基于CATIA软件的包装机称重装置的设计.docx
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基于CATIA软件的包装机称重装置的设计
摘要
本文分析了近年来国内外定量包装机的发展及现状，原理以及结构，提出了包装机称重装置的总体设计方案以及各部分零件的设计。
对该装置的工作原理、总体构造、设计参数等进行了研究。
着重分析了包装机称重装置的各部分结构特点并对一些结构功能等细节加以改进，使得该称重装置能够适应更多的称量环境并有更好的工作稳定性。
本文采用CATIA三维软件绘制出包装机称重装置的整体3D效果图以及二维零件工程图。
该软件由法国达索飞机公司开发的高档CAD/CAM软件，其强大的设计功能使三维零件设计变得简单快捷。
关键词:
定量包装机；称重装置；CATIA三维制图
Abstract
ThesepapersanalyzesthequantitativepackingmachinedevelopmentaroundtheworldandinChinaincurrentsituation,studythequantitativepackingmachineprincipleandstructure,Proposedpackagingmachineweighingdevicedesignandtheworkingprincipleofthedevice,theoverallstructure,andthedesignparameterswerestudied.Somedetailsofthestructureandfunctiontoimproved.Inthispaper,CATIAsoftwarewasmanagedtomapouttheoverallpackagingmachineweighingdevice3Drenderings.
Keywords:
quantitativepackingmachine；weighingdevice;CATIAdrawing.
1前言
定量包装机是一种能将大批散状物料自动分成重量相等的小份额载荷的自动设备。
它已经越来越受到欢迎，并渗透到各行各业。
该机配以PLC气动控制装置，具有精度高、高速度及长期工作可靠性好等特点。
它可以和自动取袋、封口机配合使用，根据不同物料的料性及工艺要求，进行自动称重包装，从而满足了国内粮食及其初深加工产品计量包装的性能指标要求，并广泛应用于粮食、化工等行业【1】。
2定量包装机概论
2.1定量包装机发展状况
中国包装机械起步较晚，起于上个世纪70年代，北京市商业机械研究所在研究了日本的包装机械后，完成制造了中国第一台包装机，经过20多年的发展，中国包装机械已成为机械工业中十大行业之一，为中国包装工业快速发展提供了有力的保障，有些包装机械填补了国内空白，已能基本满足国内市场的需求，部分产品还有出口。
但在目前，中国包装机械出口额还不足总产值的5%，进口额却与总产值大抵相当，与发达国家相去甚远。
在行业快速发展的同时也存在一系列的问题，现阶段中国包装机械行业水平还不够高。
包装机械市场日趋垄断化，除了瓦楞纸箱包装机械和一些小型包装机有一定规模和优势外，其它包装机械几乎不成体系和规模，特别是市场上需求量大的一些成套包装生产线，如液体灌装生产线、饮料包装容器成套设备、无菌包装生产线等，在世界包装机械市场中均被几家大包装机械企业集团所垄断，面对国外品牌强劲冲击国内企业应该采取积极对策。
从现阶段情况看，全球的包装机械需求以每年5.3%的速度增长。
美国拥有最大的包装设备生产商，其次是日本，其他主要生产商还包括德国、意大利和中国。
但未来包装设备生产增长最快的是在发展中的国家和地区。
