牛奶包装机结构和控制系统的设计.docx
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牛奶包装机结构和控制系统的设计
毕业论文
论文题目牛奶包装机结构和控制系统的设计
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专业
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学生姓名
指导教师（签名）
完成时间2013年5月
摘要
本文主要研究是基PLC控制的牛奶自动包装机械的结构和控制系统的设计。
本包装机主要结构包括运输机，定量灌装机，封口机，旋盖机，贴标机。
其中定量灌装机根据定量杯法来设计的，能保证其灌装精度在
2%；封口机的收料装置采用大直径的定滑轮，能有效的减小工作初期和末期控制铝箔带长度的差距；贴标机用光电传感器来辅助控制储标轮的步长。
本包装机的控制系统主要为PLC控制的液压回路的系统和光电传感器辅助定位实现自动化包装的。
本牛奶包装机能够大幅度地提高生产效率；降低劳动强度、改善劳动条件；保护环境、节约原材料、降低产品成本；能保证牛奶的卫生、提高产品包装质量。
关键词：
PLC控制；定量杯法；大直径定滑轮；光电辅助定位；液压系统
MilkPackagingMachineStructureandControlSystemDesigning
Abstract
ThispaperstudiesthestructureofthebasePLCcontrolmilkpackagingmachineryandcontrolsystemdesign.
Themainstructureofthepackagingmachineincludetransports,quantitativefillingmachine,sealingmachine,cappingmachine,labelingmachine. Quantitativefillingmachineunderthedosingcupdesignedtoensurefillingaccuracy2%;sealingmachinerewindingdevicewithlargediameterfixedpulley,caneffectivelyreducetheearlyandlatecontrolthelengthofthealuminumfoilwith gap;labelingmachinewithaphotoelectricsensortotheauxiliarycontrolstoragestandardwheelstep. ThepackagingmachinecontrolsystemismainlysecondarypositioningautomatedpackagingsystemforahydrauliccircuitcontrolledbythePLCandthephotoelectricsensor. Themilkpackagingmachinecangreatlyimproveproductionefficiency;reducelaborintensityandimproveworkingconditions;environmentalprotection,conservationofrawmaterials,reduceproductcost;milktoensurethehealth,improvethequalityofproductpackaging.
Keywords:
PLCcontrolquantitativecuplawlargediameterfixedpulley
