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編 號 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 題目： 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號： 0923190 學(xué)生姓名： 仲曉斌 指導(dǎo)教師： 何雪明（職稱：副教授） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 磁力式擰瓶 機(jī)的設(shè)計及工程分析 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所 取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標(biāo)注 引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其 他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機(jī)械 94 學(xué) 號： 0923190 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 擰瓶機(jī)是封口機(jī)的一種，它廣泛用于玻璃瓶或 PET 瓶的螺紋蓋 封口。國內(nèi)外已經(jīng)有相當(dāng)成熟的封口機(jī)技術(shù)，形成了相當(dāng)成熟的生產(chǎn) 線，各種有特定功能的封口機(jī)、擰瓶機(jī)也在生產(chǎn)生活中隨處可見，技 術(shù)不斷創(chuàng)新和改良，形式多樣化發(fā)展。 擰瓶機(jī)是飲料灌裝過程中旋緊瓶蓋的專用設(shè)備,工作時必須保證 適宜的旋緊力矩。力矩過小, 瓶蓋旋不緊; 力矩過大, 易損壞瓶嘴和 瓶蓋。為此 , 我們在吸收國外同類先進(jìn)設(shè)備的基礎(chǔ)上研制了一種利用 磁力傳遞扭力矩實現(xiàn)瓶蓋旋緊的旋蓋頭, 能根據(jù)需要方便地 設(shè)定、調(diào) 整旋緊力矩的大小, 并能適用于不同高度的瓶子。 三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： ① 擰 瓶機(jī)的生產(chǎn)效率能達(dá)到 4000 瓶/小時，并在擰蓋過程中能適應(yīng) 不同高度的瓶子； ②利用 UG 繪制主機(jī)總圖 及主要零件圖 ； II ③對擰蓋機(jī)主要零件進(jìn)行強(qiáng)度校核； ④根據(jù)計算結(jié)果，確定擰蓋機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，完成總裝配圖； ⑤查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，完成畢業(yè)設(shè)計說明書一份，不少于 30 頁。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 94 班 姓名 仲曉斌 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學(xué)科組組長研究所 所長〕 簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 III 摘 要 國內(nèi)外已經(jīng)有了相當(dāng)成熟的封口機(jī)的技術(shù)，形成了成熟的生產(chǎn)線，各種有特定功能 的封口機(jī)、擰瓶機(jī)在生產(chǎn)生活中隨處可見，技術(shù)經(jīng)過不斷創(chuàng)新和改良，形式得到多樣化 發(fā)展。 擰瓶機(jī)是在灌裝中旋緊瓶蓋的專用設(shè)備,工作時必須保證適宜的旋緊力矩。力過小, 則 瓶蓋旋不緊；力若過大，則易損壞瓶嘴和瓶蓋。為此，我們在吸收國內(nèi)外先進(jìn)設(shè)備的 基礎(chǔ)上研制了一種利用電磁力傳遞扭力矩實現(xiàn)瓶蓋旋緊的旋蓋頭, 它不僅能根據(jù)需要方 便地設(shè)定、調(diào)整旋緊力的大小, 還能適用于不同高度的瓶子。 本文介紹了本課題的研究背景和意義，論述了擰瓶機(jī)在國內(nèi)外發(fā)展的狀況，介紹了 本次設(shè)計設(shè)計的內(nèi)容及方法。本次設(shè)計的重點(diǎn)是擰瓶機(jī)的總體設(shè)計方案、封裝過程的旋 蓋、輸送方式和定位的方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了運(yùn)動與結(jié)構(gòu)設(shè)計。本次設(shè)計采用了回轉(zhuǎn) 式的封裝方法，通過圓柱凸輪來實現(xiàn)旋蓋頭的上下升降運(yùn)動。在滿足包裝機(jī)械原理的條 件下，充分考慮了整機(jī)的布局和經(jīng)濟(jì)性。 關(guān)鍵詞：擰瓶機(jī)；磁力；自動化；圓柱凸輪 ； IV Abstract At home and abroad has been quite mature technology sealing machine, forming a fairly mature production line, various specific functions sealing machine, capping machine can be seen everywhere in the production and living, technical innovation and improvement, form diversified development. Capping machine is tightening the cap in the process of beverage filling equipment, work must ensure that appropriate tightening torque. Torque is too small, cap screw is not tight; Torque is too big, easy to damage the bottle mouth and bottle caps.Therefore, we developed on the basis of absorbing foreign advanced equipment from a use of magnetic transfer torque capping head cap tightened, can be easily set as required, adjust the tightening torque of the size, and can be applied to different the height of the bottle. This paper introduces the research background and significance of the topic， discussed capping machine development at home and abroad, introduced the content and methods design research.This is designed to focus the overall design of the capping machine, Capping, transportation and positioning of the packaging process, Based on this the motion and structure design. The packaging design is the rotary type ， through the cylindrical cam contour the capping head up and down reciprocating of the motion. And take full account to meet the principle of the packaging