毕业论文+全套设计全自动液体灌装机控制系统的设计与研究.docx
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毕业论文+全套设计全自动液体灌装机控制系统的设计与研究
【毕业论文+全套设计】全自动液体灌装机控制系统的设计与研究
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。
目前正向着灌装的高速化、精确化;以及智能化、多功能化方向发展。
本文针对传统罐装机性能比较单一、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
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ABSTRACT
Liquidfillingmachinewasoneofcriticalequipmentsinthefiledoffoodprocessingforbeverages（Atpresent，thedevelopmenttendency
ofLiquidfillingmachinewashighspeed、accurate、intelligentand
multifunction（
Thispapercomparedtheperformanceoftraditionalsingle（cylinder
machine，thelowerdegreeofautomation，poorGM，fillingspeedof
adjustmentisnotconvenient，butdifficulttoapplyabottle—shaped，
liquidfillingmaterialsandthechangesinspecificationsandotherissues，combinedwithfullyautomaticliquidfillingprocessprocesses，
analysisoftheautomaticliquidfillingmachineoftheworkingprocessanditsmainfunctionalparts，focusesontheautomaticliquid
fillingmachineofthekeyaspectsoftheworkoftheworkingprincipleandcontrolrequirements。
Full-automaticliquidfillingmachinetoachievethefillingoftheproductionofhigh-speed，precision，intelligence，multi—functionalas
wellashumaninterfacerequirements（Workonthefillingprocessof
real-timemonitoringanddynamicmanagement，increasedautomationlevel
ofliquidfilling，increasedproductionefficiency（
Keywords:
Filling，packaging，fillingmachine
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第一章引言
1.1课题研究的目的、意义
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完成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、计量等辅助设备。
食品包装机械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，可以降低劳动强度，改善劳动条件，有利于食品卫生，提高生产质量，还可以改善环境卫生，节约原料。
灌装机械是食品包装机械中的一种，通常将液体产品充填到包装容器内的机器称为灌装机械。
在自动灌装机中，按照灌装的工艺要求、速度、间距和状态，准确地将待灌瓶送入主转盘升降托瓶台上，是保证灌装机正常而有序地工作的关键。
常用的供送装置有链带式、动梁推进式、螺杆和星型拨轮等。
供瓶机构是液体灌装机的必要组成部分，它在液体灌装机中起到承上启下的作用，完善的结构设计可以保证灌装动作的顺利完成，实现其自动化操作。
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1.2国内外液体灌装机现状及其发展趋势
1.2.1国内外液体灌装机械的发展现状
我国饮料灌装机械制造业起步晚，建国后基本上采用的是手工灌装，当时国内啤酒厂和汽水厂都是使用国外早期比较落后的设备，工艺落后，灌装速度慢，而且在卫生上也存在很大问题，严重影响了我国饮料行业的发展。
改革开放后，随着轻工业的迅速发展，一方面我国先后引进了一些国外灌装生产线，在改造一些饮料生产企业的同时，另一方面我国也在自行研制，这就促进了我国的包装机械行业进入了一个新的发展时期，开发出各种自动、半自动中小型的灌装机械，提供给国内大批饮料厂，促进了我国饮料业的迅速发展。
进入20世纪80年代，我国采用技术贸易结合的方式，引进德国SEN公司20000瓶,小时的啤酒灌装线和日本三菱公司18000瓶,d,时的含气体饮料灌装线的制造技术，到1991年又引进了德国KHS公司36000瓶,d,时的啤酒灌装线及生产技术。
这样，我国不仅能够生产中小型的灌装机，而且开始生产大型灌装机。
我们参照国外全自动液体灌装机的先进机型，结合国内液体灌装的实际情况，独立开发设计并制造新型全自动液体灌装生产线，并根据测算，与国外同类产品相比，价格仅是进口设备35,tn，并且完全可以代替进口同类产品，具有良好的价格性能比，同时技术水平也上了一个台阶，将我国液体灌装设备制造业的整体水平提高到一个新的水平。
我国的灌装机械制造业，经历了仿制、引进技术、消化吸收、创新、自主开发的过程，技术进步及创新的速度很快，而且在不
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断缩小与国外先进技术之间的差距。
国内很多厂家生产的灌装机比较有代表性，能在模仿的基础上发展出自己的特色，且能够溶入高新技术，比如有灌装时灌装头自动伸入瓶内缓缓上升，使液体不向外溢，灌装量通过PLC控制在荧屏显示，适合有一定泡沫的药液或化妆品的潜入式灌装机;攻克了屋顶形包装机不能热灌装、不能加盖等难题。
1.1.2国内外液体灌装机械制造业的发展趋势
随着食品工业的发展，在饮料灌装、包装设备方面也不断的向高的方向发展。
目前在这方面的发展水平还是体现在美国、德国、意大利、英国和日本等国家，我国也不断在向这个方向发展。
其主要表现为:
生产的高速化、设备结构合理化、设备的多功能化、控制的智能化，以及设备的绿色化等。
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生产的高速化。
为了迎合市场发展的需求，获取大的经济利益，提高生产速度似乎已经成为生产控制中的一个重要因素。
在一定程度上讲，提高生产速度在不增加劳动力的情况下，唯一的方法就是改进设备，用同样的时间和同样的劳动力去操纵高效率的机器，以生产出相对多的产品。
因此在这方面，提高设备的生产能力就成为重中之重。
目前，在碳酸饮料灌装中，灌装机的灌装速度最高可达2000罐,分，灌装阀头数也分别达到140头、160头、180头;非碳酸饮料灌装机的灌装阀头数也达到50,--,100头【91。
在灌装速度上，灌装速度最高可达1000瓶,分，最高的已经超过1500瓶,分【Iol。
?
