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旋盖机的总体结构设计
摘要
报告了润滑油小包装生产线及旋盖机的概况，针对旋盖机其中的一些缺陷作出改良设计。
确定了旋盖机的重要设计参数，介绍了旋盖机构件材料的选择，并对其进行了论证。
对旋盖机的总体结构设计作了简要的介绍，并着重对旋盖头的结构设计作深入的研究。
介绍了旋盖力矩的计算工作原理、工作流程及总体结构设计。
控制系统则采用PLC自动控制，并且按照旋盖机工作流程编写了半自动控制程序。
关键词:
旋盖机；设计参数；构件；结构；计算；控制系统
Abstract
Reportthelubricantsmallpackagingproductionlineandcappingmachine,accordingtosomeofcappingmachinesmakeimprovementdesignflaws.Determinethecappingmachinedesignparameters,andintroducesthemechanismpartscappingmaterialselection,andanalysestheargument.Ontheoverallstructureofmachinedesignmakesabriefintroductiontospin,andemphasizesthestructuredesignforcovering.Introducesthecalculationofmomentcappingworkingprincipleandworkingprocessandstructuraldesign.ControlsystemadoptsPLCautomaticcontrolandcappingmachinesworkingprocessaccordingtowritethesemi-automaticcontrolprocedures.
Keywords：
cappingmachine；Designparameters；Component,Structure；Calculation；Thecontrolsystem
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2）附件：
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3）其它
第1章绪论
1.1、润滑油小包装生产线概况
目前，我国包装行业的企业所有制构成有了很明显的变化，民间投资不断活跃并成了这个领域的一个亮点。
在包装行业，小包装生产由于其方便化、体积小、包装容易等优点已经逐渐成为包装行业的主流。
因此，对小包装生产线的研究，满足了当前社会需要，并成为一个有意义的课题。
而润滑油小包装生产线现况与行业的现况差不多，在运用许多高新技术后，小包装生产线在高速PLC的运算和控制下，大大地提高了生产效率，降低了成本，深受国内许多中小厂家喜爱。
本润滑油小包装生产线由两台灌装机（46灌/分钟）、两台旋盖机、一台热封要、一台喷码机、一台包装机（56灌/分钟）、码垛机一台及其配套设备组成。
具有由空瓶灌装到装箱成品自动输出一系列功能。
其有PLC程控、机械按钮操作、光电自动定位等特点，使整体的操作更加简单、完善，是企业提高生产效率、减少操作人员、降低劳动强度、提高包装档次的首选设备。
1.2、本次论文的设计任务、设计思想及设计特点
1.2.1、设计任务
本论文的设计任务是对生产线上的旋盖机进行设计机械和控制系统设计，要求其结构科学，工作稳定且可以满足润滑油小包装生产线实际生产的需要。
1.2.2、设计思想
半自动直线式旋盖机设计涉及到机械、电气以及自动控制等各方面的知识，需要机械、电子、自动控制的各方面的综合知识进行设计。
设计符合实际生产需求，各方面还符合国家标准。
本文的设计思想包括以下几个方面内容：
1、旋盖机总体结构设计
进行旋盖机结构总体方案设计，分析旋盖机功能组成部分，进行最优化选择设计，让其实现。
2、旋盖机控制系统设计
