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一、選題依據(jù)
1、研究領域
機械結構設計、CAD
2、論文（設計）工作的理論意義和應用價值
灌裝飲料在國際市場上的迅速發(fā)展，對飲料生產(chǎn)技術的進一步開發(fā)與研究，起到一定的推動作用，事實上，液體產(chǎn)品及飲料的生產(chǎn)技術中，灌裝是重要的環(huán)節(jié)，而灌裝技術和設備的優(yōu)劣則直接影響到產(chǎn)品的質量，進而影響整體的生產(chǎn)效益。為了提高產(chǎn)品的質量，各種先進的灌裝系統(tǒng)不斷的得到開發(fā)研究。灌裝設備設計的基礎概念， 以衛(wèi)生為首要從生產(chǎn)及經(jīng)濟效益來看，能準確快捷地把產(chǎn)品灌裝到容器里是至關重要的。
目前人們對于食品衛(wèi)生的要求不斷提高，因此自動化的食品灌裝變得越來越普遍和重要，而如何提高灌裝的精度，降低灌裝過程中的損耗是食品灌裝行業(yè)的研究方向。如何進行液體定量灌裝是一項有實際應用價值的技術，其發(fā)展直接影響到關鍵機構運行的穩(wěn)定性和精確性。同時，液體定量灌裝也帶來了巨大的經(jīng)濟效益：（1）改善產(chǎn)品質量，加強市場競爭能力；（2）能改善勞動條件，避免污染危害環(huán)境；（3）能節(jié)約原材料減少浪費，降低成本；（4）能提高生產(chǎn)效率，加速產(chǎn)品的不斷更新。
3、目前研究的概況和發(fā)展趨勢
在現(xiàn)代科學技術的突飛猛進的進步下，帶動了機械行業(yè)的飛速發(fā)展，同時隨著自動化和智能化技術在機械行業(yè)中的廣泛應用，使得人類社會快速的步入到自動化時代，灌裝機行業(yè)也因此受益匪淺。灌裝機械屬于包裝機械中的一種機械，它的發(fā)展是在我國改革開放以后快速發(fā)展起來的一個新的機械行業(yè)，隨著人們生活需求，包裝機械每年都以較快的速度增長，給包裝機械的成長帶來了無限前景。
從灌裝機技術角度來看，主要表現(xiàn)在科技含量高、可靠性強，全自動化控制和生產(chǎn)效率高等特點。在加工過程中實時在線檢測裝置和計量裝置配備齊全，實現(xiàn)自動檢測各項參數(shù)指標、計量精確無誤。灌裝機械是集成了機、電、氣、光、磁為一體機械設備，其中德國占有該領域較好的主導地位。
就生產(chǎn)效率方面來看美、日、德、意作為世界四大包裝機械制造強國，都比較重視用戶和市場需要，其以增加生產(chǎn)率作為設備制造的重要目標。德國目前飲料灌裝速度可高達 1200 瓶/h，香煙包裝 12000 支/min。集制袋、稱重、充填、抽真空、封口等
與一體的世界上最高速的茶葉包裝機械速度達到 350 袋/min。意大利生產(chǎn)的小劑量
顆粒包裝機采用機械轉鼓式計量，連續(xù)式封合并裁切，一機多工位，包裝速度可達 120
袋/min。以啤酒飲料灌裝設備為例由德國克朗斯公司制造的易拉罐包裝線能實現(xiàn)高達
7.2 萬瓶/h。
國外設計師所設計的灌裝機械力求零部件不斷減少、產(chǎn)品的可靠性不斷提高、產(chǎn)
9
品的成本逐漸下降，隨著灌裝設備結構的不斷簡化，使得設備的操作及維修更加方便。例如，德國的貼標機大大的減少了轉換部件數(shù)量，設備的使用和維護更加方便。
灌裝的計量方式和灌裝機的控制方式的技術的發(fā)展水平很好的展示了我國灌裝機械制造的進步，其計量方式的發(fā)展經(jīng)歷了從固定的氣缸驅動計量到現(xiàn)代的脈沖控制伺服電機的轉動來計量，使得計量更加準確，計量大小的規(guī)格適合產(chǎn)品的靈活多變。灌裝機的控制方式從傳統(tǒng)的按鈕和繼電器控制到觸摸屏和可編程邏輯控制器（PLC） 程序控制，這些技術的發(fā)展都體現(xiàn)出了灌裝機技術的提高和進步。經(jīng)過近幾十年的技術不斷提升，我國灌裝機行業(yè)取得了一定的成績，灌裝機械的發(fā)展來看，走的是一條典型的“引進技術、消化吸收、自主創(chuàng)新、逐步國產(chǎn)化”的道路。國內(nèi)灌裝機生產(chǎn)廠家大多在仿制的基礎上通過結合高新技術，發(fā)展出了自己的特色
