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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
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液體灌裝機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對(duì)飲料和酒精的需求量也在不斷增加。因此，高端的工業(yè)自動(dòng)化灌裝設(shè)備也被推廣。本文設(shè)計(jì)并制造了一種啤酒灌裝機(jī)自動(dòng)生產(chǎn)線的智能控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)由和利時(shí)lm3106a PLC（可編程邏輯控制器）和hollyview工業(yè)控制組態(tài)軟件和士林ss22-023-0.75k逆變器組成。我們進(jìn)行了能耗試驗(yàn)和罐裝啤酒生產(chǎn)試驗(yàn)的控制。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)的生產(chǎn)效率提高了11.27。能源消耗的系統(tǒng)也減少了。因此，該系統(tǒng)具有較高的工作效率和節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于未來(lái)的生產(chǎn)中。
關(guān)鍵詞：灌裝機(jī)，可編程邏輯，控制器（可編程序控制器），運(yùn)動(dòng)控制，小型機(jī)械，設(shè)備制造
1 簡(jiǎn)介
灌裝機(jī)屬于包裝機(jī)械的范疇，是灌裝材料的機(jī)械，是灌裝生產(chǎn)線最重要的方面之一。我國(guó)的包裝機(jī)械已經(jīng)發(fā)展成了液體食品產(chǎn)業(yè)，對(duì)世界有著重要的影響并在市場(chǎng)上有較高占有率。
它已經(jīng)發(fā)展成液體食品行業(yè)，對(duì)世界有著重要的影響并在市場(chǎng)上有較高占有率[1]。因此，液體灌裝機(jī)市場(chǎng)有很好的發(fā)展?jié)摿?。目前，各種灌裝機(jī)生產(chǎn)廠生產(chǎn)的灌裝機(jī)在灌裝能力、效率、適用范圍和自動(dòng)化程度等方面，各有優(yōu)缺點(diǎn)。在很大程度上制約了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
使用灌裝機(jī)不僅可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少產(chǎn)品損失，保證包裝質(zhì)量，而且可以減少環(huán)境污染和包裝材料的使用量。
因此，現(xiàn)代包裝行業(yè)一般采用機(jī)械化灌裝機(jī)。該灌裝機(jī)用于汽水（啤酒、汽水、啤酒、可樂(lè)）灌裝。采用和利時(shí)LM PLC控制灌裝機(jī)。中央處理器模塊負(fù)責(zé)灌裝機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量控制，包括灌裝頭電磁閥的運(yùn)動(dòng)、電磁閥的氣缸控制、電磁閥可以節(jié)省材料來(lái)控制灌裝機(jī)的啟停。并擁有各種光電開(kāi)關(guān)、液位傳感器檢測(cè)等。
本機(jī)配有高精度自動(dòng)等壓灌裝閥，它的灌裝速度，瓶裝的液面高度是穩(wěn)定的，與空氣壓力差恒定。最大灌裝容量1250毫升，最小灌裝容量240毫升，適合玻璃瓶、寵物瓶、罐等，控制形式包括自動(dòng)控制和手動(dòng)控制[2]。
本機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用變頻電機(jī)，可根據(jù)生產(chǎn)的要求合理調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。液壓缸是配備液位自動(dòng)控制器，如果在這個(gè)過(guò)程中，有空瓶現(xiàn)象，機(jī)器即可自動(dòng)停充。
本設(shè)計(jì)是基于可編程序控制器的控制系統(tǒng)，集成了可編程序控制器、變頻器控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用，多段變頻器調(diào)速控制，使電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化作為反饋信號(hào)檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)灌裝機(jī)的灌裝速度的控制，使灌裝機(jī)編程方便，提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。
同時(shí)使灌裝機(jī)維修方便，節(jié)省了調(diào)整程序的時(shí)間，增加了灌裝機(jī)的靈活性，使其運(yùn)行穩(wěn)定可靠，同時(shí)。灌裝機(jī)是由屬于機(jī)械類，包裝機(jī)械，是灌裝生產(chǎn)線的重要組成部分。
我國(guó)的包裝機(jī)械已經(jīng)發(fā)展成了液體食品產(chǎn)業(yè)，對(duì)世界有著重要的影響并在市場(chǎng)上有較高占有率。因此，目前各種灌裝機(jī)生產(chǎn)廠生產(chǎn)的灌裝機(jī)在灌裝能力、效率、適用范圍和自動(dòng)化程度等方面，各有優(yōu)缺點(diǎn)。在很大程度上制約了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。灌裝機(jī)是一種包裝機(jī)械，廣泛用于食品、化工、制藥等行業(yè)[3]。
這臺(tái)機(jī)器配有各種光電開(kāi)關(guān)、液位傳感器檢測(cè)設(shè)備，高精度自動(dòng)壓力灌裝閥，灌裝速度快，液體灌裝高度穩(wěn)定，機(jī)器壓力恒定。最大充填量量；240毫升最低填充量，適用于玻璃瓶、PET、罐等?？刂菩问桨ㄗ詣?dòng)控制和手動(dòng)控制兩種方式。
電機(jī)傳動(dòng)采用變頻調(diào)速電機(jī)，可根據(jù)生產(chǎn)的生產(chǎn)，合理調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于灌裝缸裝有自動(dòng)電平控制，如果在灌裝過(guò)程中出現(xiàn)空瓶子現(xiàn)象，可以自動(dòng)停止[4]。本設(shè)計(jì)是基于可編程序控制器的灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的研究，采用集成可編程邏輯控制器（可編程控制器），通過(guò)可編程控制器（可編程控制器）對(duì)變頻器進(jìn)行多段調(diào)速，使電機(jī)轉(zhuǎn)速作為反饋信號(hào)的變化進(jìn)行檢測(cè)，從而控制灌裝機(jī)的灌裝速度，從而使灌裝機(jī)編程方便和提高工業(yè)生產(chǎn)效率。
同時(shí)使灌裝機(jī)維修方便，節(jié)省了調(diào)整程序的時(shí)間，增加了灌裝機(jī)的靈活性，使其運(yùn)行穩(wěn)定可靠，同時(shí)。灌裝機(jī)是由屬于機(jī)械類，包裝機(jī)械，是灌裝生產(chǎn)線的重要組成部分。
2 系統(tǒng)的組成
2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
在采用PLC作為主控設(shè)備的控制系統(tǒng)中，傳感器作為檢測(cè)器件，變頻器作為電機(jī)調(diào)速控制裝置，通過(guò)一個(gè)通信協(xié)議或與ht7a00t人機(jī)人機(jī)接口連接電腦。
圖2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
它的作用是監(jiān)控生產(chǎn)線和記錄數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品，灌裝控制系統(tǒng)由一個(gè)主可編程邏輯控制器（PLC）和3個(gè)輔助擴(kuò)展可編程邏輯控制器（PLC），PLC主要是lm3106a，通過(guò)它控制灌裝機(jī)的檢測(cè)開(kāi)關(guān)，面板上的按鈕，變頻器控制電機(jī)和電磁閥?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）根據(jù)檢測(cè)到的傳感器信號(hào)，并通過(guò)編輯程序來(lái)完成一系列動(dòng)作，如填充圖2.1。
2.2 控制系統(tǒng)算法
該系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)由變送器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并裝進(jìn)控制器。在信號(hào)的基礎(chǔ)上，可編程邏輯控制器自動(dòng)顯示數(shù)據(jù)。在比較兩種轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制信號(hào)的偏差，對(duì)變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速，以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用實(shí)際的數(shù)據(jù)來(lái)消除轉(zhuǎn)速偏差。
通過(guò)改變機(jī)械擾動(dòng)引起的偏差，使到生產(chǎn)線的電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，同時(shí)保證生產(chǎn)線效率。本系統(tǒng)是一個(gè)基于電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
本系統(tǒng)采用比例、積分和微分（積分）控制算法在可編程序控制器中實(shí)現(xiàn)。
在可編程邏輯控制器（可編程控制器）中，估計(jì)值按照設(shè)定的時(shí)間值采樣。假設(shè)時(shí)間周期為t，初始值為零。用矩形積分代替精度連續(xù)積分。用差分法代替連續(xù)微分法，可以簡(jiǎn)化為（1）。
在這個(gè)公式里面，是系統(tǒng)偏移。
該算法具有2個(gè)特點(diǎn)，一是快速響應(yīng)，另一個(gè)是超調(diào)。在穩(wěn)健的性能和跟蹤性能方面，它表現(xiàn)出良好的控制效果。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用的控制系統(tǒng)取得了良好的控制效果。該公式在可編程控制器內(nèi)部被解釋為一個(gè)連續(xù)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)化為離散控制系統(tǒng)。
2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)
該灌裝機(jī)采用和利時(shí)LM系列可編程邏輯控制器（PLC）控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作和自動(dòng)控制整個(gè)生產(chǎn)線。這一部分的原理是通過(guò)分度撥輪，將空瓶取出再對(duì)其進(jìn)行填充，如圖2.2，在指令下，將瓶頸抬升，定位裝置的壓料口進(jìn)行填充密封[5]。
再次將瓶子里空氣抽回真空狀態(tài)后，將液體鋼瓶?jī)?nèi)二氧化碳?xì)怏w的背壓注入到瓶子里，當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)的氣體壓力等于鋼瓶壓力時(shí)，在彈簧的作用下，閥門打開(kāi)。這時(shí)，在重力引導(dǎo)作用下，液體通過(guò)形狀的傘反射環(huán)上的消聲器自動(dòng)進(jìn)入瓶?jī)?nèi)，在瓶子中的二氧化碳再循環(huán)到液體鋼瓶。
當(dāng)瓶子液面達(dá)到一定高度時(shí)，它會(huì)使到氣管關(guān)閉，此時(shí)，機(jī)器會(huì)自動(dòng)停止在液體灌裝。然后放液閥和閥關(guān)閉，當(dāng)瓶子落下，排水瓶頸為高壓氣體以防止液體與氣體噴涌溢流。填充部分完整實(shí)現(xiàn)。
