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畢 業(yè) 設(shè) 計 計量裝置三維圖集 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 咖啡粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計及橫封切斷裝置設(shè)計 摘 要：隨著包裝工業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品包裝在產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品銷售過程中所起著越來越重要的作用。 本設(shè)計通過分析粒料包裝機(jī)的總體設(shè)計方案及對橫封切斷裝置的部件原理設(shè)計,確定主要裝置(供送、下料、成型、牽引、封切、傳動)之間的相互配合關(guān)系。分析了機(jī)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計原理,該設(shè)計解決了粒料快速、自動包裝等問題。為實現(xiàn)包裝機(jī)的預(yù)期功能,對其機(jī)械傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。確定傳動路線,并給出其傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。在分析橫封切斷機(jī)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上, 研究出一種新型凸輪滑桿式間歇橫封機(jī)構(gòu), 其特點是運(yùn)動中力系處于封閉平衡狀態(tài), 且結(jié)構(gòu)簡單, 加工方便, 易于調(diào)試安裝。根據(jù)多功能枕型包裝機(jī)橫封切斷工藝要求， 選用凸輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)其橫封軸不等速傳動， 并對此傳動機(jī)理進(jìn)行了運(yùn)動分析， 推導(dǎo)出了通用計算公式。 關(guān)鍵詞：枕式包裝機(jī);運(yùn)動分析; 結(jié)構(gòu)特點;橫封切斷裝置 Design for Pillow-style Packaging Machine of Coffee and Horizontal Cutting Fixtures Abstract: As the developing of the packing industry, the technique of product packing has played a great role in the products' production,development and selling. By analyzing the design schema and design principle of the horizontal cutting fixtures for packaging grainy material was introduced,conformed work in relations of main fixtures(feeding, forming, retractor, sealing,driving) through analysis of packaging machine overall plan .The mechanism, driving system and control system were analyzed. The problems of fast and automatically packaging grainy material was solved with this equipment. Based on the requirements for transmission system of handy needle packing machine , a scheme design for transmission system was completed in order to accomplish the expectant function of the mechanism. The transmission route was determined. The sketch was offered. Based on the requirements for transmission system of horizontal cutting fixtures. It conducts an analys is and comparison of mechanism about intermittent traverse seal, and the focus point is to study mechanism about bring forth new idea of interm- ittent trarerse seal.According to the technology require of cross sealing axle of pillow multi-function packaging machine,the cam is used to realize vary velocity motion,and its kinematic analysis is performed,the general caculating formula is deduced. Key word: Pillow-style packaging machine; Kinematic analysis; Structural characteristics; Horizontal cutting fixtures 目 錄 1 前言 .1 2 咖啡粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計 .2 2.1 總體方案論證 2 2.1.1 功能與應(yīng)用范圍 2 2.1.2 工藝分析 2 2.1.3 總體布局 3 2.1.4 工作循環(huán)過程 5 2.2 總體傳動系統(tǒng) 5 2.2.1 傳動系統(tǒng)的組成 5 3 咖啡粉枕 式包裝機(jī)橫封切斷裝置設(shè)計 .5 3.1 基于功能原理與功能分析方案設(shè)計 5 3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 3.3 機(jī)構(gòu)分析 7 3.3.1 受力分析 7 3.3.2 運(yùn)動分析 8 3.3.3 工藝分析 8 3.4 關(guān)鍵部件設(shè)計 8 3.5 其他設(shè)計問題 .11 3.5.1 分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動時間 .11 3.5.2 分析機(jī)構(gòu)移動位移 .11 3.5.3 機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié) .11 3.5.4 壓簧的設(shè)計與計算 .11 3.6 咖啡粉枕式包裝機(jī)計量裝置三維爆炸圖 .13 4 結(jié)論 17 參考文獻(xiàn) 18 致 謝 19 附 錄 20 1 1 前言 包裝機(jī)是一種高效率的包裝機(jī)械,包裝機(jī)械行業(yè)也是直接為提高人民生活質(zhì) 量服務(wù)的新興行業(yè)。隨著市場經(jīng)濟(jì)的深入發(fā)展和人民生活水平的不斷提高, 對 商品包裝提出了更高的要求。哪里有商品,哪里就有包裝,各種各樣的商品,有著 千變?nèi)f化的包裝,對應(yīng)著種類繁多的包裝機(jī)械,其中立式袋成型—充填—封口包 裝機(jī)(以下稱立式袋成型包裝機(jī)) 在眾多的包裝機(jī)械產(chǎn)品中屬于量大面廣的一類, 它廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)。 由于立式袋成型包裝機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整機(jī)構(gòu)多, 對不同的包裝材料、不同 的包裝物料、不同的包裝袋大小等都有特定的要求, 因此企業(yè)的生產(chǎn)方式多為 先按照大類生產(chǎn)出基本型, 再根據(jù)用戶所提供的包裝物料和提出的特殊要求, 在基本型的基礎(chǔ)上生產(chǎn)出定型成品。 國內(nèi)生產(chǎn)的立式袋成型包裝機(jī)以普通型、通用型為主,即在同一臺設(shè)備上, 同一豎直方向上自動完成包裝袋成型、計量、打印日期、充填、封口、切斷、 輸出等工序。包裝物料一般為: 液體、粘稠體、顆粒物料、粉料、膏體、片劑、 膨化食品等。充填計量方式一般為:容積式、稱重式。容積式又可分為量杯式、 旋轉(zhuǎn)閥式、柱塞式; 稱重式又可分為電子秤、杠桿秤兩種。有些包裝機(jī)還采用 組合式,如粗供料采用容積式, 精供料采用稱重式等。所用包裝材料主要是具有 可熱封的塑料單膜和各種復(fù)合膜(如:紙—塑復(fù)合、塑—塑復(fù)合、鋁—塑復(fù)合等) 。包裝成形袋以扁平袋為多(如:枕形袋、三邊封口袋、四邊封口袋) 。熱封方 式主要有:往復(fù)式、L 型閉合式、旋轉(zhuǎn)式。 在產(chǎn)品技術(shù)方面，包裝機(jī)的主要特點是： a. 速度高，品種多； b.精度高; c.可靠性高; d.自動化和智能化水平高。 包裝機(jī)械是包裝工業(yè)的重要基礎(chǔ)，沒有現(xiàn)代化的包裝機(jī)械就沒有現(xiàn)代化的 包裝工業(yè)。包裝機(jī)械的未來是各種高新技術(shù)、新機(jī)構(gòu)、新控制方法的高度結(jié)合， 其技術(shù)特征將趨于“三高”，即高速、高效、高質(zhì)量，重點發(fā)展方向?qū)②呌诠?jié) 能降耗、性能穩(wěn)定可靠、控制水平先進(jìn)、結(jié)構(gòu)緊湊、噪音低、效率高、操作簡 單、外觀造型更加注重美學(xué)設(shè)計、控制和操作更加趨于人性化。 [1] 本課題枕式包裝機(jī)來源于鹽城市盛和輕工機(jī)械廠，具體的內(nèi)容為咖啡粉枕 式包裝機(jī)總體設(shè)計及橫封切斷裝置設(shè)計。在設(shè)計前認(rèn)真研究被加工包裝的圖樣， 研究其尺寸、形狀、材料、硬度、重量、加工部位的結(jié)構(gòu)及加工時進(jìn)行必要的 消毒和對操作人員身體健康要求等內(nèi)容，為設(shè)計提供大量的數(shù)據(jù)、資料，作好 充分的、全面的技術(shù)準(zhǔn)備。在準(zhǔn)備了充足的資料之后,進(jìn)行分析與整理?？傮w的 主要設(shè)計任務(wù)是進(jìn)行咖啡粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計,在完成總體設(shè)計的基礎(chǔ)之上， 主要完成其橫封切斷裝置的設(shè)計. 使設(shè)備既能滿足包裝要求，保證包裝膜對正， 便于調(diào)整；又能使其運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單；便于維修。 咖啡粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計及橫封切斷裝置設(shè)計 2 2 咖啡粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計 咖啡 粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計，通常是根據(jù)與用戶簽定的合同和技術(shù)協(xié)議書, 針對具體加工對象，擬訂結(jié)構(gòu)方案，并進(jìn)行方案圖樣和有關(guān)技術(shù)文件的設(shè)計。 