磁力式擰瓶機的設計及工程分析

磁力式擰瓶機的設計及工程分析,磁力,式擰瓶機,設計,工程,分析 摘 要 國內(nèi)外已經(jīng)有了相當成熟的封口機的技術，形成了成熟的生產(chǎn)線，各種有特定功能的封口機、擰瓶機在生產(chǎn)生活中隨處可見，技術經(jīng)過不斷創(chuàng)新和改良，形式得到多樣化發(fā)展。 擰瓶機是在灌裝中旋緊瓶蓋的專用設備,工作時必須保證適宜的旋緊力矩。力過小,則 瓶蓋旋不緊；力若過大，則易損壞瓶嘴和瓶蓋。為此，我們在吸收國內(nèi)外先進設備的基礎上研制了一種利用電磁力傳遞扭力矩實現(xiàn)瓶蓋旋緊的旋蓋頭, 它不僅能根據(jù)需要方便地設定、調(diào)整旋緊力的大小, 還能適用于不同高度的瓶子。 本文介紹了本課題的研究背景和意義，論述了擰瓶機在國內(nèi)外發(fā)展的狀況，介紹了本次設計設計的內(nèi)容及方法。本次設計的重點是擰瓶機的總體設計方案、封裝過程的旋蓋、輸送方式和定位的方法，在此基礎上進行了運動與結構設計。本次設計采用了回轉式的封裝方法，通過圓柱凸輪來實現(xiàn)旋蓋頭的上下升降運動。在滿足包裝機械原理的條件下，充分考慮了整機的布局和經(jīng)濟性。 關鍵詞：擰瓶機；磁力；自動化；圓柱凸輪 ； I Abstract At home and abroad has been quite mature technology sealing machine, forming a fairly mature production line, various specific functions sealing machine, capping machine can be seen everywhere in the production and living, technical innovation and improvement, form diversified development. Capping machine is tightening the cap in the process of beverage filling equipment, work must ensure that appropriate tightening torque. Torque is too small, cap screw is not tight; Torque is too big, easy to damage the bottle mouth and bottle caps.Therefore, we developed on the basis of absorbing foreign advanced equipment from a use of magnetic transfer torque capping head cap tightened, can be easily set as required, adjust the tightening torque of the size, and can be applied to different the height of the bottle. This paper introduces the research background and significance of the topic， discussed capping machine development at home and abroad, introduced the content and methods design research.This is designed to focus the overall design of the capping machine, Capping, transportation and positioning of the packaging process, Based on this the motion and structure design. The packaging design is the rotary type ，through the cylindrical cam contour the capping head up and down reciprocating of the motion. And take full account to meet the principle of the packaging machinery, machine layout and economy. Key words: capping machine; magnetic force; automation; cylindrical cam 目 錄 摘 要 III ABSTRACT IV 目 錄 V 1 緒論 1 1.1 本課題的設計內(nèi)容和意義 1 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 1 1.3 本課題應達到的要求 2 2 擰瓶機的總體設計 3 2.1 擰瓶機的簡介 3 2.1.1 擰瓶機系統(tǒng)的構成 3 2.2 擰瓶機的設計 3 2.2.1 擰瓶機的整體傳動設計 3 2.2.2 擰瓶機的外形設計 3 2.2.3 擰瓶機自動化控制系統(tǒng)的設計 