machinery, machine layout and economy. Key words: capping machine; magnetic force; automation; cylindrical cam V 目 錄 摘 要 III ABSTRACT .IV 目 錄 .V 1 緒論 1 1.1 本課題的設(shè)計內(nèi)容和意義 .1 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 .1 1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 2 2 擰瓶機(jī)的總體設(shè)計 3 2.1 擰瓶機(jī)的簡介 3 2.1.1 擰瓶機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成 .3 2.2 擰瓶機(jī)的設(shè)計 3 2.2.1 擰瓶機(jī)的整體傳動設(shè)計 3 2.2.2 擰瓶機(jī)的外形設(shè)計 .3 2.2.3 擰瓶機(jī)自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計 3 2.2.4 旋蓋頭裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 2.2.5 轉(zhuǎn)盤裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4 2.3 擰瓶機(jī)總體方案的確定 4 2.3.1 方案一的介紹 4 2.3.2 方案二的介紹 4 2.3.3 方案三的介紹 5 2.3.4 方案比較 6 2.4 擰瓶機(jī)重要參數(shù)的確定6 2.4.1 設(shè)計參數(shù)：6 2.4.2 設(shè)計要求6 3 擰瓶機(jī)的組成及部件設(shè)計 7 3.1 擰瓶機(jī)的組成 7 3.2 圓柱凸輪的設(shè)計 .7 3.3 理蓋裝置的設(shè)計 .7 VI 3.3.1 送蓋自動料斗 8 3.3.2 螺旋形供蓋滑道 8 3.3.3 輸蓋槽部件 10 3.3.4 理蓋機(jī)機(jī)架 10 3.4 旋瓶轉(zhuǎn)盤的設(shè)計 .12 3.5 撥桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 .13 3.6 輸送軌道的設(shè)計 .14 3.7 旋蓋頭的設(shè)計 .14 3.7.1 初級的外靠摩擦輪形式 15 3.7.2 摩擦片扭矩限制機(jī)構(gòu) 15 3.7.3 電磁力扭矩限制機(jī)構(gòu) 16 4 擰瓶機(jī)傳動部分的設(shè)計 .17 4.1 電動機(jī)的選擇 17 4.1.1 類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇 17 4.1.2 功率的確定 17 4.1.3 轉(zhuǎn)速的確定 17 4.2 傳動比的分配 18 4.2.1 傳動比分配的參考數(shù)據(jù) 18 4.3 減速器的設(shè)計選擇 .19 4.4 帶傳動的設(shè)計 19 4.5 軸的設(shè)計及校核 .21 4.5.1 軸的材料 21 4.5.2 軸的計算 21 4.6 鍵的選擇和鍵鏈接強(qiáng)度計算 .22 4.6.1 鍵的選擇 22 4.6.2 平鍵鏈接強(qiáng)度計算 22 4.7 錐齒輪的設(shè)計計算 .23 4.8 滾動軸承選擇原則 .27 5 擰瓶機(jī)控制系統(tǒng) .29 VII 5.1 控制要求 .29 5.2 控制系統(tǒng)的選擇 .29 5.2.1 為何采用 PLC 控制 .29 6 擰瓶機(jī)的安裝、維護(hù)和安全 30 6.1 安裝 .30 6.2 維護(hù)保養(yǎng) .30 6.3 安裝要求 .30 7 結(jié)論與展望31 7.1 結(jié)論 .31 7.2 不足之處及未來展望 31 致 謝 .32 參考文獻(xiàn) .33 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 1 1 緒論 1.1 本課題的設(shè)計內(nèi)容和意義 擰瓶機(jī)是灌裝生產(chǎn)線的主要設(shè)備之一，它被廣泛用于玻璃瓶或 PET 瓶的螺紋蓋封口。 伴隨著社會的發(fā)展，產(chǎn)品的包裝質(zhì)量要求對人們來說也越來越重要。在飲料，調(diào)味料， 酒類，化妝品及藥品等瓶包裝的封口就大量采用螺紋蓋封口。因為螺紋蓋具有封口快捷， 開啟方便及開啟瓶后又可重新封好等優(yōu)點(diǎn)。目前已有全自動洗瓶機(jī)、全自動灌裝機(jī)、全 自動擰瓶機(jī)三合一的機(jī)型。 許多大型零售商都要求飲料和食品生產(chǎn)商采用塑料包裝，為了減少包裝破損和運(yùn)輸 重量，并滿足消費(fèi)者的安全需要。帶有螺旋密封蓋的瓶子具有快速、便捷和密封等優(yōu)點(diǎn), 使它越來越廣泛的應(yīng)用于許多產(chǎn)品包裝。現(xiàn)在競爭日趨猛烈，自動封口機(jī)的高度自動化, 智能化,高配置、高效率和低消費(fèi)越來越受到行業(yè)的青睞。為了提高生產(chǎn)效率，特進(jìn)行本 課題磁力擰瓶機(jī)的設(shè)計。 第二章主要介紹了擰瓶機(jī)的總體設(shè)計，簡單介紹了下擰瓶機(jī)的幾種設(shè)計方案并與自 己的方案比較了下以及擰瓶機(jī)的設(shè)計要求等。第三章介紹了擰瓶機(jī)的組成以及各部件設(shè) 計，包括圓柱凸輪、理蓋裝置、轉(zhuǎn)盤、輸送軌道和旋蓋頭的設(shè)計。第四章主要介紹了擰 瓶機(jī)傳動部分的設(shè)計，包括電動機(jī)的選擇、減速器的選擇、帶傳動設(shè)計、軸校核、鍵的 選取、滾動軸承的選取和錐齒輪的計算等等。第五章講的是擰瓶機(jī)控制系統(tǒng)，分析后決 定采用 PLC 控制系統(tǒng)。第六章主要講擰瓶機(jī)的安裝和維護(hù)。 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 國內(nèi)外已經(jīng)有相當(dāng)成熟的封口機(jī)技術(shù)，形成了相當(dāng)成熟的生產(chǎn)線，各種有特定功能 的封口機(jī)、擰瓶機(jī)也在生產(chǎn)生活中隨處可見，技術(shù)不斷創(chuàng)新和改良，形式多樣化發(fā)展。 但目前國內(nèi)自主研發(fā)的擰瓶機(jī)還存在可靠性低、穩(wěn)定性差、旋蓋質(zhì)量低、返工率高 等問題，國內(nèi)灌裝生產(chǎn)線中廣泛使用的擰瓶機(jī)大多為直線式擰瓶機(jī)，采用瓶頸掛蓋。經(jīng) 定位、預(yù)封后使蓋平穩(wěn)坐落在瓶口上，最后由皮帶對蓋頂部搓壓摩擦而將蓋旋緊。旋蓋 頭主要結(jié)構(gòu)型式經(jīng)歷了彈簧摩擦片式和磁力耦合式 2 種。彈簧摩擦片式在滿足恒扭矩要 求方面效果 較差，如經(jīng)長時間使用后彈簧力會減小，摩擦片使用一段時間后也需進(jìn) 行更換和調(diào)整。目前，國內(nèi)普遍使用的旋蓋頭為磁力耦合式。為了適應(yīng)現(xiàn)代包裝機(jī)高速、 高效和高可靠性生產(chǎn)的需要, 研制出了 FX12 型擰瓶機(jī) [1]和 XG12 回轉(zhuǎn)型擰瓶機(jī)。近幾年 來隨著食品飲料工業(yè)向大規(guī)模高效率方向發(fā)展。 擰瓶機(jī)是飲料灌裝過程中旋緊瓶蓋的專用設(shè)備,工作時必須保證適宜的旋緊力矩。力 矩過小, 瓶蓋旋不緊; 力矩過大, 易損壞瓶嘴和瓶蓋。為此, 我們在吸收國外同類先進(jìn) 設(shè)備的基礎(chǔ)上研制了一種利用磁力傳遞扭力矩實現(xiàn)瓶蓋旋緊的旋蓋頭, 能根據(jù)需要方便 地設(shè)定、調(diào)整旋緊力矩的大小, 并能適用于不同高度的瓶子，它具有效率高、速度快、 可靠性好和自動化程度高等特點(diǎn) [2]。 