近年來，我國的灌裝機械不斷地向高自動化程度及高集成性方向發(fā)展，結構上， 在不影響產(chǎn)品功能的前提下，力求結構的簡單；控制系統(tǒng)上，逐步的實現(xiàn)從繼電器控制向 PLC 控制轉換；同時為了操作更加方便，觸摸屏越來越多地被使用。國內(nèi)灌裝機械在技術進步及創(chuàng)新不斷提高加快的情形下，漸漸地與國外先進技術間的差距越來越小[3]。
然而，羅金剛指出[5]我國的灌裝機械與國外的灌裝機械仍然存在著差距：
（1）在產(chǎn)品的結構方面，我國的灌裝機械的性能相比于國外的灌裝機產(chǎn)品的質量要低，且灌裝機的穩(wěn)定性和可靠性較差，外觀造型不夠美觀。
（2）國外灌裝機電氣元件選用較為優(yōu)良，國內(nèi)灌裝機選用的元器件中較多質量差，
壽命短，可靠性低，從而影響了產(chǎn)品整體的質量。
（3）國產(chǎn)灌裝機機械性能較為落后，大多速度慢、結構的穩(wěn)定性差、灌裝精度低； 另外很大一部分國內(nèi)灌裝機的控制水平低、自動性差、故障率較高。
灌裝機械未來的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)以下幾個方向：
（1）灌裝機械設備趨向大型化。
（2）灌裝機械結構設計簡單合理。
（3）灌裝設備向多功能化發(fā)展。
（4）灌裝機械向光、機、電、氣、磁一體化方向發(fā)展。
（5）運行速度高速化、高產(chǎn)量。
（6）設計綠色化。
（7）智能化。
總之，我們需要引進、消化、吸收國外先進技術，并結合國內(nèi)灌裝機的優(yōu)勢走創(chuàng)新的道路，加強相關技術的研發(fā)，這樣我國灌裝機才能得到進一步發(fā)展，才能追趕上甚至超越其他國家，以此在世界上占有舉足輕重的地位。
二、論文（設計）研究的內(nèi)容
1.重點解決的問題
（1）灌裝機構的方案設計
（2）灌裝機構的結構設計
2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）
（1）確定課題的研究目的，研究內(nèi)容，以及目前研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢；
（2）灌裝閥的選擇：確定灌裝的結構，確定相關灌裝閥的主要參數(shù)；
（3）導軌滑塊機構的確定：確定導軌滑塊機構的結構，確定相關的主要參數(shù)；
（4）灌裝機構的工作原理及主要組成，進行罐裝機構的設計過程概述，確定灌裝機構的選擇；
（5）進行灌裝機構主要部件的設計計算及校核：灌裝閥設計、導軌滑塊機構設計；
（6）設計出灌裝機構的整體裝配圖。
3.本論文（設計）預期取得的成果
（1）一套完整的灌裝機構的裝配圖及零件圖；
（2）一份灌裝機構設計說明書；
（3）一篇外文文獻翻譯。
三、論文（設計）工作安排
1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）；
（1）查閱、整理參考文獻，并結合一些具體事例，學習掌握灌裝機構的工作原理，進行灌裝機構方案設計。
（2）罐裝機構的設計、選型、校核計算。設計參數(shù)：
灌裝速度：60-100 瓶/分鐘灌裝定量：500ml
2.論文（設計）進度計劃
第 1-4 周 明確畢業(yè)設計任務，查閱并整理參考文獻撰寫開題報告。第 5 周 上交開題報告終稿，擬定定量灌裝機構設計方案。
第 6-7 周 動力系統(tǒng)和灌裝機構設計及組成元件選擇計算。
第 8 周 灌裝機構組成元件結構設計。第 9-10 周 繪制相關圖紙及校核計算。
第 11-12 周 繪制設計對象的 3D 圖紙并檢查修改所有設計圖紙。
第 13 周 書寫畢業(yè)設計說明書，翻譯與本設計相關的英文文獻。第 14 周 準備畢業(yè)設計答辯。
四、需要閱讀的參考文獻
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息,2013(20):142.
