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全自动粘稠液体灌装机的优化设计分解
作品名称：
全自动粘稠液体灌装机的优化设计
摘要
灌装机是酒水、饮料类等食品加工行业的关键设备之一。
目前正朝着灌装的高速化、精确化以及智能化、多功能化方向发展。
本文针对传统灌装机性能比较单一，自动化程度低，通用性差，灌装速度调整不方便，而且难以适用瓶形、液体物料及灌装规格的变化等问题，结合全自动液体灌装的工艺流程，分析了全自动液体灌装机的工作过程及其主要部件的功能，重点介绍了全自动液体灌装机关键工作环节的工作原理及控制要求。
全自动液体灌装机实现了灌装生产高速化、精确化、智能化、多功能化以及操作界面人性化的要求，对灌装工作过程进行实时监控及动态管理，提高了液体灌装的自动化水平，提高了生产效率。
关键词：
灌装，包装，灌装机，供瓶系统
Abstract
Liquidfillingmachinewasoneofcriticalequipmentsinthefiledoffoodprocessingforbeverages．Atpresent，thedevelopmenttendencyofLiquidfillingmachinewashighspeed、accurate、intelligentandmultifunction．
Thispapercomparedtheperformanceoftraditionalsingle．cylindermachine，thelowerdegreeofautomation，poorGM，fillingspeedofadjustmentisnotconvenient，butdifficulttoapplyabottle—shaped，liquidfillingmaterialsandthechangesinspecificationsandotherissues，combinedwithfullyautomaticliquidfillingprocessprocesses，analysisoftheautomaticliquidfillingmachineoftheworkingprocessanditsmainfunctionalparts，focusesontheautomaticliquid
fillingmachineofthekeyaspectsoftheworkoftheworkingprincipleandcontrolrequirements。
Full-automaticliquidfillingmachinetoachievethefillingoftheproductionofhigh-speed，precision，intelligence，multi—functionalaswellashumaninterfacerequirements．Workonthefillingprocessofreal-timemonitoringanddynamicmanagement，increasedautomationlevelofliquidfilling，increasedproductionefficiency．
Keywords：
Filling，packaging，fillingmachine
第一章绪论
随着食品工业的发展，人民生活水平的不断提高，食品的需求量和种类的与日俱增，食品包装也日渐突出。
食品包装机械是对食品进行全部或部分包装过程的机器，包装过程包括充填、裹包、封口等主要包装工序，以及与其相关的前后工序、计量等辅助工作。
