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本科畢業(yè)設計（論文）
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學 院
專 業(yè)
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指導教師
液體灌裝機智能控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
摘要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對飲料和酒精的需求量也在不斷增加。因此，高端的工業(yè)自動化灌裝設備也被推廣。本文設計并制造了一種啤酒灌裝機自動生產(chǎn)線的智能控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)由和利時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。我們進行了能耗試驗和罐裝啤酒生產(chǎn)試驗的控制。實驗證明該系統(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，可以應用于未來的生產(chǎn)中。
關鍵詞：灌裝機，可編程邏輯，控制器（可編程序控制器），運動控制，小型機械，設備制造
1 簡介
灌裝機屬于包裝機械的范疇，是灌裝材料的機械，是灌裝生產(chǎn)線最重要的方面之一。我國的包裝機械已經(jīng)發(fā)展成了液體食品產(chǎn)業(yè)，對世界有著重要的影響并在市場上有較高占有率。
它已經(jīng)發(fā)展成液體食品行業(yè)，對世界有著重要的影響并在市場上有較高占有率[1]。因此，液體灌裝機市場有很好的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳?，各種灌裝機生產(chǎn)廠生產(chǎn)的灌裝機在灌裝能力、效率、適用范圍和自動化程度等方面，各有優(yōu)缺點。在很大程度上制約了生產(chǎn)質量和生產(chǎn)效率。
使用灌裝機不僅可以提高勞動生產(chǎn)率，減少產(chǎn)品損失，保證包裝質量，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)一般采用機械化灌裝機。該灌裝機用于汽水（啤酒、汽水、啤酒、可樂）灌裝。采用和利時LM PLC控制灌裝機。中央處理器模塊負責灌裝機系統(tǒng)的開關量控制，包括灌裝頭電磁閥的運動、電磁閥的氣缸控制、電磁閥可以節(jié)省材料來控制灌裝機的啟停。并擁有各種光電開關、液位傳感器檢測等。
本機配有高精度自動等壓灌裝閥，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，控制形式包括自動控制和手動控制[2]。
本機驅動系統(tǒng)采用變頻電機，可根據(jù)生產(chǎn)的要求合理調整電機轉速。液壓缸是配備液位自動控制器，如果在這個過程中，有空瓶現(xiàn)象，機器即可自動停充。
本設計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、變頻器控制和計算機技術應用，多段變頻器調速控制，使電機轉速的變化作為反饋信號檢測，從而實現(xiàn)對灌裝機的灌裝速度的控制，使灌裝機編程方便，提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。
同時使灌裝機維修方便，節(jié)省了調整程序的時間，增加了灌裝機的靈活性，使其運行穩(wěn)定可靠，同時。灌裝機是由屬于機械類，包裝機械，是灌裝生產(chǎn)線的重要組成部分。
我國的包裝機械已經(jīng)發(fā)展成了液體食品產(chǎn)業(yè)，對世界有著重要的影響并在市場上有較高占有率。因此，目前各種灌裝機生產(chǎn)廠生產(chǎn)的灌裝機在灌裝能力、效率、適用范圍和自動化程度等方面，各有優(yōu)缺點。在很大程度上制約了生產(chǎn)質量和生產(chǎn)效率。灌裝機是一種包裝機械，廣泛用于食品、化工、制藥等行業(yè)[3]。
這臺機器配有各種光電開關、液位傳感器檢測設備，高精度自動壓力灌裝閥，灌裝速度快，液體灌裝高度穩(wěn)定，機器壓力恒定。最大充填量量；240毫升最低填充量，適用于玻璃瓶、PET、罐等。控制形式包括自動控制和手動控制兩種方式。
電機傳動采用變頻調速電機，可根據(jù)生產(chǎn)的生產(chǎn)，合理調整電機轉速。由于灌裝缸裝有自動電平控制，如果在灌裝過程中出現(xiàn)空瓶子現(xiàn)象，可以自動停止[4]。本設計是基于可編程序控制器的灌裝機控制系統(tǒng)的研究，采用集成可編程邏輯控制器（可編程控制器），通過可編程控制器（可編程控制器）對變頻器進行多段調速，使電機轉速作為反饋信號的變化進行檢測，從而控制灌裝機的灌裝速度，從而使灌裝機編程方便和提高工業(yè)生產(chǎn)效率。
同時使灌裝機維修方便，節(jié)省了調整程序的時間，增加了灌裝機的靈活性，使其運行穩(wěn)定可靠，同時。灌裝機是由屬于機械類，包裝機械，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)的結構
在采用PLC作為主控設備的控制系統(tǒng)中，傳感器作為檢測器件，變頻器作為電機調速控制裝置，通過一個通信協(xié)議或與ht7a00t人機人機接口連接電腦。
圖2.1 控制系統(tǒng)結構
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)由一個主可編程邏輯控制器（PLC）和3個輔助擴展可編程邏輯控制器（PLC），PLC主要是lm3106a，通過它控制灌裝機的檢測開關，面板上的按鈕，變頻器控制電機和電磁閥。可編程邏輯控制器（PLC）根據(jù)檢測到的傳感器信號，并通過編輯程序來完成一系列動作，如填充圖2.1。
2.2 控制系統(tǒng)算法
該系統(tǒng)的電機轉速信號由變送器轉換成電信號，并裝進控制器。在信號的基礎上，可編程邏輯控制器自動顯示數(shù)據(jù)。在比較兩種轉速的基礎上，根據(jù)控制信號的偏差，對變頻器進行變頻調速，以調節(jié)電機的轉速，用實際的數(shù)據(jù)來消除轉速偏差。
通過改變機械擾動引起的偏差，使到生產(chǎn)線的電機轉速恒定，同時保證生產(chǎn)線效率。本系統(tǒng)是一個基于電機轉速的閉環(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現(xiàn)。
在可編程邏輯控制器（可編程控制器）中，估計值按照設定的時間值采樣。假設時間周期為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，可以簡化為（1）。
在這個公式里面，是系統(tǒng)偏移。
該算法具有2個特點，一是快速響應，另一個是超調。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。通過實際應用的控制系統(tǒng)取得了良好的控制效果。該公式在可編程控制器內部被解釋為一個連續(xù)控制系統(tǒng)，簡化為離散控制系統(tǒng)。
2.3 機械結構
該灌裝機采用和利時LM系列可編程邏輯控制器（PLC）控制實現(xiàn)自動操作和自動控制整個生產(chǎn)線。這一部分的原理是通過分度撥輪，將空瓶取出再對其進行填充，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，將液體鋼瓶內二氧化碳氣體的背壓注入到瓶子里，當氣瓶內的氣體壓力等于鋼瓶壓力時，在彈簧的作用下，閥門打開。這時，在重力引導作用下，液體通過形狀的傘反射環(huán)上的消聲器自動進入瓶內，在瓶子中的二氧化碳再循環(huán)到液體鋼瓶。
當瓶子液面達到一定高度時，它會使到氣管關閉，此時，機器會自動停止在液體灌裝。然后放液閥和閥關閉，當瓶子落下，排水瓶頸為高壓氣體以防止液體與氣體噴涌溢流。填充部分完整實現(xiàn)。
1.行星撥盤 2.撥盤 3.軸
圖2.2 運輸瓶的機械結構
3 硬件設計
3.1 控制器的選擇
