螺旋自動灌裝機結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

王京華，樊曉帥，李佳星，解思瑤

（長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130022）

目前，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平也日益提高，對機械化設(shè)備的需求日益凸顯。而旋轉(zhuǎn)型灌裝機作為小型家用灌裝設(shè)備，可廣泛應(yīng)用于牛奶、果汁、飲料的灌裝。同時經(jīng)濟和機械化操作的深入發(fā)展，飲料、啤酒等行業(yè)的發(fā)展壯大，對灌裝系統(tǒng)的需求逐漸增長，讓人類社會快速的步入到自動化時代，灌裝行業(yè)受益匪淺[1]。但目前市面上現(xiàn)有的灌裝機大多存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、只能針對某種液體灌裝、兼容性差、成本高、普及率低等問題。因要保證灌裝時運行平穩(wěn)，不至于使液體灑落出來，則容器瓶需要相對固定，現(xiàn)有的灌裝機多數(shù)無法較好地實現(xiàn)容器瓶固定，只能降低工作臺轉(zhuǎn)速來保證容器瓶的平穩(wěn)，且需人工進行容器瓶位置的調(diào)整，故自動化程度低，灌裝效率低?，F(xiàn)在已有學(xué)者、專家針對上述問題提出了解決方案，較好地實現(xiàn)了原設(shè)計方案的部分功能，但還存在部分難以解決的問題，上海交通大學(xué)徐仁和設(shè)計的碳粉灌裝機[2]，工作穩(wěn)定、故障率低，但罐裝的效率較低。杭州鋼鐵股份有限公司楊鳴設(shè)計的全自動聯(lián)合灌裝機[3]，可實現(xiàn)高功率快速運轉(zhuǎn)，但故障率較高。南京理工大學(xué)殷水忠設(shè)計的果粒飲料盒中袋灌裝機[4]，可實現(xiàn)精準(zhǔn)灌裝，但自動化程度較低。Ludwig Clisserath發(fā)明了一種液體加壓灌裝的容器，在填充階段使用回流氣體管進入到各自的容器中，以控制灌裝高度[5]。灌裝機的輸出與傳送系統(tǒng)一般采用皮帶輪系統(tǒng)，確保加工完成的產(chǎn)品平穩(wěn)，高效，無損傷地輸出[6]。

本文設(shè)計了一種新型的全自動旋轉(zhuǎn)型灌裝機，這種灌裝機由容器瓶輸入系統(tǒng)、定位夾緊系統(tǒng)、灌裝系統(tǒng)、封口壓蓋系統(tǒng)以及產(chǎn)品輸出與傳送系統(tǒng)構(gòu)成。設(shè)計的這種新型的灌裝機，灌裝精準(zhǔn)，工作穩(wěn)定，故障率低，自動化程度高，可極大提高工作效率。

1 旋轉(zhuǎn)型灌裝機的總體設(shè)計方案

1.1 設(shè)計原理

旋轉(zhuǎn)型灌裝機結(jié)構(gòu)較多，功能較為強大，若對旋轉(zhuǎn)型灌裝機進行功能分解，實現(xiàn)每一部分的功能，再進行機構(gòu)的組合，有利于總體功能的實現(xiàn)[7]?？梢园压嘌b機的功能分為6個部分：容器輸入與傳送功能、容器定位功能、容器夾緊功能、灌裝功能、封口壓蓋功能、產(chǎn)品輸出與傳送功能，如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)型灌裝機功能分解圖