3 2.2.4 旋蓋頭裝置的結構設計 3 2.2.5 轉盤裝置的結構設計 4 2.3 擰瓶機總體方案的確定 4 2.3.1 方案一的介紹 4 2.3.2 方案二的介紹 4 2.3.3 方案三的介紹 5 2.3.4 方案比較 6 2.4 擰瓶機重要參數(shù)的確定 6 2.4.1 設計參數(shù)： 6 2.4.2 設計要求 6 3 擰瓶機的組成及部件設計 7 3.1 擰瓶機的組成 7 3.2 圓柱凸輪的設計 7 3.3 理蓋裝置的設計 7 3.3.1 送蓋自動料斗 8 3.3.2 螺旋形供蓋滑道 8 3.3.3 輸蓋槽部件 10 3.3.4 理蓋機機架 10 3.4 旋瓶轉盤的設計 12 3.5 撥桿機構的設計 13 3.6 輸送軌道的設計 14 3.7 旋蓋頭的設計 14 3.7.1 初級的外靠摩擦輪形式 15 3.7.2 摩擦片扭矩限制機構 15 3.7.3 電磁力扭矩限制機構 16 4 擰瓶機傳動部分的設計 17 4.1 電動機的選擇 17 4.1.1 類型和結構型式的選擇 17 4.1.2 功率的確定 17 4.1.3 轉速的確定 17 4.2 傳動比的分配 18 4.2.1 傳動比分配的參考數(shù)據(jù) 18 4.3 減速器的設計選擇 19 4.4 帶傳動的設計 19 4.5 軸的設計及校核 21 4.5.1 軸的材料 21 4.5.2 軸的計算 21 4.6 鍵的選擇和鍵鏈接強度計算 22 4.6.1 鍵的選擇 22 4.6.2 平鍵鏈接強度計算 22 4.7 錐齒輪的設計計算 23 4.8 滾動軸承選擇原則 27 5 擰瓶機控制系統(tǒng) 29 5.1 控制要求 29 5.2 控制系統(tǒng)的選擇 29 5.2.1 為何采用PLC控制 29 6 擰瓶機的安裝、維護和安全 30 6.1 安裝 30 6.2 維護保養(yǎng) 30 6.3 安裝要求 30 7 結論與展望 31 7.1 結論 31 7.2不足之處及未來展望 31 致 謝 32 參考文獻 33 V 磁力式擰瓶機的設計及工程分析 1 緒論 1.1 本課題的設計內(nèi)容和意義 擰瓶機是灌裝生產(chǎn)線的主要設備之一，它被廣泛用于玻璃瓶或PET瓶的螺紋蓋封口。伴隨著社會的發(fā)展，產(chǎn)品的包裝質量要求對人們來說也越來越重要。在飲料，調(diào)味料，酒類，化妝品及藥品等瓶包裝的封口就大量采用螺紋蓋封口。因為螺紋蓋具有封口快捷，開啟方便及開啟瓶后又可重新封好等優(yōu)點。目前已有全自動洗瓶機、全自動灌裝機、全自動擰瓶機三合一的機型。 許多大型零售商都要求飲料和食品生產(chǎn)商采用塑料包裝，為了減少包裝破損和運輸重量，并滿足消費者的安全需要。帶有螺旋密封蓋的瓶子具有快速、便捷和密封等優(yōu)點,使它越來越廣泛的應用于許多產(chǎn)品包裝?，F(xiàn)在競爭日趨猛烈，自動封口機的高度自動化,智能化,高配置、高效率和低消費越來越受到行業(yè)的青睞。為了提高生產(chǎn)效率，特進行本課題磁力擰瓶機的設計。 第二章主要介紹了擰瓶機的總體設計，簡單介紹了下擰瓶機的幾種設計方案并與自己的方案比較了下以及擰瓶機的設計要求等。第三章介紹了擰瓶機的組成以及各部件設計，包括圓柱凸輪、理蓋裝置、轉盤、輸送軌道和旋蓋頭的設計。第四章主要介紹了擰瓶機傳動部分的設計，包括電動機的選擇、減速器的選擇、帶傳動設計、軸校核、鍵的選取、滾動軸承的選取和錐齒輪的計算等等。第五章講的是擰瓶機控制系統(tǒng)，分析后決定采用PLC控制系統(tǒng)。第六章主要講擰瓶機的安裝和維護。 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 國內(nèi)外已經(jīng)有相當成熟的封口機技術，形成了相當成熟的生產(chǎn)線，各種有特定功能的封口機、擰瓶機也在生產(chǎn)生活中隨處可見，技術不斷創(chuàng)新和改良，形式多樣化發(fā)展。 但目前國內(nèi)自主研發(fā)的擰瓶機還存在可靠性低、穩(wěn)定性差、旋蓋質量低、返工率高等問題，國內(nèi)灌裝生產(chǎn)線中廣泛使用的擰瓶機大多為直線式擰瓶機，采用瓶頸掛蓋。經(jīng)定位、預封后使蓋平穩(wěn)坐落在瓶口上，最后由皮帶對蓋頂部搓壓摩擦而將蓋旋緊。旋蓋頭主要結構型式經(jīng)歷了彈簧摩擦片式和磁力耦合式2種。彈簧摩擦片式在滿足恒扭矩要求方面效果 較差，如經(jīng)長時間使用后彈簧力會減小，摩擦片使用一段時間后也需進行更換和調(diào)整。目前，國內(nèi)普遍使用的旋蓋頭為磁力耦合式。為了適應現(xiàn)代包裝機高速、高效和高可靠性生產(chǎn)的需要, 研制出了FX12 型擰瓶機[1]和XG12回轉型擰瓶機。近幾年來隨著食品飲料工業(yè)向大規(guī)模高效率方向發(fā)展。 擰瓶機是飲料灌裝過程中旋緊瓶蓋的專用設備,工作時必須保證適宜的旋緊力矩。力矩過小, 瓶蓋旋不緊; 力矩過大, 易損壞瓶嘴和瓶蓋。為此, 我們在吸收國外同類先進設備的基礎上研制了一種利用磁力傳遞扭力矩實現(xiàn)瓶蓋旋緊的旋蓋頭, 能根據(jù)需要方便地設定、調(diào)整旋緊力矩的大小, 并能適用于不同高度的瓶子，它具有效率高、速度快、可靠性好和自動化程度高等特點[2]。 