1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 (1) 一機(jī)多用：利用同一臺設(shè)備旋不同高度的瓶蓋，提高設(shè)備利用率； (2) 使用安全，維修方便：在設(shè)計過程中對于機(jī)器的安裝、設(shè)備的維修、保養(yǎng)和維護(hù) 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 應(yīng)該綜合考慮，使得零部件更換方便 [2]。 (3) 降低成本：綜合考慮后應(yīng)選取成本最低的材料。 (4) 旋緊力度要合適：力過大則不易開瓶，影響顧客打開瓶子喝水；力過小則不利于 密封，造成漏氣影響產(chǎn)品質(zhì)量。 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 3 2 擰瓶機(jī)的總體設(shè)計 2.1 擰瓶機(jī)的簡介 擰瓶機(jī)的功能一般是為了將瓶蓋旋緊在容器口上,通過密封墊或瓶蓋的彈性變形使瓶 口密封,這種封口形式主要用于蓋子為塑料蓋或金屬蓋,而瓶身為塑料,金屬的容器。 2.1.1 擰瓶機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成 擰瓶機(jī),屬于封口機(jī)械的一種,其種類繁多,構(gòu)造復(fù)雜。擰瓶機(jī)的系統(tǒng)一般由傳動系統(tǒng)， 供料系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng),控制系統(tǒng),機(jī)身五部分組成。 （1）傳動系統(tǒng) 包裝過程一般需要多步完成,每一步工序都需要將外包裝和被包裝物品從一個位置運(yùn) 送到另一個位置,直至最后輸出成品。所以傳動系統(tǒng)就是完成以上功能的。一般由電機(jī)帶 動齒輪,凸輪,鏈條進(jìn)行傳動。 （2）供料系統(tǒng) 供料系統(tǒng)將包裝材料進(jìn)行有序的排列,送到合適的工位,為后續(xù)工作做準(zhǔn)備,如將瓶口 擺在合適的位置,豎起,定位等。同時對包裝產(chǎn)品稱重,計量,送入封口工位。為封裝產(chǎn)品 做準(zhǔn)備。 （3）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是采用機(jī)械化的方法或自動化手段代替人工操作,如夾持沖洗、封口、滾花、 封裝等操作的機(jī)構(gòu)。 （4）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)由各種手動和自動裝置組成。在包裝過程中,各個環(huán)節(jié)的運(yùn)轉(zhuǎn),各個機(jī)構(gòu)的 配合,人與機(jī)械的互動,都需要控制?？刂葡到y(tǒng)不僅決定了包裝的質(zhì)量,而且影響到人身安 全,所以提高控制系統(tǒng)的水平至關(guān)重要。 （5）機(jī)身 機(jī)身不僅用于安裝、固定、支承機(jī)器,還具有減震、防護(hù)等作用。因此,機(jī)身必須具 有高強(qiáng)度和穩(wěn)定性等特點(diǎn)。 2.2 擰瓶機(jī)的設(shè)計 2.2.1 擰瓶機(jī)的整體傳動設(shè)計 選擇好電機(jī)型號后，應(yīng)該判斷如何合理分配各級傳動以及采用的傳動方式，如帶傳 動，齒輪傳動等等。 2.2.2 擰瓶機(jī)的外形設(shè)計 從擰瓶機(jī)的外觀設(shè)計需要符合機(jī)械設(shè)計的工藝性要求，除此之外機(jī)器的密封必須可 靠，而且要考慮到出現(xiàn)問題后，機(jī)器的維修調(diào)試要方便等等。 2.2.3 擰瓶機(jī)自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計 首先是從產(chǎn)品的進(jìn)料到出料過程的自動化，其次是擰瓶機(jī)旋蓋過程的自動化控制， 甚至還有檢測裝置的自動化檢測和報警。 2.2.4 旋蓋頭裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 從旋蓋頭內(nèi)部各零件的設(shè)計。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 2.2.5 轉(zhuǎn)盤裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 轉(zhuǎn)盤周邊設(shè)計成與瓶大小適當(dāng)?shù)牟?，可以順利的取瓶，送瓶，轉(zhuǎn)盤與中心主軸靠鍵 鏈接，中心主軸旋轉(zhuǎn)從而帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)。 2.3 擰瓶機(jī)總體方案的確定 經(jīng)過對擰瓶機(jī)相關(guān)文獻(xiàn)和專利的閱讀和詳細(xì)分析，運(yùn)用已經(jīng)掌握的知識對本課題初 步形成了三種大致的設(shè)計方案如下： 2.3.1 方案一的介紹 如圖 2.1 所示，該方案靠帶動傳送帶將瓶子傳送至上理蓋器下方，瓶子上好蓋子后停 止在擰瓶機(jī)正下方，傳感裝置檢測到后，通過上部的氣缸進(jìn)行運(yùn)動，旋蓋頭進(jìn)行下降， 旋蓋頭旋轉(zhuǎn)將瓶蓋旋緊在瓶上。本方案結(jié)構(gòu)簡單易懂，但是從整體來分析，旋蓋的效率 不高，自動化程度也不夠高，成本也不低所以此方案舍棄。 2.3.2 方案二的介紹 如下圖 2.2 所示：在控制面板 7 上啟動擰瓶機(jī)后，首先定位氣缸 2(B)動作，伸出擋板 可以把輸送帶 1 上的帶蓋瓶子攔??；當(dāng)光電傳感器 3(A, B)都接通時，定位氣缸 2(A)動作， 把后面的瓶子攔?。煌瑫r電機(jī) 5 開始旋轉(zhuǎn)，通過皮帶帶動旋蓋頭 4（A,B）轉(zhuǎn)動，然后升 降氣缸 6（A,B）伸展，旋蓋頭下降旋蓋，旋好蓋后電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，氣缸 6（A,B ）自動收 縮，定位氣缸 B 收縮擋板，瓶子通過輸送帶送出，定位氣缸 A 收縮擋板，等待人工啟動， 進(jìn)入下一個工作過程。該方案結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是旋蓋的效率不是很高，自動化程 度低還需要人工操作，不適合大批量生產(chǎn)。 圖 2.1 方案一擰瓶機(jī)的結(jié)構(gòu)的正視圖 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 5 1、輸送帶；2、定位氣缸；3、光電傳感器；4、旋蓋頭； 5、電機(jī)；6 升降氣缸；7 控制面板； 圖 2.2 擰瓶機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖 2.3.3 方案三的介紹 圖 2.3 擰瓶機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 如上圖 2.3 所示，該擰瓶機(jī)主要由進(jìn)出瓶機(jī)構(gòu)、理蓋系統(tǒng)、送蓋機(jī)構(gòu)、旋蓋裝置、傳 動系統(tǒng)、升降圓柱凸輪、機(jī)身支架等部分組成。擰瓶機(jī)工作時,傳送帶將瓶按一定的間距 傳送瓶子,瓶子在行進(jìn)過程中定位，獲取瓶蓋后由周期性的撥桿機(jī)構(gòu)送入到旋蓋頭下的中 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 心轉(zhuǎn)盤,與旋蓋頭一起同步轉(zhuǎn)動。同時,旋蓋頭在圓柱凸輪作用下,實現(xiàn)取蓋、升降，旋蓋 功能;旋蓋頭在電機(jī)的驅(qū)動下，在與瓶子公轉(zhuǎn)的同時又自轉(zhuǎn),將瓶蓋旋緊在瓶子上。隨后, 旋好蓋的瓶子由出瓶撥桿輸出。 2.3.4 方案比較 方案一和方案二的結(jié)構(gòu)比較簡單，生產(chǎn)成本低，但是自動化程度不夠高導(dǎo)致效率低 下，所以適合小批量生產(chǎn)；方案三結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單且精密合理，旋蓋精度高，效率高。