旋轉(zhuǎn)型灌裝機可以實現(xiàn)在轉(zhuǎn)動的工作臺上對容器瓶連續(xù)灌裝，轉(zhuǎn)臺有多個工位，可以實現(xiàn)灌裝，封口等工序。為保證在這些工位上能準(zhǔn)確地灌裝、封口，灌裝機需設(shè)有定位裝置。根據(jù)功能分解圖，設(shè)計出灌裝機原理圖（如圖2所示），工位1用來輸入空瓶；工位2實現(xiàn)灌裝；工位3完成封口；工位4最后輸出灌裝好的容器?？盏娜萜髌拷?jīng)傳送帶傳送進入表面摩擦較小的固定工作臺，然后依靠慣性進入轉(zhuǎn)臺工位1凹槽，之后轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)，帶動容器瓶進入工位2后停止轉(zhuǎn)動，進行灌裝，之后轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，帶動灌裝好的容器瓶進入工位3后停止轉(zhuǎn)動，進行封口壓蓋，之后轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，帶動加工完成的容器進入工位4，然后通過傳送帶自動輸出并擺放好加工完成的容器瓶。這種灌裝機結(jié)構(gòu)簡單，采用回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)連續(xù)灌裝。

圖2 旋轉(zhuǎn)型灌裝機原理圖

本系統(tǒng)采用傳送帶進行容器的連續(xù)傳送，容器瓶在傳送帶上等間隔均勻分布，進入工位后依次在每個工位完成既定工序的加工，所有工序完成后，容器由傳送帶輸出到指定位置。此種設(shè)計工序聯(lián)系緊密，工序間隔合理，排布均勻，可有效解決容器瓶在工作臺堆積的問題。本系統(tǒng)采用電動機驅(qū)動，通過機構(gòu)的選用，可以實現(xiàn)運動的傳遞、轉(zhuǎn)換，來實現(xiàn)自動化。

1.2 機構(gòu)的選用

為確保良好地實現(xiàn)灌裝機各部分的功能，則需要選用合理的機構(gòu)進行運動的傳遞和轉(zhuǎn)換，對灌裝機的各個分系統(tǒng)進行如下機構(gòu)設(shè)計：

（1）灌裝機的轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)采用槽輪機構(gòu)，可以準(zhǔn)確地實現(xiàn)間歇回轉(zhuǎn)運動，保證機構(gòu)間的協(xié)調(diào)配合關(guān)系，可確保容器瓶穩(wěn)定的進入下一個工位，不易傾倒，故障率低。

（2）灌裝機的封口壓蓋系統(tǒng)采用連桿機構(gòu)，由于連桿機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、傳動載荷較大、傳動距離較遠和可實現(xiàn)急回運動等特點，可以使灌裝機整體結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，不易出現(xiàn)故障。

（3）灌裝機的夾緊定位采用凸輪機構(gòu)，凸輪機構(gòu)可使從動件得到任意的預(yù)期運動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便，可以確保定位精準(zhǔn)，且機構(gòu)間協(xié)調(diào)能力強，夾緊凸輪可以和轉(zhuǎn)盤凹槽結(jié)合，使容器瓶夾緊，回轉(zhuǎn)運動時不會發(fā)生傾倒和脫離工作臺等故障。凸輪機構(gòu)雖然為高副接觸，但是因為容器瓶容積小、質(zhì)量輕，故所需的夾緊力較小，并且灌裝機的轉(zhuǎn)速較低，因此，長期連續(xù)工作時產(chǎn)生的熱量較小，則結(jié)構(gòu)不易磨損，可長時間連續(xù)平穩(wěn)工作。

（4）灌裝機的灌裝系統(tǒng)采用凸輪機構(gòu)，可保證灌裝平穩(wěn)，液體不易傾灑出容器瓶，且可以定量地實現(xiàn)灌裝，不會出現(xiàn)未裝滿或溢出等問題。

1.3 機械運動簡圖及工作原理

根據(jù)圖1的灌裝原理圖、圖2的功能分解圖及表1選用的機構(gòu)，可畫出旋轉(zhuǎn)型灌裝機的機械運動簡圖[8]（見圖3），由旋轉(zhuǎn)型灌裝機的機械運動簡圖可看出結(jié)構(gòu)及工作原理，工作原理如下所述：