发达国家将从刺激国内需求中获利，并在发展中国家寻找当地合适的生产厂家，特别是在食品加工厂进行投资，提供包装机械设备。
而中国自加入世贸组织以来取得了长足的进步，中国的包装机械水平提升非常快，与世界的先进水平差距逐渐缩小。
随着中国的日益开放，中国的包装机械也将进一步打开国际市场。
【2】
目前，我国的食品包装企业大部分规模偏小，“小而全”是其主要特征之一，同时存在着不顾行业发展要求，重复生产那些成本低、工艺水平比较落后、易于制造的机械产品，行业内目前大约有1/4的企业存在低水平重复生产现象。
这是对资源的极大浪费，造成包装机械市场的混乱，阻碍行业的发展。
随着科学技术的不断发展，各种食品、水产加工品的出现，对食品包装技术和设备都提出了新的要求。
目前，食品包装机械竞争日趋激烈，未来的食品包装机械将配合产业自动化，促进包装设备总体水平提高，发展多功能、高效率、低消耗的食品包装设备。
实现食品包装机械机电一体化，传统的包装机械多采用机械式控制，如凸轮分配轴式，后来又出现了光电控制、气动控制等控制形式。
但是，随着食品加工工艺的日益提高，对包装参数的要求不断增多，原有的控制系统已难以满足发展的需要，应采用新的技术改变食品包装机械的面貌。
当今的食品包装机械是集机、电、气、光、磁于一体的机械电子设备，在设计时，应着力于提高包装机械的自动化程度，将包装机械的研发与计算机结合，实现机电一体化控制。
机电一体化的实质就是从系统观点出发，运用过程控制原理，将机械、电子与信息、检测等有关技术进行有机组合，实现整体最佳化。
总体讲，它是将微机技术引入到包装机械，应用机电一体化技术，开发智能化包装技术，按产品自动包装工艺要求组合成全自动包装系统进行生产，生产过程的检测与控制、故障的诊断与排除将实现全面自动化，实现高速、优质、低耗和安全生产。
可用于水产加工食品的精确计量、高速充填和包装过程自动控制等，将使包装机械结构大为简化，提高包装产品质量。
如最常见的塑料袋封口机，其封口质量与包装材料、热封温度和运行速度等有关。
如材料（材质、厚度）发生变化，那温度和速度也要随之改变，但变化多少却难把握。
如采用微机控制，将各种包装材料的封口温度和速度的最佳参数匹配输入微机存储器，再配上必要的传感器，组成自动跟踪系统，这样，不管哪个工艺参数改变，都能保证最佳的封口质量。
食品包装机械其技术发展趋势主要体现在高生产率、自动化、单机多功能、多功能组成生产线、采用新技术上。
如:
多工位制袋真空包装机，其制袋、称重、充填、抽真空、封口等多种功能可在一台单机上完成；功能不同、效率相匹配的几种机器可组合成为功能较齐全的生产线，如法国CRACECRYOYA和ISTM公司研制的鲜鱼真空包装生产线。
采用相关新技术，在包装方法上大量采用充气包装取代真空包装，将充气成分、包装材料与充气包装机三方面的研究紧密结合起来；在控制技术上，更多地应用计算机技术和微电子技术；在封口方面应用热管和冷封口技术。
另外，随着包装从单一技术转向与加工相结合研究取得进展，应将包装技术领域延伸到加工领域，开发包装、加工一体化的食品加工包装设备【3】。
2.2包装的自然功能----物质功能或实用功能
（1）保护功能：
即保护产品的内容、形态、质量、性能、保护消费者安全使用产品。
（2）方便功能：
方便开启使用，打开包装就能立刻消费产品。
（3）便于搬运装卸。
（4）方便生产加工、周转、装入、封合、贴标、堆码等。
（5）方便仓储保管与货物、商品信息识别。
（6）方便商店货架陈列展示与销售。
（7）方便消费者携带、开启、方便消费应用。
（8）方便包装废弃物的分类回收处理。
2.3定量包装机称重装置的研究意义
