全自动粘稠液体灌装机的优化设计.doc
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1、作品名称: 全自动粘稠液体灌装机的优化设计摘要 灌装机是酒水、饮料类等食品加工行业的关键设备之一。目前正朝着灌装的高速化、精确化以及智能化、多功能化方向发展。本文针对传统灌装机性能比较单一,自动化程度低,通用性差,灌装速度调整不方便,而且难以适用瓶形、液体物料及灌装规格的变化等问题,结合全自动液体灌装的工艺流程,分析了全自动液体灌装机的工作过程及其主要部件的功能,重点介绍了全自动液体灌装机关键工作环节的工作原理及控制要求。全自动液体灌装机实现了灌装生产高速化、精确化、智能化、多功能化以及操作界面人性化的要求,对灌装工作过程进行实时监控及动态管理,提高了液体灌装的自动化水平,提高了生产效率。 关
2、键词:灌装,包装,灌装机,供瓶系统AbstractLiquid filling machine was one of critical equipments in the filed of food processing for beveragesAt present,the development tendency of Liquid filling machine was high speed、accurate、intelligent and multifunctionThis paper compared the performance of traditional singlecyli
3、nder machine, the lower degree of automation,poor GM,filling speed of adjustment is not convenient,but difficult to apply a bottleshaped,liquid filling materials and the changes in specifications and other issues,combined with fully automatic liquid filling process processes,analysis of the automati
4、c liquid filling machine of the working process and its main functional parts,focuses on the automatic liquid filling machine of the key aspects of the work of the working principle and control requirements。 Full-automatic liquid filling machine to achieve the filling of the production of high-speed
5、,precision,intelligence,multifunctional as well as human interface requirementsWork on the filling process of real-time monitoring and dynamic management,increased automation level of liquid filling,increased production efficiency Key words:Filling,packaging,filling machine目录摘要IAbstractII第一章 绪论1第二章
6、整机总体方案设计32.1 灌装机简介32.2 灌装机的总体设计32.3 本章小结6第三章 传动系统的设计73.1 电动机的选择及各轴的动力参数73.1.1 电动机的选择73.1.2 各轴的动力参数73.2 带与带轮的参数83.3 轴的设计要求及材料93.4齿轮模态分析103.4.1模态分析113.4.2结论143.5本章小结14第四章 灌装装置的设计154.1本课题灌装方案的选择154.2顶杆的优化设计164.2.1 模型的建立164.2.2应力分析164.2.3 优化设计174.3本章小结17第五章 机架的设计195.1机架的设计195.1.1 机架的材料选择195.1.2机架的大体尺寸19
