毕业设计（论文）-全自动马口铁圆罐封口机构结构设计

杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计摘要随着食品加工行业的不断发展和劳动力成本的不断增加，自动化马口铁圆罐封口机备受企业青睐，自动化和无人化食品封装也符合现代居民对于食品品质和卫生的高要求。本文主要对马口铁圆罐封口机进行设计与研究，重点对其卷边机构，传动机构和压紧机构进行设计与计算。首先通过阅读马口铁圆罐封口机及其他类似自动化产品的资料，了解自动封口设备的工作原理和国内外研究现状；然后根据产品功能需求，确定了马口铁圆罐的总体方案。最后对各机构进行设计与计算，并且根据计算结果利用CAD绘制出关键零部件的工程图，各机构功能相互配合，基本可以完成铁圆罐的封口工作。关键词：马口铁圆罐；封口机；卷边机构；传动机构；压紧机构AbstractWiththecontinuousdevelopmentofthefoodprocessingindustryandtheincreasingcostsoflabor,automatedtinplatecansealingmachinesarefavoredbyenterprises.Automationandunmannedfoodpackagingalsomeetthehighrequirementsofmodernresidentsforfoodqualityandhygiene.Thisarticlemainlyfocusesonthedesignandresearchofthetinplatecansealingmachine,withemphasisonthedesignandcalculationofitscurlingmechanism,transmissionmechanism,andpressingmechanism.First,byreadinginformationontinplatecansealingmachinesandothersimilarautomatedproducts,theworkingprinciplesofautomaticsealingequipmentandthecurrentstateofresearchathomeandabroadareunderstood;then,basedonproductfunctionalityrequirements,theoverallschemeforthetinplatecanisdetermined.Finally,thedesignandcalculationofeachmechanismareconducted,andbasedonthecalculationresults,engineeringdrawingsofkeycomponentsarecreatedusingCAD.Thefunctionsofvariousorganizationscooperatewitheachotherandcanbasicallycompletethesealingworkoftheironroundcan.Keywords:Tinplatecan;Sealingmachine;Curlingmechanism;Transmissionmechanism;Pressingmechanism.目录16014第一章绪论 .2基本结构与原理马口铁圆罐封口技术以机械嵌合与压力塑性变形为核心，通过预定位-双阶卷边的递进式工艺，实现罐体与罐盖的金属层间永久性密封[15]。马口铁圆罐封口机采用模块化四轴联动架构，由动力传动机构、卷边执行机构、精密压合机构和智能控制系统构成，各机构的分工如下表所示。表2.1各机构的分工主要构成功能卷边机构凸轮机构（或滚刀）+驱动装置+齿轮传动负责卷曲罐盖与罐体边缘；用于压实卷边并消除金属间隙。压紧机构驱动装置+压盖提供稳定的下压力，确保卷边过程中罐盖与罐体紧密贴合。运输机构输送带输送铁罐顶升机构伺服电机+滚珠丝杠顶升铁罐，配合压紧机构压紧铁盖本文主要对马口铁圆罐的机械结构进行设计与研究，因此主要对传动机构，卷边机构和压紧机构进行研究，各机构的核心装置是传动装置和驱动装置，下面对各机构的传动装置和驱动装置进行方案介绍。2.2.1卷边机构方案设计马口铁圆罐封口机卷边机构在圆罐封口过程中主要是传递动力的作用，因此在实际工作过程中难免会遇到多个方向的载荷作用，当载荷同时作用时会遇到多方向的交变载荷，因此在实际工作过程中需要提高马口铁圆罐封口机的强度，以保证马口铁圆罐封口机工作的可靠性[16~18]。一般在主要传动部件例如传动轴使用材料的常见材料库中，高强度钢与40CrMnB等最为常见，成型方式最为常见的有铸造和锻造，其中材料损耗少成本低廉的加工方式最受欢迎，另外相比铸造成型，锻造成型的零件材料密度以及强度更高一些。虽然铝合金具备质量轻、耐蚀性佳的特点，但其力学强度不足，比较难满足承重结构的强度要求。碳纤维虽然具备轻便且坚固的优势，但是其价格昂贵，制造工艺繁复，难以实现批量生产与应用，根据此，在融合评估强度、刚性、经济效益及加工复杂度等要素后，合金钢变成马口铁圆罐封口机支撑框架的最佳选项，该材料不只可适应设备在严苛工况下的运转需求，同时有利于减少制作费用，增强产品的市场竞争实力。在传动系统运行期间，主要使用链轮、齿轮、带轮及丝杠等机构来驱动机械设备完成旋转运动，远距离动力传递一般靠着带轮、链轮跟丝杠实现，而齿轮机构则多用于小型设备[20-21]。若需实现精密机械的旋转运动，则主要借助齿轮跟齿形同步带等传动装置来完成。在智能化的圆罐封口设备环境中，机械传动系统已变成不能缺少的构成要素，根据本次设计的马口铁圆罐封口装置整体跨度较小，故使用了齿轮传动机构，虽然带轮传动在该类机械设备中的应用越来越大量，几乎无处不在，但作为机械部件，其依旧存在使用寿命和应用场合的局限性，可能出现使用损伤。其中，带轮最常见的损坏形式是V带发生断裂或磨损等现象，在制造业蓬勃发展的背景下，带轮的应用极为大多，可是它也是极易受损的部件之一，其使用寿命与工作环境息息相关。驱动系统是保障马口铁圆罐封口设备平稳运行的重点要素，由于卷边机构在工作时承受较大负荷，需产生足够扭矩，故应选择性能匹配的驱动装置，继而增强设备回转动力，增强输出扭矩。三种驱动装置的对比如下表所示。表2.2驱动装置对比表优点缺点电动机高效节能，电能利用率高调速精准，响应快维护简单，寿命长防爆性差，易燃环境需防护

