機械式擰瓶機的設(shè)計及工程分析

摘 要 擰瓶機是自動擰瓶生產(chǎn)線的主要設(shè)備之一，它是封口機的一種，廣泛用于玻璃瓶或 PET瓶的螺紋蓋封口。由于螺紋蓋具有封口快捷、開啟方便及開啟后瓶又可重新旋上瓶蓋等優(yōu)點，所以一些不含氣的液料，諸如飲料、酒類、調(diào)味料等類似瓶包裝的封口中大量采用螺紋蓋封口。 為了適應(yīng)現(xiàn)代包裝機高速、高效和高可靠性生產(chǎn)的需要，在廣泛吸收國內(nèi)外先進機型的基礎(chǔ)上，本課題設(shè)計了全自動擰瓶機。它靠異步電動機帶動傳送帶實現(xiàn)瓶子的輸入和輸出，中間在傳送帶上部巧妙地安置了轉(zhuǎn)盤，給旋蓋工作帶來很大的便利，也大大提高了效率，旋蓋裝置更是此 次設(shè)計的關(guān)鍵部件，靠電機帶動空心軸以及其 以上的 機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，同時上部 的 圓柱凸輪實現(xiàn)旋蓋頭的升降，旋蓋頭運用機械式的方法，夾頭的另一頭聯(lián)接彈簧，運用杠桿原理實現(xiàn)瓶蓋的夾緊。當旋蓋頭夾緊瓶蓋時，上方的電動機啟動開始旋蓋。 本課題的設(shè)計不但結(jié)構(gòu)簡單明了操作方便，而且實現(xiàn)了從進瓶到出瓶的全部自動化，具有速度可調(diào)、定位準確、旋蓋可靠、運行平穩(wěn)、無噪音和不傷瓶蓋等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)機構(gòu)的缺點 ,總體上達到了我們預(yù)期設(shè)計的目標。 關(guān)鍵詞： 擰瓶機；旋蓋頭；機械式；杠桿 Abstract Capping machine is one of the main equipment of the automatic filling production line, which is a kind of sealing machine, and widely used in glass or PET bottles sealed with screw cap. Screw cap with sealing the fast, is easy to open and can be re-opened after the bottle screw cap on the bottle, etc. so some non-gas liquid material, such as beverages, wine, seasonings and the like in a large number of the sealed bottles with screw cover seal. In order to adapt to the production needs of the modern high-speed packaging machine, high efficiency and high reliability, extensively absorbing on the basis of the advanced models, the project designs the automatic screwing machine.It is belt driven by induction motors to achieve input and output of the bottle, the upper middle of the conveyor belt turntable cleverly placed, the cap has caused great convenience, but also greatly improve efficiency, capping device is the key to the design parts, rely on motor driven hollow shaft and the institutions rotation, while the upper part of the cylindrical