（1）電機1通過皮帶輪2傳到皮帶輪3，3通過軸傳到齒輪4，4傳給齒輪5，5通過軸傳到齒輪6，6傳到齒輪7，從而形成三級傳動。

（2）7通過軸傳到錐齒輪31，31傳給錐齒輪32，32傳給同軸帶輪33，33傳給帶輪29，29和帶輪30構(gòu)成輸入機構(gòu)，一起輸送容器。

（3）7通過軸傳給錐齒輪13，13傳給錐齒輪14，14通過軸傳給夾緊凸輪35，35和工作臺凹槽一起完成定位，夾緊動作。

（4）帶輪29傳給同軸帶輪28，28傳給帶輪25，25傳給同軸凸輪26，26推動活塞推桿27，27完成灌裝動作。

（5）錐齒輪14通過軸傳給齒輪15，15傳給齒輪16，16傳給同軸的主動撥盤17，17傳給從動槽輪18，18帶動工作臺19回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)間歇運動，把容器傳送到下一個工位。

圖3 旋轉(zhuǎn)型灌裝機的機械運動簡圖

（6）齒輪16傳給同軸錐齒輪40，40傳給錐齒輪39，39傳給同軸錐齒輪38，38傳給錐齒輪37，37傳給同軸夾緊凸輪36，36和工作臺凹槽一起完成定位夾緊動作。

（7）帶輪25傳給同軸齒輪24，24傳給齒輪23，23傳給齒輪22，22傳給連桿21，21推動瓶塞20做往復(fù)運動，完成封口動作。

（8）齒輪7傳給同軸齒輪8，8傳給錐齒輪9，9傳給同軸帶輪10，10傳給帶輪11，11和帶輪12一起完成灌裝后容器的輸出動作。

1.4 傳動比的分配

旋轉(zhuǎn)型灌裝機完成以上運動所需要的機構(gòu)如下：轉(zhuǎn)盤間歇運動機構(gòu)為槽輪機構(gòu)，封口用曲柄滑塊機構(gòu)，灌裝用凸輪機構(gòu)，定位夾緊用凸輪機構(gòu)[9]，容器瓶的輸入、輸出用皮帶輪機構(gòu)[10]，傳送帶采用同步帶傳動，帶的工作面做成齒形，帶輪的輪轂表面也做成相應(yīng)的齒形。這種帶傳動受載后變形極小，齒形帶的周節(jié)基本不變，傳動比恒定、準(zhǔn)確。齒形帶薄而輕，可用于速度較高的場合，傳動時線速度可達40米/秒，傳動比可達10，傳動效率可達98%。

為了使灌裝機的效率更高，灌裝機采用電動機驅(qū)動來實現(xiàn)自動化，若設(shè)定轉(zhuǎn)臺直徑為600mm，采用三相異步電動機（如型號Y112M-4），電動機的轉(zhuǎn)速要求為1440rpm，額定功率為4kW，經(jīng)減速后可實現(xiàn)灌裝速度10瓶/分。

因為電動機的轉(zhuǎn)速較高，需設(shè)計傳動系統(tǒng)進行減速，傳動系統(tǒng)采用三級減速機構(gòu)，第一級為帶傳動，第二、三級為齒輪傳動。為使傳動構(gòu)件取得較小尺寸，結(jié)構(gòu)緊湊，采用傳動比“先小后大”原則。先進行總傳動比的計算，然后對各級傳動比進行分配。對總傳動比進行計算：

其中，i總為傳動減速系統(tǒng)總的傳動比；i1為第一級減速所采用的傳動比；i2為第二級傳動所采用的傳動比；i3為第三級減速所采用的傳動比；n0為電機1的轉(zhuǎn)速；n1為帶輪3的轉(zhuǎn)速；n2為齒輪5的轉(zhuǎn)速；n3為齒輪7的轉(zhuǎn)速。

對各級傳動比進行分配：取i1=4，i2=i3=6，則i總=144。經(jīng)三級減速，與齒輪7相連的軸轉(zhuǎn)速降為10rpm，錐齒輪嚙合傳動比為1，則轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為10rpm，從而實現(xiàn)灌裝速度為10rpm。其余齒輪，錐齒輪嚙合傳動比皆為1。

