毕业设计液体自动包装机 (1)

2009年机械原理课程设计
液体自动包装机
设计者：引言随着食品行业的快速发展,对食品的包装质量要求也越来越高。

优质高效的包装设备不仅提升行业的自动化程度,还能提高生产效率,大幅度降低成本。

包装机械在技术发展上将会朝着以下4个方向努力:①结构设计标准化、模组化;②结构运动高精度化;③控制智能化;④机械功能多元化[4-10]。

据中国机械工业联合会预计,从2011年到2015年,食品与包装机械业总产值有望突破6 000亿元,每年平均增速约维持在16%的水平。

目前,食品包装机械竞争日趋激烈,未来应配合产业自动化趋势,促进包装设备总体水平提高,尤其针对中小型企业,发展多功能、高效率、低消耗的食品包装设备,具有非常重要的意义。

1主要组成部分及主要技术参数包装机的结构如图1所示。

其主要参数:生产能力/袋·min-1:20～50包装质量/g·袋-1:500包装计量精度/%:-2～2薄膜最佳材质:聚丙烯薄膜宽度/mm:260供料压力/MPa:1电源电压/V:380整机功率/kW:外型尺寸/mm:600×600×1 2101.电动机2.减速器3.卷筒4.牵引辊轮5.翻领式袋成型器6.供料箱7.进料筒8.纵封器9.横封器10.包装材料11.切断装
目录
第1章总体方案设计 (3)
液体自动包装机的功能 (3)
设计数据与要求 (3)
方案的简介与选择比较 (4)
第2章执行机构设计 (7)
包装纸输送机构 (7)
纸袋成型机构 (7)
2.2.1 纸袋成型机构选择 (7)
2.2.2 纸袋成型机构设计 (8)
热定型式封口机构 (10)
2.4.1 纵封器 (10)
2.4.2 横封器 (10)
切断机构 (11)
输送机构 (12)
2.5.1 输送机构的选择 (12)
2.5.2 输送机构的设计 (12)
执行机构的运动循环图 (13)
第3章传动机构设计 (14)
传动方案 (14)
原动机的选择 (16)
计算传动比 (16)
凸轮机构的设计 (17)
第4章液体自动包装机的三维造型与运动仿真 (20)
液体自动包装机的三维造型及运行过程简介 (20)
液体自动包装机的运动仿真 (23)
总结 (26)
参考文献 (26)
第1章总体方案设计
1.1液体自动包装机的功能
该全自动液体包装机，适用于袋装酱油、醋、牛奶、饮料等液体的自动包装。

简要的工作过程如下：
首先将包装纸卷成筒状并将一端的口封住形成口袋，然后将一定量的液体注入口袋内，最后封口和切断，并由输送机构输出。

1.2设计数据与要求
一、生产数据:
A.包装纸宽度240或320mm
B.包装速度1500-2000袋/时
C.灌装容量100-500ml/袋
D.外形尺寸750*750*1750mm
二、选择设计尺寸
1.包装纸宽度240
2. 包装速度1800袋/时
3.灌装容量300ml/袋
4.外形尺寸750*750*1750mm
三、设计要求
1. 自动液体包装机主要由以下6大部件组成：
1）包装纸输送机构：把圈在筒上的单层包装纸通过设计的绷紧机构以平张薄膜的形式输送到纸袋成型机构。

2）纸袋成型机构：把接收到的平张薄膜通过三角板和圆弧槽卷成圆筒状，利于竖封和灌料。

3）热定型式封口机构：利用特殊处理过滚轮的回转，对圆筒状包装纸进行枕式竖封，并在竖封同时利用摩擦牵引包装纸，使之向下运动，保证包装纸的持续成型；横封机构是回转机构，对以竖封的筒状包装纸周期性的封口。

