全自動粘稠液體灌裝機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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1、作品名稱： 全自動粘稠液體灌裝機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要摘要 灌裝機(jī)是酒水、飲料類等食品加工行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一。目前正朝著灌裝的高速化、精確化以及智能化、多功能化方向發(fā)展。本文針對傳統(tǒng)灌裝機(jī)性能比較單一，自動化程度低，通用性差，灌裝速度調(diào)整不方便，而且難以適用瓶形、液體物料及灌裝規(guī)格的變化等問題，結(jié)合全自動液體灌裝的工藝流程，分析了全自動液體灌裝機(jī)的工作過程及其主要部件的功能，重點(diǎn)介紹了全自動液體灌裝機(jī)關(guān)鍵工作環(huán)節(jié)的工作原理及控制要求。全自動液體灌裝機(jī)實(shí)現(xiàn)了灌裝生產(chǎn)高速化、精確化、智能化、多功能化以及操作界面人性化的要求，對灌裝工作過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及動態(tài)管理，提高了液體灌裝的自動化水平，提高了生產(chǎn)效率。

2、 關(guān)鍵詞：灌裝，包裝，灌裝機(jī)，供瓶系統(tǒng)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 singlecy

3、linder 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 automa

4、tic 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-spe

5、ed，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 machineII 目錄目錄摘要IAbstractII第一章

6、緒論1第二章 整機(jī)總體方案設(shè)計(jì)32.1 灌裝機(jī)簡介32.2 灌裝機(jī)的總體設(shè)計(jì)32.3 本章小結(jié)6第三章 傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)73.1 電動機(jī)的選擇及各軸的動力參數(shù)73.1.1 電動機(jī)的選擇73.1.2 各軸的動力參數(shù)73.2 帶與帶輪的參數(shù)83.3 軸的設(shè)計(jì)要求及材料93.4齒輪模態(tài)分析103.4.1模態(tài)分析113.4.2結(jié)論143.5本章小結(jié)14第四章 灌裝裝置的設(shè)計(jì)154.1本課題灌裝方案的選擇154.2頂桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)164.2.1 模型的建立164.2.2應(yīng)力分析164.2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)174.3本章小結(jié)17第五章 機(jī)架的設(shè)計(jì)195.1機(jī)架的設(shè)計(jì)195.1.1 機(jī)架的材料選擇195.1.2機(jī)架

7、的大體尺寸195.2 機(jī)架模態(tài)分析205.2.1模型的建立215.2.2劃分網(wǎng)格215.2.3施加約束和載荷225.2.4模態(tài)分析225.3 本章小結(jié)24第六章 灌裝計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)256.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)256.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)266.2.1 單片機(jī)的選型266.2.2 傳感器的選擇276.2.3 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)286.2.4 E2PROM存儲芯片電路設(shè)計(jì)296.2.5 LCD顯示296.2.6 RS-485接口電路306.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)306.4本章小結(jié)31結(jié) 論32參考文獻(xiàn)33V 第一章 緒論第一章 緒論隨著食品工業(yè)的發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，食品的需求量和種類的與日俱增，食品包裝也日漸

8、突出。食品包裝機(jī)械是對食品進(jìn)行全部或部分包裝過程的機(jī)器，包裝過程包括充填、裹包、封口等主要包裝工序，以及與其相關(guān)的前后工序、計(jì)量等輔助工作。食品包裝是食品工業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，發(fā)展食品包裝機(jī)械化，可以提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約大量勞動力，降低勞動強(qiáng)度，改善勞動條件，有利于食品的衛(wèi)生，提高生產(chǎn)質(zhì)量，還可以改善環(huán)境衛(wèi)生，節(jié)約原料。在全自動灌裝、包裝生產(chǎn)線中，液體灌裝機(jī)是包裝機(jī)械的重要組成部分之一，其主要用在食品、化工等輕工行業(yè)中，在食品行業(yè)中的用途則尤為重要，例如：酒水、飲料、乳品、油脂以及調(diào)味品等與日常生活息息相關(guān)的產(chǎn)品的包裝。另外是在化工行業(yè)中包括洗滌類、日化、礦物油和農(nóng)藥等化工類液體產(chǎn)品的灌裝。

