张迪定稿终结版

学 士 学 位 论 文

旋转型灌装机运动系统设计

姓 名： 张迪 学 号： 200905230253 指导教师： 韩学政 缑亚楠 学 院：

机电工程学院

专 业： 机械设计制造及其自动化 完成日期：

2013年5月18日

学校代码：10904

姓名：张迪

学号：200905230253

指导教师：韩学政缑亚楠

学院：机电工程学院

专业：机械设计制造及其自动化

完成日期：2013年5月18日

摘要

本文通过对旋转型灌装机的运动系统设计，实现对包装容器（如啤酒瓶）连续灌装流体。包装容器由传送带送至旋转工作台，并在不同工位停歇，实现对包装容器的灌装流体以及封口工序。由固定在具体工位上方的曲柄滑块机构完成对包装容器的灌装和封口，槽轮机构完成工作台的旋转及停歇。设计完成用Pro/E 输出图纸。通过对旋转型灌装机的运动系统设计，改变了过去自动化程度低的状况，省去了人工灌装和封口带来的不便，提高了生产效率。旋转型灌装机属于基础制造行业，与生活息息相关，在我国旋转型灌装机起步较晚，现在正处于快速发展阶段，具有非常好的发展前景。

关键词：运动系统；机构；Pro/E

Abstract

Based on the movement of rotating type filling machine system design, continuous filling fluid container (such as beer bottles). Container by the conveyor belt to the rotary worktable, and in a different location, realize the packaging container filling fluid and sealing process. By fixed in a specific location at the top of the slider-crank mechanism complete filling and sealing of packaging container slot wheel mechanism to complete the rotation of the workbench and pause. After the completion of the design, using Pro/E output drawing.Through movement of rotating type filling machine system design, changed the past the low automatic degree, eliminating the manual filling and sealing of inconvenience, improves the production efficiency. Rotating type filling machine belongs to the basic manufacturing industry, is closely related to life, rotating type filling machine in our country start late, is now in rapid development stage, has the very good development prospects.

Key words: movement system；parameters；Pro/E

目录

第1章绪论

1.1选题背景和意义 (1)

1.2国内外研究现状及发展趋势 (1)

1.3研究内容与方法 (2)

第2章功能要求及工作原理

2.1功能要求 (3)

2.2工作原理及工艺动作流程 (3)

第3章运动系统机构方案设计

3.1原动机的选择 (5)

3.2传动机构的方案设计 (6)

3.3 灌装封口机构设计 (8)

3.4 拟定的方案 (9)

第4章系统设计数据处理

4.1 运动循环图 (12)

4.2尺寸设计 (12)

4.3 曲柄滑块机构的计算 (14)

第5章总结 (16)

参考文献 (17)

致谢 (18)

第1章绪论

1.1选题背景和意义

现如今啤酒及其他碳酸饮料在人们的生活中已占据了很重要的地位，从而也带动了灌装机械的发展。我国目前包装机械行业的发展空间比较大，传统灌装机通过传送带传送无法精确将空瓶送至具体工位，自动化程度低，通用性差，灌装速度调整不方便，而且难以适用瓶形、液体物料及灌装规格的变化等问题，国内外大中型企业引进了意大利、新加坡、英、美等国的灌装机，其性能虽然优于某些国产机，但其价格昂贵，一直是同类产品的20倍左右，中小型企业难以承受[1]。

旋转型灌装机，既能克服传统灌装机的不足且价格便宜。一般采用连续式灌装形式，即包装容器在运行中自动完成灌装动作。由于灌装过程中包装容器沿圆周方向作等速回转运动，运动中同时完成灌装和封口操作，因此旋转型灌装机连续生产，自动化程度高、占地少、生产能力大，生产效率较高，对我们的日常生产生活有重大意义[2]。