商品包装是一个新兴的行业，中国包装行业已用20多年的时间，走完了发达国家近40年来的发展路程。
现代包装行业是在商品经济日益繁荣，市场竞争日趋激烈的新形式下，逐步成长起来的。
在商品流通中,人们对粉状或颗粒状小袋商品的包装要求主要有两个方面,一是要求包装美观,以便吸引顾客,并保证商品在流通环节中包装袋不出现任何形式的破损。
其二是要求包装袋内的商品计量准确,误差小（包装行业标准要求计量误差小于5‰）,以维护商品生产厂商的信誉、形象。
因此商品包装的精确计量,是包装行业时刻关注的一项重要课题。
2.4定量包装机称重装置的原理、结构特点
当定量包装机称重装置进入自动运行状态后，控制系统打开给料门开始加料，该给料装置为快、慢两级给料方式；当物料重量达到快给料设定值时，停止快给料，保持慢给料；当物料重量达到最终设定值时，关闭给料门，完成称重过程；此时系统检测夹袋装置是否处于预定状态，当包装袋已夹紧后，系统发出控制信号打开称量斗卸料门，物料进入包装袋中，物料放完后自动关闭称量斗的卸料门；卸空物料后松开夹袋装置，包装袋自动落下；包装袋落下后进行缝包并输送到下一工位。
如此循环往复自动运行。
质量定量最直接和准确的方式是通过称量来实现的。
通过称量完成质量定量的装置称作定量包装秤【4】。
定量包装秤由称重单元、输送装置、气动系统、计量系统等组成。
其中影响打包速度和准确度的关键部件是称重单元，它包括储料仓、闸门、截料装置、秤体、夹袋装置、支架、电气控制装置等。
储料仓为缓冲式料仓，用于物料储备并提供一个接近均匀的物料流；闸门位于储料仓底部，当设备检修或出现故障时，用于将物料封阻在储料仓内；截料装置由截料斗、截料门、气动元件、补气门等组成，在称重过程中提供快、慢两级给料，其快、慢给料的物料流均可单独进行调整，从而保证定量包装秤满足计量的准确度要求和速度要求；补气门的作用为平衡称重时系统内的空气压差；秤体主要由称量斗、承重支架和称重传感器组成，完成重量到电信号的转变并传输给控制单元；夹袋装置主要由夹袋机构、气动元件等组成，作用为夹紧包装袋，让称重完毕的物料全部落入包装袋；电气控制装置由称重显示控制器、电气元器件、控制柜组成，作用为控制系统工作，使整个系统按预先设定的程序，有序工作【5】。
3定量包装机称重装置的设计
3.1主要设计任务：
设计一种粒料（大米、饲料、化肥等）包装机的称重装置
3.2主要技术指标：
物料:
大米、饲料
称重范围:
5～50kg双称重装置
PLC自动控制、自动夹紧、人工套袋和扎口
3.3称重装置主要工作部件结构设计
3.3．1称重装置的结构形式选择
集装袋定量包装机的称量形式基本分为毛重式和净重式。
连同包装袋一起进行称重的方式称为毛重式（右图a）,采用称量斗对物料进行称重后再充填到包装袋的方式为净重式（右图b）。
图a:
该种包装机工作过程是直接将图1a所示料包1内的待称物料充填到包装袋2,在充填的同时对袋内物料进行称量,当被称物料的重量达到设定值时,充填自动停止。
由于是连同包装袋一起称量的,所以称之为毛重式包装机。
图3.3.1称量装置结构形式
图b：
先由称量斗4对物料进行称量,然后再将物料充填到包装袋内,称量和充填分2步完成。
其特点是包装速度快,生产能力大,但设备体积大,设备和土建投资相对也大【6】。
3.3.2两种包装机工作形式的比较
（1）称量精度 两种工作形式的称量精度基本相同。
（2）包装能力 毛重式包装机最快工作速度为60s/袋;净重式包装机最快速度为40s/袋。
（3）设备价格 毛重式包装机价格较低,净重式包装机价格比毛重式约高1倍。
（4）占用空间 毛重式包装机占用空间高度约为3～4m,净重式约为6～8m。
通过比较,我们认为在包装能力没有特别要求的情况下,采用毛重式包装机是较佳的选择。
3.4结构改进:
