全自動粘稠液體灌裝機(jī)的優(yōu)化設(shè)計

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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 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

2、實(shí)時監(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。 關(guān)鍵詞：灌裝，包裝，灌裝機(jī)，供瓶系統(tǒng) Abstract Liquid filling machine was one of critical equipments in the filed of food processing for beverages．At present，the development tendency of Liquid filling machine was high speed、accurate、intelligent and multifunction．

3、This paper compared the performance of traditional single．cylinder machine， the lower degree of automation，poor GM，filling speed of adjustment is not convenient，but difficult to apply a bottle—shaped，liquid filling materials and the changes in specifications and other issues，combined with fully auto

4、matic liquid filling process processes，analysis of the automatic 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 fil

5、ling machine to achieve the filling of the production of high-speed，precision，intelligence，multi—functional as well as human interface requirements．Work on the filling process of real-time monitoring and dynamic management，increased automation level of liquid filling，increased production efficiency．

6、 Key words：Filling，packaging，filling machine II 目錄 目錄 摘要 I Abstract II 第一章 緒論 1 第二章 整機(jī)總體方案設(shè)計 3 2.1 灌裝機(jī)簡介 3 2.2 灌裝機(jī)的總體設(shè)計 3 2.3 本章小結(jié) 6 第三章 傳動系統(tǒng)的設(shè)計 7 3.1 電動機(jī)的選擇及各軸的動力參數(shù) 7 3.1.1 電動機(jī)的選擇 7 3.1.2 各軸的動力參數(shù) 7 3.2 帶與帶輪的參數(shù)

7、 8 3.3 軸的設(shè)計要求及材料 9 3.4齒輪模態(tài)分析 10 3.4.1模態(tài)分析 11 3.4.2結(jié)論 14 3.5本章小結(jié) 14 第四章 灌裝裝置的設(shè)計 15 4.1本課題灌裝方案的選擇 15 4.2頂桿的優(yōu)化設(shè)計 16 4.2.1 模型的建立 16 4.2.2應(yīng)力分析 16 4.2.3 優(yōu)化設(shè)計 17 4.3本章小結(jié) 17 第五章 機(jī)架的設(shè)計 19 5.1機(jī)架的設(shè)計 19 5.1.1 機(jī)架的材料選擇 19 5.1.2機(jī)架的大體尺寸 19 5.2 機(jī)架模態(tài)分析 20 5.2.1模型的建立 21 5.2.2劃分網(wǎng)格 21 5.2.3施加約束和載荷 22

8、 5.2.4模態(tài)分析 22 5.3 本章小結(jié) 24 第六章 灌裝計數(shù)器的設(shè)計 25 6.1 系統(tǒng)總體設(shè)計 25 6.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 26 6.2.1 單片機(jī)的選型 26 6.2.2 傳感器的選擇 27 6.2.3 時鐘電路設(shè)計 28 6.2.4 E2PROM存儲芯片電路設(shè)計 29 6.2.5 LCD顯示 29 6.2.6 RS-485接口電路 30 6.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 30 6.4本章小結(jié) 31 結(jié) 論 32 參考文獻(xiàn) 33 V

9、 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、計量等輔助工作。食品包裝是食品工業(yè)生產(chǎn)的一個重要環(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

10、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。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。 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

11、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、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 第二章 整機(jī)總體方案設(shè)計 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。

12、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)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 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)計因?yàn)闀r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

13、部分以及計數(shù)系統(tǒng)的討論和設(shè)計。 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協(xié)調(diào)進(jìn)行?？傮w設(shè)計方案流程如圖2-2所示，灌裝機(jī)總裝圖如圖2-3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)計方案流程圖

14、 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)

15、 指標(biāo) 參數(shù)值 灌裝物料 粘稠液料 灌裝容器 直徑70 mm，高度h=35 mm的圓盒 灌裝閥頭數(shù) 1個 生產(chǎn)能力 45盒/分鐘 電機(jī)功率 2.2KW 2.3 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 第三章 傳動系統(tǒng)的設(shè)計 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方面：電動機(jī)的種類、外形、

16、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速以及額定功率等。 考慮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Y100L—6，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) 1440 720 45 45 4

17、5 功率P(kW) 1.8 1.62 1.30 1.17 1.1 T() 11.94 21.49 275.86 248.27 233.42 傳動比 2 16 1 1 效率 90% 80% 90% 95% 圖3-1灌裝機(jī)傳動路線三維模型 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 386mm V帶根數(shù) 2根 Ｖ帶帶速 7.54m/s 帶

18、輪的形狀如圖3-2示。 圖3-2帶輪形狀圖 3.3 軸的設(shè)計要求及材料 表3-3軸的設(shè)計要求及材料 項目 要求 項目 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

19、、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度符合要求，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)計提供參考，同時也為齒輪系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)計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

20、3-4所示。 表3-4 齒輪材料屬性值 材料 彈性模量EX 泊松比PRXY 質(zhì)量密度 40Cr 2.06e11Pa 0.3 7.8e03Kg/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。

21、 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：840.86HZ、842.3HZ、1

22、069HZ、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

23、 振型 1 840.86 齒輪繞x軸擺動，一階彎曲振 2 842.3 輪齒繞y軸擺動，一階彎曲振 3 1069 輪齒徑向收縮，傘形振 4 1199.9 輪齒沿x軸振動，圓周振 5 1365.2 輪齒端面雙向彎曲，二階彎曲振 6 1367.2 輪齒端面雙向彎曲，二階彎曲振 7 2929.3 輪齒端面三向彎曲，三階彎曲振 8 2930.5 輪齒端面三向彎曲，三階彎曲振 9 4676.1 輪齒繞y軸擺動，一階彎曲振 10 4747 輪齒繞z軸擺動，一階彎曲振 11 4911.5 輪齒端面三向彎曲，三階彎曲振 12 4911.7

