顆粒狀物料螺桿填充機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含8張CAD圖
顆粒狀物料螺桿填充機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含8張CAD圖,顆粒狀,物料,螺桿,填充,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),cad
,,顆粒狀物料螺桿填充機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,,,,,目錄,CONTENTS,,2,3,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)商品的需求也隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而迅速增長(zhǎng)，包裝的商品也在人們?nèi)粘Ｉ钪械脑絹碓狡毡椋覈?guó)的包裝行業(yè)的技術(shù)水平長(zhǎng)期落后于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，包裝技術(shù)的精度低。在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中存在浪費(fèi)大、生產(chǎn)效率低等問題。,,進(jìn)料段+緊實(shí)段+排氣端+卸料段,減速比5.56,1.完成上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.完成二維圖和零件圖 3.校核零件 4.完成設(shè)計(jì)說明書,8,謝謝老師,顆粒狀物料螺桿填充機(jī) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),學(xué)院：XXX,學(xué)號(hào)：XX,答辯人：XX,指導(dǎo)老師：XX,PART 01,PART 02,PART 03,PART 04,研究背景和現(xiàn)狀,填充方案的選擇,機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),結(jié)論,01,PART ONE,研究背景和現(xiàn)狀,01,研究背景和現(xiàn)狀,1,2,3,4,填充機(jī)廣泛應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥、礦業(yè)等行業(yè)的包裝。,美國(guó)德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家早已形成完善的包裝工業(yè)體系。,目前國(guó)內(nèi)研究水平還稍有落后，但發(fā)展勢(shì)頭迅猛。,主要的缺點(diǎn)為填充誤差高、效率低、適應(yīng)性較差。,研究方向?yàn)樵谔岣呔群托实幕A(chǔ)上，使包裝機(jī)更智能化。,02,PART TWO,填充方案的選擇,02,填充方案的選擇,3.容積式計(jì)量,1.螺桿式計(jì)量,2.稱重式計(jì)量,02,填充方案的選擇,,,螺桿式計(jì)量,1、3-電機(jī) 2、4-帶輪 5-制動(dòng)器 6-螺桿軸 7-攪拌棒 8-填充螺桿,02,填充方案的選擇,,,稱重式計(jì)量,1-料斗 2-閘門 3-稱重調(diào)節(jié)器 4-輸送帶 5-稱臺(tái) 6-傳感器 7-板簧,02,填充方案的選擇,,,容積式計(jì)量,1-轉(zhuǎn)軸；2-轉(zhuǎn)盤；3-刮板；4-料斗；5-透明蓋；6-定量量杯；7-活動(dòng)底蓋；8-支撐座；9-滑座；10-攪拌器；11-漏斗；12-計(jì)量杯；13-滑板；14-漏斗,03,PART THREE,機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),03,機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),,01,總體二維裝配圖,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),,02,填充螺桿的設(shè)計(jì),,03,,04,攪拌軸和螺桿軸的設(shè)計(jì),03,機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),,總體二維裝配圖,03,機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),,,螺桿的設(shè)計(jì),參數(shù)：外徑D外=75mm 內(nèi)徑D內(nèi)=20mm 螺距S=60mm,填充要求：白糖填充 500g/袋 填充速度45袋/min 白糖密度：1.582x103kg/m3,03,機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),,,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),攪拌棒部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：攪拌棒部分由于沒有精度要求，僅滿足轉(zhuǎn)矩要求即可，故選用傳動(dòng)比1:1的帶傳動(dòng)。,填充部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：因多級(jí)傳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，所以 選擇單級(jí)齒輪傳動(dòng)，減速比3:1，齒輪傳動(dòng)瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定，能保證填充所需的精度要求。,03,機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),,,攪拌棒軸螺桿軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),要求攪拌棒與填充螺桿轉(zhuǎn)向相反，所以將攪拌棒軸設(shè)計(jì)成空心軸，使兩軸在同一軸線上。,04,研究結(jié)論,04,研究結(jié)論,本次設(shè)計(jì)在保證精度和效率的基礎(chǔ)上，采用了步進(jìn)電機(jī)改善了粉劑填充機(jī)的適應(yīng)性，可以用于不同種類、不同質(zhì)量的顆粒物填充，改善了傳統(tǒng)粉劑填充機(jī)適應(yīng)性差、功能單一的缺點(diǎn)。,但仍有一些缺陷，還有可以提高的地方，應(yīng)在日后繼續(xù)改善。,謝謝各位老師,
XXX
XXXXX
設(shè)計(jì)題目：
顆粒狀物料螺桿填充機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
學(xué) 院：
年 級(jí)：
專 業(yè)：
姓 名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
20XX年 5 月 10 日
摘要
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，粉末螺桿灌裝機(jī)廣泛應(yīng)用于食品、冶金、化工農(nóng)藥等行業(yè)，近年來食品行業(yè)高速發(fā)展，填充機(jī)械超過一半用于食品包裝。盡管使用自動(dòng)化設(shè)備提高了包裝的效率，并降低了勞動(dòng)力成本，但通過仔細(xì)研究包裝生產(chǎn)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)包裝的精度卻逐年下降。本文在PLC控制器的基礎(chǔ)上，介紹了以步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，螺桿進(jìn)給為基礎(chǔ)的粉劑填充機(jī)構(gòu)，既提高了包裝效率，還提高了填充的穩(wěn)定性。
本文先介紹了粉劑填充機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，填充機(jī)采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿進(jìn)行定量填充，螺桿式粉劑填充機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，主要原理是通過控制螺桿的旋轉(zhuǎn)一周填充的體積和旋轉(zhuǎn)的時(shí)間來控制填充粉劑的重量，通過選擇步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由輸入的脈沖頻率決定，因此可以通過改變輸入脈沖的頻率來改變填充的重量，達(dá)到滿足多種產(chǎn)品的填充要求。這種填充機(jī)不僅效率高，而且極大地降低了勞動(dòng)力成本，減少了有毒有害粉劑顆粒對(duì)勞動(dòng)者的傷害，精度也能達(dá)到一定要求。
關(guān)鍵詞:粉劑填充機(jī)；螺桿；PLC；步進(jìn)電機(jī)
Abstract
With the advancement of science and technology and the development of society, powder screw filling machines are widely used in food, metallurgy, chemical pesticides and other industries. In recent years, the food industry has developed rapidly, and more than half of the filling machinery is used for food packaging. Although the use of automated equipment has improved the efficiency of packaging and reduced labor costs, through careful study of packaging production data, we found that the accuracy of packaging is decreasing year by year. Based on the PLC controller, this paper introduces the powder filling mechanism based on stepping motor as the driving and screw feeding, which not only improves the packaging efficiency, but also improves the filling stability.