根據(jù)現(xiàn)場設備、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點輸入和10點晶體管輸出，共有24個數(shù)字輸入/輸出點，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）具有獨特的保護功能，可以實現(xiàn)用戶程序和停電保持區(qū)的數(shù)據(jù)永久保存，機器消除權力的原因丟失數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；同時，它支持五種編程語言國際化，適合不同的程序員需要；LM系列應用領域廣泛，有良好的客戶基礎，因此，可靠性和安全系數(shù)大大好。
除了模塊，有三個輔助模塊，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，在同一時間，一個部分的輸入/輸出點具有高速計數(shù)器，高輸出，和其他功能[6]。
隨著系統(tǒng)需求的不斷擴大，需要更多的輸入/輸出點連接到可編程邏輯控制器（可編程控制器），此時可以通過匹配擴展模塊來增加更多的輸入/輸出點和更多的功能，以實現(xiàn)對某些條件的控制。
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。滿足了提高工作效率、節(jié)約能源的系統(tǒng)要求。
3.3 變頻傳動的選型
交流伺服電機驅動永磁同步伺服電機和交流異步伺服電機。交流永磁同步電動機轉子由永磁體組成，定子繞組形成一個旋轉磁場，只要負載的大小不超過同步轉矩。
隨旋轉磁場的永磁轉子同步旋轉，它類似于基本交流永磁同步電動機。交流異步伺服電機定子由繞組勵磁繞組和控制繞組的90個繞組組成。
交流繞組的接入和控制的相位差勵繞組的角度，使定子旋轉磁場產(chǎn)生橢圓，轉子斷磁，在電磁力的牽引下旋轉。
目前，在精密計算機數(shù)控（數(shù)控）系統(tǒng)中，交流永磁同步電機被廣泛使用。
隨著交流變頻調速技術的迅速發(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)和沒有明顯的差距，因此它們有集中發(fā)展的趨勢。
采用數(shù)字信號處理器（數(shù)字信號處理器）來控制伺服驅動器。它可以實現(xiàn)復雜的控制算法，數(shù)字化，網(wǎng)絡化和智能化。功率器件廣泛應用于智能功率模塊驅動電路的核心設計，內部集成的驅動電路，也具有過壓，過電流，過熱，欠壓故障檢測和保護電路，在主電路中加入了軟啟動電路，以減少啟動過程中的影響。
首先通過三相全橋功率驅動單元整流電路輸入三相電源或電源整流器，相應的直流（DC）。整流后是良好的三相電流或城市電力，然后通過變頻三相正弦脈寬調制（脈寬調制），用電壓型逆變器驅動三相永磁同步交流伺服電機。
動力驅動單元的整個過程可以簡化為交-直-交整流單元（ACDC），它是三相橋式整流電路的主電路拓撲結構。
根據(jù)電機的工作效率和設備的要求，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，調試簡單方便。它的控制方式為正弦波SPWM，控制性能強，其載波頻率范圍為0至15千赫，在降低電機的電磁噪聲有效，模擬接口的通用性，負載能力強，提供多功能的輸出端子信號。它主要用于立體倉庫系統(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，但其價格昂貴且容易損壞，電容式觸摸屏設計合理，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?shù)氖袌龇蓊~，在各種觸摸屏。
紅外線觸摸屏價格低廉，但其易受光線干擾的影響。聲波感應式觸摸屏如果有水滴或塵埃干擾，其反應會變慢，甚至不能工作。
總結每一類觸摸屏都有其優(yōu)點和缺點，我們根據(jù)需要，選擇和利時是觸摸屏的觸摸屏，該模型是ht7a00t。4.3寸黑白192x64，輸入電源電壓為24V直流。
4 程序設計
4.1 輸入/輸出分配系統(tǒng)
表4.1 灌裝機輸入/輸出分配表
%IX0.0
低液位
%QX0.0
主發(fā)動機
%IX0.1
高液位
%QX0.1
液壓泵
%IX0.2
主機故障
%QX0.2
供應電磁閥
%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
進氣電磁閥
%QX0.6
輸送帶
根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，根據(jù)我對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是沖瓶機順序程序功能圖。這個程序是在按下啟動按鈕ym002和分布式控制系統(tǒng)（DCS）遠程控制、邏輯與輸出，其次是邏輯或，然后觸發(fā)復位觸發(fā)器，這一點在遙控狀態(tài)，DCS的狀態(tài)是，在同一時間以不在本地控制狀態(tài)，與DC為0，此時只有遠程控制啟動噴淋泵工作。局部控制工作時，按下啟動按鈕M004，DCS以沒有結果也為1，此時，觸發(fā)設置、沖瓶泵啟動[7]。
按下啟動ym003和DCS遠程控制按鈕后，邏輯與可以輸出，其次是邏輯或，然后觸發(fā)復位，此時遙控狀態(tài)，DCS系統(tǒng)在狀態(tài)1，同時以不在本地控制狀態(tài)，和DC為0，此時只有遠程控制噴淋泵停止工作[8]。局部控制工作時，按下啟動按鈕M003 DCS，因為沒有結果也為1，此時，觸發(fā)器復位，沖瓶泵停止。
4.3 配置接口設計
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)設計[9]。冬青視圖提供了一個豐富、簡單、易于使用的界面，提供了大量的圖形元素和圖形庫，同時也為用戶創(chuàng)造畫廊精靈并提供易于使用的界面；產(chǎn)品的歷史曲線、報表報表和網(wǎng)絡發(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]實驗的成功率，利用現(xiàn)有的計算機就可完成自動控制系統(tǒng)實驗；它節(jié)省了能源，提高了實驗效率[11]。圖4.2是配置界面設計圖。
它將一個好的程序下載到可編程控制器，當觸摸屏程序，有一個點的接口如圖4.2，在剛開始時，它是對每個開關運行一個單一的點，當觸摸屏界面，它需要做一個模擬的關鍵點移動操作開關[12]?？删幊绦蚩刂破骺梢膺B接可編程邏輯控制器輸出。
5 測試
從工作效率的角度來看，以瓶容量為500ml為例，普通灌裝機的工作效率平均是400瓶每小時。優(yōu)秀的灌裝機的工作效率平均可達到700瓶每小時。經(jīng)過優(yōu)化設計和100次測試，每次測試一小時，智能灌裝機的工作效率平均可達到每小時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)的功率轉換效率如圖5.1。它減少能源消耗的設計要求。
圖5.1 能量消耗對比圖
6 結果
本設計主要是采用可編程邏輯控制器（可編程控制器）和變頻器控制電機做旋轉皮帶傳動，然后將瓶子轉移到灌裝機上，實現(xiàn)了配瓶的速度和灌裝速度的協(xié)調，提高了生產(chǎn)效率。本設計的基本思想是：在系統(tǒng)啟動后，按下電機啟動開關，如果電機是異常的，熱電流繼電器立即切斷和保護電機，如果電機是正常的，那么電機啟動下一步工作。
電機開始轉動，在傳送帶作用下驅動灌裝瓶運動，通過光電傳感器，對瓶子計數(shù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)到可編程邏輯控制器（PLC）進行數(shù)據(jù)處理，可編程邏輯控制器（PLC）根據(jù)瓶子的運動速度在內存里進行比較，確定是否有調速的需要，如果不需要控制電機的速度，它就按照原來的速度運行，如果有需要調速，可編程邏輯控制器（PLC）輸出控制信號到變頻器進行多級調速控制，轉換器接收控制信號，可編程邏輯器收到后（PLC）發(fā)出的控制信號，進行內部處理。
一個特定的頻率電壓的輸出，實現(xiàn)電機的頻率控制。變頻器輸出反饋信號輸入到可編程邏輯控制器，實現(xiàn)對變頻器的保護。本設計基本符合設計要求。
該系統(tǒng)具有操作簡單、工作可靠、界面友好、節(jié)能、綜合保護等功能，具有較高的自動監(jiān)測程度、生產(chǎn)效率高的特點，具有良好的推廣應用前景。
參考文獻
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[12] C.Q.Qi, “PLC technology and application,”Beijing: Mechanical Industrial Press, (2000) (In Chinese).