1.2国内外研究现状及发展趋势

国外灌装与封口设备向高速、多用、高精度方向发展，目前部分灌装生产线已可以在玻璃瓶与塑料瓶容器（聚酯瓶）、碳酸饮料与非碳酸饮料、热灌装与冷灌装等不同要求和环境下使用[3]。目前碳酸饮料灌装机灌装速度最高已达2000灌每分钟，德国H&K公司灌装机的灌装阀多大165头、SEN公司144头、Krones 公司178头，灌装机的直径大至5米，灌装精度±0.5ml以下。全线的自控水平和全线效率高。在线检测装置和计量装置配套完备，能自动检测各项参数，计量精确。集机、电、气、光、磁为一体的高新技术产品不断涌现。

我国饮料、乳品、啤酒市场得到长足发展的同时也带动了包装机械业的发展速度。自从上世纪八十年代开始，中国每年都要进口大量的饮料、乳品和啤酒包装机械。这些生产线的引进，使中国饮料、乳品和啤酒企业的包装水平得以提高。与此同时，中国包装机械的生产也取得了长足的进步，部分灌装、封口一体设备已经达到较高水平，包括塑料瓶、酸奶杯、无菌包装成型设备和贴标机在内的包装生产线水平也得到了提升，已经可以满足中型企业的需要，部分已经可以替代

进口设备，并且出口量逐年提高[4]。当前灌装机的发展趋势是不断提高单机的自动化程度，改善整条包装生产线的自动化控制水平、生产能力，可以大大改善食品饮料包装生产设备产品的质量，提高其国内、国际竞争能力[5]。

不过无论是碳酸饮料、瓶装水、果汁还是茶饮料，也无论是PET瓶、金属灌还是利乐包，中国著名饮料企业的包装生产线基本上是引进设备的天下。所以我国目前包装机械行业的发展空间比较大，对这行业还应该加大科研创新的投资。

1.3研究内容与方法

首先，确定旋转型灌装机的整体运动方案。通过传送带将空瓶送至旋转型灌装机的进瓶螺旋，然后由进瓶螺旋，将空瓶送至旋转工作台上具体的工位。其次，确定空瓶在工作台上停歇方案。通过齿轮，棘轮或槽轮等机构设计实现空瓶在具体工位的停歇以便完成对空瓶的灌装及封装[6]。再次，设计具体灌装及封装的机构。

对空瓶在旋转工作台上的停歇，可利用棘轮和槽轮设计两种停歇方案，然后比较确定一个最优方案。对空瓶的灌装，可采用灌瓶泵灌装流体，并且使泵固定在某工位的上方。对空瓶的封口，可采用移动导杆机构等平面连杆机构或凸轮机构组成压盖机构实现[7]。

第2章功能要求及工作原理

2.1功能要求

在转动工作台上对包装容器（如玻璃瓶）连续灌装流体（如饮料、酒、冷霜等），转台有多工位停歇，以实现灌装，封口等工序为保证这些工位上能够准确地灌装、封口，应有定位装置。转台上有四个工位，分别完成输入空瓶、灌装、封口、输出包装好的容器的作用[8]。旋转工作台如图2-1所示。

图2-1旋转工作台

2.2工作原理及工艺动作流程

该机采用电动机驱动，传动方式为机械传动。电动机输出转矩，经过减速之后分别与具有不同功能的机构相连接。传动示意图如图2-2所示。

图2-2传动示意图

灌装机构和封口机构均为曲柄滑块机构，分别实现对空瓶的灌装流体和对瓶子的封口的工序。工作台旋转机构为槽轮机构，槽轮机构具有间歇传动的功能，能实现工作台的间歇传动。

传动带将空瓶送至旋转工作台，然后旋转工作台再将空瓶送至灌装机构，同时由槽轮机构实现旋转工作台的间歇，灌装机构利用间歇时间给空瓶灌装流体。然后旋转工作台继续转动，再将灌装后的瓶子送至封口机构，同样会有间歇时间[9]。此时，封口机构对瓶子进行封口。然后再通过旋转工作台将封完口的瓶子送至成品出口处，最后由传送带将成品输出。工作流程图如图2-3所示。