This paper first introduces the mechanical structure and working principle of the powder filling mechanism. The filling machine adopts the stepping motor to drive the screw for quantitative filling. The screw type powder filling machine has simple structure and high efficiency. The main principle is to fill the rotation of the screw by one rotation. The volume and rotation time to control the weight of the filling powder. The speed of the motor is determined by the input pulse frequency by the selection of the stepping motor. Therefore, the filling weight can be changed by changing the frequency of the input pulse to achieve the filling of various products. Claim. The filling machine not only has high efficiency, but also greatly reduces the labor cost, reduces the damage of the toxic and harmful powder particles to the laborer, and the precision can also meet certain requirements.
Key words:Powder Filling Machine；Screw；PLC；Stepping Motor
目錄
摘要 I
關(guān)鍵詞 II
第一章 緒論 1
1.1 論文研究背景 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3 研究的內(nèi)容和意義 2
第二章 總體方案設(shè)計(jì) 3
2.1 螺桿式計(jì)量原理介紹 3
2.2 稱重式計(jì)量原理介紹 7
2.3 容積式計(jì)量原理介紹 7
2.4 設(shè)計(jì)要求與方案對(duì)比 8
第三章 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1 填充螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.2 電機(jī)的選擇 12
3.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
3.4 軸的設(shè)計(jì) 18
第四章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能分析 21
4.1 總體結(jié)構(gòu)的二維圖 21
4.2 軸零件的二維圖 21
4.3 齒輪二維圖 22
結(jié)論 23
參考文獻(xiàn) 22
致謝 23
第一章 緒論
1.1 論文研究背景
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的要求也隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展而快速增加，包裝的產(chǎn)品在我們的生活中也越來越普遍，食品、化工、醫(yī)藥、礦業(yè)、等行業(yè)所用的包裝機(jī)械逐漸趨于自動(dòng)化與智能化，由于顆粒狀物料有特殊的物理特性，它的填充方式也有一定的特殊性，但是我國(guó)的包裝行業(yè)的包裝水平卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于我們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的需要，包裝的精度不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。在產(chǎn)品的包裝過程中存在效率低，浪費(fèi)多等一系列問題。為了迎合社會(huì)日益增長(zhǎng)的需要，包裝設(shè)備在技術(shù)和制造水平上都需要我們達(dá)到更高的水平。在國(guó)外制造業(yè)高速發(fā)展時(shí)，我國(guó)制造業(yè)正處于低迷時(shí)期。中國(guó)人民共和國(guó)成立后，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。改革開放后，國(guó)民生產(chǎn)總值快速增長(zhǎng)，使包裝設(shè)備的要求越來越高，我們的人民的需求也越來越多樣化。我國(guó)粉末灌裝機(jī)設(shè)備的開發(fā)已經(jīng)進(jìn)行了30多年，并取得了很大的進(jìn)步，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，特別是美國(guó)、德國(guó)和意大利，到今天已經(jīng)形成了高度完善的包裝工業(yè)體系，并將多種封裝技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，形成了機(jī)電一體化的模式，改革開放以來，中國(guó)在包裝設(shè)備方面取得了重大的進(jìn)展，多數(shù)廠家有嚴(yán)重抄襲，并在研發(fā)和制造灌裝機(jī)上投資較少。為了制造更多的利潤(rùn)，企業(yè)之間一直存在惡性競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)象，沒有把重心放在設(shè)備研發(fā)上，造成了一定的惡性循環(huán)，因此國(guó)內(nèi)的填充機(jī)行業(yè)一直處于水平低，填充效率低的情況，大量的小企業(yè)為了減少制造成本，選擇抄襲其他廠商的技術(shù)。