结构的合理化。
国内外灌装机械制造商都在致力于产品结构的
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优化，不断的在对老产品进行优化的同时开发出新的产品以适合市场的变化。
一方面是零部结构的优化，设备可靠性的提高，另一方面则围绕设备成本降低，以及操作方便和可维护性进行研究。
例如，德国KRONES公司贴标机的转换部件大大减少，贴标的功能及数量反而增加。
有的“冲一灌一封一一体机全部采用瓶颈夹持输送装置，省去了输瓶导板、导轨、底板等转换部件，不论PET瓶体积大小如何均不需要调整灌装机和封口机的高度，在各种生产时速和各种灌装方式中都能够高速、平稳地输送包装容器。
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设备多功能化。
设备在不断的向多功能化方向发展，早期的灌装设备，功能单一，只适应一种容器或一种液体的灌装，而且灌装量调节范围比较小，不能够适应用户改变包装容器、改变灌装液体及灌装量的变化。
而新型的灌装设备是由几台可以独立工作的设备经过智能组合，按用户的要求组成的不同形式的生产线，用户只需在更换小的部件的情况下就能完全满足对不同容器、不同液体的灌装，而且灌速度调节自如，这样就可以满足用户的不同灌装要求。
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控制的智能化。
早期的灌装设备都是通过机构的功能来进行机械操作，使得设备庞大，运转不灵活，而且可控制性差，误差大等。
随着电子技术的发展，各种功能的传感器和可编程控制器普遍应用于灌装机的控制系统中，而且大型设备更是采用计算机控制，人机界面，故障自我诊断等，实现了设备运行的智能化。
现代灌装技术的目标是精确、高效、自动化。
精确的灌装量、灌装过程的高速、减少尽量小的液损、整条生产线的最优化控制，都由于电子技术的实际应用而成
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为可能。
1.3我国液体灌装机的发展趋势
我国液体灌装机要知足包装行业疾速开展的需求，并积极参加国际竞争，就必需打破“小而散”的行业态势，在“高精尖”的偏向上不时进步。
业界人士以为，将来液体灌装机将共同财产主动化趋向，在技能开展上朝着机械功用多元化，构造设计规范化、模组化，节制智能化，构造高精度化等几个偏向开展液体。
因而灌装机的开展为食物、药品的现代化加工和多量量出产供应了需要的包管。
然后再一次证实了液体灌装机的开展市场潜力宏大。
灌装机首要是包装机中的一小类产物,从对物料的包装角度可分为液体灌装机,膏体灌装机,粉剂灌装机,颗粒灌装机;从出产的主动化水平来讲分为半主动灌装机和全主动灌装出产线.灌装分类按包装物类别首要有三大类:
袋、软管和瓶，灌装机的选用与包装物有亲密关系。
跟着我国酒业的疾速开展,啤酒、葡萄酒、黄酒、白酒等酒类产量继续增进，我国饮料酒（不含果露酒、发酵酒精）总产量已达2878万千升,同比增进8.2%。
有关专家指出，我国饮料行业是高生长性的行业，成熟饮品增进不变，新的热点和增进点不时涌现，新兴饮品的
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增进更快。
还，中国包装机械已开展成世界液态食物行业中有严重影响和极大市场据有率行业。
因而，液体灌装机市场开展潜力宏大。
当今的液体灌装机械，尤其是饮料、啤酒灌装机械和食品包装机械，具有高速、成套、自动化程度高和可靠性好等特点，也是目前灌装机械行业发展趋势走向。
同一台设备，可进行茶饮料、咖啡饮料、豆乳饮料和果汁饮料等多种饮料的热灌装;均可进行玻璃瓶与聚酯瓶的灌装。
速度、高产量碳酸饮料灌装机的灌装速度最高达2000罐/分，德国KHS公司、SEN公司、KRONES公司，其灌装机的灌装阀分别达到165头、144头、178头。
非碳酸饮料灌装机的灌装阀50—100头，灌装速度最高达1500罐/分。
全线的自控水平和全线效率高。
在线检测装置和计量装置配套完备，能自动检测各项参数，计量精确。
集机、电、气、光、磁为一体的高新技术产品不断涌现。