1.行星撥盤 2.撥盤 3.軸
圖2.2 運(yùn)輸瓶的機(jī)械結(jié)構(gòu)
3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 控制器的選擇
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、電氣柜的控制要求，選擇lm3106a可編程控制器?？删幊绦蜻壿嬁刂破鳎删幊炭刂破鳎┯?4點(diǎn)輸入和10點(diǎn)晶體管輸出，共有24個(gè)數(shù)字輸入/輸出點(diǎn)，用24伏直流電源供電，在終端上做輸出，在終端下是做輸入。
LM系列可編程邏輯控制器（PLC）具有獨(dú)特的保護(hù)功能，可以實(shí)現(xiàn)用戶程序和停電保持區(qū)的數(shù)據(jù)永久保存，機(jī)器消除權(quán)力的原因丟失數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；同時(shí)，它支持五種編程語(yǔ)言國(guó)際化，適合不同的程序員需要；LM系列應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，有良好的客戶基礎(chǔ)，因此，可靠性和安全系數(shù)大大好。
除了模塊，有三個(gè)輔助模塊，分別是lm3401，lm3320，和LM3310。中央處理器模塊集成了一定數(shù)量的輸入/輸出點(diǎn)，在同一時(shí)間，一個(gè)部分的輸入/輸出點(diǎn)具有高速計(jì)數(shù)器，高輸出，和其他功能[6]。
隨著系統(tǒng)需求的不斷擴(kuò)大，需要更多的輸入/輸出點(diǎn)連接到可編程邏輯控制器（可編程控制器），此時(shí)可以通過(guò)匹配擴(kuò)展模塊來(lái)增加更多的輸入/輸出點(diǎn)和更多的功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)某些條件的控制。
3.2 工業(yè)電源選擇
本系統(tǒng)采用西門子的100的工業(yè)電源，具有高可靠性、高效率、高集成度的特點(diǎn)。滿足了提高工作效率、節(jié)約能源的系統(tǒng)要求。
3.3 變頻傳動(dòng)的選型
交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)永磁同步伺服電機(jī)和交流異步伺服電機(jī)。交流永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁體組成，定子繞組形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，只要負(fù)載的大小不超過(guò)同步轉(zhuǎn)矩。
隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，它類似于基本交流永磁同步電動(dòng)機(jī)。交流異步伺服電機(jī)定子由繞組勵(lì)磁繞組和控制繞組的90個(gè)繞組組成。
交流繞組的接入和控制的相位差勵(lì)繞組的角度，使定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生橢圓，轉(zhuǎn)子斷磁，在電磁力的牽引下旋轉(zhuǎn)。
目前，在精密計(jì)算機(jī)數(shù)控（數(shù)控）系統(tǒng)中，交流永磁同步電機(jī)被廣泛使用。
隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，有的變頻器在伺服功能、控制精度與傳統(tǒng)的交流伺服系統(tǒng)和沒(méi)有明顯的差距，因此它們有集中發(fā)展的趨勢(shì)。
采用數(shù)字信號(hào)處理器（數(shù)字信號(hào)處理器）來(lái)控制伺服驅(qū)動(dòng)器。它可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件廣泛應(yīng)用于智能功率模塊驅(qū)動(dòng)電路的核心設(shè)計(jì)，內(nèi)部集成的驅(qū)動(dòng)電路，也具有過(guò)壓，過(guò)電流，過(guò)熱，欠壓故障檢測(cè)和保護(hù)電路，在主電路中加入了軟啟動(dòng)電路，以減少啟動(dòng)過(guò)程中的影響。
首先通過(guò)三相全橋功率驅(qū)動(dòng)單元整流電路輸入三相電源或電源整流器，相應(yīng)的直流（DC）。整流后是良好的三相電流或城市電力，然后通過(guò)變頻三相正弦脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制），用電壓型逆變器驅(qū)動(dòng)三相永磁同步交流伺服電機(jī)。
動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)化為交-直-交整流單元（ACDC），它是三相橋式整流電路的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
根據(jù)電機(jī)的工作效率和設(shè)備的要求，變頻器的選擇是石林ss22-023-0.75 K，三相交流額定電壓是200-230伏，適配電機(jī)功率為1.9 kW，額定電流為5 A。
shss22型逆變器的體積很小，它屬于小型產(chǎn)品，可以空間小的控制柜，調(diào)試簡(jiǎn)單方便。它的控制方式為正弦波SPWM，控制性能強(qiáng)，其載波頻率范圍為0至15千赫，在降低電機(jī)的電磁噪聲有效，模擬接口的通用性，負(fù)載能力強(qiáng)，提供多功能的輸出端子信號(hào)。它主要用于立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)行業(yè)，食品，飲料和包裝行業(yè)。
3.4 觸摸屏的選擇
觸摸屏根據(jù)原理和使用材料的不同，可分為電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏和聲波傳感器、紅外線觸摸屏觸摸屏。
電阻式觸摸屏精度高，但其價(jià)格昂貴且容易損壞，電容式觸摸屏設(shè)計(jì)合理，新穎性更直觀，更有趣，高耐久性，但也容易受到環(huán)境影響和成本較高。
電容式觸摸屏功能性方面的全面性和穩(wěn)定性，它已經(jīng)擁有了相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)份額，在各種觸摸屏。
紅外線觸摸屏價(jià)格低廉，但其易受光線干擾的影響。聲波感應(yīng)式觸摸屏如果有水滴或塵埃干擾，其反應(yīng)會(huì)變慢，甚至不能工作。
總結(jié)每一類觸摸屏都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我們根據(jù)需要，選擇和利時(shí)是觸摸屏的觸摸屏，該模型是ht7a00t。4.3寸黑白192x64，輸入電源電壓為24V直流。
4 程序設(shè)計(jì)
4.1 輸入/輸出分配系統(tǒng)
表4.1 灌裝機(jī)輸入/輸出分配表
%IX0.0
低液位
%QX0.0
主發(fā)動(dòng)機(jī)
%IX0.1
高液位
%QX0.1
液壓泵
%IX0.2
主機(jī)故障
%QX0.2
供應(yīng)電磁閥
%IX0.3
液體故障泵
%QX0.3
電磁閥
%IX0.4
輸送帶故障
%QX0.4
排氣電磁閥
%QX0.5
進(jìn)氣電磁閥
%QX0.6
輸送帶
根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)我對(duì)輸入和輸出端子的定義，確保布線完成。
4.2 主程序框圖
圖4.1 控制系統(tǒng)程序框圖
圖4.1是沖瓶機(jī)順序程序功能圖。這個(gè)程序是在按下啟動(dòng)按鈕ym002和分布式控制系統(tǒng)（DCS）遠(yuǎn)程控制、邏輯與輸出，其次是邏輯或，然后觸發(fā)復(fù)位觸發(fā)器，這一點(diǎn)在遙控狀態(tài)，DCS的狀態(tài)是，在同一時(shí)間以不在本地控制狀態(tài)，與DC為0，此時(shí)只有遠(yuǎn)程控制啟動(dòng)噴淋泵工作。局部控制工作時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕M004，DCS以沒(méi)有結(jié)果也為1，此時(shí)，觸發(fā)設(shè)置、沖瓶泵啟動(dòng)[7]。
按下啟動(dòng)ym003和DCS遠(yuǎn)程控制按鈕后，邏輯與可以輸出，其次是邏輯或，然后觸發(fā)復(fù)位，此時(shí)遙控狀態(tài)，DCS系統(tǒng)在狀態(tài)1，同時(shí)以不在本地控制狀態(tài)，和DC為0，此時(shí)只有遠(yuǎn)程控制噴淋泵停止工作[8]。局部控制工作時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕M003 DCS，因?yàn)闆](méi)有結(jié)果也為1，此時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，沖瓶泵停止。
4.3 配置接口設(shè)計(jì)
圖4.2 配置界面
根據(jù)系統(tǒng)的要求，我選擇了冬青視圖組態(tài)軟件，完成了組態(tài)設(shè)計(jì)[9]。冬青視圖提供了一個(gè)豐富、簡(jiǎn)單、易于使用的界面，提供了大量的圖形元素和圖形庫(kù)，同時(shí)也為用戶創(chuàng)造畫廊精靈并提供易于使用的界面；產(chǎn)品的歷史曲線、報(bào)表報(bào)表和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能都大幅提高，軟件的功能性和可用性都有很大地提高[10]實(shí)驗(yàn)的成功率，利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)就可完成自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；它節(jié)省了能源，提高了實(shí)驗(yàn)效率[11]。圖4.2是配置界面設(shè)計(jì)圖。
它將一個(gè)好的程序下載到可編程控制器，當(dāng)觸摸屏程序，有一個(gè)點(diǎn)的接口如圖4.2，在剛開(kāi)始時(shí)，它是對(duì)每個(gè)開(kāi)關(guān)運(yùn)行一個(gè)單一的點(diǎn)，當(dāng)觸摸屏界面，它需要做一個(gè)模擬的關(guān)鍵點(diǎn)移動(dòng)操作開(kāi)關(guān)[12]。可編程序控制器可意連接可編程邏輯控制器輸出。
5 測(cè)試
從工作效率的角度來(lái)看，以瓶容量為500ml為例，普通灌裝機(jī)的工作效率平均是400瓶每小時(shí)。優(yōu)秀的灌裝機(jī)的工作效率平均可達(dá)到700瓶每小時(shí)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和100次測(cè)試，每次測(cè)試一小時(shí)，智能灌裝機(jī)的工作效率平均可達(dá)到每小時(shí)779瓶。該系統(tǒng)提高了工作效率11.27%。
從節(jié)能環(huán)保的角度看，空載功耗，滿載功耗相比傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率如圖5.1。它減少能源消耗的設(shè)計(jì)要求。
圖5.1 能量消耗對(duì)比圖
6 結(jié)果
本設(shè)計(jì)主要是采用可編程邏輯控制器（可編程控制器）和變頻器控制電機(jī)做旋轉(zhuǎn)皮帶傳動(dòng)，然后將瓶子轉(zhuǎn)移到灌裝機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了配瓶的速度和灌裝速度的協(xié)調(diào)，提高了生產(chǎn)效率。本設(shè)計(jì)的基本思想是：在系統(tǒng)啟動(dòng)后，按下電機(jī)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，如果電機(jī)是異常的，熱電流繼電器立即切斷和保護(hù)電機(jī)，如果電機(jī)是正常的，那么電機(jī)啟動(dòng)下一步工作。