1.3 本課題應達到的要求 (1) 一機多用：利用同一臺設備旋不同高度的瓶蓋，提高設備利用率； (2) 使用安全，維修方便：在設計過程中對于機器的安裝、設備的維修、保養(yǎng)和維護應該綜合考慮，使得零部件更換方便[2]。 (3) 降低成本：綜合考慮后應選取成本最低的材料。 (4) 旋緊力度要合適：力過大則不易開瓶，影響顧客打開瓶子喝水；力過小則不利于密封，造成漏氣影響產(chǎn)品質量。 2 擰瓶機的總體設計 2.1 擰瓶機的簡介 擰瓶機的功能一般是為了將瓶蓋旋緊在容器口上,通過密封墊或瓶蓋的彈性變形使瓶口密封,這種封口形式主要用于蓋子為塑料蓋或金屬蓋,而瓶身為塑料,金屬的容器。 2.1.1 擰瓶機系統(tǒng)的構成 擰瓶機,屬于封口機械的一種,其種類繁多,構造復雜。擰瓶機的系統(tǒng)一般由傳動系統(tǒng)，供料系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng),控制系統(tǒng),機身五部分組成。 （1）傳動系統(tǒng) 包裝過程一般需要多步完成,每一步工序都需要將外包裝和被包裝物品從一個位置運送到另一個位置,直至最后輸出成品。所以傳動系統(tǒng)就是完成以上功能的。一般由電機帶動齒輪,凸輪,鏈條進行傳動。 （2）供料系統(tǒng) 供料系統(tǒng)將包裝材料進行有序的排列,送到合適的工位,為后續(xù)工作做準備,如將瓶口擺在合適的位置,豎起,定位等。同時對包裝產(chǎn)品稱重,計量,送入封口工位。為封裝產(chǎn)品做準備。 （3）執(zhí)行機構 執(zhí)行機構是采用機械化的方法或自動化手段代替人工操作,如夾持沖洗、封口、滾花、封裝等操作的機構。 （4）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)由各種手動和自動裝置組成。在包裝過程中,各個環(huán)節(jié)的運轉,各個機構的配合,人與機械的互動,都需要控制。控制系統(tǒng)不僅決定了包裝的質量,而且影響到人身安全,所以提高控制系統(tǒng)的水平至關重要。 （5）機身 機身不僅用于安裝、固定、支承機器,還具有減震、防護等作用。因此,機身必須具有高強度和穩(wěn)定性等特點。 2.2 擰瓶機的設計 2.2.1 擰瓶機的整體傳動設計 選擇好電機型號后，應該判斷如何合理分配各級傳動以及采用的傳動方式，如帶傳動，齒輪傳動等等。 2.2.2 擰瓶機的外形設計 從擰瓶機的外觀設計需要符合機械設計的工藝性要求，除此之外機器的密封必須可靠，而且要考慮到出現(xiàn)問題后，機器的維修調(diào)試要方便等等。 2.2.3 擰瓶機自動化控制系統(tǒng)的設計 首先是從產(chǎn)品的進料到出料過程的自動化，其次是擰瓶機旋蓋過程的自動化控制，甚至還有檢測裝置的自動化檢測和報警。 2.2.4 旋蓋頭裝置的結構設計 從旋蓋頭內(nèi)部各零件的設計。 2.2.5 轉盤裝置的結構設計 轉盤周邊設計成與瓶大小適當?shù)牟郏梢皂樌娜∑?，送瓶，轉盤與中心主軸靠鍵鏈接，中心主軸旋轉從而帶動轉盤旋轉。 2.3 擰瓶機總體方案的確定 經(jīng)過對擰瓶機相關文獻和專利的閱讀和詳細分析，運用已經(jīng)掌握的知識對本課題初步形成了三種大致的設計方案如下： 2.3.1 方案一的介紹 如圖2.1所示，該方案靠帶動傳送帶將瓶子傳送至上理蓋器下方，瓶子上好蓋子后停止在擰瓶機正下方，傳感裝置檢測到后，通過上部的氣缸進行運動，旋蓋頭進行下降，旋蓋頭旋轉將瓶蓋旋緊在瓶上。本方案結構簡單易懂，但是從整體來分析，旋蓋的效率不高，自動化程度也不夠高，成本也不低所以此方案舍棄。 圖2.1 方案一擰瓶機的結構的正視圖 2.3.2 方案二的介紹 如下圖2.2所示：在控制面板7上啟動擰瓶機后，首先定位氣缸2(B)動作，伸出擋板可以把輸送帶1上的帶蓋瓶子攔??；當光電傳感器3(A, B)都接通時，定位氣缸2(A)動作，把后面的瓶子攔住；同時電機5開始旋轉，通過皮帶帶動旋蓋頭4（A,B）轉動，然后升降氣缸6（A,B）伸展，旋蓋頭下降旋蓋，旋好蓋后電機停止轉動，氣缸6（A,B）自動收縮，定位氣缸B收縮擋板，瓶子通過輸送帶送出，定位氣缸A收縮擋板，等待人工啟動，進入下一個工作過程。該方案結構簡單，成本低，但是旋蓋的效率不是很高，自動化程度低還需要人工操作，不適合大批量生產(chǎn)。 1、輸送帶；2、定位氣缸；3、光電傳感器；4、旋蓋頭； 5、電機；6升降氣缸；7控制面板； 圖2.2 擰瓶機結構簡圖 2.3.3 方案三的介紹 圖2.3擰瓶機結構示意圖 如上圖2.3所示，該擰瓶機主要由進出瓶機構、理蓋系統(tǒng)、送蓋機構、旋蓋裝置、傳動系統(tǒng)、升降圓柱凸輪、機身支架等部分組成。擰瓶機工作時,傳送帶將瓶按一定的間距傳送瓶子,瓶子在行進過程中定位，獲取瓶蓋后由周期性的撥桿機構送入到旋蓋頭下的中心轉盤,與旋蓋頭一起同步轉動。同時,旋蓋頭在圓柱凸輪作用下,實現(xiàn)取蓋、升降，旋蓋功能;旋蓋頭在電機的驅動下，在與瓶子公轉的同時又自轉,將瓶蓋旋緊在瓶子上。隨后,旋好蓋的瓶子由出瓶撥桿輸出。 2.3.4 方案比較 方案一和方案二的結構比較簡單，生產(chǎn)成本低，但是自動化程度不夠高導致效率低下，所以適合小批量生產(chǎn)；方案三結構設計簡單且精密合理，旋蓋精度高，效率高。除此之外，可以適用于不同高度的瓶子，旋緊力度也可調(diào)，自動化程度也比較高，所以綜合考慮后，本課題采用方案三。 