颗粒包装机的设计

目 录摘要引言第1章 设计任务1 第2章 方案设计及选择2 2.1立式连续制袋三边封口包装机5第3章 机械部分设计83.1 成型器的选择和设计计算8 3.1.1 翻领成型器8 3.1.2 象鼻成型器的设计9 3.2 传动系统方案设计113.3 动力及运动参数计算12 3.3.1 主电机的确定12 3.3.2 主轴转速计算12 3.3.3 主轴功率计算13 3.3.4 主轴最小直径估算13 3.4 热封设计14 3.4.1 纵封滚轮的设计及计算14 3.4.2 横封装置设计16 3.5 封合调整18 3.6 引导装置22第4章 UG部分设计234.1 建模23 4.1.1 轴的建模234.1.2 齿轮的建模：244.2 装配29 4.2.1 基本概念29 4.2.2 装配的方式30 4.2.3 装配模块的启动30参考资料36毕业设计总结37致 谢38摘 要本论文是关于小颗粒食品的包装设备简称颗粒包装机的设计。颗粒包装机是将小颗粒的食品装入袋内，再封装。主要适用于小食品、医药产品的包装。它具有操作简单、生产量大、适用范围广等特点。颗粒包装机主要由几部分构成：引导成型部分、喂料部分、纵封牵引部分横封切割部分。塑料薄膜安装在退卷装置上，经过导辊的引导输送塑料薄膜在成型器的作用下形成袋状，这时纵封将袋封上纵向口，喂料装置下料，横封辊在将其封住横向开口，并且切断。至此一个包装袋形成。本文从基本理论、基本工作原理、基本分析方法上对设计作了阐述。在本次设计中采用了象鼻成型器，转盘式定量供料器，滚轮纵封装置，整体加工式横封辊结构。滚轮纵封装置将以往的纵封和牵引合为一体，这样既节省了空间，又使整体更具有美观性。整体加工式横封辊结构将横封和切断装置合成一体，减少了封装时间。最后一个重要的部分是UG的建模、装配。Unigraphics(简称UG)是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的CAID/CAD/CAE/CAM高端软件。作为一个集成的全面产品工程解决方案，UG软件家族使得用户能够数字化地创建和获取三维产品定义。UG软件被当今许多世界领先的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及更成仿真和数字化的制造等各个领域。本文详细介绍了轴的建模、齿轮的建模，以及其装配和动态仿真。关键字：颗粒包装机；纵封；横封；UG装配引言当今世界科学技术发展日新月异，产品的科技含量越来越高，高新技术产品已进入家庭。世界进入知识经济的时代，只有科学技术才能兴国。由于一些发达国家在计算机技术、微电子技术、人工智能技术、材料科学技术、空间科学技术、制造工业技术、等领域处于领先地位，引进发达国家的先进技术为我所用，是发展本国经济的最佳途径。我国是一个发展中国家，科学技术相对落后，投入大量资金去研究发达国家已推向市场的产品或技术是完全没有必要的。这不仅浪费资金，也拖延发展经济的时间。而且涉及到发展经济的科学技术领域非常广泛，我国也缺少巨额资金去进行大面积的科学研究。因此，引进发达国家先进的科学技术或先进的产品，然后进行反求设计，仿照或创新设计更新的产品，是发展中国家发展国民经济的必由之路。因此，学习反求设计和进行此次反求设计的课程设计对于我们机械专业的学生尤为重要，我们只有抓住此次机会好好训练，才能在以后的工作中有所贡献。第1章 任务分析完成包装工序的机械通称为包装机械。包装机械以中小型单机为主，具有体积小、精密度高、易安装、操作方便、自动化程度高等优点。包装机械的范畴广泛，种类繁多。包装是产品进入流通领域的必要条件，而实现包装的主要手段是使用包装机械。随着时代的发展和技术的进步，包装机械在流通领域中正起着越来越大的作用。 而颗粒包装机的设计意义在于使小颗粒物品易于携带方便，且外形美观。我们设计的是一个自动制袋装填包装机,通常自动制袋装填包装机所采用的包装材料是卷筒式包装材料,在机器上实现自动制袋、装填封口切断等全部包装工序.其包装材料可以为塑料单膜复合薄膜等.对于不同的机型,可以采用单卷薄膜制袋或两卷薄膜制袋的形式,但主要以前者居多。第2章 颗粒自动包装机可行性论证2.1、研究开发的目的意义随着人们生活水平的提高，对颗粒状物料的包装要求逐渐提高。长久以来对于颗粒状物料的包装一直存在生产率低、充填精度不高、污染环境等问题。设计出能够实现自动计量、成型、充填、封口的颗粒包装机，对于解决此类问题并满足市场需求具有重要意义。2.2、目前国内外该产品的发展状况近十余年来，国际包装界十分重视提高包装机械及整个包装系统的通用能力和多功能集成能力，为市场开拓日新月异的多样化商品提供及时灵活应变的生产手段。同时基于合理简化包装和优势包装工艺方法的实际需要，不断探索，明显地加快了自身技术革新的步伐。尤其是与现代自动机床同步发展相呼应，逐步明确。要想建立多样化、通用化、多功能集成化的包装机械新体系，首先必须着重解决组合化和机电一体化的大问题，无疑这是今后的重要发展方向。