旋盖机的总体结构设计.doc

第1章 绪论润滑油小包装生产线及旋盖机结构设计第1章 绪论1.1、润滑油小包装生产线概况目前，我国包装行业的企业所有制构成有了很明显的变化，民间投资不断活跃并成了这个领域的一个亮点。在包装行业，小包装生产由于其方便化、体积小、包装容易等优点已经逐渐成为包装行业的主流。因此，对小包装生产线的研究，满足了当前社会需要，并成为一个有意义的课题。而润滑油小包装生产线现况与行业的现况差不多，在运用许多高新技术后，小包装生产线在高速PLC的运算和控制下，大大地提高了生产效率，降低了成本，深受国内许多中小厂家喜爱。本润滑油小包装生产线由两台灌装机（46灌/分钟）、两台旋盖机、一台热封要、一台喷码机、一台包装机（56灌/分钟）、码垛机一台及其配套设备组成。具有由空瓶灌装到装箱成品自动输出一系列功能。其有PLC程控、机械按钮操作、光电自动定位等特点，使整体的操作更加简单、完善，是企业提高生产效率、减少操作人员、降低劳动强度、提高包装档次的首选设备。1.2、本次论文的设计任务、设计思想及设计特点1.2.1、设计任务本论文的设计任务是对生产线上的旋盖机进行设计机械和控制系统设计，要求其结构科学，工作稳定且可以满足润滑油小包装生产线实际生产的需要。1.2.2、设计思想半自动直线式旋盖机设计涉及到机械、电气以及自动控制等各方面的知识，需要机械、电子、自动控制的各方面的综合知识进行设计。设计符合实际生产需求，各方面还符合国家标准。本文的设计思想包括以下几个方面内容：1、旋盖机总体结构设计进行旋盖机结构总体方案设计，分析旋盖机功能组成部分，进行最优化选择设计，让其实现。2、旋盖机控制系统设计观察旋盖机的工作流程，分析其工作原理并绘制控制系统图（电路原理图）。对旋盖机控制系统的硬件的选型，并编制控制系统程序，绘制其控制系统接线图，梯形图等。1.2.3、设计特点本设计的定位是设计一台半自动旋盖机，在设计过程中我们重点要解决旋盖机机械及控制系统设计问题。同时，我们必须要能实现旋盖机对产品的自动定位、旋盖、自动输出产品等几个主要功能。为此，本人通过对旋盖机工作过程及工作原理的认识，设计一款可以针对不同的产品可根据其自身特点进行调节使用的旋盖机。该机结合了现代PLC自动控制技术，机电气一体化，具有结构简单、效率高、经济性好、可靠性好等特点。1.3、旋盖机现况及所设计的旋盖机在整个生产线中的作用1.3.1、旋盖机的现况目前国内罐装生产线中广泛使用的旋盖机大多为直线式旋盖机，采用瓶颈挂盖，经定位、预封后使盖平稳坐落在瓶口上，最后由皮带对盖顶部搓压摩擦而将盖旋紧。该机构紧凑，旋盖机的机构简单。但在实践中，对小直径盖由于搓压皮带对盖的摩擦力矩减小，要高速将盖旋紧就较困难。由于直线式是单通道旋盖方案，其生产能力受到限制，一般最高生产能力为150200瓶/min左右。近几年来随着食品饮料工业向大规模高效率方向发展，国际上先进的罐装生产线的生产能力一般都达到300500瓶/min，并将洗瓶、罐装和旋盖组合成整机。这不仅使设备更加紧凑，减少生产线占地面积，又减小了洗瓶、灌装和旋盖工序之间的输送距离，对防止产品的二次污染有很大意义。由于原有的直线式旋盖机和回转式灌装机很难组合成整机，新颖的多头回转式旋盖机就应运而生。这种旋盖机可以和灌装机一样通过增加头数来增加产量。采用抓盖、旋盖方式的旋盖头不仅适用各种旋开盖的封口，稍加改动后还能用于其他各种金属、塑料螺纹盖的封口。回转式旋盖机应用前景良好，可在各种食品饮料生产线和制药工业的生产线中广泛应用。然而，在我国应用的罐头旋盖机还存在很多的不足。首先是自动化程度低，经旋盖机旋盖后仍需进行人工旋盖才能达到加工要求；其次是效率低下，不能满足我国罐头生产现状；还有就是旋盖质量低，返工率高等问题。这些问题，是由于旋盖机自动化集成程度低、控制精度不高所造成的。本文所设计的是半自动直线式旋盖机，是在传统的半自动直线旋盖机的基础上改良设计的。虽然还存在以一所提到的一些问题，不过设备的稳定性跟旋盖质量有了很大的提高，结构简单、性价比高、经济效益好。1.3.2、所设计的旋盖机在整个生产线中的作用旋盖机是自动灌装生产线的主要设备之一，用于玻璃瓶或PET瓶的螺纹盖封口。随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对产品的包装质量的要求也越来越高。由于螺纹盖具有封口快捷，开启方便及开启后瓶又可重新封好等优点，使其在许多产品的包装中应用越来越广泛，诸如饮料、酒类、调味料、化妆品及药品等瓶包装的封口就大量采用螺纹盖封口。所以在整个生产线中，旋盖机的作用是至关重要的。本旋盖机具有恒扭矩旋盖头，压力可方便调整。结构紧凑、合理，能方便与罐装设备组成生产线。机器优点:直线式设计，组成流水线方便美观。采用强电磁左旋盖扭力器，彻底解决了传统机械摩擦片在旋盖时紧时松的弊病。它可以把灌装好的润滑油瓶通过传送带运输，快速旋盖封口传送到下一道工序。节省了工作时间和产品成本，大大提高了生产效率。1.4、小结本章介绍了润滑油小包装生产线概况，本次的设计任务、设计思想和设计特点，以及所设计的旋盖机在整个生产线中的作用。