所以，结合成型机构，就实现了：卷状→平张→筒状→竖封→横封。

4）送料机构（课程设计任务不予要求）
5）切断机构：在热定型式封口机构持续运转的同时，切断机构通过凸轮回转推动推杆，使切刀周期性的接触，从而从中切断横封的封区。

6）输送机构：利用带式输送机持续传递已包装好的产品。

2. 选择电机
方案的简介与选择比较
方案一：
组成
机构名称 包装纸输送机构 纸袋成型机构 热定型式封口机构 切断机构 输送机构 机构形式 由1个固定在机架上的传动杆套牢卷筒薄膜，令三根传动杆作绷紧装置
象鼻成型器 1对纵封辊，1对横封辊 凸轮机构，切刀
带式输送机 功能实现过程
把圈在筒上的单层包装纸通过设计的绷紧机构以平张薄膜的形式输送到象鼻成型器，象鼻成型器把接收到的平张薄膜通过三角板和圆弧槽卷成圆筒状，利于竖封和灌料；纵封辊回转，对圆筒状包装纸进行枕式竖封，并在竖封同时利用摩擦牵引包装纸，使之向下运动，保证包装纸的持续成型；回转的横封辊，对已竖封的筒状包装纸周期性的封口，在热定型式封口机构持续运转的同时，凸轮回转推动推杆上连接的切刀，使两块切刀周期性的接触，从而从中切断横封的封区，产品制成并利用带式输送机持续传递出
特点 整体机构多利用齿轮、链轮，传力特性良好，运动精确性高，工作效率高，靠操作性强，安全可靠性高，加工容易，互换性良好而制造成本低廉
机构简图如下：
方案二：
L 型封口器和横封器及切刀同时运动。

具体构成见简图。

机构名称 包装纸输送机构
纸袋成型机热定型式切断机输送机构
凸轮
推杆
传送带
纵封器
横封器
马达
组成 构 封口机构 构 机构形式 由1个固定在机架上的传动杆套牢卷筒薄膜 象鼻成型器 L 型封口器，横封器 切刀 带式输送
机
功能实现过程
在此方案中采用间歇式运动，包装袋成型的方式是纸从上方向下运送，运动是由下方的辊轮牵引的。

纸通过象鼻式成型器将其卷成圆筒状后继续向下运动。

封口成L 型，将纸筒的纵向开口和底面开口封合，封好后开始进行灌装。

灌装好后的纸袋继续向下运动，下面横封器使上开口封合，并由下面的切刀切断。

特点 整体机构多利用齿轮、链轮，传力特性良好，靠操作性强，安全可靠性高，加工容易，封口和切断在一个运动中同时完成，操作简单，但对机构求较高。

机械运动方案评价比较
机械运动方案评价的方法有3种，分别是经验法、数学法和试验法，课程设计采 方案一 方案二
传动机构 执行机构 传动机构 执行机构
系统功能 实现工艺动作的准确性
良好 良好 一般 良好
凸轮
传输带
横封器
L 型封口器
马达
特定功能良好良好良好良好
运动性能转速、行程可调性良好一般一般一般
运动精度优优良好良好动力性能承载能力良好良好良好良好
增力特性良好良好良好良好
传力特性良好良好良好良好
震动噪声小小一般一般工作性能效率高低较高较高较高很好
寿命长短较长较长较长较长
可操作性便捷便捷便捷便捷
安全性好好好好
可靠性好好好好
适用范围广泛广泛有限制广泛经济性加工难易易易易易
能耗大小小小小小
制造成本低低低低
方案二的传动比计算：
选用可调速电机，要求的转速是30转每分钟。

牵引纸袋轮的半径r为3倍的袋长与pi的比值。

牵引轮每转1/4圆周封口一次，所以凸轮与牵引轮出动比为1：4。

第2章执行机
构设计
包装纸输送机构
设计的液体自动包
装机没有动力机构，原因
有以下几点：
1.包装纸是软的，如果输送不好会使包装纸堆积或者拉断
2.输送包装纸不需要很大的动力。