cam lifting of capping head.the method of the capping heads is mechanical.The other end of the chuck coupling spring.It uses the lever principle implementation clamping bottle caps.When the the capping head clamping cap , the top of the motor start start capping.Not only the structure is simple, easy to operate, but also the design and implementation of the project from the bottle into the bottle to the full automation, with adjustable speed, accurate positioning, capping reliable, smooth running, no noise and not to hurt the caps, etc, to overcome the shortcomings of traditional institutions, the overall design to achieve the goal of our expectations. Keywords： Capping Machine；Capping head；Mechanical；leverage 目 錄 摘 要 . I Abstract . II 目 錄 . V 1.緒論 . 1 1.1 本課題的 設(shè)計 背景 . 1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展 . 1 1.3 本課題應(yīng)達到的要求 . 3 2. 擰瓶機的整體設(shè)計 . 4 2.1 設(shè)計任務(wù)分析 . 4 2.1.1 設(shè)計參數(shù) . 4 2.1.2 工藝路線 . 4 2.1.3 技術(shù)要求 . 4 2.2 擰瓶機的工作原理 . 4 2.3 總體方案確定 . 4 2.3.1 方案一的介紹 . 4 2.3.2 方案二的介紹 . 5 2.3.3 方案 三 的介紹 . 5 2.3.4 方案 四 的介紹 . 6 2.4 方案比較 . 6 2.5 采用方案的詳細設(shè)計 . 7 2.5.1 傳送 機構(gòu) 的設(shè)計 . 7 2.5.2 轉(zhuǎn)盤的設(shè)計 . 7 2.5.3 升降機構(gòu)的設(shè)計 . 8 2.5.4 理蓋器的設(shè)計 . 8 2.5.5 旋蓋頭的設(shè)計 . 10 2.5.6 底 座箱的設(shè)計 . 10 3. 傳動系統(tǒng) 的 設(shè)計計算 . 13 3.1 電動機的選擇 . 13 3.2 傳動比的分配 . 14 3.3 減速器的設(shè)計選擇 . 15 3.4 帶傳動的設(shè)計 . 15 3.5 錐齒輪的設(shè)計計算 . 19 3.6 軸的設(shè)計及校核 . 24 3.7 鍵的 選擇 與校核 . 25 3.7.1 鍵的選擇 . 25 3.7.2 鍵的校核 . 26 3.8 軸承選擇 與校核 . 28 4.擰瓶機 的安裝及維護 . 31 4.1 安裝 . 31 4.2 維護保養(yǎng) . 31 5.擰瓶 機的 改進與展望 . 32 5.1 自動潤滑的改造 . 32 5.2 展望 . 32 6.小結(jié) . 33 致 謝 . 34 參考文獻 . 35 1.緒論 1.1 本課題的 設(shè)計背景 隨著食品，醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對產(chǎn)品的密封提出越來越高的要求，完善的密封不僅可以延長食品，醫(yī)藥產(chǎn)品的保質(zhì)期，而且可以避免食品中營養(yǎng)的流失。擰瓶機就是完成包裝容器封口的機器，屬于包裝機的一種，主要針對玻璃瓶或 PET瓶的螺紋蓋封口。