观察旋盖机的工作流程，分析其工作原理并绘制控制系统图（电路原理图）。
对旋盖机控制系统的硬件的选型，并编制控制系统程序，绘制其控制系统接线图，梯形图等。
1.2.3、设计特点
本设计的定位是设计一台半自动旋盖机，在设计过程中我们重点要解决旋盖机机械及控制系统设计问题。
同时，我们必须要能实现旋盖机对产品的自动定位、旋盖、自动输出产品等几个主要功能。
为此，本人通过对旋盖机工作过程及工作原理的认识，设计一款可以针对不同的产品可根据其自身特点进行调节使用的旋盖机。
该机结合了现代PLC自动控制技术，机电气一体化，具有结构简单、效率高、经济性好、可靠性好等特点。
1.3、旋盖机现况及所设计的旋盖机在整个生产线中的作用
1.3.1、旋盖机的现况
目前国内罐装生产线中广泛使用的旋盖机大多为直线式旋盖机，采用瓶颈挂盖，经定位、预封后使盖平稳坐落在瓶口上，最后由皮带对盖顶部搓压摩擦而将盖旋紧。
该机构紧凑，旋盖机的机构简单。
但在实践中，对小直径盖由于搓压皮带对盖的摩擦力矩减小，要高速将盖旋紧就较困难。
由于直线式是单通道旋盖方案，其生产能力受到限制，一般最高生产能力为150～200瓶/min左右。
近几年来随着食品饮料工业向大规模高效率方向发展，国际上先进的罐装生产线的生产能力一般都达到300～500瓶/min，并将洗瓶、罐装和旋盖组合成整机。
这不仅使设备更加紧凑，减少生产线占地面积，又减小了洗瓶、灌装和旋盖工序之间的输送距离，对防止产品的二次污染有很大意义。
由于原有的直线式旋盖机和回转式灌装机很难组合成整机，新颖的多头回转式旋盖机就应运而生。
这种旋盖机可以和灌装机一样通过增加头数来增加产量。
采用抓盖、旋盖方式的旋盖头不仅适用各种旋开盖的封口，稍加改动后还能用于其他各种金属、塑料螺纹盖的封口。
回转式旋盖机应用前景良好，可在各种食品饮料生产线和制药工业的生产线中广泛应用。
然而，在我国应用的罐头旋盖机还存在很多的不足。
首先是自动化程度低，经旋盖机旋盖后仍需进行人工旋盖才能达到加工要求；其次是效率低下，不能满足我国罐头生产现状；还有就是旋盖质量低，返工率高等问题。
这些问题，是由于旋盖机自动化集成程度低、控制精度不高所造成的。
本文所设计的是半自动直线式旋盖机，是在传统的半自动直线旋盖机的基础上改良设计的。
虽然还存在以一所提到的一些问题，不过设备的稳定性跟旋盖质量有了很大的提高，结构简单、性价比高、经济效益好。
1.3.2、所设计的旋盖机在整个生产线中的作用
旋盖机是自动灌装生产线的主要设备之一，用于玻璃瓶或PET瓶的螺纹盖封口。
随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对产品的包装质量的要求也越来越高。
由于螺纹盖具有封口快捷，开启方便及开启后瓶又可重新封好等优点，使其在许多产品的包装中应用越来越广泛，诸如饮料、酒类、调味料、化妆品及药品等瓶包装的封口就大量采用螺纹盖封口。
所以在整个生产线中，旋盖机的作用是至关重要的。
本旋盖机具有恒扭矩旋盖头，压力可方便调整。
结构紧凑、合理，能方便与罐装设备组成生产线。
机器优点:
直线式设计，组成流水线方便美观。
采用强电磁左旋盖扭力器，彻底解决了传统机械摩擦片在旋盖时紧时松的弊病。
它可以把灌装好的润滑油瓶通过传送带运输，快速旋盖封口传送到下一道工序。
节省了工作时间和产品成本，大大提高了生产效率。
1.4、小结
本章介绍了润滑油小包装生产线概况，本次的设计任务、设计思想和设计特点，以及所设计的旋盖机在整个生产线中的作用。
确定了本文的设计方向和主要任务。
第2章重要参数的确定与论证
2.1、重要参数的确定
主要技术参数：
旋头数为两个；
适用盖（直径）：
＜25～50mm；
适用盖（高度）：
35mm；
生产效率：
50灌／分钟
电源：
380V50Hz
电动机功率：
0.55kw
外形尺寸：
700×500×1243mm
2.2、重要参数的论证
2.2.1、产品设计要求：
1、一机多用：
利用同一台设备旋不同高度、不同直径的瓶盖，提高设备的利用率；
2、使用安全，维修方便：
在整体设计中考虑机器的安装、调整和开机以及设备的维修、保养和维护，使零部件更换方便，尽量做到通用化、标准化；