9、然而，由于我國灌裝行業(yè)起步較晚，灌裝、包裝的自動化水平較低，市場自動化灌裝設(shè)置要求很高?；诖?，本文作者選擇采用可編程控制器結(jié)合上位機(jī)軟件進(jìn)行控制的全自動液體灌裝機(jī)作為討論的主題進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。 液體灌裝基本原理 灌裝就是將一定量的液體物料注入到包裝容器中的過程。這種液體物料主要是指具有低粘度的可流動型液體物料，如酒類、汽水、果汁等，它們可以依靠自重以一定速度流入到包裝容器中；另外還可灌裝一些中等粘稠液體物料和一些高粘度物料，如果醬、油脂、牙膏及黃油等，對這些物料的灌裝依靠重力是不能使其按要求流動的，因此需要施加一定的壓力將其擠入或壓入到包裝容器中。由于液體種類很多，其性能不一，如粘度、起沫性

10、、含氣性、揮發(fā)性等各不相同，所以采用的灌裝方法不一樣，其次液料的包裝容器也不同，有玻璃瓶、金屬罐、塑料瓶、復(fù)合紙盒等，所以，依據(jù)不同的包裝容器、包裝物料及不同的灌裝工藝，灌裝機(jī)的灌裝方法也是不相同的。33 第二章 整機(jī)總體方案設(shè)計(jì)第二章 整機(jī)總體方案設(shè)計(jì)2.1 灌裝機(jī)簡介粘稠液體灌裝機(jī)就是一種將液體按照預(yù)定的量灌入到特定容器的機(jī)器。灌裝機(jī)屬于包裝機(jī)械范疇，它的種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。但通過對其工作原理和結(jié)構(gòu)性能的分析，基本都是由八個(gè)部分組成的，又稱為包裝機(jī)械的八大組成要素，如圖2-1所示：包裝材料的整理與供送系統(tǒng)包裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)被包裝物品的計(jì)量與供送系統(tǒng)主傳送系統(tǒng)成品輸出機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)動力機(jī)與傳動系統(tǒng)機(jī)

11、身圖2-1 包裝機(jī)械的八大組成要素2.2 灌裝機(jī)的總體設(shè)計(jì)根據(jù)灌裝機(jī)中包裝容器的傳送形式可將其分為兩類：1、直線型灌裝機(jī) 2、旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)。由于旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)連續(xù)生產(chǎn)，占地少、生產(chǎn)能力大、生產(chǎn)效率較高，固采用旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)。本次設(shè)計(jì)因?yàn)闀r(shí)間限制，只進(jìn)行了灌裝機(jī)的傳動系統(tǒng)、灌裝系統(tǒng)、機(jī)架部分以及計(jì)數(shù)系統(tǒng)的討論和設(shè)計(jì)。全自動粘稠液體灌裝機(jī)的間歇轉(zhuǎn)位主要由槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其余則由傳動部分、灌裝部分、計(jì)數(shù)部分組成。因?yàn)楣ぷ鬏S和主動是軸垂直的，所以還需要一對錐齒輪來換向。灌裝閥的柱塞與主軸相連，這樣就實(shí)現(xiàn)了主軸旋轉(zhuǎn)、工作臺精確轉(zhuǎn)位、定量灌裝及壓蓋同時(shí)協(xié)調(diào)進(jìn)行。總體設(shè)計(jì)方案流程如圖2-2所示，灌裝機(jī)總裝圖如圖2

12、-3所示。電動機(jī)蝸輪帶輪主軸活塞連桿灌裝閥錐齒輪工作臺直齒輪槽輪 圖2-2 總體設(shè)計(jì)方案流程圖圖2-3 灌裝機(jī)傳動裝配圖具體的工作流程為:電動機(jī)提供動力經(jīng)帶傳到蝸輪，通過兩級減速后再由蝸輪傳遞給主軸，此時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到工作要求。主軸把動力分別配給槽輪部分和灌裝部分，實(shí)現(xiàn)主軸每旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)工作臺進(jìn)行一次轉(zhuǎn)位，灌裝閥同時(shí)打開關(guān)閉完成一次定量灌裝，灌裝好的產(chǎn)品正好滑下，至此實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的灌裝輸送任務(wù)。本設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)在于各部分需要有序的協(xié)調(diào)工作完成灌裝，最后加上鐵皮包裝灌裝機(jī)的最后效果圖如圖2-4所示，該灌裝機(jī)的主要參數(shù)見表2-1。圖2-4 灌裝機(jī)效果圖表2-1 灌裝機(jī)主要指標(biāo)指標(biāo)參數(shù)值灌裝物料粘稠液料灌裝容