食品包装是食品工业生产的一个重要环节，发展食品包装机械化，可以提高劳动生产率，节约大量劳动力，降低劳动强度，改善劳动条件，有利于食品的卫生，提高生产质量，还可以改善环境卫生，节约原料。
在全自动灌装、包装生产线中，液体灌装机是包装机械的重要组成部分之一，其主要用在食品、化工等轻工行业中，在食品行业中的用途则尤为重要，例如：
酒水、饮料、乳品、油脂以及调味品等与日常生活息息相关的产品的包装。
另外是在化工行业中包括洗涤类、日化、矿物油和农药等化工类液体产品的灌装。
然而，由于我国灌装行业起步较晚，灌装、包装的自动化水平较低，市场自动化灌装设置要求很高。
基于此，本文作者选择采用可编程控制器结合上位机软件进行控制的全自动液体灌装机作为讨论的主题进行研究和设计。
液体灌装基本原理
灌装就是将一定量的液体物料注入到包装容器中的过程。
这种液体物料主要是指具有低粘度的可流动型液体物料，如酒类、汽水、果汁等，它们可以依靠自重以一定速度流入到包装容器中；另外还可灌装一些中等粘稠液体物料和一些高粘度物料，如果酱、油脂、牙膏及黄油等，对这些物料的灌装依靠重力是不能使其按要求流动的，因此需要施加一定的压力将其挤入或压入到包装容器中。
由于液体种类很多，其性能不一，如粘度、起沫性、含气性、挥发性等各不相同，所以采用的灌装方法不一样，其次液料的包装容器也不同，有玻璃瓶、金属罐、塑料瓶、复合纸盒等，所以，依据不同的包装容器、包装物料及不同的灌装工艺，灌装机的灌装方法也是不相同的。
第二章整机总体方案设计
2.1灌装机简介
粘稠液体灌装机就是一种将液体按照预定的量灌入到特定容器的机器。
灌装机属于包装机械范畴，它的种类繁多，结构复杂。
但通过对其工作原理和结构性能的分析，基本都是由八个部分组成的，又称为包装机械的八大组成要素，如图2-1所示：
图2-1包装机械的八大组成要素
2.2灌装机的总体设计
根据灌装机中包装容器的传送形式可将其分为两类：
1、直线型灌装机2、旋转型灌装机。
由于旋转型灌装机连续生产，占地少、生产能力大、生产效率较高，固采用旋转型灌装机。
本次设计因为时间限制，只进行了灌装机的传动系统、灌装系统、机架部分以及计数系统的讨论和设计。
全自动粘稠液体灌装机的间歇转位主要由槽轮机构实现，其余则由传动部分、灌装部分、计数部分组成。
因为工作轴和主动是轴垂直的，所以还需要一对锥齿轮来换向。
灌装阀的柱塞与主轴相连，这样就实现了主轴旋转、工作台精确转位、定量灌装及压盖同时协调进行。
总体设计方案流程如图2-2所示，灌装机总装图如图2-3所示。
图2-2总体设计方案流程图
图2-3灌装机传动装配图
具体的工作流程为:
电动机提供动力经带传到蜗轮，通过两级减速后再由蜗轮传递给主轴，此时转速达到工作要求。
主轴把动力分别配给槽轮部分和灌装部分，实现主轴每旋转一周，旋转工作台进行一次转位，灌装阀同时打开关闭完成一次定量灌装，灌装好的产品正好滑下，至此实现产品的灌装输送任务。
本设计中的难点在于各部分需要有序的协调工作完成灌装，最后加上铁皮包装灌装机的最后效果图如图2-4所示，该灌装机的主要参数见表2-1。
图2-4灌装机效果图
表2-1灌装机主要指标
指标
参数值
灌装物料
粘稠液料
灌装容器
直径70mm，高度h=35mm的圆盒
灌装阀头数
1个
生产能力
45盒/分钟
电机功率
2.2KW
2.3本章小结
本章主要介绍了灌装机的基本组成要素和本次设计的总体方案，确定了自动灌装机各部分的机构和各部分的布局。
同时在三维软件UG中建立了灌装机的三维模型，对灌装机进行了虚拟装配，进行了干涉检测，确定了灌装机的最后模型和尺寸。
第三章传动系统的设计
3.1电动机的选择及各轴的动力参数
3.1.1电动机的选择
在电动机的选择中主要包括以下几个方面：
