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1、 瓶装纯净水多功能灌装机设计专 业 作者姓名 指导教师 定稿日期：2023年03月05日新疆工业高等专科学校机械工程系毕业设计任务书学 生 姓 名专业班级机电一体化设计(论文)题目瓶装纯净水灌装机多功能设计接受 任务 日期2012年3月9日完成任务日期2012年4月9日指 导 教 师金指导教师单位新工专机械工程系设计(论文)内容目标设计(论文)要求论文指导记录参考资料新疆工业高等专科学校机械工程系毕业设计成绩表学 生 姓 名专业班级机电一体化09-11(1）设计题目瓶装纯净水灌装机多功能设计指导教师指导教师单位新工专机械工程系指导教师评语评阅成绩： 评阅教师签字： 2012年4月日答辩记录成绩
2、： 提问教师签字： 2012年4月日答辩小组意见答辩成绩： 答辩小组组长签字： 2012年4月日摘 要多功能瓶装纯净水灌装机集洗瓶、灌装、封瓶为一体，适用于各种果汁、茶饮纯净水、矿泉水的灌装。产量5000-24000瓶/小时，可供用户选择。采用先进的微负压重力式灌装原理，灌装快速、稳定、准确，设有完善的物料回流系统，也可实现回流时独立回气，不与物料接触，减少物料二次污染及氧化。本机能满足95摄氏度以下热灌装技术要求，灌装阀及物料进出管路无卫生死角，同时配有清洗接口，封盖前设有对瓶口冲洗装置，以确保瓶口无发霉想象。采用扭矩式拧盖头，实现抓盖、拧盖功能。拧盖力矩无级可调，具有恒力矩旋封塑盖功能。整
3、机采用人机界面触摸屏控制、PLC电脑程序控制、变频器控制等先进技术。具有供盖系统自动控制、灌装温度自动检测、物料高温报警、低温停机并自动回流、无瓶不加盖、缺瓶等待、缺盖停机等功能。以及多功能洗瓶机安装调试工艺。 关键词：纯净水、多功能、工艺、灌装机设计AbstractKinds function of bottled purified water filling machine bottle washing, filling, sealing the set of bottles as one, suitable for all kinds of fruit juices, tea drink
4、ing pure water, mineral water filling. Production of5000-24000bottles / hour, users can choose. Advanced micro negative pressure gravity filling principle, filling fast, stable, accurate, with perfect material return system, also can realize the reflux independent air return, not in contact with the
5、 material, reduce the material two pollution and oxidation. This function satisfies the 95degrees Celsius hot filling technology requirements, filling valve and material inlet and outlet pipes without hygiene dead angle, at the same time with the CIP self cleaning interface, cover is arranged in fro
6、nt of the mouth RO water flushing device, to ensure that the bottle no mildew imagination. Magnetic torque is used for screw cap, achieve grasping cover, screw cap function. Screwing torque adjustable, with constant torque rotating sealing plastic cover function. The machine adopts the man-machine i
7、nterface touch screen to control, PLC computer program control, frequency control and other advanced technology. Has covered for the system automatic control, automatic detection, temperature of filling material high temperature alarm, low temperature shutdown and automatic return, no bottle no stam
8、p, without bottle waiting, lack of cover stop function. As well as the functional bottle washing machine installation and debugging process.Key Word:pure water, function, process, filling machine目 录摘 要IAbstractII一、绪论21.1灌装机的发展21.2课题背景21.3设计任务背景3二、灌装机的结构及工作原理42.1灌装机的工作流程42.2多功能灌装机的工作原理52.3灌装机的主要机构62.