2.1 總體方案論證 咖啡粉包裝機(jī)總體方案的擬訂是進(jìn)行機(jī)器設(shè)計的關(guān)鍵一步。因為總體方案 在很大程度上決定了機(jī)器的結(jié)構(gòu)配置和使用性能。因此，應(yīng)根據(jù)粉劑物料的形 態(tài)要求和特點，按一定的原則、結(jié)合一般食品機(jī)械常用的設(shè)計,使用方法、充分 考慮各種因素，并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后擬訂出先進(jìn)、合理、經(jīng)濟(jì)、可靠的總體方 案。 2.1.1 功能與應(yīng)用范圍 咖啡粉枕式包裝機(jī)自上世紀(jì)五十年代開發(fā)到現(xiàn)在已有數(shù)十年了，當(dāng)時開發(fā) 出的機(jī)種功能單一，應(yīng)用范圍窄，但是容易實現(xiàn)、可靠。電動機(jī)的動力和運(yùn)動 通過三角帶(或稱為V形帶)或平皮帶輸送給分配軸，再由分配軸分給計量裝置、 豎封切斷裝置、橫封切斷裝置、輸出包裝物等，只能對單一內(nèi)裝物及同一尺寸 的內(nèi)裝物進(jìn)行包裝。這樣就存在有如下幾個問題: (a)包裝機(jī)的生產(chǎn)能力不可改變; (b)包裝機(jī)對內(nèi)裝物尺寸變化的適應(yīng)性差; (c)橫封封切時的線速度與豎封牽引供送的速度應(yīng)該一致，但必須改變橫封 封切的運(yùn)動規(guī)律來實現(xiàn)。橫封切斷的運(yùn)動規(guī)律問題; (d)供送內(nèi)裝物、供送薄膜、豎封牽引、橫封切斷等的最佳配合問題; (e)是否要配備離合器，對調(diào)試是至關(guān)重要的。 (f)對刀的調(diào)整問題; (g)當(dāng)有印刷圖案時，保證圖案的完整性的問題。 考慮到市場的深入，人們對產(chǎn)品追求多元化、個性化。故產(chǎn)品的包裝范圍 要廣、功能要齊全、速度要快。加上我國超市的發(fā)展，推動咖啡粉枕式包裝機(jī) 的發(fā)展，也提出了相適性的功能與適用范圍的需求問題 適用的范圍如下: (a)包裝材料:防潮玻璃紙、涂塑玻璃紙、聚乙烯、聚丙烯、袋包紙、鋁箔 以及其他復(fù)合材料 (b)包裝物品:面包、糕點、蔬菜、加工食品、醫(yī)藥品、機(jī)械零件、咖啡粉 及其他等粉狀物品 [3] 2.1.2 工藝分析 咖啡粉枕式自動包裝機(jī)是針對粉狀物件進(jìn)行外包裝的一種手段。在工藝分 析 中，首先對內(nèi)裝物物件的特性、包裝材料和包裝過程作詳細(xì)的分析和研究，并 對 單功能機(jī)的分析，進(jìn)行擴(kuò)展其功能，如擴(kuò)展它的包裝尺寸范圍、擴(kuò)展它的包裝 物 件、擴(kuò)展它的包裝材料、擴(kuò)展它的包裝生產(chǎn)力等。這些擴(kuò)展涉及到的主要部件 3 的 分析比較，以便得出可靠的機(jī)構(gòu)。 (a)粉體物料的特性工藝分析 粉狀物體可以是包裝咖啡粉、味精、感冒沖劑及其它顆粒性物料。一般來 說在設(shè)計時，為了簡化結(jié)構(gòu)，針對類型范圍相近的物件進(jìn)行設(shè)計，因此就會選 擇一些相近的物件在同一臺機(jī)上包裝。另一方面，內(nèi)裝物的變化，只需簡單更 改零件就可以了。如尺寸大小變更可以調(diào)整成型器或更換成型器，其它的可以 只是簡單調(diào)整。易碎的物件可以在豎封牽引、橫封切斷器上粘貼一些緩沖的物 料，而無需更換零件就可以使機(jī)械適應(yīng)范圍廣?？偠灾?，咖啡粉枕式包裝機(jī) 的適用范圍極廣，只要是成粉狀物件一般都可以包裝。 (b)包裝材料的要求 包裝紙的選擇在包裝機(jī)設(shè)計中也是重要的。塑料包裝的問世，引起了包裝 機(jī)的革命。使包裝工藝、包裝技術(shù)發(fā)生了巨大變化。如塑料包裝，可以采用高 頻加熱熱封包裝、或電熱絲脈沖熱封包裝。如袋裝的味精、小兒感冒沖劑等， 目前食品、醫(yī)藥行業(yè)采用聚乙烯薄膜包裝是很廣泛的;紙張經(jīng)涂塑料后的復(fù)合材 料包裝也被廣泛使用，如糖果等。 咖啡粉枕式自動包裝機(jī)多采用PP卷和聚乙烯涂塑紙等復(fù)合材料等。考慮到 在薄膜牽引時，薄膜要受較大的張力，一般說來，包裝的速度越高，包裝材料 越容易被拉斷。如果包裝紙的拉力強(qiáng)度不夠，勢必影響包裝速度的提高。因此， 選擇包裝紙的質(zhì)量是十分重要的。在此設(shè)計過程中我們采用PP卷。 (c)包裝工藝方案的擬定 由分析可知，包裝工藝路線是:薄膜經(jīng)牽引輥牽引由導(dǎo)向輥進(jìn)入成型器，再 經(jīng)豎封牽引器牽引并封邊使PP卷薄膜成型袋筒形. 如圖2.1所示，是 咖啡粉枕式自動包裝機(jī)圖。PP卷在走帶裝置牽引下，牽引 PP卷間隙式前進(jìn)，在通過成型器時被折成筒狀，計量裝置將計量好的物料—咖 啡粉送入成型器中的筒狀材料內(nèi)，物品便隨同材料一起前進(jìn)，豎封裝置將包裹 在筒柱狀的PP卷豎向熱封，后經(jīng)走袋裝置下拉至橫封裝置。橫封切斷器熱封咖 啡袋的左端和右端，同時在中間切斷分開，切斷分開的咖啡帶靠自重掉入料倉 輸出成品。從工藝上分析可知，為達(dá)到高速，要優(yōu)化橫封切斷器的運(yùn)動規(guī)律。 由于橫封裝置靠凸輪構(gòu)件作間隙式往復(fù)運(yùn)動，是否適宜高速運(yùn)行，要對橫封切 斷器進(jìn)行詳細(xì)分析。 為滿足其多功能，橫封裝置和豎封裝置都可以進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，來適應(yīng)不同 內(nèi)裝物的尺寸，達(dá)到滿足大范圍包裝。簡單更改成形器，可以使其滿足包裝內(nèi) 裝物尺寸的變化，如寬度和高度。簡單調(diào)整計量裝置的計量容積，可以包裝不 同重量的咖啡粉。因此，要完成其多功能、范圍廣、高速度等，就必須設(shè)計出 更為合理的機(jī)構(gòu)來滿足要求 2.1.3 總體布局 包裝工藝確定以后，要考慮如何實現(xiàn)這種包裝動作。