液体自动包装机的设计

12009 年机械原理课程设计液体自动包装机设计者：引言随着食品行业的快速发展,对食品的包装质量要求也越来越高。优质高效的包装设备不仅提升行业的自动化程度,还能提高生产效率,大幅度降低成本。包装机械在技术发展上将会朝着以下 4 个方向努力:结构设计标准化、模组化; 结构运动高精度化;控制智能化;机械功能多元化4-10。据中国机械工业联合会预计,从 2011年到 2015 年,食品与包装机械业总产值有望突破 6 000 亿元 ,每年平均增速约维持在 16%的水平。目前,食品包装机械竞争日趋激烈,未来应配合产业自动化趋势,促进包装设备总体水平提高,尤其针对中小型企业,发展多功能、高效率、低消耗的食品包装设备,具有非常重要的意义。1 主要组成部分及主要技术参数包装机的结构如图 1 所示。其主要参数:生产能力/袋min-1:2050 包装质量/g 袋-1:500 包装计量精度/%:-22 薄膜最佳材质:聚丙烯薄膜宽度/mm:260 供料压力/MPa:1 电源电压/V:380 整机功率/kW:0.75 外型尺寸/mm:6006001 2101.电动机 2.减速器 3.卷筒 4.牵引辊轮 5.翻领式袋成型器 6.供料箱 7.进料筒 8.纵封器 9.横封器10.包装材料 11.切断装2目 录第 1 章 总体方案设计 31.1 液体自动包装机的功能 31.2 设计数据与要求 31.3 方案的简介与选择比较 4第 2 章 执行机构设计 72.1 包装纸输送机构 72.2 纸袋成型机构 72.2.1 纸袋成型机构选择 72.2.2 纸袋成型机构设计 82.3 热定型式封口机构102.4.1 纵封器 102.4.2 横封器 102.4 切断机构 112.5 输送机构 122.5.1 输送机构的选择 122.5.2 输送机构的设计 122.6 执行机构的运动循环图 13第 3 章 传动机构设计 143.1 传动方案 143.2 原动机的选择 163.3 计算传动比 163.4 凸轮机构的设计 17第 4 章 液体自动包装机的三维造型与运动仿真 204.1 液体自动包装机的三维造型及运行过程简介204.2 液体自动包装机的运动仿真23总结 26 参考文献 263第 1 章 总体方案设计1.1 液体自动包装机的功能该全自动液体包装机，适用于袋装酱油、醋、牛奶、饮料等液体的自动包装。简要的工作过程如下：首先将包装纸卷成筒状并将一端的口封住形成口袋，然后将一定量的液体注入口袋内，最后封口和切断，并由输送机构输出。1.2 设计数据与要求一、生产数据:A.包装纸宽度 240 或 320mm B.包装速度 1500-2000 袋/时 C.灌装容量 100-500ml/袋 D.外形尺寸 750*750*1750mm二、选择设计尺寸1.包装纸宽度 2402. 包装速度 1800 袋/时3.灌装容量 300ml/袋4.外形尺寸 750*750*1750mm三、设计要求1. 自动液体包装机主要由以下6大部件组成：1） 包装纸输送机构：把圈在筒上的单层包装纸通过设计的绷紧机构以平张薄膜的形式输送到纸袋成型机构。2） 纸袋成型机构：把接收到的平张薄膜通过三角板和圆弧槽卷成圆筒状，利于竖封和灌料。3） 热定型式封口机构：利用特殊处理过滚轮的回转，对圆筒状包装纸进行枕式竖封，并在竖封同时利用摩擦牵引包装纸，使之向下运动，保证包装纸的持续成型；横封机构是回转机构，对以竖封的筒状包装纸周期性的封口。所以，结合成型机构，就实现了：卷状平张筒状竖封横封。4） 送料机构（课程设计任务不予要求）5） 切断机构：在热定型式封口机构持续运转的同时，切断机构通过凸轮回转推动推杆，使切刀周期性的接触，从而从中切断横封的封区。6） 输送机构：利用带式输送机持续传递已包装好的产品。2. 