9、3.1灌装机构62.3.2封盖机构92.3.3洗瓶结构11三、传动装置系统设计133.1星形拨瓶轮传动机构133.1.1星形传动原理133.1.2拨瓶轮主要结构参数设计计算143.2传动齿轮的设计163.3PLC控制流程18四、总结与展望194.1总结194.2不足与展望19致谢21参考文献22一、绪论1.1灌装机的发展 我国饮料、乳品、纯净水得到长足发展的同时也带动了灌装机械业的发展速度。自从上世纪八十年代开始，中国每年都要进口大量的饮料、乳品和啤酒灌装机械，至今引进的势头仍然是有增无减。这些机械大多是高速自动化生产线，可靠性强，产量高，部分设备是当今世界最为先进的机型。这些生产线的引进，使
10、中国部分饮料、乳品和啤酒企业的包装水平得以与发达国家同步发展。与此同时，中国包装机械的生产也取得了长足的进步，部分灌装、封口一体设备已经达到较高水平，包括塑料饮料瓶、酸奶杯、无菌包装成型设备和贴标机在内的包装生产线水平也得到了提升，已经可以满足中型企业的需要，部分已经可以替代进口设备，并且出口量逐年提高。 饮品的产值在300亿元人民币左右，而每年进口的食品包装机械约10亿美元。其中纯净水灌装机械占有相当大的比重。 1.2课题背景饮料包装 (液体灌装机)目前中国饮用水、碳酸饮料、茶饮料的前处理设备国内产品基本上可以满足需要，中、低速理瓶、装箱设备也有相匹配的产品可供选择，在热液体灌装机方面，各设
11、备厂都能解决设备在热灌装环境下的控制、密封等工艺要求。本论文设计研究了多功能联合灌装的问题。不过无论是碳 酸饮料、瓶装水、果汁还是茶饮料，也无论是PET瓶、金属罐还是利乐包，纯净水饮料企业的灌装生产线基本上是引进设备的天下。1.3设计任务背景灌装生产是纯净水生产中必不可少的一个环节，而纯净水及其他碳酸饮料在人们的生活中已占据了重要的地位，从而也带动了灌装机械的发展。鉴于本设计研究内容为灌装多功能一体化，而我所学的专业是机电一体化，再者我国目前机械灌装行业的发展空间比较的大，研究机械灌装方面的课题对企业和社会都有积极意义，是对机电综合能力的培养和锻炼，尤其是总体设计更是如此。一方面巩固、增长了我
12、的的专业知识，培养我对综合运用知识的能力，为以后的工作积累经验，另一方面也希望在自己的课题上有所发现、改进、创新，提出一些建设性的意见。多功能自动灌装联合机设计，题目综合性强，需要有扎实的基础知识和广博的知识面及计算机基础。所以，在整个设计过程中可以充分发挥其主动性，积极性，培养了综合分析问题和解决问题的能力，促进我由知识型向智能型转化。 二、灌装机的结构及工作原理2.1灌装机的工作流程灌装机工作流程： 瓶子由通过风送道传递，然后通过拨瓶星轮传送至三合一机的冲瓶机。冲瓶机回转盘上装有瓶夹，瓶夹夹住瓶口沿一导轨翻转180，使瓶口向下。在冲瓶机特定区域，冲瓶夹喷嘴喷出冲瓶水，对瓶子内壁进行冲洗。瓶
13、子经冲洗、沥干后在瓶夹夹持下沿导轨再翻转180，使瓶口向上。洗净后的瓶子通过拨瓶星轮由冲瓶机导出并传送至灌装机。进入灌装机的瓶子由瓶颈托板卡住并在凸轮作用下将瓶子上升，然后由瓶口将灌装阀顶开。灌装采用重力灌装方式。灌装阀打开后物料通过灌装阀完成灌装过程，灌装结束后瓶口下降离开灌装阀，瓶子通过卡瓶颈过渡拨轮进入旋盖机。旋盖机上的止旋刀卡住瓶颈部位，保持瓶子直立并防止旋转。旋盖头在旋盖机上保持公转并自转，在凸轮作用下实现抓盖、套盖、旋盖、脱盖动作，完成整个封盖过程。成品瓶通过出瓶拨轮从旋盖机传出。图2.1工作流程图2.2多功能灌装机的工作原理灌装机由进瓶风道将瓶送至星轮传动，依形板由星轮传动把瓶传