确定了本文的设计方向和主要任务。第2章 重要参数的确定与论证2.1、重要参数的确定主要技术参数：旋头数为两个；适用盖（直径）：2550mm；适用盖（高度）：35mm；生产效率：50灌分钟电源：380V 50Hz电动机功率：0.55kw外形尺寸：7005001243 mm2.2、重要参数的论证2.2.1、产品设计要求：1、一机多用：利用同一台设备旋不同高度、不同直径的瓶盖，提高设备的利用率；2、使用安全，维修方便：在整体设计中考虑机器的安装、调整和开机以及设备的维修、保养和维护，使零部件更换方便，尽量做到通用化、标准化；3、降低成本：为了提高产品质量，要求设备精度和自动化程度高，但设备的售价也相应提高，因此设计时，要结合生产工艺要求，对相关因素进行综合考虑。4、旋紧机要合适：过紧则用户不易开瓶，影响顾客使用；过松则不利于密封，造成泄漏影响产品质量。2.2.2、参数的论证1、旋盖头数的论证第2章 重要参数的确定与论证目前国内所生产使用的旋盖机生产效率普遍低下，一般都是通过增加旋盖头数来提高生产效率。旋盖头数越多，在相同时间内加工的产品就越多，但是所需要的设备成本、资源的损耗也会越高。所以并不是说旋盖头数越多越好，这还要根据你自己工厂的生产规模、生产批数选择适合自己的机型头数。本次设计的旋盖机是针对润滑油小包装生产线所设计的，工厂的生产规模不大，自动水平也不高且对生产效率的要求一般。所以从经济效益方面来说不需要生产效率太高的旋盖机，只有能满足本工厂日常生产需求即可。综合各方面考虑，本次设计的旋盖机只需2个旋盖头即可。2、适用盖（高度、直径）的论证考虑到我们设计的这一台旋盖机主要是用来旋润滑油瓶盖，而且经实际测量得到瓶盖直径的范围一般在3045mm之间，而瓶盖高度则在2030mm范围内。为了考虑经济问题与实际生产条件的需要，没必要设计那么大的适用瓶盖直径、高度。因为设计过大的适用瓶盖直径或过高的适用瓶盖高度，一来是用不上，二来也会造成很大的浪费，与工厂的利益不符。所以设计时，一般只要比实际需要多出一点点则可，所以采用适用瓶盖直径2550mm，瓶盖高度为35mm。3、生产效率的论证因为本润滑油小包装生产线由两台灌装机（46灌/分钟）、两台旋盖机组成，所以旋盖机的生产效率大于或等于灌装机的生产效率即可，即大于或等于46灌/分钟。而本设计的旋盖机是双旋盖型的，效率达到50灌/分钟，可以很好的衔接灌装工序，满足了生产线的需要。4、电源及电动机功率的论证而因为旋盖头数少，所需要的的力矩不大，而且生产线的生产效率也不是很高，所以在选用电动机功率方面不必要太高的电机功率，选用一般型号的无刷直流电机则可。而本设计采用的电机功率为0.55kw。使用一般的工业设备用电380V 50Hz电源，方便设备的安装使用。2.3、小结本章在有产品设计要求的大前提下，确定了本设计的重要参数，并对其进行了论证。为之后的工作作出了有力的依据，使以后的设计更为准确、方便。第3章 构件材料的选择及论证3.1、旋盖机的组成本设计的旋盖机主要由：电机、气缸、电源控制按钮、传动系统、机座等五部分组成。3.2、旋盖电机3.2.1、旋盖电机选型：旋盖机的驱动电机可以选用步进电机，交直流电机，永磁同步电机以及其他一些特种电机。下面对这几种电机的性能特点进行比较，从而决定旋盖电机选用的种类。步进电机是离散运动的装置，具有结构简单、维护方便、起动灵敏、停车准确等性能。在负载能力的范围内，步进电机的这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化，误差不长期积累，可作为一种天然的数字控制的元件。存在着固有的低频共振和高频失步的主要缺点，前者在步进电机运行过程中是不可逾越的，是产生振动、噪声甚至失步的主要因素，特别是当传动比选择不合适，使常用的进给速度区正好处在步进电机共振频率附近时，将引起共振，使步进电机失步，甚至不能运行。直流伺服电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。但直流电机机械电刷和换向器这间是强迫接触，造成它结构复杂、可靠性差，变化的接触电阻、火花、噪声、难维护等一系列问题影响了其调速精度和性能，从而影响了直流伺服电动机的应用范围。交流伺服电动机结构简单、电机运行平稳、噪声小，但调速难、机械特性差、且控制特性是非线性的。并且由于转子电阻大，损耗大，效率也低，因此比同容量直流伺服电机体积大、重量重。无刷直流电动机的损耗小、容量大、可靠性高、干扰小、寿命长，还可使机械结构设计得体积更小、重量更轻，起动转矩大、转动惯量小，因而动态特性好，同时还具有同步进电机一样的锁相功能。另外无刷直流伺服电机有非常优秀的线性机械特性，宽的调速范围、简单的控制电路等优点。在需要精确定位，高速动作的场合和工业系统，目第3章 构件材料的选择及论证前大多采用无刷直流电动机伺服控制系统。这种高性能电机的采用不公提高了生产效率、降低能耗，而且大大改善了产品质量和提高了产品的价值。旋盖机的启动转矩比较大，控制精度高，并且由于旋盖电机转动角度不大同时需要很好地对电机电流进行精确控制，它需要的反应速度以及良好的低速运行特性。