13、器直徑70 mm，高度h=35 mm的圓盒灌裝閥頭數(shù)1個(gè)生產(chǎn)能力45盒/分鐘電機(jī)功率2.2KW2.3 本章小結(jié)本章主要介紹了灌裝機(jī)的基本組成要素和本次設(shè)計(jì)的總體方案，確定了自動灌裝機(jī)各部分的機(jī)構(gòu)和各部分的布局。同時(shí)在三維軟件UG中建立了灌裝機(jī)的三維模型，對灌裝機(jī)進(jìn)行了虛擬裝配，進(jìn)行了干涉檢測，確定了灌裝機(jī)的最后模型和尺寸。第三章 傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第三章 傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 電動機(jī)的選擇及各軸的動力參數(shù)3.1.1 電動機(jī)的選擇在電動機(jī)的選擇中主要包括以下幾個(gè)方面：電動機(jī)的種類、外形、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速以及額定功率等?？紤]到粘稠液體自動灌裝機(jī)要求的轉(zhuǎn)速不高，功率不大，工作環(huán)境對電動機(jī)要求不高，因此

14、從經(jīng)濟(jì)角度考慮適合選用三相異步電動機(jī)。電動機(jī)型號Y100L6，額定功率2.2KW，轉(zhuǎn)速1440r/min。3.1.2 各軸的動力參數(shù)表3-1各軸的動力參數(shù)粘稠液體自動灌裝機(jī)功率很小，所需電機(jī)的功率可按1.8 KW計(jì)算，各軸的動力參數(shù)見表3-1，灌裝機(jī)傳動路線三維模型如圖3-1所示。軸參數(shù)電動機(jī)(小帶輪)軸蝸桿（大帶輪）軸渦輪（凸輪）軸從動錐齒輪軸直齒輪（撥盤）軸轉(zhuǎn)速n(r/min)1440720454545 功率P(kW)1.81.621.301.171.1T()11.9421.49 275.86248.27233.42傳動比21611效率90%80%90%95%圖3-1灌裝機(jī)傳動路線三維模型

15、3.2 帶與帶輪的參數(shù)表3-2帶與帶輪的參數(shù)V帶的型號A型初取小帶輪直徑100mm初取大帶輪直徑200mm兩帶輪實(shí)際中心距386mmV帶根數(shù)2根帶帶速7.54m/s帶輪的形狀如圖3-2示。圖3-2帶輪形狀圖3.3 軸的設(shè)計(jì)要求及材料 表3-3軸的設(shè)計(jì)要求及材料項(xiàng)目要求項(xiàng)目要求轉(zhuǎn)向方式單向恒定硬度（HB）250工作情況無腐蝕條件抗拉強(qiáng)度750MPa轉(zhuǎn)速45r/min屈服點(diǎn)550MPa功率1.1kW彎曲疲勞極限350MPa轉(zhuǎn)矩270Nm扭轉(zhuǎn)疲勞極限200MPa材料40Cr許用靜應(yīng)力300MPa許用疲勞應(yīng)力194MPa軸的結(jié)構(gòu)圖見圖3-3圖3-3軸的結(jié)構(gòu)圖經(jīng)過校核，齒面接觸疲勞強(qiáng)度、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度

16、符合要求，滿足結(jié)構(gòu)要求。3.4齒輪模態(tài)分析為了提高齒輪設(shè)計(jì)的效率，提高其工作的可靠性，應(yīng)避免齒輪在傳動系統(tǒng)中產(chǎn)生共振,在齒輪設(shè)計(jì)中，常對齒輪進(jìn)行模態(tài)分析。首先使用SolidWorks對漸開線齒輪進(jìn)行三維實(shí)體建模（如圖3-4），然后通過SolidWorks與ANSYS的接口導(dǎo)入ANSYS中，利用ANSYS軟件對齒輪進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出齒輪的低階固有振動頻率和主振型，為齒輪系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)也為齒輪系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)計(jì)算和分析奠定了基礎(chǔ)。圖3-4線圓柱齒輪模型圖3.4.1模態(tài)分析 材料的設(shè)定選取齒輪材料為40Cr進(jìn)行分析，材料屬性如表3-4所示。表3-4 齒輪材料屬性值材料彈性模量EX泊松比

17、PRXY質(zhì)量密度40Cr2.06e11Pa0.37.8e03Kg/m3加載約束本文主要分析齒輪自由模態(tài)下的各階固有共振頻率和主振而不考慮齒輪有預(yù)應(yīng)力的情況，不對齒輪模型施加載荷，只對齒輪內(nèi)孔進(jìn)行自由約束。求解及分析采用的算法為ANSYS默認(rèn)的算法-Block Lanczos（分塊蘭索斯法），提取齒輪前10階模態(tài)，進(jìn)行求解。同時(shí)對模態(tài)進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)置，并進(jìn)行擴(kuò)展求解。利用ANSYS通用后處理器方便地對其進(jìn)行觀察和分析，并可以對各階模態(tài)進(jìn)行動畫演示。 求解完畢后，采用通用后處理器對求解結(jié)構(gòu)進(jìn)行后處理，對其各節(jié)點(diǎn)的位移情況進(jìn)行觀察和分析，并對各階模態(tài)振型進(jìn)行動畫顯示。該漸開線齒輪前12階頻率為：840.