因此，要求選擇合適 的傳動、操作和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這些機(jī)構(gòu)組成若干個部件，這些部件相互位置怎樣 安排?它們又是怎樣聯(lián)系和形成一個完整的總體?這就是包裝機(jī)總體設(shè)計的任務(wù)。 包裝機(jī)的傳動與控制機(jī)構(gòu)，可以采用機(jī)械式，液壓式，或氣動式。應(yīng)根據(jù) 產(chǎn) 咖啡粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計及橫封切斷裝置設(shè)計 4 品的特點、生產(chǎn)能力、使用者的情況等具體條件以及機(jī)器動作的復(fù)雜程度而定。 咖啡粉枕式自動包裝機(jī)一般包裝速度在(30 50袋/min)，最高可以達(dá)到(100袋: /min)。要實現(xiàn)這樣高的包裝速度，而且要保證動作的相互協(xié)調(diào)和工作可靠穩(wěn)定， 用液壓式或氣動式控制機(jī)構(gòu)尚有困難，因為液體和氣體有可壓縮性，而且油液 的粘度大，高速換向運(yùn)動時慣性沖擊大、發(fā)熱高，液壓還會因溫度升高而使粘 度變化，影響動作的準(zhǔn)確性，所以一般只用于活塞往復(fù)動作在30袋/min左右的 機(jī)械。目前國內(nèi)外在 咖啡粉枕式自動包裝機(jī)中大多采用機(jī)械傳動方式。因為連 桿、凸輪機(jī)構(gòu)一經(jīng)調(diào)整后就能嚴(yán)格保證動作的可靠性，并且能實現(xiàn)比較復(fù)雜的 動作，并配合當(dāng)今的電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)，更進(jìn)一步提高生產(chǎn)率 圖 2.1 咖啡粉枕式包裝機(jī)總裝圖 根據(jù)以上分析，本畢業(yè)設(shè)計設(shè)計的 咖啡粉枕式自動包裝機(jī)的總體設(shè)計和橫 封裝置采用機(jī)械式控制系統(tǒng)，涉及有:鏈條傳動，帶(齒形帶)傳動，齒輪傳動， 凸輪傳動等機(jī)構(gòu)。 一臺包裝機(jī)由哪些幾部分組成，決定于包裝工藝的要求。 咖啡粉枕式自動 包裝機(jī)由以下部分組成: (a)傳動系統(tǒng); (b)供紙裝置; (c)成形器部件; (d)走袋裝置; (e)豎封裝置; 5 (f)橫封切斷裝置; (g)配電裝置和殺菌裝置。 布局形式的選定，最主要根據(jù)包裝工藝的特點即決定于包裝的工藝性。布 局形式要便于包裝，使機(jī)構(gòu)簡化，工人操作和維修方便。根據(jù)包裝工藝，咖啡 粉枕式自動包裝機(jī)布局形式宜采用立式布局，這樣便于進(jìn)料、送紙、包裝、封 切等。因咖啡粉狀物料易自動落料，所以省去一些輔助送料裝置。 在設(shè)計中總體布局要求: (a)傳動系統(tǒng)力求簡潔，在能滿足多功能基礎(chǔ)上保證結(jié)構(gòu)簡單; (b)機(jī)械操作，調(diào)整簡單，易上手，裝拆方便，聯(lián)鎖防護(hù)可靠: (c)操縱面板位置因方便操作，同時也要考慮到食品的衛(wèi)生安全等等; (d)排料位置考慮方便安全，能不用動力，靠自身重力安全落料; (e)外形美觀大方，移動安裝方便。 [10] 2.1.4 工作循環(huán)過程 咖啡粉枕式自動包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)適合于間隙式自動包裝。 工藝是間隙的，只有在內(nèi)裝物供送時，每送入一件必須保證橫封切斷器封 切一件。因此其工作循環(huán)過程比較簡單。 2.2 總體傳動系統(tǒng) 傳動系統(tǒng)是機(jī)器的重要組成部分，由它驅(qū)動各個執(zhí)行部件，按工藝要求完 成各種動作。傳動系統(tǒng)的傳動精度，將直接影響機(jī)器的包裝加工質(zhì)量。傳動系 統(tǒng)的精度不高是機(jī)器振動、噪音主要來源。傳動系統(tǒng)直接影響機(jī)器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜 程度，所以傳動系統(tǒng)關(guān)系到機(jī)器的結(jié)構(gòu)和性能。 2.2.1 傳動系統(tǒng)的組成 由上面討論過的包裝工藝知，傳動系統(tǒng)的組成由如下幾部分組成: (1)供送薄膜; (2)內(nèi)裝物件供送; (3)豎封裝置的運(yùn)動; (4)橫封切斷器裝置的運(yùn)動。 由包裝工藝及循環(huán)過程知，它們的幾部分傳動要求是: (1)內(nèi)裝物供送的推頭間距應(yīng)與袋長相適應(yīng)。一般來說在高速接縫式自動包 裝機(jī)中，內(nèi)裝物供送的推頭間距應(yīng)取包裝物最長的尺寸，以達(dá)到大范圍包裝的 功能。理想情況是內(nèi)裝物被推送進(jìn)成型器時與包裝材料的速度大致協(xié)調(diào)。 (2)在工作時，橫封切斷裝置應(yīng)與包裝薄膜材料的運(yùn)動速度相當(dāng)，以免橫封 產(chǎn)生皺紋。為適應(yīng)不同袋長要求，因使橫封切斷裝置封切瞬時的位移可微調(diào)。 (3)應(yīng)嚴(yán)格保證滿足橫封切斷裝置往復(fù)封切一袋咖啡粉時，走帶裝置下一步 前進(jìn)一個咖啡帶長的傳動要求。 (4)橫封切斷裝置應(yīng)在兩袋之間的中間位置熱封并切斷。 對于走袋裝置，它的運(yùn)動首先要保持PP卷在整個運(yùn)動過程中有適宜的張緊 力;其次它們的運(yùn)動速度應(yīng)與供送袋長相適應(yīng)。當(dāng)包裝薄膜材料印有商標(biāo)圖案， 并要求圖案與物品始終保持相對位置時，則需要自動補(bǔ)償供送長度與圖案間距 不一致所造成的積累誤差。 