3、降低成本：
为了提高产品质量，要求设备精度和自动化程度高，但设备的售价也相应提高，因此设计时，要结合生产工艺要求，对相关因素进行综合考虑。
4、旋紧机要合适：
过紧则用户不易开瓶，影响顾客使用；过松则不利于密封，造成泄漏影响产品质量。
2.2.2、参数的论证
1、旋盖头数的论证
目前国内所生产使用的旋盖机生产效率普遍低下，一般都是通过增加旋盖头数来提高生产效率。
旋盖头数越多，在相同时间内加工的产品就越多，但是所需要的设备成本、资源的损耗也会越高。
所以并不是说旋盖头数越多越好，这还要根据你自己工厂的生产规模、生产批数选择适合自己的机型头数。
本次设计的旋盖机是针对润滑油小包装生产线所设计的，工厂的生产规模不大，自动水平也不高且对生产效率的要求一般。
所以从经济效益方面来说不需要生产效率太高的旋盖机，只有能满足本工厂日常生产需求即可。
综合各方面考虑，本次设计的旋盖机只需2个旋盖头即可。
2、适用盖（高度、直径）的论证
考虑到我们设计的这一台旋盖机主要是用来旋润滑油瓶盖，而且经实际测量得到瓶盖直径的范围一般在30～45mm之间，而瓶盖高度则在20～30mm范围内。
为了考虑经济问题与实际生产条件的需要，没必要设计那么大的适用瓶盖直径、高度。
因为设计过大的适用瓶盖直径或过高的适用瓶盖高度，一来是用不上，二来也会造成很大的浪费，与工厂的利益不符。
所以设计时，一般只要比实际需要多出一点点则可，所以采用适用瓶盖直径＜25～50mm，瓶盖高度为35mm。
3、生产效率的论证
因为本润滑油小包装生产线由两台灌装机（46灌/分钟）、两台旋盖机组成，所以旋盖机的生产效率大于或等于灌装机的生产效率即可，即大于或等于46灌/分钟。
而本设计的旋盖机是双旋盖型的，效率达到50灌/分钟，可以很好的衔接灌装工序，满足了生产线的需要。
4、电源及电动机功率的论证
而因为旋盖头数少，所需要的的力矩不大，而且生产线的生产效率也不是很高，所以在选用电动机功率方面不必要太高的电机功率，选用一般型号的无刷直流电机则可。
而本设计采用的电机功率为0.55kw。
使用一般的工业设备用电380V50Hz电源，方便设备的安装使用。
2.3、小结
本章在有产品设计要求的大前提下，确定了本设计的重要参数，并对其进行了论证。
为之后的工作作出了有力的依据，使以后的设计更为准确、方便。
第3章构件材料的选择及论证
3.1、旋盖机的组成
本设计的旋盖机主要由：
电机、气缸、电源控制按钮、传动系统、机座等五部分组成。
3.2、旋盖电机
3.2.1、旋盖电机选型：
旋盖机的驱动电机可以选用步进电机，交直流电机，永磁同步电机以及其他一些特种电机。
下面对这几种电机的性能特点进行比较，从而决定旋盖电机选用的种类。
步进电机是离散运动的装置，具有结构简单、维护方便、起动灵敏、停车准确等性能。
在负载能力的范围内，步进电机的这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化，误差不长期积累，可作为一种天然的数字控制的元件。
存在着固有的低频共振和高频失步的主要缺点，前者在步进电机运行过程中是不可逾越的，是产生振动、噪声甚至失步的主要因素，特别是当传动比选择不合适，使常用的进给速度区正好处在步进电机共振频率附近时，将引起共振，使步进电机失步，甚至不能运行。
直流伺服电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。
但直流电机机械电刷和换向器这间是强迫接触，造成它结构复杂、可靠性差，变化的接触电阻、火花、噪声、难维护等一系列问题影响了其调速精度和性能，从而影响了直流伺服电动机的应用范围。
交流伺服电动机结构简单、电机运行平稳、噪声小，但调速难、机械特性差、且控制特性是非线性的。
并且由于转子电阻大，损耗大，效率也低，因此比同容量直流伺服电机体积大、重量重。
无刷直流电动机的损耗小、容量大、可靠性高、干扰小、寿命长，还可使机械结构设计得体积更小、重量更轻，起动转矩大、转动惯量小，因而动态特性好，同时还具有同步进电机一样的锁相功能。