photoelectricassistedpositioninghydraulicsystem
第一章前言
1.1本课题研究背景
随着社会的发展、生活水平的提高人民对商品包装提出了更高的要求。
与人民生活和工农业生产密切相关的生活日用品、营养食品、药品种子、化肥、农药、化工原料等工农业生产用品都需要精确的定量包装。
这些物料如果用手工进行包装其劳动强度大速度慢效益和质量差;而食品、药品类若采用手工包装不能满足卫生要求。
因此需采用自动包装机来完成这些工作。
包装机械是现代包装工业的基本设备是商品生产中必不可少的关键性技术设备。
自动化包装机械它能够大幅度地提高生产效率;降低劳动强度、改善劳动条件;保护环境、节约原材料、降低产品成本;有利于被包装产品的卫生、提高产品包装质量，从而提高了产品的质量和增强了产品销售竞争力；获得较高的经济效益;延长产品的保质期方便产品的流通带来巨大的社会效益和经济效益。
由于现有国产袋成型自动包装机存在的软硬件问题并且缺少相应的设计指导理论，所以对其进行研究是非常有意义的[1]。
1.2本课题国内外研究现状
1.2.1国外包装机械业概况
包装机械在国外已经取得的长足的发展，其中以美国、日本、德国、意大利为代表的发达国家表现尤为突出。
美国包装机械的产业体系发展全面，其种类、效率、质量处于领先的位置。
他们产品的特点为：
计算机辅助控制的机电一体化，包装的效率高。
部分如裹包机械、薄膜包装机、厚纸盒封盒包装机等产品采用先
他们产品的特点为：
体积小、精密度高、易安装、操作方便、自动化程度高，而且品类繁多，品种齐全，以食品包装领域为主。
德国在液体灌装机占有绝对优势。
他们的特点为：
在计量和制造方面领先。
集机、电、仪及其微机控制于一体，采用光电感应，光标控制，并配备有防静电装置，包装的效率高，自动化程度高，可靠性好。
意大利的包装机械以食品工业为主，其优势在于性能优越，外观也继承意大利艺术的风格，价格适宜。
使其所生产的产品有着很强劲的竞争力。
其包装大国的地位也和其产品一样有竞争力。
1.2.2我国包装机械业概况[2]
我国的包装机械行业起点较晚，在改革开放之后开始发展。
由于中国的经济得到跨越式地发展，社会对包装机械的需求不断增加，以及政府的重视、政策的引导和积极扶持，包装机械如中国经济一同实现了高速跨越式地发展。
如今，包装机械已是我国十大机械工业之一，其成绩令人瞩目。
2001年全国包装机械产量达53.3万台（套），产值为195.5亿元，占全国包装工业总产值的8.2%，我国已成为世界包装机械生产和消费大国之一。
虽然取得的成绩有目共睹，但是，中国的包装机械行业还面临着严峻地考验。
中国的包装机械发展比国外晚几十年，这已成先天不足。
首先，国家缺乏对其进行宏观调控的经验，使不少企业因此走了不少弯路，整个行业都很乱，带来的则是创新力低下，竞争力不足等问题。
第二，因为其创新力竞争力的不足，造成资金投入的匮乏，而没有资金就不能进行技术升级，就不能引进国外先进的技术，不能做到像国外同行一样，做到生产一代，开发一代，研究一代,保持持续的竞争力。
第三，缺乏技术储备，使之难于同国外产生同样的竞争力。
第四，缺乏相关的专业人员，造成创新力低下，新产品研发周期慢，效率低下，企业利润低下，形成恶性循环。
1.3本文主要研究内容
本文主要研究是基PLC控制的牛奶自动包装机械的结构和控制系统的设计。
本包装机主要结构包括运输机，定量灌装机，封口机，旋盖机，贴标机。
主要控制系统包括液压回路的设计和PLC程序的编写。
1.4课题研究意义
我国牛奶包装机既要适应人们对牛奶需求的快速发展要求，又要在技术方面朝着机械多元化，结构设计标准化，功能模块化，控制智能化等几个方向发展。
据调查：
