易拉罐封盖机设计

I摘 要毕业设计的题目是易拉罐封盖机设计，主要用于罐装生产线上的易拉罐封盖。能够实现生产线上高速、自动化生产。易拉罐封盖机工作过程主要包括：自动加盖、传送易拉罐和封盖三个部分。整机分为三部分：机械部分、气动部分和控制部分。机械部分包括传送部分和封盖部分的设计。传送部分主要是对传送装置中，传送带的设计以及整个传送装置的支架的设计。气动部分包括：气源的选择、气缸的选择和气动辅助元件的选择。自动加盖器是以气缸为动力源，传送部分以电动机为动力源，封盖部分是电机与气缸联合完成的。控制部分采用了 PLC 控制。本设计的特点，所设计的易拉罐封盖机能通过 PLC 自动快速完成封盖动作，效率高，密封性好，自动化程度高。关键词：易拉罐；封盖机；PLCIIAbstractGraduation design topic is cans sealing machine design, mainly used in canned cans sealing system on the production line. , can make the production line, high-speed automation. Can block machine working process include: automatic build, transmit cans and capping three steps.The machine is divided into three parts: mechanical parts, pneumatic parts and control parts. Mechanical parts including the design of the transmission part and sealing part. Transmission part is mainly to the design of transmission device in the conveyor belt and the transmission of stent design. Pneumatic part includes: the choice of air supply, selection of cylinder and pneumatic auxiliary component selection. Automatic capping machine is a cylinder for power supply, transmission parts for motor power source, is jointly complete motor and cylinder block section. Control part adopts the PLC control.This design features: cans sealing system involved in the function block by PLC automatic rapid action, high efficiency, good sealing, high degree of automation.目录第 1 章 绪论 .11.1 概述 .11.2 研究的意义 .2第 2 章 封盖机构的设计 .32.1 运动与动力参数的设计计算 32.2 带传动设计 .52.3 带的结构设计 .72.4 封盖气缸选择 72.5 传送易拉罐气缸选择 .82.6 轴的设计计算 .92.7 滚动轴承的选择和寿命验算 .162.8 键连接的选择和验算 .172.9 轴承盖设计 .17第 3 章 传送机构设计 .183.1 传送带设计 .193.2 槽轮机构 .213.3 联轴器选择 .233.4 顶罐气缸选择 23第 4 章 自动加盖器 .254.1 气缸选择 .264.2 弹簧的选择 .274.3.1 几何参数计算 274.3.2 特性曲线 284.3.3 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧受载时的应力及变形 284.3.4 承受静载荷的圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计 .30第 5 章 控制部分 .335.1PLC 概述 335.2 气动部分设计 .335.2.1 换向阀的选择 335.2.2 气动辅助元件的选择 345.2.3 气动原理图 355.3 控制部分的设计 .355.3.1PLC 的选择 .355.3.2 传感器的选择 365.4 电路的设计 .365.5 易拉罐封盖机的工作过程 .38第 6 章 结论 .40参考文献 .41致 谢 .42附录 1 43附录 2 481第 1 章 绪论1.1 概述本次毕业设计的题目是易拉罐封盖机设计。