电动机的种类、外形、额定电压、额定转速以及额定功率等。
考虑到粘稠液体自动灌装机要求的转速不高，功率不大，工作环境对电动机要求不高，因此从经济角度考虑适合选用三相异步电动机。
电动机型号Y100L—6，额定功率2.2KW，转速1440r/min。
3.1.2各轴的动力参数
表3-1各轴的动力参数
粘稠液体自动灌装机功率很小，所需电机的功率可按1.8KW计算，各轴的动力参数见表3-1，灌装机传动路线三维模型如图3-1所示。
轴
参数
电动机（小带轮）轴
蜗杆（大带轮）轴
涡轮（凸轮）轴
从动锥齿轮轴
直齿轮（拨盘）轴
转速n（r/min）
1440
720
45
45
45
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
传动比
2
16
1
1
效率
90%
80%
90%
95%
图3-1灌装机传动路线三维模型
3.2带与带轮的参数
表3-2带与带轮的参数
V带的型号
A型
初取小带轮直径
100mm
初取大带轮直径
200mm
两带轮实际中心距
386mm
V带根数
2根
Ｖ带带速
7.54m/s
带轮的形状如图3-2示。
图3-2带轮形状图
3.3轴的设计要求及材料
表3-3轴的设计要求及材料
项目
要求
项目
要求
转向方式
单向恒定
硬度（HB）
250
工作情况
无腐蚀条件
抗拉强度
750MPa
转速
45r/min
屈服点
550MPa
功率
1.1kW
弯曲疲劳极限
350MPa
转矩
270N·m
扭转疲劳极限
200MPa
材料
40Cr
许用静应力
300MPa
许用疲劳应力
194MPa
轴的结构图见图3-3
图3-3轴的结构图
经过校核，齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度符合要求，满足结构要求。
3.4齿轮模态分析
为了提高齿轮设计的效率，提高其工作的可靠性，应避免齿轮在传动系统中产生共振,在齿轮设计中，常对齿轮进行模态分析。
首先使用SolidWorks对渐开线齿轮进行三维实体建模（如图3-4），然后通过SolidWorks与ANSYS的接口导入ANSYS中，利用ANSYS软件对齿轮进行模态分析，计算出齿轮的低阶固有振动频率和主振型，为齿轮系统的动态设计提供参考，同时也为齿轮系统的动态响应计算和分析奠定了基础。
图3-4线圆柱齿轮模型图
3.4.1模态分析
材料的设定
选取齿轮材料为40Cr进行分析，材料属性如表3-4所示。
表3-4齿轮材料属性值
材料
弹性模量EX
泊松比PRXY
质量密度
40Cr
2.06e11Pa
0.3
7.8e03Kg/m3
加载约束
本文主要分析齿轮自由模态下的各阶固有共振频率和主振而不考虑齿轮有预应力的情况，不对齿轮模型施加载荷，只对齿轮内孔进行自由约束。
求解及分析
采用的算法为ANSYS默认的算法-BlockLanczos（分块兰索斯法），提取齿轮前10阶模态，进行求解。
同时对模态进行扩展设置，并进行扩展求解。
利用ANSYS通用后处理器方便地对其进行观察和分析，并可以对各阶模态进行动画演示。
求解完毕后，采用通用后处理器对求解结构进行后处理，对其各节点的位移情况进行观察和分析，并对各阶模态振型进行动画显示。
该渐开线齿轮前12阶频率为：
840.86HZ、842.3HZ、1069HZ、1199.9HZ、1365.2HZ、1367.2HZ、2929.3HZ、2930.5HZ、4676.1HZ、4747HZ、4911.5HZ、4911.7HZ，如图3-5所示。
图3-5渐开线齿轮前12阶频率图
渐开线齿轮前12阶的固有振型，如表3-5所示。
表3-5渐开线齿轮前12阶的固有振型表