因此，在设计旋盖机系统时，选用无刷直流电机进行旋盖电机。具体的电机型号为Y801-4,额定功率为0.55KW，满载转速为1390r/min,额定转矩为2.2Nm，质量为17KG。3.2.2、无刷直流电机的运行原理本节介绍无刷直流电动机的运行原理，先对无刷直流电机的机械结构和电气结构进行分析，分析其换相原理以及各种进行电机位置检测的方式，并针对无刷直流电机三相星形绕组半控桥电路分析其工作原理，提出了各种无刷直流电机的调速方式。在无刷直流电机数学模型建立上，对其进行简化，提炼出无刷直流电机系统方框图以及传递函数，并根据该模型进行系统误差分析。在无刷直流电机的机械结构和数学模型两方面，进行了深入研究和介绍。3.2.3、无刷直流电机的结构无刷直流电动机的基本结构如图3.1所示，它主要是由永磁电机本体、位置传感器和电子换相器组成，下面就无刷直流电机这几个组成部分进行介绍。永磁无刷直流电机的电机本体由定子和转子两部分组成。定子绕组一般分为三相且多采用整距集中式绕组；转子则由永磁钢按一定的极对数组成，转子磁钢的形状呈弧形，磁极下定转子气隙磁通密度呈梯形分布。无刷直流电动机的转子结构不仅有传统的内转子结构，又有近年来出现的盘式结构、外转子结构以及线性结构等新型形式。同时，伴有着新型永磁材料钦铁姗的实用化，电机转子结构越来越多样化，使无刷直流电机正朝着高力矩、高精度、微型化和耐环境等多用途方向发展。电子换相器是由功率开关和位置信号处理电路构成，主要用来控制定子各绕组通电的顺序和时间。无刷直流电动机本质上是自控同步电动机，电机转子跟随定子旋转磁场运动，因此，应按一定的顺序给定子各相绕组轮流通电，使之产生旋转的定子磁场。无刷直流电动机的三相绕组中通过的电流是120度电角度（三相桥式中常见的一种功率开关通电方式，任何时刻只有两相绕组通电）的方波，绕组在持续通过恒定电流的时间内产生的定子磁场在空间是静止不动的。而在开关换相期间，随着电流从一相转移到另一相，定子磁场随之跳跃了一个电角度。而转子磁势则随着转子连续旋转。这两个磁势的瞬时速度不同，但是平均速度相等，因此能保持“同步”。无刷直流电动机由于采用了自控式逆变器即电子换相器，电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电机的优点之一。位置传感器在无刷直流电动机中起着检测转子磁极位置的作用，将转子磁极的位置信号转换成电信号，经位置信号处理电路处理后控制定子绕组换相，为功率开关电路电路提供正确的换相信息。由于功率开关的导通顺序与转子雷劈角同步，因而位置传感器与功率开关一起，起着与传统有刷直流电机的机械换向器和电刷相类似的作用。位置传感器的种类比较多，可分为直接式和间接式，直接式位置传感器，由于其检测精度和可靠性高而被广泛采用。典型的直接式位置传感器有下列几种：1.接近开关式位置传感器利用磁性旋转圆盘的远近来改变固定部分的电感，并利用振荡条件的变化来建立通断信号。这种方式结构简单，输出电平高，适用于大中开支电动机。2.磁敏式位置传感器常见的磁敏式传感器有霍尔元件、霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。其主要工作原理是电流的磁效应，这包括霍尔效应和磁阴效应。它的转子是永磁结构，其极数与同步电动机的一样，而定子用霍尔元件等磁敏元件来感受转子磁极位置，发出相应信号。这种方法信号较弱，且精度易受温度影响，但体积较小，多用于中小型电动机。3.电磁式位置传感器它是由跟随着电动机转子转动的带缺甲的导磁圆盘和固定不动的三只差动变压器组成。转动圆盘体现转子位置信号，差动变压器作为检测元件检测转子位置信号并向逆变器的控制电路输出控制信号。这种方法结构简单、检测可靠。4.光电式位置传感器它是由发光二极管和光敏晶体管等光电元件组成的电路，利用有槽口的旋转圆盘的位置进行通断变化。这种方法检测分辨率高，适用于高速运转的电动机。间接式位置传感器是利用电枢绕组的感应电动势间接检测转子位置。但是这种方法只能在有感应电动势的情况下有效。因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”，其原理框图如图3.2所示。3.2.4、无刷直流电机的基本工作原理为了更加清晰地阐述无刷直流电机的工作原理和特点，以图3.2所示的三相星形绕组半控桥电路原理图为例进行简要说明。图中采用光电器件作为位置传感器，以3个功率晶体管V1、V2、V3构成功率逻辑单元。光电器件的VP1、VP2、VP3安装位置各相差120度，均匀分布在电机的一端。借助于安装在电机轴上的旋转遮光板（也称为截光器）的作用，使得从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。假定此时光电器件VP1被照射，从而使功率管V1呈导通状态，电流注入绕组,假设该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按照顺时针方向转动。