中国真空包装机形成行业仅20年，基础相对薄弱，技术及科研力量不足，其发展相对滞后，在某种程度上拖了食品和包装工业的后腿。预测到2010年，国内行业总产值可达到1300亿元(现价)，而市场需求可能达到2000亿元。如何能够尽快的赶上并且抓住这个巨大的市场是我们迫切需要解决的问题。我国真空包装机起步于上个世纪70年代末，年产值只有七八千万元，产品品种仅有100多种。近5年来食品和真空包装机行业每年以11%12%的平均增长速度发展，高于同期国民经济增长速度，销售总额由1994年的150亿元增加到2000年的300亿元，产品品种由1994年的270种发展到2000年的3700种。产品水平上了新台阶，开始出现规模化、成套化、自动化的趋势，传动复杂、技术含量高的设备开始出现。可以说我国的机械生产已满足了国内的基本需求，并开始向东南亚及第三世界国家出口，如我国2000年的进出口总额为27.37亿美元，其中出口额为12.9亿美元，比1999年提高了22.2%。在出口的机械品种中以食品(乳品、糕点、肉类、水果)加工机、烤箱、封装、贴标签机、纸塑铝复合罐生产设备等机械出口较多，食品机械如制糖、酿酒、饮料、真空包装机等设备已开始成套出口。 中国包装机械起步较晚，起于上个世纪70年代，北京市商业机械研究所在研究了日本的包装机械后，完成制造了中国第一台包装机，经过20多年的发展，中国包装机械已成为机械工业中十大行业之一，为中国包装工业快速发展提供了有力的保障，有些包装机械填补了国内空白，已能基本满足国内市场的需求，部分产品还有出口。但在目前，中国包装机械出口额还不足总产值的5%，进口额却与总产值大抵相当，与发达国家相去甚远。在行业快速发展的同时也存在一系列的问题，现阶段中国包装机械行业水平还不够高。包装机械市场日趋垄断化，除了瓦楞纸箱包装机械和一些小型包装机有一定规模和优势外，其它包装机械几乎不成体系和规模，特别是市场上需求量大的一些成套包装生产线，如液体灌装生产线、饮料包装容器成套设备、无菌包装生产线等，在世界包装机械市场中均被几家大包装机械企业集团所垄断，面对国外品牌强劲冲击国内企业应该采取积极对策。从现阶段情况看，全球的包装机械需求以每年5.3%的速度增长。美国拥有最大的包装设备生产商，其次是日本，其他主要生产商还包括德国、意大利和中国。但未来包装设备生产增长最快的是在发展中的国家和地区。发达国家将从刺激国内需求中获利，并在发展中国家寻找当地合适的生产厂家，特别是在食品加工厂进行投资，提供包装机械设备。而中国自加入世贸组织以来取得了长足的进步，中国的包装机械水平提升非常快，与世界的先进水平差距逐渐缩小。随着中国的日益开放，中国的包装机械也将进一步打开国际市场。2.3、市场需求分析要想在规定的时间内，为自己创造出最大的利益，就要确保自己的食品包装生产线运行良好，在生产过程中不会出现错误，这样在尽量避免错误出现和故障的影响，才会为企业获得最大的利益。自动化水平在制造工业中不断提高，应用范围正在拓展。包装机械行业中自动化操作正在改变着包装过程的动作方式和包装容器及材料的加工方法。实现自动控制的包装系统能够极大地提高生产效率和产品质量，显著消除包装工序及印刷贴标等造成的误差，有效减轻职工的劳动强度并降低能源和资源的消耗。具有革命意义的自动化改变着包装机械行业的制造方法及其产品的传输方式。设计、安装的自动控制包装系统，无论从提高包装机械行业的产品质量和生产效率方面，还是从消除加工误差和减轻劳动强度方面，都表现出十分明显的作用。尤其是对食品、饮料、药品、电子等行业而言，都是至关重要的。自动装置和系统工程方面的技术正在进一步深化，并得到更广泛的应用。随着人们生活水平不断提高，对各种方便食品的需求也随之大增，这近一步拉动了我国食品包装业的快速发展。2.4、产品原理方案分析颗粒包装机主要工作流程：切封成型填充包装制袋成型包装计量颗粒物料根据现有的颗粒包装机来看，由于产品采用三封袋包装已定，其制袋成型，填充包装，切封成型基本与计量装置的方案有直接关联。因此，提升颗粒包装机包装效率的关键技术在于计量方案的选择，由现有的资料查知，计量方案主要有以下三种：2.4.1定容积式计量主要有: a.定容积量杯式计量方案 ；b.移动式定容积量杯自动计量的方案；c.转鼓定容积式计量方案；d.螺旋输送式定容积计量方案。上述a.b.c三种方案都是间歇式落料方案，也就是两次落料过程之间有一定的时间间隔这样有利于包装制袋的横封，并保证转鼓、量杯计量的物品与落人包装袋中的物料容积保持一致，以确保计量的相对准确性。上述几种落料计量方案结构简单，动作灵活，传动效率高。但定容积量杯和转鼓容积不可调整，只能适用于某单一品种的某一限定计量的包装且由于量杯、转鼓的制造误差，加上物料的密度变化，计量误差无法调整；螺旋输送式计量虽可调整，但调整误差，动作不够敏捷，面对品种繁多的商品自动化包装要求，上述计量方案实用意义不大都需要改进。2.4.2容积可调式量杯计量装置2.4.3容积可调式动态计量装置 此方案采用步进电机为驱动元件，直接驱动螺旋推进器计量所包装的物料。