1.5 齒輪參數(shù)設(shè)計

齒輪機構(gòu)在旋轉(zhuǎn)型灌裝機的運動傳遞過程中起重要作用，為保證整個運動的平穩(wěn)傳遞，進行詳細齒輪參數(shù)設(shè)計[11]。齒輪4、6的參數(shù)保持一致；齒輪5、7的參數(shù)保持一致；輪15、16的參數(shù)保持一致；錐齒輪8、9、13、14、31、32、37、38、39、40的參數(shù)保持一致（如表1、表2所示），傳送軸的設(shè)計可根據(jù)傳動軸所受外力確定傳送軸的最小直徑，再根據(jù)實際情況確定傳動軸的直徑，本系統(tǒng)為原理設(shè)計，具體參數(shù)可根據(jù)實際情況查閱《機械設(shè)計手冊》進行確定。

表1 各直齒輪參數(shù)

表2 各錐齒輪參數(shù)

1.6 旋轉(zhuǎn)型灌裝機運動循環(huán)圖

機械結(jié)構(gòu)的各執(zhí)行構(gòu)件之間在動作上必須協(xié)調(diào)配合[12]。如果協(xié)調(diào)配合關(guān)系遭到破壞，機械結(jié)構(gòu)不僅不能完成預(yù)期的工作任務(wù)，甚至還會損壞機械設(shè)備[13]。為了保證機械結(jié)構(gòu)在工作時各執(zhí)行構(gòu)件間動作的協(xié)調(diào)配合關(guān)系，編制了一個用以表明在機械的一個工作循環(huán)中各執(zhí)行構(gòu)件的運動配合關(guān)系的運動循環(huán)圖（如圖4所示）[14]。運動循環(huán)圖的工作過程是當(dāng)灌裝機工作時，輸入傳送帶和輸出傳動帶一直在不停歇的轉(zhuǎn)動，傳送容器。在工作臺不轉(zhuǎn)動的時候，各工位進行加工，完成既定的工序。工作臺不轉(zhuǎn)動時，工位2上的容器瓶被夾緊，完成灌裝動作。工位3上的容器瓶被夾緊，完成封口動作。在罐裝、封口工序完成，機構(gòu)回程時，夾緊凸輪轉(zhuǎn)動，不夾緊容器瓶。這時工作臺回轉(zhuǎn)，將完成加工的容器瓶送到下一個工位去進行加工。

圖4 旋轉(zhuǎn)型灌裝機的運動循環(huán)圖

2 旋轉(zhuǎn)型灌裝機建模及仿真分析

2.1 應(yīng)用軟件對旋轉(zhuǎn)型灌裝機整體進行建模

應(yīng)用solidworks軟件對基于本文所述原理的旋轉(zhuǎn)型灌裝機進行實體建模（如圖5所示），可以清晰明了的看出外觀、運動原理及各機構(gòu)之間的裝配關(guān)系，為加工制造零件，調(diào)試產(chǎn)品提供依據(jù)[15]。

圖5 旋轉(zhuǎn)型灌裝機內(nèi)部機構(gòu)原理圖

2.2 旋轉(zhuǎn)型灌裝機的灌裝機構(gòu)運動仿真

灌裝機構(gòu)采用凸輪機構(gòu)，可以較為精確的完成飲料灌裝任務(wù)[16]。因為灌裝要求精度高，且在整個旋轉(zhuǎn)型灌裝機中較為重要，則需要進行灌裝凸輪的外型輪廓設(shè)計及運動分析。

用軟件對灌裝凸輪的運動規(guī)律進行模擬來進行定性的分析。仿真中對旋轉(zhuǎn)型灌裝機的基本工作參數(shù)進行如下設(shè)定：（1）容器高度h=200mm；（2）活塞運動范圍s=40mm；（3）推桿和活塞總長l=105mm，再選定凸輪的基本參數(shù)：①基圓半徑r0=45mm；②滾子半徑rt=0mm；③行程s=40mm；④推程角δ0=120°；⑤回程角δ=120°；⑥近休止角δ01=60°；⑦遠休止角δ02=60°；⑧升程最大壓力角αmax01=31.454°；⑨回程最大壓力角αmax02=31.454°；⑩凸輪運動推程和回程選用無柔性沖擊和剛性沖擊的擺線運動規(guī)律，在遠休止和近休止時采用靜止運動規(guī)律[17]。