大多數(shù)灌裝設(shè)備用于食品包裝行業(yè)，我國(guó)食品市場(chǎng)巨大，對(duì)食品包裝需求大，中國(guó)的包裝工業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)機(jī)械工業(yè)的十大行業(yè)之一，近年來，情況有所改善，企業(yè)對(duì)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重視程度越來越高，積極科研和創(chuàng)新，加大研發(fā)創(chuàng)新的投入成本，為趕上國(guó)外包裝設(shè)備的發(fā)展，設(shè)計(jì)和制造出生產(chǎn)效率高、灌裝精度高、運(yùn)行可靠的粉劑灌裝機(jī)已經(jīng)成為首要目標(biāo)。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
與國(guó)外的相比，國(guó)內(nèi)的制造水平相對(duì)落后，尤其是機(jī)械技術(shù)。中華人民共和國(guó)成立之前，國(guó)內(nèi)對(duì)于灌裝機(jī)的研究是一個(gè)空白階段，在上世紀(jì)70年代末期，中國(guó)大力發(fā)展制造業(yè)，經(jīng)過科研人員的努力，在灌裝機(jī)械的技術(shù)上也有了很大的進(jìn)步，定量灌裝技術(shù)上也有較好的成果。
擁有定量灌裝機(jī)領(lǐng)先技術(shù)的國(guó)家制造業(yè)起步早，具有較高的發(fā)展水平，大量的企業(yè)在填充機(jī)的研發(fā)和設(shè)計(jì)上都投入了大量的科研成本，不斷地提升填充機(jī)械的技術(shù)水平。美國(guó)的自動(dòng)化和智能化水平處于世界領(lǐng)導(dǎo)地位，填充機(jī)械廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，填充機(jī)械的種類多，技術(shù)水平高，運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，大大的提升了填充設(shè)備的智能化程度。德國(guó)以其高水平的設(shè)計(jì)，精確的制造能力和穩(wěn)定的技術(shù)性能，已成為最大的灌裝設(shè)備出口商。 日本灌裝機(jī)重量輕，方便，自動(dòng)化，在市場(chǎng)上具有很大的吸引力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合智能控制技術(shù)，使這些國(guó)家定量控制技術(shù)水平遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)的填充設(shè)備技術(shù)。其定量填充設(shè)備主要具有下列特點(diǎn)：第一，包裝效率高，生產(chǎn)效率作為決定填充設(shè)備水平高地的重要標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外的科研人員致力于提高填充的速度，或增多填充落料的頭數(shù)。第二，定量填充機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，國(guó)外的研發(fā)人員嘗試努力改變填充機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，減小動(dòng)力傳動(dòng)的級(jí)數(shù)，提高傳動(dòng)的精度。第三，定量灌裝機(jī)的自動(dòng)化技術(shù)水平很高。上述發(fā)達(dá)國(guó)家憑借其技術(shù)含量高、精度高的優(yōu)點(diǎn)，基本壟斷了全世界百分之七十的粉劑填充機(jī)產(chǎn)品。
目前，國(guó)內(nèi)的定量填充機(jī)的生產(chǎn)效率較低，且填充的誤差也較大，經(jīng)過調(diào)查得知，雖然近年來我國(guó)的包裝行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，然而，造成灌裝誤差的精度沒有達(dá)到20世紀(jì)20年代末制定的標(biāo)準(zhǔn)，主要原因在于在填充速度和顆粒狀物在填充期間的損失。國(guó)內(nèi)的灌裝機(jī)械企業(yè)對(duì)顆粒狀物料的定量控制方法主要有容積式計(jì)量，稱重式計(jì)量和螺桿式計(jì)量。雖然品種較多，但是適應(yīng)性較差，基本是針對(duì)單一的顆粒種類和單一定量包裝，面對(duì)種類繁多、填充重量不等的產(chǎn)品包裝，跟不上需求，標(biāo)準(zhǔn)化通用化水平較低，生產(chǎn)成本高，這些都需要在今后的設(shè)計(jì)中著力解決。
1.3 研究的內(nèi)容和意義
（1） 如圖1-1為粉劑填充機(jī)的實(shí)物圖，研究?jī)?nèi)容為調(diào)查企業(yè)填充白糖的速度，確定粉劑填充機(jī)的設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)，確定設(shè)備的大小尺寸和重量的限制，通過對(duì)比確定設(shè)備的設(shè)計(jì)方案和各個(gè)部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
（2） 根據(jù)所確定的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，包括填充螺桿、齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、箱體的設(shè)計(jì)和電機(jī)的選擇，對(duì)重要的零件，如軸、齒輪、鍵進(jìn)行受力分析和校核。
