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螺旋自动灌装机结构设计与分析




    目前,随着经济的发展,人们的生活水平也日益 提高,对机械化设备的需求日益凸显。而旋转型灌 装机作为小型家用灌装设备,可广泛应用于牛奶、果 汁、饮料的灌装。同时经济和机械化操作的深入发 展,饮料、啤酒等行业的发展壮大,对灌装系统的需 求逐渐增长,让人类社会快速的步入到自动化时代, 灌装行业受益匪浅。但目前市面上现有的灌装机 大多存在结构复杂、只能针对某种液体灌装、兼容性 差、成本高、普及率低等问题。因要保证灌装时运行 平稳,不至于使液体洒落出来,则容器瓶需要相对固 定,现有的灌装机多数无法较好地实现容器瓶固定, 只能降低工作台转速来保证容器瓶的平稳,且需人 工进行容器瓶位置的调整,故自动化程度低,灌装效 率低。现在已有学者、专家针对上述问题提出了解 决方案,较好地实现了原设计方案的部分功能,但还 存在部分难以解决的问题,上海交通大学徐仁和设 计的碳粉灌装机,工作稳定、故障率低,但罐装的 效率较低。杭州钢铁股份有限公司杨鸣设计的全自 动联合灌装机[3] ,可实现高功率快速运转,但故障率 较高。南京理工大学殷水忠设计的果粒饮料盒中袋灌装机,可实现精准灌装,但自动化程度较低。 Ludwig Clisserath 发明了一种液体加压灌装的容 器,在填充阶段使用回流气体管进入到各自的容器 中,以控制灌装高度。灌装机的输出与传送系统 一般采用皮带轮系统,确保加工完成的产品平稳,高 效,无损伤地输出。 

    本文设计了一种新型的全自动旋转型灌装机, 这种灌装机由容器瓶输入系统、定位夹紧系统、灌装 系统、封口压盖系统以及产品输出与传送系统构 成。设计的这种新型的灌装机,灌装精准,工作稳 定,故障率低,自动化程度高,可极大提高工作效率。 
    1 旋转型灌装机的总体设计方案 
    1.1 设计原理 旋转型灌装机结构较多,功能较为强大,若对旋 转型灌装机进行功能分解,实现每一部分的功能,再 进行机构的组合,有利于总体功能的实现[7] 。可以 把灌装机的功能分为6个部分:容器输入与传送功 能、容器定位功能、容器夹紧功能、灌装功能、封口压 盖功能、产品输出与传送功能,如图1所示。 图1 旋转型灌装机功能分解图 旋转型灌装机可以实现在转动的工作台上对容 器瓶连续灌装,转台有多个工位,可以实现灌装,封 口等工序。为保证在这些工位上能准确地灌装、封 口,灌装机需设有定位装置。根据功能分解图,设计 出灌装机原理图(如图 2 所示),工位 1 用来输入空 瓶;工位2实现灌装;工位3完成封口;工位4最后输 出灌装好的容器。空的容器瓶经传送带传送进入表 面摩擦较小的固定工作台,然后依靠惯性进入转台 工位1凹槽,之后转台回转,带动容器瓶进入工位2 后停止转动,进行灌装,之后转台转动,带动灌装好 的容器瓶进入工位3后停止转动,进行封口压盖,之 后转台转动,带动加工完成的容器进入工位4,然后 通过传送带自动输出并摆放好加工完成的容器瓶。 这种灌装机结构简单,采用回转式结构,可以实现连 续灌装。 图2 旋转型灌装机原理图 本系统采用传送带进行容器的连续传送,容器 瓶在传送带上等间隔均匀分布,进入工位后依次在 每个工位完成既定工序的加工,所有工序完成后,容 器由传送带输出到指定位置。此种设计工序联系紧 密,工序间隔合理,排布均匀,可有效解决容器瓶在 工作台堆积的问题。本系统采用电动机驱动,通过 机构的选用,可以实现运动的传递、转换,来实现自 动化。 
    1.2 机构的选用 为确保良好地实现灌装机各部分的功能,则需 要选用合理的机构进行运动的传递和转换,对灌装 机的各个分系统进行如下机构设计: (1)灌装机的转盘系统采用槽轮机构,可以准确 地实现间歇回转运动,保证机构间的协调配合关系, 可确保容器瓶稳定的进入下一个工位,不易倾倒,故 障率低。 (2)灌装机的封口压盖系统采用连杆机构,由于 连杆机构具有结构简单可靠、传动载荷较大、传动距 离较远和可实现急回运动等特点,可以使灌装机整 体结构简单,工作效率高,不易出现故障。 (3)灌装机的夹紧定位采用凸轮机构,凸轮机构 可使从动件得到任意的预期运动,而且结构简单、紧 凑、设计方便,可以确保定位精准,且机构间协调能 力强,夹紧凸轮可以和转盘凹槽结合,使容器瓶夹 紧,回转运动时不会发生倾倒和脱离工作台等故障。凸轮机构虽然为高副接触,但是因为容器瓶容 积小、质量轻,故所需的夹紧力较小,并且灌装机的 转速较低,因此,长期连续工作时产生的热量较小, 则结构不易磨损,可长时间连续平稳工作。 (4)灌装机的灌装系统采用凸轮机构,可保证灌 装平稳,液体不易倾洒出容器瓶,且可以定量地实现灌装,不会出现未装满或溢出等问题。 