這種密封機對瓶和蓋都有一定的要求，瓶蓋一般要求為內(nèi)螺紋，瓶口為外螺紋，通過旋蓋頭的旋轉(zhuǎn)將瓶蓋固定在瓶頭。這種 封口方式由于封裝和開啟都很方便，所以被廣泛應(yīng)用于不含氣體的果汁，飲料，調(diào)味品，藥品和化妝品 1 。 但是我國的包裝機械發(fā)展還處于初級階段，對包裝機械的設(shè)計和研發(fā)沒有太多的經(jīng)驗與理論基礎(chǔ)，很多機器只是對外國現(xiàn)有機器的仿繪，沒有自主研發(fā)的知識產(chǎn)權(quán) ,機器一旦出現(xiàn)問題，解決起來十分困難，而且要對機器進行改進也無從下手 目前總體來看 ,我國的包裝機械主要存在以下兩方面的問題 :其一，自動化程度低，很多國外的包裝機從原料進入到成品出來，基 本全部自動化，而我國的包裝機械自動化程度還很低，很多環(huán)節(jié)需要人工輔助其二，效率低下，很多國外的包裝機械的生產(chǎn)效率是國內(nèi)機械生產(chǎn)效率的幾倍甚至是幾十倍 4 。 本課題就是順應(yīng)時事的需求，針對上述的這些問題而提出的，通過對擰瓶機旋蓋頭運動的主驅(qū)動系統(tǒng)的深入研究，找出影響擰瓶機穩(wěn)定工作的各個因素，通過忽略次要因素，控制主要因素，對各個主要因素的參數(shù)進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)高自動化，高效率，高精度，低廢品率，低污染經(jīng)濟適用的擰瓶機。并通過分析找 出各個參數(shù)之間的相互影響關(guān)系，為以后擰瓶機的設(shè)計提供一定的理論依據(jù)和參考。 本課程的設(shè)計包括對擰瓶機的工作原理的分析，以及對已有擰瓶機方案的對比，得出本課程的設(shè)計方案。具體對傳送機構(gòu)，轉(zhuǎn)盤，旋蓋頭，升降機構(gòu)，理蓋器及底座箱體的設(shè)計，進而對各個零件機構(gòu)的設(shè)計及校核。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展 從質(zhì)量方面來說，我國擰瓶機與國外還存在很大差距，不論是內(nèi)在質(zhì)量還是外觀設(shè)計，都無法與國外產(chǎn)品相抗衡 內(nèi)在質(zhì)量差主要表現(xiàn)在材料粗糙，生產(chǎn)效率低，耗電量大，工作不穩(wěn)定，使用壽命短等。外觀方而主要是外形不夠美觀，缺少人性化考慮。造成 這些問題主要有以下幾方面的原因：我國制造業(yè)還比較落后，從材料制造 ,到加工生產(chǎn)，都無法達到包裝機械的設(shè)計要求，設(shè)計理念，設(shè)計方法，設(shè)計手段還不夠完善。在包裝機械的制造中還沒有統(tǒng)一的標準，或者標準過低，無法完成包裝機械的特殊要求 17 。 從科技含量來說，我國的包裝機械主要表現(xiàn)是低效率，高能耗，科技含量低，創(chuàng)新產(chǎn)品少，最新的設(shè)計方法，檢測技術(shù)，控制技術(shù)都沒有應(yīng)用進去。與發(fā)達國家相比，我國的技術(shù)水平與國外至少相差 10 年左右。 由于以前我國 對擰瓶機行業(yè)并不是十分重視 ,所以到目前為止，自主創(chuàng)新能力還很差，大部分企業(yè)都是對國外機器進行測繪仿制，沒有進行自主研，各大高校的研發(fā)課題也與市場脫軌，不能轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。沒有形成產(chǎn)，學(xué)，研相結(jié)合的研發(fā)道路。但隨著包裝產(chǎn)業(yè)需求的增大，國家在這方面的投資力度也逐年增加 ,與發(fā)達國家相比，科研經(jīng)費還是不足， 我國目前投入的科研經(jīng)費僅占產(chǎn)品收入的 3.5%。而發(fā)達國家的研發(fā)費用投入已占銷售收入的 8-9%左右 科研經(jīng)費的缺乏使得科研手段十分落后，很多還停留在使用測繪，仿制等方法。