现有自动包装机存在作初期和末期，储标轮的直径变化很大转动惯量变化大造成包装材料输送时拉力不均匀使得载标带变化长控制精度不高。
3.包装精度（充填精度）低且工作时不稳定[1]。
本课题是围绕解决上述问题而展开的。
第二章灌装机整机机械结构的方案设计
牛奶包装的工艺流程如图2-1所示：
图2-1牛奶包装工艺流程图
牛奶自动包装机的工作原理如图2-2所示：
图2-2包装机工作原理图
据上述工作原理，以容量为500ml的牛奶产品为例进行牛奶包装机械设计（同现在的平均包装能力）：
包装速度:
720瓶/h
灌装精度：
-2%～2%
灌装体积：
500ml
时间分配情况：
包装一瓶牛奶的平均时间为：
求得：
各工位分配时间见表2-1：
表2-1各工位预时间分配表
名称
灌装时间
封口时间
旋盖时间
贴标时间
其余时间
总时间
符号
T1’
T2’
T3’
T4’
T6’
T’
数值
1s
1s
1s
1s
1s
5s
各工位实际时间见表2-2：
表2-2各工位实际时间分配表
名称
灌装时间
封口时间
旋盖时间
贴标时间
其余时间
符号
T1
T2
T3
T4
T
数值
6s
3s
3s
1s
1s
据表2-1和表2-2得出各工位数量如表2-3所示：
表2-3各工位数量分配表
名称
灌装头
封口头
旋盖头
贴标轮
符号
N1
N2
N3
N4
数值
6
3
3
1
第三章定量灌装机结构和控制部分的设计
3.1设计任务
1.灌装能力：
3600瓶/h
2.瓶盖尺寸：
直径25cm
3.瓶子尺寸：
直径80cm
3.2定量灌装机结构部分的设计
3.2.1灌装方法的选择
各类罐装方法的比较如表3-1所示：
表3-1灌装方法的比较
灌装方法名称
工作原理
特点
常压法灌装
在大气压下，直接依靠灌装液体的自重流入包装容器内
用于灌装低粘度的不含气体的液体
等压法灌装
利用储液罐上部气室的压缩空气，给包装容器充气，使压力接近相等，然后被灌装的液体靠自重流入容器内。
用于含气饮料，如啤酒，汽水等的罐装，以减少所含气体的损失。
真空法灌装
在低于大气压的条件下进行灌装。
一种是依靠真空度来灌装;一种是液体处于真空中依靠自重流入容器
用于灌装粘度较大的液体和有毒的液体
虹吸法灌装
应用虹吸原理使液料经虹吸管被吸入容器，直至液位相等
用于低粘度不含气体的特体灌装，装灌速度低
压力法灌装
借助机械或气业压等装置活塞往复运动，将大液体从储液箱吸入活塞缸内，然后再强制压入灌装的容器内。
用于粘度大的液体灌装或汽水之类的饮料灌装
牛奶属于低粘度的不含气体的液体。
据表3-1可知：
牛奶灌装方式选常压法灌装或虹吸法灌装。
为了适应较大生产效率的要求本灌装机采取常压法灌装。
3.2.3定量方法的选择
各类定量方法比较如表3-2所示：
表3-2定量方法的比较
容积式定量方法名称
定量原理
控制液位定量法
控制液位定量法是通过灌装时控制被灌装容器的液位来达到定值量的
定量杯定量法
定量杯定量法是将液料先注入定量杯中，然后再进行灌装。
若不考虑液损，则每次罐装的容积与定量杯的容积相等。
定量泵定量法
定量泵定量法是采用机械压力灌装的一种定量方法。
每次灌装物料的容积与活塞的往复行程成正比。
牛奶灌装的计量误差要求不是很高。
据表3-2，可以考虑定量杯定量法。
再考虑实现定量方法的成本方面和结构设计方面，定量杯定量法是有优势的。
控制液位定量法虽可有较高的定量精度，但它需依靠液位传感器和反馈电路来实现控制加大了控制成本。
定量泵定量法则需要用定量泵来实现，由于多个注头需多个泵来实现从而加大了设备成本。
综上所述，对于牛奶的灌装采用定量杯定量法是合理的。
3.2.4定量装置的结构设计
定量装置的工作原理简图：
1-储奶罐；2-电磁阀门；3-定容器；4-推料气缸；5-阀值阀门；6-牛奶瓶