当转子磁极转过120度以后，直接装在转子轴上的旋转遮光板也跟着同时旋转，并遮住VP1而使VP2受光照射，从而使功率管V1截止，功率管V2导通，电流从绕组流出而流入绕组，使得转子磁极继续按顺时针方向旋转，并带着遮光板同时沿顺时针方向旋转。当转子磁极再次转过120度以后，此时旋转遮光板VP2已经遮住而使VP3受光照身，从而使功率管V2截止，功率管V3导通，电流流入绕组，于是驱动转子磁极继续沿顺时针方向旋转，转过120度以后，重新开始下次360度的旋转。上述过程可以看成是按一定顺序换相通电的过程，或者说是磁场旋转的过程。在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式运动的。这种旋转磁场在一周内有三种形态，每种磁状态持续120度。它们跟踪转子，并与转子的磁场相互作用，能够产生推动转子持续转动的转矩。3.3、气缸3.3.1、气缸的工作原理、分类及安装形式1.气缸的典型结构和工作原理图3.3 普通双作用气缸 1、3缓冲柱塞 2活塞 4缸筒 5导向套 6防尘圈7前端盖 8气口 9传感器 10活塞杆 11耐磨环 12密封圈 13后端盖 14缓冲节流阀以气动系统中最常使用的单活塞杆双作用气缸为例来说明，气缸典型结构如图3.3所示。它由缸筒、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖及密封件等组成。双作用气缸内部被活塞分成两个腔。有活塞杆腔称为有杆腔，无活塞杆腔称为无杆腔。当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力克服阻力负载推动活塞运动，使活塞杆伸出；当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回。若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。2.气缸的分类气缸的种类很多，一般按气缸的结构特征、功能、驱动方式或安装方法等进行分类。分类的方法也不同。按结构特征，气缸主要分为活塞式气缸和膜片式气缸两种。按运动形式分为直线运动气缸和摆动气缸两类。3.气缸的安装形式气缸的安装形式可分为1）固定式气缸 气缸安装在机体上固定不动，有脚座式和法兰式。2）轴销式气缸 缸体围绕固定轴可作一定角度的摆动，有U形钩式和耳轴式。3）回转式气缸 缸体固定在机床主轴上，可随机床主轴作高速旋转运动。这种气缸常用于机床上气动卡盘中，以实现工件的自动装卡。4）嵌入式气缸 气缸缸筒直接制作在夹具体内。3.3.2、气缸的技术参数1）气缸的输出力 气缸理论输出力的设计计算与液压缸类似，可参见液压缸的设计计算。如双作用单活塞杆气缸推力计算如下：理论推力（活塞杆伸出）Ft1A1p （13-1）理论拉力（活塞杆缩回）Ft2A2p （13-2）式中 Ft1、Ft2气缸理论输出力（N）；A1、A2无杆腔、有杆腔活塞面积（m2）；P气缸工作压力（Pa）。实际中，由于活塞等运动部件的惯性力以及密封等部分的摩擦力，活塞杆的实际输出力小于理论推力，称这个推力为气缸的实际输出力。气缸的效率 h 是气缸的实际推力和理论推力的比值，即 （13-3）所以 （13-4）气缸的效率取决于密封的种类，气缸内表面和活塞杆加工的状态及润滑状态。此外，气缸的运动速度、排气腔压力、外载荷状况及管道状态等都会对效率产生一定的影响。2）负载率 从对气缸运行特性的研究可知，要精确确定气缸的实际输出力是困难的。于是在研究气缸性能和确定气缸的出力时，常用到负载率的概念。气缸的负载率定义为 （l35）气缸的实际负载是由实际工况所决定的，若确定了气缸负载率q，则由定义就能确定气缸的理论输出力，从而可以计算气缸的缸径。对于阻性负载，如气缸用作气动夹具，负载不产生惯性力，一般选取负载率为0.8；对于惯性负载，如气缸用来推送工件，负载将产生惯性力，负载率的取值如下 0.65 当气缸低速运动，v 100 mm/s时； 0.5 当气缸中速运动，v100500 mm/s时； 0.35 当气缸高速运动，v 500 mm/s时。3）气缸耗气量 气缸的耗气量是活塞每分钟移动的容积，称这个容积为压缩空气耗气量，一般情况下，气缸的耗气量是指自由空气耗气量。4）气缸的特性 气缸的特性分为静态特性和动态特性。气缸的静态特性是指与缸的输出力及耗气量密切相关的最低工作压力、最高工作压力、摩擦阻力等参数。气缸的动态特性是指在气缸运动过程中气缸两腔内空气压力，温度，活塞速度、位移等参数随时间的变化情况。它能真实地反映气缸的工作性能。3.3.3、气缸的选型及计算：1、气缸的选型步骤：气缸的选型应根据工作要求和条件，正确选择气缸的类型。下面以单活塞杆双作用缸为例介绍气缸的选型步骤。（1）气缸缸径。根据气缸负载力的大小来确定气缸的输出力，由此计算出气缸的缸径。（2）气缸的行程。气缸的行程与使用的场合和机构的行程有关，但一般不选用满行程。（3）气缸的强度和稳定性计算（4）气缸的安装形式。气缸的安装形式根据安装位置和使用目的等因素决定。