對于低效率，低檔次的國外產(chǎn)品進行仿制，對于高技 術(shù)含量包裝機械只能花巨額金錢從國外進口 18 。 提高自動化程度是包裝機械發(fā)展重要的趨勢。產(chǎn)品和產(chǎn)量居世界之首的美國十分重視白裝機械與計算機緊密結(jié)合 ,實現(xiàn)機電一體化控制 ,將自動化操作序 、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、自動檢驗系統(tǒng)更多用于包裝機械之中。日本則長于微電子技術(shù)，用以開那個值包裝機械，有效地促進了無人操作和自動化程度的提高。在計量、制造和技術(shù)性能等方面居于世界領(lǐng)先地位的德國也高度重視提高自動化程度。幾年前，德國包裝機械系統(tǒng)設(shè)計時，自動化技 術(shù)在整個系統(tǒng)操作及運行中還占 30%，現(xiàn)在已占到 50%以上。 不過總的來說 ,其未來的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為以下幾個方面： 1) 自動化程度不斷提高 不論什么機器，自動化肯定是未來發(fā)展的趨勢 ,擰瓶機也不例外。自動化水平是衡量一臺機器設(shè)計成功與否的一個標志。自動化水平的提高 ,不僅使工作人員從繁重的體力勞動中解放出來，而且提高了勞動生產(chǎn)率。目前德國的包裝機械中，自動化技術(shù)己被廣泛的應(yīng)用，約占整個機械中的 36%。其它一些制造業(yè)大國也十分重視自動化水平的提高，并不斷的把最新的技術(shù)與自動化技術(shù)緊密結(jié)合，如智能控制技術(shù)，傳感器技 術(shù) 這些技術(shù)的加入，不僅使自動化水平顯著提高，而且提高了生產(chǎn)效率，增加了工作的穩(wěn)定性和準確性。 2) 高效率 ,高可靠性 高效率，高可靠性是機械設(shè)計人員追求的一個方向，但往往二者不可兼得，當效率高的時候，機器的運動速度一般要求較高，這時機構(gòu)間的沖擊，碰撞會大幅增加，穩(wěn)定性下降，可靠性降低。低速時雖然工作穩(wěn)定，可靠性高，但效率很低，所以找到二者的均衡點至關(guān)重要。但隨著新的設(shè)計方法和設(shè)計理念的提出，或許可以設(shè)計出效率高，工作又穩(wěn)定的機構(gòu)。目前德國的罐裝機生產(chǎn)能力可達 13000 瓶 /時，茶葉包裝機的速度達到了 360 袋 /分，這些機械不僅效率高，而且工作穩(wěn)定，滿足了目前食品行業(yè)的需求。但是目前提高效率的手段主要是通過提高速度，但速度的提高不是沒有限制的，一旦達到上限，未來該怎么辦，這是值得考慮的。 3) 好的柔性和靈活性 隨著生活質(zhì)量的提高，人們對物質(zhì)多樣性的需求越來愈大，這就要求包裝機械具有好的柔性和靈活性，能根據(jù)產(chǎn)品的要求作出改變。如新型的擰瓶機，只要通過更換旋蓋頭，就可以對不同類型，不同結(jié)構(gòu)的瓶蓋進行封口。相信簡單，模塊化，便攜式，更緊湊，更靈活和更小巧將是未來包裝機械的發(fā)展趨勢。 4) 注重成套性和配套性 擰瓶機成套設(shè)備及相關(guān)設(shè)施是對擰瓶機功能的擴展，目前發(fā)達國家對這方面十分重視，這可以顯著提高產(chǎn)品的市場競爭力，例如日本的包裝機械，專門為用戶提供了一系列的備選方案，針對具體的工作環(huán)境和工作要求，用戶可以選擇適合自己的配套設(shè)備。并且可以通過計算機仿真技術(shù)對現(xiàn)實情況進行模擬，及時發(fā)現(xiàn)問題并提出合理的解決方案。但這里同樣要注意設(shè)備之間的匹配，如果有的效率高，有的效率低，最后的工作效率是山配套設(shè)備中效率最低的設(shè)備決定的。 5) 使用新的設(shè)計理念和方法 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，新的設(shè)計方法不斷涌現(xiàn)，如計算機輔助設(shè)計，計算 機輔助制造，計算機仿真等，使用這些新的方法，可以改善傳統(tǒng)設(shè)計過程中設(shè)計周期一長，成本高的缺點。