另外无刷直流伺服电机有非常优秀的线性机械特性，宽的调速范围、简单的控制电路等优点。
在需要精确定位，高速动作的场合和工业系统，目
前大多采用无刷直流电动机伺服控制系统。
这种高性能电机的采用不公提高了生产效率、降低能耗，而且大大改善了产品质量和提高了产品的价值。
旋盖机的启动转矩比较大，控制精度高，并且由于旋盖电机转动角度不大同时需要很好地对电机电流进行精确控制，它需要的反应速度以及良好的低速运行特性。
因此，在设计旋盖机系统时，选用无刷直流电机进行旋盖电机。
具体的电机型号为Y801-4,额定功率为0.55KW，满载转速为1390r/min,额定转矩为2.2Nm，质量为17KG。
3.2.2、无刷直流电机的运行原理
本节介绍无刷直流电动机的运行原理，先对无刷直流电机的机械结构和电气结构进行分析，分析其换相原理以及各种进行电机位置检测的方式，并针对无刷直流电机三相星形绕组半控桥电路分析其工作原理，提出了各种无刷直流电机的调速方式。
在无刷直流电机数学模型建立上，对其进行简化，提炼出无刷直流电机系统方框图以及传递函数，并根据该模型进行系统误差分析。
在无刷直流电机的机械结构和数学模型两方面，进行了深入研究和介绍。
3.2.3、无刷直流电机的结构
无刷直流电动机的基本结构如图3.1所示，它主要是由永磁电机本体、位置传感器和电子换相器组成，下面就无刷直流电机这几个组成部分进行介绍。
永磁无刷直流电机的电机本体由定子和转子两部分组成。
定子绕组一般分为三相且多采用整距集中式绕组；转子则由永磁钢按一定的极对数组成，转子磁钢的形状呈弧形，磁极下定转子气隙磁通密度呈梯形分布。
无刷直流电动机的转子结构不仅有传统的内转子结构，又有近年来出现的盘式结构、外转子结构以及线性结构等新型形式。
同时，伴有着新型永磁材料钦铁姗的实用化，电机转子结构越来越多样化，使无刷直流电机正朝着高力矩、高精度、微型化和耐环境等多用途方向发展。
电子换相器是由功率开关和位置信号处理电路构成，主要用来控制定子各绕组通电的顺序和时间。
无刷直流电动机本质上是自控同步电动机，电机转子跟随定子旋转磁场运动，因此，应按一定的顺序给定子各相绕组轮流通电，使之产生旋转的定子磁场。
无刷直流电动机的三相绕组中通过的电流是120度电角度（三相桥式中常见的一种功率开关通电方式，任何时刻只有两相绕组通电）的方波，绕组在持续通过恒定电流的时间内产生的定子磁场在空间是静止不动的。
而在开关换相期间，随着电流从一相转移到另一相，定子磁场随之跳跃了一个电角度。
而转子磁势则随着转子连续旋转。
这两个磁势的瞬时速度不同，但是平均速度相等，因此能保持“同步”。
无刷直流电动机由于采用了自控式逆变器即电子换相器，电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电机的优点之一。
位置传感器在无刷直流电动机中起着检测转子磁极位置的作用，将转子磁极的位置信号转换成电信号，经位置信号处理电路处理后控制定子绕组换相，为功率开关电路电路提供正确的换相信息。
由于功率开关的导通顺序与转子雷劈角同步，因而位置传感器与功率开关一起，起着与传统有刷直流电机的机械换向器和电刷相类似的作用。
位置传感器的种类比较多，可分为直接式和间接式，直接式位置传感器，由于其检测精度和可靠性高而被广泛采用。
典型的直接式位置传感器有下列几种：
1.接近开关式位置传感器
利用磁性旋转圆盘的远近来改变固定部分的电感，并利用振荡条件的变化来建立通断信号。
这种方式结构简单，输出电平高，适用于大中开支电动机。
2.磁敏式位置传感器
常见的磁敏式传感器有霍尔元件、霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。
其主要工作原理是电流的磁效应，这包括霍尔效应和磁阴效应。
它的转子是永磁结构，其极数与同步电动机的一样，而定子用霍尔元件等磁敏元件来感受转子磁极位置，发出相应信号。
这种方法信号较弱，且精度易受温度影响，但体积较小，多用于中小型电动机。
3.电磁式位置传感器
它是由跟随着电动机转子转动的带缺甲的导磁圆盘和固定不动的三只差动变压器组成。
