膏体自动灌装机设计说明书

摘要

灌装机是酒水、膏体、饮料类等食品加工行业的关键设备之一。目前正向着灌装的高速化、精确化；以及智能化、多功能化方向发展。

本文的设计工作原理是利用传送带将空盒送进六工位转盘，利用槽轮间歇运动变换不同工位；然后在灌装工位通过连接在凸轮机构上的装置灌入膏体；在贴锡纸工位利用与凸轮机构相连的装置在盒上粘贴锡纸(利用锡纸下降）；在盖盒盖工位上将盒盖压下紧固咋爱盒口；最后送出成品。通过槽轮机构、凸轮机构、齿轮换位机构和送料机构来实现，从而完成膏体的自动灌装并送出成品。 关键词

膏体；槽轮；灌装；间歇；机构

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III

Abstract

The filling machine is one of the key equipment for drinks, paste, beverage and other food processing industries. The current towards high-speed, filling accuracy; and intelligent, multi-functional direction.

The design principle of this paper is to use the empty boxes to the six station rotary table, using the transform of Geneva motion in different position; and then through the device is connected to a cam on filling paste in the filling station; device in the paste foil station is connected with the cam mechanism with the paste in the box with foil (use of tin foil down) cover; in position, press fastening love box mouth; finally out of finished products. To achieve through the groove wheel mechanism, cam mechanism, gear shift mechanism and feeding mechanism, thus completing the paste filling and had finished.

Keywords paste; the groove wheel; filling; intermittent; mechanism

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IV

目录

摘要.................................................................. IV 1、绪论................................................................1 1.1、灌装机的发展.....................................................1 1.2、设计任务背景.....................................................1 2、设计任务和要求......................................................1 2.1、设计任务.........................................................1 2.2、设计要求和内容...................................................2

3、工作原理和工艺过程..................................................2 4、拟定运动循环图......................................................2 5、执行机构设计方案....................................................3 5.1、转盘的间歇运动...................................................3 5.2、贴锡纸、加盖机构.................................................5 6、设计方案的机械运动简图..............................................6 7、机械传动系统的尺度设计..............................................8 7.1、电动机的选择.....................................................8 7.2、行星轮系传动比的计算.............................................8 7.3、带传动的设计.....................................................9 7.4、轴的选择.........................................................9 7.5、锥齿轮参数设定...................................................9 8、机构执行系统的尺度计算..............................................9 8.1、槽轮相关参数的确定...............................................9

8.2、凸轮机构设计.....................................................11 设计小结及体会.........................................................14 参考文献...............................................................15

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1绪论

1.1灌装机的发展

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，至今引进的势头仍然是有增无减。这些机械大多是高速自动化生产线，可靠性强，产量高，部分设备是当今世界最为先进的机型。这些生产线的引进，使中国部分饮料、乳品和啤酒企业的包装水平得以与发达国家同步发展。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，包括塑料饮料瓶、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.

包装机械的产值在300亿元人民币左右，而每年进口的食品包装机械约10亿美元。其中饮料、乳品和啤酒包装机械占有相当大的比重。

1.2设计任务背景

包装是食品生产中必不可少的一个环节，而啤酒及其他碳酸饮料在人们的生活中已占据了重要的地位，从而也带动了灌装机械的发展。鉴于我国目前包装机械行业的发展空间比较的大，研究包装机械方面的课题个人和社会都有积极意义，是对学生综合能力的培养和锻炼，尤其是总体设计更是如此。一方面巩固、增长学生的专业知识，培养综合运用知识的能力，为以后的工作积累经验，另一方面也希望他们能在自己的课题上有所发现、改进、创新，提出一些建设性的意见。自动灌装机构设计，题目综合性强，需要学生有扎实的基础知识和广博的知识面及计算机基础。所以，在整个设计过程中学生可以充分发挥其主动性，积极性，培养了他们的综合分析问题和解决问题的能力，促进学生由知识型向智能型转化。

2.设计任务和要求

2.1设计任务

膏体自动灌装机是通过出料活塞杆上下往复运动实现膏体灌装入盒内的，其主要工艺动作如下：

（1）、将空盒送入六工位转盘，利用转盘间歇运动变换不同工位； （2）、在灌装工位上空盒上升灌入膏体；

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（3）、在贴锡纸工位上粘贴锡纸； （4）、在盖盒盖工位上将盒盖压下； （5）、送出成品。

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2.2.设计要求和内容

1、电动机选择Y系列交流异步电动机，转速为960r/min； 2、膏体自动灌装机的生产能力：24盒/min； 3、膏体盒尺寸D=30~50mm，高度h=10~15mm； 4、工作台面距离地面的距离为1100~1200mm； 5、构件质量和转动惯量不计；