本科畢業(yè)設計（論文）
全自動成型灌裝封口包裝機中
自動間隙式封口膜傳送機構的設計
學 院 機電工程學院
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
（機械電子工程方向)
年級班別
學 號
學生姓名
指導教師
全自動成型灌裝封口包裝機中自動間隙式封口膜傳送機構 的設計
摘 要
灌裝封口機顧名思義是一種既可灌裝又可封口的一種機器，針對不同行業(yè)可有不同機型。它在食品領域主要應用于無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成型灌裝封口包裝機中自動間隙式封口膜傳送機構的設計。送膜機構是指將包裝膜通過一定的軌跡輸送到指定工位進行加工的機構。本次設計包括送膜機構方案的選擇，具體結構的設計，機械零部件參數(shù)計算，相關材料選擇、電氣元件的選型，用SolidWorks軟件建立起機構的三維模型示意圖，并導出對應的裝配圖、零件圖。確定相關配合公差，使用 ansys軟件對關鍵零件的受力程度和形變量進行有限分分析。使得設計出的送膜機構能實現(xiàn)間隙送膜,并且機器運行過程中要保證膜的松緊程度相對穩(wěn)定，出現(xiàn)故障可以及時停機，滿足灌裝封口包裝機的使用要求
關鍵詞：食品包裝機械，送膜機構，設計，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 食品包裝技術介紹 1
1.2 包裝機械簡介 2
1.3 灌裝封口機簡介 3
1.4 本文主要研究課題 3
2 送膜機構簡介 4
3 送膜機構方案設計選擇 6
3.1 機構的設計要求 6
3.2 送膜機構整體設計概述 6
3.3 裝料部分設計 8
3.4 驅動部分設計 8
3.4.1 驅動部分結構設計 8
3.4.2 驅動電機的選擇 9
3.4.3 齒輪副的選擇設計 10
3.4.4 導膠軸的結構設計 14
3.4.5 鍵的選擇 15
3.4.6 軸承的選擇 15
3.5 張緊裝置設計 16
3.5.1 張緊裝置結構設計 16
3.5.2 限位開關選型 17
3.6 色標檢測和剎車部分設計 18
3.6.1 色標檢測和剎車部分結構設計 18
3.6.2 氣缸的選型 18
3.6.3 色標傳感器的選型 19
3.7 緩沖機構的設計 20
4 送膜機構材料選擇 23
5 零件圖設計 25
6 機構零件的有限元分析 27
7 總結與展望 32
參考文獻 33
致謝 34
1 緒論
1.1食品包裝技術介紹
我們知道，沒有經(jīng)過封存包裝的食品只能保存很短的時間，食品如果不能及時食用就會腐壞變質，失去其食用價值，而食品包裝技術可以延長食品的保質期，提高其價值性，食品包裝可以保護食品的外觀質量和食品的原有品質，延長食品的保存期，還可以增加食品品種，方便消費者，方便流通。食品包裝又可以防止食品的污染，促進食品流通的合理性和計劃性，促進食品的競爭，擴大食品的銷售。因此,充分利用現(xiàn)有的食品資源，通過加工和包裝向人民提供豐富、安全、衛(wèi)生、富有營養(yǎng)的食品，是人們生存和發(fā)展的需要,現(xiàn)代生活離不開食品包裝。
現(xiàn)代食品包裝技術主要包括以下幾種技術：
充填技術：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，主要包括食品的計量和充入。根據(jù)食品計量方式的不同,將食品充填技術分為容積式充填、稱重式充填和計數(shù)式充填三種方式。
灌裝技術：灌裝是指將液體(或半流體)食品灌入包裝容器內的操作。液體的灌裝具有灌裝精度高，使用方便、衛(wèi)生、快速的特點。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：裹包是塊狀類物品包裝的基本形式，它用柔性包裝材料對被包裝物品進行全部或局部的包封。這種方法不但能對單件物品進行裹包，也能對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：在現(xiàn)代食品加工工業(yè)中,袋裝技術應用最為廣泛，許多食品包裝技術都是以袋裝技術為基礎發(fā)展起來的。
集裝技術：集裝技術就是將若干產(chǎn)品或包裝件包裝在一起，使其形成一個合適的搬運單元。集裝的目的就是節(jié)省運輸費用；減少貨差、貨損事故；便于實現(xiàn)搬運現(xiàn)代化；提高倉庫與貨位利用率。
封口技術：封口操作是食品包裝繼計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也就各不相同。按封口的不同方法,分為無封口材料的封口機、有封口材料的封口機和有輔助封口材料的封口機3種。
貼標技術：貼標是在包裝作業(yè)的最后進行。標簽是在容器或商品上的標示，標簽的種類主要有膠粘標簽、熱敏標簽等以及直接印在包裝件或包裝容器上的標簽。貼標的基本工藝過程一般為取標、標簽傳送、印碼、涂膠、貼標、撫平等。
綠色包裝技術：綠色包裝是指包裝材料及包裝制品從設計、制造、使用到廢棄及其處理均對環(huán)境無害，或者說在包裝的全過程中對環(huán)境的影響降低到最低限度。綠色包裝技術主要體現(xiàn)在回收技術、減量技術、再生技術[1]。
而要實現(xiàn)這些食品包裝技術，做到高效精準，需要制作對應的包裝機械。
1.2 包裝機械簡介
包裝機械除具有一般機械的共性外，還具有其自身的特點。主要是多功能、高速度、自動化程度高、成套性較強、多品種、小批量生產(chǎn)和容易實現(xiàn)三化(系列化、通用化、標準化)等特點?，F(xiàn)代商品種類繁多，尺寸各異，因此對包裝機械的要求是多功能、多品種、小批量生產(chǎn)，例如對于顆粒狀物料的包裝就要使用具有制袋、計量充填、封口、打印日期、傳遞輸送等功能的立式包裝機；而對于果醬、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[2]。
國外發(fā)達國家包裝機械的發(fā)展已有較長歷史，伴隨其商品生產(chǎn)的發(fā)展，一直處于領先地位，國外工業(yè)發(fā)達國家的包裝機械，近些年來，一方面為滿足現(xiàn)代商品包裝多樣化的需求，發(fā)展適應多品種，小批量生產(chǎn)的包裝技術裝備，同時緊跟當代新技術革命的發(fā)展步伐，積極研究和開發(fā)對現(xiàn)代先進技術的應用，發(fā)展應用高新技術的現(xiàn)代包裝機械。現(xiàn)代包裝機械上已應用了航天中的技術，微電子技術、信息處理技術，傳感技術、激光技術、生物技術以及新工藝技術和光纖材料等，且以群體的復合應用方式出現(xiàn)，反映出先進包裝機械的高技術水平。
隨著藥品制造業(yè)的迅猛發(fā)展，其對制藥包裝機的要求也越來越高。人工智能包裝機械也應運而生，人工智能是傳感技術、圖象識別技術、信息處理技術和電子計算機技術間完善結合應用的產(chǎn)物.隨著包裝機械上微機控制技術的成功應用，高品質藥品生產(chǎn)要求包裝向無人化發(fā)展。