图2-3工作流程图

第3章 运动系统机构方案设计

3.1原动机的选择

选择电机类型：电动机是机器中运动和动力的来源，其种类很多，有电动机、内机、蒸汽机、水轮机、气轮机、液动机等。电动机结构简单、工作可靠、控制方便、维护容易，一般机械上大多数是均采用电动机驱动[10]。

电动机已经是系列化了，通常由专门的工厂按标准系列成批或大量生产。机械设计中应根据工作的载荷、工作的要求、工作的环境、安装的要求及尺寸、重量有无特殊限制等条件，从产品目录中选择电动机的类型和结构形式、容量和转速，确定具体的型号[11]。

选择电动机的类型和结构型式：生产的单位一般用三相交流电源，如无特殊的要求（如在较大范围内平稳地调速，经常启动和反转等），通常都采用三相交流异步电动机。我国已制定了一标准的Ｙ系列是一般用途的全封闭的自扇冷鼠笼型三相异步电动机，适用于不易燃、不易爆、无腐蚀气体和无特殊要求的机械，如金属切削机床、风机、输送机、搅拌机、农业机械食品机械等。由于Ｙ系列还具有启动性好的优点，因此也适合某些对启动转矩要求较高的机械[12]。

三相交流异步电动机根据其额定功率和满载转速的不同，具有系列型号。为适应不同的安装需要，同一类的电动机结构又制成若干种安装形式。各类型的电动机的参数和外型及安装尺寸可查手册。

选定电动机的容量：电动机的容量选得合适与否，对电动机的工作和经济性都有影响。当容量小于工作要求时，电动机不能保证工作装置的正常的工作，或使用电动机因长期的过载而过早损坏；容量过大则电动机的价格高，能量不能充分利用，且常常不在满载下运行，其效率和功率的因数都较低，造成浪费[13]。

电机的容量的主要由电动机的运行时的发热情况决定，而发热又与其工作情况决定。

工作机所需工作功率w P ，应由机器工作阻力和运动参数计算得来的，可按下式计算：

Kw Tn

P w 9550

(3-1）

其中：T ——工作机的阻力矩，mm N ? ；

n ——工作机的转速，min r ；

传动装置的总效率0η组成传动装置的各部分运动副效率之积，即

n ηηηηη 3210??= （3-2） 其中：1η，2η，3η分别为轴承、齿轮、斜齿轮的传动效率

按推荐的传动比合理范围，经过综合考虑决定选用Y132S —8型号电动机。 转速为960min r 。

3.2传动机构的方案设计

考虑减小噪声、振动等方面的要求时，最好选用带传动。当原动机时，当原动机驱动主动轮时，由于带与带轮间的摩擦（或啮合），便拖动从动轮一起转动，并传递一定动力[14]。带传动具有结构简单、传动平稳、选价低廉以及缓冲吸振

等特点，在近代机械中被广泛应用。

齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。蜗杆传动的传动比大，承载能力较齿轮低，常布置在传动系统的高速级，以获得较小的结构尺寸；同时，摩擦力大，发热大。同时蜗杆传动在啮合处有相对滑动[15]。当滑动速度很大，工作条件不够良好时，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化，因而摩擦损失较大，效率低；根据以上的分析比较，再结合要求的工作条件可以得到，在此采用带传动。

工作台旋转机构必须具有间歇传动功能，可由以下三种方案实现： 方案一:槽轮机构

槽轮机构结构简单，易加工，工作可靠，转角准确，机械效率高。但是其动程不可调节，转角不能太小，槽轮在起、停时的加速度大，有冲击，并随着转速的增加或槽轮槽数的减少而加剧，故不宜用于高速，多用来实现不需经常调节转位角度的转位运动[16]。槽轮机构如图3-1所示。

图3-1槽轮机构

方案二：不完全齿轮机构

图3-2不完全齿轮机构

不完全齿轮机构结构简单、制造容易、工作可靠，从动轮运动时间和静止时间可在较大范围内变化。但是从动轮在开始进入啮合与脱离啮合时有较大冲击，故一般只用于低速，轻载场合[17]。不完全齿轮机构如图3-2所示。