18、86HZ、842.3HZ、1069HZ、1199.9HZ、1365.2HZ、1367.2HZ、2929.3HZ、2930.5HZ、4676.1HZ、4747HZ、4911.5HZ、4911.7HZ，如圖3-5所示。 圖3-5漸開線齒輪前12階頻率圖漸開線齒輪前12階的固有振型，如表3-5所示。表3-5 漸開線齒輪前12階的固有振型表模態(tài) 頻/HZ振型1840.86齒輪繞x軸擺動，一階彎曲振2842.3輪齒繞y軸擺動，一階彎曲振31069輪齒徑向收縮，傘形振41199.9輪齒沿x軸振動，圓周振51365.2輪齒端面雙向彎曲，二階彎曲振61367.2輪齒端面雙向彎曲，二階彎曲振72929.3輪齒端

19、面三向彎曲，三階彎曲振82930.5輪齒端面三向彎曲，三階彎曲振94676.1輪齒繞y軸擺動，一階彎曲振104747輪齒繞z軸擺動，一階彎曲振114911.5輪齒端面三向彎曲，三階彎曲振124911.7輪齒端面三向彎曲，三階彎曲振漸開線齒輪前12階的模態(tài)振型圖如圖3-6所示。4階振型3階振型2階振型1階振型2階振型1階振型8階振型7階振型6階振型 5階振型12階振型11階振型10階振型 9階振型圖3-6齒輪前12階模態(tài)振型圖從表3-3可以看出齒輪的模態(tài)分布主要為1階彎曲振動（分別是1階、2階、9階、10階）和3階彎曲振動（分別是7階、8階、11階、12階），3階傘形振動，4階為圓周振，第5階和

20、第6階為彎曲振動。 3.4.2結(jié)論（1）利用SolidWorks軟件的插件Toolbox，快速的建立了齒輪模型，有效的減少了齒輪設(shè)計(jì)的時(shí)間，同時(shí)利用了SolidWorks與ANSYS之間的接口，準(zhǔn)確的將齒輪模型導(dǎo)入ANSYS中，彌補(bǔ)了ANSYS的不足，同時(shí)提高了設(shè)計(jì)的可靠性。（2）低階的模態(tài)振型對振動影響較大，在齒輪傳動設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮齒輪的固有頻率和振型，使外界激勵(lì)響應(yīng)的頻率避開齒輪的固有頻率，以避免齒輪發(fā)生共振現(xiàn)象。（3）在ANSYS有限元分析軟件中對齒輪進(jìn)行了動力學(xué)模態(tài)分析，求出了齒輪前12階的固有頻率和振型，為齒輪設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。（4）對齒輪的模態(tài)振型分析表明，頻率相近的各階振型也大致

21、相同，彎曲振是齒輪發(fā)生共振可能性最大的振型。3.5本章小結(jié)本章確定了灌裝機(jī)中的傳動參數(shù)，充分保證設(shè)計(jì)方案的可靠性，同時(shí)兼顧產(chǎn)品的各項(xiàng)性能及各部件之間配合的合理性，使設(shè)計(jì)具有真正意義上的實(shí)用性。第四章 灌裝裝置的設(shè)計(jì)第四章 灌裝裝置的設(shè)計(jì) 液體食品填充，習(xí)慣上稱為灌裝，食品種類很多，其理化特性各異，故灌裝的方法也有很多種。影響液體食品灌裝的主要因素是液體的黏度，其次為是否溶有氣體，以及起泡性和微小固體物含量等。因此在選用灌裝方法和灌裝設(shè)備時(shí)，首先要考慮液體的黏度。4.1本課題灌裝方案的選擇粘稠液體屬于一種半流體，單靠重力無法準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)定量灌裝，并且還要求灌裝機(jī)構(gòu)應(yīng)與槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動周期相協(xié)調(diào)，為了