把整个落料过程电子秤动态检测得的计量误差反馈到计算机系统，相应做出反应, 实现了商品包装中自动计量误差的动态调整，进而实现更高的计量精度要求。推荐方案 ： 容积可调式动态计量装置其不仅操作方便计量准确，适应性广泛，结构也十分简单，是值得推广的计量方式。2.5 技术发展趋势与市场前景2.5.1技术发展趋势A向多功能、高效、低耗的方向发展。许多加工设备，已经越来越被用户要求向着多功能方向发展比如一套设备可以生产两种以上的不同型号产品，因此包装机械也必须向多功能方向发展。同时，要求设备提高效率，降低消耗，以降低成本赢得市场；B要求包装机械向灵活性、柔软性方向发展。对于同一种设备，每一个用户都有不同的要求因为其产品各有特色，这就要求包装机械根据用户要求的不同而设计、变化；C包装具有保质期的食品，药品等物料，一旦出现机械故障导致停产，就会导致物料积压和浪费。所以更高的稳定性、可靠性是一个发展方向。D在采用技术上，越来越多地向高科技方向发展。包装机械已越来越多地采用了机、电、光、声、磁、化、生等技术，使其越来越适合于各类户的要求。同时采用高新技术，操作方便，维修简单，稳定性好，寿命长，同时给生产管理上带来很大益处。E.包装机械越来越多地体现出其社会性。如其对环境保护、使用安全等方面的考虑，体现得越来越多；2.5.2市场前景颗粒包装机市场前景广阔，我国国民对日常用品特别是食品类的需求已从最初的完全靠自主生产加工发展到现在的部分后大部分市场采购。多数一线城市已经完全靠采购来满足日常需求。而对于拥有13亿人口的大国来说，这显然是一个巨大的发展空间，颗粒包装机在其中必然扮演着重要角色。据统计，我国对颗粒包装机类产品的需求量以每年12%的速度增长，巨大的市场潜力下我国的颗粒包装机以国外先进技术为参照不断进行创新。从原来的完全靠进口弥补缺失迅速发展至现在的部分、大部分靠自主开发。新的市场形势造就了新的技术团队，国内需求链的马达也随之启动。2.6 产品成本及经济效益分析该颗粒包装机的成本构成主要有：标准件费用、非标准件的材料和加工费用、装配费用、自动控制装置的费用以及管理费用。2.6.1标准件费用统计标准件的种类、数量、和价格入下表表6-1名称数量/个单价/元成本/元气缸3100-300600轴承1010100螺栓820.541螺母、垫片300.515弹簧21.53其他2010200总计1479592.6.2非标准件材料费用本包装机使用材料种类主要钢，不锈钢，尼龙类。根据目前市场上各种原材料的价格，对各种材料用量和费用进行估计如下表：表6-2材料用量/kg单价/元/吨成本/元普通碳素钢10800080不锈钢9015000-250001800总计1021880工时计算主要包括机加工、铸造费用和装配费用。工时的估算包括加工工时和辅助工时。工时的成本标准按表 进行估算，工时计算详细塑胶见表 所示2.6.3非标准件加工费用表6-3加工方法成本/元车20-30/小时铣30-50/小时磨40-60/小时钳20/小时镗80/小时非标准件的加工费用根据经验大概可估算得；1600元/台2.6.4综合各种费用列出成本核算表表6-4项目费用标准件费用959非标准件材料费1880非标准件加工费1600装配费用600自动控制费用1300管理费用500总计6839根据调查，目前市场上同类产品不同厂家的售价大概在15000到25000之间。利润空间在8000-18000左右。2.7 预期社会、经济效益分析经济效益是通过商品的劳动和劳动对外交换所取得的社会劳动节约，用它尽量减少劳动的耗费，这是为了取得更多的经营成果，提高经济效益对社会等具有十分重要的意义，目前的市场经济的发展正在迅速的发展，市场经济中出现了供不应求的现象，这给市场经济的发展带来了一定的影响，根据市场的需求以及商场中包装行业的发展前景，设计出了该颗粒自动包装机。本产品的研发和生产不仅可以为企业带来新的利益增长点，而且可以带动相关产业的发展，提升相关产品的外观质量。其预期社会效益和经济效益包括以下几点：（1）减少对国外进口产品的依赖快速发展的中国包装工业和食品加工业需要进口大量高质量包装机械和食品加工机械，这给外国机械制造行业带来了很大的商机。该产品的问世，预计可以占据一定市场份额，从而是增加国产包装机械的市场占有率。（2）乐观的市场前景从市场需求看，随着世界商品经济日益繁荣，世界包装市场巨大，仅我国在“入世”后预测，2010年GDP将比。2000年翻一番，达到20000亿美元，相应的包装市场规模至少会达到 5000到6000亿人民币，从而对包装机械的市场需 求量巨大。据专家预测，全球包装机械需求年增长率为 5.3 % 左右，2005年将达到 290亿美元，2010年接近 400亿美元，而其中中国和印度将占有最大的份额。因此对包装机械市场的需求，国内、国际两个市场都是巨大的。（3）提高相关行业生产效率该颗粒自动包装机采用先进的关键技术，相比上一代的包装机产品，生产效率有很大提高，从而提高了生产效率。