一般情况下，采用固定式气缸。在需要随工作机构连续回转时（如车床、磨床等），应选用回转气缸。在活塞杆除直线运动外，还需作圆弧摆动时，则选用轴销式气缸。有特殊要求时，应选用相应的特种气缸。（5）气缸的缓冲装置。根据活塞的速度决定是否应采用缓冲装置。（6）磁性开关。当气动系统采用电气控制方式时，可选用带磁性开关的气缸。（7）其它要求。如气缸工作在有灰尘等恶劣环境下，需在活塞杆伸出端安装防尘罩。要求无污染时需选用无给油或无油润滑气缸。2、气缸直径计算气缸直径的设计计算需根据其负载大小、运行速度和系统工作压力来决定。首先，根据气缸安装及驱动负载的实际工况，分析计算出气缸轴向实际负载F，再由气缸平均运行速度来选定气缸的负载率q，初步选定气缸工作压力（一般为0.4 MPa0.6 MPa），再由 Fq，计算出气缸理论出力Ft，最后计算出缸径及杆径，并按标准圆整得到实际所需的缸径和杆径本设计共用到四个气缸，两个定位气缸，两个升降气缸。综合以上几点，最终选择的定位气缸型号为c95k，升降气缸型号为cp95s3.4、电源控制按钮：电源控制按钮选用LA158系列控制按钮开关，该控制开关具有复位按钮、自锁按钮、带灯按钮、蘑菇钮、旋钮、钥匙钮、急停钮，触点有自洁功能，触头材质银镍合金,在低电压场合也能接触可靠，而且防护等级高达IP65，配置硅胶防护照具备出色的防水防尘性能。安装方便,牢固,外形美观，品种齐全，可以为工业自动化、机床,医疗器械、电力、机械、通讯、运输、冶金、化工等行业客户提供最佳的解决方案和高品质、高性能、高可靠性的控制元件。主要参数如表3-1所示：表3-1品牌ANIUEC型号LA158-2BW35B1最高电压380（V）额定发热电流10（A）用途广泛用于电控系统中头部保护等级IP20产品认证CCC,CE,UL3.5、传动系统本设计采用的传动系统为以橡胶为原材料制作的三角带传动，带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，在近代机械传动中应用十分广泛。摩擦型带传动能过载打滑、运转噪声低，但传动比不准确（滑动率在2%以下）；同步带传动可保证传动同步，但对载荷变动的吸收能力稍差，高速运转有噪声。带传动除用以传递动力外，有时也用来输送物料、进行零件的整列等。3.5.1、带传动种类及其选择基本分类根据用途不同，有一般工业用传动带、汽车用传动带、农业机械用传动带和家用电器用传动带。摩擦型传动带根据其截面形状的不同又分平带、V带和特殊带（多楔带、圆带）等。传动带的种类通常是根据工作机的种类、用途、使用环境和各种带的特性等综合选定。若有多种传动带满足传动需要时，则可根据传动结构的紧凑性、生产成本和运转费用，以及市场的供应等因素，综合选定最优方案。 平型带传动平型带传动工作时带套在平滑的轮面上，借带与轮面间的摩擦进行传动。传动型式有开口传动、交叉传动和半交叉传动等，分别适应主动轴与从动轴不同相对位置和不同旋转方向的需要。平型带传动结构简单，但容易打滑，通常用于传动比为3左右的传动。平型带有胶带、编织带、强力锦纶带和高速环形带等。胶带是平型带中用得最多的一种。它强度较高，传递功率范围广。编织带挠性好，但易松弛。强力锦纶带强度高，且不易松弛。平型带的截面尺寸都有标准规格，可选取任意长度，用胶合、缝合或金属接头联接成环形。高速环形带薄而软、挠性好、耐磨性好，且能制成无端环形，传动平稳，专用于高速传动。 三角带传动三角带传动工作时带放在带轮上相应的型槽内，靠带与型槽两壁面的摩擦实现传动。三角带通常是数根并用，带轮上有相应数目的型槽。用三角带传动时,带与轮接触良好,打滑小,传动比相对稳定,运行平稳。三角带传动适用于中心距较短和较大传动比(7左右)的场合,在垂直和倾斜的传动中也能较好工作。此外，因三角带数根并用，其中一根破坏也不致发生事故。三角胶带是三角带中用得最多的一种，它是由强力层、伸张层、压缩层和包布层制成的无端环形胶带。强力层主要用来承受拉力，伸张层和压缩层在弯曲时起伸张和压缩作用，包布层的作用主要是增强带的强度。三角胶带的截面尺寸和长度都有标准规格。此外，尚有一种活络三角带,它的截面尺寸的标准与三角胶带相同,而长度规格不受限制，便于安装调紧，局部损坏可局部更换，但强度和平稳性等都不如三角胶带。三角带常多根并列使用，设计时可按传递的功率和小轮的转速确定带的型号、根数和带轮结构尺寸。 同步齿形带传动这是一种特殊的带传动。带的工作面做成齿形，带轮的轮缘表面也做成相应的齿形，带与带轮主要靠啮合进行传动。同步齿形带一般采用细钢丝绳作强力层，外面包覆聚氯脂或氯丁橡胶。强力层中线定为带的节线，带线周长为公称长度。带的基本参数是周节p和模数m 。周节p等于相邻两齿对应点间沿节线量得的尺寸，模数mp/。中国的同步齿形带采用模数制，其规格用模数带宽齿数表示。 与普通带传动相比，同步齿形带传动的特点是： 钢丝绳制成的强力层受载后变形极小，齿形带的周节基本不变,带与带轮间无相对滑动,传动比恒定、准确；齿形带薄且轻，可用于速度较高的场合，传动时线速度可达40米秒，传动比可达10，传动效率可达98； 结构紧凑，耐磨性好； 由于预拉力小，承载能力也较小；制造和安装精度要求甚高，要求有严格的中心距，故成本较高。