電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，在傳送帶作用下驅(qū)動(dòng)灌裝瓶運(yùn)動(dòng)，通過(guò)光電傳感器，對(duì)瓶子計(jì)數(shù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)到可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可編程邏輯控制器（PLC）根據(jù)瓶子的運(yùn)動(dòng)速度在內(nèi)存里進(jìn)行比較，確定是否有調(diào)速的需要，如果不需要控制電機(jī)的速度，它就按照原來(lái)的速度運(yùn)行，如果有需要調(diào)速，可編程邏輯控制器（PLC）輸出控制信號(hào)到變頻器進(jìn)行多級(jí)調(diào)速控制，轉(zhuǎn)換器接收控制信號(hào)，可編程邏輯器收到后（PLC）發(fā)出的控制信號(hào)，進(jìn)行內(nèi)部處理。
一個(gè)特定的頻率電壓的輸出，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的頻率控制。變頻器輸出反饋信號(hào)輸入到可編程邏輯控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的保護(hù)。本設(shè)計(jì)基本符合設(shè)計(jì)要求。
該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、工作可靠、界面友好、節(jié)能、綜合保護(hù)等功能，具有較高的自動(dòng)監(jiān)測(cè)程度、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)，具有良好的推廣應(yīng)用前景。
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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
全自動(dòng)成型灌裝封口包裝機(jī)中
自動(dòng)間隙式封口膜傳送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
（機(jī)械電子工程方向)
年級(jí)班別
學(xué) 號(hào)
學(xué)生姓名
指導(dǎo)教師
全自動(dòng)成型灌裝封口包裝機(jī)中自動(dòng)間隙式封口膜傳送機(jī)構(gòu) 的設(shè)計(jì)
摘 要
灌裝封口機(jī)顧名思義是一種既可灌裝又可封口的一種機(jī)器，針對(duì)不同行業(yè)可有不同機(jī)型。它在食品領(lǐng)域主要應(yīng)用于無(wú)菌食品以及帶有不同粘稠度可泵送的半流體產(chǎn)品。本論文主要涉及全自動(dòng)成型灌裝封口包裝機(jī)中自動(dòng)間隙式封口膜傳送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。送膜機(jī)構(gòu)是指將包裝膜通過(guò)一定的軌跡輸送到指定工位進(jìn)行加工的機(jī)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)包括送膜機(jī)構(gòu)方案的選擇，具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械零部件參數(shù)計(jì)算，相關(guān)材料選擇、電氣元件的選型，用SolidWorks軟件建立起機(jī)構(gòu)的三維模型示意圖，并導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的裝配圖、零件圖。確定相關(guān)配合公差，使用 ansys軟件對(duì)關(guān)鍵零件的受力程度和形變量進(jìn)行有限分分析。使得設(shè)計(jì)出的送膜機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)間隙送膜,并且機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中要保證膜的松緊程度相對(duì)穩(wěn)定，出現(xiàn)故障可以及時(shí)停機(jī)，滿足灌裝封口包裝機(jī)的使用要求
關(guān)鍵詞：食品包裝機(jī)械，送膜機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)，有限元分析
Abstract
As the name suggests，the filling and sealing machine is a kind of machine that can be filled and sealed, and can be different for different industries.It is mainly used in the field of food products of sterile food and the semi fluid products of different viscosity which can be pumped.This thesis is mainly related to design about the sealing film delivery mechanism with automatic gap type in the fully automatic Forming filling sealing packaging machine.The sealing film delivery mechanism is refers to the packaging film through a certain path to the designated position of the processing mechanism. It includes Scheme selection,design of concrete structure,parameter calculation of mechanical components,selection of related materials,type selection of electrical components,using SolidWorks software to establish the 3D model of the mechanism,and make the corresponding assembly drawing and part drawing,determine the relative fit tolerance,using ANSYS software to analyze the stress degree and shape variable of key parts.Made the design of the film feeding mechanism can realize the gap to send the film and ensure that the degree of tightness of the film is relatively stable in the course of running of the machine.It also can be stopped in time if gets a failure .Meet the requirements of the use of filling and sealing packaging machine.
Key words: Food packaging machinery, Film feeding mechanism,Design, finite element analysis
目 錄
1 緒論 1
1.1 食品包裝技術(shù)介紹 1
1.2 包裝機(jī)械簡(jiǎn)介 2
1.3 灌裝封口機(jī)簡(jiǎn)介 3
1.4 本文主要研究課題 3
2 送膜機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介 4
3 送膜機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)選擇 6
3.1 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 6
3.2 送膜機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)概述 6
3.3 裝料部分設(shè)計(jì) 8
3.4 驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì) 8
3.4.1 驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
3.4.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 9
3.4.3 齒輪副的選擇設(shè)計(jì) 10
3.4.4 導(dǎo)膠軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.4.5 鍵的選擇 15
3.4.6 軸承的選擇 15
3.5 張緊裝置設(shè)計(jì) 16
3.5.1 張緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16
3.5.2 限位開(kāi)關(guān)選型 17
3.6 色標(biāo)檢測(cè)和剎車部分設(shè)計(jì) 18
3.6.1 色標(biāo)檢測(cè)和剎車部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
3.6.2 氣缸的選型 18
3.6.3 色標(biāo)傳感器的選型 19
3.7 緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 20
4 送膜機(jī)構(gòu)材料選擇 23
5 零件圖設(shè)計(jì) 25
6 機(jī)構(gòu)零件的有限元分析 27
7 總結(jié)與展望 32
參考文獻(xiàn) 33
致謝 34
1 緒論
1.1食品包裝技術(shù)介紹
我們知道，沒(méi)有經(jīng)過(guò)封存包裝的食品只能保存很短的時(shí)間，食品如果不能及時(shí)食用就會(huì)腐壞變質(zhì)，失去其食用價(jià)值，而食品包裝技術(shù)可以延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期，提高其價(jià)值性，食品包裝可以保護(hù)食品的外觀質(zhì)量和食品的原有品質(zhì)，延長(zhǎng)食品的保存期，還可以增加食品品種，方便消費(fèi)者，方便流通。食品包裝又可以防止食品的污染，促進(jìn)食品流通的合理性和計(jì)劃性，促進(jìn)食品的競(jìng)爭(zhēng)，擴(kuò)大食品的銷售。因此,充分利用現(xiàn)有的食品資源，通過(guò)加工和包裝向人民提供豐富、安全、衛(wèi)生、富有營(yíng)養(yǎng)的食品，是人們生存和發(fā)展的需要,現(xiàn)代生活離不開(kāi)食品包裝。
現(xiàn)代食品包裝技術(shù)主要包括以下幾種技術(shù)：
充填技術(shù)：充填是指將食品按一定的規(guī)格、重量要求充入到包裝容器中的操作，主要包括食品的計(jì)量和充入。根據(jù)食品計(jì)量方式的不同,將食品充填技術(shù)分為容積式充填、稱重式充填和計(jì)數(shù)式充填三種方式。
灌裝技術(shù)：灌裝是指將液體(或半流體)食品灌入包裝容器內(nèi)的操作。液體的灌裝具有灌裝精度高，使用方便、衛(wèi)生、快速的特點(diǎn)。液體的灌裝方法一般有常壓灌裝、等壓灌裝、真空灌裝和壓力灌裝。
裹包技術(shù)：裹包是塊狀類物品包裝的基本形式，它用柔性包裝材料對(duì)被包裝物品進(jìn)行全部或局部的包封。這種方法不但能對(duì)單件物品進(jìn)行裹包，也能對(duì)排列后的物品做集積式裹包。由于塊狀物品的物化特性各異，所需裹包的目的不同，裹包的形式也多種多樣，一般可分為半裹包、全裹包、纏繞裹包、貼體裹包、收縮裹包以及拉伸裹包。
