连续回转式拧盖机的创新设计

连续回转式拧盖机的创新设计
刘守谦
【摘要】According to the turning around of the cap screwing head in continuous rotary cap screwing machine, analyze the relationship between rotation movement, revolution movement, up and down movement of cap screwing head; Combining the main structure of the machine, summarize the key factor of the quality of cap screwing. Put forward a way of innovation design which is the process of production defines the principle of the transmission, the mode of cap fixing effects the machine' s structure.%根据连续回转式拧盖机中拧盖头公转一周的工艺过程,分析了拧盖头的自转运动、公转运动、上下往复运动之间相互关系;并结合拧盖机的主要结构,总结了影响拧盖质量的关键因素.提出了"工艺过程决定拧盖机的传动原理,瓶盖结构决定拧盖机的结构参数"的创新设计方法.
【期刊名称】《包装与食品机械》
【年(卷),期】2011(029)001
【总页数】4页(P35-38)
【关键词】进瓶星轮;上盖盘;出瓶星轮;拧盖转台;拧盖头;抓夹
【作者】刘守谦
【作者单位】轻工业西安机械设计研究所,西安710086
【正文语种】中文
【中图分类】TB486.1
饮品或液体调味品的塑瓶包装,大多采用防盗盖拧盖封口。

灌装生产线中的连续回
转式拧盖机,是一种高效率的瓶装封口设备,主要由输瓶链道、瓶盖滑道、进瓶星轮、上盖盘、拧盖转台、出瓶星轮等部件组成[1]。

拧盖转台是拧盖机最主要的部件,由拧盖头总成、拧盖齿轮系、拧盖凸轮机构、主传动齿轮副等部分组成,而拧盖头总
成是其中最关键的部分,包括拾盖机构、导向机构和扭矩限制机构等。

拧盖机运行
的可靠性直接影响着包装产品的质量,而结构设计是否合理,直接影响着拧盖机运行
的可靠性。

全自动回转式拧盖机,必需保证瓶盖从供料到拧盖结束的整个过程中不破损,要求盖
子所受的压力很小,防盗圈不受剪切力和扭力。

而拧盖头在拾盖、拧盖过程中要做
公转、自转及上下往复运动,这就要求拧盖头在运动过程中与瓶盖、瓶身的对中性好,抓盖准确,拧转到位。

针对不同的瓶口、瓶盖,拧盖机的结构又有所不同,需要改型和创新设计。

有的瓶盖,防盗圈与盖子直径一样大;有的瓶盖,防盗圈比盖子直径略大,这种瓶盖在拧盖封口过程中受压力时很容易受损,影响外观质量;瓶盖拧紧的同时,不允许因拧盖头旋转过度而使盖子产生划痕,这是拧盖机设计的关键目标。

结构设计之前,必须先确定拧盖的工艺过程。

回转式拧盖机的基本原理是拧盖头下
端的拾盖器,从上盖盘中拾取瓶盖,拧盖转台与瓶口对中,拧盖头作同步圆周运动的同时,拧盖头与瓶子又有差速自转,沿导向轴做上下运动,以实现旋拧动作[3]。

具体工艺过程如图 1所示。

拧盖头拾盖的方式主要有套取拾盖、抓取拾盖和真空吸盖等方式。

套取拾盖,必然
使瓶盖受轴向压力,适用于防盗圈与盖子直径一样大的瓶盖;对于防盗圈大于盖子直
径的瓶盖,防盗受压圈容易损坏,需要用抓取拾盖;真空吸盖的方式,则需要有中央配气盘。

以防盗圈大于盖子直径的瓶盖为例,选用抓取拾盖的方式,其结构原理如图 2所示。

除了拧盖头公转、自转、上下运动之外,抓夹还需要有张开、夹紧的动作[4]。

拧盖头随转台做顺时针圆周运动,到达抓盖点之前逐渐打开,抓夹并有下降运动。

在拧盖转台与上盖盘的切点处,瞬间抓盖、并开始微微上提,以避免盖子与托盖盘摩擦受损。

随着转台继续旋转,抓夹带盖离开托盖盘的外沿,开始下降;转过进瓶星轮,开始二次下降;与下方的瓶口对中,实施旋拧动作;拧盖完成后,抓盖头开始打开并上升至初始位置,开始下一循环。

