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硬盒包装机封口机构设计 摘要 包装机械是包装工业的一大门类产品，是种高效率的专业性机械，随 着经济的发展，其在国民经济中所占比重和作用越来越大。本文研究的硬盒 包装机在众多包装机械产品中属于量大面广的那一类，且具有很大的实用价 值，被广泛应用于食品、医疗、化工、烟草等包装行业。其中封口装置在硬 盒包装机中占有十分重要的地位，它是硬盒包装机的重要组成部分，对保 证其包装质量有着重要的意义。 目前通过对市场上现有的各种硬盒包装机的了解，发现它们对盒子封口 的动作大致相同，但完成这个动作的机构和零件却各式各样，不同种类的硬 盒包装机采用不同的机构和零件实现封口动作。总体上看没有形成一个统一 的标准，这种情况的存在很不利于包装行业的发展。为了提高劳动生产率， 降低包装成本，提高企业盈利水平、综合竞争力，推动包装行业的发展，本 文在对封口动作现有工艺进行研究的基础上，对封口机构进行模块化设计， 设计研制出一种新型的硬盒包装机封口机构。 本文重点是对封口机构进行设计，在研究原有的y b 4 3 型硬盒包装机 铝箔烟包折叠封口机构的基础上，对该机构进行创新设计，具体的工作如下： 1 ) 在原有的y b 4 3 型硬盒包装机铝箔烟包折叠封口机构基础上改进封 口机构，提出几种设计方案，通过比较分析，选出最优的设计方案。 2 ) 根据选出的最优方案，将所设计的硬盒包装机封口机构分为四大部 分，并以凸轮技术和机构运动循环图为基础，分别设计出机构的凸轮构件、 机箱、辅助构件等。 3 ) 封口机构零部件设计完成后，利用p r o e 软件，建立出硬盒包装机 封口机构主要零部件的三维模型，并完成了封口机构的装配。 4 ) 对所建立的封口机构三维装配体进行简化处理，然后导入动力学分 析软件a d a m s 中进行了运动学分析，得出了封口动作的速度加速度曲线 和凸轮滚子的受力曲线，为封口机构的进一步优化提供了参照。 关键词：硬盒包装机、凸轮机构、封口机构、三维建模、运动仿真 s e a l i n gs t r u c t u r ed e s i g nf o rh a r db o x p a c n gm a c h i n e a b s t r a c t p a c k i n gm a c h i n e r yi sa l li m p o r t a n tp a r to ft h ep a c k a g i n gi n d u s t r y i ti sa h i g h l ye f f i c i e n c ya n d a st h ee c o n o m yd e v e l o p s ，t h e s em a c h i n e sb e c o m em o r e a n dm o r ei m p o r t a n tt ot h en a t i o n a le c o n o m y t h eb i gb o xp a c k i n gm a c h i n ei n t h i sp a p e ri so f t e nu s e dw i t hg r e a tu t i l i t a r i a nv a l u e i th a sb e e n w i d e l ya p p l i e di n f o o dp a c k i n g ，m e d i c a lt r e a t m e n tp a c k i n g ，c h e m i c a lt e c h n o l o g yp a c k i n ga n d t o b a c c op a c k i n g t h es e a l i n gs t r u c t u r ei sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h eh a r d b o xp a c k i n gm a c h i n e i th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei ng u a r a n t e e i n gp a c k a g i n g q u a l i t y a c c o r d i n g t oi n v e s t i g a t i o n sa b o u ta l lk i n d so fh a r db o xp a c k a g i n gm a c h i n e s i nt h em a r k e t ，m o s tm a c h i n e ss e a li nt h es a m ew a y t h eo n l yd i f f e r e n c ei st h e p a r t sa n dm e c h a n i s m su s e d t h el a c ko fau n i f i e ds t a n d a r df o rt h e s em a c h i n e si s ap r o b l e mf o rt h ep a c k i n gi n d u s t r y t