當今很多的包裝機械生產(chǎn)有小批量、多品種、多規(guī)格化生產(chǎn)的特點，使用塊化與成組化技術能較好地適應這種變化趨勢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，提高機器的可靠性和降低生產(chǎn)成本[3]。
包裝機械產(chǎn)品要適應不斷變化市場和滿足相應的質量要求，大量采用先進的設計方法和設計技術。如機械優(yōu)化設計、可靠設計、人機學設計、工業(yè)造型設計、專家系統(tǒng)、并行設計、機械CAD/CAPP/CAM以及價值優(yōu)化設計等[4]。
1.3 灌裝封口機簡介
灌裝封口機顧名思義是一種既可灌裝又可封口的一種機器，針對不同行業(yè)可有不同機型。在食品領域主要應用于無菌食品的全自動包裝，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)，對世界有著重要的影響并在市場上有較高占有率[6]。因此，液體灌裝機市場有很好的發(fā)展?jié)摿?。目前，各種灌裝機生產(chǎn)廠生產(chǎn)的灌裝機在灌裝能力、效率、適用范圍和自動化程度等方面，各有優(yōu)缺點。在很大程度上制約了生產(chǎn)質量和生產(chǎn)效率[7]。
本包裝機主要用于生產(chǎn)小盒裝的奶酪，實現(xiàn)吸塑的成型加工、奶酪的灌裝、封口一系列自動化過程，全機主要由真空吸塑成型機構、自動定量灌裝機構、自動間隙式封口膜傳送機構、氣壓式封口機構、氣液式裁斷機構、片材收放及間歇步進拉片機構組成。本機集氣、液、電為一體的自動包裝機，自動化程度高，應用前景十分廣闊。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成型灌裝封口包裝機中自動間隙式封口膜傳送機構的設計。送膜機構是指將包裝膜通過一定的軌跡輸送到指定工位進行加工的機構。本次設計包括送膜機構方案的選擇，具體結構的設計，機械零部件參數(shù)計算，相關材料選擇、電氣元件的選型，用SolidWorks軟件建立起機構的三維模型示意圖，并導出對應的裝配圖、零件圖。確定相關配合公差，使用 ansys軟件對關鍵零件的受力程度和形變量進行有限分分析。
2 送膜機構簡介
本論文主要涉及灌裝封口機里的送膜機構的設計。
送膜機構是指將包裝膜通過一定的軌跡輸送到指定工位進行加工的機構。也稱包裝材料供送裝置，現(xiàn)代的送膜機構基本采用卷筒材料。因為與預先裁切好的平張材料相比，卷筒材料更適宜包裝機的連續(xù)化、高速化和自動化生產(chǎn)。它應包括卷筒狀材料的支撐裝置，驅動部分，壓緊部分，剎車部分，導向裝置，自動檢測部分。
現(xiàn)有的送膜機構一般有一下缺點：自動包裝機預送膜機構結構設置不太合理，預送膜時需要人工掌控，送膜不穩(wěn)定，效果不好且預送電機啟動頻繁，市場上同行業(yè)包裝機的送膜系統(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，一卷薄膜會在很短的時間內用完，就需要經(jīng)常換膜，但現(xiàn)有的結構換膜時操作十分繁瑣，需要多人協(xié)助，一個人往往很難完成，膜的傳送過程中平穩(wěn)性差，膜傳輸過程中，有時只需單邊膜，現(xiàn)有的設備很難完成或者操作繁瑣設置兩個電機，增加了整體的成本不利于市場競爭[8]。
其以后的發(fā)展主要是簡化換膜機構，使用一個電機代替多個電機正常工作，增加膜傳送的穩(wěn)定性，可以同時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構、多層卷筒材料送膜機構如圖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。其中間歇送膜機構又可分為后退或前進補償式間歇送膜、隨機補償式間歇送膜和直接補償式間歇送膜，連續(xù)送膜機構可分為后退或前進補償式連續(xù)送膜如圖和隨機補償式連續(xù)送膜[9]。本次論文所采的送膜機構為單層間歇送膜機構。
1-包裝材料；2-導輥；3-輸送輥；4-導板；5-裁切裝置；6-卷筒薄膜；7-導輥組；
8-成型器；9-光電檢測控制裝置；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-制動杠桿
圖2.2 雙層卷筒材料供送裝置示意圖
3 送膜機構方案設計選擇
3.1 機構的設計要求
要讓灌裝封口機能正常工作，其對送膜機構有以下要求：送膜機構為非連續(xù)送膜，因為將膜送到工位后，需要進行膜的貼合、牛奶盒的裁剪的步驟，這個過程膜是靜止的，必須等這些工序完成，膜才能接著傳動，因此膜的傳送是斷續(xù)的；機器運行過程中要保證膜的松緊程度相對穩(wěn)定，穩(wěn)定的松緊程度不會讓膜出現(xiàn)變形，有利于提高產(chǎn)品質量；膜的安裝要相對簡單，有利于提高換料速度，提高生產(chǎn)率；送膜過程不能出現(xiàn)傾斜、折皺現(xiàn)象，若出現(xiàn)以上現(xiàn)象可以及時停止膜的傳送；電機要滿足功率、轉速要求；當機器出現(xiàn)問題時能夠及時停止膜的傳送，防止原料的損失浪費。
3.2 送膜機構整體設計概述
根據(jù)上述灌裝機對于送膜機構的要求選擇送膜機構的設計方案其具體的示意圖如下圖2.3、圖2.4：
1-裝料軸；2-導膠軸；3-導膠壓輥；4-張緊輥；5-限位開關；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-色標檢測傳感器；12-旋轉塊1；13-彈簧1；14-旋轉塊2；15-彈簧
圖2.3 送膜機構示意圖a
16-電磁離合電機；17-薄型氣缸；18-剎車塊；19-機架；20-坐支架；21-右支架
圖2.4 送膜機構示意圖b
此送膜機構是由：裝料部分、驅動部分、導膠輥、導膠壓輥、張緊輥、拉料輥、檢測裝置，緩沖機構組成。
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。
其具體的工作過程如下：通過拉料電機和驅動電機使膜傳動，驅動電機通過齒輪傳動轉動導膠輥，由導膠輥和導膠壓輥壓住膜從裝料輥送出，之后在拉料電機的引導下經(jīng)過張緊輥、拉料滾筒和緩沖機構。期間，通過張緊輥、限位開關的控制保持膜的松緊程度相對穩(wěn)定，限位開關閉合，驅動電機工作，限位開關斷開，驅動電機停機。設驅動電機的轉速稍快于拉料電機的轉速。當張緊輥打到限位開關，驅動電機停機，拉料電機工作，膜在傳送過程中漸漸將張緊輥往上拉，直至其離開槽的底部，此時限位開關閉合，驅動電機開始工作，又將張緊輥慢慢沿著槽往下放直到碰到槽底的限位開關，限位開關再斷開。如此循環(huán)，就保證了傳送過程中膜的張緊程度。在拉料滾筒1和拉料滾筒2之間安裝色標傳感器，用以檢測膜上的圖案印刷是否有誤，若出現(xiàn)錯誤則發(fā)出信號，剎車裝置工作，薄型氣缸向前推動剎車塊，剎車塊在氣缸兩側的導柱的導向下移動，將膜按在拉料滾筒的外膠上，及時將傳動的膜剎住。機構里的緩沖機構被用來分擔膜之間的拉力，將膜剛剛傳動時的拉力轉為拉料滾筒的重力勢能和彈簧的彈性勢能，有利于機構的穩(wěn)定性。