14、至冲洗机夹瓶机构，夹瓶机构夹持瓶颈依冲洗机导轨运转进行翻转对瓶内外进行冲洗，冲洗干净并沥干的灌装瓶依形板通过星轮传动，再由星轮传动把瓶传至灌装机，由卡瓶板卡住瓶颈依灌装运行导轨打开灌装阀进行灌装，灌装完后再依形板通过星轮传动，再由星轮传动将瓶传至旋盖机，由旋盖卡瓶板卡住瓶颈进行旋盖，最后依形板通过星轮传动将灌装旋好盖的饮料瓶传至输送链。这样就完成冲洗、灌装、旋盖全过程。洗瓶机旋盖机多功能灌机装机星轮1星轮2星轮4星轮3进瓶出瓶灌装机 2.2工作原理图2.3灌装机的主要机构2.3.1灌装机构主要由灌装桶、灌装阀、导轨、提升装置、卡瓶升降装置等组成。由星轮传动的卡瓶板送入灌装机，灌装卡瓶板托住瓶颈
15、，随灌装桶等一起旋转，并依导轨随升降导杆上升打开灌装阀灌装，灌装完后，下降脱离灌装阀，灌装阀自行关闭。瓶随星轮传动的卡瓶板送出灌装机。图2.3.0 灌装机构结构图1.电元分配器组件 2.防转架 3.灌装桶 4.灌装阀 5.托瓶装置 6.提升导轨 7.环形管 8.齿轮轴承 9.中央分配器 10集合加油组件 灌装阀结构：等压快速灌装阀，包括排气阀体、排气阀、灌装头、提升机构，等压快速灌装阀安装在液体缸体上，其特征在于液体缸体上安装阀座，在阀座下面安装灌装头，灌装阀缸体安装在阀座上，在灌装阀缸体内部的下部安装开关阀，在上部安装阀塞，提升机构固定在液体缸体上，阀塞与提升机构通过连接件连接，排气阀体安装
16、在灌装阀缸体、阀座和灌装头中心部位，排气阀体中间部位制成排气通道，下端制成排气管，在与灌装头配合处制成与灌装头配合的锥体面，在排气阀体中部制出凸台，排气阀安装在排气阀体的排气通道内，在灌装头上部与阀座内部安装弹簧支承排气阀体，阀座顶端制成液体流通孔，灌装阀缸体底部制出液体流通孔，在上部侧壁制出液体流通孔，提升机构上的拨叉与排气阀配合安装。 灌装阀 序号名称7阀芯1密封环 8弹簧2密封垫9导向环3定位套 10 孔用方形圈40型密封圈11阀腔5垫块12312接头 6滑动体13密封圈14x1.8 2.3.2封盖机构封盖机构由分盖器和旋盖机及理盖器三大部件组成。瓶由3#星轮送入旋盖机并由旋盖机卡瓶块将
17、瓶卡住；盖由理盖器整理至同一方向后经下盖槽传至分盖器；分盖器将盖分成一定间隔后，旋盖头在凸轮作用下下降将盖取走并压在瓶口上；在齿轮带动下，旋盖头绕自身轴线旋转将盖拧紧在瓶口上，并保持恒定的旋盖力矩；旋好盖的瓶子由4#星轮带出。旋盖机和分盖器、下盖槽、理盖器等相连接，通过几种运动的有机组合，即可完成送瓶、送盖、抓盖、旋盖的过程。旋盖头的结构：用于旋封容器盖的旋盖头，由传动轴及旋盖器等组成，在传动轴和旋盖器之间有一个由弹簧复位的单作用气缸，气缸的缸筒和活塞杆分别与传动轴和旋盖器固定联接，活塞杆与气缸或气缸盖通过滑动键或滑动销联接，因而传动轴的旋转运动可以传递给旋盖器，同时在传动轴轴向不动的情况下，
18、气缸可以驱动旋盖器升降。在旋盖时，不需要容器或整个旋盖头升降，因此旋盖机结构明显简化，成本大为降低。 旋盖装置图序号名称9旋盖上座1轴 10旋盖下安装板2传动齿轮11固定齿轮 3旋盖底座12环连接板4旋盖形板13圆锥滚子轴承5旋盖星轮14齿轮吊杆6护瓶板15旋盖臂7卡瓶板16旋盖凸轮8连接套 17顶板 2.3.3洗瓶结构原理 ：瓶子装入特制的并盘中，特制瓶盘由瓶盘和盖板组成并由瓶盘的带孔子分隔定位。人工送入第一工位，循环水喷淋注水满江后，至超声波槽进行超声波粗洗；随后瓶盘上升推入第二工位，并口朝下喷淋水冲洗外瓶，把针头插入瓶中（气冲）、一次清洗（注射用水）、二次清洗（注射用水）、三次气冲、甩干