（3） 保證各個(gè)功能可以正常實(shí)現(xiàn)，開啟之后螺桿能夠正常的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行填充，攪拌棒轉(zhuǎn)向與螺桿相反，達(dá)到充分?jǐn)嚢枞萜髦械念w粒狀物料，減少顆粒狀物料之間的空氣或較粘稠的物料對(duì)填充精度的影響。
（4） 填充設(shè)備日益高速化、智能化、自動(dòng)化是提高填充效率的根本途徑，是加快社會(huì)經(jīng)濟(jì)的根本動(dòng)力。灌裝設(shè)備的系列化，標(biāo)準(zhǔn)化，通用化是未來灌裝設(shè)備的一個(gè)重要發(fā)展方向。由發(fā)達(dá)國(guó)家制定包裝機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)件占整機(jī)零件的相當(dāng)大部分，從而提高了產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度。大力提升填充設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，使填充設(shè)備的功能日益完善，運(yùn)行更加可靠。
圖1-1 粉劑填充機(jī)
第二章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 螺桿式計(jì)量原理介紹
如圖2-1所示為螺桿式計(jì)量填充機(jī)原理圖，這種計(jì)量方式是通過計(jì)算螺桿槽的容腔體積來控制輸送物料的體積，通過物料的密度計(jì)算出輸送的質(zhì)量來達(dá)到填充要求。運(yùn)行時(shí)，電機(jī)3通過帶輪4的減速帶動(dòng)軸6，軸6帶動(dòng)螺桿8旋轉(zhuǎn)，通過計(jì)量螺桿8的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)來計(jì)量填充的質(zhì)量。電機(jī)1帶動(dòng)帶輪2經(jīng)過減速帶動(dòng)攪拌棒7轉(zhuǎn)動(dòng)，通過攪拌棒的攪動(dòng)減小物料之間的空氣或粘稠物料對(duì)填充精度的影響。
圖2-1螺桿式計(jì)量填充機(jī)原理圖
1、3-電機(jī)；2、4-帶輪；5-制動(dòng)器；6-螺桿軸；7-攪拌棒；8-填充螺桿
在填充的過程中，為了計(jì)算螺桿一個(gè)導(dǎo)程輸送顆粒物的質(zhì)量，根據(jù)理論公式計(jì)算出螺桿一個(gè)導(dǎo)程的體積，再根據(jù)輸送顆粒狀物料的密度計(jì)算出螺桿一個(gè)導(dǎo)程輸送物料的質(zhì)量，從而計(jì)算所選電機(jī)的脈沖的總數(shù)，從而控制螺桿的旋轉(zhuǎn)角度。
在實(shí)際的生產(chǎn)中，阿基米德螺線螺桿被廣泛使用，因?yàn)樗庸ぽ^為方便。螺桿的軸向剖面是梯形的如圖2-2所示。
圖2-2螺桿的軸向剖面
r1-螺桿小徑；r2-螺桿大徑；a-剖面梯形的上底邊；b-剖面梯形的下底邊
為了計(jì)算方便，螺桿的軸向截面由一個(gè)矩形¨BCED和兩個(gè)三角形△ABC、△DEF組成，需要分別計(jì)算出兩部分的體積，如圖2-3所示。
圖2-3 梯形剖面
2.1.1 三角形區(qū)域體積計(jì)算
以三角形區(qū)域△ABC按圖2-4建立直角坐標(biāo)系。
圖2-4 △ABC部分直角坐標(biāo)系
在直角坐標(biāo)系中，以螺桿半徑r為橫坐標(biāo)，r的大小范圍在小徑r1到大徑r2之間，縱坐標(biāo)y為中間量。
由相似三角形關(guān)系可以得到式：
得到
則△ABC內(nèi)任意一小微元面積S1可又理論公式計(jì)算。
對(duì)應(yīng)于小面積區(qū)域S1的螺旋展開長(zhǎng)度是展開高度H，并且積分法可用于找到一個(gè)導(dǎo)程內(nèi)三角形△ABC體積為V0。
一條引線中有兩個(gè)三角形區(qū)域△ABC、△DEF，所以一條引線中的三角形區(qū)域的體積為：
將上式整理得：
設(shè)為常數(shù)，設(shè)，令
則
因此，對(duì)應(yīng)于一個(gè)引線的兩個(gè)三角形區(qū)域的體積V1為：
2.1.2 矩形區(qū)域體積計(jì)算
對(duì)一個(gè)導(dǎo)程的矩形區(qū)域¨BCED建立直角坐標(biāo)系如圖2-5所示，h為所選螺桿矩形區(qū)域的高，矩形區(qū)域¨BCED內(nèi)任意的一個(gè)小微元的面積S2為：
圖2-5 矩形區(qū)域直角坐標(biāo)系
小微元的面積S2對(duì)應(yīng)的高度H：
由此可以算出螺桿一個(gè)導(dǎo)程內(nèi)矩形區(qū)域的體積：
所以一個(gè)導(dǎo)程內(nèi)總的可以輸送物料的體積為：
2.2 稱重式計(jì)量原理介紹
如圖2-6所示電子皮帶秤稱重裝置原理圖。運(yùn)行時(shí)，粉劑由料斗1經(jīng)過閘門2輸送到輸送帶4上，輸送帶4將物料運(yùn)送到稱臺(tái)5上，粉劑由于重力作用使下面的支撐板彈簧7發(fā)生形變，稱臺(tái)被壓下降，位移傳感器6發(fā)送信號(hào)至稱重調(diào)節(jié)器3，皮帶秤即可測(cè)出粉劑的重量。如果重量沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)或超出，稱重調(diào)節(jié)器3可調(diào)節(jié)閘門2的開度，進(jìn)而保證物料重量在一定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。
圖2-6皮帶稱重式計(jì)量設(shè)備原理圖
1- 料斗；2-閘門；3-稱重調(diào)節(jié)器；4-輸送帶；5-稱臺(tái)；6-傳感器；7-板簧