本机主要是用于对铁罐、铝罐、复合罐的全自动封口。封口效率高、密封性好。易拉罐封盖机的封盖过程主要分三个过程：自动加盖、传送易拉罐和封盖。加盖是易拉罐封口工艺中重要的步骤。一般要求加盖动作准确可靠，应能将罐盖准确地放置在正在运动的实罐罐口上;否则，若加盖位置不准确，将导致封口不严，气密性下降，损坏罐体，直接影响产品质量，甚至会损坏封口模头，使产品报废。传送机构首先是人工将易拉罐罐体放在传送带上，传送带带动罐体运动，到达自动加盖器下方时自动加盖，当易拉罐罐体进入分度盘的凹槽中时，通过槽轮机构使分度盘转动 90 度，当转动两次后传送气缸在分度盘停顿时将易拉罐传送到托盘中，此时顶罐气缸向上顶易拉罐，易拉罐与压头之间的压力会逐渐增大，当达到一定压力时，顶罐气缸停止向上传送，封盖气缸工作，开始封合易拉罐。封合好后，封盖气缸停止工作，顶罐气缸向下移动，当下一个易拉罐进入托盘中时会将封合好的易拉罐顶到传送带上，开始封合下一个易拉罐，如此循环。目前易拉罐的封口主要由两种形式，一是：滚轮为主运动，易拉罐静止不动，滚轮在易拉罐周围作圆周运动；二是：易拉罐为主运动，带动滚轮运动，从而封合易拉罐。封合罐时为了提高封合质量采用二重封合，即头道滚轮封合和二道滚轮封合。由于滚轮与中心轮偏心，便产生了渐进的径向进给运动，使灌盖和罐身的边缘卷曲、压合。该易拉罐封盖机采用的是气缸带动滚轮，挺高了封盖效率，实现了全自动控制。控制部分采用 PLC，对气压控制阀、气缸等气压元件的控制。PLC 是根据用户需要来选择相应的模块，用户程序在系统程序上运行和编制，它具有开发简单、抗干扰能力强、可靠性高、通用性强、使用方便、体积小、重量轻、功耗低、维护方便、同时减少了控制系统的设计及施工的工作量等优点。近年来发展迅速，而且它也是使用方便的工业自动控制通用装置，自研制成功以来，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。所以此次设计选择 PLC 能方便本次设计。21.2 研究的意义易拉罐由于质量轻、容积比大、便于开启和携带、保质期长等优点，深受人们的欢迎，从而使易拉罐封盖机成为一种不可缺少的设备。易拉罐封盖机应用比较广泛，它直接影响着企业的生产效率，进而影响企业的经济利润的高低。根据这个形式的发展，易拉罐封合行业生产中炙手可热的设备。随着生产要求的不断提，高瓶装、灌装水封口机技术在不断的提升，为企业高效安全生产提供可行性保障。当今的灌装机械，尤其是饮料、啤酒灌装机械和食品包装机械，具有高速、成套、自动化程度高和可靠性好等特点，也是目前灌装机械行业发展的趋势走向。具体方向是：机械功能多远化、结构设计标准化、模组化、控制智能化、结构高精度化。3第 2 章 封盖机构的设计图 1 封盖机构主视图1- 支架 2-传送气缸 3-光杠 4-压头 5-滚轮 6-连接板 7-滚轮支架8-主轴 9-大带轮端盖 10-大带轮 11-皮带 12-销轴 13-电动机 14-小带轮 15-封盖气缸2.1 运动与动力参数的设计计算因罐体既有自转又有公转，若用于实灌卷封则其内装的液体形成旋转抛物面，易从灌口流出，从而限制了它的自转速度以及生产能力的提高。为了简化分析，暂不考虑管身加盖及其公转等的影响，欲保证内装液体不外溢，可根据流体力学的有关理论近似求出罐身的自转转速 maxn，根据文献4得 （2-1-Rhgn60max1）式中 罐身的内半径h罐内的顶隙高度g重力常数体积公式： 罐内液体体积 V=245ml，半径 R=35mmhRV24计算 h=64mm所以 rad/s (2-1-2)7.1356406maxRhn取转速 n=13rad/s=780rad/min折弯力计算 (2-1-3)vlsF21式中 s钢板厚度折弯钢板的长度lv 型槽宽度取 s=0.3mm， =1mm， =板厚的 8 倍，即 =4l v= N (2-1-4)vsF2165075.243.01正压力 uf式中 摩擦力f摩擦系数u，钢板与钢板间的摩擦系数NFf75.2431 15.0u所以 1625N (2-1-5).0u水平拉力 =487.5N (2-1-6)3sin21F转矩 (2-1-7)2 3co0487.5012.6TRNm2.1.1 电机的选择功率 ( 2-1-8)1.6.39.5nPKW式中 滚筒传动装置的总效率 卷 筒联承齿带总 42V 带传动效率： = 0.95带深沟球轴承： =0.99承传动总效率: = 0.95×0.99=0.816 总所需电动机功率 : = =1.03/0.816=1.26 kw (2-1-9)总p总总 /选 Y 系列三相异步电动机，Y100L6，额定功率 1.5KW，同步转速 1000r/min 5电动机轴伸长度 D E 为 28 60mm电动机中心高度 H 为 100mm 2.2 带传动设计已知：电功率 P=1.5KW，传动比 i=2，主动轮转速 n=1000 rad/min，根据文献5得1.