自动灌装机设计毕业设计

摘要
本文主要介绍了一种为液体饮料生产企业设计的自动灌装生产线。

分析了定量常压式灌装设备的国内外现状，探讨了产品的市场开发背景，对设备的基本原理、结构设计以及各个子系统，如供送系统、灌装系统、控制控制系统以及执行系统的主要功能都作了详细介绍，论述了设备开发过程中采用的一些关键技术；采用单片机控制，系统控制方便准确、稳定可靠；执行机构可靠性高、稳定性好；传感器的应用更是提高了设备的可靠性；抗干扰设计和一体化的设计简化了系统结构，降低了重量，节省了成本。

本文研究成果及主要工作包括:首先，通过对比和分析完成了对各个子系统环节的选择与设计的基本思想和开发思路，单片机应用系统的开发，进行了硬件设计和软件编程；其次，对设备进行了准确度等级的检测实验和商品实例分析;最后，对系统的各个组成机构进行了整体一致性地分析和控制。

设备具有精度高、速度快、稳定可靠、操作简单等优点，配以自动式封盖机能适用于自动化生产，可广泛应用于食品，医药，轻工，化工，纺织，电子，仪表等行业，提高了企业的劳动生产率和计量保证能力，具有较高的应用价值和良好的市场前景。

关键词：灌装；直线型；控制；单片机
目录
第1章绪论
1.1包装机械化的重要意义 (1)
1.2包装机械的主要特点及发展动向 (2)
1.3包装机械工业的概况及展望 (3)
1.4包装机械的组成 (4)
第2章灌装机械
2.1概述...................................................... (6)
2.1.1国内外饮料灌装机械的发展概况 (6)
2.1.2我国饮料灌装机械制造业概况 (7)
2.1.3液体灌装机械的分类 (7)
2.1.4国内外液体灌装机械的发展趋势 (9)
2.2总体方案设计的基本内容 (9)
2.2.1确定功能与应用范围 (9)
2.2.2工艺分析 (10)
2.2.3总体布局 (10)
2.2.4拟订主要的工作参数 (11)
2.3方案的提出 (11)
第3章总体方案的设计分析和方案的比较与选择
3.1设计分析 (12)
3.1.1功能与应用范围 (12)
3.1.2工艺分
析 (12)
3.1.3对执行构件的运动要求 (13)
3.1.4机构选型 (13)
3.2灌装机的总体结构 (15)
第4章液料供送系统的设计计算和选用
4.1输送管路的设计 (16)
4.2输送液泵的确定 (17)
4.3阀端孔口流量的计算 (20)
4.4灌装时间的计算: (22)
4.5供液系统原理图 (23)
4.6供液系统所选元件的参数与一些重要参数 (24)
第5章供瓶系统的设计计算和选用
5.1输送线方案的选用 (25)
5.2电机到减速器的传动设计与计算 (25)
5.2.1轴转速功率扭矩的计算 (25)
5.2.2直齿圆柱齿轮传动设计 (27)
5.2.3轴的结构设计 (33)
5.3链传动设计计算 (35)
5.4输送线部分的计算 (40)
5.5轴系部件的设计计算 (41)
5.5.1轴的设计计算 (42)
5.5.2轴承的选用和计算 (48)
5.5.3键的校核计算 (49)
第6章灌装系统设计和选用
6.1灌装机储液箱的尺寸确定 (51)
6.1.1储液箱容量的计算 (51)
6.1.2结构设计 (51)
6.2储液箱上的一些辅件的说明 (51)
6.3罐装方法与定量方法的选用 (52)
6.3.1灌装方法 (52)
6.3.2定量方法 (53)
第7章执行系统的设计计算和选用
7.1动作分析与执行件的选用 (55)
7.1.1动作分析 (55)
7.1.2执行件的选用 (55)
7.2设计分析与方案设计 (55)
7.3机械液压系统设计与计算 (56)
7.4液压系统回路方案设计 (60)
7.5选择液压元件 (61)
7.6液压系统性能验算 (62)
第8章控制系统的设计和选用
8.1水箱液位控制 (64)
8.2执行系统的控制 (67)
参考文
献...................................................... .69
翻译
中文译文...................................................... .77
致谢...................................................... (81)
第1章绪论
1．1包装机械化的重要意义
近半个多世纪以来，随着生产与流通日益社会化，现代化，产品包装正以崭新的面貌崛起，受到人们的普遍重视。