3.液体包装机构中的纵封可以在封装包装袋的同时将包装纸向下拉，这样就可以使输送机构中的包装纸按需求送纸，不会出现堆积或者是拉断的可能。

输送机构如图所示：
此机构共有三个传动杆，包装
纸在传动杆1上，通过在传动杆2，
传动杆3以及传动杆4上的绕节可
使包装纸绷紧，这样可使包装纸稳
定的输送下来，这样不会产生输送
过量现象。

具体的绕节方式如右图。

纸袋成型机构
2.2.1纸袋成型机构的选择
为什么选择象鼻成型器，而不
是其他常见的三角板成型器、U形板成型器、翻领成型器？
成型器类型成型特
点
应用范围适应
性
折叠成型
时受力状
况
是否满足
课程要求
备注
三角板成型器可将平
张薄膜
折叠成
型
多种机型
上应用，尤
其当制袋
规格较大
变化时
良好差是
U形板成型器可将平
张薄膜
折叠成
型
应用比较
广
较好比三角板
成型器好
是
象鼻成型器可将平
张薄膜
折叠成
型
只能适应
一种带宽
较好弯折平缓，
成型阻力
小
是设计制
造比翻
领式简
单
翻领成
型器
可将平
张薄膜
折叠成
型
只能适应
一种带宽
较差成型阻力
较大，容易
造成拉伸
等塑性变
形
是设计、制
造和调
试比其
他成型
器复杂
结合成型器的特点（包括优缺）和课程设计要求，此方案选择象鼻成型器作为全自动液体包装机的纸袋成型机构。

2.2.2纸袋成型机构的设计
1.三角板的设计
象鼻成型器可以看作在U形板成型器的基础上，对结构作一些修改而形成的，成型器如下图。

三角板的安装角A=5~10°,并以此算其顶角2B，按所制空带的带宽2a确定三角板的顶高d，找准连接位置m,圆弧槽圆弧半径为R=（~）a 。

图中个数值之间的关系如下表：
已知数值
2a 240mm
A 10°
未知关系式数值
R 设R= 24mm
B sinA=tanB °
m m=R
2.圆弧槽的设计
在U形成型器中，U形槽的周长与带长相等，那么在我们设计的圆弧槽中，我们加入了椭圆，使得在竖封的时
候更容易成形；同时我们留出
20mm的余量，利于封口，即：
椭圆周长L , 短轴长d ,长轴长c ，
则L=2+4(c-d) ，且d=R
圆弧槽（包括椭圆部分）的周长
Y=++2(c-d) , 且
Y=(2a-20)mm
由以上4式得，c= ,d=24mm
象鼻成型器的最终效果图如下:
热定型式封口机构
2.3.1 纵封器
液体自动封装机的纵封器是完成制袋工艺中纵逢的缝合，此设计中同时起到输送包装材料的作用。

由于整个制袋过程是连续运转的，所以纵封器是辊式的，工作时两个辊筒等速相向连续回转，叠合后的包装材料从两个辊筒之间通过时，安装在辊筒内的电热丝加热靠辐射传递热能，并并压合薄膜形成纵缝，该纵封器对包装材料具有施压，封合，牵引的作用。

在此设计中，纵封器的尺寸是通过搭配齿轮的方式调配的。

纵封器的效果图如下：
纵封器的基本尺寸：直径是119mm ，厚度为10mm ，封口处两轮的距离为1
毫米。

2.3.1 横封器
该横封器同纵封器一样，也是连续运动的，效果图如下：
因为纸袋的宽度是240mm ，所以该横封器的宽度是120mm ，可满足需要。

横封器转一周封一次，两个横封器的转速一致，是通过后面相互啮合的齿轮来实现的。

切断机构
切断机构是液体包装袋成型的最后一道工序，通过前两道工序热封后的液体包装袋还成直条状，需要切断机构剪切为袋状。

根据剪刀裁纸的原理，此液体全自动封装机的切断机构是采用“错刀式”剪切，此种切刀方式可以避免两刀口相互接触，延长切刀寿命，但是动刀是由凸轮带动的，需要数据设计精确，灵活性不高。