h i sm u s tb es o l v e dt oi m p r o v et h el a b o r p r o d u c t i v i t y , r e d u c et h ep a c k i n gc o s t ，r a i s et h ee n t e r p r i s ep r o f i tl e v e l ，i m p r o v e d t h ec o m p e t i t i v e n e s sa n di m p e t u sf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ep a c k i n g p r o f e s s i o n t h i st h e s i ss t u d i e dp r e s e n ts e a l i n gm e t h o d sa n ds u g g e s t sn e wk i n do fs e a l i n g s t r u c t u r e t h i sp a p e ri sf o c u s e do ni m p r o v i n gt h ed e s i g no ft h ey b 一4 3 h a r db o x p a c k i n g m a c h i n e sa l u m i n u mf o i ls m o k e p a c k a g es e a l i n gs t r u c t u r e t h ew o r kw a sa sf o l l o w s ： 1 ) i m p r o v e dt h es e a lo r g a n i z a t i o ni nt h ef o u n d a t i o no ft h ey b 一4 3h a r db o x p a c k a g i n gm a c h i n e ss e a l i n gs t r u c t u r e s e v e r a lk i n d so fd e s i g np r o p o s a l sw e r e m a d e c o m p a r i s o n sw e r ed o n et of i n a l l yc h o o s es u p e r i o rd e s i g n 2 ) t h eb e s td e s i g ns e p a r a t e dt h es e a l i n gs t r u c t u r ef o u rp a r t s t h e nd e s i g n c a mm e c h a n i s m ，c r a t ea n d a u x i l i a r y m e m b e ri nt h ef o u n d a t i o n o fc a m t e c h n o l o g ya n dm e c h a n i s mk i n e m a t i c sc y c l i cg r a p h 3 ) a f t e ra d d r e s s i n gt h es e a l i n gs t r u c t u r e sa u x i l i a r yp a r t s ，t h e3 dm o d e la n d a s s e m b l yo ft h em a i np a r t sw e r eb u i l ti np r o es o f t w a r e i l i 4 ) a f t e rt h e3 dm o d e lo ft h es e a l i n gs t r u c t u r ew a ss i m p l i f i e d ，i tw a s i n p u t t e di n t od y n a m i c sa n a l y s i ss o 低v a r ea d a m sf o rk i n e m a t i ca n a l y s i s t h e a n a l y s i sp r o d u c e ds p e e da n da c c e l e r a t i o nc u r v eo ft h es e a l i n gs t r u c t u r e t h e s e r e s u l t sc a l lb eu s e df o rt h es e a l i n gs t r u c t u r e sf u r t h e ro p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：h a r db o xp a c k a g i n gm a c h i n e ，c a mm e c h a n i s m ，s e a l i n g m e c h a n i s m ，m o d e l i n g ，m o t i o ns i m u l a t i o n 硬盒包装机封口机构设计 1 绪论 1 1 包装机械概述 i i 1 包装机械的概念 包装机械( p a c k a g i n gm a c h i n e r y ) 是指能够完成部分或全部产品和商品包装过程的 机器。