说明：
阀值阀门，当压力值达到阀值时导通，小于阀值时闭合（相当于溢流阀）。
图3-1定量装置的工作原理图
工作原理说明：
如图3-1所示：
未工作时，气缸4活塞位于最左端，电磁阀门2关闭，阀值阀门5因压力不够而处于关闭状态。
工作时，电磁阀门2打开气缸向右运行使定容器内形成真空度而使牛奶充满定容器内。
接着阀门2关闭，活塞向左运行。
因活塞的挤压而使阀门5处的压力等于阀值而溢流，从而使得定容器内的牛奶全部流入牛奶瓶中。
据上述工作原理进行其结构的设计如图3-2所示：
图3-2定量装置结构简图
工作原理说明：
本定量装置是根据定量杯法来设计的，在接口之前需配合一个阀门来实现定量灌装的要求。
如图3-2所示：
复位：
推料活塞位于最左端，阀门2打开使液体充满缓存容器（因液体压力不够无法顶开阀锥而向下流出）。
工作：
阀门2打开，活塞运动至最右端使定量容器充满液体。
接着阀门2关闭，活塞向左运动至最左端，液体将阀锥顶开而向下流出。
流出液体的体积即为定量容器的体积。
接着活塞向左运动至最右端，使缓存器和定量容器内形成一定的真空度。
然后打开阀门2液体依靠自重和真空度而流下充满缓存容器和定量容器，这样就满足了定量输出的要求了。
实验表明:
该定量装置可保证灌装精度在
2%。
3.2.5某些重要参数的确定：
1．定量容器的规格：
（3-2）
其中r（x）为圆截面半径随L的函数。
定容器规格可定为：
r（x）=80mmL=100mm。
2．弹簧型号的选择：
（3-3）
其中：
S为安全系数：
由接口处的压力来确定，取3.0
为牛奶的密度1.03g/ml，
g为重力加速度10
，
h为缓存容器容器中的高度100mm，
k为弹簧
器的截面积25
。
由公式3-3求得k=18N/cm
据文献[3]知型号可选WL18-20。
3.3定量灌装机的控制部分的设计
定量灌装机的控制部分示意图：
图3-3位置一图3-4位置二
图3-5位置三
定量灌装机的控制部分说明：
如图3-5所示：
刚开始工作时，传送带将空牛奶瓶向右运，当光电2没检测到有瓶时，定位缸1、2都处于收缩的状态。
待空光电2检测有奶瓶时，定位缸2伸出压住奶瓶。
当光电1接受到检测到有2s连续信号时，牛奶注头下降并注入牛奶。
待牛奶注满后牛奶注头复位，定位缸1伸出压住奶瓶，定位缸2收缩注满牛奶的奶瓶向右运。
待注满满牛奶的牛奶瓶都位于定位缸2右侧时，定位缸1松开，空牛奶瓶继续向右运动。
如此循环，实现了流水线加工定量灌装牛奶时的牛奶瓶的计数定位要求。
3.3.1定量灌装机液压回路的设计:
1-过滤器；2、15-液压泵；3、16-溢流阀；4-三位电磁换向阀；5、6-调速阀；7-二位二通电磁换向阀；8-灌装注头缸；9、12、17-二位四通电磁换向阀；10、13、18-单向节流阀；11-定位缸1；14-定位缸2；19-推料缸
图3-6定量灌装机部分的液压系统
定量灌装机液压系统工作原理：
如图3-6按下启动按钮液压泵2、15开始运转，此时电磁换向阀4处于中间位置且不卸荷缸8保持原位，缸11、14、19处于收缩状态。
电磁阀9、12、17处于左导通，缸11、14、19处于收缩状态。
压力油液通过阀4、9、12、17直接流回油箱。
当光电2接收到信号时，电磁铁5YA得电，缸14活塞向右行顶住运输带上的牛奶瓶使其处于打滑状态，定住瓶的压力可通过溢流保持静止不卸荷状态，缸19向右行（同时电磁阀门关闭），将定容器中的牛奶压入牛奶瓶中。
6YA得电延时5s后断电（牛奶注完时间下于5s），缸19收缩。
2YA得电1s后（注头退出牛奶瓶了），5YA失电，4YA得电，缸14收缩，缸11顶出压住牛奶瓶。
延时3s后（注满牛奶的奶瓶被运送到了缸14的右边），4YA失电刚11收缩，空牛奶瓶继续往右送。