2.4 擰瓶機重要參數(shù)的確定 2.4.1 設計參數(shù) 旋蓋頭數(shù)為12個； 適用蓋（直徑）：30mm； 適用蓋（高度）：12mm至15mm； 瓶子試用高度：170mm至200mm； 生產(chǎn)效率：4000至5000瓶/時 2.4.2 設計要求 (1) 一機多用：利用同一臺設備旋不同高度的瓶蓋，提高設備利用率； (2) 使用安全，維修方便：在設計過程中對于機器的安裝、設備的維修、保養(yǎng)和維護應該綜合考慮，使得零部件更換方便。 (3) 降低成本：綜合考慮后應選取成本最低的材料。 (4) 旋緊力度要合適：力過大則不易開瓶，影響顧客打開瓶子喝水；力過小則不利于密封，造成漏氣影響產(chǎn)品質量。 3 擰瓶機的組成及部件設計 3.1 擰瓶機的組成 擰瓶機主要由機架、輸瓶系統(tǒng)、理蓋機、旋蓋頭、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。 機架的作用是固定和支承所有工作件，經(jīng)過焊接而成的主機架選用不銹鋼板，這樣的結構，既能保證穩(wěn)定性，又美觀耐用。 理蓋系統(tǒng)主要給瓶子不斷的提供瓶蓋，瓶蓋在進入輸送軌道之前就已經(jīng)整理好了。該系統(tǒng)主要由理蓋機，送蓋槽，電機等組成。 輸瓶系統(tǒng)主要有輸送帶、撥桿機構、擋板等組成，它的主要作用是把瓶子分隔開一定的距離。 旋蓋頭是擰瓶機的關鍵部件，主要在封蓋過程中完成取蓋、擰蓋等工作，本文設計的是電磁式旋蓋頭。 傳動系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下幾個部分的運動：旋蓋頭的自轉、公轉、升降運動；中心轉盤的旋轉等。 控制系統(tǒng)是機器的核心組成部分之一。對生產(chǎn)效率和工作可靠性影響很大。本機主要由傳感器監(jiān)控，用 PLC 控制。 3.2 圓柱凸輪的設計 如下圖3.1 圖3.1 圓柱凸輪 旋蓋頭在圓柱凸輪作用下,實現(xiàn)取蓋、升降，旋蓋功能。經(jīng)過計算，圓柱凸輪里面的滾子可以順利的通過圓柱凸輪里的軌道。 3.3 理蓋裝置的設計 如圖3.2所示。該理蓋器的工作原理是：在電磁鐵與支承板彈簧的交替作用下，料斗作上下微幅振動的運動；在這種運動過程中，瓶蓋將一邊自動排隊、定向，一邊沿螺旋形供蓋滑道從料斗底部向上移動。所以，只有蓋口向上的瓶蓋才能到達料斗上部的出蓋口，然后進入輸蓋槽，再沿輸蓋槽翻轉180°，變成蓋口向下的狀態(tài)，最后由旋蓋頭完成瓶子的封口工作[11]。 1—料斗 2—螺旋形滑道 3—支承板彈簧4—氣隙調(diào)節(jié)結構 5—減振橡膠彈簧 6—出蓋口 7—銜鐵 8—電磁鐵 9—基座 圖3.2 理蓋器的結構示意圖 3.3.1 送蓋自動料斗 送蓋自動料斗是指通過一定的轉動或振動機構，使瓶蓋不斷地運動。有機械攪拌式自動送蓋料斗、電磁式振動的自動送蓋料斗、磁力回轉式的自動送蓋料斗等形式。由于機械式的自動料斗存在著容易劃傷瓶蓋表面甚至會使瓶蓋變形的缺陷，磁力回轉式自動送蓋料斗適應范圍小，所以本機選用的是電磁式振動自動料斗。 3.3.2 螺旋形供蓋滑道 圓筒狀料斗的底面呈扁圓錐形，內(nèi)壁設有螺旋形供蓋滑道。當料斗作復合式運動時，瓶蓋會沿扁圓錐形底面滑移到料斗底面與側壁的交接處；在摩擦力、慣性力和離心力等作用下，瓶蓋又沿螺旋形供蓋滑道由底部向上運動。在料斗中雜亂堆集的瓶蓋運動到螺旋形供蓋滑道上之后，只有蓋口向上和蓋口向下兩種狀態(tài)，而其它狀態(tài)（如“側立”狀態(tài)）的蓋瓶會在料斗作上下微振時滾落回料斗底部，即瓶蓋完成了第一次定向[11]。 在螺旋形供蓋滑道上開有“E”形缺口，如圖3.3所示。蓋口向上的瓶蓋可以順利地通過該缺口（如圖3.4a）；而蓋口向下的瓶蓋運動到該缺口處時，會翻落下去（如圖3.4b），然后再重新沿螺旋形供蓋滑道向上運動，因此，只有蓋口向上的瓶蓋才能通過“E”形缺口，繼續(xù)沿螺旋形供蓋滑道向上運動，直至出蓋口，即完成了瓶蓋的第二次定向[11]。 1—料斗筒壁 2—“E”形缺口 3—螺旋形滑道 圖3.3螺旋形供蓋滑道上的“E”形缺口 1—料斗筒壁 2—螺旋形滑道 3—瓶蓋（正向） 4—瓶蓋（反向） 圖3.4兩種狀態(tài)的瓶蓋通過“E”形缺口時的狀況 3.3.3 輸蓋槽部件 定向的瓶蓋從料斗出來，即進入送蓋槽。圖3.5和圖3.6為送蓋槽部件，經(jīng)過計算瓶蓋由于重力及慣性能夠順利通過送蓋槽。在最底部有擋板防止瓶蓋由于慣性而沖出去。此外，擋板還起到了定位作用，它與送瓶軌道上的擋板保證了瓶蓋的中心軸與瓶子的中心軸在同一軸線上。軌道最前端有一段水平板，將瓶口的蓋壓平，便于下一步的旋蓋操作。 圖3.5 送蓋槽3D圖 圖3.6送蓋槽2D圖 3.3.4 理蓋機機架 機架設計準則： ⑴ 剛度 評定大多數(shù)機架工作能力的主要準則是剛度。在機床中剛度決定著機床生產(chǎn)效率和產(chǎn)品精度； ⑵ 強度 強度是評定機架工作性能的基本準則之一。除了需要校核機架的靜強度之外還要校核其疲勞強度。 ⑶ 穩(wěn)定性 它是保證機架正常工作的基本條件，必須加以校核。 ⑷ 熱變形 對于機床、儀器等精密機械還應考慮熱變形。熱變形將直接影響機架原有精度。 在滿足機架設計準則的前提下，必須根據(jù)機架的不同用途和所處環(huán)境，考慮下列各項要求，并有所偏重。 ⑴ 機架應盡量輕、成本低，但前提必須滿足強度和剛度。 ⑵ 抗振性好。 ⑶ 噪聲小。 ⑷ 溫度適合，減小熱變形。 ⑸ 結構設計合理。 ⑹ 結構便于安裝、調(diào)整及修理。 ⑺ 耐磨性好。 ⑻ 造型好，工藝性良好。 理蓋機機架方案一的介紹 如下圖3.7所示 圖3.7機架 由于理蓋機需要震動，此方案的機架對理蓋機來說不夠穩(wěn)定，而且實體圓柱形的機架較浪費材料，不滿足機架的設計準則中的，在滿足強度和剛度的前提下，機架的重量應要求輕、成本低，故此方案舍棄。 理蓋機方案二的介紹 如下圖3.8所示 圖3.8機架 此方案的機架比較合理，利用三腳支撐加強了穩(wěn)定性，而且機架選用中空的形式這樣能夠節(jié)省材料，成本較低。此方案結構設計合理，工藝性良好故選用此設計方案。 3.4 旋瓶轉盤的設計 如下圖3.9所示，轉盤周邊設計成與瓶大小適當?shù)牟?，可以順利的取瓶，送瓶，轉盤與中心主軸靠鍵鏈接，中心主軸旋轉從而帶動轉盤旋轉。旋蓋頭的轉速與轉盤的轉速是相同的，這樣可以保證旋蓋頭與轉盤在圍繞主軸公轉時 ，兩者相對靜止，旋蓋頭再靠自轉把瓶蓋旋緊在瓶子上。 圖3.9轉盤 3.5 撥桿機構的設計 如下圖3.10所示，該撥桿機構和傳送帶上的擋板都是周期性的，根據(jù)瓶子的傳送速度，準確無誤的把瓶子從傳送帶上送至中心轉盤處。它可根據(jù)傳送帶上送瓶的速率而切換不同的轉速。 圖3.10撥桿機構 3.6 輸送軌道的設計 如下圖3.11和圖3.12所示，該輸送軌道不僅起到輸送瓶子的作用，瓶子進入喇叭口之后靠兩旁的擋板限制了瓶子Y軸方向上的運動，再靠前端的擋板（做周期性的收縮運動）又限制了X方向上的移動，靠這些擋板對瓶子進行了定位，使得瓶蓋的中心軸線與瓶子的中心軸線在同一直線上，以保證瓶蓋能夠準確無誤的落到瓶子上。送蓋軌道最前端有一段平板，能將瓶口的蓋壓平，便于下一步的旋蓋操作。 圖3.11輸送軌道 圖3.12定位機構 3.7 旋蓋頭的設計 擰瓶機的關鍵部件之一便是旋蓋頭，它主要在封蓋過程中完成瓶子的擰蓋工作，它的質量能夠直接影響封蓋質量和效率。如果旋蓋力矩過小，瓶蓋旋不緊，如果旋蓋力矩過大,則易損壞瓶嘴和瓶蓋。以下為幾種旋蓋頭形式 3.7.1 初級的外靠摩擦輪形式 有驅動軸與工作摩擦輪成一力傳遞剛體。其間, 力傳遞沒有緩沖和力矩限制結構。僅靠摩擦輪與蓋的外壁接觸的程度而確定的動摩擦力來控制旋蓋力矩。如下圖3.13所示，操作人員靠調(diào)整摩擦輪與蓋的距離, 以達到改變摩擦輪與蓋外壁的接觸應力，但是旋蓋質量難以保證。 1—驅動軸 2—調(diào)整環(huán) 3—彈簧4—摩擦片 5—主動片（與驅動軸軸向滑鍵連接） 6—從動片（與扭力輸出體軸向滑鍵連接） 7—扭力輸出體 8—摩擦輪或其他與蓋工件相連接構件 圖3.13帶有摩擦片的扭矩限制機構 3.7.2 摩擦片扭矩限制機構 這類裝置是在驅動軸與工作摩擦輪間加有限力矩摩擦片, 或摩擦片組。這種結構用于連續(xù)式旋蓋形式時, 調(diào)整方便, 在調(diào)整時, 只要保證工作摩擦輪與蓋外壁的接觸應力足夠大, 以不出現(xiàn)相對滑動為限，扭矩控制由摩擦片產(chǎn)生的摩擦力矩確定[8]。 3.7.3 電磁力扭矩限制機構 本文設計的為電磁式旋蓋頭，一個穩(wěn)定的電流在導線中流過，能在導線周圍產(chǎn)生一個靜磁場。利用磁能產(chǎn)生的力或者力矩，驅動或控制置于磁場中的執(zhí)行構件[9]。 此旋蓋頭為電磁式旋蓋頭如下圖3.14和圖3.15所示, 旋蓋頭的上下運動時依靠圓柱凸輪來實現(xiàn)，通電后利用電磁力來旋轉擰蓋，斷電則停止旋蓋。旋蓋頭旋轉3圈則完成一個瓶子的旋蓋。若力超過3N，旋嘴與瓶蓋則會發(fā)生打滑，停止旋蓋。 圖3.14旋蓋頭2D 圖3.15旋蓋頭3D 4 擰瓶機傳動部分的設計 4.1 電動機的選擇 4.1.1 類型和結構型式的選擇 三相交流異步電動機價格低廉、結構簡單、維護方便，可直接接于三相交流電網(wǎng)中，因此在工業(yè)上應用最為廣泛，設計時應優(yōu)先選用。 4.1.2 功率的確定 電動機的容量（功率）選擇是否合適，對電動機的運行很大的影響。當容量過小時，電動機不能保證正常工作，還有可能使電動機長時間過載而損壞；若容量過大，電動機的價格高，能力不能充分利用，而且因為經(jīng)常不在滿載下運行，其效率較低。 電動機容量（功率）主要由它在運行時的發(fā)熱條件所決定，而發(fā)熱條件又與其工作情況有關。對長期連續(xù)運轉、載荷不變或者變化很小、常溫工作下的機械，選擇電動機時只要使電動機負載不超過其額定值，電動機便不會過熱。 ⑴ 工作機所需功率（kW） （4.1） 或 （4.2） 式中，為工作機的阻力，N；為工作機的線速度，m/s；為工作機的阻力矩，N·m；為工作機軸的轉速，r/min；為工作機的效率，帶式輸送機可取，鏈板式輸送機可取。 ⑵ 電動機至工作機的總效率（串聯(lián)時） （4.3） 式中，，，，，為傳動系統(tǒng)中各級傳動機構、軸承以及聯(lián)軸器的效率。 ⑶ 所需電動機的功率（KW） 所需電動機的功率由工作機所需功率和傳動裝置的總效率按下式計算 （4.4） ⑷ 電動機額定功率 按來選取電動機型號。電動機功率的大小應視工作機構的負載變化狀況而定。 4.1.3 轉速的確定 額定功率相同的同類型電動機，有幾種不同的同步轉速。