针对不同的瓶口、瓶盖及螺纹圈数,拧盖头的结构尺寸、齿轮的传动比均不相同,通常都需要创新设计。

根据瓶盖的结构,选取适当的拾盖方式,如套取拾盖、抓取拾盖和真空吸盖等。

拾盖方式不同,需要配置的传动方式也不同。

根据瓶口螺纹需要旋合的圈数和长度,确定拧盖头拧紧瓶盖所需要转动的圈数和需要下降的位移量,确定旋盖齿轮的传动比及升降凸轮的在旋拧过程中的升程。

对于抓取拾盖,要根据抓盖头的结构,通过计算或实验确定抓夹的开合角度,以及控制其开合顶杆的位移量。

瓶间距是拧盖设计的重要原始数据,其他条件一定时,瓶间距越大,则拧盖转台及拨瓶星轮的回转直径也越大,整机的尺寸也越大。

所以瓶间距不可过大,以避免造成整机尺寸庞大、结构松散。

反过来,瓶间距也不能太小,而是要根据瓶子直径的大小、所用的拧盖头的最大直径、以及拧盖转台上瓶靠背的外型尺寸等与瓶型、瓶盖有关的零件的外形尺寸来确定。

拧盖头的数量是根据产量的要求而定的。

一般来说每个拧盖头的拧盖速度为1000～2000瓶/ h。

拧盖头数量越多,其效率也越高。

如 3个头的拧盖机,其产量能达到 3000～3500瓶/h;24头的拧盖机最高产量可达 50000瓶/h。

另外,在确定拧盖头的数量时要兼顾拨瓶星轮的工位数,以便系列化设计[5]。

拧盖头数和瓶间距确定之后,拧盖转台分度圆的直径也就随之确定。

d=np/л
式中 d——转台分度直径
n——拧盖头数
p——瓶间距
初步确定拨瓶星轮的直径,初步设计进、出瓶星轮及上盖盘围绕拧盖转台的分布相
位平面布置图,确定拧盖转台的拧盖区间。

根据瓶口螺纹的头数及螺纹旋合长度,计
算拧盖区间内拧盖头的自转圈数,拧盖齿轮传动链的传动比,进行各齿轮的结构设计。

通过对拧盖的动作进行实验验证,对拧盖齿轮传动链的传动比进行修正等。

抓盖点和放盖点是凸轮机构的关键点 (如图3所示),根据平面布置图对凸轮进行分区、升程设定、曲线设计。

凸轮曲线的设计需平滑连接,并注意各关键点的高度位
置和相位角的计算,可利用计算机辅助设计。

经过以上计算和试验相结合的设计过程之后,可进行传动结构的设计和计算,包括拧
盖头总成、转台中部的支撑、调高主传动齿轮副、拧盖齿轮副、凸轮机构、进出瓶星轮传动、以及上盖盘的传动等具体结构的设计。

传动系统设计要遵循线速度一致的原则,拧盖转台与进瓶星轮、出瓶星轮之间要求
线速度一致,这样才能保证瓶子的顺利交接。

其传动可采用齿轮传动副,也可以采用
伺服电机分别驱动,同步运转。

上盖盘与拧盖转台之间也要求线速一致,以保证盖子
的顺利传递,其传动可以用齿轮传动链或销齿轮传动副,也同样可以用伺服电机分别
驱动,同步运行。

拧盖转台的上部转盘安装若干个支撑座,在分度圆上均匀分布。

每个支撑座通过轴
承支撑一个齿轮套 (如图 4所示)。

转盘可设计为单层或双层,既要保证刚度,又要减轻重量。

用两层转盘来固定拧盖头支撑座,一方面能充分吸收拧盖齿轮带来弯矩载荷,另一方面能充分保证支撑座的稳定性,从而保证导向杆的垂直度和对中性。

转台中部,在工作台面上方,固连托瓶盘和拨瓶盘,拨瓶盘上装有与拧盖头一一对应的瓶靠背,用以保证瓶子在拧盖过程中一直处于正确的位置,并且有足够的摩擦力,使瓶子不易产生滑动,以保证拧盖质量。