稱重式計(jì)量適合于物料顆粒形狀不規(guī)則的填充，計(jì)量設(shè)備一般采用的精確地稱重秤，在灌裝過程中，多級(jí)上料和實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)的組合計(jì)量經(jīng)常被用來實(shí)現(xiàn)材料填充和計(jì)量。稱重式測(cè)量精度高，誤差通?？梢栽诖蠹s2％的控制范圍內(nèi)，但機(jī)械結(jié)構(gòu)是更復(fù)雜的，但這種方式是不方便維護(hù)，而且成本高的。而且由于稱重傳感器的精度和多級(jí)填充的限制，會(huì)導(dǎo)致填充的效率較低，無法滿足大規(guī)模的生產(chǎn)。
2.3 容積式計(jì)量原理介紹
如圖2-7所示 為容積式計(jì)量方式的原理圖，軸1由于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤2旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，固定定容積式量杯6在轉(zhuǎn)盤2上，料斗4、刮板3、透明蓋5固定在機(jī)架上，并且刮板3、透明蓋5與可以動(dòng)的轉(zhuǎn)盤2上平面形成一定體積的容納空間（轉(zhuǎn)盤區(qū)域的1/2，由料斗4補(bǔ)充顆粒狀物料）。當(dāng)固定在轉(zhuǎn)盤2上的定容積式量杯6轉(zhuǎn)入由刮板3分離的材料倉時(shí),粉狀顆粒物料填充在量杯中;轉(zhuǎn)過半圈時(shí),量杯上端被刮板壓平;當(dāng)轉(zhuǎn)過一定的角度到排出口時(shí),將量杯的下底蓋7頂起,將定容積的顆粒狀物料倒入落料口,為達(dá)到自動(dòng)計(jì)量的目的。圖2-1（ｂ）為移動(dòng)定容積式自動(dòng)計(jì)量的方案。料斗11固定在框架上,攪拌棒10恒定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)打散物料進(jìn)而防止粘稠,保證落入量杯的物料有足夠的精度。安裝在滑板13上的定容積式量杯,物料填入量杯并被滑板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)刮平,再進(jìn)入排出口。
（a） （b）
圖2-7定容積量杯計(jì)量裝置原理圖
1- 轉(zhuǎn)軸；2-轉(zhuǎn)盤；3-刮板；4-料斗；5-透明蓋；6-定量量杯；7-活動(dòng)底蓋；8-支撐座；
9- 滑座；10-攪拌器；11-料斗；12-計(jì)量杯；13-滑板；14-漏斗
容積式填充較好的結(jié)合了機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)控制，根據(jù)計(jì)算公式算出理論填充量，并通過實(shí)驗(yàn)修正得出達(dá)到填充要求的質(zhì)量。研究和開發(fā)人員簡(jiǎn)化容積填充計(jì)量方法的機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了由多級(jí)變速器帶來的精度誤差，提高了填充機(jī)的生產(chǎn)效率，并降低了制造生產(chǎn)成本。目前國(guó)內(nèi)小型容積式填充機(jī)的誤差通?？梢钥刂圃?%左右。
2.4 設(shè)計(jì)要求與方案對(duì)比
（一）填充要求
經(jīng)過調(diào)查最終確定，填充顆粒狀物料為白糖，填充速度為45袋/分鐘，每袋重量500g，白糖為細(xì)小顆粒，較為粘稠，密度。
（2） 方案對(duì)比與確定
上述三種計(jì)量方案，容積式計(jì)量機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、便于操控、適應(yīng)性更好，但精度較低，對(duì)于填充精度要求低的包裝來說，是性價(jià)比最高的填充方式。與容積式計(jì)量方式相比較而言，稱重式計(jì)量方式生產(chǎn)效率更高，精度也更高，適用于重量變化大的物料填充。在精度要求高的生產(chǎn)線上通常將容積式與稱重式兩種計(jì)量方法結(jié)合使用，可以使兩種優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。螺桿式計(jì)量通常用于流動(dòng)性好的顆粒狀物料，不宜用于重量變化大的物料。綜合考慮，顆粒狀物料填充最中選擇螺桿式計(jì)量方法性價(jià)比最高，且能滿足精度上、生產(chǎn)效率上的要求。
（3） 設(shè)計(jì)方案的確立
根據(jù)多方面的調(diào)研和資料收集，最終確立了具體的課題方案。
首先，驅(qū)動(dòng)件為步進(jìn)電機(jī)，由步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)填充設(shè)備的啟停和運(yùn)行，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用一級(jí)齒輪減速連接主動(dòng)軸與從動(dòng)軸，從動(dòng)軸與螺桿相連帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)填充并且對(duì)填充物料計(jì)量的目的。另外，攪拌棒由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，攪拌軸為中空軸，并且連接到螺桿從動(dòng)軸是同心的，攪拌棒的旋轉(zhuǎn)方向是螺桿的旋轉(zhuǎn)方向的反向，所以該攪拌更均勻，對(duì)精度影響小。
為達(dá)到適應(yīng)多種填充要求的目的，選用了步進(jìn)電機(jī)作為螺桿的驅(qū)動(dòng)件，每輸入一個(gè)脈沖，則電機(jī)轉(zhuǎn)過固定的角度，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移，所以便可以通過改變脈沖頻率的方式，改變填充量，來達(dá)到顆粒種類不同、填充質(zhì)量不同等包裝要求。這種方法解決了驅(qū)動(dòng)元件為交流伺服電機(jī)適應(yīng)性差，只針對(duì)單一產(chǎn)品，單一質(zhì)量的問題。但是，也存在一些缺陷：例如，步進(jìn)電機(jī)的成本較高；步進(jìn)電機(jī)矩頻特性與所得的數(shù)據(jù)總有一定偏差,影響了灌裝設(shè)備的工作性能和計(jì)量裝置的可靠性;在檢測(cè)方面，動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差調(diào)整的理想化還有待進(jìn)一步的解決。