7、5.2 机架模态分析205.2.1模型的建立215.2.2划分网格215.2.3施加约束和载荷225.2.4模态分析225.3 本章小结24第六章 灌装计数器的设计256.1 系统总体设计256.2 系统硬件设计266.2.1 单片机的选型266.2.2 传感器的选择276.2.3 时钟电路设计286.2.4 E2PROM存储芯片电路设计296.2.5 LCD显示296.2.6 RS-485接口电路306.3 系统软件设计306.4本章小结31结 论32参考文献33第一章 绪论随着食品工业的发展,人民生活水平的不断提高,食品的需求量和种类的与日俱增,食品包装也日渐突出。食品包装机械是对食品进行
8、全部或部分包装过程的机器,包装过程包括充填、裹包、封口等主要包装工序,以及与其相关的前后工序、计量等辅助工作。食品包装是食品工业生产的一个重要环节,发展食品包装机械化,可以提高劳动生产率,节约大量劳动力,降低劳动强度,改善劳动条件,有利于食品的卫生,提高生产质量,还可以改善环境卫生,节约原料。在全自动灌装、包装生产线中,液体灌装机是包装机械的重要组成部分之一,其主要用在食品、化工等轻工行业中,在食品行业中的用途则尤为重要,例如:酒水、饮料、乳品、油脂以及调味品等与日常生活息息相关的产品的包装。另外是在化工行业中包括洗涤类、日化、矿物油和农药等化工类液体产品的灌装。然而,由于我国灌装行业起步较晚
9、,灌装、包装的自动化水平较低,市场自动化灌装设置要求很高。基于此,本文作者选择采用可编程控制器结合上位机软件进行控制的全自动液体灌装机作为讨论的主题进行研究和设计。 液体灌装基本原理 灌装就是将一定量的液体物料注入到包装容器中的过程。这种液体物料主要是指具有低粘度的可流动型液体物料,如酒类、汽水、果汁等,它们可以依靠自重以一定速度流入到包装容器中;另外还可灌装一些中等粘稠液体物料和一些高粘度物料,如果酱、油脂、牙膏及黄油等,对这些物料的灌装依靠重力是不能使其按要求流动的,因此需要施加一定的压力将其挤入或压入到包装容器中。由于液体种类很多,其性能不一,如粘度、起沫性、含气性、挥发性等各不相同,所
10、以采用的灌装方法不一样,其次液料的包装容器也不同,有玻璃瓶、金属罐、塑料瓶、复合纸盒等,所以,依据不同的包装容器、包装物料及不同的灌装工艺,灌装机的灌装方法也是不相同的。第二章 整机总体方案设计2.1 灌装机简介粘稠液体灌装机就是一种将液体按照预定的量灌入到特定容器的机器。灌装机属于包装机械范畴,它的种类繁多,结构复杂。但通过对其工作原理和结构性能的分析,基本都是由八个部分组成的,又称为包装机械的八大组成要素,如图2-1所示:包装材料的整理与供送系统包装执行机构被包装物品的计量与供送系统主传送系统成品输出机构控制系统动力机与传动系统机身图2-1 包装机械的八大组成要素2.2 灌装机的总体设计根
11、据灌装机中包装容器的传送形式可将其分为两类:1、直线型灌装机 2、旋转型灌装机。由于旋转型灌装机连续生产,占地少、生产能力大、生产效率较高,固采用旋转型灌装机。本次设计因为时间限制,只进行了灌装机的传动系统、灌装系统、机架部分以及计数系统的讨论和设计。全自动粘稠液体灌装机的间歇转位主要由槽轮机构实现,其余则由传动部分、灌装部分、计数部分组成。因为工作轴和主动是轴垂直的,所以还需要一对锥齿轮来换向。灌装阀的柱塞与主轴相连,这样就实现了主轴旋转、工作台精确转位、定量灌装及压盖同时协调进行。总体设计方案流程如图2-2所示,灌装机总装图如图2-3所示。电动机蜗轮带轮主轴活塞连杆灌装阀锥齿轮工作台直齿轮
12、槽轮 图2-2 总体设计方案流程图图2-3 灌装机传动装配图具体的工作流程为:电动机提供动力经带传到蜗轮,通过两级减速后再由蜗轮传递给主轴,此时转速达到工作要求。主轴把动力分别配给槽轮部分和灌装部分,实现主轴每旋转一周,旋转工作台进行一次转位,灌装阀同时打开关闭完成一次定量灌装,灌装好的产品正好滑下,至此实现产品的灌装输送任务。本设计中的难点在于各部分需要有序的协调工作完成灌装,最后加上铁皮包装灌装机的最后效果图如图2-4所示,该灌装机的主要参数见表2-1。图2-4 灌装机效果图表2-1 灌装机主要指标指标参数值灌装物料粘稠液料灌装容器直径70 mm,高度h=35 mm的圆盒灌装阀头数1个生产