节约劳动成本和时间成本。2.8 本章小结（1） 可行性论证报告主要是为了分析当前需求，以作出新的设计依据，再根据经济效益做进一步判断。（2） 在分析中重要的是分析当前市场需求以及成本分析，控制好成本，把握市场才能够让新产品获得一席之地。第3章总体设计3.1 颗粒自动包装机的总功能颗粒自动包装机的黑箱图颗粒自动包装机操作指令S220V E物料、包装纸 MS 显示M 包装好的成品噪声、发热 图3.1 黑箱图3.2颗粒自动包装机的分功能颗粒自动包装机计量/数包裹堆放、输送量杯计量成品计数 图3.2 功能分解图3.3颗粒自动包装机功能求解（1）颗粒自动包装机的功能结构图计数堆放、输送量杯计量电动机传动机构装袋横、纵封成型送纸切断成品颗粒220V包装纸指令计数包装速度电控器机控器显示器显示噪声发热图3.3 功能结构图（2）探索功能元解并列出形态学矩阵如下：表3-1颗粒自动包装机的形态学矩阵功能元功能元解1234A能量传递蜗杆传动锥齿传动圆柱齿轮传动双曲柄机构B计量方式量杯计量螺杆式可调容量式气流式C计数机械光学电感应电子扫描D横、纵封、切断链传动齿轮传动带传动蜗杆传动E放纸、送纸自身摩擦力输送带F换向蜗杆传动齿轮传动回转导杆取6种分功能的各一解法组合得到传动装置的一种方案，可组合的最多方案数 N=4*4*4*4*2*3=1536（3）方案评选考虑到，颗粒包装机的工作环境，且需结构紧凑等方面的因素，有两种方案可作为参考方案1：A1B3C3D1E1F2方案2：A1B3C3D2E1F1最后得出，方案1适用于横封，方案2适用于纵封3.4颗粒包装机的方案选择 一般情况下卷筒薄膜在纵封滚轮的牵引下，经导辊进入制袋成型器形成种纸管状。纵封滚轮在牵引的同时封合纸管对接两边缘。随后由横封辊闭合实行横封切断。同样，每次横封动作可同时完成上袋的下口和下袋的上口封合，并切断分离。物料的充填是在纸管受纵封牵引下行至横封闭合前完成的。这种机型是一种广泛应用的机型，因其包装原理的合理性和科学性而成为较多采用的设计方案。根据这一包装原理可设计出多种的袋型。例如，增加一对纵封滚轮，使两对纵封滚轮对称布置在纸管两边缘，同时进行牵引纵封则形成两条纵封缝，经横封后产生的袋型则为四边封口袋。采用这种制袋方法主要是以简化成型器为出发点，使得成型器的加工变得简单，节约成本，用一对对称的成型器，再用两个送纸卷，两边同时供纸，这样的包装对称美观，起到一种对称美的作用。综上所诉，采用立式连续制袋四边封口包装机，它将纵封和牵引合为两对纵封滚轮，节省了空间、提高了效率，简化结构。又考虑到方便、造价低等特点，此次选用立式连续制袋四边封口包装机。3.5传动系统方案设计要实现包装的全过程，主要是实现包装的牵引走膜，下料及封切。也就是说从塑料卷筒到最终成品要经过以下过程图3.4 连续式自动制袋装填包装机传动系统1- 主电机 2-皮带 3-蜗轮蜗杆减速器 4-偏心轮机构 5-横封器 6-纵封器 7-离合器 8-上料机构 9-不完全齿轮 10-行星齿轮差动器 11-伺服电机12-无级变速器动力由减速器输出后，通过带传动带动主轴运转，再通过主轴分配，形成三路传动，分别驱动定量供料器8、纵封滚轮6以及横封辊5。三路传动如下： 1）主轴通过齿轮Z20带动二联体齿轮的齿轮Z52和 Z20，再经过二联体齿轮Z52和Z36传到齿轮Z36驱动轴，使定量供料器8回转。2）主轴通过锥齿轮Z30带动无级变速器的轴变速器的输出轴。经过差动传动装置，综合伺服电机11输出的补偿速度，再经过一对不完全齿轮Z60，带动轴旋转，从而驱动纵封滚轮6相对回转。 3）主轴通过锥齿轮Z36 带动轴的偏心链轮机构4输出一个不等速运动，带动齿轮Z18，经齿轮Z22和一对Z30驱动横封辊相对回转。通过调节偏心链轮的偏心值可以实现热封速度的调整。作用在纵封滚轮上的牵引力应该与滚轮受到塑料薄膜给它的力相等，才能使塑料薄膜匀速下滑。3.6 动力及运动参数计算3.6.1 主电机的确定由于整台机器比较小，所以不需要较大的电机,而且电机要实现变速。综合上述条件后，参考有关资料选用型号为Y801-4的三相异步电动机，其主要性能如下:表3-2 电机的主要性能功 率电 流转 速 功率因数效 率起动电流550W 4.17A 1400r/min 0.64 63% 29A3.6.2 总体传动比分配定量供料装置转动一圈，可以填6袋，而机器的包装速度是3660袋/min，所以定量供料装置最多要每分钟转10转，所以定量供料装置中心轴的转速为610r/min。定量供料装置的转盘有6个定量孔，所以横封器啮合次数应该达到3660次/min。