选择电机41.3 方案的简介与选择比较方案一：机构名称包装纸输送机构 纸袋成型机构热定型式封口机构切断机构输送机构组成 机构形式由 1 个固定在机架上的传动杆套牢卷筒薄膜，令三根传动杆作绷紧装置象鼻成型器1 对纵封辊，1 对横封辊凸轮机构，切刀带式输送机功能实现过程把圈在筒上的单层包装纸通过设计的绷紧机构以平张薄膜的形式输送到象鼻成型器，象鼻成型器把接收到的平张薄膜通过三角板和圆弧槽卷成圆筒状，利于竖封和灌料；纵封辊回转，对圆筒状包装纸进行枕式竖封，并在竖封同时利用摩擦牵引包装纸，使之向下运动，保证包装纸的持续成型；回转的横封辊，对已竖封的筒状包装纸周期性的封口，在热定型式封口机构持续运转的同时，凸轮回转推动推杆上连接的切刀，使两块切刀周期性的接触，从而从中切断横封的封区，产品制成并利用带式输送机持续传递出特点整体机构多利用齿轮、链轮，传力特性良好，运动精确性高，工作效率高，靠操作性强，安全可靠性高，加工容易，互换性良好而制造成本低廉机构简图如下：凸轮推杆传送带纵封器横封器马达5方案二：L 型封口器和横封器及切刀同时运动。具体构成见简图。机构名称 包装纸输送机构 纸袋成型机构热定型式封口机构切断机构输送机构组成 机构形式由 1 个固定在机架上的传动杆套牢卷筒薄膜象鼻成型器 L 型封口器，横封器 切刀带式输送机功能实现过程在此方案中采用间歇式运动，包装袋成型的方式是纸从上方向下运送，运动是由下方的辊轮牵引的。纸通过象鼻式成型器将其卷成圆筒状后继续向下运动。封口成 L 型，将纸筒的纵向开口和底面开口封合，封好后开始进行灌装。灌装好后的纸袋继续向下运动，下面横封器使上开口封合，并由下面的切刀切断。特点整体机构多利用齿轮、链轮，传力特性良好，靠操作性强，安全可靠性高，加工容易，封口和切断在一个运动中同时完成，操作简单，但对机构求较高。 此方案的运动简图如下：机械运动方案评价比较机械运动方案评价的方法有 3 种，分别是经验法、数学法和试验法，课程设计采用经验评价法，根据自己的经验对方案作粗略的定性评价。凸轮传输带横封器L 型封口器马达6方案一 方案二传动机构执行机构传动机构执行机构实现工艺动作的准确性良好 良好 一般 良好系统功能特定功能 良好 良好 良好 良好转速、行程可调性良好 一般 一般 一般运动性能运动精度 优 优 良好 良好承载能力 良好 良好 良好 良好增力特性 良好 良好 良好 良好传力特性 良好 良好 良好 良好动力性能震动噪声 小 小 一般 一般效率高低 较高 较高 较高 很好寿命长短 较长 较长 较长 较长可操作性 便捷 便捷 便捷 便捷安全性 好 好 好 好可靠性 好 好 好 好工作性能适用范围 广泛 广泛 有限制 广泛加工难易 易 易 易 易能耗大小 小 小 小 小经济性制造成本 低 低 低 低方案二的传动比计算：选用可调速电机，要求的转速是 30 转每分钟。牵引纸袋轮的半径 r 为 3 倍的袋长与 pi 的比值。牵引轮每转 1/4 圆周封口一次，所以凸轮与牵引轮出动比为 1：4。第 2 章 执行机构设计72.1 包装纸输送机构设计的液体自动包装机没有动力机构，原因有以下几点：1.包装纸是软的，如果输送不好会使包装纸堆积或者拉断2.输送包装纸不需要很大的动力。3.液体包装机构中的纵封可以在封装包装袋的同时将包装纸向下拉，这样就可以使输送机构中的包装纸按需求送纸，不会出现堆积或者是拉断的可能。输送机构如图所示：此机构共有三个传动杆，包装纸在传动杆 1 上，通过在传动杆2，传动杆 3 以及传动杆 4 上的绕节可使包装纸绷紧，这样可使包装纸稳定的输送下来，这样不会产生输送过量现象。具体的绕节方式如右图。2.2 纸袋成型机构2.2.1 纸袋成型机构的选择为什么选择象鼻成型器，而不是其他常见的三角板成型器、U 形板成型器、翻领成型器？下面是 4 种常见的成型器的比较成型器类型成型特点应用范围 适应性折叠成型时受力状况是否满足课程要求备注8三角板成型器可将平张薄膜折叠成型多种机型上应用，尤其当制袋规格较大变化时良好 差 是U 形板成型器可将平张薄膜折叠成型应用比较广较好 比三角板成型器好是象鼻成型器可将平张薄膜折叠成型只能适应一种带宽较好 弯折平缓，成型阻力小是 设计制造比翻领式简单翻领成型器可将平张薄膜折叠成型只能适应一种带宽较差 成型阻力较大，容易造成拉伸等塑性变形是 设计、制造和调试比其他成型器复杂结合成型器的特点（包括优缺）和课程设计要求，此方案选择象鼻成型器作为全自动液体包装机的纸袋成型机构。