19、、瓶口朝上、进入灭菌烘箱。 图2.3.3 洗瓶工序图冲洗瓶装置：由滚筒、减速器、机座、转阀、输箱机、喷 管、限位板、定位器、挡瓶板等组成，其特征在于：滚筒由机座上的滚轮支承，固定在机座上的减速器，其输出轴上的轮与 滚筒大齿圈啮合，转阀芯固定在机座上，转阀套位于滚筒入箱 端两拨块中，转阀与滚筒同心，输箱机的传动箱固定在滚筒后 梁上，传动箱的主动轴与滚筒同心，滚筒内设有输箱机的单 排或多排输箱链，输箱机的减速器固定在机座上，通过链轮 、链条组成传动箱的动力传动装置，传动箱的被动轴是输箱链的主动轴，瓶箱定位器的定位架设在滚筒内，定位架的控制机 构固定在机座上，在滚筒内以进出箱为序，设在倒水工位、冲
20、洗工位、空水工位，在冲洗工位，瓶箱的上下均设有喷管，喷管的供水管路与转阀套的出水管路连接，每个工位、瓶箱之上喷管之下有挡瓶板，顺着输箱链方向，每排瓶箱两侧设有限位。图2.3.4冲瓶装置图三、传动装置系统设计3.1星形拨瓶轮传动机构3.1.1星形传动原理此机构是将灌装机的限位机构送来的瓶子，准确地送入灌机中的升降机构或灌满的瓶子从升降机构取下送入传送带的机构。将定量的液体物料(简称液料)充填入包装容器内的机器称为灌装机械。因为所要灌入的液体具有流动性，所以所用的容器一般为刚性容器，如聚脂瓶、玻璃瓶(或罐)、金属罐、复合纸盒等。如图3.1所示，输送链带、分件供送螺杆、星形拨轮和弧形导板相结合用于容
21、器的输入；同时拨轮也用于容器的输出。图3.1.1 供送螺杆与行星拨轮组合简图1分件供送螺杆 2弧形导板3行星拨轮 4圆柱形容器 星形拨轮的结构虽然简单，齿槽形状确实千变万化。图3.2所示的四种形状都能满足将灌装容器送入灌装机中的升降机构要求，但是性能、结构、经济以及稳定性的要求不同，要确定那种方案必须根据设计的要求而定。瓶子从输送带送过来将堆挤到一起，因此就应该设计相应的可以起到瓶的限位机构的作用。在这次课题中运用了分件供送螺杆装置，这就要求在设计拨轮槽时采用一定弧度可以起到限时、限位的作用。(a)和(b)适合供送单个圆柱形容器，（c）适合供送单个长方形容器，（d）适合供送多个多种体形的容器。
22、从制造角度看，本设计根据容器外形和输送方式，宜采用（b）方案。图3.1.1典型星形拨轮简图拨轮的尺寸要求以能很平稳的输送瓶子。如图3.3所示，通过类比实验，Rc与灌装机主体中的拨瓶螺杆有关。 若拨轮的外接圆与灌装机主体中拨瓶螺杆的外接圆相交，则Rc尺寸大于瓶子半径。拨轮通常用不锈钢或酚醛树脂板制作，成双平放紧固在主轴端部，其高度和间距可根据被供送瓶罐的主题部位及其中心位置加以适当调整。图3.1.1拨轮截面图3.1.2拨瓶轮主要结构参数设计计算设要设计星形拨轮齿数为Zb，灌装机的生产能力为Q，拨轮主轴转速为，依据单位时间内供瓶数应等于出瓶数（不考虑灌装过程中出现爆瓶现象）。则 式中， Zb齿数；
23、Q 生产能力，瓶/时；转速，/min。拨瓶轮齿数由确定。已知灌装机得生产能力Q瓶/时，初步确定拨瓶轮主轴转速与灌装机大转盘主轴转速的比例为i5.大转盘主轴转速根据计算得出n13/min.则可以确定拨瓶轮主轴转速n15/min.拨瓶轮齿数Zb:选取拨轮齿数Zb8。拨瓶轮主要结构参数设计计算在本课题中灌装容器是塑料瓶，因此拨瓶轮的材料在选择上应选用对瓶体不会造成有磨损，击碎的现象。故选用尼龙1010材料。其结构如图3.4所示图3.1.2拨瓶轮装配结构图1拨轮 2拨轮盘 3拨轮轴 4传动齿轮拨轮中的尺寸h和Rc均由容器瓶的高度和直径来确定。它与灌装机中拨轮盘花齿尺寸有关，拨轮的尺寸以能很平稳地 输送