如此循环，实现自动灌装流水线工作。
3.3.2PLC程序编写：
1．定量灌装机元件的工作（牛奶瓶紧靠的情况）时序图：
图3-7定量灌装机各元件时序图
2．IO口分配（如表所示）
表3-3IO口分配表
输入
输出
总开关
X0
定位缸一（4YA）
Y1
光电1
X1
定位缸二（5YA）
Y2
光电2
X2
快进（1YA）
Y3
慢进（3YA）
Y4
快退（2YA）
Y5
推料缸（6YA）
Y6
电磁阀门
Y7
3．梯形图编写：
图3-8定量灌装机梯形图
第四章封口机的结构和控制系统的设计
4.1设计任务
1.生产能力：
1200瓶/h
2.瓶盖尺寸：
直径25cm
3.瓶子尺寸：
直径80cm
4.2封口形式的选择
封口机是将填充有包装物的容器进行封口的机械，在产品装入包装容器后，为了使产品得以密封，保持产品质量，避免产品流失。
经互联网搜索[1]封口形式可按表4-1来分：
表4-1封口形式的比较
封口名称
封口分类
无封口材料封口
热压式、冷压式、熔焊式、插合式、折叠式
有封口材料封口
旋合式、滚纹式、卷边式、压合式、热压式
有辅助封口材料封口
带式、粘结式、钉合式、结扎式、缝合式
牛奶属于易变质的物质，对包装的密封性要求高。
本设计采用传统的封口方式：
热压式铝箔纸封口。
4.3封口装置的结构设计
按上述所选用的封口形式工作原理如图4-1和4-2所示：
图4-1工作前图4-2工作中
工作原理说明：
本封口机是利用电磁感应的原理，将瓶口上的铝箔片瞬间产生高热，然后熔合在瓶口上，使其达到封口的功能。
工作流程如图4-1和4-2所示：
气缸动作首先使切刀切断铝箔纸来获取规则的封口材料，然后电磁压头隔着封口材料压在瓶嘴上，电磁压头与铝箔纸产生电磁感应现象而发热使铝箔纸融合在瓶口。
因牛奶瓶的刚性不是很好而采取弹簧缓冲，这样就实现了铝箔片的封口。
4.4封口机的控制部分的设计
封口机控制示意图：
图4-3位置一图4-4位置二
图4-5位置三
如图4-3—4-5所示：
刚开始工作时，传送带将空牛奶瓶向右运，当光电2没检测到有瓶时，定位缸1、2都处于收缩的状态。
待空光电2检测有奶瓶时，定位缸2伸出压住奶瓶。
当光电1接受到检测到有2S连续信号时，封口压头下降取铝箔料并进行封口。
待封口完成后，封口压头复位，定位缸1伸出压住奶瓶，定位缸2收缩被封的奶瓶向右运（同时驱动轮动作）。
待被封口的牛奶瓶都位于定位缸2右侧时，定位缸1松开，未封口的牛奶瓶继续向右运动。
如此循环，实现了流水线加工在封口工艺时的牛奶瓶的计数定位要求。
4.4.1封口机液压回路的设计:
封口机液压系统如图4-6：
1-过滤器；2、9-液压泵；3、10-溢流阀；4-三位四通电磁换向阀；5、6-调速阀；7-二位二通电磁换向阀；8-贴铝箔缸；13-定位缸一；11、14-二位四通电磁换向阀；12、15-单向节流阀；16-定位缸二
图4-6封口机部分的液压系统
封口机液压系统的工作原理：
如图4-6所示：
按下启动按钮液压泵2、9开始运转，此时电磁换向阀4处于中间位置且不卸荷缸8保持原位。
电磁阀11、14处于左导通，缸13、16处于收缩状态。
压力油液通过阀4、11、14直接流回油箱。
当光电2接收到信号时，电磁铁5YA得电，缸16活塞向右行顶住运输带上的牛奶瓶使其处于打滑状态，定住瓶的压力可通过溢流阀10来调节。
在光电2处于高电平且光电1接收到连续1s信号时（说明在定位缸一和定位缸二之间都摆满了牛奶瓶），电磁铁1YA得电，此时压力油只经调速阀5从而缸8活塞向右行处于快进状态（实际的行使方向为向下的方向）。
在电磁铁1YA得电1s后，电磁铁3YA得电，此时液压油经过调速阀5和6，缸8活塞向右行处于慢行状态进入贴铝箔阶段，液压缸的挤压力通过调节溢流阀3来调节。