过载易停机，保护机制敏感

高温需散热气动马达防爆性能强，无电火花风险结构简单，成本低

抗冲击强，适合频繁启停噪音大，需消音

调速范围窄，低速抖动明显

能耗高，需持续供气液压马达低速大扭矩，重载能力强调速平滑，稳定性高功率密度大，体积紧凑液压油泄漏风险，污染环境

维护复杂，需定期换油

系统成本高，需泵站支持在伺服电机调速系统中，电信号起着核心作用，马口铁圆罐封口机作为精密设备，直流电机因其经济性、低能耗、结构简洁等优势，完全满足项目需求，从企业运营思路分析，电力驱动是最佳选择，相比之下，液压驱动需建立繁复的液压回路系统，对控制精度要求极高，不光程序开发难度大，能耗也较高，且无法实现直接驱动，不适用于本封口机设计。至于气压驱动，同样需要搭建气动回路及气站，致使维护费用、控制成本及总体造价均偏高，经上述研究，电动机驱动完全符合卷边装置的需求，所以该机构选用电机作为动力源。所设计的卷边机构如下图所示，伺服电机连接行星减速器驱动大齿轮转动，大齿轮与小齿轮啮合，通过传动轴将力矩传递到凸轮机构，凸轮机构驱动夹紧导杆夹紧铁罐，由二道封口机构和头道封口机构与铁罐接触，并且利用压紧机构完成卷边工作。1伺服电机；2行星减速器；3大齿轮；4小齿轮；5传动轴；6凸轮机构；7夹紧导杆；8二道封口滚轮；9头道封口滚轮 图2-2卷边机构示意图2.2.2压紧机构方案设计如图2-3所示，铁罐封口机的压紧机构主要通过电机配合减速器驱动压盘下压，同时驱动铁罐转动，配合卷边机构完成卷边工作，使铁罐密封。1驱动电机；2安装板；3压盘；4支撑装置；5压盘储存筒图2-3压紧机构示意图2.2.3输送机构方案设计如图2-4所示，输送机构主要由传送带组成，主要包括上料传送带和下料传送带以及过度传送带，上料传送带和下料传送带独立设计，放置于封口机的两端，过度传送带设计安装在转动盘上，用于将未完成封口的铁罐传送到合适的位置，以及将封口完成的铁罐推送到下料传送带上。1铁罐；2上圆盘；3下圆盘；4顶升机构；5上料输送带；6过渡输送带；7下料输送带图2-4输送机构2.2.4顶升机构方案设计顶升机构主要由气缸和导杆等组成，通过滚珠丝杠将伺服电机的转动转化为上下直线运动，用于配合压紧机构压紧铁罐盖。1顶板；2固定座；3气缸图2-5顶升机构