[3] 慶波. 高效率灌裝機的關鍵結構設計與研究[D].南京理工大學 2015.03.22
[4] 孫智慧,徐克非.包裝機械[M].印刷工業(yè)出版社, 2010
[5] 羅金剛. 油辣椒制品自動灌裝機關鍵機構研究[D].貴州大學,2016. [6] 黃穎為. 包裝機械結構與設計[M]. 化學工業(yè)出版社, 2007
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[8] 張德芹,徐世許,吳光強. 基于 PLC 的定量灌裝控制系統(tǒng)[J]. 工業(yè)控制計算機, 2014, 8: 127-128
[9] 張彩芹.淺談流體食品智能生產(chǎn)線研發(fā)前景[J].包裝世界,2013(01):25-26.
[10]肖世耀,李湘?zhèn)?FluidSIM-P 在定量灌裝試驗臺氣動系統(tǒng)改進中的應用[J].流
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Technology Volume 14,2014,(7)365-371
附：文獻綜述
文獻綜述
1、選題的目的和意義
灌裝飲料在國際市場上的迅速發(fā)展，對飲料生產(chǎn)技術的進一步開發(fā)與研究，起到一定的推動作用，事實上，液體產(chǎn)品及飲料的生產(chǎn)技術中，灌裝是重要的環(huán)節(jié)，而灌裝技術和設備的優(yōu)劣則直接影響到產(chǎn)品的質量，進而影響整體的生產(chǎn)效益。為了提高產(chǎn)品的質量，各種先進的灌裝系統(tǒng)不斷的得到開發(fā)研究。灌裝設備設計的基礎概念， 以衛(wèi)生為首要從生產(chǎn)及經(jīng)濟效益來看，能準確快捷地把產(chǎn)品灌裝到容器里是至關重要的。
目前人們對于食品衛(wèi)生的要求不斷提高，因此自動化的食品灌裝變得越來越普遍和重要，而如何提高灌裝的精度，降低灌裝過程中的損耗是食品灌裝行業(yè)的研究方向
[1]。龔雨豪等人指出[2]如何進行液體定量灌裝是一項有實際應用價值的技術。其發(fā)展
直接影響到關鍵機構運行的穩(wěn)定性和精確性。同時，液體定量灌裝也帶來了巨大的經(jīng)濟效益：（1）改善產(chǎn)品質量，加強市場競爭能力；（2）能改善勞動條件，避免污染危害環(huán)境；（3）能節(jié)約原材料減少浪費，降低成本；（4）能提高生產(chǎn)效率，加速產(chǎn)品的不斷更新。
2、灌裝機的分類及組成灌裝機分類[4]
1）根據(jù)灌裝方法分類
（1）常壓灌裝機。在常壓下將液體產(chǎn)品充填到包裝容器內(nèi)的機器稱常壓灌裝機， 它只適宜灌裝低黏度不含氣體的液體產(chǎn)品，如白酒、醋、醬油等。
（2）負壓灌裝機。先將包裝容器抽氣形成負壓，然后再將液體產(chǎn)品充填到包裝容器內(nèi)的機器稱負壓灌裝機。
負壓灌裝機分為兩種：
○ 1 壓差式負壓灌裝機。儲液箱內(nèi)處于常壓，只對包裝容器抽氣使之形成負壓， 依靠儲液箱和待灌容器之間的壓力差將液體產(chǎn)品充填到包裝容器內(nèi)的機器，稱為壓差式負壓灌裝機。
○ 2 重力式負壓灌裝機。將儲液箱和包裝容器都抽氣形成負壓，液體產(chǎn)品依靠本身的自重充填到包裝容器內(nèi)的機器，稱為重力式負壓灌裝機。
負壓灌裝機適用于灌裝含維生素的飲料、有毒的農(nóng)藥和化工試劑等。
（3）等壓灌裝機。先向包裝容器充氣，使其內(nèi)部的氣體壓力和儲液箱內(nèi)的氣體壓力相等。然后將液體產(chǎn)品充填到包裝容器內(nèi)的機器稱為等壓灌裝機。它適用于灌裝含汽飲料和含汽酒類，例如汽水、可口可樂、啤酒、汽酒等。它可以保證灌裝產(chǎn)品的
質量和計量精度。
（4）壓力灌裝機。壓力灌裝機是利用外部的機槭壓力將液體產(chǎn)品充填到包裝容器內(nèi)的機器。它適用于灌裝黏稠性物料，例如牙膏、番前醬、豆瓣醬、香脂等。
2）根據(jù)灌裝機中包裝容器的傳送形式分類
（1）直線型灌裝機。在灌裝時，包裝容器由一個工位直線式間歇地運動到另一個工位，并在停歇時完成灌裝的機器稱直線型灌裝機。