袋裝技術(shù)：在現(xiàn)代食品加工工業(yè)中,袋裝技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，許多食品包裝技術(shù)都是以袋裝技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。
集裝技術(shù)：集裝技術(shù)就是將若干產(chǎn)品或包裝件包裝在一起，使其形成一個(gè)合適的搬運(yùn)單元。集裝的目的就是節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用；減少貨差、貨損事故；便于實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)現(xiàn)代化；提高倉(cāng)庫(kù)與貨位利用率。
封口技術(shù)：封口操作是食品包裝繼計(jì)量充填或灌裝之后的另一道重要的包裝工序。由于被包裝食品種類繁多,包裝要求所用的包裝材料和容器各不相同，因此采用的封口技術(shù)也就各不相同。按封口的不同方法,分為無(wú)封口材料的封口機(jī)、有封口材料的封口機(jī)和有輔助封口材料的封口機(jī)3種。
貼標(biāo)技術(shù)：貼標(biāo)是在包裝作業(yè)的最后進(jìn)行。標(biāo)簽是在容器或商品上的標(biāo)示，標(biāo)簽的種類主要有膠粘標(biāo)簽、熱敏標(biāo)簽等以及直接印在包裝件或包裝容器上的標(biāo)簽。貼標(biāo)的基本工藝過(guò)程一般為取標(biāo)、標(biāo)簽傳送、印碼、涂膠、貼標(biāo)、撫平等。
綠色包裝技術(shù)：綠色包裝是指包裝材料及包裝制品從設(shè)計(jì)、制造、使用到廢棄及其處理均對(duì)環(huán)境無(wú)害，或者說(shuō)在包裝的全過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響降低到最低限度。綠色包裝技術(shù)主要體現(xiàn)在回收技術(shù)、減量技術(shù)、再生技術(shù)[1]。
而要實(shí)現(xiàn)這些食品包裝技術(shù)，做到高效精準(zhǔn)，需要制作對(duì)應(yīng)的包裝機(jī)械。
1.2 包裝機(jī)械簡(jiǎn)介
包裝機(jī)械除具有一般機(jī)械的共性外，還具有其自身的特點(diǎn)。主要是多功能、高速度、自動(dòng)化程度高、成套性較強(qiáng)、多品種、小批量生產(chǎn)和容易實(shí)現(xiàn)三化(系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化)等特點(diǎn)?，F(xiàn)代商品種類繁多，尺寸各異，因此對(duì)包裝機(jī)械的要求是多功能、多品種、小批量生產(chǎn)，例如對(duì)于顆粒狀物料的包裝就要使用具有制袋、計(jì)量充填、封口、打印日期、傳遞輸送等功能的立式包裝機(jī)；而對(duì)于果醬、蜂蜜等膏狀物的小包裝就要使用容器熱成型、充填、封口、打印日期、切割和傳輸?shù)呐P式熱成型包裝機(jī)[2]。
國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家包裝機(jī)械的發(fā)展已有較長(zhǎng)歷史，伴隨其商品生產(chǎn)的發(fā)展，一直處于領(lǐng)先地位，國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的包裝機(jī)械，近些年來(lái)，一方面為滿足現(xiàn)代商品包裝多樣化的需求，發(fā)展適應(yīng)多品種，小批量生產(chǎn)的包裝技術(shù)裝備，同時(shí)緊跟當(dāng)代新技術(shù)革命的發(fā)展步伐，積極研究和開(kāi)發(fā)對(duì)現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)展應(yīng)用高新技術(shù)的現(xiàn)代包裝機(jī)械?，F(xiàn)代包裝機(jī)械上已應(yīng)用了航天中的技術(shù)，微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)，傳感技術(shù)、激光技術(shù)、生物技術(shù)以及新工藝技術(shù)和光纖材料等，且以群體的復(fù)合應(yīng)用方式出現(xiàn)，反映出先進(jìn)包裝機(jī)械的高技術(shù)水平。
隨著藥品制造業(yè)的迅猛發(fā)展，其對(duì)制藥包裝機(jī)的要求也越來(lái)越高。人工智能包裝機(jī)械也應(yīng)運(yùn)而生，人工智能是傳感技術(shù)、圖象識(shí)別技術(shù)、信息處理技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)間完善結(jié)合應(yīng)用的產(chǎn)物.隨著包裝機(jī)械上微機(jī)控制技術(shù)的成功應(yīng)用，高品質(zhì)藥品生產(chǎn)要求包裝向無(wú)人化發(fā)展。
當(dāng)今很多的包裝機(jī)械生產(chǎn)有小批量、多品種、多規(guī)格化生產(chǎn)的特點(diǎn)，使用塊化與成組化技術(shù)能較好地適應(yīng)這種變化趨勢(shì)提高三化水平和提高其性能的研究，有利于縮短生產(chǎn)周期，提高機(jī)器的可靠性和降低生產(chǎn)成本[3]。
包裝機(jī)械產(chǎn)品要適應(yīng)不斷變化市場(chǎng)和滿足相應(yīng)的質(zhì)量要求，大量采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)技術(shù)。如機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠設(shè)計(jì)、人機(jī)學(xué)設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)、專家系統(tǒng)、并行設(shè)計(jì)、機(jī)械CAD/CAPP/CAM以及價(jià)值優(yōu)化設(shè)計(jì)等[4]。
1.3 灌裝封口機(jī)簡(jiǎn)介
灌裝封口機(jī)顧名思義是一種既可灌裝又可封口的一種機(jī)器，針對(duì)不同行業(yè)可有不同機(jī)型。在食品領(lǐng)域主要應(yīng)用于無(wú)菌食品的全自動(dòng)包裝，包括奶油·牛奶·酸奶·奶制品；還可用于灌裝航空用礦泉水、蕃茄醬·蛋黃醬、果醬、蜂蜜、黃油、食用油，以及帶有不同粘稠度可泵送的半流體產(chǎn)品[5]。
它已經(jīng)發(fā)展成液體食品行業(yè)，對(duì)世界有著重要的影響并在市場(chǎng)上有較高占有率[6]。因此，液體灌裝機(jī)市場(chǎng)有很好的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳?，各種灌裝機(jī)生產(chǎn)廠生產(chǎn)的灌裝機(jī)在灌裝能力、效率、適用范圍和自動(dòng)化程度等方面，各有優(yōu)缺點(diǎn)。在很大程度上制約了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率[7]。
本包裝機(jī)主要用于生產(chǎn)小盒裝的奶酪，實(shí)現(xiàn)吸塑的成型加工、奶酪的灌裝、封口一系列自動(dòng)化過(guò)程，全機(jī)主要由真空吸塑成型機(jī)構(gòu)、自動(dòng)定量灌裝機(jī)構(gòu)、自動(dòng)間隙式封口膜傳送機(jī)構(gòu)、氣壓式封口機(jī)構(gòu)、氣液式裁斷機(jī)構(gòu)、片材收放及間歇步進(jìn)拉片機(jī)構(gòu)組成。本機(jī)集氣、液、電為一體的自動(dòng)包裝機(jī)，自動(dòng)化程度高，應(yīng)用前景十分廣闊。充填量：10克（偏差:0～-0.5克），生產(chǎn)能力：6次/min。
1.4本文主要研究課題
本論文主要涉及全自動(dòng)成型灌裝封口包裝機(jī)中自動(dòng)間隙式封口膜傳送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。送膜機(jī)構(gòu)是指將包裝膜通過(guò)一定的軌跡輸送到指定工位進(jìn)行加工的機(jī)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)包括送膜機(jī)構(gòu)方案的選擇，具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械零部件參數(shù)計(jì)算，相關(guān)材料選擇、電氣元件的選型，用SolidWorks軟件建立起機(jī)構(gòu)的三維模型示意圖，并導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的裝配圖、零件圖。確定相關(guān)配合公差，使用 ansys軟件對(duì)關(guān)鍵零件的受力程度和形變量進(jìn)行有限分分析。
2 送膜機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介
本論文主要涉及灌裝封口機(jī)里的送膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
送膜機(jī)構(gòu)是指將包裝膜通過(guò)一定的軌跡輸送到指定工位進(jìn)行加工的機(jī)構(gòu)。也稱包裝材料供送裝置，現(xiàn)代的送膜機(jī)構(gòu)基本采用卷筒材料。因?yàn)榕c預(yù)先裁切好的平張材料相比，卷筒材料更適宜包裝機(jī)的連續(xù)化、高速化和自動(dòng)化生產(chǎn)。它應(yīng)包括卷筒狀材料的支撐裝置，驅(qū)動(dòng)部分，壓緊部分，剎車部分，導(dǎo)向裝置，自動(dòng)檢測(cè)部分。
現(xiàn)有的送膜機(jī)構(gòu)一般有一下缺點(diǎn)：自動(dòng)包裝機(jī)預(yù)送膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)置不太合理，預(yù)送膜時(shí)需要人工掌控，送膜不穩(wěn)定，效果不好且預(yù)送電機(jī)啟動(dòng)頻繁，市場(chǎng)上同行業(yè)包裝機(jī)的送膜系統(tǒng)，大部分送只安裝一卷薄膜，有些客戶的包裝產(chǎn)品較大時(shí)，一卷薄膜會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)用完，就需要經(jīng)常換膜，但現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)換膜時(shí)操作十分繁瑣，需要多人協(xié)助，一個(gè)人往往很難完成，膜的傳送過(guò)程中平穩(wěn)性差，膜傳輸過(guò)程中，有時(shí)只需單邊膜，現(xiàn)有的設(shè)備很難完成或者操作繁瑣設(shè)置兩個(gè)電機(jī)，增加了整體的成本不利于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)[8]。
其以后的發(fā)展主要是簡(jiǎn)化換膜機(jī)構(gòu)，使用一個(gè)電機(jī)代替多個(gè)電機(jī)正常工作，增加膜傳送的穩(wěn)定性，可以同時(shí)傳送多種類型的膜以滿足生產(chǎn)，更多地朝著智能化的方向發(fā)展。
從包裝材料層數(shù)方面可分為單層卷筒材料送膜機(jī)構(gòu)、多層卷筒材料送膜機(jī)構(gòu)如圖2.1、圖2.2，從包裝材料的供送方式可分為間歇送膜和連續(xù)送膜。其中間歇送膜機(jī)構(gòu)又可分為后退或前進(jìn)補(bǔ)償式間歇送膜、隨機(jī)補(bǔ)償式間歇送膜和直接補(bǔ)償式間歇送膜，連續(xù)送膜機(jī)構(gòu)可分為后退或前進(jìn)補(bǔ)償式連續(xù)送膜如圖和隨機(jī)補(bǔ)償式連續(xù)送膜[9]。本次論文所采的送膜機(jī)構(gòu)為單層間歇送膜機(jī)構(gòu)。
1-包裝材料；2-導(dǎo)輥；3-輸送輥；4-導(dǎo)板；5-裁切裝置；6-卷筒薄膜；7-導(dǎo)輥組；
8-成型器；9-光電檢測(cè)控制裝置；10-張緊裝置；11-橫向熱封器
圖2.1 單層卷筒材料供送裝置示意圖
1、6-拉簧；2-支桿；3-壓簧；4、5-制動(dòng)杠桿
圖2.2 雙層卷筒材料供送裝置示意圖