初定袋长80140mm,而且再根据产量计算纵封器的转速，计算如下：max: 140×60=2R×3.14×max （3-1）R纵封器压辊半径，初定为R=55mm 140×60=2×55×3.14×maxmax=121.6r/minmin： 80×36=2R×3.14×min （3-2）min=41.7r/min根据所有执行机构的轴的转速设定如下传动计算框图： 图3.5传动计算框图3.6.3 主轴转速计算综合传动计算框图，主轴转速计算如下： n主轴=n电机 ×i减速器 （3-3）其中nmax电机=8401400 r/minn主轴=4270r/min3.6.4 主轴功率计算P主轴=P电机×带×减×联（3-4）其中 带带传动效率，取为0.96减蜗轮蜗杆减速器效率，取为0.8联联轴器效率，取为0.99 P主轴=550×0.96×0.8×0.99=418.2W 3.6.5 主轴最小直径估算 d0A=20.6mm （3-5） 设计轴时一般考虑轴上的键槽对强度的影响，设计时应该根据槽的个数增大尺寸，其经验公式计算如下： d=d023.624mm （3-6）因为主轴与减速器由联轴器连接，所以选择标准件联轴器的复合最小轴直经为d=25mm。所以主轴最小直径为 dmin=25mm功率分配共有三条传动线需要分配功率一条是横封机构，一条是纵封机构，还有一条是定量供料装置。由于横封机构需要的力相对来说不是很大，所以横封机构分配到的功率为总功率的1/5其它两个占总功率的4/5；纵封相对定量供料装置来说需要的力大一些，所以它分配到剩下功率的1/5，则： P横封=P主轴 ×=418.2×=83.6W （3-7）P纵封= P主轴××=200.6W （3-8）P定量= P主轴××=133.7W （3-9）3.7 热封设计塑料薄膜及其复合材料是自动制袋包装机中最常用的包装材料，特别是多层复合薄膜，因为它的气密性良好以及高强度而广泛应用于食品包装中。塑料薄膜的封口采用热融封合的方法，具体操作是：对塑料薄膜的两个接触面加热，使其处于熔融的热塑化状态，再给封接部位施压，使薄膜两个封接面融合密封牢固。影响封合质量的因素主要是加热温度、封合压力和和作用时间。热融封合的方法有多种形式，最常用的是电阻加热法和脉冲加热法，另外还有高频电加热封合、超声波加热封合、电磁加热封合和红外线加热封合等。每种方法均适用于一定品种范围的塑料材料。在自动制袋装填包装机中，广泛应用电阻加热的热融封合方法，因其具有机构简单，调控方便的特点。而且，用于食品包装的薄膜主要是聚乙烯及其复合材料居多，也就是说主要以聚乙烯为热封合材料，因此用电阻加热封合法是完全能满足要求的6。连续制袋包装机中有两个封合装置：纵封装置和横封装置，分别实现包装袋的纵缝封接和横向封合切断。他们均采用电阻加热的封合方法。3.7.1 纵封滚轮的设计及计算在连续式自动制袋装填包装机中，由于薄膜连续输送，因此其纵缝封接是连续进行的。为此采用两对滚轮式电阻加热的热融封接器来实现连续纵封。在此，热融封接滚轮不仅完成包装薄膜制袋的纵向热封，同时还起到对包装薄膜的牵引输送作用。也就是说，牵引和纵封是同时进行的，牵引滚轮同时也是纵封滚轮。在纵封滚轮的封合圆柱面上都加工有均匀细密的网纹，以增加封口的牢固度,使热封缝美观而且质量保证。另外，由于纵封滚轮在工作中长时间处于加热状态，并作连续相对滚压运转，因此需要有较好的综合力学性能。在实际生产中可采用合金结构钢加工，如40Cr等钢材制造。3.7.2 横封装置设计横封装置用于复合薄膜包装袋的横向热融封合，在热封的同时起到分切包装袋的作用。当然,有些包装机设有独立的分切装置，但采用横封同时分切的方式是连续式自动制袋装填包装机的共同趋势。因为横封切断合二为一不但简化了传动机构，而且对有色标薄膜带的分切更准确，封切质量更高，生产效率更高。图3.6 横封装置1，2横封辊 3滑动轴承座 4横封辊 5齿轮 6键7二联体齿轮 8轴承 9螺栓 10调压支杆 11电热管12隔热套筒 13触电凸台 14绝缘套筒 15导线如图3.6所示，横封装置的结构，图中的一对横封辊1和2都具有两个封合面，对称布置，相对旋转一周则可封切两次,完成两袋包装。横封辊1的两端装有滑套轴承17，通过轴瓦套16固定在支撑座19和安装板15上。横封辊2两端的滑套轴承装配在滑动轴承座3上，左右两个滑动轴承座可以在支撑座19和安装板15的滑槽内移动。受弹簧力的作用，横封辊2相横封辊1压合，两辊的左右圆环部分的圆周面保持紧密接触。两辊压合力可以调节，当旋紧调节套筒5时，弹簧8压缩，使压力增大,放松调节套筒则压力减小。圆螺母4用来锁紧调节套筒。动力有双联链轮10输入，经中间双联齿轮13带动横封双联齿轮12，然后由相互啮合的齿轮驱动两个横封辊作相对回转，实现封切。横封辊的发热源来自电热管20。电热管从横封辊的轴端穿入，其穿入长度应比横封辊的封切面稍长，以确保封切面受热均匀。由于在运行过程中电热管随横封辊一起旋转，因此需要在横封辊轴端装配电刷环18，通过电刷导入电源。横封辊的温度，通过测温头测定，再由温控表调节，测温头可装配在滑动轴承座3或轴瓦套16上。横封辊的结构有两种形式，分别是整体加工式和装配式。整体加工式的横封辊是将回转轴和热封板加工成一体，如下图所示，切刀3和刀板2分别装嵌在两辊的槽隙内，由螺钉固定。图3.7 整体加工式横封辊结构1，4辊体 2刀板 3切刀 5电热管横封辊的缝合面同样加工有花纹，样式与纵封辊一致。