同步轉速低的電動機磁極多，外廓尺寸大、重量大，價格高，但可使傳動系統(tǒng)的傳動比和結構尺寸減小，從而降低了傳動裝置的成本，因此，確定電動機的轉速時，應同時考慮電動機及傳動系統(tǒng)的尺寸、重量和價格，使整個設計即合理又較經(jīng)濟[10]。 一般最常用、市場上供應最多的是同步轉速為1500r/min和1000r/min的電動機，設計時應優(yōu)先選用。 綜合考慮整個系統(tǒng)所需要的功率，轉速，結構尺寸等因素，再參考機械設計手冊新版的第5卷電動機的選擇的相關資料，選擇的電機型號為Y90S-4的電動機，該電動機額定的功率為1.1kW，滿載時轉速為1400r/min。 4.2 傳動比的分配 電動機選定后，根據(jù)電動機滿載轉速和工作機的轉速就可確定傳動系統(tǒng)的總傳動比，即 （4.5） 傳動系統(tǒng)的總傳動比是各個串聯(lián)機構傳動傳動比的連乘積，即 （4.6） 式中，，，…，為傳動系統(tǒng)中各級傳動機構的傳動比。 合理的分配轉動比是傳動系統(tǒng)設計中的一個重要問題，他將直接影響到傳動系統(tǒng)的外輪廓尺寸、重量、潤滑級傳動機構的中心距等很多方面，因此必須認真對待。 各級傳動比可在各自薦用值的范圍內(nèi)選取。各類機械傳動的比薦用值和最大值見下表3-2。 表3.2 各類機械傳動的傳動比 平帶傳動 V帶傳動 鏈傳動 圓柱齒輪傳動 錐齒輪傳動 蝸桿傳動 單級薦用值i 單級最大值 5 7 6 8 5 80 4.2.1 傳動比分配的參考數(shù)據(jù) ⑴ 帶傳動與一級齒輪減速器 設帶傳動的傳動比為，一級齒輪減速器的傳動比為，應使，以便使整個傳動系統(tǒng)的尺寸較小，結構緊湊。 ⑵ 二級圓柱齒輪減速器 傳動比可按下式分配： （4.7） 對于同軸式圓柱齒輪減速器： （4.8） 但應指出，齒輪的材料、齒數(shù)及寬度亦影響齒輪直徑的大小。欲獲得兩級傳動的大齒輪直徑相近，應對傳動比，齒輪的材料、齒數(shù)、模數(shù)和齒寬等作綜合考慮。 ⑶ 圓錐—圓柱減速器 設減速器的傳動比為,高速級錐齒輪的傳動比為，傳動比可按下式分配： （4.9） 4.3 減速器的設計選擇 由于所選電動機的額度轉速為1400r/min，擰瓶機的生產(chǎn)能力為4000至5000瓶/時，擰瓶機的旋蓋頭頭數(shù)為12頭，所以擰瓶機每轉生產(chǎn)12瓶，所以擰瓶機主軸的轉速為360r/小時，即6r/min。設中心主軸上大錐齒輪與減速器上小齒輪的傳動比為i=6，設減速器上大帶輪與電動機上的小帶輪的傳動比為i=2，則減速器上輸入轉速為700r/min，輸出的轉速為25r/min，選擇CW型減速器，減速器的型號為CW80-25-IF,它的額定輸入轉速為750r/min,額定輸入功率為1.74KW，額定輸入轉矩為364N。由于電動機的功率為1.1KW，所以選擇該型號的減速器符合要求。 4.4 帶傳動的設計 取帶輪的傳動比，小帶輪轉速，電動機的額定功率P=1.1KW，一天運轉時間大于16h ⑴ 確定計算功率 由《機械設計（第八版）》表8-7查得工作情況系數(shù) （4.10） ⑵ 選取V帶帶型 根據(jù)、由圖8-11確定選用Z型。 ⑶ 確定 根據(jù)V帶的帶型，由表8-6和表8-8取mm 按式 （4.11） 從動輪基準直徑 mm 根據(jù)表8-8，取mm 按式 （4.12） 驗算帶的速度 所以帶的速度合適。 ⑷ 確定普通V和中心距 根據(jù)公式 （4.13） 初步確定 根據(jù)式 由表8-2選 按式 （4.14） 計算實際中心距 ⑸ 驗算主動輪包角 故合適。 ⑹ 計算V帶的根數(shù) 由《機械設計（第八版）》式(8-22)知: （4.15） 由n1=1400r/min、、和Z型帶查《機械設計（第八版）》表8-4a和表8-4b得， 查表8-5得,查表8-2得則 根據(jù)公式得Z=3.7,取Z=4根。 ⑺ 計算單根V帶的出拉力的最小值 由表8-3得Z型帶的單位長度質量,所以 應使帶的實際初拉力。 ⑻ 計算壓軸力 壓軸力最小值為 下圖4.1為小帶輪的工程圖 圖4.1小帶輪工程圖 下圖4.2為大帶輪的工程圖 圖4.2大帶輪工程圖 4.5 軸的設計及校核 4.5.1 軸的材料 軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。因此，在傳遞大動力，并要求減小尺寸與質量，提高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼,由于此設計中的軸并不需要傳遞很大的動力，故選用45鋼[11]。 4.5.2 軸的計算 在做軸的結構設計時，通常用這種方法初步估算軸徑。對于不是很重要的軸，也可作為最后結果。軸扭轉強度條件為 （4.16） 式中：—扭轉切應力，； T—軸所受扭矩，； —軸抗扭矩截面系數(shù)，； —軸的轉速，； —軸傳遞功率，； —計算截面處軸直徑，； 由上式可得軸直徑 （4.17） 式中，，對于中心軸，則 （4.18） 式中，，即空心軸內(nèi)徑與外徑之比，通常取。 ⑴ 中心軸上的輸出功率 中心軸轉速： ⑵選取軸的材料為45剛，調(diào)質處理。