第三章卷边机构设计主轴的零部件主要包括主轴电机、封口滚轮、凸轮、齿轮组和驱动电机等，本章主要对主轴运动的相关零部件进行选型和计算。3.1封口滚轮设计3.1.1封口过程分析封口是封罐机密封的关键的工序。封口质量与密封质量直接相关。要获得理想的封口，首先需要设计理想的封口曲线。设备运转时，传动系统将罐身跟罐盖输送至工作平台，同时电机驱动压盘旋转，此时首道封口轮将罐身与罐盖叠合并折压成预定形态。完成首轮操作后，在凸轮机构的控制下，次道封口轮沿径向向心推进，使卷边与罐体更加周密贴合，最终形成牢固的钩状边缘结构。图3-1显示了封口的形成。左图显示了第一道卷封的起点和终点。右图显示了第二道卷封的起点和终点。图3-1封口示意图在封口操作时，卷曲滚轮与罐顶相互运动，滚轮绕罐体转动并向中心径向推进，转速是决定生产效能的核心参数，每次滚轮转动，其径向进给量S可用以下公式计算：S=(a1-a2)/nZ(mm/r)（3-1）式中：a1——卷封轮启动瞬间其中心点与罐体中心点之间的间距（mm）；a2——卷封轮密封作业时，其中心跟罐体中心间距（mm）；n——当卷封轮径向推进a1-a2时，主轴上卷封轮的转数（r）；Z——同时做同一作业卷封轮个数。n宜取最小值，一般首个密封nmin≥2，次个密封nmin≥4，n可令卷曲平滑，然n过大，尤其n＞4时，密封效果增强有限，却制约生产能力。卷封轮是完成卷封作业的关键设备，其凭借施加压力使罐身跟罐盖周密接合，为保证卷封过程中罐体与罐盖可以顺利弯曲变形，卷封轮的结构设计需保证封合过程逐步推进，同时将形变阻力降至最低，图3-2展示了卷封轮径向进给的运动途径。图3-2卷封轮径向进给运动轨迹图示展示了卷封装置在封口作业中的径向进给过程，对于不同规格的罐体来说，封口过程中的整体径向进给量应保持不变，这一过程一般由首道、次道甚至第三道卷封装置协同完成，应当注意到，当罐体顶部处于初始压合阶段时，卷封装置的径向位移不计入总进给量。依据卷封形变程度与质量保障要求，首道卷封装置的进给量一般占总量的70-80%，次道则占20-30%，为保证封口品质跟生产能力，同时获得理想的密封效果，S值不宜选取过大。根据卷封工艺的差异，第一卷封轮跟第二卷封轮的工作曲线存在明显区别，第一卷封轮需将罐体与上下凸缘相互卷曲并重叠，使凸缘边缘卷至罐体根部，其径向进给位移较大，工作槽道狭窄且深度大，结构较为冗杂，是形成封口的关键部件。第二卷封轮则对成品实行持续滚压，形成双压接缝，其工作曲线表现宽而浅的凹槽特征。3.1.2封口内外规格要求(1)封口顶部要圆滑，无向内突起的起筋和碎裂。(2)卷曲底部平整，无齿痕、铁舌、弯折、破损及接缝松动等问题。(3)要求罐身钩和罐顶钩平服，无波浪形，上空隙和下空隙尽量小，(4)封口内部桶身钩和桶顶底钩重叠率要超过45%以上。3.1.3封口滚轮结构图根据以上数据及分析，绘制滚轮零件图如图3-3和图3-4图3-3二道封口滚轮图3-4头道封口滚轮3.2凸轮设计3.2.1凸轮设计与计算一设计要求1、推杆类型：对心直动滚子推杆2、工作条件：高速轻载3、对导杆的运动要求为：当凸轮旋转0~30°，导杆向罐体中心偏移8mm(装卸)当凸轮旋转30°~77°，导杆向中心偏移3.5mm(进给)当凸轮旋转77°~190°，导杆保持当凸轮旋转190°230°，导杆远离罐体中心偏移11.04mm当凸轮旋转230°~360°，导杆保持不变二确定凸轮基本尺寸首先确定凸轮基圆半径r0为50mm，滚子半径rr为10mm，根据高速轻载的工况要求，应选择amax和jmax值较小的运动规律，以保证推杆运行平稳且精度可靠，参照表3-1，推程阶段可使用正弦加速度运动规律，回程阶段则适用五次多项式运动规律。表3-1运动规律参数的最大值运动规律最大速度Vmax(hω/σ0)×最大加速度amax(hω2/σ20)×最大跃度jmax(hω3/σ30)×适用场合等速运动1.00∞低速轻载等加速运动2.004.00∞中速轻载余弦加速度1.574.93∞中低速重载正弦加速度2.006.2839.5中高速轻载五次多项式1.885.7760.0高速中载三理论廓线对于对心直动滚子推杆盘型凸轮机构，凸轮的理论廓线的坐标公式（3-2）其中e=0，s0=r0，求得式中，位移s应分段计算:一推程阶段δ01=30°=π/6二推程阶段δ02=77°=77π/180远休止阶段δ03=190°=19π/18回程阶段δ04=30°=π/65）近休止阶段δ05=33°=11π/606）推程段的压力角和回程角设定5°为计算步长，将相关参数代入公式3-1，求得理论轮廓线上各点的坐标数据，计算过程中需注意：第一推程取δ=δ1，第二推程取δ=δ01+δ2，远休止取δ=δ01+δ02+δ3；回程取δ=δ01+δ02+δ03+δ4，近休止取δ=δ01+δ02+δ03+δ04+δ5。详细数值详见表4-2四工作廓线凸轮工作方程式（3-3）式中“-”号用于内等距曲线，“+”号用于外等距曲线。由公式3-2得其中：一推程阶段δ1=[0，π/6]二推程阶段δ2=[0，77π/180]远休止阶段δ3=[0，19π/18]回程阶段δ4=[0，π/6]近休止阶段δ5=[0，11π/60]计算结果可得凸轮工作廓线各点的坐标可见表3-2表3-2凸轮理论和工作廓线坐标值δxyx’y’0°0.0050.000.0040.005°4.3049.153.6038.4610°8.6549.037.2637.6415°13.2949.5811.2237.51…………340°-17.1046.98-14.3639.72345°-12.9448.30-10.8740.37350°-8.6849.24-7.2940.63355°-4.3649.81-3.6640.51360°0.0050.000.0040.00在推程阶段，压力角峰值达到18.37°，此时凸轮旋转思路为45°；回程时压力角最大值为25.03°，对应凸轮转角为210°，根据凸轮压力角远低于允许值，若需要，可适度缩小基圆半径，凸轮外形曲线详见图3-5。