22、滿足這一要求，特設(shè)計(jì)了柱塞式灌裝裝置，如圖4-1所示。圖4-1柱塞式灌裝裝置 該裝置的工作過程為：當(dāng)槽輪機(jī)構(gòu)在靜止時(shí)間的末期時(shí)，柱塞向下運(yùn)動，與容器相聯(lián)通的單向閥的閥門打開，而出料管處的閥門關(guān)閉，此過程為吸料；當(dāng)槽輪機(jī)構(gòu)處于靜止時(shí)間時(shí)，活塞則向上運(yùn)動，與容器相通的單向閥的閥門關(guān)閉，而出料管處的則閥門打開，開始灌裝液料，此即為一個(gè)灌裝過程，并且依次周期循環(huán)工作，灌裝一次粘稠液體體積為: =0.118L。4.2頂桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)頂桿的作用是將凸輪的動力傳遞到灌裝機(jī)構(gòu)，同時(shí)完成壓蓋功能，實(shí)現(xiàn)定量灌裝和精確壓蓋。4.2.1 模型的建立用UG對頂桿進(jìn)行三維建模，模型如圖4-2所示。頂桿的左端連接定量灌裝機(jī)構(gòu)

23、，帶動定量灌裝機(jī)構(gòu)完成定量灌裝。頂桿的右端用來扣壓瓶蓋，完成壓蓋功能。圖42 頂桿三維模型4.2.2應(yīng)力分析在ANSYS中運(yùn)算得頂桿的應(yīng)力分布圖和應(yīng)變圖。由圖可知，頂桿的最大變形量和最大應(yīng)力，如圖4-3、4-4所示。圖4-4 頂桿應(yīng)力圖圖4-3 頂桿應(yīng)變圖4.2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)由上圖分析可知頂桿左端變形嚴(yán)重，可能影響定量灌裝，應(yīng)對頂桿左端進(jìn)行優(yōu)化。在頂桿左端直角處加上加強(qiáng)筋，如圖4-5所示。圖4-5 頂桿優(yōu)化模型圖通過對優(yōu)化后的模型進(jìn)行靜力分析可知頂桿的最大變形量和最大應(yīng)力值都明顯減小，如圖4-6、4-7所示。圖4-6頂桿優(yōu)化后的應(yīng)變圖圖4-7頂桿優(yōu)化后的應(yīng)力圖4.3本章小結(jié)本章節(jié)內(nèi)容簡要介紹了

24、在灌裝機(jī)械中幾種常用的灌裝方法，從粘稠液體自身的特點(diǎn)和所要設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)要求方面綜合考慮，選用了壓力法定量灌裝。本文選用柱塞機(jī)構(gòu)作為定量裝置，它既可以提供壓力也可以控制灌裝量。而在應(yīng)用中如果要改變灌裝量的大小，則可通過調(diào)節(jié)柱塞行程的方法來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在ANSYS中對頂桿進(jìn)行了靜力分析，對頂桿模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對原來頂桿模型進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，減小了頂桿的變形量和應(yīng)力值，使頂桿的整體變形量更加均勻，為保證定量灌裝和精確壓蓋功能提供了基礎(chǔ)。第五章 機(jī)架的設(shè)計(jì)第五章 機(jī)架的設(shè)計(jì)5.1機(jī)架的設(shè)計(jì)根據(jù)整體的布置情況和尺寸要求，按整體具體要求用槽鋼，角鋼焊接而成的，并按強(qiáng)度組裝焊鉚在一起，支承電機(jī)，并且使各部件空

25、間位置固定形成一整體。機(jī)架包括底架，支腿等幾部分組成。5.1.1 機(jī)架的材料選擇由于自動灌裝機(jī)承重不是很大，所以選用強(qiáng)度良好的Q235碳素鋼來設(shè)計(jì)制造機(jī)架。受彎構(gòu)件的截面形式有v字鋼，在自動灌裝機(jī)機(jī)架中，載荷主要來自于支撐電機(jī)及各軸系，保證截面不會發(fā)生扭轉(zhuǎn)等一些情況，所以采用由v字鋼來焊接而成，采用v字鋼能起到節(jié)省材料的目的。根據(jù)材料力學(xué)上冊附錄表3查取截面系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值 =87.1，選取槽鋼型號為熱軋普通型槽鋼 ，如圖5-1所示。圖5-1 字剛截面圖5.1.2機(jī)架的大體尺寸底架的總長度850，總寬度為540，總高度為830mm，主要由焊接工藝來完成組裝，具體圖形尺寸如圖5-2所示。圖5-2 機(jī)