转台下部,安装主传动齿轮,该齿轮的分度圆与拧盖头所在的分度圆直径相等,由动力源驱动并带动整个转台作旋转运动。

每个拧盖头随之绕中心主轴作公转运动,实现
抓盖、拧盖、放盖等工序。

中心主轴,由转台中心穿过,并由安装在台面上的支座定位,通过螺纹副,支撑在机架底板上。

螺纹副的螺母由调高齿轮带动,通过调整中心主轴的高度,来调整拧盖转台的高度及拧盖头的高度,以适应不同的瓶型。

影响拧盖质量的因素有很多,主要有以下几个方面:(1)盖子与瓶子的对中精度,也就是拧盖头与瓶子夹持装置的对中精度。

这涉及到拧盖转台各零件的强度、刚度和配合精度等,要选择合理的精度等级;(2)拧盖头抓夹的夹紧力要适中。

夹紧力过大,盖身会有压痕;夹紧力过小,则会在盖子拧紧后划伤盖身。

通常,夹紧盖子产生的摩擦扭矩,应大于扭矩限制器的设定值;(3)各个工艺过程中,盖子的空间位置是否准确,也就是拧盖头的空间是否准确;(4)抓盖头抓夹的开合时间是否恰当。

3、4两个因素是否可靠,
则取决于凸轮的曲面设计是否合理,以及加工的精确程度,针对不同瓶型和盖子,以及瓶口螺纹的结构形式,设计对应的曲线规律。

结构设计完成后,根据具体尺寸及参数,对照起初工艺过程中设定的各个动作,进行验证,具体内容如下:
选择拧盖头拾盖之前的某一点作为起始位置,应处于高位、抓夹打开、无瓶盖状态。

(1)拧盖头开始下降、抓夹打开、盖子逐渐对中;(2)拧盖头下降结束、盖子对中并入位、抓夹夹紧;(3)拧盖头中位、抓夹夹紧、带盖。

拧盖头转过上盖盘后,开始二次下降,此时抓夹夹紧、带盖、瓶子逐渐对中。

拧盖头转过进瓶星轮后,继续下降、抓夹夹紧、带盖、瓶子对中、开始拧盖;逐步运
行到低位、抓夹夹紧、带盖、瓶子对中,一直到拧盖结束。

拧盖结束后,拧盖头开始上升时,抓夹应打开、逐渐脱盖,回到原来的高位、抓夹打开、进瓶星轮输出瓶子,抓夹内不应有瓶盖。

整个循环过程,与初始工艺对照无误,结构设计完成。

连续回转式拧盖机的结构比较复杂,传动精度要求较高,各运动件之间的配合间隙不宜过大,以 7、8级精度为宜。

零件的结构设计要充分考虑其强度、刚度、稳定性和耐磨寿命。

要根据工艺过程,设计执行机构的结构,根据执行机构的运动要求,设计传动机构,根据使用要求确定设计参数,进行创新设计。

并根据结构设计方案,返回工艺过程进行验证。

【相关文献】
[1]雷伏元.自动包装机设计原理[M].天津科学技术出版社,1986:213-215.
[2]刘守谦.改进包装机械设计方法的新思路[J].轻工机械,2005,23(4):1-3.
[3]郭敬孙,刘同年.包装机械应用技术[M].上海市包装技术协会,1987:183-196.
[4]刘守谦.现代包装机械的创新设计 [J].轻工机械, 2007,25(1):6-8.
[5]赖天琴,钟林源,罗威.高速旋盖机凸轮的加工[J].包装与食品机械,2010,28(3):65-67.。