24、瓶子为原则，为了能使瓶子均匀稳定地输送到大转盘而不被拨回来，尺寸Rc也应大于瓶子的半径，这可以由实验结果得知。由已知给定的参数瓶子半径R40mm，则可确定尺寸RcR+(23)mm，即Rc42mm。如图3.5所示，h的高度是由瓶高来确定的，瓶子确定的高度是280mm，拨瓶轮的厚度可以根据设计时按设计者给定的值。拨瓶轮给的厚度是10mm，容器瓶从输送带过来瓶底离下拨瓶板的距离确定为25mm，设该课题给定的容器瓶瓶颈为105mm，直径为70mm的瓶身高出上拨瓶板为25mm，保证瓶子的重心在两齿的中心附近。h28020252510585mm图3.1.3拨瓶轮结构图 3.2传动齿轮的设计(1)选择齿轮的
25、材料由轮齿的失效形式可知，设计齿轮传动时，应使齿面具有较强的抗磨损，抗点蚀，抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。因此，对轮齿材料性能的基本要求为：齿面要硬，齿芯要韧。常用的齿轮材料有钢，铸铁和非金属材料等。在本课题里齿轮为轻载，低或中速、精度较高下工作，齿轮选用钢做材料。为使齿轮具有足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为250350HBS。(2)主要尺寸的确定设计灌装机时为了防止瓶托在升降时与齿轮产生干涉，拨轮板直径与大转盘不发生碰撞，齿轮的分度圆尺寸在确定时与拨轮板的直径相等。如图3.7所示分度圆直径d1312mm。齿数z：根据d1mz ，模数m已确定m2，则zd/m
26、3122156齿数也可以根据传动比来确定，大转盘主轴上的大齿轮分度圆直径d21200，大齿轮的齿数z2600，传动比i5，同样可以确定齿数z1120。全齿高： 式中：ha齿顶高 hf齿根高 正常齿标准 ， 求得h4.5mm。圆整h4mm。齿宽b：由齿轮的强度计算公式可知，轮齿愈宽，承载能力也愈高，因而轮齿不宜过窄；但增大齿宽又会使齿面上的载荷分布更趋不均匀，故齿宽系数硬取得适当。因为灌装机在工作时载荷很小，传动速度不是很大。所以可以选越小的齿宽系数。图3.2传动齿轮图3.3PLC控制流程由主PLC发给主传动的速度给定信号经传动处理后形成自身的速度给定SP_R。此速度给定信号与编码器的速度反馈信
27、号SP_F作差，差值经比例/积分运算后输出，此输出再经速度滤波和转矩限幅处理后形成转矩给定SFC_T_R。速度控制的另一路是将上述传动自身形成的速度给定SP_R作比例运算，并与编码器的速度反馈信号SP_F经比例运算后的值作差，得一差值A; 传动自身形成的速度给定SP_R与速度反馈信号SP_F作差，此差值经死区及积分运算后得差值B。差值A、B的和与惯量及惯量的乘积之积再加上转矩补偿即得张力控制的转矩信号T_R。此功能只有在选择了张力控制时才有效。且当机械设备的转动惯量远远大于电机的转动惯量或电机轴发生共振时，控制响应降低。图3.3PLC控制图四、总结与展望4.1总结 全面地剖析了三合一灌装机的结