计算功率确定1.4aK(2-2-1).152.cPKW2.带型确定带型：A 型普通 V 带3.确定带轮的基准直径 和1d21）初选小带轮的基准直径取 =100mm1d2）验证带速 v(2-2-2)13.4015.6/606dnms在 525m/s 之间，符合要求3）计算大带轮的基准直径 2d(2-2-3)210di4.确定中心距 a 和带的基准长度 dL1）初定中心距(2-2-4)120120.7()()dda6取 =250mm0a2）计算相应带长 0dL2 210120()3.14(10)()50(2)4 45dddaa=981mm (2-2-5)取 =1000mmdL3）计算实际中心距 0a6传动的实际中心距近似为(2-2-6)0010982525dLa m考虑安装、调整、补偿预紧力，中心距需要有一定的调整范围(2-2-7)minax30325031280dL5.验算包角 1218662.81059d(2-28)符合要求6.确定带的根数 Z1）计算单根 V 带的额定功率 Pr由 和 ， 10dm10/innad0.864KW根据 、i=2 和 A 型带， /inr 17PKa=0.94， KL=0.990P()().90.86KLK(2-2-9)2）计算 V 带的根数 Z取 Z=21.5.8096car7.确定带的初拉力N (2-2-10)02.52.5094(min) 83.1KaFZV应使带的实际初拉力 0(in)8.计算带传动的压轴力 0min2(i)s1283sin154.6() 7.2ZFp N(2-2-11)2.3 带的结构设计1.选择带轮的材料7由于此带轮的转速不高，并且功率较小，因此选择铸铝。2.结构形式选择及基本尺寸的计算 130dm因此采用实心结构54L3B1051635addSmefbB2.4 封盖气缸选择气缸行程 s 为 60mm，经 0.5s 工件运动到位，拉力 F=243.75N，系统工作压力 P=0.4 ，根据文献7得aMP气缸的平均速度 (2-4-1)0.6.12/5svmst选定负载率 .则气缸理论输出力 (2-4-2)043.78.5tFN而 214tFDP气缸直径 mm （2-4-3）487.539.410t基本尺寸如图所示缸径 40mm，行程范围8300mm，A=24mm，AL=21mm，B1=22mm，B2=41mm，D=14mm，E=32mm，F=16mm，G=11mm，H=50mm，H1=8mm，H2=10mm，I=46.5mm，K=7mm，MM=M14mm，N=21.5mm，NA=42.5mm，NN=32mm，P=0.25mm，S=88mm，ZZ=154mm，WA=14mm，WB=15mm脚座尺寸如图所示双耳环：零件号 CM-D040B，L=39mm，U=18mm，RR=11mm，CD=10mm，CX=15mm，CZ=30mm，I=46.5mm气缸型号 CM2，直径 D=40mm，行程 s=02000，速度 v=50750mm/s活塞厚度 B=（0.61.0）D= (2-4-4)0.642m缸筒长度 S=s+B+30=80+24+30=134mm (2-4-5)导向套滑动面长度 A，在 D80mm 时, 可取 A=(0.6 1.0)d。所以 A=53mm活塞杆的长度 l=s+B+A+40=134+24+53+40=251 mm （2-4-6）2.5 传送易拉罐气缸选择气缸行程 s 为 125mm，经 0.5s 工件运动到位，易拉罐总质量 1.5kg，传送带摩擦系 0.3，系统工作压力 P=0.4 ，根据文献7得aMP气缸的平均速度 (2-5-1)0.125./svmst选定负载率 .则气缸理论输出力 (2-5-2)0395tFN而 214tFDP气缸直径 mm （2-5-3）49.33.10t外形尺寸如图所示9A=15mm，B=12mm，C=14mm，D=4mm，F=8mm，GA=8mm，GB=5mm，H=28mm，MM=M4mm，NA=12.5mm，NB=9.5mm，NDh8=8mm，NN=M8mm，S=46mm,Z=74mm脚座尺寸如图所示气缸型号 CJ2B10，直径 D=10mm，行程 s=0150活塞厚度 B=（0.61.0）D= (2-5-4)0.61m缸筒长度 S=s+B+30=125+6+30=161mm (2-5-5)导向套滑动面长度 A，在 D80mm 时, 可取 A=(0.6 1.0)d。