3 送膜機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)選擇
3.1 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求
要讓灌裝封口機(jī)能正常工作，其對(duì)送膜機(jī)構(gòu)有以下要求：送膜機(jī)構(gòu)為非連續(xù)送膜，因?yàn)閷⒛に偷焦の缓?，需要進(jìn)行膜的貼合、牛奶盒的裁剪的步驟，這個(gè)過(guò)程膜是靜止的，必須等這些工序完成，膜才能接著傳動(dòng)，因此膜的傳送是斷續(xù)的；機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中要保證膜的松緊程度相對(duì)穩(wěn)定，穩(wěn)定的松緊程度不會(huì)讓膜出現(xiàn)變形，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量；膜的安裝要相對(duì)簡(jiǎn)單，有利于提高換料速度，提高生產(chǎn)率；送膜過(guò)程不能出現(xiàn)傾斜、折皺現(xiàn)象，若出現(xiàn)以上現(xiàn)象可以及時(shí)停止膜的傳送；電機(jī)要滿足功率、轉(zhuǎn)速要求；當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能夠及時(shí)停止膜的傳送，防止原料的損失浪費(fèi)。
3.2 送膜機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)概述
根據(jù)上述灌裝機(jī)對(duì)于送膜機(jī)構(gòu)的要求選擇送膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案其具體的示意圖如下圖2.3、圖2.4：
1-裝料軸；2-導(dǎo)膠軸；3-導(dǎo)膠壓輥；4-張緊輥；5-限位開(kāi)關(guān)；6-拉料滾筒1；
7-拉料滾筒2；8-拉料滾筒3；9-拉料滾筒4；10-拉料滾筒5；
11-色標(biāo)檢測(cè)傳感器；12-旋轉(zhuǎn)塊1；13-彈簧1；14-旋轉(zhuǎn)塊2；15-彈簧
圖2.3 送膜機(jī)構(gòu)示意圖a
16-電磁離合電機(jī)；17-薄型氣缸；18-剎車塊；19-機(jī)架；20-坐支架；21-右支架
圖2.4 送膜機(jī)構(gòu)示意圖b
此送膜機(jī)構(gòu)是由：裝料部分、驅(qū)動(dòng)部分、導(dǎo)膠輥、導(dǎo)膠壓輥、張緊輥、拉料輥、檢測(cè)裝置，緩沖機(jī)構(gòu)組成。
膜傳送的方向如圖2里的紅色線方向所示，依次是：裝料軸——導(dǎo)膠軸——張緊輥——拉料滾筒1——拉料滾筒2——拉料滾筒3——拉料滾筒4——拉料滾筒5。
其具體的工作過(guò)程如下：通過(guò)拉料電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)使膜傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)膠輥，由導(dǎo)膠輥和導(dǎo)膠壓輥壓住膜從裝料輥送出，之后在拉料電機(jī)的引導(dǎo)下經(jīng)過(guò)張緊輥、拉料滾筒和緩沖機(jī)構(gòu)。期間，通過(guò)張緊輥、限位開(kāi)關(guān)的控制保持膜的松緊程度相對(duì)穩(wěn)定，限位開(kāi)關(guān)閉合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，限位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停機(jī)。設(shè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速稍快于拉料電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)張緊輥打到限位開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停機(jī)，拉料電機(jī)工作，膜在傳送過(guò)程中漸漸將張緊輥往上拉，直至其離開(kāi)槽的底部，此時(shí)限位開(kāi)關(guān)閉合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始工作，又將張緊輥慢慢沿著槽往下放直到碰到槽底的限位開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)再斷開(kāi)。如此循環(huán)，就保證了傳送過(guò)程中膜的張緊程度。在拉料滾筒1和拉料滾筒2之間安裝色標(biāo)傳感器，用以檢測(cè)膜上的圖案印刷是否有誤，若出現(xiàn)錯(cuò)誤則發(fā)出信號(hào)，剎車裝置工作，薄型氣缸向前推動(dòng)剎車塊，剎車塊在氣缸兩側(cè)的導(dǎo)柱的導(dǎo)向下移動(dòng)，將膜按在拉料滾筒的外膠上，及時(shí)將傳動(dòng)的膜剎住。機(jī)構(gòu)里的緩沖機(jī)構(gòu)被用來(lái)分擔(dān)膜之間的拉力，將膜剛剛傳動(dòng)時(shí)的拉力轉(zhuǎn)為拉料滾筒的重力勢(shì)能和彈簧的彈性勢(shì)能，有利于機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。
3.3 裝料部分設(shè)計(jì)
為防止裝料軸每次受拉力而開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)、跳動(dòng)等不利于膜穩(wěn)定傳送的現(xiàn)象，在裝料軸的端部掛上預(yù)拉伸的彈簧，彈簧連著彈簧連接件，彈簧的松緊程度可以通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧連接件的高度進(jìn)行調(diào)整。這樣裝料軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)膜對(duì)其的拉力可以轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢(shì)能，防止其跳動(dòng)，提高了整個(gè)機(jī)器的穩(wěn)定性。
如圖3.1，為能讓機(jī)器使用時(shí)工人能夠方便的拆裝薄膜卷，將裝料輥膠1和裝料輥膠2用螺釘連接。這樣，更換時(shí)先把掛在裝料軸兩端的彈簧從軸上取下，卸下螺釘，再把原先套在裝料輥膠1上的薄膜卷取下，再將薄膜卷套進(jìn)裝料輥膠1上，再旋上裝料輥膠2，重新掛上彈簧，這樣就完成了薄膜卷的換裝，方便高效。
1-裝料軸，2-裝料輥膠1,3-裝料輥膠2；4-軸承；5-彈簧；6-彈簧連接件；7-左右支架
圖3.1 裝料示意圖
3.4 驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)
3.4.1 驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
送膜機(jī)構(gòu)是由拉膜電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)的，在這里省略了拉膜電機(jī)的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要是根據(jù)送膜速度來(lái)選擇的，由于膜的傳送過(guò)程是個(gè)不連續(xù)、間斷的過(guò)程，同時(shí)還要保證膜要擁有比較穩(wěn)定的張緊程度，因此選用電磁離合剎車電機(jī)，此類電機(jī)適合在不連續(xù)、需不斷啟動(dòng)停止的工作場(chǎng)合工作，且采用離合剎車結(jié)構(gòu)使其斷電后快速停止轉(zhuǎn)動(dòng)，保證傳送過(guò)程膜的張緊程度。
如下圖3.2所示，電磁離合剎車電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)導(dǎo)膠輥轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)塊1的一面與左支架的一面保持平行，其一端通過(guò)軸連接的方式固定在左支架上，使其能夠圍繞這個(gè)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并在旋轉(zhuǎn)塊的另一端嵌入壓輥軸，這樣導(dǎo)膠壓輥就可以用平行于導(dǎo)膠輥軸的方式圍繞著旋轉(zhuǎn)塊的一端進(jìn)行擺動(dòng)。工作時(shí)，膜從導(dǎo)膠壓輥和導(dǎo)膠輥的接觸面穿過(guò)。導(dǎo)膠壓輥憑借自身的重力，與導(dǎo)膠輥一起壓緊要傳送的膜，使電機(jī)能順利驅(qū)動(dòng)導(dǎo)膠輥將膜從裝料輥上拉出。利用導(dǎo)膠壓輥?zhàn)陨碇亓壕o薄膜的方式，因其能夠擺動(dòng)，并不是固定死，因而提高機(jī)械的靈活性，例如：當(dāng)遇到傳送過(guò)程膜起皺的現(xiàn)象，可以抬起導(dǎo)膠壓輥，對(duì)壓皺的膜進(jìn)行處理，而且能夠適應(yīng)不同厚度的膜。
1-電磁離合剎車電機(jī)；2-齒輪；3-旋轉(zhuǎn)塊1；4-導(dǎo)膠輥；5-左支架；6-導(dǎo)膠壓輥
圖3.2 驅(qū)動(dòng)導(dǎo)膠部分
3.4.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
根據(jù)前面所述方案，膜的運(yùn)送是由收料滾輪處的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)滾筒處的電機(jī)完成。驅(qū)動(dòng)滾筒處的電機(jī)轉(zhuǎn)速要比收料滾輪處的電機(jī)速速快。由于設(shè)計(jì)了可上下移動(dòng)的張緊輥，當(dāng)兩個(gè)電機(jī)工作時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)滾筒出來(lái)的膜長(zhǎng)度要長(zhǎng)于收料滾輪收的膜長(zhǎng)度，張緊輥下降，當(dāng)其接觸到最下端的常閉限位開(kāi)關(guān)時(shí)，常閉限位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，限位開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)處電機(jī)的通斷，故驅(qū)動(dòng)處電機(jī)斷電。此時(shí)要求電機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，以保持送膜機(jī)構(gòu)對(duì)膜一定的張緊，故選擇離合剎車電機(jī)。設(shè)驅(qū)動(dòng)滾筒出來(lái)的膜速為130mm/s，設(shè)導(dǎo)膠輥外膠直徑40mm，則其轉(zhuǎn)速約為
62rpm，故電動(dòng)機(jī)還需接上減速機(jī)，由于傳送過(guò)程中膜對(duì)導(dǎo)膠輥的作用力可以忽略。因此選擇臺(tái)灣ASTK調(diào)速附電磁剎車電機(jī)作為送膜機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)處的電機(jī)，選擇型號(hào)為5RK90GU-AMF（60W，額定轉(zhuǎn)速為1650rpm），搭配其型號(hào)為5GU25K的減速機(jī)（減速比為1:25）可將速度減至66rpm，基本滿足送膜機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求。
調(diào)速附電磁剎車電機(jī)是具有負(fù)載保持力的剎車馬達(dá)。在電源OFF的同時(shí)，馬達(dá)會(huì)瞬間停止并保持負(fù)載。最適用于緊急剎車作業(yè)的用途。（因馬達(dá)后部裝有交流無(wú)激磁作動(dòng)型電磁剎車器（斷電剎車），在電源OFF的同時(shí)，馬達(dá)會(huì)瞬間停止，并且具有負(fù)載保持力。適用于緊急時(shí)剎車保持位置用。
3.4.3 齒輪副的選擇設(shè)計(jì)