如一条饮料灌装线，由微电脑件、控制软件、灌装封盖配套组合，现实生产力与理论科技相结合。
供货商可以为用户提供工程设计、安装、调试，最后交用户验收。
比如:
沈阳东泰包装机械设计是将普遍使用仿真设计技术把各种机器单元以数据库形式存入计算机，把图纸数字化后输入计算机，再把实际生产的指标和数据、可能发生的故障等输入计算机，再由工程师依照实际工作情况进行操作，演示出生产能力、废品率、生产环节匹配、生产线瓶颈在何处等，还可根据用户意见进行修改模型直到用户满意。
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当前灌装机械技术在食品、饮料包装上的开发、设计和制造过程中广泛应用。
当前灌装机械的发展趋势是不断提高单机的自动化程度，改善整条包装生产线的自动化控制水平、生产能力，可以大大改善食品饮料包装生产设备产品的质量，提高其国内、国际竞争能力。
灌装机主要是包装机中的一小类产品,从对物料的包装角度可分为液体灌装机,膏体灌装机,粉剂灌装机,颗粒灌装机;从生产的自动化程度来讲分为半自动灌装机和全自动灌装生产线.灌装分类按包装物类别主要有三大类:
袋、软管和瓶，灌装机的选用与包装物有密切关系。
随着我国酒业的快速发展,啤酒、葡萄酒、黄酒、白酒等酒类产量持续增长，我国饮料酒（不含果露酒、发酵酒精）总产量已达2878万千升,同比增长8.2%。
有关专家指出，我国饮料行业是高成长性的行业，成熟饮品增长稳定，新的热点和增长点不断涌现，新兴饮品的增长更快。
同时，中国包装机械已发展成世界液态食品行业中有重大影响和极大市场占有率行业。
因此，液体灌装机市场发展潜力巨大。
我国液体灌装机要满足包装行业快速发展的需求，并积极参与国际竞争，就必须打破“小而散”的行业态势，在“高精尖”的方向上不断前进。
业内人士认为，未来液体灌装机将配合产业自动化趋势，在技术发展上朝着机械功能多元化，结构设计标准化、模组化，控制智能化，结构高精度化等几个方向发展液体。
因此灌装机的发展为食品、药品的现代化加工和大批量生产提供了必要的保证。
从而再一次证明了液体灌装机的发展市场潜力巨大。
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第二章液体液体灌装机简介
2.1全自动液体灌装线概述
全自动液体灌装机的使用和需求日益增长，已经逐步代替手工灌装或半自动灌装，并将发展成为液体灌装行业所必备的设备。
目前，市场上对全自液体灌装机没有明确的定义和划分，大多只对能进行自动计量或某部分机构能实现自动控制。
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底，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。
灌装生产线定义:
全自动包装生产线是由数台自动包装机械经控制系统进行集中控制，并按各自的功能完成一定任务进行顺序、连续生产包装的一系列机器的组合。
组成自动包装生产线的过程是按照产品包装的工艺顺
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序，将若干台自动包装机械按一定的工艺要求组成一条生产线，并将包装物料和被包装的物料经输送装置、自动控制设备、检测设备及各种辅助设备按相应工艺要求进行连续输入、定量、包装、以及输出成品的一个自动化过程。
其特点是:
高速性、连续性。
灌装生产线也称包装线，主要用于包装啤酒、饮料、液体药品、食品油脂等。
一条灌装生产线配套有多台机械，如配套自动吹瓶机、理瓶机、自动洗瓶机、烘干机、自动灌装机、封盖机、打包机等。
采用自动化包装过程既可以使包装工序紧凑，提高工作效率，又可以降低工人的劳动强度。
2.2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IUl。
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。
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2.3液体灌装方式
由于液体物料性能不同，灌装方式多种多样。