现在包装的基本定义是：对不同批量的产品，选择某种有保护性，装饰性的材料或包装容器，并借助适当的包装方法实现包装作业，以达到规定的数量和质量，同时设法改善外部结构，降低生产成本，从而在流通到消费的过程中使之容易储存搬运，防止产品破损变质，便于识别回收和利用，有吸影力，广开销路，不断促进扩大再生产。

无论在国外或国内，包装工程已经涉及到各行各业，面广量大，对人民生活，国际贸易和国防建设到带来了深刻的影响，甚至在现实生活中出现了过去难以想象的新情况：未经包装出售的商品越来越少，而且包装上的失败往往会使好的产品得不到好的销售。

因而不妨这样说，在将来，没有现代化的包装就没有商品的生产和销售。

可是如果没有先进的工业与科学技术的综合发展，也不可能出现现代化的包装工程。

迄今，一些科技发达的国家，在食品，医药，轻工，化工，纺织，电子，仪表和兵器等工业部门，已经程度不同地形成了由原料处理，中间加工和产品包装三大基本环节构成的包装连续化和自动化的生产加工过程，有的还将包装材料加工，包装容器成型和包装成品储存系统都联系起来组成高效率的流水作业线。

再者，为使包装产品更好地进入流通领域，大都配有专门的自动化仓库，并采用托盘集装箱运输。

大量事实表明，实现包装的机械化和自动化，尤其是实现具有高灵敏度和高灵活性的自动化包装线，不仅体现了现代化生产的方向，同时也可以获得较大的经济效益。

一能增加各种品种，改善产品质量，增加市场竞争力。

现代包装机械所能完成的工作已经远超过了简单地模仿人的动作，甚至可以说在很多场合用巧妙的机械方法包装出来的产品，不论在式样，质地或精度等方面，大多是手工无法胜任的。

二能改善劳动条件，避免污染危害环境。

对一些特殊的包装物品，实现包装的机械自动化，便可以大大改善操作条件，避免污染危害环境。

至于对需要进行长期，频繁，重复的以及其他笨重的包装工作，如果能实现机械化和自动化，则可以大大减轻体力劳动，增加工人健康和提高生产效率。

三能节约原材料，减少浪费，降低成本。

有一些粉末，液体在手工包装过程中容易发生起泡，飞溅，外泄等现象，如果改为机械包装则会大大减少损失。

四能提高生产效率，加速产品的不断更新。

机械包装反对生产能力往往比手工包装提高几十倍，甚至是几百倍，这样将会更好地适应市场的实际需要，合理地安排劳动力，为社会创造更多的财富。

由此可见，实现包装机械化和建立现代化包装工业，是关系到国家长远规划的一件大事，也是搞好社会主义现代化的一项重要内容。

1.2包装机械的主要特点及发展动向
包装机械的作用是给有关行业提供必要的技术装备，以完成所需要的产品包装工艺过程。

为了对包装机的发生和发展找出规律性认识并制定出适当的对策，有必要深入地了解它的一些特点：一包装机械是特殊的专业机械。

包装机械是特殊的专业机械，种类很多。

包装物品不仅花色品种多，而且多数是可以变化的。

而且人们对包装还提出更高的
要求，从而使得包装机械不断地提高和改进。

包装不单作为一个独立的工业部门已经取得的惊人的发展，同时也逐渐地成为一门崭新的综合科学。

二在发展专用机械的同时，积极开发通用包装机械。

包装机械在发展专用机械的同时，为满足现代包装的实际需要正在不断扩大其通用能力，积极开发新型的通用包装机。

研制通用包装机的目的，一是适应被包装物品，材料和包装形式的多样化，二是要照顾制造使用单位的技术力量，设备配置和生产成本。

所以人们越来越重视包装机的通用性。

三包装机械日趋联动化，高速化，自动化
包装机械日趋联动化，高速化，自动化，并相应提高自动化水平，使设备功能逐步完善。

实践表明，搞好包装机械自动化不单脱离不开机电液气等常规技术手段的相互配合，同时还必须了解和掌握有关尖端技术，尽量吸收和改进包装机械确有的价值，使之保持一定的生命力。