模态
频/HZ
振型
1
840.86
齿轮绕x轴摆动，一阶弯曲振
2
842.3
轮齿绕y轴摆动，一阶弯曲振
3
1069
轮齿径向收缩，伞形振
4
1199.9
轮齿沿x轴振动，圆周振
5
1365.2
轮齿端面双向弯曲，二阶弯曲振
6
1367.2
轮齿端面双向弯曲，二阶弯曲振
7
2929.3
轮齿端面三向弯曲，三阶弯曲振
8
2930.5
轮齿端面三向弯曲，三阶弯曲振
9
4676.1
轮齿绕y轴摆动，一阶弯曲振
10
4747
轮齿绕z轴摆动，一阶弯曲振
11
4911.5
轮齿端面三向弯曲，三阶弯曲振
12
4911.7
轮齿端面三向弯曲，三阶弯曲振
渐开线齿轮前12阶的模态振型图如图3-6所示。
4阶振型
3阶振型
2阶振型
1阶振型
2阶振型
1阶振型
8阶振型
7阶振型
6阶振型
5阶振型
12阶振型
11阶振型
10阶振型
9阶振型
图3-6齿轮前12阶模态振型图
从表3-3可以看出齿轮的模态分布主要为1阶弯曲振动（分别是1阶、2阶、9阶、10阶）和3阶弯曲振动（分别是7阶、8阶、11阶、12阶），3阶伞形振动，4阶为圆周振，第5阶和第6阶为弯曲振动。
3.4.2结论
（1）利用SolidWorks软件的插件Toolbox，快速的建立了齿轮模型，有效的减少了齿轮设计的时间，同时利用了SolidWorks与ANSYS之间的接口，准确的将齿轮模型导入ANSYS中，弥补了ANSYS的不足，同时提高了设计的可靠性。
（2）低阶的模态振型对振动影响较大，在齿轮传动设计中应考虑齿轮的固有频率和振型，使外界激励响应的频率避开齿轮的固有频率，以避免齿轮发生共振现象。
（3）在ANSYS有限元分析软件中对齿轮进行了动力学模态分析，求出了齿轮前12阶的固有频率和振型，为齿轮设计提供了理论依据。
（4）对齿轮的模态振型分析表明，频率相近的各阶振型也大致相同，弯曲振是齿轮发生共振可能性最大的振型。
3.5本章小结
本章确定了灌装机中的传动参数，充分保证设计方案的可靠性，同时兼顾产品的各项性能及各部件之间配合的合理性，使设计具有真正意义上的实用性。
第四章灌装装置的设计
液体食品填充，习惯上称为灌装，食品种类很多，其理化特性各异，故灌装的方法也有很多种。
影响液体食品灌装的主要因素是液体的黏度，其次为是否溶有气体，以及起泡性和微小固体物含量等。
因此在选用灌装方法和灌装设备时，首先要考虑液体的黏度。
4.1本课题灌装方案的选择
粘稠液体属于一种半流体，单靠重力无法准确的实现定量灌装，并且还要求灌装机构应与槽轮机构的运动周期相协调，为了满足这一要求，特设计了柱塞式灌装装置，如图4-1所示。
该装置的工作过程为：
当槽轮机构在静止时间的末期时，柱塞向下运动，与容器相联通的单向阀的阀门打开，而出料管处的阀门关闭，此过程为吸料；当槽轮机构处于静止时间时，活塞则向上运动，与容器相通的单向阀的阀门关闭，而出料管处的则阀门打开，开始灌装液料，此即为一个灌装过程，并且依次周期循环工作，灌装一次粘稠液体体积为:
=0.118L。
4.2顶杆的优化设计
顶杆的作用是将凸轮的动力传递到灌装机构，同时完成压盖功能，实现定量灌装和精确压盖。
4.2.1模型的建立
用UG对顶杆进行三维建模，模型如图4-2所示。
顶杆的左端连接定量灌装机构，带动定量灌装机构完成定量灌装。
顶杆的右端用来扣压瓶盖，完成压盖功能。
图4—2顶杆三维模型
4.2.2应力分析
在ANSYS中运算得顶杆的应力分布图和应变图。
由图可知，顶杆的最大变形量和最大应力，如图4-3、4-4所示。
图4-4顶杆应力图
图4-3顶杆应变图
4.2.3优化设计
由上图分析可知顶杆左端变形严重，可能影响定量灌装，应对顶杆左端进行优化。