咖啡粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計及橫封切斷裝置設(shè)計 6 3 咖啡粉枕式包裝機(jī)橫封切斷裝置設(shè)計 全自動制袋包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)組成,除去動力、傳動和輸送部分及控制系統(tǒng)外, 主要由制袋裝置、計量充填裝置、封口切斷裝置等構(gòu)成。該機(jī)主要適用于顆粒 狀、粉狀及流體或半流體物料的小袋包裝。 3.1 基于功能原理與功能分析方案設(shè)計 基于功能原理與功能分析方案設(shè)計的任務(wù)是:針對機(jī)械系統(tǒng)的某些確定的功 能要求，去尋找某些物理效應(yīng)、原理方法，并借助一些作用原理來求得實現(xiàn)這 些功能目標(biāo)的解法原理。在功能方案設(shè)計中常常引入某種新技術(shù)、新工藝、新 材料，它首先要求設(shè)計者要有新想法、新構(gòu)思。同時同一功能要求可以采用不 同的工作原理來實現(xiàn)，而同一種工作原理，又可以采用不同的實現(xiàn)方法，從而 等到不同的方案設(shè)計。 當(dāng)明確了設(shè)計任務(wù)后，把要實現(xiàn)的設(shè)計任務(wù)進(jìn)行功能分析，分析其總功能。 為了便于實現(xiàn)，一個系統(tǒng)的總功能常常需要分解成若千個分功能，并相應(yīng)找到 實現(xiàn)各分功能的原理方案，如果分功能還是太復(fù)雜，則可進(jìn)一步分解為更低層 次的分功能。一個同時對總功能進(jìn)行功能分解，可以得到不同的功能元，再通 過系統(tǒng)搜索得到一系列的功能元解，從而形成功能元矩陣，就可以得到若千種 組合方案。機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計的最終目的是要尋求一種既能實現(xiàn)預(yù)期功能要求、 又能性能優(yōu)良、價格低廉的最佳方案。最后通過對各種方案進(jìn)行分析、比較， 經(jīng)過科學(xué)的評價和決策，才能獲得最佳方案。 間歇式橫封機(jī)構(gòu)是制袋封口機(jī)中最重要的機(jī)構(gòu)之一。它是利用加熱元件配 合相應(yīng)的運(yùn)動從而實現(xiàn)包裝袋的橫向(頂部或底部) 封口。常用的橫封機(jī)構(gòu)有氣 動式、機(jī)械式和機(jī)械氣缸組合式3 種。氣動式需要兩個以上專門的氣缸和供氣 系統(tǒng); 機(jī)械氣缸組合式是經(jīng)多個典型的機(jī)構(gòu)(如多桿組合機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)或曲柄擺桿機(jī)構(gòu)等) 與氣缸組合而成; 常用的機(jī)械式橫封機(jī)構(gòu)是 多桿機(jī)構(gòu)或成組的齒輪擺桿機(jī)構(gòu), 存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造安裝調(diào)試較困難以及工 作可靠性偏低等問題。 凸輪滑桿間歇橫封機(jī)構(gòu)是在廣泛吸收各種間歇橫封機(jī)構(gòu)優(yōu)點的基礎(chǔ)上, 進(jìn) 行結(jié)構(gòu)簡化后而得到的一種創(chuàng)新機(jī)構(gòu)。它可以取代現(xiàn)有的多種間歇橫封機(jī)構(gòu), 并可應(yīng)用于高速自動制袋機(jī)中。 就具體到本次的畢業(yè)設(shè)計來說,設(shè)計者所設(shè)計的橫封裝置是通過凸輪來進(jìn)行 往復(fù)的壓切咖啡粉包裝袋,使其獲得要達(dá)到的運(yùn)動目的.機(jī)構(gòu)的部裝圖詳見圖 3.1。 [6] 3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 凸輪滑桿間歇橫封機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖所示。其結(jié)構(gòu)主要由橫封滑桿、回位 彈簧和旋轉(zhuǎn)凸輪部分組成。 橫封滑桿在凸輪驅(qū)動下, 作往復(fù)移動, 在移動過程中將筒狀包裝材料進(jìn)行 夾持。其夾持部位嵌有加熱器使包裝材料封口處受熱熔化并使之夾緊, 從而實 現(xiàn)封合。包裝材料被夾持壓緊的時間與程度均與凸輪和滑桿有關(guān), 應(yīng)在機(jī)構(gòu)安 裝時調(diào)試決定。 7 回位彈簧與凸輪配合,使滑桿能準(zhǔn)確地靠住凸輪輪廓, 在包裝材料的移動過 程中, 完成夾持、開合的動作。凸輪是保證在規(guī)定的時間內(nèi)完成封合的關(guān)鍵機(jī) 構(gòu), 凸輪旋轉(zhuǎn)一周, 完成一個袋的封口。凸輪的結(jié)構(gòu)與行程決定著袋的高度和 封口效果, 一般都采用圓盤凸輪。凸輪的結(jié)構(gòu)特性取決于包裝機(jī)的制袋規(guī)格和 充滿物料后的體積( 特別是截面尺寸) 及包裝袋的輸送( 移動) 速度。 整個機(jī)構(gòu)由機(jī)架支承。凸輪由動力傳送機(jī)構(gòu)(也可直接由電機(jī)) 帶動旋轉(zhuǎn), 由它驅(qū)動嵌有加熱元件的滑桿總成。滑桿總成有作往復(fù)運(yùn)動的內(nèi)外封合機(jī)構(gòu), 而內(nèi)外封合機(jī)構(gòu)則通過拉簧拉緊至與凸輪接觸。凸輪旋轉(zhuǎn)時, 使內(nèi)外封合機(jī)構(gòu) 作往復(fù)移動并實現(xiàn)封口處兩熱封器間歇開合; 兩熱封器張開時, 裝滿定量物品 的長條袋(塑料類軟性包裝材料向下移動, 移動一個袋高距離時停止, 凸輪驅(qū)動 兩熱 圖 3.1 橫封裝置部裝圖 封器合攏, 最后將其包裝封壓緊, 使包裝袋受熱加壓而封口。緊接著機(jī)構(gòu)再進(jìn) 行下一個封口動作) 。 這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單輕巧, 運(yùn)動平穩(wěn), 易于調(diào)節(jié)控制, 且制造成本較低。 