1.3包装机械工业的概况及展望
在世界范围内，包装工业的发展比较短。

科学技术发达的欧美各国大体上是从本世纪开始初叶起步的，及至50年代才有大的发展。

由于社会上的各方面的积极推动和有利配合，终于逐步建立起包装材料，包装印刷，包装机械等生产部门和与之相适应的科研，设计，教育，学术，管理等机构，进而形成了独立完整的包装工业体系，而在国民经济中占有重要的地位。

据有关专家预计，2005年我国包装机械产量将增加到67万台(套)，到2010年将增至93万台。

快速发展的食品加工业，需要大量高品质的包装机械和食品加工机械，也给包装机械制造行业带来了商机。

目前我国食品加工能力还远不能满足需要，因此在提高农副产品深加工能力的同时，食品机械和包装设备的需求就必然加大。

据有关方面预计，到2005年国内市场食品机械和包装设备的
总需求应为650亿元左右，即每年保持12％以上的增长率才能满足市场需求。

同时，这两个行业将淘汰部分低产量高能耗的生产设备，争取使新型高效设备所占比例达到60％。

由于中国国产机械的技术和质量还无法满足要求，对国外此类设备的进口需求将增加。

随着我国经济形势持续高速发展，人民生活水平不断提高，人们对医疗健康的需求越来越高，因此带动了医药行业的快速发展，并由此推动了对制药机械需求的增长，促进了制药装备工业的繁荣。

据统计，2003年前3个季度，我国制药机械制造业产品销售收入达到了l4．15亿元，实现利润达到25．73％。

今后要运用系统工程的观点，进一步统筹规划，分工发展食品，农副产品，医药，轻工，兵器等部门急需的包装机械以及相关的包装配套设备，还须抓好包装材料加工和成型机械，包装检测装置以及包装基础件的生产，并且充分利用现有条件全面开展产品的系列化，零部件的通用化和标准化等工作，以加快包装机械更新换代的步伐。

1.4包装机械的组成
包装机械由动力机，传动部分和执行部分等构成。

为便于掌握和研究包装机械的工作原理与结构性能，通常又将包装机械分成以下9个组成要素。

一被包装物品的计量与供送系统
被包装物品的计量与供送系统是指将被包装物品进行计量，整理，排列，运输到预定的工位的装置系统。

有的还完成被包装物品的成型和分割。

二被包装材料的整理与供送系统
包装材料的整理与供送系统是指将包装材料进行定长切断或整理排列，并逐个输送到预定的工位的装置系统。

有的在供送过程中还完成制袋或包装容器的竖立，定型，定位。

三主传动系统
住传动系统是指将包装物品和包装材料由一个包装共位传送到下一个工位的装置系统。

单工位包装机则没有主传动系统。

四包装执行机构
包装执行机构是指直接进行裹包，填充，封口，贴标，捆扎和容器成型等包装操作的机构。

五成品输出机构
成品输出机构是指将包装品从包装机上卸下，定向排列并输出的机构。

有的机械的成品输出由主传动系统完成或靠重力卸下。

六动力机与传动系统
动力机与传动系统是指将动力与运动传递给执行机构和控制元件，使之实现的预定动作的装置系统。

七控制系统
控制系统由各种自动和手动控制装置等组成，是现在包装机的重要组成部分，包括包装过程及其参数的控制，包装质量，故障与安全的控制等。

八机身
机身用于支撑和固定有关零部件，保持其工作时要求的相对位置，并起一定的保护，美化外观等作用。

九包装机械的辅助件和设备
辅助机械包括包装材料，包装件和相关机械和设备。

第2章灌装机械
2.1概述
液体灌装是包装的重要组成部分,主要包括在食品领域中对啤酒、饮料、白酒葡萄酒、植物油和调味品的包装，还包括洗涤类日化、矿物油和农药等化工类液体产品的包装。