同步齿形带传动主要用于要求传动比准确的场合，如计算机中的外部设备、电影放映机、录像机和纺织机械等。 3.5.2、带传动效率带传动的功率损失有： （1）滑动损失 摩擦型带传动工作时，由于带轮两边的拉力差及其相应的变形差形成弹性滑动，导致带与从动轮的速度损失。弹性滑动率通常在1%2%之间。严重滑动，特别是过载打滑，会使带的运动处于不稳定状态，效率急剧降低，磨损加剧，严重影响带的寿命。滑动损失随紧、松边拉力差的增大而增大，随带体弹性模量的增大而减小。 （2）内摩擦损失 带在运行中的反复伸缩，在带轮上的挠曲会使带体内部产生摩擦引起功率损失。 内摩擦损失随预紧力、带厚与带轮直径比的增加而增大。减小带的拉力变化，可减小其内摩擦损失。（3）带与带轮工作面的粘附性以及V带楔入、退出轮槽的侧面摩擦损失。 （4）空气阻力损失 高速运行时，运行风阻引起的功率损失。其损失与速度的平方成正比。因此设计高速带传动时，应减小带的表面积，尽量用厚而窄的带；带轮的轮辐表面应平滑（如用椭圆轮辐）或用辐板以减小风阻。 （5）轴承摩擦损失 轴承受带拉力的作用，是引起功率损失的重要因素之一。 综合上述损失，带传动的效率约在80%98%范围内，进行传动设计时，根据带的种类选取。 3.5.3、带传动特点（1）优点：传动平稳、结构简单、成本低、使用维护方便、 有良好的挠性和弹性、过载打滑。（2） 缺点：传动比不准确、带寿命低、轴上载荷较大、传动装置外部尺寸大、效率低。 因此，带传动常适用于大中心距、中小功率、带速v =525m/s，i7的情况。 3.5.4、使用和维护注意事项：（1）安装：减小中心距，松开张紧轮，装好后再调整。（2）V带注意型号、基准长度。（3）两带轮中心线平行，带轮断面垂直中心线，主、从动轮的槽轮在同一平面内，轴与轴端变形要小。（4）定期检查。不同带型、不同厂家生产、不同新旧程度 的V带不易同组使用。（5）保持清洁，避免遇酸、碱或油污使带老化。3.6、机座设计要素：3.6.1、机座材料机座材料应根据其结构、工艺、成本、生产批量和生产周期等要求正确选择，常用的有：铸铁铸铁容易铸成形状复杂的零件；价格较便宜；铸铁的内摩擦大，有良好的抗振性。其缺点是生产周期长，单件生产成本较高；铸件易产生废品，质量不易控制；铸件的加工余量大，机械加工费用大。 常用的灰口铸铁有两种：HT200适用于外形较简单，单位压力较大（p5公斤/厘米2）的导轨，或弯曲应力较大的（300公斤/厘米2）床身等；HT150的流动性较好，但机械性能稍差，适用于形状复杂而载荷不大的机座。若灰口铸铁不能满足耐磨性要求，应采用耐磨铸铁。钢用钢材焊接成机架。钢的弹性模量比铸铁大，焊接机架的壁厚较薄，其重量比同样刚度的机座约轻20%50%；在单件小批量生产情况下，生产周期较短，所需设备简单；焊接机架的缺点是钢的抗振性能较差，在结构上需采取防振措施；钳工工作量较大；成批生产时成本较高。本设计的机座采用的是45钢，45钢属于调质钢，经淬火加高温回火后，具有良好的综合力学性能，主要用于要求强度、塑性和韧性都较高的机械零件，如轴类零件。这类钢在机械制造中应用最广泛，其中以45钢最为突出。3.6.2、时效处理制造机座时，铸造（或焊接）、热处理及机加工等都会产生高温，因各部分冷却速度不同而收缩不均匀，使金属内部产生内应力。如果不进行时效处理，将因内应力的逐渐重新分布而变形，使机座丧失原有的精度。 时效处理就是在精加工之前，使机座充分变形，消除内应力，提高其尺寸的稳定性。常见的方法有自然时效、人工时效和振动时效等几种，其中以人工时效应用最广。3.6.3、结构设计一、典型结构1、方形截面机座：结构简单，制造方便，箱体内有较大的空间来安放其它部件；但刚度稍差，宜用于载荷较小的场合。所以机座应选择合适的壁厚、筋板和形状，以保证在重力、惯性力和外力的作用下，有足够的刚度。2、圆形截面机座：结构简单、紧凑，易于制造和造型设计，有较好的承载能力。 3、铸铁板装配式机座：铸铁板装配结构，适用于局部形状复杂的场合。它具有生产周期短、成本低以及简化木模形状和铸造工艺等优点。但刚度较整体箱体机座的差，且加工和装配工作量较大。图3.4 机座的典型结构图二、截面形状的选择为保证机座的刚度和强度，减轻重量和节约材料，必须根据设备的受力情况，选择经济合理的截面形状。机座虽受力较复杂，但不外是拉、压、弯、扭的作用。当受简单拉、压作用时，变形只和截面积有关，而与截面形状无关，设计时主要是选择合理的尺寸。如果受弯、扭作用时，变形与截面形状有关。 在其它条件相同情况下，抗扭惯性矩Ic越大，扭转变形越小，抗扭刚度越大。表3-2 截面形状与惯性矩的比较三、隔板与加强筋封闭空心截面的刚度较好，但为了铸造清砂及其内部零部件的装配和调整，必须在机座壁上开“窗口”，其结果使机座整体刚度大大降低。若单靠增加壁厚提高刚度，势必使机座笨重、浪费材料，故常用增加隔板和加强筋来提高刚度。 加强筋常见的有直形筋、斜向筋、十字筋和米字筋四种。直形筋的铸造工艺简单，但刚度最小；米字筋的刚度最大，但铸造工艺最复杂。