第三章 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 填充螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算
如圖3-1為填充螺桿，通過螺桿旋轉(zhuǎn)將物料輸出，輸出的質(zhì)量與螺桿一個(gè)導(dǎo)程的體積有關(guān)，螺桿大徑D外=75mm，小徑D內(nèi)=20mm，導(dǎo)程S=60mm，螺旋長(zhǎng)度L=600mm。
圖3-1 填充螺桿
下面給出螺桿設(shè)計(jì)的計(jì)算過程：
根據(jù)填充要求，填充速度Q：
物料粒度
物料的磨琢性
物料的典型例子
推薦的填充系數(shù)
特性系數(shù)K
綜合系數(shù)A
粉狀
無磨琢性、半磨琢性
面粉、石灰、水泥
0.35~0.40
0.0415
75
粒狀
磨琢性、無磨琢性、半磨琢性
谷物、泥煤砂、成粒的爐渣
0.25~0.35
0.0490
50
圖3-2 常見物料特性
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式外徑D外：
式中：白糖密度 ；
粉體物料綜合特性系數(shù)A，見圖3-2；
填充系數(shù)=0.3；
螺距和螺旋葉片直徑的比例系數(shù)K1=0.8；
D外經(jīng)圓整后：
經(jīng)圓整：
校核轉(zhuǎn)速：
校核填充系數(shù)：
經(jīng)校核此螺桿滿足要求。
3.2 電機(jī)的選擇
（一）驅(qū)動(dòng)螺桿電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)是一種開環(huán)控制電機(jī)，可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為線位移或者角位移，在正產(chǎn)運(yùn)行不超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、啟停僅與脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)、脈沖頻率有關(guān)，不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)過一定的角度，這個(gè)角度被稱為步距角，因而可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來精確控制轉(zhuǎn)過的角度，通過控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率進(jìn)而控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。與交流伺服電機(jī)相比，雖然兩種電機(jī)都適合用于頻繁啟停的情況，但步進(jìn)電機(jī)角位移或線位移和脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例，不會(huì)引起誤差的積累，控制更精確，步進(jìn)電機(jī)也可以控制轉(zhuǎn)速滿足不同填充要求。
目前，步進(jìn)電機(jī)類型分為反應(yīng)式、永磁式、混合式三類。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)潔，生產(chǎn)成本較低，步距角與其他種類電機(jī)相比小，但運(yùn)行性能較差，效率低，散熱差，可靠性差。永磁式步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)性能好，輸出的轉(zhuǎn)矩大，但步距角較大，無法保證一定的精度?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)綜合了上述兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，精度更高，運(yùn)動(dòng)性能更好，步距角小，唯一的不足是成本較高。
下面為選擇電機(jī)進(jìn)行的計(jì)算。
螺桿每個(gè)導(dǎo)程的容積為V
式中F為螺桿軸向剖面面積（m2）
式中l(wèi)為一圈螺旋的周長(zhǎng)（m）
式中中為螺旋中經(jīng)的升角（°）
每次螺桿的輸送量G為
式中n0為每次填充轉(zhuǎn)數(shù)，由上述公式可知
計(jì)算填充每袋白糖的轉(zhuǎn)數(shù)
因步進(jìn)電機(jī)與螺桿經(jīng)過1:3減速，所以螺桿每次轉(zhuǎn)n0時(shí)，步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)3n0，即每填充一袋白糖，電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度為
初選步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.5度/step，所以螺桿每轉(zhuǎn)n0，步進(jìn)電機(jī)需走
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，填充的速度為45袋/分，即1.33s填充完一袋，所以，取步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行距頻特性為
步進(jìn)電機(jī)走1713.6step需1.33s，反推計(jì)算n0.