3YA得电3s后，通过PLC使1YA和3YA同时失电，2YA得电，缸8回缩。
1s后，5YA失电，4YA得电，缸16回缩。
3s后（贴好铝箔的牛奶瓶运输至定位缸二的右边，同时收铝箔纸驱动轮轮动作将废料收集），4YA失电，缸13回缩，未贴铝箔的牛奶瓶继续往右运输。
如此循环，实现自动封口流水线工作。
4.4.2PLC程序编写
1．封口机各元件工作（牛奶瓶紧靠的情况）时序图
图4-7封口机时序图
2．IO口分配
表4-2PLCIO口分布（封口机）
输入
输出
总开
X0
定位缸一（4YA）
Y1
光电1
X1
定位缸二（5YA）
Y2
光电2
X2
快进（1YA）
Y3
总关
X3
慢进（3YA）
Y4
快退（2YA）
Y5
驱动轮
Y6
3．编写梯形图如图4-8所示
图4-8封口机梯形图
第五章旋盖机的结构和控制系统的设计
5.1设计任务
1.生产能力：
3600瓶/h
2.瓶盖尺寸：
直径25cm
3.瓶子尺寸：
直径50cm
5.2封口装置的结构设计
据瓶盖的外形尺寸进行旋盖机设计工作原理如图5-1—5-2所示：
图5-1压盖前图5-2压盖中
旋盖机身的结构原理简图如图5-3所示：
图5-3旋盖机原理图
旋盖机工作原理：
如图5-3所示：
本旋盖机是利用摩擦力旋盖原理来设计的，依靠气缸压盖和旋转头旋盖两动作协调完成旋盖工作。
为了避免过载而破坏瓶盖，而利用了永磁铁与铁之间的吸力产生的摩擦力来实现控制最大扭矩的。
为了避免摩擦头与瓶盖之间产生较大的刚性冲击而采用了弹簧来缓冲。
5.3旋盖机的控制部分的设计
5.3.1旋盖机工位控制部分
旋盖机工位控制示意图：
图5-4位置一图5-5位置二
图5-6位置三
如图5-4—5-6所示：
刚开始工作时，传送带将牛奶瓶向右运，当光电2没检测到有瓶时，定位缸1、2都处于收缩的状态。
待空光电2检测有奶瓶时，定位缸2伸出压住奶瓶。
当光电1接受到检测到有2S连续信号时，平台的电磁开关得电动作，供料导轨中的瓶盖落到瓶口上，旋盖压缸下降。
待旋盖完成后，旋盖压头复位，定位缸1伸出压住奶瓶，定位缸2收缩旋好盖得的奶瓶向右运（同时驱动轮动作）。
待被封口的牛奶瓶都位于定位缸2右侧时，定位缸1松开，未封口的牛奶瓶继续向右运动。
如此循环，实现了流水线加工在封口工艺时的牛奶瓶的计数定位要求。
5.3.2旋盖机液压回路的设计：
旋盖机液压系统如图5-7所示：
1-过滤器；2、9-液压泵；3、10-溢流阀；4-三位四通电磁换向阀；5、6-调速阀；7-二位二通电磁换向阀；8-旋盖压缸；13-定位缸一；11、14-二位四通电磁换向阀；12、15-单向节流阀；16-定位缸二
图5-7旋盖机部分的液压系统
封口机液压系统的工作原理：
如图5-6所示：
按下启动按钮液压泵2、9开始运转，此时电磁换向阀4处于中间位置且不卸荷缸8保持原位。
电磁阀11、14处于左导通，缸13、16处于收缩状态。
压力油液通过阀4、11、14直接流回油箱。
当光电2接收到信号时，电磁铁5YA得电，缸16活塞向右行顶住运输带上的牛奶瓶使其处于打滑状态，定住瓶的压力可通过溢流阀10来调节。
在光电2处于高电平且光电1接收到连续1s信号时（说明在定位缸一和定位缸二之间都摆满了牛奶瓶），电磁铁1YA得电，此时压力油只经调速阀5从而缸8活塞向右行处于快进状态（实际的行使方向为向下的方向）。
在电磁铁1YA得电1s后，电磁铁3YA得电，此时液压油经过调速阀5和6，缸8活塞向右行处于慢行状态进入贴铝箔阶段，液压缸的挤压力通过调节溢流阀3来调节。
3YA得电3s后，通过PLC使1YA和3YA同时失电，2YA得电，缸8回缩。
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