根据灌装压力的不同可分为常压灌装、压力灌装、等压灌装、负压灌装等旧。
1.常压灌装
常压灌装，又称重力灌装，即在常压下，利用液体自身的重力将其灌入包装容器内，其整个系统处于敞开状态下工作，该灌装方法是最原始的灌装方法。
至今仍被用在流动性很好的液体灌装中，这各方法比较适用于流动性好、不含气、不易挥发的液体中。
如矿泉水、白酒、酱油、牛奶等。
2.负压灌装
负压灌装是先将包装容器抽气形成负压，再将液体物料灌入包装容器内。
这种灌装方法不但能提高灌装速度，而且能减少包装容器内残存的空气，防止液体物料氧化变质，可延长产品的保存期。
此外，还能限制毒性液体的逸散，并可以避免灌装有裂纹或缺口的容器，减少浪费，适用于不含气体，且怕接触空气而氧化变质的粘度稍大的液体物料，以及有毒的液体物料。
如果汁、果酱、糖浆、油类、农药、药水等。
这种灌装分为二种形式:
一是重力式负压灌装，即贮液缸与包装容器具有相等的真空度，液体是在真空等压状态下以重力流动方式完成灌装的;二是压差式负压灌装，即包装容器的真空度大于贮液缸的真空度（贮液缸处于常压状态、只对包装容器抽气），液体是在压差状态下完成灌装的。
重力负压灌装是低真空（10---16kPa）下的重力
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灌装。
其灌装方法基本与重力灌装相同，但比重力灌装速度快，可以避免灌装有裂纹或有缺口的容器，还可以防止液体的滴漏。
压差式负压灌装（纯真空灌装），灌装系统内的压力应低于大气压力。
灌装阀密封块抵住容器的同时开启阀门，由于与真空室相通的容器内处于真空，液体可被迅速抽进容器中，直至灌装到预定液位。
最后会有相当量的液体被抽到排出管中，进入溢流槽后被回收再循环。
纯真空灌装的真空度一般保持在6"-7kPa。
真空法可提高灌装速度，减少产品与空气的接触，有利于延长产品的保存期，其全封闭状态还限制了产品中有效成分的逸散。
压差式负压灌装尤其适用于不宜多暴露于空气中的含维生素的液料，如蔬菜汁、果汁以及有毒的液体（如农药、化学药水）等。
3.等压灌装
等压灌装，即先向包装容器内充气，使容器内压力与贮液缸内压力相等，再将贮液缸的液体物料灌入包装容器内。
等压灌装又称压力重力灌装、气体压力灌装。
这种灌装方法只适用于含气饮料，如啤酒、汽水、香槟等。
4.压力灌装
压力灌装，是借助外界压力将液体物料压入包装容器。
外界压力有机械压力、气压、液压等。
压力灌装主要适用于粘度较大，流动性较差的薪稠物料的灌装，可以提高灌装速度。
压力法灌装与真空法正好相反，灌装密封系统处于高于大气压力的状态中，将正压力加于产品上。
压力法对于不能抽真空的产品是很理想的，如酒精类饮料（酒
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精含量会随真空度增加减少），热饮料（90。
C的果汁，抽真空可引起液料迅速蒸发），如果采用常压灌装液管道比较细，阻力大，效率低，为了提高灌装速度，可采用压力灌装等。
压力法可在产品和排气两端保持高于大气压的压力，且产品端压力更高，这样的系统有利于控制某些饮料保持较高的二氧化碳含量。
5.虹吸法
利用虹吸原理完成的灌装方法。
此种方法出现最早，人们最容易接受，原理比较简单，现在很少使用。
上述几种灌装方法的正确选择，除考虑液体本身的工艺性能如粘度、重度、含气性、挥发性外，还必须考虑产品的工艺要求、灌装机的机械结构等综合因素。
对于一般不含气的食用液料如瓶装牛奶、瓶装酒类等，可以采用常压法，亦可采用真空法，为了减少灌装时液料中的含氧气量，以便延长产品的保质期，采用较大的真空度的真空法更有利。
2（3影响灌装的因素
被灌装的液体物料涉及面很广、种类很多，其物理、化学性质差异很大，因此，对灌装的要求也各不相同。
影响灌装的主要因素是液体的粘度，其次是液体内是否溶有气体、固体颗粒等。
一般液体按粘度可分为三类:
第一类为流体:
在自身重力作用下即可以按一定速度流过圆管的任何液体。
流速主要是受流体粘度和压力影响，一般粘度范围规定为1,100厘泊，流动性好的稀薄液体物料，如酒类、果汁、牛奶、酱
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油等。