步進(jìn)電機(jī)走1.33s即1713.6step，又因步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角為1.5°/step
得到螺桿的轉(zhuǎn)數(shù)n0=7.14/3=2.38轉(zhuǎn)
所以螺桿的轉(zhuǎn)速為
即可得步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速
此時(shí)，電機(jī)走一步，輸送物料的質(zhì)量為
綜上選擇電機(jī)型號(hào)110BF003
（2） 攪拌棒電機(jī)的選擇
擺線針輪減速機(jī)因其體積小質(zhì)量輕，傳動(dòng)比大，傳動(dòng)效率高，故障率低，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行時(shí)可靠性高，過載能力強(qiáng)，適用于啟停頻繁并進(jìn)行正反轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，適合作為攪拌棒的電機(jī)，省去了帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)，使帶傳動(dòng)僅用來傳遞動(dòng)力，不改變傳動(dòng)比。因僅用于為攪拌棒提供動(dòng)力源，所需轉(zhuǎn)矩和功率也不大，所以選用XLD-4型擺線針輪減速機(jī)作為攪拌棒的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。輸入轉(zhuǎn)速1000r/min，輸出轉(zhuǎn)速91r/min，傳動(dòng)比11。
圖3-3 擺線針輪減速機(jī)選型表
圖3-4 擺線針輪減速機(jī)尺寸表
3.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
螺桿軸的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用直齒輪傳動(dòng)，瞬時(shí)傳動(dòng)比是恒定的，從而可以保證傳動(dòng)的精度，為了進(jìn)一步保證精度，采用單級(jí)傳動(dòng)的方式，以減少由于多級(jí)傳動(dòng)產(chǎn)生的誤差。
螺桿工作是所需的功率P
式中：f ——物料和容器壁面的摩擦系數(shù)；
H’——進(jìn)料口分體堆積的高度，m；
r ——管道橫截面半徑，m；
l ——進(jìn)料口長(zhǎng)度，m。
本設(shè)計(jì)中，f為0.35，H’為容器的高度，r為管道橫截面半徑為0.04m，l為兩個(gè)導(dǎo)程的長(zhǎng)度0.12m，求出螺桿的功率為0.15kw。
式中：——總效率
——滾珠軸承效率為0.99
——聯(lián)軸器效率為0.99
——齒輪傳動(dòng)效率為0.98
則驅(qū)動(dòng)螺桿電機(jī)的功率N為
式中，——功率的儲(chǔ)備系數(shù)，一般為1.2~1.4。
選擇兩個(gè)齒輪為7級(jí)精度，小齒輪材料40Cr，硬度為280HBS,大齒輪材料45鋼，硬度為240HBS,初選小齒輪齒數(shù)z1=42，大齒輪齒數(shù)z2=126，根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)可知。
式中：K1——載荷系數(shù)為1.3；
T1——小齒輪轉(zhuǎn)矩；
——齒寬系數(shù)，取1；
——彈性影響系數(shù)，查表得189.8；
——接觸疲勞強(qiáng)度，查表得大齒550MPa，小齒600MPa；
N——盈利循環(huán)次數(shù)；
——許用接觸疲勞強(qiáng)度，取是小概率1%，安全系數(shù)S=1；
計(jì)算圓周速度v
計(jì)算齒寬
計(jì)算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù)
齒高
按齒面彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
查表得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限380MPa，彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.85,KFN2=0.88。
計(jì)算允許的最大彎曲疲勞強(qiáng)度，并取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4。
計(jì)算載荷系數(shù)
查表得齒形系數(shù)YFa1=2.65;YFa2=2.226。應(yīng)力校正系數(shù)YSa1=1.58，YSa2=1.764。
通過比較齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算出來的模數(shù)大于齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算出來的模數(shù)，因?yàn)辇X輪的模數(shù)主要與彎曲強(qiáng)度確定的承載能力有關(guān)，承載能力由齒面接觸疲勞強(qiáng)度決定，僅和齒輪直徑有關(guān)系，彎曲疲勞強(qiáng)度算得的模數(shù)2.236mm，經(jīng)查表將其取為m=2mm，最后計(jì)算出小齒輪齒數(shù)z1=42，大齒輪齒數(shù)z2=126。
幾何尺寸計(jì)算
分度圓直徑
中心距
齒輪寬度
3.4 軸的設(shè)計(jì)
軸類零件的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)安裝在軸上的零件的定位、軸的制造工藝兩方面的需求，來確定軸的結(jié)構(gòu)和尺寸大小。如果軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，一方面會(huì)影響到軸上零件軸向、周向定位，使軸上零件無法傳遞運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞零件，或影響到軸上零件的安裝，使零件無法正常安裝到軸上；另一方面還會(huì)影響到軸的制造工藝性，使加工軸的成本大大提升，降低了軸的加工精度。
為了使軸上的零件在受力使不發(fā)生軸向、周向移動(dòng)，除特殊要求外，都需要對(duì)軸上零件進(jìn)行軸向、周向的定位，以確保正確的工作位置。
（1） 軸上零件的軸向定位主要有軸肩定位、套筒、軸承擋圈、軸承端蓋、螺母、定位銷等定位方式。軸肩定位往往和套筒配合使用，在軸上不需要加工出槽和孔，不會(huì)削弱軸的強(qiáng)度。擋圈定位主要用于軸端的軸向定位，能承受比較大的軸向力。定位銷定位需要在軸上加工出孔，對(duì)軸的強(qiáng)度削弱較大，所能承受的力與銷的強(qiáng)度大小有關(guān)。本設(shè)計(jì)中，采用了軸肩套筒定位，擋圈定位兩種方式。
（2） 軸上零件的周向定位主要有鍵連接、銷連接等，都會(huì)對(duì)軸的強(qiáng)度產(chǎn)生影響，鍵的橫截面積主要與軸的直徑有關(guān)，長(zhǎng)度則取決于所連接零件的寬度。