3.3 機(jī)構(gòu)分析 機(jī)構(gòu)分析包括受力分析、運(yùn)動分析和工藝分析。 3.3.1 受力分析 (a)凸輪受力分析 凸輪受驅(qū)動力(凸輪軸上的作用力)、滑桿總成的作用力和凸輪本身的慣性 力。凸輪驅(qū)動力等于滑桿總成作用力與凸輪慣性力之和, 而滑桿總成的作用力 由正壓力和接觸點處的摩擦力組成。即: P = F + Q = f + N + Q (1) 式中: P —凸輪驅(qū)動力 F —滑桿總成作用力(F= f + N ) f —凸輪滑桿接觸處的摩擦力 咖啡粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計及橫封切斷裝置設(shè)計 8 N —凸輪滑桿接觸處的正壓力 Q —凸輪慣性力 (b)滑桿總成受力分析 滑桿總成受力就是內(nèi)外滑桿的受力, 當(dāng)滑桿質(zhì)量相等時, 其內(nèi)外滑桿受力 大小相等、方向相反, 正因為這一特點使得包裝機(jī)在間歇封口時運(yùn)動平穩(wěn)。內(nèi) 外滑桿受力表達(dá)式為: N = T + QG+ fG+ W (2) 式中:N —凸輪滑桿接觸處的正壓力, 即凸輪推動 滑桿運(yùn)動的力 T—彈簧(拉簧) 拉力 QG—滑桿慣性力 fG—滑桿與機(jī)架導(dǎo)軌間的摩擦力 W —包裝袋封口處對滑桿上熱封器的作用力 (c)包裝袋封口處受力分析 包裝袋封口處垂直方向上受包裝成袋物品的重力(一袋重或多袋重, 封口切 斷時為單袋重, 只封不切為多袋重) , 而在水平方向上就只有熱封器的壓力。 該力在封口時由包裝材料受壓的變形能和處彈性元件的受壓變形能抵消。 3.3.2 運(yùn)動分析 本創(chuàng)新機(jī)構(gòu)最大的優(yōu)點之一就是在水平面上受力處于封閉平衡狀態(tài)。其運(yùn) 動對于兩滑桿來說,也是封閉的, 即內(nèi)滑桿與外滑桿運(yùn)動方向互逆。當(dāng)兩者質(zhì)量 完全相等時, 其運(yùn)動的位移大小、速度和加速大小均相等。在封袋時, 靠內(nèi)外 滑桿的力同時作用在包裝袋封口處。當(dāng)把包裝袋拋開時, 實際上也是內(nèi)外滑桿 的兩個大小相等、方向相反的作用力再加上內(nèi)外滑桿兩方向相反慣性力發(fā)生作 用,也就是內(nèi)滑桿的慣性力和熱封作用力對外滑桿的慣性力和熱封作用力發(fā)生碰 撞作用。為避免在熱封時產(chǎn)生沖擊與振動, 除調(diào)整時保證有一定的間隙外, 更 主要的是通過凸輪設(shè)計來解決。 將凸輪設(shè)計為等加速與等減速運(yùn)動的圓盤(盤狀) 對稱凸輪。也就是使滑桿 在行程運(yùn)動中進(jìn)行壓合(內(nèi)外滑桿向包裝袋靠攏) 時前半個行程作等加速運(yùn)動, 后半個行程作等減速運(yùn)動, 且加速度與減速度絕對值完全相等?；瑮U作回程運(yùn) 動時先作等加速后作等減速運(yùn)動, 以減小滑桿回到凸輪基圓時的慣性沖擊。封 口處熱封器張開的時間和寬度用凸輪驅(qū)動滑桿運(yùn)動控制, 要保證一個袋長(單袋) 能準(zhǔn)確順利地下移到位。在袋的規(guī)格變化后, 應(yīng)能通過凸輪的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào) 節(jié)。 3.3.3 工藝分析 包裝工藝最關(guān)鍵的是凸輪運(yùn)動能驅(qū)動滑桿使內(nèi)外熱封器張開到所要求的寬 度, 并使一袋的高度距離下移到位, 然后馬上合攏, 使袋在規(guī)定的時間內(nèi)壓合 封牢。 當(dāng)裝入定量物料后的袋形尺寸規(guī)格(高度和斷面尺寸等) 發(fā)生變化時, 整個 機(jī)構(gòu)必須能調(diào)節(jié),應(yīng)充分考慮對凸輪的運(yùn)動控制、熱封器的安裝調(diào)節(jié)以及滑桿與 凸輪接觸處的結(jié)構(gòu)與調(diào)節(jié)元件等,以滿足變化后的要求。 9 由于內(nèi)滑桿尺寸比外滑桿大, 而為了保證封口質(zhì)量和機(jī)械運(yùn)動的平穩(wěn)性, 應(yīng)設(shè)法使內(nèi)外滑桿質(zhì)量相等。具體而言, 可在選材時加以考慮。 3.4 關(guān)鍵部件設(shè)計 創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的典型部件主要是凸輪。凸輪的形狀及凸輪輪廓曲線決定著整個 機(jī)構(gòu)的工作性能, 設(shè)計不當(dāng)會影響整個機(jī)構(gòu)的動作及效率。將凸輪設(shè)計成等加 速與等減速運(yùn)動對稱圓盤凸輪。這樣可以保證凸輪高速旋轉(zhuǎn)時, 滑桿不致于產(chǎn) 生剛性沖擊, 同時還可消除振動, 提高包裝機(jī)的工作平穩(wěn)性。所示為凸輪輪廓 示意圖。滑桿在凸輪驅(qū)動下作等加速和等減速運(yùn)動。即滑桿在一個行程h 中, 前半行程0～ (對應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角為0～ , 對應(yīng)滑桿移動時間為0～ ) 間滑桿2h2?02t 作等加速運(yùn)動。 式中: 0和 ——分別為滑桿完成一個行程h 時凸輪轉(zhuǎn)過的角度和滑桿所?t 需時間。 圖 3.2 凸輪輪廓示意圖 滑桿作等加速運(yùn)動時的運(yùn)動方程可寫為: (3) 1213acvdtsct??? 當(dāng)滑桿作等減速運(yùn)動時, a 為負(fù)值, 分別將初始條件代入式(3) 并以 和? 0代替t和 , 得到滑桿的運(yùn)動方程表達(dá)式( , 為凸輪旋轉(zhuǎn)角速度) :?0t 0t??? 咖啡粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計及橫封切斷裝置設(shè)計 10 (4) 20204hsvha????? (5) ??220204shva????? 