6、要求结构紧凑、传动性能优良、运动灵活可靠、噪声尽量减小。

3.工作原理，工艺动作过程

首先从产品的设计要求等方面出发，膏体自动灌装机要求完成以下几个工艺动作：

1、送盒：这一动作由传送带来完成，保证传送带的连续运转； 2、六工位转盘的间歇转动：这一动作有槽轮机构来实现； 3、灌装：这一过程可以由凸轮的反复运转来实现；

4、贴锡纸、压盖：这两项工作可以由一个凸轮带动一组压杆来实现； 5、送出成品：由传送带完成。

4.拟定运动循环图

机械运动循环的设计:

（1）、确定执行机构的运动循环时间T执行。我们所设计的灌装机每分钟生产24盒，因此其运动循环时间为：T执行=60/n曲=2.5.

（2）、确定组成运动循环的各个区段。六工位台每转动一次转角为600，其在转动时凸轮和槽轮保持不动。输送带在整个过程中负责将空盒送到工位上，然后将成品送出，因此在整个过程中一直转动。两个凸轮机构分别完成灌装和贴锡纸、加盖工作，在远休止和近休止阶段处于不动，在推程和回程段运动。

（3）、机构同心圆式运动循环图：

机构的运动循环如图4-1，其各个机构的运动情况如下：

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输送带区段：在0到360°均转动；

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六工位台的转停：在1/3t（120度°）内转动，在2/3t（240°）内停歇； 灌装机构的转停：在α1=120°停歇，α2=90°时上升，在α3=60°时停歇，在α4=900时下降；

贴锡纸、加盖机构的转停：在α1=120°停歇，α2=90°时下降，在α3=60°时停歇，在α4=90°时上升；

图4-1(机构同心圆式运动循环图)

5.执行机构的选型

5.1、转盘的间歇运动

（1）、棘轮间歇机构

棘轮间歇机构通过摇杆1连接制动爪3左右摆动带动棘轮转动，通过止动爪5实现棘轮止动，如图5-1：

图5-1（棘轮间歇机构）

优点：结构简单、制造方便、运动角可在工作过程中并可在较大范围内调整等；

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缺点：运动角的调节是有级的，转动精度较差，且棘爪在齿面上滑行时引起噪声、冲击、齿尖易磨损，不宜用于高速。灌装机构需要考虑到运动的平稳性，因而舍去此种方案。 （2）、不完全齿轮

不完全齿轮机构中，一个齿轮全齿，另一个不完全齿，当不完全齿轮的有齿部分与完全齿轮啮合时，完全齿轮才转动，如图5-2：

图5-2（不完全齿轮机构）

优点: 结构简单，工作可靠，容易制造。与其他间歇机构相比，其从动轮矫转周的停歇次数，运动和停歇的时间比例，可在较宽广的范围内调节

缺点: 啮合传动的开始和终了时，速度有突变，且加速度也不连续，故冲击较大，运动不平稳，连续，故舍去。 （3）、槽轮机构

槽轮机构利用拨盘转动，使销钉间歇性进入槽中带动槽轮间歇性转动，如图5-3：

图5-3（槽轮机构）

优点: 结构简单，工作可靠，容易制造。转位迅速，其机械效率高，故能平稳地，间歇地进行转位

缺点: 其运动规律不能选择，调节性能差，在拨销进入和脱出槽轮时会产生柔性

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冲击，故常使用于速度要求不太高的运动中。

因此，综合上述三种间歇运动机构方案，凸轮式间歇机构、不完全齿轮、槽轮机构，结合所需要设计的膏体自动灌装机中的六工位转盘转速为24r/miin，转速不高，产生冲击不大，决定使用槽轮机构来带动转盘间歇运动。

5.2、灌装、贴锡纸、加盖机构

（1）、连杆、凸轮组合机构

优点：传动精确，动力充足，安全可靠；

缺点：设计复杂，占用空间大，不易制造；故舍去。 （2）、曲柄推杆机构

优点：结构简单，节省材料，容易制造，压力和磨损小；

缺点：惯性力较大，无间歇运动，满足不了在贴纸、加盖过程中的间歇要求。如图5-4，故舍去。

图5-4（曲柄推杆机构）

（3）、几何封闭式凸轮机构

优点：传动精确，结构简单，可靠性高；

缺点：易磨损，制造较困难。但是这不影响所需求的运动特性的实现。所以选择该机构，如图5-5。

图5-5（几何封闭式凸轮机构）

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6.设计方案的机械运动简图

按照已经选定的三个执行机构的型式及机械传动系统，画出膏体灌装机的机械运动示意图，包含了机械传动系统、三个执行机构的组合。机械运动简图大致的描绘出了机械的运转方式，根据这个就可以进行机构的尺寸计算。