26、架工程圖5.2 機(jī)架模態(tài)分析機(jī)架是自動灌裝機(jī)的關(guān)鍵承載部件，是所有部件的安裝基礎(chǔ)。目前，機(jī)架的振動特性成為人們關(guān)心的問題。因此對機(jī)架的振動的分析就顯得很有必要，為解決機(jī)架的振動的問題，需知道機(jī)架的振動特征，通過運(yùn)用CAE的分析方法來全面了解機(jī)架的各部件對整體剛度的影響同時(shí)對機(jī)架進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以確保機(jī)架有足夠的強(qiáng)度和剛度要求，模態(tài)是機(jī)架振動特性的一種屬性表征，它是構(gòu)成各種工況的最基本的振動形態(tài)。通過模態(tài)分析可以得到機(jī)架的固有頻率和各主要振型，為機(jī)架整體結(jié)構(gòu)獲得更好的動態(tài)性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論設(shè)計(jì)依據(jù)。5.2.1模型的建立利用三維軟件UG建立機(jī)架的三維模型如圖5-3所示。圖5-3 自動灌裝機(jī)機(jī)架三

27、維模型5.2.2劃分網(wǎng)格由于動臂的實(shí)際結(jié)構(gòu)主要由不同厚度的薄鋼板焊接而成，且?guī)缀文Ｐ蛷?fù)雜,故劃分有限元模型的單元類型選擇三維實(shí)體單元Solid45，此單元由8節(jié)點(diǎn)組合而成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，網(wǎng)格模型如圖5-4所示。圖5-4機(jī)架的網(wǎng)格劃分圖5.2.3施加約束和載荷機(jī)架在工作過程中主要是承受電機(jī)、各軸系及灌裝部分的重力，同時(shí)承受主動錐齒輪軸的軸向力以及自身的重力作用。 經(jīng)ANSYS分析計(jì)算，機(jī)架最大變形量為11.52mm，最大應(yīng)力為，最大應(yīng)力111.2MPa沒有超過許用應(yīng)力135MPa，充分的說明了動臂受力是安全的。變形及應(yīng)力情況分別如圖5-5、5-6所示。圖5-6 機(jī)架的應(yīng)力圖圖5-5 機(jī)架

28、的應(yīng)變圖5.2.4模態(tài)分析自動灌裝機(jī)機(jī)架在工作中主要起支撐作用常出現(xiàn)振動不穩(wěn)定的情形，為了減小機(jī)架的振動，保證和提高動臂的穩(wěn)定性和可靠性，有必要對機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析常用來確定設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和部件的固有頻率和振動特性，使設(shè)計(jì)人員盡量避開這些頻率或盡可能的減少在這些頻率上的激勵(lì)，同時(shí)為設(shè)計(jì)人員對承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要參數(shù)，從而減少振動和噪音。為此，本文對機(jī)架采用無阻尼約束進(jìn)行了模態(tài)分析，并提取了動臂結(jié)構(gòu)的前18階頻率的模態(tài)振型圖，如圖5-7所示。9階模態(tài)8階模態(tài)7階模態(tài)12階模態(tài)11階模態(tài)10階模態(tài)15階模態(tài)14階模態(tài)13階模態(tài)18階模態(tài)17階模態(tài)16階模態(tài)圖5-7 機(jī)架的前18階模態(tài)

29、振型圖 從機(jī)架模態(tài)振型圖（圖5-7）可知機(jī)架振動主要在機(jī)架上端，機(jī)架在的第7、9、11、12、17階在X-Z平面振動，第8、10、13、14、15、16、17、18階機(jī)架整體彎曲扭轉(zhuǎn)振動。5.3 本章小結(jié)（1）利用UG與ANSYS具有良好的接口，可以實(shí)現(xiàn)它們之間的無縫連接，避免了數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，同時(shí)有效的彌補(bǔ)了ANSYS建模功能的不足，有效的提高了設(shè)計(jì)的可靠性。（2）利用有限元分析軟件ANSYS對機(jī)架在最大載荷的工況下的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行了分析，驗(yàn)證機(jī)架結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度和剛度要求，滿足設(shè)計(jì)要求。（3）根據(jù)前面有限元分析可知，機(jī)架在沒有阻尼的情況下，機(jī)架前六階模態(tài)頻率為零，機(jī)架前18階固有頻率沒有與電動