28、构功能特点，特别是对于洗瓶机，可以了如指掌的装配，加深了对这半年实习的印象，是对前面实践的总结，是一个结束，也是一个新的开始。全自动液体灌装机的应用和市场需求在日益增长，无论是从计量的准确性，还是从灌装的速度方面，都对自动化的要求不断提高。对灌装速度和准确性的要求，主要取决于设备的性能，设备的功能及搭配的合理性直接影响系统的灌装速度。同时，检测设备的技术水平将会进一步表现在控制的准确性上。本文主要实现对全自动液体灌装机进行集中控制和实时数据采集、记录和控制。与传统的灌装机的相比，在技术上的创新主要表现在：灌装机的自动化水平。通过对市场的了解和学习发现，目前市面上的灌装机还主要停留在灌装这个部分
29、，而很少是将其前面的供 瓶和后面的封盖都作为一个灌装的整体去考虑。在实际设计过程中，也曾遇到过许多的问题，其中最难解决的也是本人在学习过程中所欠缺人一个知识点。在设计过程中使用了好多方法，查阅了大量文献资料，然而关于这方面的通讯问题比较少，本文在设计中尝试采用无线技术解决这一问题。由于本人知识有限，在这方面的实践经验较少，所以采用这种通讯方式还在调研和试验中，其可取性有待进一步的了解深入。对全自动液体灌装机的控制系统进一步优化，在本方案的设计中，有很多控制方法都是参考或借鉴其它控制系统进行改进设计的，其中不免存在不适之处，这就需要不断的研究改进。4.2不足与展望 多功能纯净水灌装机可以使纯净水
30、灌装系统各工作流程合为一体，大大的减少了灌装系统的体积也减少了对纯净水行业的投资与风险，其先进的一体化设计为纯净水生产减少了对工人数量的要求，从而节俭了劳务资本。 设计不足之处在于设计不够细腻，对于纯净水多功能灌装机各工序之间的链接转换未能够做到设计细精简。或许在在不久的未来多功能灌装机将会逐步占领灌装市场的主体，其设备的精良程度也会大幅度的提升。各种工序之间的链接及配合也会得到改进，设备的成本及生产过程中的开销也将得到更大的缩减，科技是第一生产力，多功能灌装机的发展空间足以使我们对它满怀期待。通过这一段时间的设计，从中获得的实践经验使我终身受益，并会在我毕业后的实际工作中不断地得到印证，我会
31、持续地理解和体会实习中所学到的知识，期望在未来的工作中把学到的理论知识和实践经验不断的应用到实际工作中来，充分展示我的个人价值和人生价值，为实现自我的理想和光明的前程而努力。致谢 本论文是在金导老师的悉心指导下完成的，老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我掌握基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处事的道理。在此，我谨向指导老师表示崇高的敬意和忠心的感谢！此外，在本论文的设计当中，还受到了另外两位老师的指导和帮助，他们无私奉献，兢兢业业，教书育人的态度深深打动了我，在此我也向在本论文设计过程中曾给予
32、我帮助和指导的老师们说声谢谢！与此同时，还要感谢同组同学的帮忙，在论文资料收集和实验期间，不管遇到什么困难同组同学都主动给予帮助，认真讨论学习，在此也感谢他们！这论文意味着我大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。 时间的仓促及自身专业水平的不足，整篇论文肯定存在尚未发现的缺点和错误。恳请阅读此篇论文的老师、同学，多予指正，不胜感激！参考文献 1 文明.全自动液体灌装机.机电一体化. 2003 2 桂香.马全广.电器控制与PLC应用.化学工业出版社.20043 光才.P I E控制系统的抗干扰措施J.色
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