除 此之外，可以適用于不同高度的瓶子，旋緊力度也可調(diào)，自動化程度也比較高，所以綜 合考慮后，本課題采用方案三。 2.4 擰瓶機(jī)重要參數(shù)的確定 2.4.1 設(shè)計參數(shù) 旋蓋頭數(shù)為 12 個； 適用蓋（直徑）：30mm； 適用蓋（高度）：12mm 至 15mm； 瓶子試用高度：170mm 至 200mm； 生產(chǎn)效率：4000 至 5000 瓶/時 2.4.2 設(shè)計要求 (1) 一機(jī)多用：利用同一臺設(shè)備旋不同高度的瓶蓋，提高設(shè)備利用率； (2) 使用安全，維修方便：在設(shè)計過程中對于機(jī)器的安裝、設(shè)備的維修、保養(yǎng)和維護(hù) 應(yīng)該綜合考慮，使得零部件更換方便。 (3) 降低成本：綜合考慮后應(yīng)選取成本最低的材料。 (4) 旋緊力度要合適：力過大則不易開瓶，影響顧客打開瓶子喝水；力過小則不利于 密封，造成漏氣影響產(chǎn)品質(zhì)量。 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 7 3 擰瓶機(jī)的組成及部件設(shè)計 3.1 擰瓶機(jī)的組成 擰瓶機(jī)主要由機(jī)架、輸瓶系統(tǒng)、理蓋機(jī)、旋蓋頭、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。 機(jī)架的作用是固定和支承所有工作件，經(jīng)過焊接而成的主機(jī)架選用不銹鋼板，這樣 的結(jié)構(gòu)，既能保證穩(wěn)定性，又美觀耐用。 理蓋系統(tǒng)主要給瓶子不斷的提供瓶蓋，瓶蓋在進(jìn)入輸送軌道之前就已經(jīng)整理好了。 該系統(tǒng)主要由理蓋機(jī)，送蓋槽，電機(jī)等組成。 輸瓶系統(tǒng)主要有輸送帶、撥桿機(jī)構(gòu)、擋板等組成，它的主要作用是把瓶子分隔開一 定的距離。 旋蓋頭是擰瓶機(jī)的關(guān)鍵部件，主要在封蓋過程中完成取蓋、擰蓋等工作，本文設(shè)計 的是電磁式旋蓋頭。 傳動系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下幾個部分的運(yùn)動：旋蓋頭的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、升降運(yùn)動；中心轉(zhuǎn) 盤的旋轉(zhuǎn)等。 控制系統(tǒng)是機(jī)器的核心組成部分之一。對生產(chǎn)效率和工作可靠性影響很大。本機(jī)主 要由傳感器監(jiān)控，用 PLC 控制。 3.2 圓柱凸輪的設(shè)計 如下圖 3.1 圖 3.1 圓柱凸輪 旋蓋頭在圓柱凸輪作用下,實現(xiàn)取蓋、升降，旋蓋功能。經(jīng)過計算，圓柱凸輪里面的 滾子可以順利的通過圓柱凸輪里的軌道。 3.3 理蓋裝置的設(shè)計 如圖 3.2 所示。該理蓋器的工作原理是：在電磁鐵與支承板彈簧的交替作用下，料斗 作上下微幅振動的運(yùn)動；在這種運(yùn)動過程中，瓶蓋將一邊自動排隊、定向，一邊沿螺旋 形供蓋滑道從料斗底部向上移動。所以，只有蓋口向上的瓶蓋才能到達(dá)料斗上部的出蓋 口，然后進(jìn)入輸蓋槽，再沿輸蓋槽翻轉(zhuǎn) 180°，變成蓋口向下的狀態(tài)，最后由旋蓋頭完成 瓶子的封口工作 [11]。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 1—料斗 2—螺旋形滑道 3—支承板彈簧 4—?dú)庀墩{(diào)節(jié)結(jié)構(gòu) 5—減振橡膠彈簧 6—出蓋口 7—銜鐵 8—電磁鐵 9—基座 圖 3.2 理蓋器的結(jié)構(gòu)示意圖 3.3.1 送蓋自動料斗 送蓋自動料斗是指通過一定的轉(zhuǎn)動或振動機(jī)構(gòu)，使瓶蓋不斷地運(yùn)動。有機(jī)械攪拌式 自動送蓋料斗、電磁式振動的自動送蓋料斗、磁力回轉(zhuǎn)式的自動送蓋料斗等形式。由于 機(jī)械式的自動料斗存在著容易劃傷瓶蓋表面甚至?xí)蛊可w變形的缺陷，磁力回轉(zhuǎn)式自動 送蓋料斗適應(yīng)范圍小，所以本機(jī)選用的是電磁式振動自動料斗。 3.3.2 螺旋形供蓋滑道 圓筒狀料斗的底面呈扁圓錐形，內(nèi)壁設(shè)有螺旋形供蓋滑道。當(dāng)料斗作復(fù)合式運(yùn)動時， 瓶蓋會沿扁圓錐形底面滑移到料斗底面與側(cè)壁的交接處；在摩擦力、慣性力和離心力等 作用下，瓶蓋又沿螺旋形供蓋滑道由底部向上運(yùn)動。在料斗中雜亂堆集的瓶蓋運(yùn)動到螺 旋形供蓋滑道上之后，只有蓋口向上和蓋口向下兩種狀態(tài)，而其它狀態(tài)（如“側(cè)立” 狀態(tài)） 的蓋瓶會在料斗作上下微振時滾落回料斗底部，即瓶蓋完成了第一次定向 [11]。 在螺旋形供蓋滑道上開有“E”形缺口，如圖 3.3 所示。蓋口向上的瓶蓋可以順利地通 過該缺口（如圖 3.4a） ；而蓋口向下的瓶蓋運(yùn)動到該缺口處時，會翻落下去（如圖 3.4b） ， 然后再重新沿螺旋形供蓋滑道向上運(yùn)動，因此，只有蓋口向上的瓶蓋才能通過“E”形缺口， 繼續(xù)沿螺旋形供蓋滑道向上運(yùn)動，直至出蓋口，即完成了瓶蓋的第二次定向 [11]。 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 9 1—料斗筒壁 2—“E”形缺口 3—螺旋形滑道 圖 3.3 螺旋形供蓋滑道上的“E”形缺口 1—料斗筒壁 2—螺旋形滑道 3—瓶蓋（正向） 4—瓶蓋（反向） 圖 3.4 兩種狀態(tài)的瓶蓋通過“E”形缺口時的狀況 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 3.3.3 輸蓋槽部件 定向的瓶蓋從料斗出來，即進(jìn)入送蓋槽。圖 3.5 和圖 3.6 為送蓋槽部件，經(jīng)過計算瓶 蓋由于重力及慣性能夠順利通過送蓋槽。在最底部有擋板防止瓶蓋由于慣性而沖出去。 此外，擋板還起到了定位作用，它與送瓶軌道上的擋板保證了瓶蓋的中心軸與瓶子的中 心軸在同一軸線上。軌道最前端有一段水平板，將瓶口的蓋壓平，便于下一步的旋蓋操 作。 圖 3.5 送蓋槽 3D 圖 圖 3.6 送蓋槽 2D 圖 3.3.4 理蓋機(jī)機(jī)架 機(jī)架設(shè)計準(zhǔn)則： ⑴ 剛度 評定大多數(shù)機(jī)架工作能力的主要準(zhǔn)則是剛度。在機(jī)床中剛度決定著機(jī)床生產(chǎn)效率和 產(chǎn)品精度； ⑵ 強(qiáng)度 強(qiáng)度是評定機(jī)架工作性能的基本準(zhǔn)則之一。除了需要校核機(jī)架的靜強(qiáng)度之外還要校 核其疲勞強(qiáng)度。 ⑶ 穩(wěn)定性 它是保證機(jī)架正常工作的基本條件，必須加以校核。 ⑷ 熱變形 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 11 對于機(jī)床、儀器等精密機(jī)械還應(yīng)考慮熱變形。熱變形將直接影響機(jī)架原有精度。 在滿足機(jī)架設(shè)計準(zhǔn)則的前提下，必須根據(jù)機(jī)架的不同用途和所處環(huán)境，考慮下列各 項要求，并有所偏重。 ⑴ 機(jī)架應(yīng)盡量輕、成本低，但前提必須滿足強(qiáng)度和剛度。 ⑵ 抗振性好。 ⑶ 噪聲小。 ⑷ 溫度適合，減小熱變形。 ⑸ 結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。 ⑹ 結(jié)構(gòu)便于安裝、調(diào)整及修理。 ⑺ 耐磨性好。 ⑻ 造型好，工藝性良好。 理蓋機(jī)機(jī)架方案一的介紹 如下圖3.7所示 圖3.7機(jī)架 由于理蓋機(jī)需要震動，此方案的機(jī)架對理蓋機(jī)來說不夠穩(wěn)定，而且實體圓柱形的機(jī) 架較浪費(fèi)材料，不滿足機(jī)架的設(shè)計準(zhǔn)則中的，在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，機(jī)架的重量 應(yīng)要求輕、成本低，故此方案舍棄。