图3-5凸轮理论曲线和工作曲线3.2.2凸轮零件结构图为增进结构紧凑性并缩小体积，将进给双凸轮与轴套整合为整体结构，如图3-6所示图3-6三维结构示意图上下两部分凸轮的分割设计，可有效防止滚子在槽内运动时，其连接的导向杆发生相互干扰现象。3.3传动机构3.3.1驱动电机选型传动机构采用驱动电机＋齿轮，驱动电机的转速要求不高，假设铁圆罐封口的压紧力F约为200N，所设计的齿轮直径D小于100mm，则电机的额定转矩：（3-4）则根据额定转矩选择电动机型号Y90L-4，它的转速1400r/min，额定功率1.5kw，额定功率为10Nm。3.3.2齿轮布局通过上述分析，对于所设计的封口机传动方式已经确定。假设每天工作时间为16个小时。所设计齿轮机构主要用于传动，因此整体运行功率较小，通过对整个封口机的结构布局、传动布局进行分析，保证所设计齿轮传动结构的稳定性，因此还需要对齿轮传动的关键参数进行详细的计算校核，前面已知本次所设计封口机传动方式、驱动装置的组成及结构。接下来需要根据上述传动装置，对封口机的整体布局进行合理布局，在布局过程中需要注意将各级装置的安装位置尽可能的低，选取设计参考资料推荐的相对布置方式以及布局位置，各级传动装置几何结构参数尽可能均匀分布，避免出现头重脚轻的情况出现。图3-7为封罐机传动简图，电机与大齿轮直接相连，小齿轮与大齿轮啮合，小齿轮固定在中间轴上，带动中间轴旋转，用中间轴上的齿轮将转矩传递到凸轮机构。已知电动机型号Y90L-4，转速1400r/min，额定功率1.5kw，齿轮传动比为2.0，封罐机大小齿轮在同一轴心，不同轴上，大齿轮带动凸轮旋转，假设转速需要960rad/min，小齿轮带动凸轮旋转，转速需要480rad/min。1电机2行星减速器3大齿轮4小齿轮5轴6凸轮机构图3-7封罐机传动简图3.3.3齿数的选定原则1）为确保均匀磨合，z1和z2间应避免存在公约数。2）为保证齿轮啮合效果优良并增加抗弯性能，主从动齿轮齿数之和需大于等于40。3）z1通常不小于9，以确保啮合平稳、噪音低且疲劳强度高。4）主传动比i0较大时，z1应适当取小。5）z1和z2需根据主传动比进行合理搭配。3.3.4按齿面接触强度计算设计计算公式：（3-5）试选载荷系数Kt=1.3；2）依据电机功率P1=1.5kw及转速n1=480，计算小齿轮的传动扭矩：查表选取齿轮系数。查表得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa。查图按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。由公式（3-6）由公式3-4计算应力循环次数：查图得取接触疲劳寿命系数KHN1=0.9；KHN2=0.95计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，由公式（3-7）可以算得：试计算小齿轮分度圆直径d1t，带入较小的值。计算圆周速度v计算载荷系数根据v=0.47m/s，7级精度，查得动载系数Kv=1.05；直齿轮，；查表得使用系数KA=1；查表用插值法算得7级精度、小齿轮相对支撑非对称布置使，由，查图得故载荷系数按实际的载荷系数校正所算的分度圆直径，由公式（3-8）可以算得：计算模数m3.3.5按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式：（3-9）一确定公式内的各计算数值1）查图得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲强度极限；2）查图取弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85，KFN2=0.88；3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，有公式3-5可得：计算载荷系数K查取齿形系数查表得YFa1=2.80；YFA2=2.22。查取应力校正系数。查表得YSa1=1.55；YSa2=1.73。计算大小齿轮的并加以说明。大齿轮的数值大二设计计算凭借对比分析，依据齿面接触疲劳强度求得的模数m值高于齿根弯曲疲劳强度计算所得，根据齿轮模数m主要受弯曲疲劳强度决定的承载能力影响，而齿面接触疲劳强度仅跟齿轮直径相关，所以可选用接触强度计算得到的模数3.97mm，并取整为标准值m=4mm。根据接触强度计算的分度圆直径d1为67.5mm，进而可确定小齿轮的齿数。根据4.1.3的齿轮选定原则，避免大小齿数出现公约数，最终选取大小齿轮齿数分别为35和17。3.3.6中心距计算根据大小齿轮的分度圆直径计算中心距，公式如下。d3.3.7齿面宽的计算齿轮齿面过宽并非增强齿轮强度和寿命的好措施，齿面过宽还会挤占装配空间。然而，齿面过窄则会削弱轮齿表面的耐磨性和强度。硬齿面齿轮（如渗碳淬火齿轮）的齿宽系数一般范围为0.2~0.3，以避免齿宽过大导致边缘应力集中，选取齿宽系数0.2，则从动齿面宽b2一般为：b式中d2为从动齿轮节圆直径，前面计算结果为136mm，代入后得到b2=27.2㎜，取整为30mm。通常做法是让小齿轮齿面宽度略大于大齿轮，即小齿轮齿面在两端均超出大齿轮一些，一般以小齿轮齿面加宽10%为宜，在此取b1=33mm。3.3.8齿顶高和齿根高计算齿顶高根据以下公式进行计算： （3-10）齿根高根据以下公式进行计算： （3-11）是齿顶高系数，这里取0.85，x是变位系数，用于调整齿轮的尺寸和啮合性能，变位系数的取值范围一般在0.1至0.3之间，这里取0.1进行计算。是顶隙系数，用于确定齿顶与齿根之间的间隙，以储存润滑油和避免齿轮啮合时的干涉，取0.188。m是模数，取4。带入数据后计算得到ha为5.5mm，为4.5mm。本次所设计封口机传动机构的齿轮选用40Cr并经调质及表面淬火，大带轮选用45钢调质。最终大小齿轮的参数如下表所示。表4.1齿轮参数汇总参数类别数据齿数z1=17，z2=35节圆直径d1=68mm，d2=140mm中心距d=101.8mm模数m=4mm齿面宽b1=30mm，b2=33mm齿顶高和齿根高ha=5.5mm，=4.5mm中心螺旋角β=35°压力角α=20°