由已選定的電機(jī)可知，輸入功率P=90w，小齒輪轉(zhuǎn)速n=66r/min，齒數(shù)比為1:1.06，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)機(jī)器的工作壽命為15年（每年工作300天），兩班制，機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向不變。
參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，壓力角取為20°；灌裝機(jī)器為一般工作機(jī)器，選用7級(jí)精度。
材料選擇：由于大小齒輪的傳動(dòng)比接近1:1，故都選擇45鋼（調(diào)質(zhì)），其齒面硬度為240 HBS。
設(shè)選小齒輪齒數(shù)z為18，則大齒輪齒數(shù)為z=uz=1.06×18=19.08，取20。
（1）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，如式3.1
≥
取，齒輪轉(zhuǎn)矩
N·mm (3.2)
取齒寬系數(shù)=1，區(qū)域系數(shù)=2.5；材料彈性影響系數(shù)；
通過(guò)計(jì)算可得其接觸疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù)
（3.3）
計(jì)算接觸疲勞需用應(yīng)力[σ]，參考圖表可知兩齒輪的接觸疲勞極限為550 MPa，查得接觸疲勞壽命系數(shù)K=0.95，失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由公式
則該齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力為523 MPa
2）試算小齒輪分度圓直徑
≥
（2） 調(diào)整小齒輪分度圓直徑
1） 計(jì)算實(shí)際在和系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
①圓周速度
v=
②齒寬b
2) 計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)K
①查得使用系數(shù)K=1
②由V=0.123 m/s、7級(jí)精度，查得動(dòng)載系數(shù)為K=1.02
③齒輪的圓周力
可得齒間載荷分配系數(shù)為K=1.2
④取齒向載荷分布系數(shù)K=1.421，可得實(shí)際載荷系數(shù)
3） 可得實(shí)際載荷系數(shù)算出分度圓直徑
及相應(yīng)的齒輪系數(shù)
3. 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì),如式3.2
（1） 計(jì)算模數(shù)
①試選K=1.3
②取齒形系數(shù)Y=2.92，Y=2.82，應(yīng)力修正系數(shù)=1.,52，，
兩齒輪的齒根彎曲疲勞極限分別為σ=380 MPa，彎曲疲勞系數(shù)K
取彎曲疲勞安全系數(shù)為S=1.4，則
取
2） 試算模數(shù)
(2) 調(diào)整齒輪模數(shù)
①圓周速度v
②齒寬b
③寬高比b/h
2) 計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)K
①由v=0.07m/s，7級(jí)精度得動(dòng)載系數(shù)K=1.01
②由
故取K=1.2
③由插值法可得K，結(jié)合b/h得K=1.34
故載荷系數(shù)為
3) 可得模數(shù)m = 1.15mm
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決彎曲疲勞強(qiáng)度所決定承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可去由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的模數(shù)1.13mm，并將其圓整為1.5mm，按接觸疲勞強(qiáng)度算得到的分度圓直徑d=39.11mm，算出小齒輪齒數(shù)
取z=27，則大齒輪齒數(shù)
取z=29，27與29互為質(zhì)數(shù)。
4、 幾何尺寸計(jì)算
（1） 計(jì)算分度圓直徑
（2） 計(jì)算中心距
（3） 計(jì)算齒輪寬度
則取兩齒輪齒寬為42mm[10]
3.4.4 導(dǎo)膠軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
選擇材料：由于輸入功率較小，為90W，所以對(duì)軸的強(qiáng)度硬度要求不高，選擇45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理。
從安裝齒輪的軸段開(kāi)始，設(shè)此軸段的直徑d1=10mm，為了保證齒輪可靠的軸向固定，軸段的長(zhǎng)度應(yīng)略小于輪轂的寬度，根據(jù)前面取的齒輪寬度可以確定該軸段的長(zhǎng)度，取其長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=56mm，軸段d2用來(lái)過(guò)渡到軸承，故取其長(zhǎng)度L2=5mm，其直徑為15mm，軸段d3用來(lái)安裝軸用擋圈，軸用檔圈寬1mm，還有0.5mm余量用于安裝軸承，因此軸段d3長(zhǎng)為1.5mm，其直徑根據(jù)軸用擋圈取13.8mm，軸段d4的長(zhǎng)度要比軸承長(zhǎng)度固定板厚度的和小一點(diǎn)，取L4=13.5mm，直徑取為15mm，軸段d5做非定位軸肩，故取其直徑為20mm，取L5=5mm，作為過(guò)渡長(zhǎng)度，軸段d6用來(lái)安裝軸用擋圈，軸用檔圈寬1mm，還有1mm余量用于安裝導(dǎo)膠套時(shí)便于其固定，因此軸段d6長(zhǎng)為2mm，其直徑根據(jù)軸用擋圈取18.5mm，軸段d7直徑取20mm，長(zhǎng)度比導(dǎo)膠套長(zhǎng)度短一點(diǎn)，取319mm，軸段d8用來(lái)安裝軸用擋圈，軸用檔圈寬1mm，因此軸段d8長(zhǎng)為1mm，其直徑根據(jù)軸用擋圈取18.5mm，軸段d9直徑取20mm，長(zhǎng)度考慮從導(dǎo)膠套端部到右支架的距離加上一部分右支架的厚度，故取其長(zhǎng)度L9=14mm，軸段d10的長(zhǎng)度要比軸承寬度小一點(diǎn)，因?yàn)檩S承寬為9mm，故取L10=8.5mm，直徑取為15mm，軸段d11用來(lái)安裝軸用擋圈，軸用檔圈寬1mm，還有0.5mm余量用于安裝軸承，因此軸段d11長(zhǎng)為1.5mm，軸段d12直徑取15mm，長(zhǎng)度L12=10mm。故導(dǎo)膠軸的結(jié)構(gòu)示意圖為圖3.3[11]。
圖3.3 軸設(shè)計(jì)示意圖
3.4.5 鍵的選擇
選擇半圓平鍵作為軸與齒輪的鏈接件。
由于鍵槽所在的軸的直徑為15mm，通過(guò)查表可知平鍵的b×h=5×5，L取25mm。
3.4.6 軸承的選擇
由機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)可得軸的主要受徑向載荷因而軸承可選擇深溝球軸承設(shè)其能穩(wěn)定工作5000h。
以導(dǎo)膠軸上的軸承選擇為例軸上的齒輪通過(guò)嚙合對(duì)軸承施加的力為
加上導(dǎo)膠軸、導(dǎo)膠套、齒輪本身的重量、對(duì)軸承產(chǎn)生的徑向力總共為
取載荷系數(shù)則當(dāng)量動(dòng)載荷為
取X=1，Y=0
所以
軸承應(yīng)有的基本額定動(dòng)載荷值為
查表可選擇深溝球軸承6002型號(hào)
其基本額定靜載荷為2.85KN
則其壽命為
遠(yuǎn)大于5000h故符合使用要求。
其它軸承的選擇校驗(yàn)請(qǐng)參考上例[10]。
3.5 張緊裝置設(shè)計(jì)
3.5.1 張緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如下圖3.4是送膜機(jī)構(gòu)的張緊輥部分，張緊輥是用來(lái)張緊膜，保證傳送過(guò)程中膜的張緊度不會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，保證機(jī)器的正常運(yùn)行。由于送膜機(jī)構(gòu)有兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很難統(tǒng)一，故設(shè)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速稍快于拉料電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為保證膜的張緊，將張緊輥設(shè)計(jì)成可在支架的槽內(nèi)上下移動(dòng)，并在槽的底部安裝常閉限位開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)閉合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，限位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停機(jī)。一開(kāi)始張緊輥打到限位開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停機(jī)，拉料電機(jī)工作，膜在傳送過(guò)程中漸漸將張緊輥往上拉，直至其離開(kāi)槽的底部，此時(shí)限位開(kāi)關(guān)閉合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始工作，又將張緊輥慢慢沿著槽往下放直到碰到槽底的限位開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)再斷開(kāi)。如此循環(huán)，就保證了傳送過(guò)程中膜的張緊程度。
1-張緊輥；2-限位開(kāi)關(guān)
圖3.4 張緊輥部分
3.5.2 限位開(kāi)關(guān)選型
限位開(kāi)關(guān)又稱行程開(kāi)關(guān)，可以安裝在相對(duì)靜止的物體（如固定架、門框等，簡(jiǎn)稱靜物）上或者運(yùn)動(dòng)的物體（如行車、門等，簡(jiǎn)稱動(dòng)物）上。當(dāng)動(dòng)物接近靜物時(shí)，開(kāi)關(guān)的連桿驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的接點(diǎn)引起閉合的接點(diǎn)分?jǐn)嗷蛘邤嚅_(kāi)的接點(diǎn)閉合。由開(kāi)關(guān)接點(diǎn)開(kāi)、合狀態(tài)的改變?nèi)タ刂齐娐泛碗姍C(jī)。
限位開(kāi)關(guān)就是用以限定機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)極限位置的電氣開(kāi)關(guān)。限位開(kāi)關(guān)有接觸式的和非接觸式的。接觸式的比較直觀，機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)部件上，安裝上行程開(kāi)關(guān)，與其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的固定點(diǎn)上安裝極限位置的擋塊，或者是相反安裝位置。當(dāng)行程開(kāi)關(guān)的機(jī)械觸頭碰上擋塊時(shí)，切斷了（或改變了）控制電路，機(jī)械就停止運(yùn)行或改變運(yùn)行。由于機(jī)械的慣性運(yùn)動(dòng)，這種行程開(kāi)關(guān)有一定的“超行程”以保護(hù)開(kāi)關(guān)不受損壞。非接觸式的形式很多，常見(jiàn)的有干簧管、光電式、感應(yīng)式等，這幾種形式在電梯中都能夠見(jiàn)到。當(dāng)然還有更多的先進(jìn)形式。
由于送膜機(jī)構(gòu)的工作溫度處于常溫狀態(tài)，濕度為一般濕度，對(duì)限位開(kāi)關(guān)的靈敏度、額定頻率、工作方式、外形結(jié)構(gòu)要求不高，故選擇歐姆龍D4CC-1024限位開(kāi)關(guān)。其具體參數(shù)如下圖3.5。
圖3.5 歐姆龍D4CC-1024限位開(kāi)關(guān)參數(shù)圖
3.6 色標(biāo)檢測(cè)和剎車部分設(shè)計(jì)