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 理蓋機(jī)方案二的介紹 如下圖3.8所示 圖3.8機(jī)架 此方案的機(jī)架比較合理，利用三腳支撐加強(qiáng)了穩(wěn)定性，而且機(jī)架選用中空的形式這 樣能夠節(jié)省材料，成本較低。此方案結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，工藝性良好故選用此設(shè)計方案。 3.4 旋瓶轉(zhuǎn)盤的設(shè)計 如下圖3.9所示，轉(zhuǎn)盤周邊設(shè)計成與瓶大小適當(dāng)?shù)牟?，可以順利的取瓶，送瓶，轉(zhuǎn)盤 與中心主軸靠鍵鏈接，中心主軸旋轉(zhuǎn)從而帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)。旋蓋頭的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速是 相同的，這樣可以保證旋蓋頭與轉(zhuǎn)盤在圍繞主軸公轉(zhuǎn)時 ，兩者相對靜止，旋蓋頭再靠自 轉(zhuǎn)把瓶蓋旋緊在瓶子上。 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 13 圖3.9轉(zhuǎn)盤 3.5 撥桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 如下圖 3.10 所示，該撥桿機(jī)構(gòu)和傳送帶上的擋板都是周期性的，根據(jù)瓶子的傳送速 度，準(zhǔn)確無誤的把瓶子從傳送帶上送至中心轉(zhuǎn)盤處。它可根據(jù)傳送帶上送瓶的速率而切 換不同的轉(zhuǎn)速。 圖 3.10 撥桿機(jī)構(gòu) 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 3.6 輸送軌道的設(shè)計 如下圖 3.11 和圖 3.12 所示，該輸送軌道不僅起到輸送瓶子的作用，瓶子進(jìn)入喇叭口 之后靠兩旁的擋板限制了瓶子 Y 軸方向上的運(yùn)動，再靠前端的擋板（做周期性的收縮運(yùn) 動）又限制了 X 方向上的移動，靠這些擋板對瓶子進(jìn)行了定位，使得瓶蓋的中心軸線與 瓶子的中心軸線在同一直線上，以保證瓶蓋能夠準(zhǔn)確無誤的落到瓶子上。送蓋軌道最前 端有一段平板，能將瓶口的蓋壓平，便于下一步的旋蓋操作。 圖 3.11 輸送軌道 圖 3.12 定位機(jī)構(gòu) 3.7 旋蓋頭的設(shè)計 擰瓶機(jī)的關(guān)鍵部件之一便是旋蓋頭，它主要在封蓋過程中完成瓶子的擰蓋工作， 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 15 它的質(zhì)量能夠直接影響封蓋質(zhì)量和效率。如果旋蓋力矩過小，瓶蓋旋不緊，如果旋蓋力 矩過大,則易損壞瓶嘴和瓶蓋。以下為幾種旋蓋頭形式 3.7.1 初級的外靠摩擦輪形式 有驅(qū)動軸與工作摩擦輪成一力傳遞剛體。其間, 力傳遞沒有緩沖和力矩限制結(jié)構(gòu)。僅 靠摩擦輪與蓋的外壁接觸的程度而確定的動摩擦力來控制旋蓋力矩。如下圖 3.13 所示， 操作人員靠調(diào)整摩擦輪與蓋的距離, 以達(dá)到改變摩擦輪與蓋外壁的接觸應(yīng)力，但是旋蓋質(zhì) 量難以保證。 1—驅(qū)動軸 2—調(diào)整環(huán) 3—彈簧 4—摩擦片 5—主動片（與驅(qū)動軸軸向滑鍵連接） 6—從動片（與扭力輸出體軸向滑鍵連接） 7—扭力輸出體 8—摩擦輪或其他與蓋工件相連接構(gòu)件 圖 3.13 帶有摩擦片的扭矩限制機(jī)構(gòu) 3.7.2 摩擦片扭矩限制機(jī)構(gòu) 這類裝置是在驅(qū)動軸與工作摩擦輪間加有限力矩摩擦片, 或摩擦片組。這種結(jié)構(gòu)用 于連續(xù)式旋蓋形式時, 調(diào)整方便, 在調(diào)整時, 只要保證工作摩擦輪與蓋外壁的接觸應(yīng)力 足夠大, 以不出現(xiàn)相對滑動為限，扭矩控制由摩擦片產(chǎn)生的摩擦力矩確定 [8]。 3.7.3 電磁力扭矩限制機(jī)構(gòu) 本文設(shè)計的為電磁式旋蓋頭，一個穩(wěn)定的電流在導(dǎo)線中流過，能在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生一個 靜磁場。利用磁能產(chǎn)生的力或者力矩，驅(qū)動或控制置于磁場中的執(zhí)行構(gòu)件 [9]。 此旋蓋頭為電磁式旋蓋頭如下圖 3.14 和圖 3.15 所示, 旋蓋頭的上下運(yùn)動時依靠圓柱凸 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 輪來實現(xiàn)，通電后利用電磁力來旋轉(zhuǎn)擰蓋，斷電則停止旋蓋。旋蓋頭旋轉(zhuǎn) 3 圈則完成一 個瓶子的旋蓋。若力超過 3N，旋嘴與瓶蓋則會發(fā)生打滑，停止旋蓋。 圖 3.14 旋蓋頭 2D 圖 3.15 旋蓋頭 3D 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 17 4 擰瓶機(jī)傳動部分的設(shè)計 4.1 電動機(jī)的選擇 4.1.1 類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇 三相交流異步電動機(jī)價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，可直接接于三相交流電網(wǎng)中， 因此在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛，設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先選用。 4.1.2 功率的確定 電動機(jī)的容量（功率）選擇是否合適，對電動機(jī)的運(yùn)行很大的影響。當(dāng)容量過小時， 電動機(jī)不能保證正常工作，還有可能使電動機(jī)長時間過載而損壞；若容量過大，電動機(jī) 的價格高，能力不能充分利用，而且因為經(jīng)常不在滿載下運(yùn)行，其效率較低。 電動機(jī)容量（功率）主要由它在運(yùn)行時的發(fā)熱條件所決定，而發(fā)熱條件又與其工作 情況有關(guān)。對長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、載荷不變或者變化很小、常溫工作下的機(jī)械，選擇電動機(jī) 時只要使電動機(jī)負(fù)載不超過其額定值，電動機(jī)便不會過熱。 ⑴ 工作機(jī)所需功率 （ kW）wP )10/(wwvFP?? （4.1） 或 95/nT （4.2） 式中， 為工作機(jī)的阻力，N； 為工作機(jī)的線速度，m/s； 為工作機(jī)的阻力矩，wFwvwT N·m； 為工作機(jī)軸的轉(zhuǎn)速，r/min； 為工作機(jī)的效率，帶式輸送機(jī)可取 ，n?96.0?w? 鏈板式輸送機(jī)可取 。95.0?w? ⑵ 電動機(jī)至工作機(jī)的總效率 （串聯(lián)時） （4.3）n?321? 式中， ， ， ， ， 為傳動系統(tǒng)中各級傳動機(jī)構(gòu)、軸承以及聯(lián)軸器的效率。123? n ⑶ 所需電動機(jī)的功率 （KW）dP 所需電動機(jī)的功率由工作機(jī)所需功率和傳動裝置的總效率按下式計算 （4.4）?/wdP? ⑷ 電動機(jī)額定功率 w 按 來選取電動機(jī)型號。電動機(jī)功率的大小應(yīng)視工作機(jī)構(gòu)的負(fù)載變化狀況而定。dmP? 4.1.3 轉(zhuǎn)速的確定 額定功率相同的同類型電動機(jī)，有幾種不同的同步轉(zhuǎn)速。同步轉(zhuǎn)速低的電動機(jī)磁極 多，外廓尺寸大、重量大，價格高，但可使傳動系統(tǒng)的傳動比和結(jié)構(gòu)尺寸減小，從而降 低了傳動裝置的成本，因此，確定電動機(jī)的轉(zhuǎn)速時，應(yīng)同時考慮電動機(jī)及傳動系統(tǒng)的尺 寸、重量和價格，使整個設(shè)計即合理又較經(jīng)濟(jì) [10]。 