第四章其他机构设计4.1压紧机构所设计的压紧机构主要由压盘和驱动电机组成。对于驱动电机的选型尤其重要，需要精确的控制压紧力才能在保证马口铁圆罐压紧的同时不会损坏产生变形。图4-1压紧机构示意图4.2.1压紧机构电机选型前面介绍过小齿轮的转速为96rad/min，压紧机构的压紧力约为50N，力矩在1Nm内，考虑到对于力矩大小的精准烤制，故选择电机型号为5IK40GU-AT5GU_RT。该电机属于微型感应减速电机系列，其核心参数与应用特性如下：额定功率：40W（适用于轻载精密传动场景）。额定电压：单相220VAC（兼容标准工业电源）。空载转速：约1350-1400rad/min。可实现90-1350RPM无级调速，满足卷边速度动态匹配需求。防护等级：通常为IP44（防尘防溅水，适应一般工业环境）。4.2.2压盘设计压盘的主要作用是压紧马口铁圆罐的盖子，其最主要的尺寸是直径，取直径等于马口铁圆罐直径120mm。为了增加压盖的强度，将压盖设计为凸台结构，其模型和图纸如下。图4-2压盖图纸4.2输送机构输送机构主要包括上料传送带，过度传送带和下料传送带。如图4-3所示，上料和下料传送带均采用普通的工业传送带，宽度略大于铁罐的直径，从而使得铁罐只能单排通过，与压盖机构等形成配合。过度传送带安装在圆盘上，用于将未完成封口的铁罐传送到合适的位置，以及将封口完成的铁罐推送到下料传送带上。三种传送带的最大带速v带要求为5m/s，负载要求不高，电机与辊筒之间采用联轴器连接即可，选用辊筒直径dg为50mm，则电机最大转速可以通过下式进行计算。n=故可以选择西门子的1LE0001-0EA42-3FA4电机，额定功率0.75kW，额定转速1400转/min。图4-3输送机构