至于完成分切动作的刀具，加工及材料有一定要求。一般情况下，带刃口的刀具可用T8A材料加工，刀口热处理HRC5560；而平面刀板可用45号钢加工，不处理。整体加工式的横封辊，一般结构尺寸较小，适合小袋的包装机。而装配式的横封辊主要应用于较大包装的机器。3.8 封合调整对于连续式自动制袋装填包装机，纵封滚轮以一定值的速度运转，使纵封连续地进行。因此，包装薄膜通过纵封牵引后被连续送进横封装置。由以上分析可知，横封辊在回转一周的过程中，并非如纵封一样每时每刻保持压合热封状态，它只有在封合面对接的时候才能进行热封分切。在横封辊对接的瞬间，运行的包装薄膜被压合，此时，必须保证横封辊封合面的线速度与薄膜送进速度一致，即横封线速度应等于纵封牵引速度，只有如此，才能保证封切质量。否则，当时，会导致薄膜拉伸撕裂；而当时，会导致薄膜出现皱折。假设纵封牵引速度保证在一个封切周期内送进一个袋长，而横封辊以匀速旋转，并且一周封切两次，于是有 (3-10)式中为横封滚轮最大回转半径。由此可见，要生产不同规格的袋长，横封辊必须要有不同的半径与之对应，这样的设计是非常不合算也不合理的。为此，在设计中，应使横封辊不变，采用一个不等速机构，使横封辊在周期内作不等速回转，以适应不同袋长的生产，从而使机器的通用性更好。借助不等速机构，在热封切瞬时，使横封辊对滚的线速度与薄膜送进速度达到一致。在完成封切后又迅速退离，让包装物料顺利通过，以免干涉。因此，可保证封切质量合包装工作的顺利进行。要实现横封不等速回转运动，所采用的机构有多种，如偏心链轮机构、转动导杆机构、双曲柄机构、变速链轮机构、椭圆齿轮机构等。在实际生产制造中，根据运动特征，考虑其结构特点及制造工艺等，主要采用偏心链轮机构、转动导杆机构和双曲柄机构三种形式。这些不等速机构的运动特性均符合横封工作要求，调整方便，能适应不同的包装工作速度和不同袋长，而且结构简单紧凑，制造方便。偏心链轮不等速机构当主动轴等速回转时，将带动偏心链轮等角速回转。由于偏心的作用，使得通过链条带动的从动链轮1的转速发生周期性的变化。当偏心距增加或减小时，将可改变周期中转速快慢之间的差值。从动链轮1通过齿轮传动带动横封辊旋转，由于其转速周期性变化，因此，可以设计成：当横封辊在热封切时获得与送膜相等的速度，在热封切后则快速分离6。机构中设置有张紧轮，通过弹簧保持链条的张紧。图3.8 偏心链轮传动示意图图3.8是偏心链轮不等速机构的传动示意图。令主动链轮和从动链轮的节圆半径为，两轮回转的中心距为，主动链轮的偏心距为，为主动链轮的转角。主动链轮以等角速匀速旋转，则从动力链轮的角速度可通过下式计算： (3-11)对上式求极值可 w2max=w1 即 imax=1+ w2min=w1 即 imin= 因此变速范围为 （3-12） 图3.9偏心轮机构的输出速度特性曲线上图3.9表明，变速范围决定于偏心距和链轮节圆半径，而与中心距无关。当一定时，调整即可获得不同的变速范围。若不断调整值，可得到图示的曲线簇。由图可见，调整偏心距，当其值由大到小变化时，所反应的特性曲线越来越平坦，直到变成匀角速为止。随着值的变小，速度极限角和分别向和趋近，直到时，而。只要横封辊在角度位置处进行封切动作，则可满足包装工艺要求。由于值的改变，使得在封切位置处的发生变化，而的变化正好适应不同袋长的变化。具体推导如下：薄膜运动的线速为 (313) 式中为薄膜运行线速（mm/s），为薄膜袋的袋长（mm），为包装机生产率（袋/min）。而横封辊封切的瞬时角速为 （314）式中为横封辊最大回转半径（mm），为由从动链轮到横封辊的传动比（定值）。以带两个封合面的横封辊为例，当从动链轮转一周时，横封辊应转半周，即封切一次，此时。因此由上式可得 （315）把（3-13）式代入（3-15）式得 （316）上式所示正是同一生产率下不同袋长所要求的输出角速度。 可见在封切位置处，值由最大值变到最小值时，亦由最大值变到最小值。而随着的变化，由式（316）可见，袋长同样由最大值变到最小值。因此，袋长可以通过改变值的大小来适应。若将值用袋长量标刻在偏心链轮半径上，就能直观地进行调整。为了合理实际机械机构，在偏心链轮上采取偏心值的调整方法。这样当时，不等速机构的输出角速度刚好能满足不同袋长规格中薄膜袋的中间长度的调整要求。偏心链轮随着转角的变化，其输出的角速度在发生有规律的变化。如果在调整偏心距时，主从两链轮处于任意啮合位置，显然不能满足工艺要求。正确的方法应在横封辊处于封切位置，即偏心链轮处于极限角处时进行调整。在装配和调整不等速机构时，可遵循以下方法：1）首先把偏心链轮调节在处，即链轮中心和主轴中心重合。转动偏心链轮使其偏心线（即调节螺杆轴线）垂直于两链轮轴的中心连线，同时使最小袋长值的一边靠近链条主动边。2）确保横封辊正处于热合状态，即封切刀相互接合状态。3）配上链条，完成安装。4）按要求调节偏心值到需要的袋长值，如此即可启动机器工作。偏心链轮不等速机构的有点在于结构简单，精度要求较低，使用调整方便。