3.6.1 色標(biāo)檢測(cè)和剎車部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖3.6是送膜機(jī)構(gòu)里的色標(biāo)檢測(cè)和剎車部分，送膜時(shí)膜經(jīng)過(guò)拉料滾筒1和拉料滾筒2，色標(biāo)檢測(cè)傳感器安裝在拉料滾筒1和拉料滾筒2之間，在膜的下方，實(shí)時(shí)檢測(cè)膜上面印刷的圖案，當(dāng)檢測(cè)錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)出信號(hào)，機(jī)器可以控制薄型氣缸動(dòng)作，薄型氣缸向前推動(dòng)剎車塊，剎車塊在氣缸兩側(cè)的導(dǎo)柱的導(dǎo)向下移動(dòng)，將膜按在拉料滾筒的外膠上，及時(shí)將傳動(dòng)的膜剎住，避免生產(chǎn)出現(xiàn)重大錯(cuò)誤以及浪費(fèi)。
1-薄型氣缸；2-剎車塊；3-拉料滾筒1；4-色標(biāo)檢測(cè)傳感器；4拉料滾筒2
圖3.6 色標(biāo)檢測(cè)及剎車
3.6.2 氣缸的選型
氣缸安裝在剎車板上用來(lái)在送膜異常時(shí)，停止膜的整體輸送，防止后面的膜出現(xiàn)變形、撕裂等現(xiàn)象。需要?dú)飧卓梢蕴峁┳銐虻膲毫Ψ乐鼓さ幕瑒?dòng)。由于膜傳送的拉力不大，于是對(duì)氣缸所輸出的工作壓力沒(méi)有太高要求。設(shè)氣缸工作壓力為30N，選擇氣缸缸徑為32mm，則根據(jù)公式：
P=F/S
可得提供給氣缸的工作氣壓約為0.4MPa，符合氣缸的一般工作氣壓（0.3MPa—0.8MPa）的范圍。設(shè)氣缸頂部與膜的距離為15mm，故可選擇SSA32X25的薄型氣缸。
薄型氣缸是引導(dǎo)活塞在其中進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的圓筒形金屬機(jī)件。工質(zhì)在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中通過(guò)膨脹將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；氣體在壓縮機(jī)氣缸中接受活塞壓縮而提高壓力。渦輪機(jī)、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)等的殼體通常也稱“氣缸”。
薄型氣缸，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。
3.6.3 色標(biāo)傳感器的選型
色標(biāo)傳感器指的是對(duì)各種標(biāo)簽進(jìn)行檢測(cè)，即使背景顏色有著細(xì)微的差別的顏色也可以檢測(cè)到，處理速度快。自動(dòng)適應(yīng)波長(zhǎng)，能夠檢測(cè)灰度值的細(xì)小差別，與標(biāo)簽和背景的混合顏色無(wú)關(guān)。它是通過(guò)與非色標(biāo)區(qū)相比較來(lái)實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測(cè)，而不是直接測(cè)量顏色。色標(biāo)傳感器實(shí)際是一種反向裝置，光源垂直于目標(biāo)物體安裝，而接收器與物體成銳角方向安裝，讓它只檢測(cè)來(lái)自目標(biāo)物體的散射光，從而避免傳感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄。
選用德國(guó)SICK生產(chǎn)的色標(biāo)傳感器，型號(hào)為KT3，它有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）小型外殼；
（2）RGB-3 種顏色技術(shù)；
（3）具有大掃描距離的激光變型；
（4）簡(jiǎn)單示教功能（在機(jī)器停機(jī)或操作）；
（5）在極其閃亮的物體自動(dòng)防眩適應(yīng)確保高設(shè)備利用率在高亮的薄膜上運(yùn)行穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)更高的機(jī)器使用性；
（6）物料流安全運(yùn)行；
（7）開(kāi)關(guān)頻率 10 kHz；
如圖3.7為其參數(shù)示意圖。
圖3.7 KT3色標(biāo)傳感器參數(shù)示意圖
3.7 緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
如圖3.8是送膜機(jī)構(gòu)的緩沖機(jī)構(gòu)，它是由旋轉(zhuǎn)塊2、拉料滾筒3、彈簧和兩枚限位螺釘組成。因?yàn)樗湍C(jī)構(gòu)又是非連續(xù)工作的，現(xiàn)實(shí)中當(dāng)拉膜電機(jī)拉動(dòng)膜運(yùn)行時(shí)，前面的膜具有了速度，而后面的膜還保持靜止的狀態(tài)，要克服膜之前保持的靜止的慣性，考慮到膜傳送的距離比較長(zhǎng)，與膜接觸的輥膠比較多，產(chǎn)生的摩擦力比較大。因而從膜開(kāi)始傳動(dòng)到整個(gè)機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行期間，膜之間的拉力會(huì)較大而且不穩(wěn)定。這容易對(duì)膜造成拉扯，變形，斷裂、折皺等損害。所以在膜傳送的中間加入緩沖機(jī)構(gòu)，可以用它來(lái)分擔(dān)膜之間的拉力，防止其出現(xiàn)上述的損害。
如圖3.9是送膜機(jī)構(gòu)膜沒(méi)傳送時(shí)緩沖機(jī)構(gòu)靜止的狀態(tài)，紅線和箭頭表示膜及其傳送的方向。容易知道，開(kāi)始緩沖機(jī)構(gòu)不受膜對(duì)它的拉力，由于拉料滾筒的自重和限位螺釘1的作用，緩沖機(jī)構(gòu)靜止時(shí)其拉料滾筒3與垂線會(huì)形成一定角度。當(dāng)膜開(kāi)始傳送后，膜的拉力會(huì)將拉料滾筒抬起并使連在旋轉(zhuǎn)塊2上的彈簧伸長(zhǎng)，漸漸轉(zhuǎn)化為拉料滾筒3的重力勢(shì)能和彈簧的彈性勢(shì)能，當(dāng)前后膜的速度一致后，拉料滾筒3的重力勢(shì)能和彈簧的彈性勢(shì)能漸漸釋放，在某個(gè)值達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。圖3.10為送膜機(jī)構(gòu)里的緩沖機(jī)構(gòu)的拉料滾筒3重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能達(dá)到最大值的狀態(tài)。因?yàn)橛邢尬宦葆?的作用，限制拉料滾筒3只能被抬高到某一高度，故此緩沖機(jī)構(gòu)的作用是有限度的。
1-拉料滾筒2；2-旋轉(zhuǎn)塊2；3-彈簧；4拉料滾筒3；5-拉料滾筒4
圖3.8 緩沖機(jī)構(gòu)
圖3.9 緩沖機(jī)構(gòu)工作示意圖a
圖3.10 緩沖機(jī)構(gòu)工作示意圖b
4 送膜機(jī)構(gòu)材料選擇
1、機(jī)構(gòu)軸材料選擇
由于機(jī)構(gòu)里的軸的受力負(fù)載不大，故對(duì)材料的強(qiáng)度，硬度要求不高，選45號(hào)鋼作為軸材料，做調(diào)質(zhì)熱處理。
45號(hào)鋼是國(guó)標(biāo)中的叫法，也叫“油鋼”。其碳含量0.42~0.50%，該鋼冷塑性一般，退火、正火比調(diào)質(zhì)時(shí)要稍好，具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性，材料來(lái)源方便。GB/T699-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定45鋼抗拉強(qiáng)度≥600MPa，屈服強(qiáng)度≥355MPa，伸長(zhǎng)率≥16%，斷面收縮率≥40%，沖擊功為39J。調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是那些在交變負(fù)荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。但表面硬度較低，不耐磨?？捎谜{(diào)質(zhì)+表面淬火提高零件表面硬度。
2、裝料軸、拉料滾筒導(dǎo)膠材料選擇
選擇POM材料作為裝料導(dǎo)膠材料
POM（聚甲醛樹(shù)脂）定義：聚甲醛是一種沒(méi)有側(cè)鏈、高密度、高結(jié)晶性的線型聚合物。按其分子鏈中化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，可分為均聚甲醛和共聚甲醛兩種。兩者的重要區(qū)別是：均聚甲醛密度、結(jié)晶度、熔點(diǎn)都高，但熱穩(wěn)定性差，加工溫度范圍窄（約10℃），對(duì)酸堿穩(wěn)定性略低；而共聚甲醛密度、結(jié)晶度、熔點(diǎn)、強(qiáng)度都較低，但熱穩(wěn)定性好，不易分解，加工溫度范圍寬（約50℃），對(duì)酸堿穩(wěn)定性較好。是具有優(yōu)異的綜合性能的工程塑料。有良好的物理、機(jī)械和化學(xué)性能，尤其是有優(yōu)異的耐摩擦性能。俗稱賽鋼或奪鋼，為第三大通用塑料。 適于制作減磨耐磨零件，傳動(dòng)零件，以及化工，儀表等零件。合成樹(shù)脂中的一種，又名聚甲醛樹(shù)脂、POM塑料、賽鋼料等；是一種白色或黑色塑料顆粒，具有高硬度、高鋼性、高耐磨的特性。主要用于齒輪，軸承，汽車零部件、機(jī)床、儀表內(nèi)件等起骨架作用的產(chǎn)品。
它的一般性能特點(diǎn)為：
（1）POM是結(jié)晶型塑料,密度為1.42g/cm3,它的鋼性很好,俗稱“賽鋼”。
（2）它具有耐疲勞、耐蠕變、耐磨、耐熱、耐沖擊等優(yōu)良的性能,且摩擦系數(shù)小,自潤(rùn)滑性好。
（3）POM不易吸濕,吸水率為0.22～0.25%,在潮濕的環(huán)境中尺寸穩(wěn)定性好,其收縮率為2.1%(較大),注塑時(shí)尺寸較難控制,熱變形溫度為172℃,聚甲醛有均聚甲醛兩種,性能不同(均聚甲醛耐溫性好一點(diǎn))。
它的力學(xué)性能為：
POM強(qiáng)度、剛度高，彈性好，減磨耐磨性好。其力學(xué)性能優(yōu)異，比強(qiáng)度可達(dá)50.5MPa，比剛度可達(dá)2650MPa，與金屬十分接近。POM的力學(xué)性能隨溫度變化小，共聚POM比均聚POM的變化稍大一點(diǎn)。POM的沖擊強(qiáng)度較高，但常規(guī)沖擊不及ABS和PC；POM對(duì)缺口敏感，有缺口可使沖擊強(qiáng)度下降90%之多。POM的疲勞強(qiáng)度十分突出，10交變載荷作用后，疲勞強(qiáng)度可達(dá)35MPa，而PA和PC僅為28MPa。POM的蠕變性與PA相似，在20℃、21MPa、3000h時(shí)僅為2.3%，而且受溫度的影響很小。POM的摩擦因數(shù)小，耐磨性好（POM>PA66>PA6>ABS>HPVC>PS>PC），極限PV值很大，自潤(rùn)滑性好。POM制品對(duì)磨時(shí)，高載荷作用時(shí)易產(chǎn)生類似尖叫的噪聲。
3、彈簧材料
選用合金鋼65Mn作為彈簧材料，并采用淬火加中溫回火的熱處理方法。
4、剎車材料選擇
選用硅膠作為剎車材料
硅膠（Silica gel; Silica）別名：硅酸凝膠是一種高活性吸附材料，屬非晶態(tài)物質(zhì)。硅膠的化學(xué)組份和物理結(jié)構(gòu)，決定了它具有許多其他同類材料難以取代得特點(diǎn)：吸附性能高、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、有較高的機(jī)械強(qiáng)度等。
4、 旋轉(zhuǎn)塊材料選擇
選擇45號(hào)鋼作為旋轉(zhuǎn)塊材料，熱處理為調(diào)質(zhì)。
6、左右支架板材料選擇
因?yàn)橹Ъ馨逅茇?fù)載不大，故選擇Q235-A作為左右支架板材料。
5 零件圖設(shè)計(jì)
1 裝料軸零件圖設(shè)計(jì)
裝料軸的零件圖如圖5.1所示，由于灌裝機(jī)屬于一般機(jī)械，其精度要求不高，故軸與軸承的配合精度等級(jí)可以取P0級(jí)，采用基孔制的的間隙配合方式，取公差為H7/g6。則在圖里標(biāo)注為Ф20g6，取配合面粗糙度為3.2μm，其余取6.3μm[12]。
圖5.1 裝料軸零件圖