这些物料粘度小、流动性好，在管道中流动阻力小，对灌装设备要求也小。
第二类为半流体:
在大于自身重力的压力作用下才能在圆管中流动的液体叫半流体，粘度范围为100（-一1000厘泊，其属于流动性比较差的粘稠液体物料，如番茄酱、油脂等物料，这些物料在容器和管道中流动时阻力比较大，一般需要施加一定的压力才能达到预定要求。
粘滞流体:
产品粘度超过10000厘泊的液流动性差的粘糊状液体物科，需要借助比较大的外力才能使其流动。
如:
果酱、牙膏、浆糊、高粘度油脂等物料。
这些物料一般在小的管道中很难流动，必须施加外力才能推动其流动。
因此，这类物料在包装中对设备有较高的要求。
另外，对于低粘度液料，根据液体中是否含有二氧化碳气体，可分为不含气（如白酒、矿泉水等）和含气（如啤酒、汽酒、香槟、汽水等）两类;对于是否含有酒精成份又可分为软饮料（不含酒精）和硬饮料（含有酒精）。
流体的流动特性还会受温度、粘度、固体粒子的含量、分解性、表面张力或起泡特性等因素的影响，所以灌装时，要对这些因素加以控制。
2（4灌装的定量方法
准确的定量灌装不但与产品的成本有着直接的关系，同时也影响产品在消费者心中的信誉。
包装物品的定量一般有重量定量和容积定量两种。
重量定量由于要增添秤等计量衡器，所以机器的结构比较复杂，适用于比重经常变化的固体物料，且往往要配置一套电路用以机电配合;容积定量机器的定量结构比较简单，一般不需电路配合。
液
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体产品一般易采用容积式定量，常见的有三种方法:
液位控制定量法、定量杯定量法、定量泵定量法。
2.5液体灌装机的一般工作流程的叙述
液体灌装机的流程一般为:
装有空瓶的箱子堆放在托盘上，由输送带送到卸托盘机，将托盘逐个卸下，箱子随输送带送到卸箱机中，将空瓶从箱子中取出，空箱经输送带送到洗箱机，经清洗干净，再输送到装箱机旁，以便将盛有饮料的瓶子装入其中。
从卸箱机取出的空瓶，由另一条输送带送入洗瓶机消毒和清洗，经瓶子检验机检验，符合清洁标准后进入灌装机和封盖机。
饮料由灌装机装入瓶中。
装好饮料的瓶子经封盖机加盖封住并输送到贴标机贴标，贴好标签后送至装箱机装入箱中再送到堆托盘机堆放在托盘上送入仓库。
液体灌装机主要用于洗液、护理液、口服液、消毒液、洗眼液、营养液、酒水、注射液、农药、医药、香水、食用油、润滑油及特殊行业的液体灌装。
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第三章灌装机供瓶机构设计
在本次设计中灌装机供瓶机构主要由三个部分组成:
理瓶机构、滑轨机构、间歇转盘机构。
下面对供瓶机构的三个部分做简单的设计说明
3.1理瓶机构
3.1.1理瓶方式的选择
理瓶机按进瓶方式分有转盘进瓶、螺杆进瓶、拨盘进瓶等多种方式，各种进瓶方式在原理上差别不大，各有各和优点，选择合理的进行方式，能够给自动化生产线带来更好的平滑性。
1.转盘进瓶方式
转盘进瓶方式就是将上个工序出来的瓶子（干净的摆放无序的瓶子）用转盘作为传送机构一个一个列队送到传送带上。
简单的说其作用就是对瓶子进行整理、摆放作用，为下一个工序理顺瓶子做好准备。
转盘式理瓶机的工作原理。
它由两个旋转盘组成，两个旋转盘同步转动。
从入口传输设备送来的瓶子被输送到理瓶机前，经过与理瓶机切入被输出到理瓶机后端，并按一定的间隔、速度和方向传入到下一级输送带上。
理瓶机在中间的主要作用就是用来控制输出瓶子的间隔和速度。
因此，在整个灌装系统中，理瓶机的工作能力也会对整个自动
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化生产线起到影响作用，它直接影响灌装线的运作速度。
理瓶机的传送方式一般多为连续性转动，这种进瓶方式多用于连续式灌装生产线。
依据其原理图，容易发现，在进瓶端可能会出现两个或多个瓶子同时切入到两个旋转盘的凹槽中，引起旋转盘的卡阻情况或瓶子碰撞等情况。
因此在转盘方式进瓶设计中必须在其外轮
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