方案三：棘轮机构

齿式棘轮机构结构简单，制造方便；动与停的时间比可通过选择合适的驱动机构实现。该机构的缺点是动程只能作有级调节；噪音、冲击和磨损较大，故不宜用于高速[18]。棘轮机构如图3-3所示。

图3-3棘轮机构

经过三种方案不同特点对比确定，由于槽轮机构结构简单，易加工，工作可靠，转角准确，机械效率高，比较符合设计要求，故选用方案一。

3.3 灌装封口机构设计

灌装机构和封口机构都需要有一定的行程，原理相似，可由同一种机构来完成。其功能可由以下两种方案实现：

方案一：曲柄滑块机构

图3-4曲柄滑块机构

此曲柄滑块机构为非偏置机构，所以行程速比系数K =1。当B 在1B 位置时，C 处于1C 位置，此时为机构有最小行程。当B 在2B 位置时，C 处于2C 位置，此时机构有最大行程。曲柄滑块机构如图3-4所示。

方案二：凸轮机构

凸轮的转动推动滚子上下移动从而具有一定的行程。但是凸轮机构会有较大

的磨损。凸轮机构如图3-5所示。

图3-5凸轮机构

凸轮机构是点、线接触易磨损，且凸轮轮廓加工困难，行程不大。曲柄滑块机构运动副均为低副，压强较小，可承受较大的载荷，并且有利于润滑，运动副元素的几何形状较简单，便于加工制造[19]。因此，选用方案一来实现灌装和封口的工序。

3.4拟定的方案

由于曲柄滑块机构制造简单，易加工，工作可靠的特点，灌装和封口机构均用的曲柄滑块机构，为了完成不同的功能还需要对机构稍作调整如图3-6所示。

图3-6灌装机构图3-7灌装机构中的滑块为了便于灌装流体，故将曲柄滑块机构中的滑块制成图3-7所示。叶片可锁

住瓶颈，在灌装时瓶子不易抖动。

同样，用曲柄滑块机构作为封口机构也需要调整一下，封口机构如图3-8所示。

图3-8封口机构

至此，将每一个具有特定功能的机构组合起来，装配到工作台上这就是旋转型灌装机了。旋转型灌装机实图如图3-9所示。

(a)

(b)

图3-9旋转型灌装机实图

第4章系统设计数据处理

4.1运动循环图

以曲柄滑块机构的曲柄转过的角度为参考。曲柄滑块机构的曲柄转动一圈，恰好完成一次灌装和一次封口。控制工作台旋转的槽轮的导轮也转动一圈，槽轮转动90度，旋转工作台转动22.5度。工作台旋转及灌装封口机构的滑块运动情况如图4-1所示。

工作转台停止

转

动

停止

灌装封口

机构的滑

块

退进

旋转角度0 180 202.5 360

图4-1运动循环图

4.2尺寸设计

齿轮的传动与设计：

电动机输出的转矩经过两次减速后与控制旋转工作台转动的槽轮机构以及

灌装和封口机构相连，如图4-2所示。电动机转速960min

r，经过减速之后，

灌装、封口和槽轮的导轮的转速都是8min

r。

图4-2传动示意图

具体齿轮参数参加下表

表4-1齿轮参数

模数（mm）压力角（0）齿数直径（mm）齿轮152020100

齿轮2520240300

齿轮352020100

齿轮4520200300

齿轮5520200300

齿轮6520200300

工作台尺寸设计：

工作台直径800mm。槽轮通过齿轮转动带动工作台旋转。槽轮的导轮转动360度，槽轮转动90度，通过如4-3图所示的齿轮传动，使工作台恰好旋转22.5度。

图4-3齿轮传动

4.3 曲柄滑块机构的计算

灌装和封口机构均为非偏置的曲柄滑块机构，且行程速比系数1=K 。

图4-4灌装机构示意图

灌装机构示意图如图4-4所示，AB 为原动件，55=AB mm ,60=BC mm ,计算可得灌装机构的行程为mm 100。