    1.3 机械运动简图及工作原理 根据图1的灌装原理图、图2的功能分解图及表 1 选用的机构,可画出旋转型灌装机的机械运动简 图[8 (] 见图3),由旋转型灌装机的机械运动简图可看 出结构及工作原理,工作原理如下所述: (1)电机1通过皮带轮2传到皮带轮3,3通过轴 传到齿轮4,4传给齿轮5,5通过轴传到齿轮6,6传 到齿轮7,从而形成三级传动。 (2)7通过轴传到锥齿轮31,31传给锥齿轮32, 32传给同轴带轮33,33传给带轮29,29和带轮30构 成输入机构,一起输送容器。 (3)7通过轴传给锥齿轮13,13传给锥齿轮14, 14通过轴传给夹紧凸轮35,35和工作台凹槽一起完 成定位,夹紧动作。 (4)带轮 29 传给同轴带轮 28,28 传给带轮 25, 25传给同轴凸轮26,26推动活塞推杆27,27完成灌 装动作。 (5)锥齿轮14通过轴传给齿轮15,15传给齿轮 16,16传给同轴的主动拨盘17,17传给从动槽轮18, 18带动工作台19回转,实现间歇运动,把容器传送 到下一个工位。 图3 旋转型灌装机的机械运动简图 1电动机;2、3带轮;4、5、6、7齿轮;8、9锥齿轮;10、11、12带 轮;13、14锥齿轮;15、16齿轮;17主动拨盘;18从动槽轮; 19工作台;20瓶塞;21连杆;22、23、24齿轮;25带轮; 26凸轮;27活塞推杆;28、29、30带轮;31、32锥齿轮; 33带轮;34机架;35、36夹紧凸轮;37、38、39、40锥齿轮 (6)齿轮16传给同轴锥齿轮40,40传给锥齿轮 39,39 传给同轴锥齿轮 38,38 传给锥齿轮 37,37 传 给同轴夹紧凸轮36,36和工作台凹槽一起完成定位 夹紧动作。 (7)带轮 25 传给同轴齿轮 24,24 传给齿轮 23, 23传给齿轮22,22传给连杆21,21推动瓶塞20做往 复运动,完成封口动作。 (8)齿轮7传给同轴齿轮8,8传给锥齿轮9,9传 给同轴带轮10,10传给带轮11,11和带轮12一起完 成灌装后容器的输出动作。 
    1.4 传动比的分配 旋转型灌装机完成以上运动所需要的机构如 下:转盘间歇运动机构为槽轮机构,封口用曲柄滑块 机构,灌装用凸轮机构,定位夹紧用凸轮机构[9] ,容 器瓶的输入、输出用皮带轮机构[10] ,传送带采用同步 带传动,带的工作面做成齿形,带轮的轮毂表面也做 成相应的齿形。这种带传动受载后变形极小,齿形 带的周节基本不变,传动比恒定、准确。齿形带薄而 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%。 为了使灌装机的效率更高,灌装机采用电动机 驱动来实现自动化,若设定转台直径为 600mm,采 用三相异步电动机(如型号Y112M-4),电动机的转 速要求为1440rpm,额定功率为4kW,经减速后可实 现灌装速度10瓶/分。 因为电动机的转速较高,需设计传动系统进行 减速,传动系统采用三级减速机构,第一级为带传 动,第二、三级为齿轮传动。为使传动构件取得较小 尺寸,结构紧凑,采用传动比“先小后大”原则。先进 行总传动比的计算,然后对各级传动比进行分配。 对总传动比进行计算: i总 = i1i2i3 = n0n1n2 n1n2n3 = n0 n3 = 1440 10 = 144 (1) 其中,i总 为传动减速系统总的传动比;i1 为第一级 减速所采用的传动比;i2 为第二级传动所采用的传 动比;i3 为第三级减速所采用的传动比;n0 为电机1 的转速;n1 为带轮3的转速;n2 为齿轮5的转速;n3 为齿轮7的转速。 