所以 A=53mm活塞杆的长度 l=s+B+A+40=161+6+53+40=270 mm （2-5-6）2.6 轴的设计计算1轴的设计计算（1）选择轴的材料轴的材料为 45 号钢，调质处理（2）按扭矩初步估算轴端直径初步确定高速轴外伸段直径，高速轴外伸段上安装带轮，其轴径可根据文献10求得：10TQ Ft Fr Fa（2-6-1）3101nPAd=110160，取： =1300A0=16mm31min.078d取： =30mm1d（3）初选滚动轴承因该轴上装有带轮，需要调整轴向位置，又要承受轴向力，考虑装拆调整方便起见，选用角接触轴承。根据轴端尺寸，带轮的定位方式和轴承的大概安装位置，初选角接触轴承 71905C/AC（4）设计轴的结构a.带轮用 的轴肩定位30m轴承按标准 71905C 内径为 25m该轴为齿轮轴，轴承的周向用有过盈的配合，带轮的周向用键定位。b布置轴上零件，设计轴的结构根据安装和定位的需要，初定各轴段直径和长度，各跨度尺寸，作轴的简图如图：力学模型绘制空间受力、弯矩、扭矩简图如图：11M1HM2H0M2HQ R1H Fr Fa R2HR1v Ft R2vM1 M20M2TMca0Mca1 Mca2Mca20（5）对轴进行分析，作当量弯矩图。12计算齿轮所受的各个分力，绘制空间受力简图圆周力： = = =1260N （2-6-1tF2Td3.602）轴向力： 625aN径向力： （2-6-tn/cos487.5rFN3）带对轴的压轴力： Q=71.2 N基圆直径： =125mm 1d将空间力系分解为 H 和 V 平面力系，分别求支反力并画弯矩图，0MH2即：Q×265- =0 （2-6-arHFR26.501784）(2-6-5)0H12857.23615487651.0RN（3-5-1HMQm6）（2-6-8） 227651.4367.2HRN= （2-6-9）0aFd015.43.6714.15Nmm （2-6-10）16395vNmm (2-6-11)2160.85vR求轴的弯矩 M，画弯矩图(2-6-12) 143.HNm13(2-6-13) 2222243657.9410.567HVMNm(2-6-14)2291O画轴的扭矩图 T=59500 mN求计算弯矩 ，画计算弯矩图ca取根据 ， (2-6-16)T(M226.0(2-6-17) 0.659037ca Nm（2-6-222 21.45.60.95631.79cT Nm18） （2-6-2 22 220.697.08.caM19） 2 22 22.510.6591653.9caOTNm(2-6-20)6）校核轴的静强度根据图中轴的结构尺寸，选择弯矩叫大的剖面和弯矩较大，轴径较细的剖面进行验算。根据主教材查得 =59 MPab1剖面的计算应力： 安全 2310678.4caMMPaW剖面的计算应力： 安全 15.9/(.1*5)2.9ca所以安全 1159,bbp7）校核轴的疲劳强度a判断危险剖面分别选择，剖面进行验算：剖面所受的弯矩和扭矩大，轴肩圆角处有应力集中。剖面除受弯矩和扭矩外，附近还有过盈配合，键槽和轴肩圆角三个应力集中源。45 钢调质的机械性能参数： ， ，637bMPaPa2681 MPa1514b剖面疲劳强度安全系数校核因轴单向转动，弯曲应力为对称循环变应力。扭剪应力按脉动循环处理。(2-6-21)max39517.20.4MPaWinaxm1.0(2-6-22) max359.74.2TMPaWin.74ma根据教材附表查取应力集中系数，绝对尺寸影响系数和表面质量系数。(2-6-23)51.2835.Ddr(2-6-24).04， ， ， ， ，并取2.3K1.680.1.760.950.25= = (2-6-25) Sm288.34.95= = （2-6-mK111668.7023.4026） = = =6.26 =1.51.8 （2-6-S226.81S27） 取S=1.51.8 SS, 满足要求c. 剖面校核 = =3.7 （2-6-mK1268.3.054.07928） 15= = =2.74 =1.5 1.8 （2-6-29）S2243.7S取S=1.51.8 SS, 满足要求因轴单向转动，弯曲应力为对称循环变应力。扭剪应力按脉动循环处理。（2-6-max396410.25.MPaW30）minax2.aP0（2-6-31） max35962TMaWin（2-6-ax.452mP32） 根据教材附表查取应力集中系数，绝对尺寸影响系数和表面质量系数。