但其调速范围因为取决于链轮偏心值，因此受到结构的限制。而且值大侧链条张紧轮摆动范围大，其张力波动大，对运动不利。另外，此结构步适于告诉运动合可逆传动，速度越高，链条跳动越历害。3.9 引导装置引导装置主要是一系列导辊组，通过导辊的作用，使包装材料带平展输送，并起到自由转向，校正纠偏的作用。导辊的机构很简单，主要由心轴、辊筒和轴承组成（如图3-9所示）。图3.9 导辊结构1螺母 2弹簧挡圈 3轴承 4心轴 5辊筒心轴固定安装在支座上，使辊筒在轴上能灵活转动。辊筒一般用不锈钢管表面抛光制作，也可用工程塑料管等材料制造。无论用何种材料，辊筒外表面应保持光洁圆滑，以便使薄膜带输送平滑稳定。一台包装机一般有若干支导辊，安装时须确保平行，并且按薄膜带的走向设定安装位置。导辊的数量与薄膜带输送速度有关，对于牵引速度高的包装机，薄膜带高速输送，则需要较多数量的导辊以提高薄膜带输送的稳定性。反之，牵引速度较低的包装机，配置较少的导辊即可满足要求。3.10 本章小结（1） 在总体设计中，首先运用黑箱图，功能分解图以及形态学矩阵，将所需产品进行彻底分析，得到合适的原理方案设计。（2） 由于创新设计所以在成型器方面做出改进，那么原来的三封口包装机改为四封口的，同时要求增加一对纵封滚，这样的改进在整体上对整个包装机确实有一点改动，但是对于整体的结构方案并没有太大的影响。第4章 制袋及导向部件的设计4.1 成型器的设计在制袋过程中，制袋成型器在卷筒薄膜由舒展平坦输送到卷折成各种袋型的过程中起到一个十分关键的作用，它对包装的形式、尺寸以及包装质量有直接的影响。因此成型器的选择和设计计算是非常重要的。设计和制造成型器的关键为：（1）尽量减少薄膜通过成型器所受的阻力，使薄膜不产生纵向或横向的拉伸变形以及皱折等。（2）确保薄膜自然贴合、无拉伸、无腾空地通过成型器，自然卷合，正确成型。结构简单可靠，制造方便，调试容易。常用的成型器主要有以下几种：4.1.1 翻领成型器如图式，薄膜由最后一根导辊引入，经翻领曲面滑入加料管5和成型筒6的间隙间。在这一过程中，薄膜自然卷合成圆筒状。由此可见，其设计关键在于正确设计翻领曲面与成型筒曲面的拼接曲线，要求自然圆滑地过渡。图4.1 翻领成型器工作原理如图示，用一张边长等于成型器筒周长的方形纸，紧贴包卷在圆筒外表面，将上端打开并且无折皱地翻展，即可形成翻领成型器的工作曲面。工作曲面与圆筒曲面的交接线就是需要设计所求的拼接曲线。图中(b)为展开的平面曲线图，其中r为圆筒半径。由于翻领成型器计算繁琐，设计时，采用了象鼻成型器4.1.2 象鼻成型器的设计对于象鼻成型器，其安装角可取。圆弧槽半径推荐值为。根据参数，和可求出值、值和值，如下图所示：图4.2象鼻成型器参数及其截面示意图象鼻成型器的两边都带有护边目的是防止成型器曲面过长而导致薄膜贴合不良而跑偏，影响翻折制袋。折边的宽度可取mm。下图中，在处，三角板离上顶面距离为。实际生产中，往往将段截断，在处设置导辊将薄膜直接引入处6。图4.3 象鼻成型器结构及展开图象鼻成型器的制造一般采用不锈钢薄板，要求外表面光滑平整。其三角部分合圆弧槽部分可用整块板料卷曲而成，因为它们的展开宽度是相等的。下图中所示是象鼻成型器结构及展开图，沿虚线卷折即可制得成型器，图中参数可通过计算加以选择。在下表中，列出了多种象鼻成型器的设计参数，这是实际应用中所设计的成型器，可供参考选择。表4-1 象鼻成型器参数 (mm)b e f g h i j k m (n) 50 133 101 68 76 33 49 68 89 28.3 55 143 111 78 86 38 54 78 99 32.6 60 153 121 88 96 43 59 88 109 36.9 65 163 131 98 106 48 64 98 119 41.2 70 173 141 108 116 53 69 108 129 45.5 75 183 151 118 126 58 74 118 139 49.8 80 193 161 128 136 63 79 128 149 54.1 在设计象鼻成型器时应注意，除了折边部分外，其宽度应与薄膜宽度大致相等。理想状态是：制造完工的成型器，其表面宽度比薄膜大mm。这样可确保薄膜自然贴合成型器而不起皱。4.1.3 新型成型器的设计 对于以上两种成型器的研究可以发现二者虽然使用方便，成型效果好且广泛使用，但是它们都有一个共同的缺点或者说不足，那就是设计和加工此类的成型器复杂，加工工艺复杂，成本较高，为此，我在象鼻成型器的基础上进行了创新设计 改进成了一种新型的成型器，命名为长方形成型器，该成型器的优点在于结构简单，制造加工工艺简单，节约成本且最后的包装袋对称美观。成型器螺栓调节孔成型器安装孔图4.4 长方形成型器 为满足颗粒包装机的功能需求，该成型器采用不锈钢材料。下面是成型器其他安装调节部件的设计：（1）成型器的安装杆水平调节孔肋板与成型器安装孔配合的杆 图4.5 上端安装杆 图4.6 下端安装杆注： 上，下两端的安装杆采用不锈钢材料，不允许生锈，才可以满足生产要求。