（3） 軸的材料主要有碳鋼和合金鋼，合金鋼的成本比碳鋼要高，不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，可以通過簡(jiǎn)單的熱處理的方式提高耐磨性，提高它的疲勞強(qiáng)度，所以碳鋼的應(yīng)用被大家廣為接受，最常用的為45鋼，本設(shè)計(jì)中所有的軸類零件均采用45鋼。
本設(shè)計(jì)中，軸類零件為傳動(dòng)軸，只用于傳動(dòng)，不傳遞轉(zhuǎn)矩，不承受壓軸力，故不需校核。
圖3-5 剖視圖
兩根軸在安裝時(shí)，如圖3-5所示，空心的攪拌軸通過兩個(gè)角接觸球軸承連接在機(jī)架上，軸上的帶輪收到圓周力帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)；螺桿的從動(dòng)軸通過一個(gè)帶座軸承和一個(gè)深溝球軸承，帶座軸承固定在機(jī)架上，深溝球軸承固定在空心軸內(nèi)部，軸上的齒輪受力旋轉(zhuǎn)。使兩根軸在同一軸線上，兩根軸之間有1mm間隙，可以相互反向旋轉(zhuǎn)。
第四章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能分析
4.1 總體結(jié)構(gòu)的二維圖繪制
如圖4-1所示，可以清楚地看到動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分、填充部分。填充部分的動(dòng)力由左側(cè)的電機(jī)提供，通過齒輪單級(jí)減速，達(dá)到所需的轉(zhuǎn)速要求。攪拌部分的動(dòng)力由右側(cè)的減速機(jī)提供，帶傳動(dòng)進(jìn)傳遞運(yùn)動(dòng)，不傳遞轉(zhuǎn)矩。可以通過改變步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率來調(diào)節(jié)填充的速度。
圖4-1 裝配體的剖視圖
4.2 軸零件的二維圖繪制
如圖4-2與4-3所示，攪拌軸和螺桿從動(dòng)軸為本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，要達(dá)到使螺桿和攪拌棒反向轉(zhuǎn)動(dòng)的目的，兩軸同軸心，轉(zhuǎn)向相反。
圖4-2 螺桿從動(dòng)軸二維圖
圖4-3 攪拌棒空心軸的剖視圖
4.3 齒輪的二維圖繪制
如圖4-4所示，為單級(jí)傳動(dòng)的小齒輪，采用單級(jí)傳動(dòng)的目的是防止多級(jí)傳動(dòng)造成較大誤差。
圖4-4 小齒輪二維圖
結(jié)論
本文對(duì)粉劑填充機(jī)的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并介紹了粉劑填充機(jī)和包裝行業(yè)的背景，在將近三個(gè)月左右的時(shí)間里，完成了對(duì)于螺桿和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，還有電機(jī)的選擇，使?jié)M足填充要求的基礎(chǔ)上，還能保證一定的精度，采用了步進(jìn)電機(jī)則改善了粉劑填充機(jī)的適應(yīng)性，可以用于不同種類、不同質(zhì)量的顆粒物填充，改善了傳統(tǒng)粉劑填充機(jī)適應(yīng)性差、功能單一的缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)為需要將攪拌軸和與螺桿連接的從動(dòng)軸安裝在同一軸線，并使攪拌軸和從動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向相反，目的是讓攪拌更均勻，最終將攪拌軸做成空心軸固定于機(jī)架，從動(dòng)軸通過兩個(gè)深溝球軸承一端固定于機(jī)架，另一端固定在空心軸內(nèi)部，進(jìn)而達(dá)到目的。由于水平所限，用三個(gè)月的時(shí)間想要設(shè)計(jì)出一臺(tái)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的設(shè)備還是具有一定難度的，設(shè)計(jì)中還存在些許問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還存在一些不合理之處，需要在今后的學(xué)習(xí)中繼續(xù)提高，設(shè)計(jì)中還存在可以提高之處，應(yīng)在今后繼續(xù)完善。
改進(jìn)方向：可以將螺桿式計(jì)量和稱重式計(jì)量結(jié)合使用，通過PLC控制進(jìn)行多級(jí)下料，或在出料口添加一個(gè)截止門，防止物料滑落，進(jìn)一步的提高精度?？傊@次設(shè)計(jì)總體上來說是成功的。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)掌握到了許多新知識(shí)和畫圖的技巧，并且提高了我的自學(xué)能力，為今后的學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。
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[10] 《包裝機(jī)械原理與設(shè)計(jì)》.西南交通大學(xué)出版社.主編：楊良渠，杜力.
致謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)歷時(shí)將近三個(gè)月之久，作為大學(xué)的結(jié)尾，是我四年學(xué)習(xí)中最有意義的設(shè)計(jì)工作，在設(shè)計(jì)過程中，我深深地感到了掌握知識(shí)的不足，經(jīng)常遇到困難，隨著不斷積累知識(shí)，設(shè)計(jì)內(nèi)容也不斷完善，在未來的學(xué)習(xí)中，只有不斷的堅(jiān)持努力，才能勝任各項(xiàng)工作。相信困難是有的，只要不斷學(xué)習(xí)，就一定會(huì)成功。
畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，在期間遇到的許多困難，感謝指導(dǎo)老師畢老師提供的很多幫助，耐心仔細(xì)的幫助分析設(shè)計(jì)方案和圖紙，指導(dǎo)修改方案，提高了本次設(shè)計(jì)的質(zhì)量，可以說，如果沒有畢老師，以我的能力可能完不成畢業(yè)設(shè)計(jì)。也感謝同組同學(xué)，在平時(shí)能夠互相交流心得和制圖技巧，互相幫助檢查畢業(yè)論文格式，遇到困難都積極地幫助對(duì)方解決困難，優(yōu)秀的同組同學(xué)幫助了我進(jìn)步。
再次感謝無私給予我?guī)椭漠吚蠋煟谟龅嚼щy時(shí)耐心的引導(dǎo)我，既提高了本次設(shè)計(jì)的質(zhì)量，也保證了畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)度。
感謝設(shè)計(jì)過程中提供過幫助的畢老師和同組同學(xué)們！
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