（2-6-33）51.28435.Ddr（2-6-.034）查得： ， ， ， ， ，2.3K1.68A0.1.760.95并取： ，则0.5= = =4 （2-6-Sm12.3.089535）16= = =3.7 （2-6-SmK1268.3.054.07936） = = =2.74 =1.5 1.8 (2-6-37)S2243.7S取S=1.51.8 SS, 满足要求 2.7 滚动轴承的选择和寿命验算由于转速高、有较小轴向力，故选用角接触轴承 71905C/AC=23.5KN =13.5KN)(动Cr)(o动Cr由前面计算得知： 135.4HRN28917.V2605R合成支反力：= = =780.7N (2-7-1)R12V1H2235.471.= = =1808.2N (2-7-2)2289.60.85=Fa=527N AF= 0， = =527N 12AF/ =527/13500=0.039 (2-7-3)2)(o动Cre=0.4 / =527/1808.2=0.290 槽轮的槽数 z3 可知：当只有一个圆销时，k=1/2-1/z即槽轮的运动时间总是小于其静止时间。如果想得到 k0.5 的槽轮机构，则可在拨盘上多装几个圆销，设装有 n 个均匀分布的圆销，则拨盘转一圈，槽轮被拨动 n 次。故运动系数是单圆柱销的 n 倍，k=n(1/2-1/z) k1 得：n2z/ (z -2)表 1 槽轮机构特性槽数 z 3 4 5、6 6圆销数 n 16 14 13 12运动系数 k 1/61 0.251 0.31 0.361当 z=4 及 n=2 时k=n(1/21/z) = 0.5说明此时槽轮的运动时间和静止时间相等。2、运动特性(1)外啮合槽轮机构图示槽轮在运动的任一瞬时，设拨盘位置角用 来表示，槽轮位置角用23 表示。并规定和在圆销进入区为正，在圆销离开区为负，变化区间为：1122根据文献3知：表 2 槽轮机构计算参数 计算公式或依据 具体数值槽数 z 4圆销数 n由工作要求确定1中心距 L 由安装空间确定 100回转半径 R sinsi(/)Lz 70圆销半径 r 由受力大小确定 r R/610槽顶半径 s cos/n70槽深 h LRr 50拨盘轴经 1d12s 20槽轮轴经 22Lr20槽顶侧壁厚 b b=35mm 经验确定 5锁止弧半径 0rRrb 55具体尺寸如图所示图 4 槽轮机构主视图24图 5 槽轮机构俯视图3.3 联轴器选择型号：薄片式夹紧型 SFC-W外形尺寸 SFC-56W d1d2=820mm，D=44mm，L=48.2mm，L1=5mm，L2=15mm ，L3=9mm，W=4.6mm，K=16mm ，M=M4技术参数 额定扭矩（最大） =20Nm，最高转速=10000r/min，惯性力矩=，静态扭矩刚性=3000Nm/rad524.210Kgm3.4 顶罐气缸选择气缸行程 s 为 350mm，经 0.5s 工件运动到位，拉力 F=1625N，系统工作压力25P=0.4 ，根据文献7得aMP气缸的平均速度 (3-4-1)0.35.7/svmst选定负载率 .则气缸理论输出力 (3-4-2)01620.tFN而 214tFDP气缸直径 mm （3-4-3）43250781t气缸型号 CXS6-40，直径 D=80mm，行程 s=0400，速度 v=50750mm/s活塞厚度 B=（0.61.0）D= (3-4-4)0.684m缸筒长度 S=s+B+30=80+48+30=158mm (3-4-5)导向套滑动面长度 A，在 D80mm 时, 可取 A=(0.6 1.0)d。所以 A=53mm活塞杆的长度 l=s+B+A+40=158+24+53+40=275 mm （3-4-6）26第 4 章 自动加盖器目前，在易拉罐封口工艺中采用的加盖技术方法主要有三大类：（1）手工加盖 这是最简单的加盖方法，加盖动作较准确，但生产效率极低，工人劳动强度大。手工加盖仅适用小批量易拉罐饮料生产，现在已很少采用。(2)机械加盖如双盘一分盖板自动加盖器，结构简单，易于安装调试，应用普遍，生产效率较高，但可靠性较差。机械加盖对加盖速度与罐体的运动速度及灌装机、封口机的工作速度匹配性要求高。(3)电磁加盖器结构紧凑，工作可靠，实用性强，自动化程度高，可实现易拉罐饮料实罐封口时的自动定时、定量加盖作业。本次设计的自动加盖器是根据电磁加盖其改造的，由于电磁铁需要电量大，拉力小，而且不能长时间通断电。当易拉罐罐盖是铁时，电磁铁产生的磁场会对加盖的位置产生影响，所以将电磁铁换成气缸。装配图如下图所示：图 6 自动加盖器示意图