3.3 裝料部分設計
為防止裝料軸每次受拉力而開始轉動時出現(xiàn)振動、跳動等不利于膜穩(wěn)定傳送的現(xiàn)象，在裝料軸的端部掛上預拉伸的彈簧，彈簧連著彈簧連接件，彈簧的松緊程度可以通過調節(jié)彈簧連接件的高度進行調整。這樣裝料軸開始轉動時膜對其的拉力可以轉化為彈簧的彈性勢能，防止其跳動，提高了整個機器的穩(wěn)定性。
如圖3.1，為能讓機器使用時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 驅動部分設計
3.4.1 驅動部分結構設計
送膜機構是由拉膜電機和驅動電機帶動的，在這里省略了拉膜電機的設計。驅動電機主要是根據(jù)送膜速度來選擇的，由于膜的傳送過程是個不連續(xù)、間斷的過程，同時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，此類電機適合在不連續(xù)、需不斷啟動停止的工作場合工作，且采用離合剎車結構使其斷電后快速停止轉動，保證傳送過程膜的張緊程度。
如下圖3.2所示，電磁離合剎車電機通過齒輪傳動的方式驅動導膠輥轉動。旋轉塊1的一面與左支架的一面保持平行，其一端通過軸連接的方式固定在左支架上，使其能夠圍繞這個軸進行旋轉，并在旋轉塊的另一端嵌入壓輥軸，這樣導膠壓輥就可以用平行于導膠輥軸的方式圍繞著旋轉塊的一端進行擺動。工作時，膜從導膠壓輥和導膠輥的接觸面穿過。導膠壓輥憑借自身的重力，與導膠輥一起壓緊要傳送的膜，使電機能順利驅動導膠輥將膜從裝料輥上拉出。利用導膠壓輥自身重力壓緊薄膜的方式，因其能夠擺動，并不是固定死，因而提高機械的靈活性，例如：當遇到傳送過程膜起皺的現(xiàn)象，可以抬起導膠壓輥，對壓皺的膜進行處理，而且能夠適應不同厚度的膜。
1-電磁離合剎車電機；2-齒輪；3-旋轉塊1；4-導膠輥；5-左支架；6-導膠壓輥
圖3.2 驅動導膠部分
3.4.2 驅動電機的選擇
根據(jù)前面所述方案，膜的運送是由收料滾輪處的電機和驅動滾筒處的電機完成。驅動滾筒處的電機轉速要比收料滾輪處的電機速速快。由于設計了可上下移動的張緊輥，當兩個電機工作時，相同時間內驅動滾筒出來的膜長度要長于收料滾輪收的膜長度，張緊輥下降，當其接觸到最下端的常閉限位開關時，常閉限位開關斷開，限位開關驅動處電機的通斷，故驅動處電機斷電。此時要求電機立即停止轉動，以保持送膜機構對膜一定的張緊，故選擇離合剎車電機。設驅動滾筒出來的膜速為130mm/s，設導膠輥外膠直徑40mm，則其轉速約為
62rpm，故電動機還需接上減速機，由于傳送過程中膜對導膠輥的作用力可以忽略。因此選擇臺灣ASTK調速附電磁剎車電機作為送膜機構驅動處的電機，選擇型號為5RK90GU-AMF（60W，額定轉速為1650rpm），搭配其型號為5GU25K的減速機（減速比為1:25）可將速度減至66rpm，基本滿足送膜機構驅動電機的要求。
調速附電磁剎車電機是具有負載保持力的剎車馬達。在電源OFF的同時，馬達會瞬間停止并保持負載。最適用于緊急剎車作業(yè)的用途。（因馬達后部裝有交流無激磁作動型電磁剎車器（斷電剎車），在電源OFF的同時，馬達會瞬間停止，并且具有負載保持力。適用于緊急時剎車保持位置用。
3.4.3 齒輪副的選擇設計
由已選定的電機可知，輸入功率P=90w，小齒輪轉速n=66r/min，齒數(shù)比為1:1.06，由電動機驅動，設機器的工作壽命為15年（每年工作300天），兩班制，機構工作平穩(wěn)，轉向不變。
參考《機械設計》，選用直齒圓柱齒輪傳動，壓力角取為20°；灌裝機器為一般工作機器，選用7級精度。
材料選擇：由于大小齒輪的傳動比接近1:1，故都選擇45鋼（調質），其齒面硬度為240 HBS。
設選小齒輪齒數(shù)z為18，則大齒輪齒數(shù)為z=uz=1.06×18=19.08，取20。
（1）按齒面接觸疲勞強度設計，如式3.1
≥
取，齒輪轉矩
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)；
通過計算可得其接觸疲勞強度用重合度系數(shù)
（3.3）
計算接觸疲勞需用應力[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力為523 MPa
2）試算小齒輪分度圓直徑
≥
（2） 調整小齒輪分度圓直徑
1） 計算實際在和系數(shù)前的數(shù)據(jù)準備
①圓周速度
v=
②齒寬b
2) 計算實際載荷系數(shù)K
①查得使用系數(shù)K=1
②由V=0.123 m/s、7級精度，查得動載系數(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，可得實際載荷系數(shù)
3） 可得實際載荷系數(shù)算出分度圓直徑
及相應的齒輪系數(shù)
3. 按齒根彎曲疲勞強度設計,如式3.2
（1） 計算模數(shù)
①試選K=1.3
②取齒形系數(shù)Y=2.92，Y=2.82，應力修正系數(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) 調整齒輪模數(shù)
①圓周速度v
②齒寬b
③寬高比b/h
2) 計算實際載荷系數(shù)K
①由v=0.07m/s，7級精度得動載系數(shù)K=1.01
②由
故取K=1.2
③由插值法可得K，結合b/h得K=1.34
故載荷系數(shù)為
3) 可得模數(shù)m = 1.15mm
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決彎曲疲勞強度所決定承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關，可去由彎曲疲勞強度算得的模數(shù)1.13mm，并將其圓整為1.5mm，按接觸疲勞強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互為質數(shù)。
4、 幾何尺寸計算
（1） 計算分度圓直徑
（2） 計算中心距
（3） 計算齒輪寬度
則取兩齒輪齒寬為42mm[10]
3.4.4 導膠軸的結構設計
選擇材料：由于輸入功率較小，為90W，所以對軸的強度硬度要求不高，選擇45號鋼調質處理。