30、機(jī)工作頻率（電機(jī)頻率大概為50HZ）重合，機(jī)架在工作過程中，可以避免發(fā)生共振。（4）從對機(jī)架模態(tài)分析的結(jié)果來看，機(jī)架上端頂部是機(jī)架的薄弱部位，在機(jī)架的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中應(yīng)予以注意。（5）在ANSYS有限元分析軟件中對機(jī)架進(jìn)行了靜力強(qiáng)度分析和動力學(xué)模態(tài)分析，求出了機(jī)架的各部位的應(yīng)力、應(yīng)變和前18階的固有頻率、振型，為機(jī)架設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。（6）從ANSYS分析中可以得出結(jié)論，本機(jī)架設(shè)計(jì)符合除了滿足自動灌裝機(jī)的功能要求，還滿足材料的剛度和強(qiáng)度要求。第六章 灌裝計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)第六章 灌裝計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)6.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)灌裝計(jì)數(shù)器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖6-1所示，采用時(shí)鐘芯片DS1302進(jìn)行計(jì)時(shí)，單片機(jī)對漫反

31、射型光電開關(guān)傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。LCD12864對灌裝效率、灌裝總瓶數(shù)以及時(shí)間等信息進(jìn)行顯示。蜂鳴報(bào)警器可以在單片機(jī)處理數(shù)據(jù)等遇到錯(cuò)誤信息情況下進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，提醒工作人員處理。E2PROM存儲器可以將總灌裝瓶數(shù)等其他需要記錄的信息進(jìn)行有效存儲，防止系統(tǒng)由于外部原因等突然掉電后的信息丟失。操作人員可以通過按鍵對實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整，并能夠?qū)2PROM存儲器的信息進(jìn)行配置或清除等。圖6-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 此外，本系統(tǒng)留有RS-485接口，傳輸距離設(shè)計(jì)可達(dá)1000米以上。這樣就可以通過RS-485總線將采集的灌裝生產(chǎn)率、總瓶裝數(shù)等信息實(shí)時(shí)上傳到電腦等中央處理器。若對多個(gè)灌裝設(shè)備進(jìn)行信息傳輸?shù)脑?，可?/p>

32、用485集線器來建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，如圖6-2所示。圖6-2 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖6.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)6.2.1 單片機(jī)的選型STC89C52單片機(jī)（如圖6-3所示)采用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，是一種低功耗、高性能的8位MCU，它具有8K字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，4個(gè)外部中斷，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，32個(gè)通用I/O口以及全雙工串行口，最高運(yùn)作頻率35MHz。程序開發(fā)、下載方便，滿足設(shè)計(jì)要求。圖6-3 STC89C52RC單片機(jī)引腳圖6.2.2 傳感器的選擇常用的灌裝計(jì)數(shù)器為對射型紅外傳感器。其工作原理是將該傳感器固定安裝在傳送帶兩旁的機(jī)架上，當(dāng)傳送帶上有瓶子經(jīng)過時(shí)，便將對射型紅外傳感器進(jìn)行遮擋

33、，從而產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號，由單片機(jī)進(jìn)行采集計(jì)數(shù)。該對射型紅外傳感器安裝要求較高。為了安裝使用方便，本設(shè)計(jì)中采用漫反射型光電開關(guān)傳感器，當(dāng)灌裝瓶進(jìn)入其檢測范圍時(shí)，該傳感器輸出一個(gè)電平觸發(fā)信號，可用于單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。工作原理圖如圖6-4所示。圖6-4 光電開關(guān)傳感器工作原理圖 由于光電傳感器的工作及輸出電壓信號為DC6V12V，而單片機(jī)工作采集電壓為5V左右，在此采用雙電壓比較器LM393進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，將傳感器輸出的高電平轉(zhuǎn)化為+5V，低電平轉(zhuǎn)化為0V。轉(zhuǎn)化之后再輸入至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。漫反射光電傳感器采集及電平轉(zhuǎn)換電路如圖6-5所示。 圖6-5 光電傳感器采集及電平轉(zhuǎn)換電路6.2.3 時(shí)鐘電路設(shè)

34、計(jì)為了得到灌裝設(shè)備的生產(chǎn)效率，在采集瓶裝個(gè)數(shù)的基礎(chǔ)上必須采用時(shí)鐘芯片DS1302進(jìn)行精確計(jì)時(shí)。單片機(jī)與DS1302之間采用SPI總線進(jìn)行通信，并通過按鍵對芯片時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)置。這樣便得到了灌裝設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)的灌裝瓶數(shù)。同時(shí)通過時(shí)鐘芯片獲得的時(shí)間信息可以在LCD12864上進(jìn)行顯示，具體電路圖如圖6-6所示。圖6-6 時(shí)鐘電路6.2.4 E2PROM存儲芯片電路設(shè)計(jì)為了防止系統(tǒng)突然掉電導(dǎo)致灌裝總數(shù)等信息丟失，故單片機(jī)在處理數(shù)據(jù)時(shí)將信息存入到AT24C08中，單片機(jī)與E2PROM芯片AT24C08通過I2C總線進(jìn)行通信，如圖6-7所示。這樣就可以在系統(tǒng)下次開機(jī)時(shí)，繼續(xù)對瓶裝總數(shù)等信息進(jìn)行記數(shù)或顯示。