2.2.2 纸袋成型机构的设计1.三角板的设计象鼻成型器可以看作在 U 形板成型器的基础上，对结构作一些修改而形成的，成型器如下图。三角板的安装角 A=510,并以此算其顶角 2B，按所制空带的带宽 2a 确定三角板的顶高 d，找准连接位置 m,圆弧槽圆弧半径为 R=（0.10.3）a 。9图中个数值之间的关系如下表：已知 数值2a 240mmA 10未知 关系式 数值R 设 R=0.2a 24mmB sinA=tanB 9.851m m= R2 33.941mm2.圆弧槽的设计在 U 形成型器中，U 形槽的周长与带长相等，那么在我们设计的圆弧槽中，我们加入了椭圆，使得在竖封的时候更容易成形；同时我们留出20mm 的余量，利于封口，即：椭圆周长 L , 短轴长 d ,长轴长 c ，则 L=2 +4(c-d) ，且 d=R圆弧槽（包括椭圆部分）的周长 Y= + +2(c-d) , 且 Y=(2a-20)mm由以上 4 式得，c=58.602mm ,d=24mm 象鼻成型器的最终效果图如下:2.3 热定型式封口机构2.3.1 纵封器液体自动封装机的纵封器是完成制袋工艺中纵逢的缝合，此设计中同时起到输送包装材料的作用。由于整个制袋过程是连续运转的，所以纵封器是辊式的，工作时两个辊筒等速相向连续回转，叠合后的包装材料从两个辊筒之间通过时，安装在辊筒内的电热丝加热靠辐射传递热能，并并压合薄膜形成纵缝，该纵封器对包装材料具有施压，封合，牵引的作用。10在此设计中，纵封器的尺寸是通过搭配齿轮的方式调配的。纵封器的效果图如下：纵封器的基本尺寸：直径是 119mm ，厚度为 10mm ，封口处两轮的距离为1 毫米。2.3.1 横封器该横封器同纵封器一样，也是连续运动的，效果图如下：因为纸袋的宽度是 240mm ，所以该横封器的宽度是 120mm ，可满足需要。横封器转一周封一次，两个横封器的转速一致，是通过后面相互啮合的齿轮来实现的。2.4 切断机构切断机构是液体包装袋成型的最后一道工序，通过前两道工序热封后的液体11包装袋还成直条状，需要切断机构剪切为袋状。根据剪刀裁纸的原理，此液体全自动封装机的切断机构是采用“错刀式”剪切，此种切刀方式可以避免两刀口相互接触，延长切刀寿命，但是动刀是由凸轮带动的，需要数据设计精确，灵活性不高。具体如下图所示：推杆的由凸轮直接传动，为稳定切刀，使用压杆固定住推杆。推杆的另一端连接着切刀，上切刀和下切刀错开，这样就可通过切刀的来回运动将包装袋切断。凸轮设计为慢进快回的形式，凸轮推动推杆使切刀向前运动，同时上面的包装纸连续向下运动，当凸轮将推杆推到最大位移处时，两个切刀将包装袋切断，并快速返回，这样可以避免上面的包装袋在刀上堆积。切刀被凸轮推过去后由弹簧将其拉回，使整个过程中切刀能连续运转。切刀的运动过程是每 2 秒钟切一次。切刀的尺寸是宽 120mm ，厚度为 15mm ，2.5 输送机构2.5.1 输送机构的选择1. 分析输送机构的分类滑槽重力式输送装置重力滚道带式输送机输送机构动力式输送装置 链式及板链式输送机122. 分析输送机构特点，选择合适的输送装置输送机构 特点 缺点 是否符合设计要求重力式输送装置 依靠物件自身的重力或惯性力以克服滑槽或滑道的接触摩擦阻力而实现输送只能向下输送，且运动稳定性差否动力式输送装置 不仅可以向下输送，而且可以沿水平和向上输送，输送速度可调节需动力传动，有能耗和能量损失是3. 确定动力式输送装置后，选择合适输送机输送机 特点 是否符合设计要求带式输送机 结构简单，工作可靠，造价低廉，适应性强，可输送袋、盒、箱等产品是链式及板链式输送机 直接承载大型箱体之类的物件，不适宜输送袋装产品否其他类型输送机 利用物品本身的特性比如磁性而采用特种传输形式否4. 