根據(jù)《機械設計（第八版）》表15-3，取，，于是得 考慮到軸上鍵槽的影響 為了滿足所選的圓錐滾子軸承的內(nèi)徑，所以選直徑， 第二段直徑，長度為； 第三段直徑，長度為； 第四段直徑，長度為； 第五段直徑，長度為； 第六段直徑，長度為； 下圖4.3為軸工程圖 4.3中心軸工程圖 4.6 鍵的選擇和鍵鏈接強度計算 4.6.1 鍵的選擇 鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面。鍵的類型應根據(jù)鍵鏈接的結構特點、使用要求和工作條件來選擇。 4.6.2 平鍵鏈接強度計算 假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強度條件為 （4.23） 導向平鍵連接和滑鍵連接的強度條件為 （4.24） 式中：T-傳遞的轉矩，； （4.25） 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，此處為鍵的高度，； 鍵的工作長度，，圓頭平鍵，平頭平鍵，這里為鍵的公稱長度，；為鍵的寬度，； 軸的直徑， 鍵、軸、輪轂三者中最弱材料許用擠壓應力， 鍵、軸、輪轂三者中最弱材料許用擠壓應力， 根據(jù)中心主軸的直徑為=60mm，根據(jù)《機械設計（第八版）》查表6-1查得選用的平鍵寬度為，高度為。取鍵長。查表6-2，取。鍵的工作長度，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度。由上式公式可得 由以上的計算可知，該平鍵的強度極限滿足要求。 4.7 錐齒輪的設計計算 先確定錐齒輪的傳動比，大齒輪的速度為11.4，則小齒輪的速度為6。 計算步驟如下， 1. 選精度等級、材料及齒數(shù) ⑴ 根據(jù)要求選用直齒錐齒輪。 ⑵ 擰瓶機一般轉速不高，故選用8級精度。 ⑶ 材料選擇：小錐齒輪的材料和大錐齒輪的材料都選擇為45剛，并且要進行調(diào)質處理。 ⑷ 選擇大齒輪齒數(shù)為，初定，則。 2.按齒面接觸強度設計 即 （4.26） ⑴ 初選載荷系數(shù)=1.3； ⑵ 小齒輪的轉距 ⑶ 選取齒寬系數(shù)。 ⑷ 材料的彈性系數(shù)。 ⑸ 按齒面硬度中查得； ； ⑹ 由式得 ⑺ 取。 ⑻ 接觸疲勞許用應力 取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1,由式得 3.設計計算 ⑴ 試計算，代入 中較小值 = ⑵ 圓周速度。 ⑶ 齒寬b。 ⑷ 齒寬與齒高之為： 模數(shù) 齒高 ⑸ 載荷系數(shù) 根據(jù),7級精度,由圖10-8查的動載系數(shù)=1.02 直齒輪,假設<100N/mm,由表10-3查的； 由表10-2查得使用系數(shù)； 由表10-4查得7級精度、小齒輪懸臂布置時，。 由，查圖10-13得；故 ⑹由式得 ⑺ 計算模數(shù)m。 4. 彎曲強度設計公式： （4.27） ⑴ 查得小齒輪；查得大齒輪； ⑵ 由圖10-18查得 ⑶ 彎曲疲勞許用應力為 取S=1.4,由式得 ⑷ 載荷系數(shù)K為 ⑸ 計算當量齒數(shù) ⑹ 查得齒形系數(shù) 由表10-5查得。 ⑺由表10-5查得計算大、小齒輪的加以比較： 小齒輪數(shù)值大。 5.設計計算 可知,可取由彎曲強度算得的模數(shù)，根據(jù)《機械原理第七版》表10-6，取，按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪的齒數(shù) 大齒輪的齒數(shù) 6. 幾何尺寸計算 ⑴ 計算分度圓的直徑 ??； ⑵ 計算齒輪寬度 取，。 ⑶ 計算錐距 ⑷ 計算平均分度圓直徑 ⑸ 驗算 合適。 總上所述，總體符合設計要求。 下圖4.4和4.5分別為大、小錐齒輪的工程圖 4.4大錐齒輪工程圖 4.5小錐齒輪工程圖 4.8 滾動軸承選擇原則 選擇滾動軸承可以參考以下原則： ⑴如果承受純徑向載荷，可選用向心軸承； 如果承受純軸向載荷且轉速不高時，可選用推力球軸承，如果轉速較高，宜選用向心推力球軸承或向心球軸承（徑向載荷不大時）。 ⑵ 在相同外形尺寸下，滾子軸承一般比球軸承承載能力大。但當軸承內(nèi)徑時，這種優(yōu)點不顯著，由于球軸承價格比滾子軸承低，這是應選擇球軸承。 ⑶ 尺寸、精度相同時，球軸承的極限比滾子軸承高。 ⑷ 如果載荷有沖擊、振動時，宜選用滾子軸承。 ⑸ 當支承剛度要求較大時，可選用向心推力軸承，成對使用，并用預緊的方法提高剛度。 ⑹ 圓柱滾子軸承用于剛度大，且能嚴格保證同心度的場合，一般只用來承受徑向載荷。當需要承受一定量軸向載荷時，應選擇內(nèi)外圈都有擋邊的類型，但允許軸向載荷 （徑向載荷），否則將對軸承的壽命有較大影響。 ⑺ 需要調(diào)整軸承徑向游隙時，選擇帶內(nèi)錐孔的軸承。 ⑻ 支點跨度大，軸的彎曲變形大或多支點軸，宜選擇調(diào)心型軸承。調(diào)心軸承不宜與其他類型軸承混合使用，以免失去調(diào)心作用。 ⑼ 當需要減小徑向尺寸時，可選擇輕、特輕、超輕系列軸承。需要減小軸向尺寸，可選擇窄系列軸承。 ⑽ 精度愈高，軸承價格愈高，對與之相配合零件的制造精度也愈高。 滾動軸承的失效形式： 在低速、重載及大沖擊情況下，由于軸承可能產(chǎn)生過大的塑性變形，還需進行強度計算。 