2 電機(jī)軸齒輪零件圖設(shè)計(jì)
如下圖5.2是電機(jī)軸齒輪的零件圖，由電機(jī)軸直徑為15mm，可選齒輪內(nèi)孔直徑為15mm，采用基孔間隙配合方式，取公差為H7，設(shè)鍵連接為一般連接，其b值正負(fù)0.015mm，孔壁粗糙度為3.2μm。
圖5.2 電機(jī)軸齒輪零件圖
3 支架板零件圖設(shè)計(jì)
支架板的零件圖如圖5.3所示，由于灌裝機(jī)屬于一般機(jī)械，其精度要求不高，故軸與軸承的配合精度等級(jí)可以取P0級(jí)，采用基孔制的的間隙配合方式，取公差為H7/g6。則在圖里標(biāo)注為Ф20g6，取配合面粗糙度為3.2μm，其余取6.3μm。
圖5.3 支架板零件圖
6 機(jī)構(gòu)零件的有限元分析
在本次設(shè)計(jì)里面，由于送膜機(jī)構(gòu)的作用對(duì)象是膜，它對(duì)送膜機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的作用力很小，相對(duì)于送膜機(jī)構(gòu)的材料，膜產(chǎn)生的作用力幾乎可以忽略不計(jì)，故基本上所用的零件承受的負(fù)載都比較小。唯一有可能出現(xiàn)強(qiáng)度問(wèn)題的是緩沖機(jī)構(gòu)里的旋轉(zhuǎn)塊。如下圖6.1里的示意圖所示，是旋轉(zhuǎn)塊在機(jī)構(gòu)中的位置，它的示意圖如圖6.2，可以看到，在旋轉(zhuǎn)塊的孔1插入定位銷軸用于旋轉(zhuǎn)塊的一端定位，使其能夠圍繞銷軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)塊的孔2插入拉料滾筒軸，使得拉料滾筒可以連著旋轉(zhuǎn)塊繞著銷軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。再在旋轉(zhuǎn)塊的3、4處鎖上螺釘，將孔和軸鎖緊，防止軸從孔脫落。在圖里可以看到，拉料滾筒的位置固定全靠旋轉(zhuǎn)塊的孔2對(duì)拉料滾筒軸的作用約束，而其另一端是完全懸空的，這對(duì)旋轉(zhuǎn)塊的孔2會(huì)有一個(gè)力矩的作用，如果旋轉(zhuǎn)塊的強(qiáng)度不夠，所產(chǎn)生的應(yīng)力和變形太大，將會(huì)造成拉料滾筒的傾斜，這將會(huì)使傳送的膜傾斜變形，不利于機(jī)器的穩(wěn)定變形。
圖6.1 緩沖機(jī)構(gòu)示意圖
圖6.2 旋轉(zhuǎn)塊示意圖
故使用有限元分析軟件ANSYS workbench15.0對(duì)此零件進(jìn)行受力分析，以此判斷它是否滿足設(shè)計(jì)要求。
有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。還利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。
有限元分析是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的（較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。
有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直線單元）逼近圓來(lái)求得圓的周長(zhǎng)，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過(guò)短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。
國(guó)際上大型有限元分析程序主要有ANSYS，NASTRAN，ASKA，ADINA，SAP?等[12]。有限元法是一種求解復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的非常有效的數(shù)值方法，是將所研究的工程系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一個(gè)結(jié)構(gòu)近似的有限元系統(tǒng)，該系統(tǒng)由節(jié)點(diǎn)及單元組合而成，以取代原有的工程系統(tǒng)。它通過(guò)運(yùn)用彈性力學(xué)等理論知識(shí)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)用軟件將工程問(wèn)題進(jìn)行模擬仿真，這個(gè)過(guò)程不需要真的把東西做出來(lái)。有限元系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)化成一個(gè)數(shù)學(xué)模式，并根據(jù)數(shù)學(xué)模式，進(jìn)而得到該有限元系統(tǒng)的解答，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)、單元表現(xiàn)出來(lái)。完整有限元模型除了節(jié)點(diǎn)、單元外，還包含工程系統(tǒng)本身所具有的邊界條件、約束條件、外力負(fù)載等[13]。
ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件,可廣泛地應(yīng)用于土木工程、交通、水利、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、國(guó)防軍工、電子、造船、生物醫(yī)學(xué)、地礦、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究[14]。
ANSYS具有強(qiáng)大的計(jì)算分析能力,可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、熱分析、電磁場(chǎng)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析和多耦合場(chǎng)分析。其自身提供了完善的前、后處理功能。通過(guò)通用后處理器可以查看整個(gè)模型在某一個(gè)載荷步和子步的結(jié)果,時(shí)間歷程后處理器可以查看模型指定點(diǎn)的特定結(jié)果相對(duì)于時(shí)間、頻率或其他結(jié)果項(xiàng)的變化；通過(guò)前處理器可以進(jìn)行實(shí)體建模、材料屬性定義及有限元網(wǎng)格劃分[15]。
在SolidWorks里將其轉(zhuǎn)為x_t格式，導(dǎo)入到ANSYS workbench里。
選擇材料為45號(hào)鋼，設(shè)其彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。
設(shè)置約束面，由于旋轉(zhuǎn)塊是圍繞孔1旋轉(zhuǎn)，于是假定孔1 的內(nèi)表面為約束面，如下圖6.3
圖6.3 建立約束面
施加外部載荷。由于此載荷為力矩，需要知道的參數(shù)有力的大小，作用力與孔2的距離，由于膜對(duì)機(jī)構(gòu)的作用力很小，在這里只考慮拉料滾筒本身的重力。取拉料滾筒軸材料為45號(hào)鋼，拉料滾筒外膠材料為POM材料，通過(guò)solidworks的質(zhì)量計(jì)算兩者重量和為0.9kg，加上兩個(gè)軸0.05kg,故拉料滾筒質(zhì)量為0.95kg，圓整為1kg,取g=10N/,則其重力為10N。通過(guò)測(cè)量可得，旋轉(zhuǎn)塊表面到拉料滾筒端部距離為318.5mm，取中點(diǎn)為159.25mm，圓整為160mm，可得力矩為：1.6N.m。將力矩順著孔2軸線施加在孔2內(nèi)壁上，取一個(gè)角度，如圖6.4
圖6.4 施加負(fù)載
劃分網(wǎng)格如圖6.5
圖6.5 劃分網(wǎng)絡(luò)
生產(chǎn)應(yīng)力報(bào)告、形變位移報(bào)告，結(jié)果如圖6.6、圖6.7。從圖中可得，旋轉(zhuǎn)塊的最大應(yīng)力為13.7MPa，遠(yuǎn)小于45號(hào)鋼的屈服應(yīng)力355MPa，最大的形變量為mm，在可接受范圍內(nèi)，故旋轉(zhuǎn)塊的設(shè)計(jì)符合使用要求[16]。
圖6.6 形變圖
圖6.7 應(yīng)力圖
7 總結(jié)與展望
隨著包裝機(jī)械在食品包裝行業(yè)的應(yīng)用越加廣泛，一些將傳統(tǒng)機(jī)械與現(xiàn)代電氣設(shè)備結(jié)合起來(lái)的自動(dòng)化包裝已成為主流。本論文主要是對(duì)全自動(dòng)包裝灌裝機(jī)的自動(dòng)間隙送膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明，它包括了方案的選擇，一些具體參數(shù)的計(jì)算，零件材料、標(biāo)準(zhǔn)件、傳感器的選擇，繪制三維模型并標(biāo)注相關(guān)零部件工程圖，一些零件的強(qiáng)度校核，加工要求等內(nèi)容。通過(guò)一些具體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得該送膜機(jī)構(gòu)能夠滿足生產(chǎn)要求。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械制圖，工程材料，力學(xué)，機(jī)械制造，公差配合，電氣元件，三維軟件制圖等等大學(xué)里所學(xué)知識(shí)的有機(jī)結(jié)合和集中體現(xiàn)。通過(guò)這一次畢業(yè)設(shè)計(jì)，在林老師的指點(diǎn)和帶領(lǐng)之下，我對(duì)本專業(yè)的知識(shí)有了更進(jìn)一步的了解。讓我真正經(jīng)歷了一個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)從無(wú)到有的設(shè)計(jì)過(guò)程，我相信這將對(duì)我以后的工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)的有意義的影響。
當(dāng)然，本次送膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也存在一定的不足之處，比如它不能同時(shí)傳送不同類型的膜，機(jī)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，不能自動(dòng)更換薄膜卷等等。這些都說(shuō)明此送膜機(jī)構(gòu)還有許多改良的空間，只是畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間較為緊迫和能力欠缺，我沒(méi)能對(duì)此作出改善，但這也給了我繼續(xù)認(rèn)真學(xué)習(xí)的動(dòng)力。從2012年9月開(kāi)始，我正式成為了廣東工業(yè)大學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的大一學(xué)生，歷經(jīng)將近4年的學(xué)習(xí)，我也將從這個(gè)教了我一技之長(zhǎng)的母校畢業(yè)了。面對(duì)未來(lái)的工作挑戰(zhàn)，本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)剛好給了我一個(gè)可以提前實(shí)戰(zhàn)的機(jī)會(huì)。當(dāng)然，這只是一種近視的體會(huì)，并不是完全相同。但還是讓我能夠提前了解機(jī)械設(shè)計(jì)這個(gè)工作的主要內(nèi)容，并從中發(fā)現(xiàn)自己的不足，為之后自己的學(xué)習(xí)發(fā)展提供了參考前進(jìn)的方向和動(dòng)力，這是我之前沒(méi)有想到的。相信只要自己帶著獲取新知識(shí)的渴望，在工作里孜孜不倦，及時(shí)更換舊知識(shí)，學(xué)習(xí)先進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)和制造方法，并在此基礎(chǔ)上不斷的創(chuàng)新改進(jìn)，總有一天，我在機(jī)械行業(yè)里某個(gè)領(lǐng)域有所成就，設(shè)計(jì)出高效的機(jī)械。
參 考 文 獻(xiàn)
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