选定带式输送机构2.5.2 输送机构的设计设滚轮的半径为 r ，转动的角速度为 w ，带速为 v , 则 v=rw 已知 r=80mm ,w= , 得，v=0.2513m/s 。该输送机构的效果图如下：其他类型输送机13输送机构为顺时针转动，匀速的将包装好的产品输送到指定的容器。2.6 执行机构运动循环图送纸机构 连续运动纵封 连续运动 连续封口送料机构 停 进料 停 进料横封 0 度封口 360 度封口 720 度封口连续运动传送带 连续运动切刀 退刀 进刀 退刀 进刀0 45 90 180 360 405 450 540 720第 3 章 传动系统设计143.1 传动方案液体自动包装机不需要太大的动力，所以又一台电动机就可以满足传动需要。具体介绍如下：如图 1.1 中三相异步电动机的转速是 600r/min，通过皮带传送到蜗杆，蜗杆再传送到涡轮。图 2 继续图一的传动，当蜗杆传动到涡轮后，涡轮带动整个主干转动，带动齿轮转动，两啮合齿轮就一起旋转，链轮 2 和链轮 3 即转动。锥齿轮 1 和锥齿轮 2 啮合是锥齿轮 2 的转杆与主杆垂直，锥齿轮转动后就带动链轮 1 转动。图 3 中链轮 2 通过传动链到链轮4，链轮 4 通过传动杆传动到凸轮。链轮 3 通过传动链到链轮 5，链轮 5 通过传动杆传动到传送带，使传送带连续运转。图 1图 2图 3 图 315图 4 中的链轮 1 通过传动链带动了链轮 6，同时链轮 7 也一起转动。图 5 中链轮 7 通过传动链带动链轮 8，最终使两啮合齿轮转动。此齿轮会带动纵封转动。图 4图 5163.2 原动机的选择根据机构运动的需要，拟定使用三相异步电动机，选用的电动机是高效、节能、起动转矩高、噪声低、振动小，运行安全可靠的。三相异步电动机为 Y系列全封闭自扇冷式三相鼠笼型异步电动机。具体参数如下：类型 Y 系列转速（r/min） 600额定电压 （V） 380频率 （Hz） 50长度 （mm） 243宽度 （mm） 126高度 （mm） 140注：长度，宽度，和度不是具体参数，选电动机时可作为参考如果考虑转差率的话可选择转速为 900r/min 的三相电动机，相应的涡轮蜗杆的传动比为 1：30 。3.3 计算传动比电动机的转速是 600 转每分钟，即 nm=600 r/min电动机通过皮带传动到蜗杆，蜗杆和涡轮的传动比是 1：20 ，所以蜗杆的转速 n 蜗杆 =600 r/min ，涡轮的转速是 n 涡轮 =30 r/min 。与涡轮同轴的齿轮是 z=30 ，m=6 的标准直齿轮，与其标准啮合的齿轮一起转动，与直齿轮同轴的两个横封器的转速也为 30 r/min 。转速与涡轮一样。锥齿轮 1 和锥齿轮 2 标准啮合，传动比为 1：1 ，所以锥齿轮 1 的转速和涡轮的转速一至。链轮 2 和链轮 3 的转速都为 30 r/min 。链轮 2 和链轮 4 的传动比是 1：1 ，链轮 4 带动了凸轮，所以凸轮的转速和横封器的转速一致。链轮 3带动链轮 5，即带动传送带转动，传动比为 1：1 。如图 4 和图 5，链轮 1 和链轮 6，链轮 7 和链轮 8 的传动比分别为 1：1 ，和 2：1 。所以链轮 8 的转速 n8=15 r/min 。链轮 8 转动会带动 z=20 ， m=6的标准啮合的直齿轮转动，即带动了纵封的转动，所以纵封的转速 n 纵封 =15 r/min ，纵封的直径是 119mm，角速度为 /2 。17将上述列成表如下：名称 转速（r/min） 半径（mm） 备注原动机 600皮带轮 600 40蜗杆 600涡轮 30齿轮 30 Z=30 m=6锥齿轮 2 30 Z=20 m=6锥齿轮 1 30 Z=20 m=6链轮 1 30 Z=15链轮 2 30 Z=15链轮 3 30 Z=15链轮 4 30 Z=15链轮 5 30 Z=15链轮 6 30 Z=15链轮 7 30 Z=15链轮 8 15 Z=30凸轮 30横封器 30纵封器 15 R=59.5传送带 30 R=40齿轮 20 15 Z=20 m=63.4 凸轮设计凸轮机构通常由凸轮、推杆、机架三个基本构件组成。