式(4) 為 從0～ 時的等加速運(yùn)動; 式(5)為 從 ～ 0時的等減速運(yùn)?0 ?2 動。同理, 可得出滑桿從凸輪頂部返回(回程) 作等加速和等減速運(yùn)動的運(yùn)動方 程如下: (1) 從0～ 0/2 時的等加速運(yùn)動方程:? (6) 20204hsvha????? (2) 從 0/2～ 0時的等減速運(yùn)動方程:?? (7) ??220204hsvha??????? 由式(4)、(5)、(6)、(7) 可繪出滑桿完成一次封口包裝的位移線圖。 11 圖 3.3 凸輪位移線圖 速度和加速度線圖同理,可繪出. 圖 3.4 滑桿零件輪廓圖 由滑桿運(yùn)動線圖可知, 在某些點上有加速度突變, 滑桿的慣性力也會有突 變, 會產(chǎn)生沖擊, 但因為慣性力突變值有限, 比起其它運(yùn)動方式?jīng)_擊要小, 在 機(jī)械傳動中也稱之為柔性沖擊。除凸輪外, 滑桿結(jié)構(gòu)及其選材和機(jī)械加工也必 須加以注意, 滑桿整體重量應(yīng)盡可能輕, 內(nèi)外滑桿重量應(yīng)盡可能一致。由于凸 輪高速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn), 滑桿與凸輪相接觸處始終處于高速摩擦狀態(tài), 故凸輪輪廓以 及滑桿與凸輪輪廓相接觸的零件都必須選用耐磨材料:45鋼. 3.5 其他設(shè)計計算 3.5.1 分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動時間 凸輪驅(qū)動滑桿, 使滑桿上熱封器間歇開合。開啟的時間必須保證包裝袋單 袋高度移動到位。合攏時進(jìn)行封口, 封口時間應(yīng)在保證封牢的前提下盡可能短。 機(jī)構(gòu)開合運(yùn)動時間越短, 機(jī)械效率就越高。 3.5.2 分析機(jī)構(gòu)移動位移 凸輪控制著滑桿的封口器開啟大小, 其開啟大小必須保證包裝袋充滿物料 后能順利下移, 但不能開啟太大, 否則影響效率。另外, 要隨著包裝規(guī)格的改 變, 調(diào)節(jié)開啟寬度, 保證工作效率。 3.5.3 分析機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié) 機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)包括整機(jī)調(diào)節(jié)與部件機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)。應(yīng)使凸輪驅(qū)動與滑桿運(yùn)動能滿足 整機(jī)調(diào)節(jié)的要求,而部件機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)則應(yīng)盡可能簡單方便。主要是調(diào)節(jié)凸輪控制機(jī) 咖啡粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計及橫封切斷裝置設(shè)計 12 構(gòu)和滑桿上熱封器開合位移, 可通過在與凸輪輪廓相接觸部位加墊塊, 或調(diào)整 滑桿上有關(guān)構(gòu)件的安裝固定位置等, 或設(shè)計一組便于更換的凸輪等方法解決。 3.5.4 壓簧的設(shè)計與計算 根據(jù)橫封裝置所設(shè)計的結(jié)構(gòu)，要求設(shè)計一彈簧。由于咖啡粉枕式包裝機(jī)橫 封切斷裝置設(shè)計中的凸輪運(yùn)動所要推動導(dǎo)桿的力不是很大，所以設(shè)定彈簧最大 工作載荷 F2=200N，估取彈簧絲直徑 d=6mm。具體計算請見下表： 項目 公式或經(jīng)驗 尺寸 1 材料 碳素 65Mn 2 彈簧類別 1 類 3 估取彈簧絲直徑 d--mm 6 4 拉伸強(qiáng)度極限 --Mpab?由估取彈簧絲直徑 d 初選 1716 5 許用剪切應(yīng)力 τ--Mpa 0.3 b?514.800 6 剪切彈性模量 G--Mpa 81500～78500, 78500 78500 7 拉壓彈性模量 E--Mpa 202000～204000, 197000 8 中徑 2D由結(jié)構(gòu)定 48 9 旋繞比(彈簧指數(shù))C 4～102DCd? 8.000 10 補(bǔ)償系數(shù)(曲度系數(shù))K 1.184 11 最大工作載荷 --N2F 200 12 試算彈簧絲直徑 'd' 21.6FK??2Cd?3.069 13 確定彈簧絲直徑 d 'd? 6 14 重新計算旋繞比 C 2D8.000 15 重新計算補(bǔ)償系數(shù) K 1.184 16 重新試算彈簧絲直徑 'd' 21.6FKC?? 3.069 17 最終確定彈簧絲直徑 d '? 6 18 最小變形量 1f由結(jié)構(gòu)設(shè)計定 8.2 19 工作行程 h 由結(jié)構(gòu)設(shè)計定 50 13 20 最大變形量 2f = +h2f213.1459cosDnL???f 58.2 21 彈簧工作圈數(shù) n 2'8 GfFC 33.462 22 n 圓整 8.500 23 彈簧剛度 k--N/mm 2'Dkn?? 13.528 24 最小工作載荷 --N1F1f 110.932 25 外徑 D 2d?54 26 內(nèi)徑 1 1D??42 27 自由高度 0H由結(jié)構(gòu)設(shè)計定 100 28 壓縮彈簧細(xì)長比 b 1～5.302 H 2.083 29 總?cè)?shù) 1n = +(2～2.5) 冷卷1n 10 30 死圈 x x??1xn??1.500 31 節(jié)距 t (0.5)oHdt??11.059 32 軸向間隙 δ δ=t-d 5.059 33 并緊高度 bH兩端磨平 1(.)bn?57.000 34 20b f? 0.3 0.7 理想值 0.6: 1.353 35 螺旋角 α α rad23.1459 tarctgD?? 