液体灌装机械大部分用于食品行业，尤其是饮料制造业。

将液体灌装到包装容器内的装置称为灌装机械或灌装设备。

液体依据自身黏度的不同，有的借助于自重即能灌入包装容器，对于低黏度的液体，根据是否含有二氧化碳气体分为含气和不含气体两类。

液体包装容器主要有玻璃，金属罐，以及用塑料或任性复合材料制成的各种杯，管，瓶，袋等。

在我国目前广泛采用玻璃瓶和塑料瓶。

其主要缺点是较重，成本低，化学稳定性好，可以长时间保存，无毒，可清洗，可以回收。

现在正在进行研制新型包装材料。

采用机械化的灌装方法不仅可以提高劳动生产力，减少产品损失，保证包装质量，而且可以减少生产环境与被灌装液体的相互污染。

2.1.1国内外饮料灌装机械的发展概况
饮料灌装机械是伴随饮料工业的产生而产生，并追随饮料工
业的发展而进步的。

1890年，美国研制出玻璃灌装机械，1902年市场上出现灌装番茄酱的压力灌装机械，1912年发明了封口机械，不久灌装机械和封口机械合为一体。

在20世纪末，德国制造出手动灌装机。

含气体饮料的灌装工艺难度较大，灌装设备的发展大约经历了三个阶段。

第一阶段是1952年---1957年之间，完成了含气体饮料的灌装机械由差压灌装向等压灌装发展，采用的是机械阀。

第二阶段是1957年---1759年，这期间先是德国H￡K公司，之后是法国和前苏联，发明研制了等压弹簧阀，弹簧在等压状态下，借助弹簧力将冲液阀打开，破瓶后冲液阀可以自动关闭，这样不仅使灌装机械的结构简单了，而且延长了灌装阀的有效工作时间，为灌装机械的高速化创造了条件。

等压弹簧阀的出现是灌装发展史上的一个重要阶段，至今等压灌装机还广泛使用，只是功能更完善，结构更合理。

第三阶段是一德国SEN公司发明的电动阀为标志，电动阀中气阀和水阀的开启和关闭由可控编程器控制，对灌装时间，灌装速度进行严格的控制和可靠的界定。

2.1.2我国饮料灌装机械制造业概况
我国饮料灌装机械制造业起步晚，20世界60年代前基本是空白，当时国内的啤酒厂和汽水厂都是使用美国和日本20世纪30---40年代的设备，工艺落后，机械陈旧，严重影响了我国啤酒和汽水饮料工业的发展，1967年我国才开始研制和生产灌装机械。

进入20世纪70年代，我国先后引进了一些国外灌转生产线，在装备一些设备的同时，也促进了我国包装机械行业进入了一个新的发展时期。

机械，轻工，军工等领域的一些企业开始在仿制和消化国外技术的基础上，又开发和研制出了各种中小型的灌装机械，提供给国内的一些饮料生产厂，促进了我国饮料业的发展。

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公司的20000瓶/小时的啤酒灌装生产线和日本三菱公司18000瓶/小时的含气饮料灌装生产线的制造技术，到1991年又
引进了德国KHS公司30000瓶/小时的啤酒灌装生产线及生产技术。

这样我国不仅能够生产中小型的灌装机，而且能够生产大型灌装机，技术水平上了一个新的台阶，将我国的液体灌装设备制造业的整体水平提高到了一个新的水平。

2.1.3液体灌装机械的分类
日常生活中，需要商品包装的液体涉及到很多领域，范围广泛。

包装容器各式各样，包装容量从几十毫升到上百升。

下面就食品行业（包括部分化工行业）常见的，灌装容量在150—2000的各式灌装设备进行简单的分类：
在我国，玻璃瓶包装饮料总产量的24.3%（1997），达260万吨；在啤酒行业，主流的包装容器也是玻璃瓶。