包装的过程一般包括成型、填充、裹包、封口等一些主要的包装工序，还包括清 洗、干燥、杀菌、贴标、捆扎、集装、拆卸等前后包装工序和转送、选别等其他辅助的 包装工序f l 捌。 1 1 2 包装机械的作用 包装机械是包装工业中的一大类产品，是一种高效率的专业性机械。包装机械行业 也是直接为提高人民生活质量服务的新兴行业。包装机械给包装行业提供先进的技术设 备，从而更好的完成产品的包装过程。随着市场经济的深入发展和人民生活水平的不断 提高，对商品包装提出了更高的要求。哪里有商品，哪里就有包装，各种各样的商品，有着 千变万化的包装，对应着种类繁多的包装机械。没有现代化的包装机械，就没有现代化的 包装工业。 包装工业是国民经济支柱产业之一，随着经济的发展，其在国民经济中所占比重和 作用越来越大。包装机械在轻工机械行业中占有重要的地位，是包装工业的重要基础为 包装业提供重要的技术保障，对包装业的发展起着重要的作用，同时在医药、食品、日 用品、化工产品等生产中起着重要的作用。包装机械保证了产品的包装实现了机械化和 自动化。其作用包括以下几点： 1 ) 能大幅度的提高生产效率，加快产品的不断更新。包装机械的生产能力一般比手 工包装提高十几倍，甚至几十倍，无疑对产品的包装花样跟新起着举足轻重的作用。 2 ) 能降低劳动强度，改善劳动条件。机械包装能将工人从紧张繁重的重复劳动中解 放出来，而且可以避免和减少有剧毒、刺激性的、腐蚀性的、低温、潮湿、粉尘等条件 对工人的身体造成的影响，大大改善了劳动条件。 3 ) 能节约材料，降低成本，保护环境。有些粉末、液体物料在手工包装过程中容易 发生逸散、起泡、飞溅等现象，采用机械包装能防止产品的散失，既保护了环境，又节 约了原材料、降低了成本。 4 ) 有利于被包装产品的卫生，提高产品质量，增强市场销售的竞争力。类似药品、 食品等卫生条件要求很严格的产品，采用机械包装避免了人与产品的直接接触，减少了 对产品的污染，同时由于机械包装速度快，产品在空气中停留时间短，从而减少了产品 的污染机会，有利于提高产品的卫生条件。 陕西科技大学硕士学位论文 5 ) 延长产品的保质期，方便产品的流通。采用真空、充气、无菌等包装机械，可使 食品、饮料等延长保质期，并使产品流通销售范围更加扩大。 6 ) 可减少包装场地面积，节约基建投资。产品采用手工包装，若要完成同样的包装 量，需要包装工人多，工序不紧凑，作业占地面积大，基建投资多。采用机械包装，产 品和包装材料的供给比较集中，个包装工序安排紧凑，有的可采用立体作业，因而减少 了包装的占地面积，节约基建投资。 1 1 3 包装机械的特点 包装机械多属于自动机械，它即具有自动机械的共性，也具有自身的特点，包装机 械的主要特点如下： 1 ) 大多数包装机械种类繁多，结构复杂，运动速度快，动作精度较高。为满足不同 的性能要求，对零部件的刚度和表面质量等有较高的要求。 2 ) 包装机械作业时的工艺力一般都较小，所以包装机械的电动机功率较小。 3 ) 包装机械一般都采用无级变速装置，以便灵活调整包装速度，调节包装机的生产 能力。因为影响包装质量的因素很多，诸如包装机的工作机构的运动状态，工作环境的 温度、湿度，包装材料和包装物的质量等。所以，为便于机器的调整，满足包装质量和 生产能力的需要，往往把包装机设计成无级可调的，即采用无级变速装置，某些零件还 设计成可调整的。 4 ) 包装机械是特殊种类的专业机械，使用需求数量有限。为便于制造和维修，减少 设备投资，在各种包装机械设计中应注意通用性及多功能性。 1 2 国内外包装机械的研究概况及发展趋势 1 2 1 国内包装机械概况及发展趋势 】) 我国包装机械概况 我国包装机械发展起步的比较晚，技术水平比较落后，比起一些发达国家还是存在 一定的差距的。改革开放以前，我国包装机械发展相当的缓慢，大多数的包装都是通过 手工完成的，基本没有太多种类的包装机械；改革开放以后，由于经济的迅速发展，人 民生活对包装产品的迫切要求，导致包装行业迅速发展，社会对包装机械的需求也大量 的增加，从而推动了我国包装机械的飞速的发展，拥有了种类比较齐全的包装机械【4 】。 近几年来，我国包装机械行业虽然发展的很快，也取得了一些成就，但总体来说还 是借鉴和仿制外国的多一些，真正自主研发的包装机械比较少，缺乏一定的创新和自主 能力。从包装产品结构来看，我国包装机械品种没有国外的健全，缺少高精度产品和大 型包装生产线，不能满足市场的需求；从产品质量上看，我国包装机械稳定性和可靠性 差，无法满足包装高档产品及出口商品的需要；从企业状况上看，多是一些小规模的包 装企业，缺少能领先科技的龙头企业：从产品开发上来看，自主研发能力弱，大多停留 2 硬盒包装机封口机构设计 在仿制阶段；从技术更新方面看，我国保准管机械技术更新缓慢，整体水平落后于发达 国家 5 1 。 总的来说，我国的包装机械在产品的质量、性能、开发、可靠性方面都落后于国际 先进水平。为了提高我国包装机械的水平，现在好多高校都已经成立了包装专业，为我 国包装机械的发展提供了大量的人才。 2 ) 我国包装机械的发展趋势 我国包装机械受国内市场需求的影响，其发展趋势如下。 ( 1 ) 引进、消化、吸收国外先进的技术，加快我国包装机械的发展，满足人民对包 装产品的需求。 ( 2 ) 零部件生产专业化。是我国包装机械通用性增强。使包装产品有一个统一的标 准，普及更多的小型的常用的包装机械。 ( 3 ) 在包装机械中增加高科技含量，使包装机械自动化程度提高，并且要向智能化 的方向发展。 ( 4 ) 大力开发满足重点商品包装的机械，如食品、医药、化工、日用品等产品的包 装机械。 ( 5 ) 加强绿色环保机械的开发，是包装机械具有生产环保产品的技术于性能。 1 2 2 国外包装机械概况及发展趋势 1 ) 国外包装机械概况 国外包装机械的发展大体经历了简单化机械、初级自动化机械、自动包装生产线、 计算机控制的高度自动化生产线等阶段。 国外包装机械最早应用在食品、火柴、卷烟的行业中，发展到现在已经形成了完整 的体系，成为机械制造的一个重要的分支。国外包装机械在自动化程度、包装质量、生 产效率上都具有很高的技术水平，处于领先的地位。在自主研发和创新方面也一直走在 世界的前列。其机械产品门类齐全，种类众多，包装机械生产自成体系，并向专业化方 向发展。近年来，国外包装机械行业大量运用高新技术，如激光技术、超声波技术，人 机工程等，从而使包装机械及其生产线高度自动化。目前美国、日本、特过、意大利等 国家在包装机械的制造和使用方面各有特点，都处在世界领先的水平1 - 9 。 2 ) 国外包装机械的发展趋势 ( 1 ) 重点发展食品包装机械。国外一些发达国家食品包装机械占包装机械的比重往 往在5 0 以上。国外的包装机械发展中特别注意食品的卫生，并积极研制与食品工艺相 适应的各种相关辅助设备。 ( 2 ) 在包装机械上广泛运用计算机技术，使包装机械的可控制性加强。 ( 3 ) 在系统优化设计的基础上，包装单机向高速化方向发展。通过系统的优化设计， 陕西科技大学硕士学位论文 把技术的先进性、可行性和经济型结合起来，从而实现包装机向高速化方向发展。 ( 4 ) 包装生产线向柔性自动化和“无人化”发展。在更多的生产线中运用微机、智 能机器人等实现产品的无人化包装，降低了包装成本，提高了生产效率。 1 3 课题研究的目的及意义 新型包装机械产品中以成型、填充、封口三种机械的增长最快。本课题研究的硬盒 包装机在众多包装机械产品中属于量大面广的那一类，且具有很大的实用价值，其广泛 应用于食品、医疗、化工、烟草等包装行业。其中封口装置在包装机械中占有其十分重 要的地位，它是包装机械的重要组成部分，对其优良质量的保证有着重要的意义。 目前通过对市场上现有的各种硬盒包装机的了解，发现它们对盒子封1 3 的动作大致 相同，但完成这个动作的机构和零件却各式各样，不同种类的硬盒包装机采用不同的机 构和零件实现封口动作。总体上看没有形成一个统一的标准，这种情况的存在很不利于 包装行业的发展。 本课题的目的和意义：由于目前硬盒包装机封口机构没有统一的标准，所以针对包 装机械的封口机构进行设计，从包装行业的现状出发，以y b 4 3 型硬盒包装机铝箔烟包 折叠封口机构为原型，通过对包装封口机构创新和改进，设计出一种能够对多种型号的 立体盒式产品进行封1 3 的机构，从而使硬盒包装机封口机构标准化、通用化、系列化， 使其更具实用价值，降低包装成本，提高企业盈利水平、综合竞争力，推动包装行业的 发展。 1 4 课题的研究内容 本课题重点是封口机构的设计，是在研究原有的y b 4 3 型硬盒包装机铝箔烟包折叠 封口机构的基础上对其机构进行创新改进设计，从而设计出一种能够对多种型号的立体 盒式产品进行封1 3 的机构。而硬盒包装机封口动作一般多用凸轮和连杆组合机构来实现， 因此研究的主要内容有： 1 ) 对y b 4 3 型硬盒包装机原有的铝箔烟包封口机构及封口动作研究：主要研究铝 箔烟包四个封1 3 动作的规律和实现其四个动作所对应的四个平面凸轮的轮廓曲线及其参 数。 2 ) 对要创新设计的硬盒包装机封口机构的总体方案的拟定：包装机总体方案的拟订 是进行机器设计的关键一步，因为总体方案在很大程度上决定了机器的结构配置和使用 性能。因此，应根据所需包装物的形态要求和特点，按一定的原则、结合一般食品机械 常用的设计，使用方法、充分考虑各种因素，拟定几套封1 3 机构的传动方案，然后相互对 比，并经技术经济分析后拟订出先进、合理、经济、可靠的总体方案。其中主要包括凸 轮、连杆机构及各种匹配装置的设计。在设计前认真研究被加工包装的图样，研究其尺 4 硬盒包装机封口机构设计 寸、形状、材料、硬度、重量、加工部位的结构等，为设计提供大量的数据、资料，作 好充分的、全面的技术准备。 3 ) 凸轮轮廓曲线和其他参数的设计：设计出以一个凸轮代替原来的四个凸轮并控制 四个封口动作的平面凸轮。确定其对应的轮廓曲线和主要参数。 4 ) 连杆机构的设计：设计出控制铝箔烟包四个封口动作的连杆机构，连杆的输出动 作控制四个封口动作，连杆的输入动作是由新设计的平面凸轮机构控制。 5 ) 对整个机构进行建模和仿真：利用p r o e 软件对整机进行三维建模，然后用 a d a m s 进行运动仿真分析。 1 5 研究工作中面临的技术难点和拟采取的解决办法 1 ) 研究过程中的技术难点有以下几点： ( 1 ) 硬盒包装机封口机构总体方案的拟定选择：原有的y b 4 3 型硬盒包装机铝箔 烟包折叠封口机构是四个平面凸轮控制四个封口动作，而本课题要设计的是一个单元化 的封口机构，其创新设计的思路是用一个凸轮代替原有的四个平面凸轮从而实现控制四 个封口动作，这时选用什么样的平面凸轮以及其对应的连杆机构和各种匹配装置来完成 硬盒包装机封口机构总体方案的设计从而实现原来的封口动作就成了本课题的首要难 点。 ( 2 ) 凸轮轮廓和主要参数的确定：原有的y b 一4 3 型硬盒包装机铝箔烟包折叠封口 机构中四个凸轮分别控制四个封口动作，也就是说一个凸轮单独控制其对应的一个封口 动作，这样凸轮的轮廓就比较简单。而本课题设计的是把原有的四个封口动作由一个凸 轮来控制实现，这时，所设计的凸轮的轮廓就比原来的凸轮轮廓复杂得多。所以其轮廓 和主要参数的确定是本课题的另一个难点。 ( 3 ) 连杆机构的确定：原有的y b 4 3 型硬盒包装机铝箔烟包折叠封口机构中四个 凸轮是通过其对应的连杆机构分别控制四个封口动作，本课题设计的一个凸轮控制四个 封口动作也是通过连杆机构得以实现控制动作的，连杆的输出端的动作就是所需要实现 的四个封口动作，而连杆的输入端的动作就是由所设计的凸轮转动提供的。这样，选择 一套什么类型的连杆机构以及连杆各杆件尺寸的确定就成了本课题的又一个难点。 2 ) 拟解决的办法： ( 1 ) 选用不同的凸轮和连杆机构进行组合，对比分析其是否能实现所要求的封口动 作，并从中选出一套最优的组合作为本课题设计的硬盒包装机封口机构总体方案，封口 机构主要部件方案确定后其余的各种匹配装置就比较好确定了。 ( 2 ) 阅读大量凸轮设计方面的书和论文等资料，在详细研究原有封口机构各凸轮轮 廓的基础上设计出现有方案中凸轮的轮廓和主要参数。 ( 3 ) 阅读大量连杆设计和凸轮连杆设计方面的资料，在充分掌握并理解典型类型的 5 陕西科技大学硕士学位论文 连杆机构的特点和运动规律的基础上设计出满足设计方案所要求的连杆机构。 1 6 研究方法及技术路线 研究方法：通过对原有的y b 4 3 型硬盒包装机铝箔烟包折叠封口机构的研究，清楚 掌握其封口动作，并在由一个凸轮控制四个封口动作的设计思想下确定出硬盒包装机封 口机构的总体方案，再利用机械设计的有关知识( 如凸轮的设计和连杆的设计等) 对封 口机构的主要部件( 如凸轮和连杆) 和各种匹配装置进行设计，然后再通过软件进行机 构的建模、运动仿真、受力分析和优化。 技术路线如图1 1 所示。 研究原有y b 4 3 型硬盒装 机铝箔烟包折叠封口机构 上 i设计思想 i( 由一个凸轮控制四个封口动作) 1 l 确定封口机构总体方案 上 设计各零部件及各种匹配装置 上 用p r o e 进行三维建模和运动仿真 1r 对机构进行动力学分析并优化 图1 - 1 技术路线图 f i g1 - 1t e c h n i c a lr o u t ec h a r t 硬盒包装机封口机构设计 1 7 预期结果以及创新点 本课题主要是在对y b 4 3 型硬盒包装机铝箔烟包折叠封口机构的研究基础上，通过 对包装封口机构创新和改进，从而设计出一种能够对多种型号的立体盒式产品进行封口 的机构。其创新点主要有以下两点： 1 ) 技术上以一个凸轮代替原来的四个凸轮控制封口的四个动作，从而实现了硬盒 包装机封口机构的模块化和结构的简单化。 2 ) 产品上实现了标准化、通用化、系列化的封口机构。 7 硬盒包装机封口机构设计 2 总体方案的设计 2 1 包装机械设计的一般过程 包装机械设计过程大致分为总体设计、技术设计和审核鉴定三个阶段【1 ，t o 】。 2 1 1 方案总体设计阶段 1 ) 方案的可行性分析 在设计之前要对所做的设计进行可行性分析，可行性分析包括以下问题： ( 1 ) 设计的东西要满足使用者要求，即要明确包装是哪些产品，包装的材料和方式， 生产现状以及对机械包装的其他的一些要求等。 ( 3 ) 通过明确使用者的要求，从而确定包装机的设计内容以及它所能要实现的功能 和应用范围，以及一些需要达到的参数指标等。 ( 3 ) 从所能达到的工作性能、经济效益和技术指标等方面出发，通过对比思考出一 种较为合理的设计方案。 然后，提出报告说明实施该项目的目的、可行性和实施计划。如果做出可行性分析 结果表明该项目不易设计，则应说明停止该项目的原因。 2 ) 方案的初步设计 思考出合理设计方案后将设计方案具体化，该阶段式是设计成败与否的关键。 根据设计机器要所要达到的功能要求，确定必要的功能参数，并按照动力部分、传 动部分及执行部分进行合理化的讨论，每一部分也许有几种设计方案可以选择，这样机 器的设计就多样化，但从技术上排除后，可行的方案应该只有一个或很少的几个，然后 对这几个方案从技术、经济等方面作出综合的评价，通过方案评价进行对比，最后确定 出一个供下一步设计用的最优的设计方案。 在初步设计阶段要有自己的创新的地方。可以根据一些同类产品设计成功的例子改 进自己设计中不合理的地方，一定要积极创新，不能保守和照搬原有设计，也不能只求 创新而忽略了原有的合理经验。 2 1 2 方案设计技术阶段 方案设计技术阶段包括设计所要设计的机构各组成部分，一些刚度或强度方面的校 核、画出所设计机构设计图样等【扎- ：】。 在总体设计阶段设计者要设计出机构的零部件装配草图和总装配草图。并且由零部 件的草图设计设计出它们的外形和基本尺寸，还有各部件之间的装配连接尺寸。 