对各级传动比进行分配:取 i1 = 4 ,i2 = i3 = 6 , 则 i总 = 144 。经三级减速,与齿轮 7 相连的轴转速 降为10rpm,锥齿轮啮合传动比为1,则转台转速为 10rpm,从而实现灌装速度为 10rpm。其余齿轮,锥 齿轮啮合传动比皆为1。 1.4 传动比的分配 旋转型灌装机完成以上运动所需要的机构如 下:转盘间歇运动机构为槽轮机构,封口用曲柄滑块 机构,灌装用凸轮机构,定位夹紧用凸轮机构[9] ,容 器瓶的输入、输出用皮带轮机构[10] ,传送带采用同步 带传动,带的工作面做成齿形,带轮的轮毂表面也做 成相应的齿形。这种带传动受载后变形极小,齿形 带的周节基本不变,传动比恒定、准确。齿形带薄而 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%。 为了使灌装机的效率更高,灌装机采用电动机 驱动来实现自动化,若设定转台直径为 600mm,采 用三相异步电动机(如型号Y112M-4),电动机的转 速要求为1440rpm,额定功率为4kW,经减速后可实 现灌装速度10瓶/分。 因为电动机的转速较高,需设计传动系统进行 减速,传动系统采用三级减速机构,第一级为带传 动,第二、三级为齿轮传动。为使传动构件取得较小 尺寸,结构紧凑,采用传动比“先小后大”原则。先进 行总传动比的计算,然后对各级传动比进行分配。 对总传动比进行计算: i总 = i1i2i3 = n0n1n2 n1n2n3 = n0 n3 = 1440 10 = 144 (1) 其中,i总 为传动减速系统总的传动比;i1 为第一级 减速所采用的传动比;i2 为第二级传动所采用的传 动比;i3 为第三级减速所采用的传动比;n0 为电机1 的转速;n1 为带轮3的转速;n2 为齿轮5的转速;n3 为齿轮7的转速。 对各级传动比进行分配:取 i1 = 4 ,i2 = i3 = 6 , 则 i总 = 144 。经三级减速,与齿轮 7 相连的轴转速 降为10rpm,锥齿轮啮合传动比为1,则转台转速为 10rpm,从而实现灌装速度为 10rpm。其余齿轮,锥 齿轮啮合传动比皆为1。 
    1.5 齿轮参数设计 齿轮机构在旋转型灌装机的运动传递过程中起 重要作用,为保证整个运动的平稳传递,进行详细齿 轮参数设计[11] 。齿轮4、6的参数保持一致;齿轮5、 7的参数保持一致;轮15、16的参数保持一致;锥齿轮8、9、13、14、31、32、37、38、39、40的参数保持一致 (如表1、表2所示),传送轴的设计可根据传动轴所 受外力确定传送轴的最小直径,再根据实际情况确 定传动轴的直径,本系统为原理设计,具体参数可根 据实际情况查阅《机械设计手册》进行确定。 表1 各直齿轮参数 各直齿轮参数名称 齿数 z 模数 m 压力角 a 齿宽 b 齿轮4、6 z =15 m =1 a =20˚ 5mm 齿轮5、7 z =90 m =1 a =20˚ b =5mm 齿轮15、16 z =40 m =1 a =20˚ b =5mm 表2 各锥齿轮参数 各锥齿轮参数名称 模数 齿数 压力角 面宽 毂直径 安放距离 标称轴直径 锥齿轮8、9、13、14、31、32、37、38、39、40 2 20 20˚ 12mm 75mm 10mm 10mm 
    1.6 旋转型灌装机运动循环图 机械结构的各执行构件之间在动作上必须协调 配合[12] 。如果协调配合关系遭到破坏,机械结构不 仅不能完成预期的工作任务,甚至还会损坏机械设 备[13] 。为了保证机械结构在工作时各执行构件间动 作的协调配合关系,编制了一个用以表明在机械的 一个工作循环中各执行构件的运动配合关系的运动 循环图(如图4所示)[14] 。运动循环图的工作过程是 当灌装机工作时,输入传送带和输出传动带一直在 不停歇的转动,传送容器。在工作台不转动的时候, 各工位进行加工,完成既定的工序。工作台不转动 时,工位2上的容器瓶被夹紧,完成灌装动作。工位 3上的容器瓶被夹紧,完成封口动作。在罐装、封口 工序完成,机构回程时,夹紧凸轮转动,不夹紧容器 瓶。这时工作台回转,将完成加工的容器瓶送到下 一个工位去进行加工。 图4 旋转型灌装机的运动循环图 