滾動軸承壽命計算公式： （4.28） 式中 ——軸承的額定壽命，h是在轉速比較穩(wěn)定的情況下，軸承預期使用壽命的參考值見《機械設計零件手冊（修訂版）》表3.11-5； n——軸承的轉速，r/min； ——軸承壽命指數(shù)，對球軸承； C——軸承的額定動載荷； 實際計算時，用小時數(shù)表示壽命比較方便。如令n代表軸承的轉速（單位為r/min），則以數(shù)小時表示的軸承壽命（單位為h） 可根據(jù)式計算得出： （4.29） 5 擰瓶機控制系統(tǒng) 5.1 控制要求 （1）實現(xiàn)從進瓶子到出瓶和旋蓋整個過程自動化； （2）當按下復位開關后，所有構件回復初始狀態(tài)，旋蓋頭返回預設點。 5.2 控制系統(tǒng)的選擇 控制系統(tǒng)對于機器的運作相當重要，控制系統(tǒng)對于工作效率的提高相當?shù)闹匾?。該控制系統(tǒng)的核心部件選用了可編程控制器。 5.2.1 為何采用PLC控制 與傳統(tǒng)的繼電-接觸器相比較，可編程控制器具有以下的特點： （1）可靠性高，抗干擾性能力強 （2）靈活性強，控制系統(tǒng)有良好的柔性 （3）編程簡單，使用方便 （4）體積小，能耗低 （5）功能強，性價比高 （6）控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)，開發(fā)工作量少，周期短 （7）維修方便 與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，可編程控制系統(tǒng)有著相當多的優(yōu)點，所以綜合考慮后，選用PLC作為本設計的控制系統(tǒng)。 6 擰瓶機的安裝、維護和安全 6.1 安裝 基礎地面應平整，由各廠根據(jù)條件自行決定，只要能在安裝范圍內(nèi)承受分揀機重量即可。 本設備在安裝時應進行調(diào)試，對各部件之間的運動位置及自動控制系統(tǒng)按運動要求調(diào)試好之后，使用時不要再做調(diào)整。 在安裝時需要進行調(diào)試，保證整機各個工位執(zhí)行的協(xié)調(diào)性，保證整機運轉靈活。 6.2 維護保養(yǎng) （1）工作結束后，應做好清潔工作，將殘留在機器上的污滯清理干凈并檢查電源是否已經(jīng)關掉。 （2）每日機器工作后 ，首先斷開電源，擦試機器表面、工作臺等部位， 檢查傳動系統(tǒng)潤滑情況，檢查各種開關鍵的松緊情況。 （3）應每星期檢查一次各部潤滑情況，如有故障應及時排除 （4）需要經(jīng)常拆洗的零件應定時拆下進行解體清洗。 6.3 安裝要求 （1）在運轉中，如發(fā)生故障，首先關掉電源，才能進行修理。在修理過程中絕對不允許硬敲硬打，以免損壞機器。 （2）工作后溫度很高，不要用手去碰。停機至少半小時才可對機械清理、維修。 （3）工作時不要用手或其它物體接觸執(zhí)行頭。 7 結論與展望 7.1 結論 通過這次畢業(yè)設計，不但鞏固了四年來所學過的專業(yè)知識，而且讓我對擰瓶機以及其他專業(yè)性的東西有了更加深刻的了解。更重要的是這次畢業(yè)設計讓我掌握了整個設計過程和方法。 本設計首先對任務要求進行了分析，進行了總體方案設計，確定了各個機構的方案，之后分別對每個部分進行了設計計算。 眾所周知，一個穩(wěn)定的電流在導線中流過，能在導線周圍產(chǎn)生一個靜磁場。利用磁能產(chǎn)生的力或者力矩，驅動或控制置于磁場中的執(zhí)行構件。本設計利電生磁原理設計的旋蓋頭為電磁式旋蓋頭。旋蓋頭的上下運動依靠圓柱凸輪來實現(xiàn)，通電后利用電磁力來旋轉擰蓋，斷電則停止旋蓋。旋蓋頭旋轉3圈則完成一次旋蓋操作。本機采用回轉式的工藝路線，節(jié)省空間，整體結構緊湊。采用了12個頭的設計，使得擰瓶機旋蓋的效率達到了4000至5000瓶/小時。本機具有供瓶、供蓋、旋蓋、輸送等功能，能夠適用于不同高度的瓶子。 7.2不足之處及未來展望 本機還存在生產(chǎn)率偏低、自動化程度偏低、單機功能偏少、成本較高等問題，應在生產(chǎn)率、自動化、控制成本等方面給以改進。可能由于經(jīng)驗的原因，對某些材料的選用、外形設計有欠妥當。很多細節(jié)之處，設計的并不是很完善。由于該機需要不斷的通電、斷電成本較高。 現(xiàn)在很多擰瓶機的旋蓋頭采用永磁體，利用永磁體代替電流在空間形成一個靜磁場，但不需要消耗電能，這樣就減少了成本。 致 謝 不知不覺四年的大學生活就要過去了，從論文的選題、資料的收集到論文的撰寫編排整個過程中，我得到了許多的熱情幫助。我得感謝幫助過我的老師和同學，感謝我的舍友不會因為我每天要早起不小心把他們吵醒。除此之外，尤其感謝我的指導老師何老師在繁忙中抽出時間來給我們解答各種問題，感謝他對我的嚴格要求和無私的指導。您恪盡職守，對待工作認真負責，有時候因為工作比我們回去的都要晚，是我們學習的榜樣。 此外老師細心的指導和盡職盡責的作風最讓我感動，繁忙的他每周都抽出時間給我們指導。讓我收獲最大的是他對學問一絲不茍和精益求精的態(tài)度。雖然畢業(yè)設計的過程很艱辛，但我也學到了相當多的東西，何老師不僅幫助我完成了我的畢業(yè)設計，更讓我學會了如何去思考，如何去利用現(xiàn)有的一些知識和資源去解決當前遇到的問題。因為這次畢業(yè)設計我真的學到了很多，非常感謝何老師的指導！ 參考文獻 [1] 李詩龍. 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