13、能力45盒/分钟电机功率2.2KW2.3 本章小结本章主要介绍了灌装机的基本组成要素和本次设计的总体方案,确定了自动灌装机各部分的机构和各部分的布局。同时在三维软件UG中建立了灌装机的三维模型,对灌装机进行了虚拟装配,进行了干涉检测,确定了灌装机的最后模型和尺寸。第三章 传动系统的设计3.1 电动机的选择及各轴的动力参数3.1.1 电动机的选择在电动机的选择中主要包括以下几个方面:电动机的种类、外形、额定电压、额定转速以及额定功率等。考虑到粘稠液体自动灌装机要求的转速不高,功率不大,工作环境对电动机要求不高,因此从经济角度考虑适合选用三相异步电动机。电动机型号Y100L6,额定功率2.2KW,
14、转速1440r/min。3.1.2 各轴的动力参数表3-1各轴的动力参数粘稠液体自动灌装机功率很小,所需电机的功率可按1.8 KW计算,各轴的动力参数见表3-1,灌装机传动路线三维模型如图3-1所示。轴参数电动机(小带轮)轴蜗杆(大带轮)轴涡轮(凸轮)轴从动锥齿轮轴直齿轮(拨盘)轴转速n(r/min)1440720454545 功率P(kW)1.81.621.301.171.1T()11.9421.49 275.86248.27233.42传动比21611效率90%80%90%95%图3-1灌装机传动路线三维模型3.2 带与带轮的参数表3-2带与带轮的参数V带的型号A型初取小带轮直径100mm
15、初取大带轮直径200mm两带轮实际中心距386mmV带根数2根带带速7.54m/s带轮的形状如图3-2示。图3-2带轮形状图3.3 轴的设计要求及材料 表3-3轴的设计要求及材料项目要求项目要求转向方式单向恒定硬度(HB)250工作情况无腐蚀条件抗拉强度750MPa转速45r/min屈服点550MPa功率1.1kW弯曲疲劳极限350MPa转矩270Nm扭转疲劳极限200MPa材料40Cr许用静应力300MPa许用疲劳应力194MPa轴的结构图见图3-3图3-3轴的结构图经过校核,齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度符合要求,满足结构要求。3.4齿轮模态分析为了提高齿轮设计的效率,提高其工作的可靠
16、性,应避免齿轮在传动系统中产生共振,在齿轮设计中,常对齿轮进行模态分析。首先使用SolidWorks对渐开线齿轮进行三维实体建模(如图3-4),然后通过SolidWorks与ANSYS的接口导入ANSYS中,利用ANSYS软件对齿轮进行模态分析,计算出齿轮的低阶固有振动频率和主振型,为齿轮系统的动态设计提供参考,同时也为齿轮系统的动态响应计算和分析奠定了基础。图3-4线圆柱齿轮模型图3.4.1模态分析 材料的设定选取齿轮材料为40Cr进行分析,材料属性如表3-4所示。表3-4 齿轮材料属性值材料弹性模量EX泊松比PRXY质量密度40Cr2.06e11Pa0.37.8e03Kg/m3加载约束本文
17、主要分析齿轮自由模态下的各阶固有共振频率和主振而不考虑齿轮有预应力的情况,不对齿轮模型施加载荷,只对齿轮内孔进行自由约束。求解及分析采用的算法为ANSYS默认的算法-Block Lanczos(分块兰索斯法),提取齿轮前10阶模态,进行求解。同时对模态进行扩展设置,并进行扩展求解。利用ANSYS通用后处理器方便地对其进行观察和分析,并可以对各阶模态进行动画演示。 求解完毕后,采用通用后处理器对求解结构进行后处理,对其各节点的位移情况进行观察和分析,并对各阶模态振型进行动画显示。该渐开线齿轮前12阶频率为:840.86HZ、842.3HZ、1069HZ、1199.9HZ、1365.2HZ、136
18、7.2HZ、2929.3HZ、2930.5HZ、4676.1HZ、4747HZ、4911.5HZ、4911.7HZ,如图3-5所示。 图3-5渐开线齿轮前12阶频率图渐开线齿轮前12阶的固有振型,如表3-5所示。表3-5 渐开线齿轮前12阶的固有振型表模态 频/HZ振型1840.86齿轮绕x轴摆动,一阶弯曲振2842.3轮齿绕y轴摆动,一阶弯曲振31069轮齿径向收缩,伞形振41199.9轮齿沿x轴振动,圆周振51365.2轮齿端面双向弯曲,二阶弯曲振61367.2轮齿端面双向弯曲,二阶弯曲振72929.3轮齿端面三向弯曲,三阶弯曲振82930.5轮齿端面三向弯曲,三阶弯曲振94676.1轮齿
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