從安裝齒輪的軸段開始，設此軸段的直徑d1=10mm，為了保證齒輪可靠的軸向固定，軸段的長度應略小于輪轂的寬度，根據(jù)前面取的齒輪寬度可以確定該軸段的長度，取其長度為L1=56mm，軸段d2用來過渡到軸承，故取其長度L2=5mm，其直徑為15mm，軸段d3用來安裝軸用擋圈，軸用檔圈寬1mm，還有0.5mm余量用于安裝軸承，因此軸段d3長為1.5mm，其直徑根據(jù)軸用擋圈取13.8mm，軸段d4的長度要比軸承長度固定板厚度的和小一點，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，作為過渡長度，軸段d6用來安裝軸用擋圈，軸用檔圈寬1mm，還有1mm余量用于安裝導膠套時便于其固定，因此軸段d6長為2mm，其直徑根據(jù)軸用擋圈取18.5mm，軸段d7直徑取20mm，長度比導膠套長度短一點，取319mm，軸段d8用來安裝軸用擋圈，軸用檔圈寬1mm，因此軸段d8長為1mm，其直徑根據(jù)軸用擋圈取18.5mm，軸段d9直徑取20mm，長度考慮從導膠套端部到右支架的距離加上一部分右支架的厚度，故取其長度L9=14mm，軸段d10的長度要比軸承寬度小一點，因為軸承寬為9mm，故取L10=8.5mm，直徑取為15mm，軸段d11用來安裝軸用擋圈，軸用檔圈寬1mm，還有0.5mm余量用于安裝軸承，因此軸段d11長為1.5mm，軸段d12直徑取15mm，長度L12=10mm。故導膠軸的結構示意圖為圖3.3[11]。
圖3.3 軸設計示意圖
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，通過查表可知平鍵的b×h=5×5，L取25mm。
3.4.6 軸承的選擇
由機構的總體設計可得軸的主要受徑向載荷因而軸承可選擇深溝球軸承設其能穩(wěn)定工作5000h。
以導膠軸上的軸承選擇為例軸上的齒輪通過嚙合對軸承施加的力為
加上導膠軸、導膠套、齒輪本身的重量、對軸承產(chǎn)生的徑向力總共為
取載荷系數(shù)則當量動載荷為
取X=1，Y=0
所以
軸承應有的基本額定動載荷值為
查表可選擇深溝球軸承6002型號
其基本額定靜載荷為2.85KN
則其壽命為
遠大于5000h故符合使用要求。
其它軸承的選擇校驗請參考上例[10]。
3.5 張緊裝置設計
3.5.1 張緊裝置結構設計
如下圖3.4是送膜機構的張緊輥部分，張緊輥是用來張緊膜，保證傳送過程中膜的張緊度不會出現(xiàn)較大波動，保證機器的正常運行。由于送膜機構有兩個電機驅動，兩個電機的轉速很難統(tǒng)一，故設定驅動電機的轉速稍快于拉料電機的轉速。為保證膜的張緊，將張緊輥設計成可在支架的槽內上下移動，并在槽的底部安裝常閉限位開關，限位開關閉合，驅動電機工作，限位開關斷開，驅動電機停機。一開始張緊輥打到限位開關，驅動電機停機，拉料電機工作，膜在傳送過程中漸漸將張緊輥往上拉，直至其離開槽的底部，此時限位開關閉合，驅動電機開始工作，又將張緊輥慢慢沿著槽往下放直到碰到槽底的限位開關，限位開關再斷開。如此循環(huán)，就保證了傳送過程中膜的張緊程度。
1-張緊輥；2-限位開關
圖3.4 張緊輥部分
3.5.2 限位開關選型
限位開關又稱行程開關，可以安裝在相對靜止的物體（如固定架、門框等，簡稱靜物）上或者運動的物體（如行車、門等，簡稱動物）上。當動物接近靜物時，開關的連桿驅動開關的接點引起閉合的接點分斷或者斷開的接點閉合。由開關接點開、合狀態(tài)的改變去控制電路和電機。
限位開關就是用以限定機械設備的運動極限位置的電氣開關。限位開關有接觸式的和非接觸式的。接觸式的比較直觀，機械設備的運動部件上，安裝上行程開關，與其相對運動的固定點上安裝極限位置的擋塊，或者是相反安裝位置。當行程開關的機械觸頭碰上擋塊時，切斷了（或改變了）控制電路，機械就停止運行或改變運行。由于機械的慣性運動，這種行程開關有一定的“超行程”以保護開關不受損壞。非接觸式的形式很多，常見的有干簧管、光電式、感應式等，這幾種形式在電梯中都能夠見到。當然還有更多的先進形式。
由于送膜機構的工作溫度處于常溫狀態(tài)，濕度為一般濕度，對限位開關的靈敏度、額定頻率、工作方式、外形結構要求不高，故選擇歐姆龍D4CC-1024限位開關。其具體參數(shù)如下圖3.5。
圖3.5 歐姆龍D4CC-1024限位開關參數(shù)圖
3.6 色標檢測和剎車部分設計
3.6.1 色標檢測和剎車部分結構設計
如圖3.6是送膜機構里的色標檢測和剎車部分，送膜時膜經(jīng)過拉料滾筒1和拉料滾筒2，色標檢測傳感器安裝在拉料滾筒1和拉料滾筒2之間，在膜的下方，實時檢測膜上面印刷的圖案，當檢測錯誤時，發(fā)出信號，機器可以控制薄型氣缸動作，薄型氣缸向前推動剎車塊，剎車塊在氣缸兩側的導柱的導向下移動，將膜按在拉料滾筒的外膠上，及時將傳動的膜剎住，避免生產(chǎn)出現(xiàn)重大錯誤以及浪費。
1-薄型氣缸；2-剎車塊；3-拉料滾筒1；4-色標檢測傳感器；4拉料滾筒2
圖3.6 色標檢測及剎車
3.6.2 氣缸的選型
氣缸安裝在剎車板上用來在送膜異常時，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。需要氣缸可以提供足夠的壓力防止膜的滑動。由于膜傳送的拉力不大，于是對氣缸所輸出的工作壓力沒有太高要求。設氣缸工作壓力為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。
薄型氣缸是引導活塞在其中進行直線往復運動的圓筒形金屬機件。工質在發(fā)動機氣缸中通過膨脹將熱能轉化為機械能；氣體在壓縮機氣缸中接受活塞壓縮而提高壓力。渦輪機、旋轉活塞式發(fā)動機等的殼體通常也稱“氣缸”。
薄型氣缸，具有結構緊湊、重量輕、占用空間小等優(yōu)點。
3.6.3 色標傳感器的選型
色標傳感器指的是對各種標簽進行檢測，即使背景顏色有著細微的差別的顏色也可以檢測到，處理速度快。自動適應波長，能夠檢測灰度值的細小差別，與標簽和背景的混合顏色無關。它是通過與非色標區(qū)相比較來實現(xiàn)色標檢測，而不是直接測量顏色。色標傳感器實際是一種反向裝置，光源垂直于目標物體安裝，而接收器與物體成銳角方向安裝，讓它只檢測來自目標物體的散射光，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SICK生產(chǎn)的色標傳感器，型號為KT3，它有如下優(yōu)點：
（1）小型外殼；
（2）RGB-3 種顏色技術；
（3）具有大掃描距離的激光變型；
（4）簡單示教功能（在機器停機或操作）；
（5）在極其閃亮的物體自動防眩適應確保高設備利用率在高亮的薄膜上運行穩(wěn)定實現(xiàn)更高的機器使用性；
（6）物料流安全運行；
（7）開關頻率 10 kHz；
如圖3.7為其參數(shù)示意圖。
圖3.7 KT3色標傳感器參數(shù)示意圖
3.7 緩沖機構的設計