（1）毛重式称重机构采用杠杆原理，在传感器普及之前被广泛使用。
但其称量精度较低，在包装时容易产生误差。
目前普遍使用压力称重传感器称重，提高了效率与精确度。
结构上，本文将舍弃杠杆结构，直接将称量桶吊装到称量传感器上。
（2）称量桶的桶壁顶部加装一个小型1/4圆形加强肋，防止称量桶受力变形。
（3）称重桶的吊架直接采用角钢，刚性较好另外在与吊装传感器的螺栓两边加装加强肋，防止横梁变形。
（4）称量桶桶口盖的结构改进：
机电园包装机的桶盖与桶身及气缸的连接杆是直接焊接在一起的，不能活动。
桶盖的自由度与连接杆一样，只能绕转动副在竖直方向转动。
这样的话一旦转动副松动或连接杆变形，桶盖与桶口的接触关系就会被破坏，造成密封不良。
本文将桶盖与连接杆间又加了一个转动副，这样桶盖的受力方向只能竖直向上，即使出现转动副松动，桶盖仍然能够与桶口保持密切接触。
另外，可以在需要时在桶盖内侧加装橡胶密封垫，以适应对不同的物料的称量。
3.5秤体结构：
秤体由秤架和称量器组成。
秤架将给料装置、称量器、下料槽连成一体。
气动控制箱装在框架的一侧，内置传感器接线盒、电磁阀等。
端面用于安装传感器结构件。
称量器由秤斗及称重传感器等组成，秤斗一侧水平放置放料气缸，用于秤斗放料门的开启/闭合。
3.6称量桶材料选择
由于称重装置要求称量精度，而且称量的物料（化肥）含有化学成分，会有腐蚀金属的现象。
为了保证称量精度和称重装置的整体结构及功能性，本文选择了白铁皮、不锈钢板作为候选称量桶的制作材料。
3.6.1两种材料的对比
不锈钢板规格表
名称
材质
规格
单位
单价
产地
不锈钢板
0Cr13
0.4～3*1000/1219
吨
商议
太钢
不锈钢板
0Cr13
4,5,6,8,10,12,14～20*1250/1800
吨
商议
太钢
不锈钢板
1Cr13
0.4～3*1000/1219
吨
商议
太钢
不锈钢板
1Cr13
4,5,6,8,10,12,14～20*1250/1800
吨
商议
太钢
不锈钢板
2Cr13
0.4～3*1000/1219
吨
商议
太钢
不锈钢板
2Cr13
4,5,6,8,10,12,14～20*1250/1800
吨
商议
太钢
不锈钢板
430
0.4～3*1000/1219
吨
商议
张浦/太钢/南非
不锈钢板
201
0.4～3*1000/1219
吨
商议
联众/印度
不锈钢板
201
4,5,6,8,10,12*1500
吨
商议
联众/印度
不锈钢板
202
3,4,5,6,8,10*1500
吨
商议
日本/联众
不锈钢板
304
0.4～3*1000/1219
吨
商议
张浦/太钢/宝新
不锈钢板
304
3.4,5,6,8,10,14～80*1500/1800
吨
商议
张浦/太钢/宝新
不锈钢板
321
0.4～3*1000/1219
吨
商议
张浦/太钢/克虏伯
不锈钢板
321
4,5,6,8,10,14～80*1500/1800
吨
商议
张浦/太钢/克虏伯
不锈钢板
316L
1～3*1000/1219
吨
商议
北美/南非
不锈钢板
316L
4,5,6,8,10,12,14～80*1500
吨
商议
北美/南非
不锈钢板
309S
1～3*1000/1219
吨
商议
瑞典/南非
不锈钢板
309S
4,5,6,8,10,12,14～20*1500
吨
商议
瑞典/南非
不锈钢板
310S
1～3*1000/1219
吨
商议
北美/西班牙
不锈钢板
310S
4,5,6,8,10,12,14～20*1500
吨
商议
北美/西班牙
选用通用型号304不锈钢板；GB牌号为0Cr18Ni9，厚度为3mm。
或选用18号白铁皮，厚度1.245mm.