35、圖6-7 E2PROM存儲芯片電路6.2.5 LCD顯示結(jié)合要顯示的內(nèi)容信息，本設(shè)計(jì)中采用帶有中文字庫的LCD-12864（如圖6-8所示）對時(shí)間信息，灌裝總量，灌裝效率等信息進(jìn)行顯示。圖6-8 LCD接線電路6.2.6 RS-485接口電路為了將灌裝計(jì)數(shù)器模塊所采集的信息實(shí)時(shí)的傳輸至中央處理器，在本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)RS-485接口（如圖6-9所示）。以便采用RS-485總線的方式進(jìn)行傳輸。有效傳輸距離可達(dá)1000多米。若距離更遠(yuǎn)，則可添加485中繼進(jìn)行距離擴(kuò)展。RS-485的數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，抗干擾性強(qiáng)，不同于RS-232，有效避免了RS-232的傳輸距離短的特點(diǎn)。RS-485便于設(shè)備組網(wǎng)

36、，在使用過程中采用485中繼器、485集線器等便能完成多路信息的收發(fā)工作。圖6-9 RS-485接口電路6.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖如圖6-10所示，系統(tǒng)在上電之后進(jìn)行LCD、UART、I/O口等初始化。讀取時(shí)鐘芯片及E2PROM芯片內(nèi)部初始信息進(jìn)行顯示。然后循環(huán)進(jìn)行光電傳感器計(jì)數(shù)采集。并采用定時(shí)器中斷周期性讀取時(shí)間及灌裝量等信息進(jìn)行顯示。若接收到串口中斷，判斷中央處理器的請求信息，通過RS-485向中央處理器進(jìn)行信息響應(yīng)。通過循環(huán)檢測到按鍵被按下，判斷是時(shí)鐘設(shè)置按鍵或者是清除E2PROM芯片內(nèi)數(shù)據(jù)按鍵，并執(zhí)行響應(yīng)動作。軟件設(shè)計(jì)開發(fā)在Keil uVision4集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行。在此

37、不再贅述。圖6-10 灌裝計(jì)數(shù)器程序流程圖6.4本章小結(jié) 為了記錄單位時(shí)間內(nèi)的灌裝瓶數(shù)，獲得本灌裝裝置的生產(chǎn)效率，本設(shè)計(jì)中采用宏晶公司推出的51系列單片機(jī)STC89C52RC作為微處理器，使用漫反射型光電開關(guān)作為計(jì)數(shù)傳感器來實(shí)現(xiàn)對灌裝瓶數(shù)進(jìn)行有效的計(jì)數(shù)。結(jié)論結(jié) 論1.本文對包裝機(jī)械行業(yè)進(jìn)行了比較詳細(xì)的綜述，包裝機(jī)械作為一個(gè)新興的行業(yè)，其發(fā)展極其迅速，尤其是灌裝機(jī)械，因此對其進(jìn)行討論研究有很大意義。2.通過對一些灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)和工作過程的分析，確定了該灌裝機(jī)的總體方案，同時(shí)對頂桿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.對軸和齒輪進(jìn)行了模態(tài)分析，得出了它們的低階模態(tài)振型和對應(yīng)的頻率，為設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。4.該灌裝機(jī)利用純機(jī)械裝置來完成其基本任務(wù)，雖然不能與現(xiàn)代的灌裝機(jī)械相比，但是其結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，對槽輪機(jī)構(gòu)、灌裝機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行了全新的組合應(yīng)用，使其協(xié)調(diào)完成工作。5.本文設(shè)計(jì)了灌裝計(jì)數(shù)器，以單片機(jī)作為微處理器，用計(jì)數(shù)傳感器進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲得灌裝機(jī)的生產(chǎn)效率。6.本文設(shè)計(jì)的柱塞式灌裝機(jī)構(gòu)和灌裝計(jì)數(shù)器是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處，它能比較好地完成定量和灌裝任務(wù)，并且能獲得其生產(chǎn)效率。7.本文設(shè)計(jì)的灌裝機(jī)雖然在理論上能很好的實(shí)現(xiàn)灌裝要求，但是尚未經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)，很多的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)肯定會有不完善之處，尚待修正和優(yōu)化。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)