏；卡坏瓶或严重损伤瓶子。 3 2 问题的提出 根据厂方所提要求，原灌装机加塞系统存在以下缺点： 1 旋盖效率较低，无法提升至较高的水平或者在提升后容易出现许多问题， 如旋盖不到位。 2 存在旋盖不到位的现象，有