其特点是凸轮具有曲线工作表面，利用不同的凸轮轮廓曲线可使推杆实现各种预定规律，并且简单紧凑。根据装置要求，为避免包装袋在切刀处积压而影响热封及剪切，需要凸轮有急回特性。故采用对心直动滚子推杆盘形凸轮机构，这种推杆由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，所以磨损比较小，可以用来传递比较大的动力。且凸轮运动规律为等速运动规律，利于与装置其他部件协调。为不产生过大冲击，凸轮的运动采用正弦运动曲线。一、 基圆半径的选择由机械原理 （第七版）可知，基圆半径 r 应符合： 2+( -tan -)2其中18为位移曲线的斜率e 为偏距s 为推程根据网上资料显示，推程时，对心移动从动件，许用压力角 的值一般为 =30，推程的压力角 =30，形封时回程的压力角 =30。 而正弦凸轮 ds/d 最大值为 6.28hw/。由于是对心运动，e=0，根据具体装置，h 选取为 70mm。根据以上数据算的凸轮的基圆半径为 ，取 r 为 50mm。 43.56二、凸轮轮廓线的设计已知数据：r=50mm ，推程 h=70mm 时，0 23推程为正弦运动规律时，2 2回程也为正弦运动规律则凸轮的运动规律为:推杆位移规律= 0-sin(20)2 ()0 23=1- -23 0 +sin(2 -3 2 0 )2 （ 2 2）理论廓线方程式： =(+)=(+)三、凸轮三维建模：1. 利用设计数据以及所推导出来的公式，利用第三方软件 Microsoft office excel，作出 SolidWorks2007 三维建模所需要的凸轮理论廓线的 XY 坐标点。192. 导入 SolidWorks ，等距滚子半径后得出凸轮的三维模型第 4 章 液体自动包装机的三维造型与运动仿真4.1 液体自动包装机的三维造型20通过选材,方案比较和制造零件,将各个零件装配起来,使之能完成设计要求的功能。液体自动包装机的三维造型如下：这是正面图，运行过程如下：马达启动后，纵封器旋转，牵引着包装纸输送机构向下送纸，包装纸通过纸袋成型器可连续成型，通过纵封器将包装袋纵向封口。包装袋继续向下运动，到达横封器后进行横向封口，封好后开始灌装液体。此时包装袋已将封好，当其运动到切断装置的切刀处时，切刀将其切断，包装袋掉落到传送带上并由传送带将其运到指定的容器内。如此，整个机器连续运转，每两秒生产一袋，所以横封器每两秒封口一次，切刀每两秒切断一次。而纵封器连续运转，同时进行牵引包装纸和封口。整个机器连续运转，所以包装袋是连续生产出来。液体自动包装机的传动装置如下：21选择三相电动机作为原动机，其连接着皮带轮。当电动机启动后通过皮带将动力传递到蜗杆，使涡杆的转速和电动机的转速一致。蜗杆将动力传输到涡轮。22如上图，涡轮被涡杆传动后，带动了锥齿轮 1 转动，同时带动预期标准啮合的锥齿轮 2 转动，链轮1 通过链使链轮 2，链轮 3 转动。与此同时齿轮 1 和齿轮转动，带动了横封器转动，链轮 4 带动链轮 5 使凸轮转动。链轮 8 带动链轮 6 使传送带转动。23链轮 3 通过链条带动链轮 7 转，由此使相互啮合的出来 3 和齿轮 4 转动，并带动前面的纵封器连续转动。4.2 液体自动包装机的运动仿真运动仿真的运动图像请见光盘,在这里就只表示一下仿真后生成的图像。下图为涡杆的角速度，n 涡杆 =10r/s ，即 600r/min ，和电动机的转速一致。下图为竖封的角速度图像，其中转速为 0.25r/s ，即 15r/min，满足设计要求。下图为横封器角速度图像，转速为 30 r/min 。24下图为凸轮的角速度图像，可见运动情况和横封器一致25下图为切刀的质心速度图，周期为 2 秒，回程时间较短。下图为传送带的角速度图像，和横封器一致。通过以上图像可以看出，仿真的结果和理论计算的结果一致！26总结为期一个周的机械原理课程设计结束了，在这次实践的过程中领悟到了很多东西,不仅仅有我们专业知识上的，更有关于团