玻璃瓶虽有运输成本高，易破碎等缺点，但其气密性好，理化指标稳定，没有影响饮料品质的不良气味，目前依是液体包装的主要容器。

铝质易拉罐用于啤酒饮料的包装，马口铁易拉罐用于果菜汁饮料及一些流体食品的包装。

由于今年来易拉罐的包装成本大幅度下降，灌装饮料的产量逐渐上升。

除上述的几类灌装机械外，制造商还可以根据客户的要求设计出各色各样的灌装机。

多数情况下，一种液体的包装，可以有几种灌装机械供选用。

2.1.4国内外液体灌装机械的发展趋势
一灌装机械制造水平的发展体现在灌装阀核心的发展上：从机械阀到等压阀，再到电子阀。

这些都体现了技术的进步和发展。

二灌装机械向大型化发展。

为适合食品饮料工业的大生产，以获取规模经济利润，灌装机械向高速化，高生产能力化发展。

三灌装机械结构趋向于简单合理。

灌装机械产品结构越来越简单，零部件在减少，设备可靠性在提高，成本降低，操作简单，维修方便。

四灌装机械在向多功能发展。

能够使用用户改变包装容器，改变灌装液体的需要。

更换部件也能适应封口形式的变化，产品的适应性提高，市场竞争力加强。

五灌装机械的光机电的一体化。

先进的控制系统用于灌装机械中，人机界面，故障自我诊断，实现了设备运行的智能化。

六灌装机械技术的精确，高效，自动化。

精确的灌装量，灌装过程的高速，可靠，尽量少的液损，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为可能。

电子灌装阀灌装技术的迅速发展是大的趋势。

目前国外使用的电子灌装阀有三种形式：探针式电子阀，配置电磁流量计的电子阀，配置定量筒的电子阀。

我国的一些灌装设备厂也在研制设计一些符合我国国情的电子灌装阀，但是电子灌装阀在我国的推广使用受到了国产灌装器容器几何形状精度不高和电子元件水平的制约。

2.2总体方案设计的基本内容
2.2.1确定功能与应用范围
早期的灌装机械功能单一的居多数，这样可以简化设计，并且比较容易成功。

若将多台机械和多道工序合成由一台包装来完成，可以取得明显的经济效益。

确定灌装机的功能与应用范围，需要注意两个问题：
（1）可靠性。

在一般情况下，功能增加灌装操作环节变多，故障发生的可能性也相应增大。

因此，只有在单功能灌装的操作都相当稳定可靠的情况下，才能考虑将它们组成多功能的多功能灌装机。

（2）适应性。

任何灌装机的应用范围都是有限的，机器的功能越多，结构就越复杂。

因此，常将多功能灌装机设计成组合的形式，也可以根据用户的不同需要灵活增加或改装一些组合部件。

2.2.2工艺分析
工艺分析是研究，分析和确定所设计的包装机械完成预计包
装工序的工艺方法。

需要考虑的几个问题：
1包装方法
（1）把保证灌装质量放在首要位置。

不论选用何种灌装方法，都要保证灌装质量。

（2）当有多种方法可以选择时，应选用容易实现的方案。

2机器类型
（1）根据灌装执行机构的多少选择机械类型。

（2）根据生产率的高低选择机械类型。

3包装程序，包装工艺和工位数
（1）包装程序是指：完成包装操作的先后顺序。

包装方式往往决定了包装程序。

（2）包装工艺路线：包括包装材料和包装物品的供送路线，以及他们在包装过程中的传送路线，包装成品的输出线。

4运动要求和机构选型
根据已定的功能，应用条件和范围，工艺方法，分析和确定对执行机构的运动要求，进而完成机构的选型及其综合。

2.2.3总体布局
总体布局是指灌装机的有关组件，部件在整机中相对空间位置的合理配置。

（1）布置执行机构
（2）布置传动系统
（3）布置操作条件
（4）选择支承形式
（5）绘制总体布局图
2.2.4拟订主要的工作参数
灌装机械的主要技术参数：
（1）机构参数
（2）运动参数
（3）动力参数
（4）工艺参数
2.3方案的提出
本设计由灌装水厂提出.设计要求:对现有的直线型液体灌装机做一些技术上的改进,使直线型灌装生产线性能有大的提高.
用途：包装低粘度的不含气体的液体饮料（如矿泉水、饮料等）
包装规格：灌装矿泉水。