加强筋和隔板的厚度，一般取壁厚的0.8倍。图3.5 隔板（左）与加强筋（右）四、连接刚度为提高结合表面的连接刚度，可采取如下措施： 1）根据受力大小和方向，合理选择紧固螺钉的直径、数量及其位置。必要时，可使螺钉产生预紧力，来提高连接刚度。 2）提高结合表面的光洁度和形状精度，使结合表面上的接触点增多，从而提高结合面的接触刚度。 3）增加局部刚度来提高连接刚度，在安装螺钉处加厚凸缘；或用壁龛式螺钉孔；或用加强筋等办法增加局部刚度，从而提高连接刚度。五、结构的工艺性机座属于箱体类零件，体积大，结构复杂，成本较高。设计时，应使其具有良好的结构工艺性，以便于制造和降低成本。3.7、小结本章介绍了旋盖机的组成部分，并对其组成部分进行分析选型。而且也对一些不用选型的部分进行了设计分析，如机座部分虽然不能选型，但是也为它的设计要素进行了详细的分析。第4章 旋盖机原理及结构设计第4章 旋盖机原理及结构设计4.1、旋盖机的选择：本设计选用半自动直线式旋盖机，其具有结构简单，工作稳定，经济效益好地优点。4.2、旋盖机原理：旋盖机原理如图4.1所示：在控制面板7上启动旋盖机后，首先定位气缸2(B)动作，伸出挡板可以把输送带1上的带盖瓶子拦住；当光电传感器3(A, B)都接通时，定位气缸2(A)动作，把后面的瓶子拦住；同时电机5开始旋转，通过皮带带动旋盖头4（A,B）转动，然后升降气缸6（A,B）伸展，旋盖头下降旋盖，旋好盖后电机停止转动，气缸6（A,B）自动收缩，定位气缸B收缩挡板，瓶子通过输送带送出，定位气缸A收缩挡板，等待人工启动，进入下一个工作过程。 1、输送带；2、定位气缸；3、光电传感器；4、旋盖头； 5、电机；6升降气缸；7控制面板；图4.1 旋盖机结构简图4.3、旋盖机的结构设计：旋盖机是饮料灌装过程中旋紧瓶盖的专用设备,工作时必须保证适宜的旋紧力矩。力矩过小，瓶盖旋不紧，力矩过大,易损坏瓶嘴和瓶盖。总体的设计如图4.1所示，因为本次设计是采用的是直线式旋盖机，总体的结构比较简单，而旋盖头则是旋盖机的关键部件，直接影响作业效率和封口质量，所以本次设计的重点就放在旋盖头的设计。为此，本人借鉴国内目前一款比较优秀旋盖头设计，DS03型旋盖机。该设备是利用磁力传动器传递扭力矩实现瓶盖旋紧的旋盖头,能根据需要方便地设定、调整旋紧力矩的大小,并能保护瓶嘴和旋盖头。工作时力矩由图4.1的电机5输出,通过皮带传动，传给主动磁力旋盘3,被动磁力旋盘6通过轴承与主动磁力旋盘3之间可相对转动，二者间轴向隔距可调，在二者相对的端面上均匀地镶嵌有16块小永磁体（见图4.2）。这些永磁体按极性相反相间分布。旋嘴1与被动磁力旋盘6相联结，用来卡紧瓶盖。因此主动磁力旋盘3与被动磁力旋盘6构成一磁力传动器，在磁力作用下，被动磁力旋盘和旋嘴获得力矩，将由旋嘴夹住的瓶盖旋紧。本旋盖头最显著的特点是能根据不同种类、尺寸的瓶盖方便地设定和调整旋紧力矩，即通过主动磁力旋盘3和传动轴4上的螺纹及定位螺钉，调整主动磁力旋盘3和被动磁力旋盘6之间的间隙，即调整了磁力传动器间的气隙长度，因而磁力传动器所能传递的极限扭力矩得到了调整。当瓶盖已旋紧，而主动磁力旋盘仍在回转，致使输入扭力矩超过磁力传动器所能传递的最大扭力矩时，主动磁力旋盘3与被动磁力旋盘6产生滑脱，前者可以继续回转，而后者则与瓶盖一起静止不转，而旋盖头给瓶盖施加的旋紧力矩即为磁力传动器所能传递的极限力矩，并不会因传动输入轴4和主动磁力旋盘3的继续回转而增加旋紧力矩，不会因此而损坏瓶嘴、瓶盖和旋盖头。设计图如下：1、旋嘴；2、护罩；3、主动磁力旋盘；4、扭力传动轴；5、永磁体；6、被动磁力旋盘；图4.2 旋盖机旋盖头结构图4.4、小结本章系统地介绍了旋盖机的原理及旋盖机的结构设计。对旋盖机进行选型，完成了旋盖机的机械基础的设计。第5章 强度计算第5章 强度计算5.1、旋盖机设计计算：旋盖机是润滑油灌装过程中旋紧瓶盖的专用设备，工作时必须保证适宜的旋转力矩。力矩过小，旋盖旋不紧；力矩过大，易损坏瓶嘴和瓶盖。所以关于旋盖机的设计计算，我把工作的重点放在了旋盖头的设计计算中去。旋盖头磁力耦合传动的设计这里的磁力耦合传动属平面轴向磁力耦合传动，其设计包括两方面的内容：磁路型式、磁性材料的选择，磁力耦合系统力学 性能的计算。磁路型式采用磁体极性呈偶数交错排列的拉推式组合型磁路，实践经验表明，磁极数按12至24的偶数布置时，传递的力矩较大。目前，高性能稀土永磁材料的 开发和应用得到了很大发展，如钕铁硼、钐钴等材料磁性能都非常高，较宜制作磁力耦合机械，能实现磁性材料用量少、磁力耦合机械体积小、重量轻、能传递力矩大等目的。当要求传递的力矩不大时，也可采用性能价格比较优的铁氧体永磁。平面轴向磁力耦合传动的传递力矩M可用下式描述： 式中，主动、被动磁力旋盘上全部永磁体的体积，永磁体平均轴向高度，m;主动磁力旋盘上永磁体轴向截面积之和， 气隙长度，即主动、被动磁力旋盘间的轴向隔距，m；r永磁体分布的平均半径，m；永磁体剩磁，T；、分别为主动、被动磁力旋盘间产生相对转动时的漏磁系数和磁阻系数；磁常数，其中，主动、被动磁力旋盘的相对转角rad。