具体如下图所示：
推杆的由凸轮直接传动，为稳定切刀，使用压杆固定住推杆。

推杆的另一端
连接着切刀，上切刀和下切刀错开，这样就可通过切刀的来回运动将包装袋切断。

凸轮设计为慢进快回的形式，凸轮推动推杆使切刀向前运动，同时上面的包装纸连续向下运动，当凸轮将推杆推到最大位移处时，两个切刀将包装袋切
断，并快速返回，这样可以避免上面的包装袋在刀上堆积。

切刀被凸轮推过去后由弹簧将其拉回，使整个过程中切刀能连续运转。

切刀的运动过程是每2秒钟切一次。

切刀的尺寸是宽120mm ，厚度为15mm ，
输送机构
2.5.1输送机构的选择
1.分析输送机构的分类
2.5.2 输送机构的设计
设滚轮的半径为r ，转动的角速度为w ，带速为v , 则v=rw 已知r=80mm ,w=, 得，v=s 。

该输送机构的效果图如下：
输送机构为顺时针转动，匀速的将包装好的产品输送到指定的容器。

执行机构运动循环图
送纸机构连续运动
纵封连续运动连续封口
送料机构停进料停进料
横封0度封口360度封口720度封口
连续运动
传送带连续运动
切刀退刀进刀退刀进刀
0 45 90 180 360 405 450 540 720
第3章传动系统设计传动方案
液体自动包装机不需要太大的动
力，所以又一台电动机就可以满足传动需
要。

具体介绍如下：
如图中三相异步电动机的转速是
600r/min，通过皮带传送到蜗杆，蜗杆再
传送到涡轮。

图2继续图一的传动，当蜗杆传
动到涡轮后，涡轮带动整个主干转动，带动齿轮转动，两啮合齿轮就一
起旋转，链轮2和链轮3即转动。

锥
齿轮1和锥齿轮2啮合是锥齿轮2的转杆与主杆垂直，锥齿轮转动后就带动链轮1转动。

图3中链轮2通过传动链到链轮4，
图1 图2
图3
链轮4通过传动杆传动到凸轮。

链轮3通过传动链到链轮5，链轮5通过传动杆传动到传送带，使传送带连续运转。

图4中的链轮1通过传动链
带动了链轮6，同时链轮7也一
起转动。

图4
图5中链轮7通过传动链
带动链轮8，最终使两啮合齿
轮转动。

此齿轮会带动纵封转
动。

图5
原动机的选择
根据机构运动的需要，拟定使用三相异步电动机，选用的电动机是高效、节能、起动转矩高、噪声低、振动小，运行安全可靠的。

三相异步电动机为Y 系列全封闭自扇冷式三相鼠笼型异步电动机。

类型Y系列
转速（r/min）600
额定电压（V）380
频率（Hz）50
长度（mm）243
宽度（mm）126
高度（mm）140
如果考虑转差率的话可选择转速为900r/min的三相电动机，相应的涡轮蜗杆的传动比为1：30 。

计算传动比
电动机的转速是600转每分钟，即n m=600 r/min
电动机通过皮带传动到蜗杆，蜗杆和涡轮的传动比是1：20 ，所以蜗杆的
转速n
蜗杆=600 r/min ，涡轮的转速是n
涡轮
=30 r/min 。