螺栓孔纵向调整孔 图4.7 纵向安装及调整架该纵向调整杆也是采用不锈钢材料，足够的刚度和强度，保证成型器的安装和调节功能。纵向安装杆调节螺栓下端安装杆上端安装杆成型器 图4.8 整体装配图采用对称的成型器设计及调整，能够完成空间三维（xyz）方向的调节4.2 成型器及其部件的尺寸计算 4.2.1 成型器的尺寸计算 图4.9 成型器主视图 图4.10 左视图图4.11 俯视图4.2.2 其他部件的尺寸计算图4.12 上端安装杆主视图图4.13 上端安装杆俯视图 图4.13 纵向安装调整架4.2.2 成型器材料的选择该成型器采用厚度为0.5mm的304不锈钢材料，也就是06Cr19Ni10304不锈钢是一种很常见的不锈钢，业内也叫做18/8不锈钢。它的抗腐蚀性能要优于 430不锈铁，耐腐蚀耐高温，加工性能好，因此广泛使用于工业和家具装饰行业和食品医疗行业，例如：一些高档的不锈钢餐具，浴室厨房用具。 4.2.3 成型器的加工工艺毛胚 切割 冲压、折弯 抛光 冲安装调节孔 加工M6螺纹孔 焊接压纸板成型器的表面粗糙度达到Ra1.6,以保证足够的光滑，才能使包装纸顺利成型及导向，去毛刺是为了避免刮破包装纸。公差计算：成型器的安装孔直径为15mm，采用基孔制，公差带代号为H7,查表得上偏差es=+0.018，下偏差为ei=0。4.2.4 其他部件的加工工艺（1） 上端安装杆的加工工艺毛胚 焊接 冲孔 去毛刺 上端安装杆与下端安装杆的工艺相同，材料是304不锈钢（2） 纵向安装架的加工工艺毛胚 切割 冲孔 加工M6螺纹孔 去毛刺纵向安装架采用304不锈钢，厚度是6mm。公差计算：上端及下端安装杆的圆柱杆部分是直径为15mm，尺寸公差带代号为g6,采用基孔制。查表得公差Ts=0.018mm上偏差es=-0.006mm，计算得下偏差ei=es-Ts=-0.024mm。孔与轴的配合：由以上计算得知，是间隙配合，轴的公差带位于孔的公差带下方，这样的设计主要是为了满足成型器的调整和安装，间隙配合便于成型器左右滑动，之后由调整螺栓将其固定。采用基孔制，是为了节约成本。4.3 本章小结(1) 此次创新设计在于对成型器的创新设计，比较了翻领成型器和象鼻成型器的特点之后，在象鼻成型器的基础上改进了一些，制作出来了新型的成型器，长方形成型器，该成型器的最大特点就是，结构简单，便于加工制造，翻领成型器，造型复杂，加工工艺复杂，象鼻成型器亦是如此，所以以此为出发点改进了成型器。(2) 这样的改进，在理论上确实简单了许多，虽然是一对的对称的成型器，但是成本不会因此增加，并且包装袋是对称的，有美观作用。总结与体会通过本次课程设计我们了解了全自动颗粒包装机的基本结构、功能原理、各部件的布局、传动方案、刚度和强度的设计、主要零件的材料热处理要求、形位公差、表面粗糙度、以及焊接方法。通过三维实体建模和装配，使我们熟练掌握了UG,SOLIDWORKS等三维软件的应用以及在它基础上创新设计。在本次学习中，老师着重强调了，一个好的建模者和一个设计者的区别，设计者把三维软件当作工具，在建模的过程中是以体现加工过程目的；老师说这是作为一个设计者应该具有的素质；这次学习让我重新了解了三维软件的使用意义，更正要的是学习了一些老师的素质，严格守时，认真负责的态度是最基本的要求，本次课程学习也让我们真正了解到产品开发设计确实足够复杂且多变的，必须具有这足够的经验和知识才能很好的创新设计。本次产品开发课程设计是我运用自己所学知识第一次完成一个创新设计的，这样的经历确实具有重大意义，除了自己的不懈努力还有指导教师和师兄们的帮助，老师说能够有一个创新的想法就是好的，在此基础上，我改进了一些最初的想法，终于创新了这样一个新的成型器，虽然不知道是否能够实现最初的预想效果，但是这样的创新设计能够丰富我的经验，起码知道了设计的步骤和方法，这一次课程设计让我学到了很多知识和经验，再次感谢指导老师和各位师兄。参考文献1 机械设计手册.冶金工业出版社,11466.2 王德玺主编.机械设计.煤炭工业出版社,55213.3 机械零件手册.机械工业出版社,14362.4 北京化工学院,天津轻工业学院编.塑料成型机械.北京：轻工业出版社，1985.5 孙桓,陈作模主编.机械原理.高等教育出版社，1996.6 张 聪.自动化食品包装机.广东科技出版社，2003. 156240.7Central Design Office, Gosstroi, UkrSSR .Tautomatic packing machine TsKB-200.ranslated from Steklo i Keramika. 25-28, June, 1964.8 K.Lange.Handbook of Metal Forming.1979.9 Keyes，K.A.:Pressworking:Stampings and 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