机构运动简图及部件序号如下 1,固定齿轮； 2，3，行星轮；

5，6，V型皮带轮16：55； 7，8，等齿数45度锥齿轮； 9，槽轮主动轮； 10，槽轮从动轮； 11，间隙转盘的底盘； 12，六工位间隙转盘； 13，灌装工位； 14，压盖工位；

15，灌装压盖机构的主传动轴； 17，18，等转速V型皮带轮； 19，20，V型皮带轮； 21，22，均为45度锥齿轮； 23，24，等转速V型皮带轮； 25，28，均为45度锥齿轮；

26，27以及29，30，均为V型皮带轮，且27和30的转速相等；

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图6-1

图6-2

如图6-1和图6-2，利用减速系统实现减速，通过传动轴和传动系统实现各部位的运动相关联接，空盒通过传系统带进入六工位转台，通过拨盘带动槽轮的间歇运动实现盒体的工位转动，再通过凸轮机构的运动实现灌装、压盖、贴锡纸，再通过传系统送出成品。

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7.机械传动系统的设计

7.1电动机的选择

根据设计要求需要使用n=960r/min的电动机，考虑到膏体自动灌装机对于工作无特殊的要求，我选择Y系列三相异步电动机；考虑到电动机工作时要消耗的功率和传动过程中的效率，选择Y2-132M2-6型电动机，其基本参数如表7-1：

表7-1

额定功率 转速（r/min） Tmax/TN 转动惯量/KW （kg/m2） Y2-132M2-6 5.5 960 2.1 0.0449 型号 参考质量（kg） 84 7.2、行星轮系传动比的计算

由i总=960/24=40考虑传动的平稳性，通过两次减速来实现。第一次通过2K-H行星轮系实现i=5的减速；第二次通过皮带轮实现i=8的减速。其总和为5*8=40.符合减速要求。

根据灌装机的总体高度要求，选择：

M=2.5， Z1=40， Z2=60，Z3=160则iH13=1-i1H=-Z3/Z1 i1H=1+Z3/Z1=1+160/40=5

图7-1（传动行星轮系）

选用常用的渐开线直齿圆柱齿轮来构成这组行星轮系，如图7-1，其中2为行星轮，1、3为太阳轮。

齿轮1、2安装的中心距为a12=r1+r2=125mm。

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7.3、带传动的设计

考虑到传动比、传递功率和速度，我们选择V带传动。V带在同样的预紧力条件下能产生更大的摩擦力，传动比大，适用于传递中等功率和中等速度的场合。再由带速范围的选择和经济考虑，我们选用窄V带，如图7-2。

图7-2

7.4、轴的选择

由于灌装机的转速中等，载荷不大，冲击也较小，因而选用45刚作为轴的材料。

7.5、锥齿轮参数设计

m=2， δ1=δ2=450 取Z1=Z2=25， 则d1=d2=50mm。

8.机构执行系统部分的尺度计算

8.1、槽轮相关参数的确定

（1）、由于六工位要实现每次60°的间歇运动，所以槽数设为Z=6，即拨盘销钉每次进入槽中会带动槽轮转动60°。 （2）、圆销数n的选择：

在实际工作中，要达到的运动效果为六工位在停止转动的时间内完成灌膏、贴纸、压盖三道工序，因此应使停止的时间长于转时，即传动系数k=td/t<0.5但不应太小，若拨盘上均布n个销，则一周内槽轮被拨n次。

则k=n(1/2-1/Z)≦1， 即n≦2Z/（Z-2） 所以n=1或2或3； 当n=1时，k=1/3； n=2时，k=2/3； n=3时，k=1； 出于产品的实际考虑选n=1. （3）、槽轮机构相关数据：

槽数：Z=6，销n=1； 中心距L：按结构情况确定L=450mm

圆销半径：r=30mm

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槽轮每次转位时主动件的转角2α：2α=1800（1-Z/2）=1200 槽间角2β2： 2β2=3π/z=600

主动件圆销中心半径R： R=L*sinβ2=225mm R与L的比值λ： λ=R/L= sinβ2=0.5

槽轮槽深 h： h≧S-(L-R-r)=389-（450-225-30）=194mm 圆销中心距槽轮轴心距离： S=Lcos（π/2）=389mm 运动系统： k=1/3