4.3顶升机构顶升机构采用气缸顶升铁罐，工作时铁罐运动到气缸正上方，气缸运动顶升铁罐与压紧机构配合完成卷边工作，铁罐质量较轻，因此对气缸推力不做要求，只需要根据尺寸选用气缸的型号即可，顶升机构的模型如图4-4所示。图4-4顶升机构4.4整体模型将以上模型装配到同一装配体，得到所设计的铁罐封口机的整体结构如下图所示。图4-5整体结构

总结本文对马口铁圆罐封口机进行结构设计，主要对多功能封口机工作时所需要的驱动装置、完成各个动作时所需要的传动机构、转盘及其它辅助支撑机构等进行了详细的结构设计以及分析计算。首先通过分析自身任务需求，首先制定了多功能封口装置的设计原理方案，随后着重对卷边机构的传动系统、结构布局及相关技术参数实行了精确计算跟验证，最终完成了各功能模块的设计，成功研制出满足技术要求的封口装置。并根据所计算的参数，利用CAD绘制了根据零部件的工程图纸，保证了所设计方案的可行性。主要结果如下：马口铁圆罐封口机的主要机构是卷边机构，其传动机构主要依靠齿轮传动，根据弯曲强度和接触强度分别计算出合适的分度圆直径和模数，经过计算确定传动机构的大小齿轮齿数分别为17和35，模数均为4mm。本次设计主要选择电机控制，对于压紧机构需要精确的力矩控制，因此选择了微型感应减速电机，可以实现无级变速，振动和噪音较小，有利于压紧工作的稳定性。

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