（1）白铁皮板材较薄，可塑性较好，容易被腐蚀
不锈钢板刚度比白铁皮大，作为称重桶材料可以较好的保持其结构形态，稳定性好。
（2）白铁皮密度小，作为称量桶材料有轻便的优点。
不锈钢板密度较大，作为称量桶，桶身较重。
（3）价格上白铁皮大约为5.5元/千克，不锈钢板10元/千克。
（4）耐腐蚀性不锈钢大大优于白铁皮。
综上所述虽然不锈钢价格较高重量较重但为了防止材料被腐蚀从而保证称重装置的称量精度，以及保持称重装置的结构，决定采用通用型号不锈钢板304。
3.7主要参数的计算
3.7.1称体容积
考虑到重力式颗粒料定量包装机工作的连续性，储料斗内的粮食至少要保证两次包装所需的质量，即50kg。
由于是双称包装，以实现必要时粒料分别称重与混合。
每个称重桶的容积为
V料斗=V上口+V梯形主体=0.072m3
储料斗的容量为
M料斗=ρ*V料斗
由于容重ρ的取值关系到储料斗所装粮食的最小质量，因此在本文中以容重较轻的大米为例来进行计算。
=1200kg/m3
86.4kg
由计算结果可知，储料斗容积是满足要求的。
3.7.2称体重量
大约用料面积为0.8平方米304不锈钢密度7.93g/cm3。
所以
M称量桶=S*h*ρ=19.03kg
3.7.3气缸的选型
根据气缸推力拉力的大小要求，选定气缸使用压力参数以及缸径尺寸
气缸推力计算公式：
气缸推力F1=πR2P
气缸拉力计算公式F2=0.25*π（D2-d2）*P
公式式中：
D-气缸活塞直径（cm）
d-气缸活塞杆直径（cm）
P-气缸的工作压力（kgf/cm2）
F1，F2-气缸的理论推拉力
∙上述出力计算适用于气缸速度50~500mm/s的范围内
∙气缸以上下垂直形式安装使用，向上的推力约为理论计算推力的50%
∙气缸横向水平使用时，考虑惯性因素，实际出力与理论出力基本相等
为了避免用户选用时的有关计算，下附双作用气缸输出力换算表，用户可根据负载、工作压力、动作方向从表格中选择合适的缸径尺寸
缸径
mm
气缸的理论输出力（推力）单位：
KG/公斤
使用空气压力MPa
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
10
1.57
2.36
3.14
3.93
4.71
5.50
6.28
16
4.02
6.03
8.04
10.1
12.1
14.1
16.1
20
6.28
9.42
12.6
15.7
18.8
22.0
25.0
25
9.81
14.7
19.6
24.5
29.4
34.4
39.2
32
16.0
24.1
32.2
40.2
48.3
56.3
64.4
40
25.1
37.7
50.3
62.8
75.4
88.0
100.5
50
39.2
58.9
78.5
98.2
117
137
157
63
62.3
93.5
125
156
187
218
250
80
100
151
201
251
300
352
402
100
157
236
314
393
471
550
628
∙选定气缸的行程：
确定工作的移动距离，考虑工况可选择满行程或预留行程。
当行程超过推荐的最长行程时，要考虑活塞杆的刚度，可以选择支撑导向或选择特殊气缸。
∙选定气缸缓冲方式：
根据需要选择缓冲形式，无缓冲气缸，固定缓冲气缸，可调缓冲气缸
∙选择润滑方式：
有给油润滑气缸，无给油润滑气缸
∙选择气缸系列：
根据以上条件，按需选择适当系列的气缸
∙选择气缸的安装形式：
根据不同的用途和安装需要，选用适当的安装形式
∙
气缸附件的选择：
前（后）法兰，脚架，单（双）悬耳，中间铰轴式，铰轴支座式
综上所述，选择气缸缸径为25mm。
【7】
3.8连接杆受力分析
连接杆可简化为一个二力杆模型，
如图所示：