与涡轮同轴的齿轮是z=30 ，m=6的标准直齿轮，与其标准啮合的齿轮一起转动，与直齿轮同轴的两个横封器的转速也为30 r/min 。

转速与涡轮一样。

锥齿轮1和锥齿轮2标准啮合，传动比为1：1 ，所以锥齿轮1的转速和涡轮的转速一至。

链轮2和链轮3的转速都为30 r/min 。

链轮2和链轮4的传动比是1：1 ，链轮4带动了凸轮，所以凸轮的转速和横封器的转速一致。

链轮3带动链轮5，即带动传送带转动，传动比为1：1 。

如图4和图5，链轮1和链轮6，链轮7和链轮8的传动比分别为1：1 ，和2：1 。

所以链轮8的转速n8=15 r/min 。

链轮8转动会带动z=20 ，m=6的标准啮合的直齿轮转动，即带动了纵封的转动，所以纵封的转速n
纵封
=15 r/min ，纵封的直径是119mm，角速度为/2 。

将上述列成表如下：
名称转速（r/min）半径（mm）备注
原动机600
皮带轮600 40
蜗杆600
涡轮30
齿轮30 Z=30 m=6
锥齿轮2 30 Z=20 m=6
锥齿轮1 30 Z=20 m=6
链轮1 30 Z=15
链轮2 30 Z=15
链轮3 30 Z=15
链轮4 30 Z=15
链轮5 30 Z=15
链轮6 30 Z=15
链轮7 30 Z=15
链轮8 15 Z=30
凸轮30
横封器30
纵封器15 R=
传送带30 R=40
齿轮20 15 Z=20 m=6
凸轮设计
凸轮机构通常由凸轮、推杆、机架三个基本构件组成。

其特点是凸轮具有曲线工作表面，利用不同的凸轮轮廓曲线可使推杆实现各种预定规律，并且简单紧凑。

根据装置要求，为避免包装袋在切刀处积压而影响热封及剪切，需要凸轮有急回特性。

故采用对心直动滚子推杆盘形凸轮机构，这种推杆由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，所以磨损比较小，可以用来传递比较大的动力。

且凸轮运动规律为等速运动规律，利于与装置其他部件协调。

为不产生过大冲击，凸轮的运动采用正弦运动曲线。

一、基圆半径的选择
由《机械原理》（第七版）可知，基圆半径r应符合：
其中
为位移曲线的斜率
e为偏距
s为推程
根据网上资料显示，推程时，对心移动从动件，许用压力角[]的值一般为[]=30°，推程的压力角≤[]=30°，形封时回程的压力角≤[]=30°。

而正弦凸轮ds/dδ最大值为δ。

由于是对心运动，e=0，根据具体装置，h选取为70mm。

根据以上数据算的凸轮的基圆半径为，取r为50mm。

二、凸轮轮廓线的设计
已知数据：r=50mm ，推程h=70mm
时，
推程为正弦运动规
律
时，
回程也为正弦运动
规律
则凸轮的运动规律
为:
推杆位移规律
()
理论廓线方程式：
三、凸轮三维建模：
1.利用设计数据以及所推导出来的公式，利用第三方软件Microsoft office
excel，作出SolidWorks2007三维建模所需要的凸轮理论廓线的XY坐标点。

2.导入SolidWorks ，等距滚子半径后得出凸轮的三维模型
第4章液体自动包装机的三维造型与运动
仿真
液体自动包装机的三维造型
通过选材,方案比较和制造零件,将各个零件装配起来,使之能完成设计要求的功能。

液体自动包装机的三维造型如下：
这是正面图，运行过程如下：
马达启动后，纵封器旋转，牵引着包装纸输送机构向下送纸，包装纸通过纸袋成型器可连续成型，通过纵封器将包装袋纵向封口。