如圖3.8是送膜機構的緩沖機構，它是由旋轉塊2、拉料滾筒3、彈簧和兩枚限位螺釘組成。因為送膜機構又是非連續(xù)工作的，現(xiàn)實中當拉膜電機拉動膜運行時，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，與膜接觸的輥膠比較多，產(chǎn)生的摩擦力比較大。因而從膜開始傳動到整個機構平穩(wěn)運行期間，膜之間的拉力會較大而且不穩(wěn)定。這容易對膜造成拉扯，變形，斷裂、折皺等損害。所以在膜傳送的中間加入緩沖機構，可以用它來分擔膜之間的拉力，防止其出現(xiàn)上述的損害。
如圖3.9是送膜機構膜沒傳送時緩沖機構靜止的狀態(tài)，紅線和箭頭表示膜及其傳送的方向。容易知道，開始緩沖機構不受膜對它的拉力，由于拉料滾筒的自重和限位螺釘1的作用，緩沖機構靜止時其拉料滾筒3與垂線會形成一定角度。當膜開始傳送后，膜的拉力會將拉料滾筒抬起并使連在旋轉塊2上的彈簧伸長，漸漸轉化為拉料滾筒3的重力勢能和彈簧的彈性勢能，當前后膜的速度一致后，拉料滾筒3的重力勢能和彈簧的彈性勢能漸漸釋放，在某個值達到動態(tài)平衡。圖3.10為送膜機構里的緩沖機構的拉料滾筒3重力勢能和彈性勢能達到最大值的狀態(tài)。因為有限位螺釘2的作用，限制拉料滾筒3只能被抬高到某一高度，故此緩沖機構的作用是有限度的。
1-拉料滾筒2；2-旋轉塊2；3-彈簧；4拉料滾筒3；5-拉料滾筒4
圖3.8 緩沖機構
圖3.9 緩沖機構工作示意圖a
圖3.10 緩沖機構工作示意圖b
4 送膜機構材料選擇
1、機構軸材料選擇
由于機構里的軸的受力負載不大，故對材料的強度，硬度要求不高，選45號鋼作為軸材料，做調質熱處理。
45號鋼是國標中的叫法，也叫“油鋼”。其碳含量0.42~0.50%，該鋼冷塑性一般，退火、正火比調質時要稍好，具有較高的強度和較好的切削加工性，經(jīng)適當?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性，材料來源方便。GB/T699-1999標準規(guī)定45鋼抗拉強度≥600MPa，屈服強度≥355MPa，伸長率≥16%，斷面收縮率≥40%，沖擊功為39J。調質處理后零件具有良好的綜合機械性能，廣泛應用于各種重要的結構零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。但表面硬度較低，不耐磨?？捎谜{質+表面淬火提高零件表面硬度。
2、裝料軸、拉料滾筒導膠材料選擇
選擇POM材料作為裝料導膠材料
POM（聚甲醛樹脂）定義：聚甲醛是一種沒有側鏈、高密度、高結晶性的線型聚合物。按其分子鏈中化學結構的不同，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、結晶度、熔點都高，但熱穩(wěn)定性差，加工溫度范圍窄（約10℃），對酸堿穩(wěn)定性略低；而共聚甲醛密度、結晶度、熔點、強度都較低，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、機械和化學性能，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，傳動零件，以及化工，儀表等零件。合成樹脂中的一種，又名聚甲醛樹脂、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、機床、儀表內件等起骨架作用的產(chǎn)品。
它的一般性能特點為：
（1）POM是結晶型塑料,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)。
它的力學性能為：
POM強度、剛度高，彈性好，減磨耐磨性好。其力學性能優(yōu)異，比強度可達50.5MPa，比剛度可達2650MPa，與金屬十分接近。POM的力學性能隨溫度變化小，共聚POM比均聚POM的變化稍大一點。POM的沖擊強度較高，但常規(guī)沖擊不及ABS和PC；POM對缺口敏感，有缺口可使沖擊強度下降90%之多。POM的疲勞強度十分突出，10交變載荷作用后，疲勞強度可達35MPa，而PA和PC僅為28MPa。POM的蠕變性與PA相似，在20℃、21MPa、3000h時僅為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，自潤滑性好。POM制品對磨時，高載荷作用時易產(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。硅膠的化學組份和物理結構，決定了它具有許多其他同類材料難以取代得特點：吸附性能高、熱穩(wěn)定性好、化學性質穩(wěn)定、有較高的機械強度等。
4、 旋轉塊材料選擇
選擇45號鋼作為旋轉塊材料，熱處理為調質。
6、左右支架板材料選擇
因為支架板所受負載不大，故選擇Q235-A作為左右支架板材料。
5 零件圖設計
1 裝料軸零件圖設計
裝料軸的零件圖如圖5.1所示，由于灌裝機屬于一般機械，其精度要求不高，故軸與軸承的配合精度等級可以取P0級，采用基孔制的的間隙配合方式，取公差為H7/g6。則在圖里標注為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 電機軸齒輪零件圖設計
如下圖5.2是電機軸齒輪的零件圖，由電機軸直徑為15mm，可選齒輪內孔直徑為15mm，采用基孔間隙配合方式，取公差為H7，設鍵連接為一般連接，其b值正負0.015mm，孔壁粗糙度為3.2μm。
圖5.2 電機軸齒輪零件圖
3 支架板零件圖設計
支架板的零件圖如圖5.3所示，由于灌裝機屬于一般機械，其精度要求不高，故軸與軸承的配合精度等級可以取P0級，采用基孔制的的間隙配合方式，取公差為H7/g6。則在圖里標注為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 機構零件的有限元分析
在本次設計里面，由于送膜機構的作用對象是膜，它對送膜機構產(chǎn)生的作用力很小，相對于送膜機構的材料，膜產(chǎn)生的作用力幾乎可以忽略不計，故基本上所用的零件承受的負載都比較小。唯一有可能出現(xiàn)強度問題的是緩沖機構里的旋轉塊。如下圖6.1里的示意圖所示，是旋轉塊在機構中的位置，它的示意圖如圖6.2，可以看到，在旋轉塊的孔1插入定位銷軸用于旋轉塊的一端定位，使其能夠圍繞銷軸進行旋轉，在旋轉塊的孔2插入拉料滾筒軸，使得拉料滾筒可以連著旋轉塊繞著銷軸進行轉動。再在旋轉塊的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塊的孔2對拉料滾筒軸的作用約束，而其另一端是完全懸空的，這對旋轉塊的孔2會有一個力矩的作用，如果旋轉塊的強度不夠，所產(chǎn)生的應力和變形太大，將會造成拉料滾筒的傾斜，這將會使傳送的膜傾斜變形，不利于機器的穩(wěn)定變形。
圖6.1 緩沖機構示意圖
圖6.2 旋轉塊示意圖
故使用有限元分析軟件ANSYS workbench15.0對此零件進行受力分析，以此判斷它是否滿足設計要求。