由運動循環(huán)圖和圖6的位移線圖可以看出來，在軸回轉(zhuǎn)0°～120°時，容器瓶處于靜止?fàn)顟B(tài)，而凸輪處于推程狀態(tài)，可以完成液體的灌裝；在軸回轉(zhuǎn)120°～140°時，轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)，已完成灌裝的容器瓶進入到下一個工位，在此期間活塞處于液體儲存杯的最下方，并保持靜止，擋住灌裝通道，不會使液體流出。在軸回轉(zhuǎn)240o～360o時，轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)，下一個空的容器瓶進入灌裝工位，凸輪處于回程狀態(tài)，完成液體灌裝，一個周期工作完成。由速度線圖及加速度線圖可以看出來，速度及加速度連續(xù)變化，無柔性沖擊及剛性沖擊，運動平穩(wěn)，完全符合設(shè)計要求。

2.3 封口壓蓋機構(gòu)運動仿真

封口壓蓋采用曲柄滑塊機構(gòu)，曲柄滑塊機構(gòu)具有急回特性，可以確?？焖贉?zhǔn)確地完成封口操作。封口壓蓋機構(gòu)在旋轉(zhuǎn)型灌裝機中有重要地位[18，19]，所以進行詳細設(shè)計和運動分析。對齒輪與曲柄安裝高度及轉(zhuǎn)速初始參數(shù)進行設(shè)定：

（1）齒輪與曲柄的安裝高度為400mm。

（2）齒輪與曲柄轉(zhuǎn)速為10rpm。

依據(jù)設(shè)定的初始參數(shù)，則可得到：曲柄長度l1=30mm；連桿長度l2=150mm；封口壓蓋滑塊的行程s=60mm。

曲柄滑塊的輪廓尺寸及定性的運動仿真如圖7所示，曲柄滑塊的位移為正弦運動規(guī)律，在完成液體灌裝的容器瓶到達封口工位時可以快速完成封口動作，當(dāng)容器瓶進入下一個工位時則滑塊回到原始位置，完成一個周期的運動。由速度線圖和加速度線圖可知速度和加速度都是正弦運動規(guī)律，可以看出速度與加速度的偏差小，準(zhǔn)確，沖擊小，可以確保工件磨損小，較好地完成封口動作，符合設(shè)計要求。

圖7 曲柄滑塊機構(gòu)的運動曲線

3 結(jié)論

本課題通過分析灌裝機的工作原理，結(jié)構(gòu)特性，市面已有灌裝機的的不足，設(shè)計了一種新型全自動旋轉(zhuǎn)型灌裝機結(jié)構(gòu)及運動方案，并分析了其工作原理、功能。主要完成以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）在分析工藝動作的基礎(chǔ)上，針對各工藝動作所涉及到的運動機構(gòu)進行了合理設(shè)計，如容器輸送的方式、定位與夾緊、轉(zhuǎn)臺的間歇轉(zhuǎn)位及定量灌裝等。

（2）在執(zhí)行機構(gòu)的選型及運動方案的確定上，重點研究了轉(zhuǎn)臺間歇機構(gòu)與定量灌裝機構(gòu)，通過比較各自的優(yōu)缺點來合理正確地選型，確保采用合理的機構(gòu)，使整體工作效率更高。

（3）對灌裝機整體進行建模及運動學(xué)仿真，使各機構(gòu)的運動相互協(xié)調(diào)，運行平穩(wěn)，為后續(xù)加工制造及推廣應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。

本文所設(shè)計的灌裝機與市面已有灌裝機相比具有定位精準(zhǔn)，灌裝穩(wěn)定，機構(gòu)簡單，制造成本低，自動化程度高，運行效率高的優(yōu)點，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。