上式可作为设计此磁力耦合系统各参数的依据。显然，增大磁体体积Vm、磁体平均回转半径r，减小气隙长度Lg有利于提高传递力矩M。当Vm、r、Lm一定时，调节气隙Lg，即可改变传递的力矩M。因此，通过改变主动磁力旋盘和被动磁力旋盘间的隔距，即可调整最大旋紧力矩。式表明，当此磁力耦合系统的尺寸（即Vm、Am、Lm、Lg）一定时，传递力矩M是的函数，为此设m=Lm/Lg，并令，可解得 式中：对于小气隙磁路，忽略漏磁的影响（即令）不会对传递力矩的计算结果带来显著影响，但可使计算大为简化，故设计时在以上式中可令。这样，借助计算机按式解得与某一P值对应的cos值后代入式，即可求得极限传递力矩M。图4-2所示旋盖头之磁力传动器中，主动、被动磁力旋盘上分别均布有16块（极性交错排列）小磁体（进口铁氧体），Br0.43T，Lm=01005m，Lm=0.005m，气隙Lg(即主动、被动磁力旋盘间的隔距)实际使用时可在0.0020.004m间调整，则，将此P代入式可解得cos=0.65650.7165，再代入式可解得此磁力耦合传动器所能传递的最大力矩即瓶盖旋紧力矩M=0.81830.4375Nm。因此，调整主动、被动磁力旋盘的隔距Lg，即可调节瓶盖的旋紧程度。表5-1列出了此磁力旋盖头的隔距Lg取不同值时，所能施加的旋紧力矩（即最大传递力矩）的计算值。表5-1的结果可供使用此磁力旋盖头时参考。例如，用此磁力旋盖头处理某瓶盖，要求旋紧力矩为0.68Nm，则主动、被动磁、被动旋盘的隔距Lg需调节至0.0025m。一般情况下，设计磁力耦合传动器时可根据所要求传递的力矩，修改磁力传动器的尺寸，按上述方法计算所能什么的最大力矩，直到满足要求为止。为保证工作可靠，设计值（即计算值）应比要求值略大（可大5%10%）。表5-1 不同Lg时的cos与最大传递力矩M值Lg/m0.00200.00250.00300.00350.0040cos0.65650.67770.69370.70630.7165M/Nm计算值0.81830.68410.58190.50170.43755.2、小结本章节重点介绍了旋盖机设计计算，引入旋盖头磁力耦合传动的设计，使旋盖机的旋盖质量得到保证。也方便工作人员使用本机器时，根据其需要进行有效的参数设置。第6章 控制系统设计6.1、控制要求：1)实现从进瓶子到出瓶和旋盖整个过程自动化；2当按下复位开关后，所以构件回复初始状态，旋盖头返回预设原点；6.2、控制系统的选择控制系统是机器的核心组成部分之一，对生产效率和可靠性影响很大。该控制系统的核心部件选用了日本三菱FX2N系列的可编程控制器。6.2.1、为何采用PLC控制可编程序控制器PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。 6.2.2、控制继电器存在的缺点控制继电器存在的缺点如作条件下进行的,容易损坏.而且继电器的触点容易产生电弧,甚至会熔在一起产生误操作,引绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工起严重的后果.再者,对一个具体使用的装有上百个继电器的设备,其控制箱将是庞大而笨重的.在全负荷运载的情况下,大的继电器将产生大量的热及噪声,同时也消耗了大量的电能.并且继电器控制系统必须是手工接线、安装,如果有简单的改动,也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试.今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域.第6章 控制系统设计他们比以往的产品具有更高的可靠性.但是,这也是随之带来的一些问题.6.2.3、固体继电器的缺点（1）导通后的管压降大，可控哇或双向控哇的正向降压，可达12V，大功率晶体管的饱和压降也在12之间，一般功率场效应管的导通电阻也较机械触点的接触电阻大。（2）半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。（3）由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固体继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，其输出功率与环境和外壳温度有关。（4）电子元、器件的温度特性和电子路线的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。（5）通常固体继电器设计成单刀单掷形式，这样比较容易实现，多组和多组转换结构需要用几个相互连接和适当连锁的固体继电器，这些固体继电器基本上是积木式堆叠在一起，形成一个占地较大空间的复杂装置。大功率固体继电器，由于需用散热片，就进一步增加了所有空间和成本。（6）通常用于功率控制的固体继电器是针对负载或设计成交流输出或设计成直流输出，而不设计成既和用于交流负载，又可用于支流负载。6.2.4、可编程序控制器的优势、特点及功能可编程控制器以