灌装瓶是规格为：灌装体积为600ml,直径60mm。

包装材料：塑料瓶
灌装能力：10，0000瓶/天
灌装时间:＜12s/次
设计要求：结构简单，成本低，工作稳定性较好，方便控制灌装机械的主要技术指标
（1）灌装液体粘度小于1Pa.s
（2）灌装速度6次/min。

（3）灌装容器尺寸范围：高度20mm---200mm,截面直径〈70mm （4）系统压力：0.5---3MPa.
第3章总体方案的设计分析和方案的比较与选择
3.1设计分析
3.1.1功能与应用范围
用途：包装低粘度的不含气体的液体饮料（如矿泉水、饮料等）
包装规格：灌装矿泉水/饮料。

灌装瓶规格为：灌装体积为600ml,直径60mm。

包装材料：塑料瓶/玻璃瓶。

灌装能力：10，0000瓶/天。

设计要求：结构简单，成本低，工作稳定性较好，方便控制。

灌装机械的主要技术指标：
（1）灌装液体粘度小于1Pa.s
（2）灌装速度6次/min
（3）灌装容器尺寸范围：高度20mm---200mm,截面直径〈70mm （4）系统压力：0.5---3MPa.
3.1.2工艺分析
1确定机器类型
（1）工位
所设计的生产线批量不是较大，而且整条生产线的灌装动作也不是较多，所以用单工位的灌装机。

因为其结构较为简单，可以控制成本。

（2）运动形式
液体包装机的运动有间歇式和连续式两种运动类型。

连续性的生产量较大，但其结构复杂，而且控制要求精度较高。

间歇式的生产量不是很大，而且结构简单，成本低。

所以根据设计要求，选用间歇式。

2确定包装程序，工艺路线和工位数
（1）包装程序
灌装瓶运动到位后，由推动液压缸将其顶起，进行灌装，灌装完成后再将其推到下一个生产工位。

（2）工艺路线
单工位的液体灌装工艺路线有多种，如直线型分布，依照工艺顺序将生产线布置成直线，也可以将其分布成立体型等等。

设计要求中指出要降低生产成本，要求控制方便，所以选用直线型
的工艺路线。

（3）工位数
因为生产批量不是很大，所以选用单工位。

这样就可以省去主传动系统，简化了结构。

3.1.3对执行构件的运动要求
（1）输送系统要求运动平稳，工作噪声较小，在规定的时间内将灌装瓶输送到指定的灌装平台上。

（2）顶起部件的运动要求可以将灌装平台和其上部的灌装瓶顶起，并起支撑的作用。

输送部件运动要求在规定的时间内将物体推到规定的位置。

（3）液体灌装要求灌装动作要稳定，而且对灌装精度有较高的要求。

（4）成品输出，灌装完成后还要将灌装瓶推送到指定的下一条生产线上，再由输送机构将其输出。

3.1.4机构选型
一供送液体系统的机构
因为灌装的是低粘度的液体，所以液体的供送可以选用液压泵，也可以借助高液位依靠液体的自身重力完成灌装。

但采用高液位灌装时，灌装速度是变量，而且对灌装的精度有较大的影响，同时对灌装的稳定性也不利。

所以选用一套液压供送装置进行供送。

二供送灌装瓶系统的机构
参考现有的的输送机械，选用板式输送机。

三执行机构系统的选型
根据工艺分析和设计要求，可以选用液压缸、气压缸做执行机构，也可以选用机械传动。

液压系统的优点：
1）布置不受严格的空间位置限制，系统布局安装有很大的灵。