有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬。還利用簡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限未知量的真實系統(tǒng)。
有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。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，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件（如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，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際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀前就已產(chǎn)生并得到了應用，例如用多邊形（有限個直線單元）逼近圓來求得圓的周長，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，應用于航空器的結構強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學研究的科學家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法。
國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雜工程結構的非常有效的數(shù)值方法，是將所研究的工程系統(tǒng)轉化成一個結構近似的有限元系統(tǒng)，該系統(tǒng)由節(jié)點及單元組合而成，以取代原有的工程系統(tǒng)。它通過運用彈性力學等理論知識在計算機上運用軟件將工程問題進行模擬仿真，這個過程不需要真的把東西做出來。有限元系統(tǒng)可以轉化成一個數(shù)學模式，并根據(jù)數(shù)學模式，進而得到該有限元系統(tǒng)的解答，并通過節(jié)點、單元表現(xiàn)出來。完整有限元模型除了節(jié)點、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、外力負載等[13]。
ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件,可廣泛地應用于土木工程、交通、水利、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、國防軍工、電子、造船、生物醫(yī)學、地礦、日用家電等一般工業(yè)及科學研究[14]。
ANSYS具有強大的計算分析能力,可以進行結構靜力分析、結構動力學分析、結構非線性分析、熱分析、電磁場分析、流體動力學分析、聲場分析、壓電分析和多耦合場分析。其自身提供了完善的前、后處理功能。通過通用后處理器可以查看整個模型在某一個載荷步和子步的結果,時間歷程后處理器可以查看模型指定點的特定結果相對于時間、頻率或其他結果項的變化；通過前處理器可以進行實體建模、材料屬性定義及有限元網(wǎng)格劃分[15]。
在SolidWorks里將其轉為x_t格式，導入到ANSYS workbench里。
選擇材料為45號鋼，設其彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。
設置約束面，由于旋轉塊是圍繞孔1旋轉，于是假定孔1 的內表面為約束面，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，由于膜對機構的作用力很小，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號鋼，拉料滾筒外膠材料為POM材料，通過solidworks的質量計算兩者重量和為0.9kg，加上兩個軸0.05kg,故拉料滾筒質量為0.95kg，圓整為1kg,取g=10N/,則其重力為10N。通過測量可得，旋轉塊表面到拉料滾筒端部距離為318.5mm，取中點為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內壁上，取一個角度，如圖6.4
圖6.4 施加負載
劃分網(wǎng)格如圖6.5
圖6.5 劃分網(wǎng)絡
生產(chǎn)應力報告、形變位移報告，結果如圖6.6、圖6.7。從圖中可得，旋轉塊的最大應力為13.7MPa，遠小于45號鋼的屈服應力355MPa，最大的形變量為mm，在可接受范圍內，故旋轉塊的設計符合使用要求[16]。
圖6.6 形變圖
圖6.7 應力圖
7 總結與展望
隨著包裝機械在食品包裝行業(yè)的應用越加廣泛，一些將傳統(tǒng)機械與現(xiàn)代電氣設備結合起來的自動化包裝已成為主流。本論文主要是對全自動包裝灌裝機的自動間隙送膜機構進行設計說明，它包括了方案的選擇，一些具體參數(shù)的計算，零件材料、標準件、傳感器的選擇，繪制三維模型并標注相關零部件工程圖，一些零件的強度校核，加工要求等內容。通過一些具體機構的設計，使得該送膜機構能夠滿足生產(chǎn)要求。本次畢業(yè)設計是機械設計，機械制圖，工程材料，力學，機械制造，公差配合，電氣元件，三維軟件制圖等等大學里所學知識的有機結合和集中體現(xiàn)。通過這一次畢業(yè)設計，在林老師的指點和帶領之下，我對本專業(yè)的知識有了更進一步的了解。讓我真正經(jīng)歷了一個機械機構從無到有的設計過程，我相信這將對我以后的工作產(chǎn)生深遠的有意義的影響。
當然，本次送膜機構的設計也存在一定的不足之處，比如它不能同時傳送不同類型的膜，機構過于復雜，不能自動更換薄膜卷等等。這些都說明此送膜機構還有許多改良的空間，只是畢業(yè)設計的時間較為緊迫和能力欠缺，我沒能對此作出改善，但這也給了我繼續(xù)認真學習的動力。從2012年9月開始，我正式成為了廣東工業(yè)大學的機械設計制造及其自動化專業(yè)的大一學生，歷經(jīng)將近4年的學習，我也將從這個教了我一技之長的母校畢業(yè)了。面對未來的工作挑戰(zhàn)，本次的畢業(yè)設計剛好給了我一個可以提前實戰(zhàn)的機會。當然，這只是一種近視的體會，并不是完全相同。但還是讓我能夠提前了解機械設計這個工作的主要內容，并從中發(fā)現(xiàn)自己的不足，為之后自己的學習發(fā)展提供了參考前進的方向和動力，這是我之前沒有想到的。相信只要自己帶著獲取新知識的渴望，在工作里孜孜不倦，及時更換舊知識，學習先進機械設計和制造方法，并在此基礎上不斷的創(chuàng)新改進，總有一天，我在機械行業(yè)里某個領域有所成就，設計出高效的機械。
參 考 文 獻
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