而且隨著現(xiàn)代設(shè)計理論的發(fā)展，可以在設(shè)計前先做一定的理論分析，縮小設(shè)計的范圍，減少實驗的次數(shù)。理論數(shù)學(xué)的發(fā)展也為機械設(shè)計提供了一定的理論基礎(chǔ)，如遺傳算法，最優(yōu)算法，可以快速的找到最優(yōu)解，找到設(shè)計中的最佳尺寸?？傊?，新的技術(shù)和方法有利于機械制造業(yè)的發(fā)展 19 。 1.3本課題應(yīng)達到的要求 本課題基于我國目前擰瓶機的發(fā)展現(xiàn)狀，首先 根據(jù)設(shè)計的指標要求來確定系統(tǒng)的總體方案，提出滿足設(shè)計要求的方案，并運用 UG 軟件進行模型的搭建，通過仿真分析，找出其中的問題，以期達到最佳設(shè)計目標。 本課題要解決的問題是提高擰瓶機的旋蓋的速率的較大的提高，其中包括理蓋，送蓋，壓蓋，旋蓋和擰好瓶的輸出部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及擰瓶機的整體設(shè)計，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)。 2.擰瓶機的整體設(shè)計 2.1 設(shè)計任務(wù)分析 設(shè)計一臺回轉(zhuǎn)式擰瓶機，用于將容器蓋上瓶蓋。 2.1.1 設(shè)計參數(shù) 生產(chǎn)能力： 40005000 瓶 /h； 瓶蓋尺寸：直徑 30 40mm；高 12 15mm； 瓶子尺寸：直徑 60mm；高 150mm 200mm； 2.1.2 工藝路線 供送瓶和蓋 旋蓋 送出產(chǎn)品 2.1.3 技術(shù)要求 旋緊力要合適，過緊則瓶子用戶不易開瓶，影響顧客使用，過松則會試瓶內(nèi)的液體漏出。 瓶口直徑、瓶子高度在一定范圍內(nèi)可調(diào)，使擰瓶機具有一定的柔性，適合不同類型的罐頭。 擰瓶機旋蓋動作要保證瓶蓋本身的美觀，防止對瓶蓋造成刮傷。 擰瓶機的效率高，使用擰瓶機能滿足工廠降低生產(chǎn)成本的目的。 具體到不同類型的擰瓶機，還有其它一些要求，比如低重量、高穩(wěn)定性、低功耗等等。 2.2 擰瓶機的工作原理 擰瓶機主要由進出瓶機構(gòu)，理蓋系統(tǒng)，送蓋機構(gòu)，擰瓶機構(gòu)，傳動系統(tǒng)，機身支架等部分組成。機械式全自動擰瓶機采用機械式旋 蓋頭進行旋蓋。傳送帶通過兩側(cè)的欄桿夾緊瓶子并帶動瓶在流水線上運動。旋蓋頭安裝在圓盤上方，通過圓柱凸輪實現(xiàn)升降，并隨瓶身一起轉(zhuǎn)動。當旋蓋頭接觸到蓋子時，電動機開始運作，隨著旋蓋頭的下降將瓶蓋擰緊。旋蓋頭又會隨著圓柱凸輪上升脫離瓶蓋，最后將擰好的瓶子經(jīng)過撥桿送出圓盤，到達輸出的傳送帶上。 2.3 總體方案確定 經(jīng)過對擰瓶機相關(guān)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幾種大致的設(shè)計方案如下： 2.3.1 方案一的介紹 如圖 2.1 所示，該方案利用步進電機帶動傳送帶將待旋蓋瓶傳送至上蓋 裝置下方自動上蓋并撫平，然后將上好蓋的瓶子停止在擰瓶機正下方，傳感裝置將信號傳至擰瓶機構(gòu)，通過上部的氣缸實現(xiàn)旋蓋頭的整體下移，通過下部的杠桿機構(gòu)實現(xiàn)瓶子的夾緊，選蓋頭旋轉(zhuǎn)將瓶蓋旋緊在瓶上。旋蓋完成后旋蓋頭升起，傳送帶繼續(xù)前進一定距離，開始重復(fù)旋蓋過程。本方案結(jié)構(gòu)較為簡單，易懂，但是從整體來分析，旋蓋的效率不是太高，而且對傳送帶的各種要求比較高，需要特別訂制，成本會提高 2 。 圖 2.1 方案一擰瓶機的結(jié)構(gòu)的正視圖 2.3.2 方案二的介紹 如圖 2.2所示，該方案的全自動擰瓶機由上蓋裝置，傳送帶，底座箱，擰瓶機構(gòu)，旋瓶圓盤，控制機箱等組成。傳送帶是靠三項異步電動機帶動一直勻速的前進，中間的由步進電機驅(qū)動的旋瓶圓盤間歇轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn) 動時，從上料側(cè)將瓶子取走通過振動上蓋裝置上蓋；停止時，一直旋轉(zhuǎn)的旋蓋頭靠下部氣缸的作用整個支撐桿向下運動完成旋蓋并抬起，與此同時，前面旋蓋完成的瓶子會隨著傳動帶輸出。