在技术设计的阶段中，可以利用一些合理的优化方法、有限元软件分析方法等，使 所设计机构的结构参数和强度以及一些变形量等达到所期望的合理结果。 完成零件草图设计后，可以根据草图设计出零件的基本尺寸，除了基本尺寸还有一 9 陕西科技大学硕士学位论文 些零件结构的细节要设计。在设计零件的工作图时，必须要充分考虑零件的尺寸、装配、 加工和校核等因素。通过这些步骤最终绘制出完全合理正确的零件工作图。 2 1 3 方案审核鉴定 方案的审核鉴定是对所设计的方案、零件工作图样、机构装配图等进行详细审核， 可以的话还要对所设计的样机进行审核鉴定。审查的重点应放在所设计的方案是否可行 合理，具体的设计步骤是不是正确，设计工作是不是完整，所设计机构还需不需要改进 等方面。 在各个设计阶段中都要明确设计的目的和主要内容，要考虑到它们相互之间的关联 和相互影响，设计工作需要多次修改才能逐渐的完善。应当注意，定型设计、改进设计 与创新设计在每个设计阶段的重点与难度不完全一样，因此在设计时，可根据实际需要 再划分若干个设计步骤，以使整个工作周密而又有秩序地进行，保证设计质量和进度。 2 2 总体方案设计的基本内容 2 2 1 明确所设计机构的功能与应用范围 所谓包装机的功能，是指包装机能完成什么样的包装，包装的是什么产品。包装机 应用范围，是指包装机能包装产品的类型，能在哪个行业进行运用。 通常情况下，为了简化所设计包装机的结构，增加包装产品的生产效率等，要尽可 能的减少所设计包装机的功能和应用范围。但是多功能的包装机械可省去单机之间的连 接及输送装置，减少动力机和传动变速器，有助于简化机械结构，降低成本，提高劳动 生产率。 多功能包装机主要用于包装品种稳定、批量大产品，或是将包装容器成型、填充、 封口与贴标等多工序联合的场合，这可省去容器的运输、存储、清洗并简化充填时的容 器整理供送等操作。 一般包装机的应用范围易广一些，但应根据用户的需要、技术可行性及经济合理性， 区别不同情况，因地制宜地加以确定。 对于批量大、品种规格稳定的产品( 如卷烟) ，应把提高生产率、包装自动化程度及 组成高效包装自动线放在首位，一般易采用专用包装机。对于批量不大而有特殊工艺要 求的产品( 如危险品) ，若设计成通用或多用包装机有一定的技术难度或经济上不合算时， 也可以考虑设计成专用包专机。 批量中等、品种规格需要调换的产品，一般宜采用多用包装机。实用中，通过调整 或更换有关部件来适应逐批生产的需要。 批量小、品种规格经常变化的产品，宜采用通用包装机，尽量扩大包装机的应用范 围，以利增加包装机制造批量和减少设备投资。 1 0 硬盒包装机封口机构设计 2 2 2 工艺分析 包装工艺是指所设计包装机完成预定包装动作的工序，而工艺分析是指对所设计包 装机工艺的研究和分析。合理的选择工艺方法，可以提高所设计包装机的质量和生产效 率、包装产品的好坏，机器的稳定性等。为了正确拟定包装机的工艺方案，必须深入掌 握各种加工工艺特点，研究他们的现状及发展方向，并且了解实现不同加工工艺的结构 原理。选择工艺方案是一个复杂的过程，要根据所包装产品质量的好坏、生产率高低、 成本大小等综合因素进行考虑。一般情况下必须同时拟定几个方案，进行分析比较，必 要时通过试验之后，最后确定一个原理先进、工作可靠、结构简单、成本低廉的方案。 着重考虑以下几个问题。 1 ) 包装方式 ( 1 ) 包装工序有可能有多种包装方式，在确定包装方式时，要全面考虑它对包装质 量、包装生产率和机器结构的影响。 ( 2 ) 要在保证包装质量的前提下选取适应被包装物品和包装材料的包装方式。 ( 3 ) 当有多种方式都能满足要求时，应选用容易实现的方案。 2 ) 机器类型 ( 1 ) 包装机械单工位与多工位 包装机械工艺分为单工位和多工位两种。选择工位的依据如下。 第一：根据包装机执行机构的多少选择。如果包装过程比较简单，所需执行机构比 较少，可参考选用单工位包装机。这可以省掉主传动系统，如缠包、灌装、加盖、贴标 等。如果包装过程比较复杂需要多执行机构时，宜选用多工位包装机。工位多，执行机 构分散开来容易布置。有些包装操作可在转位的过程中完成，可省去一些执行机构，如 裹包、成型一充填一封口便属于此种类型。 第二：根据生产率的高低选择。多工位包装机将各个包装操作分散在不同的工位上 同时进行，生产效率高，相对而言，单工位包装机的生产效率就较低。 ( 2 ) 包装机械间歇运动与连续运动 所包装的物品从一个包装工位移动到另外一个包装工位时做间歇步进运动则称这个 包装机械为间歇运动的。这种包装机构的运动形式简单，包装机构结构不复杂【1 3 】。当所 要包装的执行机构比较多时，选用这种形式使结构简单化。 包装机连续运动是指包装物品及包装机构做连续等速运动，当所要包装的执行构件 比较少时，可选用这种形式提高生产率。 ( 3 ) 包装机械单头与多头 在连续包装运动的过程中，多工位包装机所要完成同一包动作时所需要包装执行机 构的数目叫做多工位包装机中的“单头 、“多头 。多头包装机执行机构在工作过程中与 陕西科技大学硕士学位论文 物品作同步运动。因此，多头包装机一般能增加包装操作的时间，有利于生产率的提高， 它特别适用于充填、封口、贴标等所需执行机构种类和动作单一包装情况下。而单头包 装机多用于执行机构数目少，结构简单时。 