在顶杆左端直角处加上加强筋，如图4-5所示。
图4-5顶杆优化模型图
通过对优化后的模型进行静力分析可知顶杆的最大变形量和最大应力值都明显减小，如图4-6、4-7所示。
图4-6顶杆优化后的应变图
图4-7顶杆优化后的应力图
4.3本章小结
本章节内容简要介绍了在灌装机械中几种常用的灌装方法，从粘稠液体自身的特点和所要设计的机构要求方面综合考虑，选用了压力法定量灌装。
本文选用柱塞机构作为定量装置，它既可以提供压力也可以控制灌装量。
而在应用中如果要改变灌装量的大小，则可通过调节柱塞行程的方法来实现，同时在ANSYS中对顶杆进行了静力分析，对顶杆模型进行了优化设计，对原来顶杆模型进行了改进优化，减小了顶杆的变形量和应力值，使顶杆的整体变形量更加均匀，为保证定量灌装和精确压盖功能提供了基础。
第五章机架的设计
5.1机架的设计
根据整体的布置情况和尺寸要求，按整体具体要求用槽钢，角钢焊接而成的，并按强度组装焊铆在一起，支承电机，并且使各部件空间位置固定形成一整体。
机架包括底架，支腿等几部分组成。
5.1.1机架的材料选择
由于自动灌装机承重不是很大，所以选用强度良好的Q235碳素钢来设计制造机架。
受弯构件的截面形式有v字钢，在自动灌装机机架中，载荷主要来自于支撑电机及各轴系，保证截面不会发生扭转等一些情况，所以采用由v字钢来焊接而成，采用v字钢能起到节省材料的目的。
根据《材料力学》上册附录Ⅱ表3查取截面系数
的标准值
=87.1
，选取槽钢型号为热轧普通型槽钢，
如图5-1所示。
图5-1ｖ字刚截面图
5.1.2机架的大体尺寸
底架的总长度850㎜，总宽度为540㎜，总高度为830mm，主要由焊接工艺来完成组装，具体图形尺寸如图5-2所示。
图5-2机架工程图
5.2机架模态分析
机架是自动灌装机的关键承载部件，是所有部件的安装基础。
目前，机架的振动特性成为人们关心的问题。
因此对机架的振动的分析就显得很有必要，为解决机架的振动的问题，需知道机架的振动特征，通过运用CAE的分析方法来全面了解机架的各部件对整体刚度的影响同时对机架进行重新设计，以确保机架有足够的强度和刚度要求，模态是机架振动特性的一种属性表征，它是构成各种工况的最基本的振动形态。
通过模态分析可以得到机架的固有频率和各主要振型，为机架整体结构获得更好的动态性能和优化设计提供理论设计依据。
5.2.1模型的建立
利用三维软件UG建立机架的三维模型如图5-3所示。
图5-3自动灌装机机架三维模型
5.2.2划分网格
由于动臂的实际结构主要由不同厚度的薄钢板焊接而成，且几何模型复杂,故划分有限元模型的单元类型选择三维实体单元Solid45，此单元由8节点组合而成，每个节点有3个自由度，网格模型如图5-4所示。
图5-4机架的网格划分图
5.2.3施加约束和载荷
机架在工作过程中主要是承受电机、各轴系及灌装部分的重力，同时承受主动锥齿轮轴的轴向力以及自身的重力作用。
经ANSYS分析计算，机架最大变形量为11.52mm，最大应力为，最大应力111.2MPa没有超过许用应力135MPa，充分的说明了动臂受力是安全的。
变形及应力情况分别如图5-5、5-6所示。
图5-6机架的应力图
图5-5机架的应变图
5.2.4模态分析
自动灌装机机架在工作中主要起支撑作用常出现振动不稳定的情形，为了减小机架的振动，保证和提高动臂的稳定性和可靠性，有必要对机架进行模态分析。
模态分析常用来确定设计的结构和部件的固有频率和振动特性，使设计人员尽量避开这些频率或尽可能的减少在这些频率上的激励，同时为设计人员对承受动态载荷结构设计提供了重要参数，从而减少振动和噪音。
为此，本文对机架采用无阻尼约束进行了模态分析，并提取了动臂结构的前18阶频率的模态振型图，如图5-7所示。