24、 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階和第6階為彎曲振動。 3.4.2結(jié)論 （1）

25、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)計的時間，同時利用了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，同時提高了設(shè)計的可靠性。 （2）低階的模態(tài)振型對振動影響較大，在齒輪傳動設(shè)計中應(yīng)考慮齒輪的固有頻率和振型，使外界激勵響應(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相同，彎曲振是齒輪發(fā)生共振可

26、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)計方案的可靠性，同時兼顧產(chǎn)品的各項性能及各部件之間配合的合理性，使設(shè)計具有真正意義上的實(shí)用性。 第四章 灌裝裝置的設(shè)計 第四章 灌裝裝置的設(shè)計 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，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)

27、的運(yùn)動周期相協(xié)調(diào)，為了滿足這一要求，特設(shè)計了柱塞式灌裝裝置，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)在靜止時間的末期時，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)處于靜止時間時，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 頂桿的作用是將凸輪的動力傳遞到灌裝機(jī)構(gòu)，同時完成壓蓋功能，實(shí)現(xiàn)定量灌裝和精確壓蓋。

28、 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)，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4—2 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 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

29、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，對原來頂桿模型進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，減小

30、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 第五章 機(jī)架的設(shè)計 5.1機(jī)架的設(shè)計 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

31、起到節(jié)省材料的目的。根據(jù)《材料力學(xué)》上冊附錄Ⅱ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 ｖ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)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

32、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對機(jī)架進(jìn)行重新設(shè)計，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)計提供理論設(shè)計依據(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

33、維實(shí)體單元Solid45，此單元由8節(jié)點(diǎn)組合而成，每個節(jié)點(diǎn)有3個自由度，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)架的應(yīng)變圖

34、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)計的結(jié)構(gòu)和部件的固有頻率和振動特性，使設(shè)計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，同時為設(shè)計人員對承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要參數(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)

35、 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)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，同時有效的彌補(bǔ)了ANSYS建模功能的不足，有效的提高了設(shè)計的可靠性。 （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)

36、架結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度和剛度要求，滿足設(shè)計要求。 （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

37、和強(qiáng)度要求。 第六章 灌裝計數(shù)器的設(shè)計 第六章 灌裝計數(shù)器的設(shè)計 6.1 系統(tǒng)總體設(shè)計 灌裝計數(shù)器系統(tǒng)總體設(shè)計如圖6-1所示，采用時鐘芯片DS1302進(jìn)行計時，單片機(jī)對漫反射型光電開關(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)以及時間等信息進(jìn)行顯示。蜂鳴報警器可以在單片機(jī)處理數(shù)據(jù)等遇到錯誤信息情況下進(jìn)行及時報警，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)時時鐘進(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

38、 此外，本系統(tǒng)留有RS-485接口，傳輸距離設(shè)計可達(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)時上傳到電腦等中央處理器。若對多個灌裝設(shè)備進(jìn)行信息傳輸?shù)脑挘刹捎?85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 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個外部中斷，3個16位定時/計數(shù)器，32個通用I/O口以及全雙工串行口，最高運(yùn)作頻率35MHz。

39、程序開發(fā)、下載方便，滿足設(shè)計要求。 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，便將對射型紅外傳感器進(jìn)行遮擋，從而產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，由單片機(jī)進(jìn)行采集計數(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，該傳感器輸出一個電平觸發(fā)信號，可用于單片機(jī)進(jìn)行計數(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

40、為DC6V~12V，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 時鐘電路設(shè)計 為了得到灌裝設(shè)備的生產(chǎn)效率，在采集瓶裝個數(shù)的基礎(chǔ)上必須采用時鐘芯片DS1302進(jìn)行精確計時。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鐘進(jìn)行設(shè)置。這樣便得到了灌裝設(shè)備在單位時間內(nèi)的灌裝瓶數(shù)。同時通過時鐘芯片獲得的時間信息可以在LCD

41、12864上進(jìn)行顯示，具體電路圖如圖6-6所示。 圖6-6 時鐘電路 6.2.4 E2PROM存儲芯片電路設(shè)計 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，繼續(xù)對瓶裝總數(shù)等信息進(jìn)行記數(shù)或顯示。 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)計中采用帶有中文字庫的LCD-12864（如圖6-8所示）對時間信息，灌裝總量，灌裝效率等信息進(jìn)行顯示。

42、 圖6-8 LCD接線電路 6.2.6 RS-485接口電路 為了將灌裝計數(shù)器模塊所采集的信息實(shí)時的傳輸至中央處理器，在本設(shè)計中設(shè)計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)，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 軟件設(shè)計

43、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)行光電傳感器計數(shù)采集。并采用定時器中斷周期性讀取時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)計開發(fā)在Keil uVision4集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行。在此不再贅述。 圖6-10 灌裝計數(shù)器程序流程圖 6.4本章小結(jié) 為了記錄單位時間內(nèi)的灌裝瓶數(shù)，獲得本灌裝裝置

44、的生產(chǎn)效率，本設(shè)計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)作為計數(shù)傳感器來實(shí)現(xiàn)對灌裝瓶數(shù)進(jìn)行有效的計數(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，同時對頂桿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。 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)計了灌裝計數(shù)器，以單片機(jī)作為微處理器，用計數(shù)傳感器進(jìn)行計數(shù)，獲得灌裝機(jī)的生產(chǎn)效率。 6.本文設(shè)計的柱塞式灌裝機(jī)構(gòu)和灌裝計數(shù)器是本設(shè)計的創(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)