0.073 36 5---9 度 4.194 37 展開長度 L 21.cosnL?1512.013 38 質(zhì)量 ms g 0.78539msdL???329.184 39 疲勞強(qiáng)度驗算 40 最大循環(huán)剪應(yīng)力 ax?2ax3.14KDF134.004 咖啡粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計及橫封切斷裝置設(shè)計 14 41 最小循環(huán)剪應(yīng)力 min?21in38.459KDFd??74.326 42 安全系數(shù) 'ca'0minax 7ca?? 4.258 43 1.3 1.7 1.8 2.2:: 44 靜強(qiáng)度驗算 45 剪切屈服極限 taoS 46 安全系數(shù) canmaxcatoSn? 47 振動驗算 48 固有頻率 bf 0.5(120)b wkf fs?:2DCd?0.003 49 工件頻率 wf1400r/min 23.333 根據(jù)上面的一系列計算,可繪出壓簧的圖形,如圖 3.6 咖啡粉枕式包裝機(jī)計量裝置三維爆炸圖 圖 3.5 壓簧 在商品流通中人們對小袋商品的包裝提出了越來越高的要求,不僅要求包裝 美觀、便于運(yùn)輸、儲存、使用方便和產(chǎn)品保質(zhì),而且要求包裝袋內(nèi)的商品計量準(zhǔn) 15 確,誤差小。 “計量”是包裝過程中的重要組成部分,因此商品包裝的精確計量是 包裝行業(yè)時刻關(guān)注的一項重要課題。這次畢業(yè)設(shè)計也遇到了這方面的問題，我 們經(jīng)過分析后，決定采用容積式定量包裝計量裝置，它主要適用于視密度穩(wěn)定、 容量較小的物料包裝計量。其結(jié)構(gòu)簡單,計量速度快,成本低,但準(zhǔn)確度低(一般 只能達(dá)到 3%～1 5%)。 [4] 容杯式定量包裝計量裝置,分為固定和可調(diào)容杯式定量包裝計量裝置兩種。 固定容杯式定量包裝計量裝置有兩種類型,一種適用于顆粒狀、粉狀物料包裝; 另一種適用于粉狀物料包裝。適用于顆粒狀、粉狀物料包裝主要由料斗、定量 杯、轉(zhuǎn)盤、刮板、粉罩、活門、轉(zhuǎn)軸及機(jī)架等組成。其工作原理為:轉(zhuǎn)盤帶動定 量杯在轉(zhuǎn)軸的作用下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,當(dāng)定量杯轉(zhuǎn)入由刮板隔斷的料倉時,向其內(nèi)充 填物料,同時料斗補(bǔ)充物料,以便定量杯充滿物料;當(dāng)定量杯轉(zhuǎn)出由刮板隔斷的料 倉時,刮板將其上口物料刮平,保證各杯料高一致;當(dāng)定量杯轉(zhuǎn)到卸料口時,由固 定在機(jī)架上的頂桿撥開其底部的活門,物料經(jīng)下料管落入包裝袋,落料完畢再由 頂桿關(guān)閉其底部的活門,完成計量自動落料的動作要求。適用于粉狀物料包裝主 要由料斗、定量杯、滑板、滑座、滑座蓋、支座、攪拌器及機(jī)架等組成。其工 作原理同上相似。就本課題來講，我們選擇了固定定量包裝計量裝置。 [2] 根據(jù)同組同學(xué)設(shè)計的二維圖，通過 PRO/E2.0 軟件繪制出了咖啡粉枕式包裝 機(jī)計量裝置三維爆炸圖： (a)右側(cè)面 咖啡粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計及橫封切斷裝置設(shè)計 16 (b)左側(cè)面 (c)側(cè)視圖 17 (d)俯視圖 圖 3.5 咖啡粉枕式包裝機(jī)計量裝置三維爆炸圖 4 結(jié)論 通過對咖啡粉枕式包裝機(jī)的總體分析,研究了粉劑包裝工藝,運(yùn)用以前學(xué)過 的機(jī)械原理,機(jī)械設(shè)計方面的知識,確定了咖啡粉枕式包裝機(jī)總體方案的論證.根 據(jù)功能要求,設(shè)計了簡單且實用的傳動方案.對部件的主要零件—凸輪,進(jìn)行了力 學(xué)分析.對與凸輪配合的軸進(jìn)行了校核計算.所設(shè)計的機(jī)構(gòu)是在吸取以前常見橫 封機(jī)構(gòu)成功經(jīng)驗基礎(chǔ)上進(jìn)行的,具有具有如下特點: (a)結(jié)構(gòu)簡單 整個機(jī)構(gòu)中沒有特種加工的零件,所以加工方便、造價低、易于調(diào)試安裝。 (b)機(jī)器平穩(wěn)性好 運(yùn)動中力系處于封閉平衡狀態(tài), 使機(jī)械傳動運(yùn)行中沖擊振動小。 (c)封口性能好 采用柔性沖擊凸輪輪廓曲線, 使得封口器在封口瞬時既降低了沖擊又保證 了封口性能。 (d)實用價值高 結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、造價低且調(diào)試方便。 (e)便于實現(xiàn)程序控制 本機(jī)構(gòu)可配上先進(jìn)的控制方式實現(xiàn)程序控制。 (f)更換構(gòu)件方便 滑桿總成包括熱封器及調(diào)整, 均為單件設(shè)計加工后組裝, 便于改變結(jié)構(gòu)及 咖啡粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計及橫封切斷裝置設(shè)計 18 變更材料。 尚存在一些技術(shù)問題,如對熱封器在燙頭內(nèi)部的布置路線還有待改進(jìn)與調(diào)整. 參 考文獻(xiàn) [1] 胡家秀主編.機(jī)械零件設(shè)計實用手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999 [2] 陸振曦、陸守道主編.食品機(jī)械原理與設(shè)計[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，1995. 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