（2）旋轉型灌裝機。這種類型的灌裝機在包裝容器進入灌裝工位后，圍繞工作臺回轉一周，作等速回轉運動，并完成灌裝。
灌裝機組成[6]
灌裝機主要由供料裝置、托瓶機構、托瓶升降機構、灌裝瓶高度調(diào)節(jié)機構等組成。定量灌裝分類：
定量灌裝技術在灌裝行業(yè)中應用廣泛，液體定量灌裝多用容積式定量法。肖世耀, 李湘?zhèn)ブ赋鯷10]常用的容積式定量法有控制液位定量法、定量杯定量法、定量泵定量法， 其中定量杯定量法是將液料先注入定量杯中，然后再進行灌裝的。要改變每次的灌裝量，只需改變調(diào)節(jié)管在定量杯中的高度或更換定量杯，這種方法避免了瓶子本身的制造誤差帶來的影響，故定量精度較高。
3、國內(nèi)外發(fā)展狀況
隨著現(xiàn)代社會科技的發(fā)展和人們物質水平的提高，促進了包裝行業(yè)的高速發(fā)展， 也給包裝機械行業(yè)帶來史無前例的前景與挑戰(zhàn)。包裝機械是包裝工業(yè)的根本，其先進程度決定了包裝行業(yè)的發(fā)展水平。灌裝機械屬于包裝機械中的一種機械，它的發(fā)展是在我國改革開放以后快速發(fā)展起來的一個新的機械行業(yè)，隨著人們生活需求，包裝機械每年都以較快的速度增長，給包裝機械的成長帶來了無限前景[5]。
在灌裝設備上：就生產(chǎn)效率方面來看美、日、德、意作為世界四大包裝機械制造
強國，都比較重視用戶和市場需要，其以增加生產(chǎn)率作為設備制造的重要目標。德國目前飲料灌裝速度可高達 1200 瓶/h，香煙包裝 12000 支/min。集制袋、稱重、充填、
抽真空、封口等與一體的世界上最高速的茶葉包裝機械速度達到 350 袋/min。意大
利生產(chǎn)的小劑量顆粒包裝機采用機械轉鼓式計量，連續(xù)式封合并裁切，一機多工位， 包裝速度可達 120 袋/min。以啤酒飲料灌裝設備為例由德國克朗斯公司制造的易拉
罐包裝線能實現(xiàn)高達 7.2 萬瓶/h。
就設備結構上：國外設計師所設計的灌裝機械力求零部件不斷減少、產(chǎn)品的可靠性不斷提高、產(chǎn)品的成本逐漸下降，隨著灌裝設備結構的不斷簡化，使得設備的操作及維修更加方便。例如，德國的貼標機大大的減少了轉換部件數(shù)量，設備的使用和維護更加方便。
設備功能上：灌裝機對產(chǎn)品對象的適應性更廣，其市場競爭力逐步增強。同一臺
灌裝設備，可滿足不同液體以及不同容器規(guī)格的灌裝，其工藝范疇更廣。零部件更換也能夠適應封口形式的變化[3]。
我國灌裝設備的制造水平與發(fā)達國家相比還存在比較大的差距，國內(nèi)灌裝機生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小，且很多生產(chǎn)企業(yè)主要還是靠引進國外的技術和生產(chǎn)線，或在此基礎上對同類產(chǎn)品進行仿造，有的企業(yè)的灌裝生產(chǎn)線的電氣設備控制系統(tǒng)還是傳統(tǒng)的繼電器一接觸器控制方式，生產(chǎn)效率低，響應慢，故障率高，可靠性差，且生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生二次污染，造成合格率低，生產(chǎn)成本增加[13]。目前國內(nèi)玻璃瓶灌裝機和易拉罐灌裝機都已經(jīng)達到 20 世紀 90 年代初的國際水平，生產(chǎn)能力可分別達到 12000~40000 瓶/ 小時和 18000~36000 罐/小時[9]。
從灌裝機技術角度來看，主要表現(xiàn)在科技含量高、可靠性強，全自動化控制和生產(chǎn)效率高等特點。在加工過程中實時在線檢測裝置和計量裝置配備齊全，實現(xiàn)自動檢測各項參數(shù)指標、計量精確無誤。灌裝機械是集成了機、電、氣、光、磁為一體機械設備，其中德國占有該領域較好的主導地位[5]。
國外對液體灌裝系統(tǒng)進行了大量研究，自動化程度高，灌裝效果好。國內(nèi)液體灌裝系統(tǒng)起步較晚，在液體灌裝過程中大多存在滴漏和起泡現(xiàn)象。滴漏現(xiàn)象容易對灌裝容器和機器造成污染，影響產(chǎn)品的清潔度；起泡現(xiàn)象則會影響產(chǎn)品外觀[14]。