包装袋继续向下运动，到达横封器后进行横向封口，封好后开始灌装液体。

此时包装袋已将封好，当其运动到切断装置的切刀处时，切刀将其切断，包装袋掉落到传送带上并由传送带将其运到指定的容器内。

如此，整个机器连续运转，每两秒生产一袋，所以横封器每两秒封口一次，切刀每两秒切断一次。

而纵封器连续运转，同时进行牵引包装纸和封口。

整个机器连续运转，所以包装袋是连续生产出来。

液体自动包装机的传动装置如下：
选择三相电动机作为原动机，其连接着皮带轮。

当电动机启动后通过皮带将动力传递到蜗杆，使涡杆的转速和电动机的转速一致。

蜗杆将动力传输到涡轮。

如上
图，涡轮被
涡杆传动
后，带动了
锥齿轮1转
动，同时带
动预期标
准啮合的
锥齿轮2转
动，链轮1
通过链使
链轮2，链
轮3转动。

与此同时
齿轮1和齿
轮转动，带
动了横封
器转动，链
轮4带动链轮5使凸轮转动。

链轮8带动链轮6使传送带转动。

链轮3通过链条带动链轮7转，由此使相互啮合的出来3和齿轮4转动，并带动前面的纵封器连续转动。

液体自动包装机的运动仿真
运动仿真的运动图像请见光盘,在这里就只表示一下仿真后生成的图像。

下
=10r/s ，即600r/min ，和电动机的转速一致。

图为涡杆的角速度，n
涡杆
下图为竖封的角速度图像，其中转速为s ，即15r/min，满足设计要求。

下图为横封器角速度图像，转速为30 r/min 。

下图为凸轮的角速度图像，可见运动情况和横封器一致
下图为切刀的质心速度图，周期为2秒，回程时间较短。

下图为传送带的角速度图像，和横封器一致。

通过以上图像可以看出，仿真的结果和理论计算的结果一致！
总结
为期一个周的机械原理课程设计结束了，在这次实践的过程中领悟到了很多东西,不仅仅有我们专业知识上的，更有关于团体合作的认识上面的。

首先在专业知识上面，通过此次的机械原理课程设计，我们的课题是“全自动液体封装机”从设计到分析到建模，每一步都不是一帆风顺，总是出现了这样那样的问题，有的是我们考虑的不全面，有的是我们认识的太浅，原先感觉十分简单的东西有时却让我们焦头烂额。

几次的教训让我们什么都不能想当然，每个问题都要认真考虑和分析，不能太浮躁。

但是错误有时并不是一件坏事，所谓“失败是成功之母”，成功就是一次次的失败之后才得到的。

通过一次次发现问题，解决问题的过程中，通过一次次的查找翻阅资料，我们不仅在专业知识上比如SolidWorks软件的运用上有所提高，而且也提高了我们解决问题的能力。

其次，在团体合作上。

我们组是由，每个人都有不同的性格以及对我们机构的设计理念。

这就需要我们相互协调合作，然而在协调合作的过程中，由于设计理念与想法的过程中，争论总是在所难免的，但是正如上面遇到的问题一样，问题本身并不是问题，而是我们如何处理解决问题，在这个过程中，关键是我们如何处理到遇到的分歧，而不是一味的计较和埋怨，面对分歧大家要消除误解,相互理解,增进了解,达到谅解，也许很多问题没有想象中的那么复杂,关键还是看我们的心态,那种处理和解决分歧的心态,因为毕竟我们的出发点都是很好的。

但是，不管如何，我们组组员都是非常努力与认真的，每个人都充满了责任心，对待课程设计的态度上也极为端正，我想说的是我们每个人都是非常棒的。

经过一个周的努力，我们终于完成了我们的课程设计，中间由我们多少付出多少辛劳多少汗水只有我们知道。

回过头来看一看，这些天虽然辛苦但是看到我们的成果我们心中充满了欣喜。

当然，毕竟这是我们第一次做类似的机械课程设计，很多想法都还不成熟，考虑还不是很周全，还是需要老师们的指正。

参考资料
[1]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第七版）［M］．北京：高等教育出版社，
[2] 许林成.包装机械原理与设计［M］.上海：上海科技技术出版社，
[3]秦曾煌.电工学（第六版）-电工技术［M］.北京：高等教育出版社，
[4] 胡凤兰.互换性与技术测量基础［M］.北京：高等教育出版社，
[5] 黄颖为. 包装机械结构与设计［M］.北京：化学工业出版社，。