一般最常用、市場上供應(yīng)最多的是同步轉(zhuǎn)速為 1500r/min 和 1000r/min 的電動機(jī)，設(shè) 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 計時應(yīng)優(yōu)先選用。 綜合考慮整個系統(tǒng)所需要的功率，轉(zhuǎn)速，結(jié)構(gòu)尺寸等因素，再參考機(jī)械設(shè)計手冊新 版的第 5 卷電動機(jī)的選擇的相關(guān)資料，選擇的電機(jī)型號為 Y90S-4 的電動機(jī)，該電動機(jī)額 定的功率為 1.1kW，滿載時轉(zhuǎn)速為 1400r/min。 4.2 傳動比的分配 電動機(jī)選定后，根據(jù)電動機(jī)滿載轉(zhuǎn)速 和工作機(jī)的轉(zhuǎn)速 就可確定傳動系統(tǒng)的總傳mnwn 動比 ，即i （4.5） wi/? 傳動系統(tǒng)的總傳動比 是各個串聯(lián)機(jī)構(gòu)傳動傳動比的連乘積，即i （4.6）nii?321 式中， ， ， …， 為傳動系統(tǒng)中各級傳動機(jī)構(gòu)的傳動比。1i23in 合理的分配轉(zhuǎn)動比是傳動系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要問題，他將直接影響到傳動系統(tǒng)的外輪 廓尺寸、重量、潤滑級傳動機(jī)構(gòu)的中心距等很多方面，因此必須認(rèn)真對待。 各級傳動比可在各自薦用值的范圍內(nèi)選取。各類機(jī)械傳動的比薦用值和最大值見下表 3-2。 表 3.2 各類機(jī)械傳動的傳動比 平帶傳動 V 帶傳動 鏈傳動 圓柱齒輪傳動 錐齒輪傳動 蝸桿傳動 單級薦用值 i 4~2?5~2?5~3?3~2?401 單級最大值 max5 7 6 8 5 80 4.2.1 傳動比分配的參考數(shù)據(jù) ⑴ 帶傳動與一級齒輪減速器 設(shè)帶傳動的傳動比為 ，一級齒輪減速器的傳動比為 ，di i 應(yīng)使 ，以便使整個傳動系統(tǒng)的尺寸較小，結(jié)構(gòu)緊湊。id? ⑵ 二級圓柱齒輪減速器 傳動比可按下式分配： （4.7）??ii4.1~31? 對于同軸式圓柱齒輪減速器： （4.8） ii21 但應(yīng)指出，齒輪的材料、齒數(shù)及寬度亦影響齒輪直徑的大小。欲獲得兩級傳動的大 齒輪直徑相近，應(yīng)對傳動比，齒輪的材料、齒數(shù)、模數(shù)和齒寬等作綜合考慮。 ⑶ 圓錐—圓柱減速器 設(shè)減速器的傳動比為 ,高速級錐齒輪的傳動比為 ，傳動比可按i 1i 下式分配： （4.9）ii25.01? 4.3 減速器的設(shè)計選擇 由于所選電動機(jī)的額度轉(zhuǎn)速為 1400r/min，擰瓶機(jī)的生產(chǎn)能力為 4000 至 5000 瓶/時， 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 19 擰瓶機(jī)的旋蓋頭頭數(shù)為 12 頭，所以擰瓶機(jī)每轉(zhuǎn)生產(chǎn) 12 瓶，所以擰瓶機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速為 360r/小時，即 6r/min。設(shè)中心主軸上大錐齒輪與減速器上小齒輪的傳動比為 i=6，設(shè)減速 器上大帶輪與電動機(jī)上的小帶輪的傳動比為 i=2，則減速器上輸入轉(zhuǎn)速為 700r/min，輸出 的轉(zhuǎn)速為 25r/min，選擇 CW 型減速器，減速器的型號為 CW80-25-IF,它的額定輸入轉(zhuǎn)速 為 750r/min,額定輸入功率為 1.74KW，額定輸入轉(zhuǎn)矩為 364N。由于電動機(jī)的功率為 1.1KW，所以選擇該型號的減速器符合要求。 4.4 帶傳動的設(shè)計 取帶輪的傳動比 ，小帶輪轉(zhuǎn)速 ，電動機(jī)的額定功率 P=1.1KW，一2i?140/minnr? 天運(yùn)轉(zhuǎn)時間大于 16h ⑴ 確定計算功率 ca? 由《機(jī)械設(shè)計（第八版） 》表 8-7 查得工作情況系數(shù) 2.1?AK （4.10） 1.2.3caApW???? ⑵ 選取 V 帶帶型 根據(jù) 、 由圖 8-11 確定選用 Z 型。ca?1n ⑶ 確定 d 根據(jù) V 帶的帶型，由表 8-6 和表 8-8 取 mm71?d 按式 21dni?? （4.11） 從動輪基準(zhǔn)直徑 2d mm 142712??di 根據(jù)表 8-8，取 mm1402?d 按式 1600pddnv???? （4.12） 驗算帶的速度 smnvd/2.5106??? 所以帶的速度合適。 ⑷ 確定普通 V 和中心距dLa 根據(jù)公式 ????210217.0dda??? （4.13） 初步確定 025am? 根據(jù)式 ????maddLd 5.83640 2121?????? 由表 8-2 選 80d? 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 按式 2 00dLa??? （4.14） 計算實際中心距 mLad2500???? ⑸ 驗算主動輪包角 1????????901643.7812ad 故合適。 ⑹ 計算 V 帶的根數(shù) z 由《機(jī)械設(shè)計（第八版） 》式(8-22)知: （4.15）0()caLpK???? 由 n1=1400r/min、 、 和 Z 型帶查《機(jī)械設(shè)計（第八版） 》表 8-4a 和表 8-71d2i 4b 得 ，294.0?PW3.0? 查表 8-5 得 ,查表 8-2 得 則6K?1?L 根據(jù)公式得 Z=3.7,取 Z=4 根。 ⑺ 計算單根 V 帶的出拉力的最小值 min)(0F 由表 8-3 得 Z 型帶的單位長度質(zhì)量 ,所以kgq/6. NqvzKcaPF462)52in)(0 ????? 應(yīng)使帶的實際初拉力 。i(0? ⑻ 計算壓軸力 p 壓軸力最小值為 NFzp 3642sin)(2)( 1m0min ?? 下圖 4.1 為小帶輪的工程圖 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 21 圖 4.1 小帶輪工程圖 下圖 4.2 為大帶輪的工程圖 圖 4.2 大帶輪工程圖 4.5 軸的設(shè)計及校核 4.5.1 軸的材料 軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。因此，在傳遞大動力，并要求減小尺寸與質(zhì)量，提 高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼,由于此設(shè)計中的 軸并不需要傳遞很大的動力，故選用 45 鋼 [11]。 4.5.2 軸的計算 在做軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常用這種方法初步估算軸徑。對于不是很重要的軸，也可 作為最后結(jié)果。軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 （4.16）??TTdn PW????32.095 式中： —扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， ；T?MPa T—軸所受扭矩， ；mN? —軸抗扭矩截面系數(shù)， ；W3 —軸的轉(zhuǎn)速， ；nin/r —軸傳遞功率， ；PK —計算截面處軸直徑， ；d 由上式可得軸直徑 （4.17）??3032.095nPAdT??? 式中， ，對于中心軸，則??302.95TA?? 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 （4.18）340)1(???nPAd 式中， ，即空心軸內(nèi)徑 與外徑 之比，通常取 。