目前中國灌裝機械對國外高端技術的依賴程度還比較高，對于關鍵和核心的零部
件不能自主生產(chǎn)，這些同樣制約了中國灌裝機械工業(yè)持續(xù)、健康、穩(wěn)定的發(fā)展。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，我國每年要花費大量的資金作為機械裝備的購買。由于購買外國設備成本高，運行維護費用大，維修麻煩等問題。
經(jīng)過近幾十年的技術不斷提升，我國灌裝機行業(yè)取得了一定的成績，灌裝機械的發(fā)展來看，走的是一條典型的“引進技術、消化吸收、自主創(chuàng)新、逐步國產(chǎn)化”的道路。國內(nèi)灌裝機生產(chǎn)廠家大多在仿制的基礎上通過結合高新技術，發(fā)展出了自己的特色我國在食品灌裝機械業(yè)已經(jīng)獲得了可喜的業(yè)績。例如，國內(nèi)第一條 5 萬瓶/小時高速啤酒灌裝生產(chǎn)線由南京輕機集團自主研發(fā)生產(chǎn)在而成已經(jīng)在百威英博啤酒集團有限公司已經(jīng)在生產(chǎn)上使用，完成了我國在啤酒行業(yè)擁有了本國自主研發(fā)和制造的高速灌裝生產(chǎn)線，使得我國啤酒包裝裝備行業(yè)有一個新的高度。
灌裝的計量方式和灌裝機的控制方式的技術的發(fā)展水平很好的展示了我國灌裝機械制造的進步，其計量方式的發(fā)展經(jīng)歷了從固定的氣缸驅動計量到現(xiàn)代的脈沖控制伺服電機的轉動來計量，使得計量更加準確，計量大小的規(guī)格適合產(chǎn)品的靈活多變。灌裝機的控制方式從傳統(tǒng)的按鈕和繼電器控制到觸摸屏和可編程邏輯控制器（PLC） 程序控制，這些技術的發(fā)展都體現(xiàn)出了灌裝機技術的提高和進步[5]。
定量灌裝技術在灌裝行業(yè)中應用廣泛，液體定量灌裝多用容積式定量法。常用的容積式定量法有控制液位定量法、定量杯定量法、定量泵定量法，其中定量杯定量法
是將液料先注入定量杯中，然后再進行灌裝的。要改變每次的灌裝量，只需改變調(diào)節(jié)管在定量杯中的高度或更換定量杯，這種方法避免了瓶子本身的制造誤差帶來的影響，故定量精度較高[10]。
目前我國的灌裝機械與西方發(fā)達國家之間仍然存在著不同程度的差距，其主要體現(xiàn)在一下幾個方面：在產(chǎn)品的加工制造方面，我國的主機速度集中在中等水平，主機的制造與國外先進的設備相比，穩(wěn)定性和可靠性較差；在設計方面，對機械設計和優(yōu)化的相關理論研究較少，應用計算機仿真技術和虛擬樣機技術等計算機輔助設計來優(yōu)化設計灌裝機械零部件較為缺乏。主要以經(jīng)驗為主來指導生產(chǎn)；在產(chǎn)品外觀和零部件的質量方面，我國的灌裝機外觀設計不夠大方美觀；在人體工學等方面設計還有欠缺。材料達不到規(guī)定的要求，導致零部件比發(fā)達國家灌裝機產(chǎn)品的質量差。發(fā)達國家的灌裝機電氣元件選用較好，由于成本限制等因素使得國內(nèi)灌裝機選用的元器件使用時間不長，可靠性較低，導致產(chǎn)品整體的性能不高。國產(chǎn)灌裝機機械性能不穩(wěn)定，重復灌裝精度低，普遍運行低速度、結構單一化、成套的灌裝線少、灌裝控制精度低[5]。
5、發(fā)展趨勢
慶波和羅金剛歸納出[3,5]灌裝機械未來的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)以下幾個方向：
（1）灌裝機械設備趨向大型化。
（2）灌裝機械結構設計簡單合理。
（3）灌裝設備向多功能化發(fā)展。
（4）灌裝機械向光、機、電、氣、磁一體化方向發(fā)展。
（5）運行速度高速化、高產(chǎn)量。
（6）設計綠色化。
（7）智能化。
綜上所述，本次的畢業(yè)設計主要是通過對已有的罐裝機構進行研究，并分析常用的灌裝機構的特點，確定自己的灌裝機構，運用 CAD 軟件把罐裝機構的轉配圖及其相關部件的零件圖繪制出。并對裝置的實施性進行分析判斷，最終完成本次的啤酒定量灌裝機構的設計。