拨盘轴半径d1≦2（L-S）=122mm， 槽轮轴直径d2≦2（L-R-r）=390mm； 槽轮的角加速度，角速度计算: W1=2πn/60=2π*24/60=2.512rad/s

W2/W1=λ（cosα-λ）/（1-2λ*cosα+λ2） α、φ分别为拨盘和槽轮的位置 α2/W1=λ（λ2-1）sinα/（1-2λcosα+λ2） 化简W2/W1=（2cosα-1）/（5-4cosα） α2/W1=（-3/8sin）/（5/4-cosα）2

由以上角速度、角加速度的相关关系可计算出与α和W1值对应α2的W2和的值，如表7-2：

表7-2（槽轮的角速度α2和角加速度W2）

α 0 30 45 60 90 -30 -45 -60 -90 W2/W1 1 0.477 0.191 0 -0.2 0.477 0.191 0 -0.2 W2 2.512 1.198 0.48 0 -0.502 1.198 0.48 0 -0.502 α2/W1 0 -1.275 -0.901 -0.577 -0.24 1.275 0.901 0.577 0.24 α2 0 -8.045 -5.685 -3.64 -1.514 8.045 5.685 3.64 1.514 由表7-2可绘制出槽轮的角速度值α2变化图如图7-4，角加速度的值W2变化图如图7-5：

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图7-4（槽轮的角速度值）

图7-5（槽轮的角加速度值）

8.2、凸轮机构设计

由凸轮运动规律有推程运动时:S=h【1-cos（πδ/δ0）】/2

V=πhwsin（πδ/δ0）/（2δ0） （w=2.512rad/s） a=π2hw2cos(πδ/δ0)/（2δ02） 回程运动方程：S=h【1+cos（πδ/δ0）】/2 V=-πhwsin（πδ/δ01）/（2δ01） a=-π2hw2cos(πδ/δ0)/【2（δ01）2】

由推程运动方程和回程运动方程计算推程、回程运动角δ与位移S的相关值如表7-3：

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表7-3（凸轮转角δ与位移S）

δ 0 15 30 45 60 75 90 S 0 3.35 12.5 25 37.5 46.65 50 δ 0 15 30 45 60 75 90 S 50 46.65 37.5 25 12.5 3.35 0 第 12 页

由运动角和位移，利用反转法求出凸轮轮廓线，然后计算凸轮的加速度、速度值：取h=50mm， r0≧{【ds/(ds+tan[α])-s】2}1/2=πhsin（πδ/δ0）/2δ0tan[α] [α]=300 r0≧3.5/0.577-3.35=39.97mm, 取r0=45mm 速度计算如下：

V0=πhwsin（πδ/δ01）/（2δ01）= hwsin（πδ/δ01）=0 V1=50*2.512*0.5=62.8mm/s V2=50*2.512*31/3/2=108.77mm/s V3=50*2.512*1=125.6mm/s V4=62.8mm/s V6=0 加速度计算如下：

a0=π2hw2cos(πδ/δ0)/【2（δ01）2】=2hw2cos(πδ/δ

0)=2*50*2.5122=633.27mm/s2

a1=546.46mm/ s2

a2=2*50*w2*0.5=315.5 mm/s2 a3=2*50*2.5122*0=0 a4=-315.5 mm/s2 a5=-546.46mm/ s2 a6=-633.27 mm/ s2

由soildwork仿真得到凸轮压杆位移S（图7-6）、速度V（7-7）、加速度a（7-8）曲线图：

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图7-6（凸轮压杆位移S曲线图）

图7-7（凸轮压杆速度V曲线图）

图7-8（凸轮压杆加速度a曲线图）

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设计总结及体会

此次课程设计我运用所学的机械原理相关知识，结合课程设计手册，在两个个多月内基本完成了设计任务。在设计过程除了着重的理解凸轮、轮系等的设计以外，我还运用了AUTO CAD、Solidwork来辅助设计示意图，用Excel来处理数据和绘制关系图，综合运用这些来完成一项设计的确让我学到了不少的东西。

在整个课程设计中，我仔细参考了带传动设计、凸轮传动、槽轮传动等机构的资料书，来完成各个机构的设计。整个的设计过程确实有点繁琐，步骤比较多，要自学的东西也不少，但这样的一次设计，锻炼了我对知识的应用能力，加深了我对所学知识的理解，初步的了解了设计的要素。

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参考文献

1、冯鉴、何俊、雷智翔主编《机械原理》，西南交通大学出版社；

2、邹慧君、张青主编《机械原理课程设计手册》第二版，高等教育出版社； 3、常德功、樊智敏、孟兆明主编《带传动和链传动设计手册》。