    2 旋转型灌装机建模及仿真分析 
    2.1 应用软件对旋转型灌装机整体进行建模 应用solidworks软件对基于本文所述原理的旋 转型灌装机进行实体建模(如图5所示),可以清晰 明了的看出外观、运动原理及各机构之间的装配关 系,为加工制造零件,调试产品提供依据[15] 。 图5 旋转型灌装机内部机构原理图 
    2.2 旋转型灌装机的灌装机构运动仿真 灌装机构采用凸轮机构,可以较为精确的完成 饮料灌装任务[16] 。因为灌装要求精度高,且在整个 旋转型灌装机中较为重要,则需要进行灌装凸轮的 外型轮廓设计及运动分析。 用软件对灌装凸轮的运动规律进行模拟来进行 定性的分析。仿真中对旋转型灌装机的基本工作参 数进行如下设定:(1)容器高度 h = 200mm ;(2)活塞 运动范围 s = 40mm ;(3)推杆和活塞总长 l = 105mm , 再选定凸轮的基本参数:①基圆半径 r0 = 45mm ;② 滚子半径 rt = 0mm ;③行程 s = 40mm ;④推程角 δ0 = 120° ;⑤回程角 δ = 120° ;⑥近休止角 δ01 = 60° ;⑦远休止角 δ02 = 60° ;⑧升程最大压力角 αmax 01 = 31.454° ;⑨回程最大压力角 αmax 02 = 31.454° ; ⑩凸轮运动推程和回程选用无柔性冲击和刚性冲击 的摆线运动规律,在远休止和近休止时采用静止运 动规律[17] 。 由运动循环图和图 6 的位移线图可以看出来, 在轴回转 0°~120° 时,容器瓶处于静止状态,而凸轮 处于推程状态,可以完成液体的灌装;在轴回转120°~140° 时,转盘回转,已完成灌装的容器瓶进入 到下一个工位,在此期间活塞处于液体储存杯的最 下方,并保持静止,挡住灌装通道,不会使液体流 出。在轴回转240o ~360o 时,转盘回转,下一个空的 容器瓶进入灌装工位,凸轮处于回程状态,完成液体灌装,一个周期工作完成。由速度线图及加速度线 图可以看出来,速度及加速度连续变化,无柔性冲击 及刚性冲击,运动平稳,完全符合设计要求。 图6 凸轮的运动曲线 2.3 封口压盖机构运动仿真 封口压盖采用曲柄滑块机构,曲柄滑块机构具 有急回特性,可以确保快速准确地完成封口操作。 封口压盖机构在旋转型灌装机中有重要地位[18,19] , 所以进行详细设计和运动分析。对齿轮与曲柄安装 高度及转速初始参数进行设定: (1)齿轮与曲柄的安装高度为 400mm 。 (2)齿轮与曲柄转速为10rpm。 依据设定的初始参数,则可得到:曲柄长度 l1 = 30mm ;连杆长度 l2 = 150mm ;封口压盖滑块的 行程 s = 60mm 。 曲柄滑块的轮廓尺寸及定性的运动仿真如图7 所示,曲柄滑块的位移为正弦运动规律,在完成液体 灌装的容器瓶到达封口工位时可以快速完成封口动 作,当容器瓶进入下一个工位时则滑块回到原始位 置,完成一个周期的运动。由速度线图和加速度线 图可知速度和加速度都是正弦运动规律,可以看出 速度与加速度的偏差小,准确,冲击小,可以确保工 件磨损小,较好地完成封口动作,符合设计要求。 图7 曲柄滑块机构的运动曲线 
    3   结论 
    本课题通过分析灌装机的工作原理,结构特性, 市面已有灌装机的的不足,设计了一种新型全自动 旋转型灌装机结构及运动方案,并分析了其工作原 理、功能。主要完成以下几个方面的内容: (1)在分析工艺动作的基础上,针对各工艺动作 所涉及到的运动机构进行了合理设计,如容器输送 的方式、定位与夹紧、转台的间歇转位及定量灌装 等。 (2)在执行机构的选型及运动方案的确定上,重 点研究了转台间歇机构与定量灌装机构,通过比较 各自的优缺点来合理正确地选型,确保采用合理的 机构,使整体工作效率更高。 (3)对灌装机整体进行建模及运动学仿真,使各 机构的运动相互协调,运行平稳,为后续加工制造及 推广应用奠定良好的基础。 本文所设计的灌装机与市面已有灌装机相比具 有定位精准,灌装稳定,机构简单,制造成本低,自动 化程度高,运行效率高的优点,适合大规模推广应 用。 参