從而，順利的完成了全自動旋蓋的整個過程 6 。 圖 2.2 方案二擰瓶機結(jié)構(gòu)圖 2.3.3 方案三的介紹 如圖 2.3，該方案 將盛滿液體的瓶子固定在輸送鏈上，再傳送到轉(zhuǎn)盤上，理蓋器將蓋通過圓柱凸輪放到瓶口，再傳送到帶輪上，用旋蓋頭將蓋擰緊 25 。 圖 6 方案三 總體結(jié)構(gòu)布置圖 2.3.4 方案四的介紹 如圖 2.4，瓶子通過傳送帶經(jīng)過軌道的限制約束，到達前面的擋板定 位，瓶與瓶蓋接觸，瓶蓋就會蓋在瓶上，在經(jīng)過撥桿撥入轉(zhuǎn)盤中，旋蓋頭經(jīng)過圓柱凸輪的升降與瓶蓋接觸將蓋卡緊旋蓋頭進行定位，此時旋蓋頭的電動機開始工作將蓋擰緊，由于旋蓋頭內(nèi)有彈簧，當旋蓋頭上升時可以有效的與瓶體脫離，減少對瓶蓋的傷害，當擰好的瓶轉(zhuǎn)到出口時，在經(jīng)過撥桿撥到輸出的軌道上，通過傳送帶傳送出去。本方案可以有效的節(jié)省空間，而且顯著的提高了生產(chǎn)效率，一改先前的單線擰蓋。 2.4 方案比較 方案一結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，但是傳送帶的停走精度難以控制，所以整個旋蓋的精度低而且生產(chǎn)效率低，而且整個裝置的 自動 化程度不是很高，較為適合小批量生產(chǎn)；方案二結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單且精密合理，旋蓋精度，效率相對高一些，但是還是單線生產(chǎn)；方案三的考慮到了將蓋通過圓盤旋轉(zhuǎn)的方式將蓋放在瓶上，但是擰瓶時仍然還是單線，效率不是很高；方案四有效的解決以上的一般問題，雖然將蓋放在瓶上也是單線，但是效率比之前高的多，而且選用雙道都在同側(cè)，節(jié)省了很多空間，運用圓盤十二瓶的機構(gòu)顯著的提高了生產(chǎn)效率。所以本方案選擇了方案四的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 圖 2.4 方案四擰瓶機的前視圖 2.5 采用方案的詳細設(shè)計 2.5.1 傳送機構(gòu)的設(shè)計 圖 2.6 傳送帶軌道 如圖 2.6，傳送機構(gòu)的軌道是喇叭口的，開口是較大些方便瓶子的進入，但是到左邊軌道的寬度就和瓶身直徑相同，便于定位。 2.5.2 轉(zhuǎn)盤的設(shè)計 如圖 2.7，地面轉(zhuǎn)盤的是根據(jù)瓶子的半徑設(shè)計的，為了提高生產(chǎn)率選擇有 12個卡口，可以同時進行 12個瓶的旋蓋，可以節(jié)省很多的時間。圓環(huán)軌道的寬度剛好是瓶身的直徑，可以很有效的起到定位的效果，方便旋蓋。 圖 2.7 轉(zhuǎn)盤 2.5.3 升降機構(gòu)的設(shè)計 圖 2.8 圓柱凸輪機構(gòu) 如圖 2.8，升降機構(gòu)選擇圓柱凸輪機構(gòu)， 當圓柱凸輪轉(zhuǎn)動時，滾子也會沿著里面滾槽向上或向下滾動，實現(xiàn)旋蓋頭的升降 26 。 2.5.4 理蓋器的設(shè)計 通用瓶蓋理蓋器的結(jié)構(gòu) 瓶蓋理蓋器主要由料斗、螺旋形供蓋滑道、出蓋口、支承板彈簧、減振橡膠彈簧、銜鐵、電磁鐵、氣隙調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和基座等部件構(gòu)成，如圖 2.9 所示。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“往復(fù)扭轉(zhuǎn)上下微幅振動”的 運動；在這種 復(fù)合式運動過程中，瓶蓋將沿螺旋形供蓋滑道從料斗底部向上移動，同時進行自動排隊、 1 料斗 2 螺旋形滑道 3 支承板彈簧 4 氣隙調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu) 5