单工位型、间歇运动型、单头连续运动型、多头连续运动型等四种包装机各有其特 点和适用场合，对于多工位包装机，一台机器并不只限于一种形式，根据需要可采用间 歇与连续运动的组合，或者单头与多头的组合。当多个包装操作中有一个包装操作的时 间特别长时，可采用多头型的执行机构，而其他的执行机构则采用单头型的。这样既可 提高生产率，+ 又可减少机构的数目。 3 ) 包装机包装程序、工艺路线和工位数 ( 1 ) 包装机包装程序 包装机包装程序是指包装机完成不同包装操作的先后顺序。包装程序取决与包装方 式，例如，等压灌装的程序是：升瓶一充气一灌液一排余液一降瓶。设计人员应该掌握 各种包装方式所需求的程序及每一包装操作所要求的工艺参数( 如工艺力、时间、温度、 速度等) 。 ( 2 ) 包装机包装工艺路线 包装机包装工艺路线是指被包装物品和包装材料在包装过程中的传送路线和输出路 线。 在确定工艺路线时，单工位包装机只需要确定被包装物品的供送路线、包装材料的 供送路线以及包装成品的输出路线。 多工位包装机的包装工艺路线有好多种形式，常见的有：圆弧形、阶梯型、直线型、 组合型等。 为了搞好包装机设计，必须分析对比各种工艺路线的特点，既要考虑它对机器生产 率、执行机构数目和运动要求的影响，还应考虑它对机器外形、操作条件以及组成包装 生产线等方面的影响。只有对各种不同方案加以认真仔细地分析，才有可能得到最佳方 案。 ( 3 ) 包装机工位数 包装机工位数是指在多工位包装机上从产品输入到产品输出之间所包含的物品数 目。连续运动多工位包装机的工位数目可以不是整数。 ( 4 ) 工艺路线图 工艺路线图有两种方式：一种是用轴测投影图表示，它比较直观，常见于使用说明 书；另一种是用投影图表示，为设计工作所需要。 4 ) 包装机运动要求和机构选型 包装机机构选型是根据所设计的包装机的功能、应用范围和工艺路线，运动要求等 1 2 硬盒包装机封口机构设计 选择机构。 在确定执行构件的运动形式和某些运动参数( 如行程) 后，接着要考虑用何种机构 来驱动执行构件，即机构的选型及其综合问题。一般是选用技术上比较成熟的机构。同 时，根据设计需求，应该进行创新，以更好地满足工作要求。 执行机构的基本运动形式与可选用机构形式的关系见表2 。1 ，执行机构的运动变换 形式与可选机构形式关系见表2 2 表2 - 1 执行机构的基本运动形式与可选机构的关系 t a b 2 - 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na c t u a t o r sb a s i cm o v e m e n tf o r ma n do p t i o n a lm e c h a n i s m s 陕西科技大学硕士学位论文 表2 - 2 执行机构的运动变换形式与可选机构形式的关系 t a b2 - 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na c t u a t o r sm o v e m e n tt r a n s f o r m a t i o n f o r ma n do p t i o n a lm e c h a n i s m sf o r m 2 2 3 总体布局 包装机的有关组、部件在整机中相对空间位置的合理配置，叫做总体布局。 总体布局的步骤是布置执行机构、传动系统和操作件、确定支撑形式和绘制总体布 局图。各步骤之间相互牵连，须将他们作为一个整体交叉进行，往往需经过多次反复才 能完成【l 】。 1 ) 布置执行机构 首先，根据包装工艺路线图将各个执行构件布置在预定的工作位置。然后，布置执 行机构的原动件、对于气液压传动，主要是安排汽缸和油缸的位置；对于机械传动，则 是安排凸轮、齿轮、曲柄等原动件的位置。对此必须注意以下两点。 ( 1 ) 为使执行机构简单紧凑，应尽量减少机构的构件数和运动副数，并尽量缩小其 几何尺寸和所占空间位置。原动件应尽可能接近执行构件。 ( 2 ) 为简化传动系统、便于调试与维修和减少传动件磨损对传动精度的影响，要求 原动件尽可能集中在一根或少数几根轴上。 硬盒包装机封口机构设计 实际上，执行构件往往是比较分散的，以致它们的原动件较难集中。这时，可将相 近的几个执行机构集中布置成为一个大部件。这样，一台包装机就相当于由若干个大部 件所构成。 2 ) 布置传动系统 布置机械传动系统，包括安排动力机、变速与调速装置、传动装置。操纵与控制装 置以及辅助装置等的位置。 布置气液压传动系统，包括安排动力机、液压马达、油泵、空气压缩机、油气管道 以及气液压控制箱等装置。 布置传动系统时必须注意一下几个问题。 ( 1 ) 选用的方案要应力求结构简单、传动链短、传动精度和效率较高，且容易配备。 ( 2 ) 充分利用机体和机架的内部空间，将动力机和传动件尽量布置在内部或侧面， 以利于缩小机器外形。 ( 3 ) 在布置传动件时应使各执行机构动作协调。 ( 4 ) 为便于调试，机械传动系统的手动调整装置，最好安置在操作者能观察到有关 执行机构工作情况的位置。 3 ) 布置操作件 为便于操作，应保证操作者与操作件之间有合适的相对位置，为此必须注意以下几 点。 ( 1 ) 常用操作件尽量布置在操作者的近旁，当机器的外形较大而必须在几个位置操 纵时，可采用联动等措施。 ( 2 ) 包装机工作台面的高度一般在7 0 0 - - 9 0 0 m m 的范围内选取。但对大而重的物 品的包装，上述高度应适当降低一些。 ( 3 ) 操作者应经常注意包装操作最集中和最易发生故障的部位。在决定物品走向时， 一般是使其自左向右运动或者是顺时针转动，当包装生产线有特殊要求时也可例外。 ( 4 ) 温度、压力、转速、计数等指示仪表，以及信号灯、报警器、安全阀、排液阀 和有关铭牌等，都应布置在操作者容易观察、安全可靠、便于维护的位置。 4 ) 选择支承形式 。 包装机的支承件有底座、箱体、立柱、横梁等。支承件的作用是使各有关零部件正 确定位并保持其相对工作位置。对支承件有以下几项要求。 ( 1 ) 足够的刚度，支承件在承受最大载荷时的变形不超过允许值。 ( 2 ) 足够的抗振性，使机器能稳定可靠地工作。 ( 3 ) 重量适中，力求节省材料，容易搬运。 ( 4 ) 便于零部件的装配调试、操作保养和机器的调运安装。 1 5 陕西科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 外形美观，给人以协调、匀称、稳定、安全的感觉。 5 ) 绘制总体布局图 总体布局图要求表示出包装机各部件的相对位置关系和所占空间大小。在总体布局 图上，应将总体布局的结果标示清楚，并标注出机器的主要外廓尺寸和各部件问的联系 尺寸。 2 2 4 编制工作循环图 在设计自动机械之前都要编制机构的工作循环图，它是设计所不可缺少的环节。工 作循环图也称为运动循环周期表，它表示在一个运动循环周期内各执行机构和构件在各 循环阶段所对应的位置和时间的协调关系。改图以某一主要执行机构的工作循环周期的 起点为基准，依次绘出各机构相对于该主要机构的运动顺序关系。包装机械的运动周期 可用分配轴的周转数来表示。对于无严格时间和位置协调要求的简单执行机构无需绘制 此图。 1 ) 拟定运动时间 绘制运动循环图的前提是先要根据完成包装操作所需求的工艺时间和许用的速度与 加速度等，拟定各执行构件的工作行程、回程和停留时间。工艺时间与许用速度、加速 度，不仅与包装工序类型。所用工艺方法、被包装物品和包装材料的特性、包装质量要 求等有关，而且还与执行机构类型、制造装配精度、操作条件等有关、它们对于确定运 动规律至关重要。因此，必须依靠理论知识、实践经验或经过模拟试验以取得可靠数据， 合理地确定运动规律。 2 ) 确定动作配合 按照包装程序要求，安排好各执行构件的动作配合关系。首先，必须保证各执行构 件被包装物品和包装材料在运转时互不发生时间和空间上的干涉。同时，又要尽量增加 各执行构件在工作时间上的重叠。因为重叠越多，运动循环周期就越短。为此，应算出 有关执行构件发生干涉的时刻，并考虑再干涉点附近留出适当的空间和时间的余量。这 样，既能防止发生干涉，又能最大限度地增加工作时间的重叠。 3 ) 编制机构工作循环图 编制工作循环图时要根据所设计机构的运动规律等进行绘制。在技术设计结束后， 尚要根据实际情况补充和修改原先拟定的工作循环图，从而得到该机的实际工作循环图。 例如，原方案中对有的执行机构只是规定了循环周期内部时间的运动规律，其余时间的 运动规律在技术设计完成后才能确切知道( 主要是连杆机构) ；又如有的执行机构，由于 选型不当或由于结构条件限制，使之所能实现的运动规律与原方案不相符合。倘若上述 差异太大而无法满足包装工艺要求时，应推翻重做。 机械运动循环图通常有圆周式、直线式和直角坐标式三中表示方法。其中一直角坐 1 6 硬盒包装机封口机构设计 标式工作循环图适用范围较广，对机械传动、气液压传动都可以，且便宜阅读和绘制。 在直角坐标式循环图中，若执行构件在某段时间内事运动的，可用斜直线表示；如 果是静止或连续匀速转动及振动的，则可用平直线来表示，为表达清楚起见，可以附加 简要的文字说明。由于在设计执行机构如凸轮机构、连杆机构时必须确切知道执行构件 的运动与分配轴转角的关系，因此在编制机械传动的包装机运动循环图时，通常都将这 种关系明确表示出来。但运动循环周期不一定都是包装一件产品的时间，对于单工位、 间歇运动多工位及单头连续运动多工位这三种包装机，它们的运动周期等于包装一件产 品的时间，而对于多头及多头与单头组合型的连续运动多工位包装机，如多头灌装机， 其运动周期等于灌装一件产品的时间与头数的乘积。 运动循环图表示了各执行构件的运动与停留的时间关系和顺序，但没有表示出相应 的运动速度，即斜直线并不表示做等速运动。绘制运动循环图是为了保证执行构件的动 作能够按工作要求取得密切的配合，并尽量缩短运动循环周期时间，以便顺利完成包装 并有较高的生产率。 2 2 5 拟定主要技术参数 包装机的主要参数，大体上包括以下几个方面。 1 ) 结构参数 结构参数反映包装机的机构特征和包装物件的尺寸范围。如包装机数量，包装工位 数，执行机构头数，主传动机构的回转直径或直线移距，工作台面的宽度与高度，物件 的输入高度，成品的输出高度等。 2 ) 运动参数 运动参数反映包装机的生产能力和执行机构的工作速度。如主轴转速、物件供送速 度、计量与充填速度等。 3 ) 动力参数 动力参数反映执行机构的工作载荷和包装机正常运转的能量消耗。如成型、封口等 执行机构的工作载荷，动力机的额定功率、额定转矩和调速范围，气液压传动的工作压 力和流量，以及为完成清洗、杀菌、热封等工序所需的