9阶模态
8阶模态
7阶模态
12阶模态
11阶模态
10阶模态
15阶模态
14阶模态
13阶模态
18阶模态
17阶模态
16阶模态
图5-7机架的前18阶模态振型图
从机架模态振型图（图5-7）可知机架振动主要在机架上端，机架在的第7、9、11、12、17阶在X-Z平面振动，第8、10、13、14、15、16、17、18阶机架整体弯曲扭转振动。
5.3本章小结
（1）利用UG与ANSYS具有良好的接口，可以实现它们之间的无缝连接，避免了数据丢失的现象，同时有效的弥补了ANSYS建模功能的不足，有效的提高了设计的可靠性。
（2）利用有限元分析软件ANSYS对机架在最大载荷的工况下的应力、应变进行了分析，验证机架结构满足强度和刚度要求，满足设计要求。
（3）根据前面有限元分析可知，机架在没有阻尼的情况下，机架前六阶模态频率为零，机架前18阶固有频率没有与电动机工作频率（电机频率大概为50HZ）重合，机架在工作过程中，可以避免发生共振。
（4）从对机架模态分析的结果来看，机架上端顶部是机架的薄弱部位，在机架的设计和生产过程中应予以注意。
（5）在ANSYS有限元分析软件中对机架进行了静力强度分析和动力学模态分析，求出了机架的各部位的应力、应变和前18阶的固有频率、振型，为机架设计提供了理论依据。
（6）从ANSYS分析中可以得出结论，本机架设计符合除了满足自动灌装机的功能要求，还满足材料的刚度和强度要求。
第六章灌装计数器的设计
6.1系统总体设计
灌装计数器系统总体设计如图6-1所示，采用时钟芯片DS1302进行计时，单片机对漫反射型光电开关传感器采集数据进行处理。
LCD12864对灌装效率、灌装总瓶数以及时间等信息进行显示。
蜂鸣报警器可以在单片机处理数据等遇到错误信息情况下进行及时报警，提醒工作人员处理。
E2PROM存储器可以将总灌装瓶数等其他需要记录的信息进行有效存储，防止系统由于外部原因等突然掉电后的信息丢失。
操作人员可以通过按键对实时时钟进行调整，并能够对E2PROM存储器的信息进行配置或清除等。
图6-1系统结构图
此外，本系统留有RS-485接口，传输距离设计可达1000米以上。
这样就可以通过RS-485总线将采集的灌装生产率、总瓶装数等信息实时上传到电脑等中央处理器。
若对多个灌装设备进行信息传输的话，可采用485集线器来建立起设备网络，如图6-2所示。
图6-2设备网络结构图
6.2系统硬件设计
6.2.1单片机的选型
STC89C52单片机（如图6-3所示）采用经典的MCS-51内核，是一种低功耗、高性能的8位MCU，它具有8K字节Flash，512字节RAM，4个外部中断，3个16位定时/计数器，32个通用I/O口以及全双工串行口，最高运作频率35MHz。
程序开发、下载方便，满足设计要求。
图6-3STC89C52RC单片机引脚图
6.2.2传感器的选择
常用的灌装计数器为对射型红外传感器。
其工作原理是将该传感器固定安装在传送带两旁的机架上，当传送带上有瓶子经过时，便将对射型红外传感器进行遮挡，从而产生一个触发信号，由单片机进行采集计数。
该对射型红外传感器安装要求较高。
为了安装使用方便，本设计中采用漫反射型光电开关传感器，当灌装瓶进入其检测范围时，该传感器输出一个电平触发信号，可用于单片机进行计数。
工作原理图如图6-4所示。
图6-4光电开关传感器工作原理图
由于光电传感器的工作及输出电压信号为DC6V~12V，而单片机工作采集电压为5V左右，在此采用双电压比较器LM393进行电压转换，将传感器输出的高电平转化为+5V，低电平转化为0V。
转化之后再输入至单片机进行数据处理。
漫反射光电传感器
升级会员 