d 1??1 6.0~5? ⑴ 中心軸上的輸出功率 KWp78.9.057.?? 中心軸轉(zhuǎn)速： min/6r ⑵選取軸的材料為 45 剛，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計（第八版） 》表 15-3，取 ，120?A ，于是得??35?T? mnPAd4.5678.012330min ???? 考慮到軸上鍵槽的影響 .5%)(4.56i? 為了滿足所選的圓錐滾子軸承的內(nèi)徑，所以選直徑 ，D1 第二段直徑 ，長度為 ；D62?L20? 第三段直徑 ，長度為 ；m73 m3 第四段直徑 ，長度為 ；04 14 第五段直徑 ，長度為 ；65 85 第六段直徑 ，長度為 ；?L206? 下圖 4.3 為軸工程圖 4.3 中心軸工程圖 4.6 鍵的選擇和鍵鏈接強(qiáng)度計算 4.6.1 鍵的選擇 鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面。鍵的類型應(yīng)根據(jù)鍵鏈接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、 使用要求和工作條件來選擇。 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 23 4.6.2 平鍵鏈接強(qiáng)度計算 假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為 （4.23） ??ppkldT?????3102 導(dǎo)向平鍵連接和滑鍵連接的強(qiáng)度條件為 （4.24）kl 3 式中：T-傳遞的轉(zhuǎn)矩 ， ； （4.25）????????2dFTymN? 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度， ，此處 為鍵的高度， ；?k hk5.0m 鍵的工作長度， ，圓頭平鍵 ，平頭平鍵 ，這里 為鍵的公稱長l bLl??Ll? 度， ； 為鍵的寬度， ；mb 軸的直徑，d 鍵、軸、輪轂三者中最弱材料許用擠壓應(yīng)力，???p? MPa 鍵、軸、輪轂三者中最弱材料許用擠壓應(yīng)力， 根據(jù)中心主軸的直徑為 =60mm，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計（第八版） 》查表 6-1 查得選用的平d 鍵寬度為 ，高度為 。取鍵長 。查表 6-2，取 。mb20?mh12?mL90???MPap10?? 鍵的工作長度 ，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度Ll 709? 。由上式公式可得hk615? aMPakldT pp 107.85633 ??? 由以上的計算可知，該平鍵的強(qiáng)度極限滿足要求。 4.7 錐齒輪的設(shè)計計算 先確定錐齒輪的傳動比 ，大齒輪的速度為 11.4 ，則小齒輪的速度為 619:0?i min/r 。min/r 計算步驟如下， 1.選精度等級、材料及齒數(shù) ⑴ 根據(jù)要求選用直齒錐齒輪。 ⑵ 擰瓶機(jī)一般轉(zhuǎn)速不高，故選用 8 級精度。 ⑶ 材料選擇：小錐齒輪的材料和大錐齒輪的材料都選擇為 45 剛，并且要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處 理。 ⑷ 選擇大齒輪齒數(shù)為 ，初定 ，則 。32?Z9.1u201?z 2.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計 即 （4.26）?? 3 211 22.9(0.5)tEtRHKTZdu?????????? 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 ⑴ 初選載荷系數(shù) =1.3；tK ⑵ 小齒輪的轉(zhuǎn)距 mNnPT ?????55151 107.64.18090.9 ⑶ 選取齒寬系數(shù) 。.d? ⑷ 材料的彈性系數(shù) 。1/2EZ8M ⑸ 按齒面硬度中查得 ； ； Hlim60Pa?? Hlim250MPa?? ⑹ 由式 得 160hNnjL? 71 18.341??hj 72039.? ⑺ 取 。10.5HNHNK； ⑻ 接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1%,安全系數(shù) S=1,由式 得??limNKS????1lim12li20.936528HNMPaS??? 3.設(shè)計計算 ⑴ 試計算 ，代入 中較小值1td??H? = 3 211 22.9(0.5)tEtRHKTZu????????? m7.10)5.289(.1)05.1(.37693 ??? ⑵ 圓周速度 。v smndt /6.10647.106????? ⑶ 齒寬 b。 btd5.1? ⑷ 齒寬與齒高之為： 模數(shù) mztt 72041? 齒高 ht 5.1.5.?7.3.?b 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 25 ⑸ 載荷系數(shù) 根據(jù) ,7 級精度,由圖 10-8 查的動載系數(shù) =1.02smv/1.0? VK 直齒輪,假設(shè) 100N/mm,由表 10-3 查的 ；bFKtA 2.1??FH 由表 10-2 查得使用系數(shù) ；1.0A? 由表 10-4 查得 7 級精度、小齒輪懸臂布置時， 。.354? 由 ， 查圖 10-13 得 ；故4.?hb1.354H? .3FK?102167AV???? ⑹由式 得31/ttdKmKdtt 403.165731 ⑺ 計算模數(shù) m。 7201?zm 4. 彎曲強(qiáng)度設(shè)計公式： （4.27）?? 3124(.5)FaSRYKTzu?????A ⑴ 查得小齒輪 ；查得大齒輪 ；150FEMPa??2380FEMP?? ⑵ 由圖 10-18 查得 2.9,0.NFNK ⑶ 彎曲疲勞許用應(yīng)力為 取 S=1.4,由式 得??limS????1220.93825.43.FNEMPaSK?? ⑷ 載荷系數(shù) K 為 1.0.102.5.AVF?????? ⑸ 計算當(dāng)量齒數(shù) 12.43cos/5089.vvz???? ⑹ 查得齒形系數(shù) 由表 10-5 查得 。12.781.57FaFaY?， 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 ⑺由表 10-5 查得 計算大、小齒輪的 加以比較：12.0.69SaSaY?， ??FaSY???12.0178.5543.69.0FSaFY???? 小齒輪數(shù)值大。 5.設(shè)計計算 可知,可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù) ，根據(jù)《機(jī)械原理第七版》表 10-6，取83.6?m ，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 ，算出小齒輪的齒數(shù)7?md14027z 大齒輪的齒數(shù) 3809.12???u 6.幾何尺寸計算 ⑴ 計算分度圓的直徑 取 ；md140d26 ⑵ 計算齒輪寬度 muRbR 4.50.34.21 ?????? 取 ， 。mb501?02 ⑶ 計算錐距 ud58.1726.41021???? ⑷ 計算平均分度圓直徑 mRm0.)5.(1??d5.197602 ⑸ 驗算 NTFt .213.51??? 合適。mNbKtA ????047.8905.762 總上所述，總體符合設(shè)計要求。 下圖 4.4 和 4.5 分別為大、小錐齒輪的工程圖 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 27 4.4 大錐齒輪工程圖 4.5 小錐齒輪工程圖 4.8 滾動軸承選擇原則 選擇滾動軸承可以參考以下原則： ⑴如果承受純徑向載荷，可選用向心軸承； 如果承受純軸向載荷且轉(zhuǎn)速不高時，可選用推力球軸承，如果轉(zhuǎn)速較高，宜選用向 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 心推力球軸承或向心球軸承（徑向載荷不大時） 。 ⑵ 在相同外形尺寸下，滾子軸承一般比球軸承承載能力大。但當(dāng)軸承內(nèi)徑時，這種 優(yōu)點(diǎn)不顯著，由于球軸承價格比滾子軸承低，這是應(yīng)選擇球軸承。 ⑶ 尺寸、精度相同時，球軸承的極限比滾子軸承高。 ⑷ 如果載荷有沖擊、振動時，宜選用滾子軸承。 ⑸ 當(dāng)支承剛度要求較大時，可選用向心推力軸承，成對使用，并用預(yù)緊的方法提高 剛度。 ⑹ 圓柱滾子軸承用于剛度大，且能嚴(yán)格保證同心度的場合，一般只用來承受徑向載 荷。當(dāng)需要承受一定量軸向載荷時，應(yīng)選擇內(nèi)外圈都有擋邊的類型，但允許軸向載荷 （徑向載荷） ，否則將對軸承的壽命有較大影響。 ⑺ 需要調(diào)整軸承徑向游隙時，選擇帶內(nèi)錐孔的軸承。 ⑻ 支點(diǎn)跨度大，軸的彎曲變形大或多支點(diǎn)軸，宜選擇調(diào)心型軸承。調(diào)心軸承不宜與 其他類型軸承混合使用，以免失去調(diào)心作用。 ⑼ 當(dāng)需要減小徑向尺寸時，可選擇輕、特輕、超輕系列軸承。需要減小軸向尺寸， 可選擇窄系列軸承。 ⑽ 精度愈高，軸承價格愈高，對與之相配合零件的制造精度也愈高。 滾動軸承的失效形式： 在低速、重載及大沖擊情況下，由于軸承可能產(chǎn)生過大的塑性變形，還需進(jìn)行強(qiáng)度計 算。 滾動軸承壽命計算公式： （4.28）)(601hCnLh??? 式中 ——軸承的額定壽命，h 是在轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定的情況下，軸承預(yù)期使用壽命的參考L 值見《機(jī)械設(shè)計零件手冊（修訂版） 》表 3.11-5； n——軸承的轉(zhuǎn)速，r/min； ——軸承壽命指數(shù)，對球軸承；? C——軸承的額定動載荷； 實際計算時，用小時數(shù)表示壽命比較方便。如令 n 代表軸承的轉(zhuǎn)速（單位為 r/min） ， 則以數(shù)小時表示的軸承壽命 （單位為 h）hL 可根據(jù)式 計算得出：)(601CnLh??? （4.29）?6 '10hnLP? 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 29 5 擰瓶機(jī)控制系統(tǒng) 5.1 控制要求 （1）實現(xiàn)從進(jìn)瓶子到出瓶和旋蓋整個過程自動化； （2）當(dāng)按下復(fù)位開關(guān)后，所有構(gòu)件回復(fù)初始狀態(tài)，旋蓋頭返回預(yù)設(shè)點(diǎn)。 5.2 控制系統(tǒng)的選擇 控制系統(tǒng)對于機(jī)器的運(yùn)作相當(dāng)重要，控制系統(tǒng)對于工作效率的提高相當(dāng)?shù)闹匾?。?控制系統(tǒng)的核心部件選用了可編程控制器。 5.2.1 為何采用 PLC 控制 與傳統(tǒng)的繼電-接觸器相比較，可編程控制器具有以下的特點(diǎn)： （1）可靠性高，抗干擾性能力強(qiáng) （2）靈活性強(qiáng)，控制系統(tǒng)有良好的柔性 （3）編程簡單，使用方便 （4）體積小，能耗低 （5）功能強(qiáng)，性價比高 （6）控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)，開發(fā)工作量少，周期短 （7）維修方便 與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，可編程控制系統(tǒng)有著相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，所以綜合考慮后，選 用 PLC 作為本設(shè)計的控制系統(tǒng)。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 30 6 擰瓶機(jī)的安裝、維護(hù)和安全 6.1 安裝 基礎(chǔ)地面應(yīng)平整，由各廠根據(jù)條件自行決定，只要能在安裝范圍內(nèi)承受分揀機(jī)重量 即可。 本設(shè)備在安裝時應(yīng)進(jìn)行調(diào)試，對各部件之間的運(yùn)動位置及自動控制系統(tǒng)按運(yùn)動要求 調(diào)試好之后，使用時不要再做調(diào)整。 在安裝時需要進(jìn)行調(diào)試，保證整機(jī)各個工位執(zhí)行的協(xié)調(diào)性，保證整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)靈活。 6.2 維護(hù)保養(yǎng) （1）工作結(jié)束后，應(yīng)做好清潔工作，將殘留在機(jī)器上的污滯清理干凈并檢查電源是否 已經(jīng)關(guān)掉。 （2）每日機(jī)器工作后 ，首先斷開電源，擦試機(jī)器表面、工作臺等部位， 檢查傳動系 統(tǒng)潤滑情況，檢查各種開關(guān)鍵的松緊情況。 （3）應(yīng)每星期檢查一次各部潤滑情況，如有故障應(yīng)及時排除 （4）需要經(jīng)常拆洗的零件應(yīng)定時拆下進(jìn)行解體清洗。 6.3 安裝要求 （1）在運(yùn)轉(zhuǎn)中，如發(fā)生故障，首先關(guān)掉電源，才能進(jìn)行修理。在修理過程中絕對不允 許硬敲硬打，以免損壞機(jī)器。 （2）工作后溫度很高，不要用手去碰。停機(jī)至少半小時才可對機(jī)械清理、維修。 （3）工作時不要用手或其它物體接觸執(zhí)行頭。 磁力式擰瓶機(jī)的設(shè)計及工程分析 31 7 結(jié)論與展望 7.1 結(jié)論 通過這次畢業(yè)設(shè)計，不但鞏固了四年來所學(xué)過的專業(yè)知識，而且讓我對擰瓶機(jī)以及 其他專業(yè)性的東西有了更加深刻的了解。更重要的是這次畢業(yè)設(shè)計讓我掌握了整個設(shè)計 過程和方法。 本設(shè)計首先對任務(wù)要求進(jìn)行了分析，進(jìn)行了總體方案設(shè)計，確定了各個機(jī)構(gòu)的方案， 之后分別對每個部分進(jìn)行了設(shè)計計算。 眾所周知，一個穩(wěn)定的電流在導(dǎo)線中流過，能在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生一個靜磁場。利用磁 能產(chǎn)生的力或者力矩，驅(qū)動或控制置于磁場中的執(zhí)行構(gòu)件。本設(shè)計利電生磁原理設(shè)計的 旋蓋頭為電磁式旋蓋頭。旋蓋頭的上下運(yùn)動依靠圓柱凸輪來實現(xiàn)，通電后利用電磁力來 旋轉(zhuǎn)擰蓋，斷電則停止旋蓋。旋蓋頭旋轉(zhuǎn) 3 圈則完成一次旋蓋操作。本機(jī)采用回轉(zhuǎn)式的 工藝路線，節(jié)省空間，整體結(jié)構(gòu)緊湊。采用了 12 個頭的設(shè)計，使得擰瓶機(jī)旋蓋的效率達(dá) 到了 4000 至 5000 瓶/小時。本機(jī)具有供瓶、供蓋、旋蓋、輸送等功能，能夠適用于不同 高度的瓶子。 7.2 不足之處及未來展望 本機(jī)還存在生產(chǎn)率偏低、自動化程度偏低、單機(jī)功能偏少、成本較高等問題，應(yīng)在 生產(chǎn)率、自動化、控制成本等方面給以改進(jìn)?？赡苡捎诮?jīng)驗的原因，對某些材料的選用、 外形設(shè)計有欠妥當(dāng)。很多細(xì)節(jié)之處，設(shè)計的并不是很完善。由于該機(jī)需要不斷的通電、 斷電成本較高。 現(xiàn)在很多擰瓶機(jī)的旋蓋頭采用永磁體，利用永磁體代替電流在空間形成一個靜磁場， 但不需要消耗電能，這樣就減少了成本。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 32 致 謝 不知不覺四年的大學(xué)生活就要過去了，從論文的選題、資料的收集到論文的撰寫編 排整個過程中，我得到了許多的熱