F1为活塞推力，F2为料口受到物料的压力
F1=P气缸*π*r气缸2=9.81*106*3.14*0.1252=4813.03N
F2=ρ物料*S料口*H称量桶*g=1.2g/cm3*324cm2*650cm*9.8*10-3N/g=2476.66N
F1
F2，所以气缸与称量桶盖可以正常工作，保持桶盖密封。
3．9制造成本计算
不锈钢板19KG，10元/千克，190元。
称量桶盖+连接杆+吊架45#钢7元/千克，约15元
气缸50-80元【8】
总价约255-285元。
4CATIA软件绘制称重装置3D图形
4.1各部分零件三维图
图4.1.5称量桶桶盖
图4.1.6气缸活塞杆
图4.2.1称量桶桶身
4.2二维零件图
5结论与展望
5.1结论
论文分析了定量包装秤的原理以及现有定量包装机称重装置的结构，指出了定量包装机称重装置的优点和不足。
提出了新型定量包装机称重装置的设计方案，设计出结构简单合理、性能优异的定量包装秤。
对定量包装秤的发展状况做了详细的分析，在原有定量包装机称重装置基本结构框架基础上分析利弊并对其各个方面给予改进。
并采用CATIA软件完成了定量包装秤整体3D效果图。
5.2展望
定量包装机称重装置运行质量的好坏除了与产品本身的质量有关外，还与日常的维护与保养有很大的关系。
维护调试人员、使用操作人员都应熟悉并严格遵守定量包装机称重装置有关安全操作规程。
坚持以预防为主，预检、预修、计划保养相结合的原则，才能确保设备的性能良好和生产的连续性。
我国企业生产定量包装设备起步较晚，经过20多年的发展，我国的定量包装设备行业发展已经出露端倪，不仅能满足国内市场需求，部分还可以对外出口。
几年前，国内公司顺应发达国家和我国经济发展趋势，在努力学习借鉴国际先进技术经验的同时，着重强调自主知识的创新，开发出高精度、高质量的具有国际竞争力的高技术产品。
为我国定量包装设备稳定持续发展，赶超美、日、德、意四大定量包装设备生产强国贡献力量。
在日趋激烈的国际竞争中争取更广阔的天地，并积极打入欧、美、日本市场争的一席之地。
我国定量包装机称重装置生产企业以小规模为主，产品的设计，研究和开发环节非常薄弱。
我国的定量包装工业过去长期处于一种生产水平低下，主体技术不高的状况，大部分企业目前仍然处于相互照搬照抄国内外技术，降低生产成本的原始经营阶段，更有一些作坊式的小企业用一套图纸存活，一味的追求低成本，严重扰乱国内市场。
企业有自主知识产权，尤其是核心的控制技术，控制器是定量包装机械的大脑，大多数企业却需要从国外或合资、独资企业购买。
目前，我国的定量包装设备已进入调整产品结构、提高开发能力的新时期。
技术升级、产品换代是行业发展的重要课题。
定量包装机械的低水平发展必将影响到整个定量包装业的快速发展，所以必须努力改变其落后状况，争取更大的国内和国际市场。
从市场需求看。
随着世界商品经济日益繁荣，世界包装市场巨大，仅我国在“入世”后预测，2010年ＧＤＰ将比2000年翻一番，达到20000亿美元，相应的包装市场规模至少会达到5000到6000亿人民币，从而对包装机械的市场需求量巨大。
据专家预测，全球包装设备需求年增长率为5.3%左右，2005年将达到290亿美元，2010年接近400亿美元，而其中中国和印度将占有最大的份额。
因此，对包装设备市场的需求，国内、国际两个市场都是巨大的【9】。
从我国要成为“制造强国”的战略目标看。
我国经过几代人前赴后继，数亿人的奋发努力，目前按工业增加值看，1998年我国制造业已位居美国、日本、德国之后，居世界第四位，现在又提出了“制造强国”的目标奋斗。
从制造大国向制造强国跨越，关键是提高制造能力的核心———装备
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