转动圆盘体现转子位置信号，差动变压器作为检测元件检测转子位置信号并向逆变器的控制电路输出控制信号。
这种方法结构简单、检测可靠。
4.光电式位置传感器
它是由发光二极管和光敏晶体管等光电元件组成的电路，利用有槽口的旋转圆盘的位置进行通断变化。
这种方法检测分辨率高，适用于高速运转的电动机。
间接式位置传感器是利用电枢绕组的感应电动势间接检测转子位置。
但是这种方法只能在有感应电动势的情况下有效。
因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”，其原理框图如图3.2所示。
3.2.4、无刷直流电机的基本工作原理
为了更加清晰地阐述无刷直流电机的工作原理和特点，以图3.2所示的三相星形绕组半控桥电路原理图为例进行简要说明。
图中采用光电器件作为位置传感器，以3个功率晶体管V1、V2、V3构成功率逻辑单元。
光电器件的VP1、VP2、VP3安装位置各相差120度，均匀分布在电机的一端。
借助于安装在电机轴上的旋转遮光板（也称为截光器）的作用，使得从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。
假定此时光电器件VP1被照射，从而使功率管V1呈导通状态，电流注入绕组
假设该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按照顺时针方向转动。
当转子磁极转过120度以后，直接装在转子轴上的旋转遮光板也跟着同时旋转，并遮住VP1而使VP2受光照射，从而使功率管V1截止，功率管V2导通，电流从绕组
流出而流入绕组
，使得转子磁极继续按顺时针方向旋转，并带着遮光板同时沿顺时针方向旋转。
当转子磁极再次转过120度以后，此时旋转遮光板VP2已经遮住而使VP3受光照身，从而使功率管V2截止，功率管V3导通，电流流入绕组
，于是驱动转子磁极继续沿顺时针方向旋转，转过120度以后，重新开始下次360度的旋转。
上述过程可以看成是按一定顺序换相通电的过程，或者说是磁场旋转的过程。
在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式运动的。
这种旋转磁场在一周内有三种形态，每种磁状态持续120度。
它们跟踪转子，并与转子的磁场相互作用，能够产生推动转子持续转动的转矩。
3.3、气缸
3.3.1、气缸的工作原理、分类及安装形式
1.气缸的典型结构和工作原理
图3.3普通双作用气缸
1、3－缓冲柱塞2－活塞4－缸筒5－导向套6－防尘圈7－前端盖8－气口9－传感器10－活塞杆11－耐磨环12－密封圈13－后端盖14－缓冲节流阀
以气动系统中最常使用的单活塞杆双作用气缸为例来说明，气缸典型结构如图3.3所示。
它由缸筒、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖及密封件等组成。
双作用气缸内部被活塞分成两个腔。
有活塞杆腔称为有杆腔，无活塞杆腔称为无杆腔。
当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力克服阻力负载推动活塞运动，使活塞杆伸出；当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回。
若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。
2.气缸的分类
气缸的种类很多，一般按气缸的结构特征、功能、驱动方式或安装方法等进行分类。
分类的方法也不同。
按结构特征，气缸主要分为活塞式气缸和膜片式气缸两种。
按运动形式分为直线运动气缸和摆动气缸两类。
3.气缸的安装形式
气缸的安装形式可分为
1）固定式气缸气缸安装在机体上固定不动，有脚座式和法兰式。
2）轴销式气缸缸体围绕固定轴可作一定角度的摆动，有U形钩式和耳轴式。
3）回转式气缸缸体固定在机床主轴上，可随机床主轴作高速旋转运动。
这种气缸常用于机床上气动卡盘中，以实现工件的自动装卡。
4）嵌入式气缸气缸缸筒直接制作在夹具体内。
3.3.2、气缸的技术参数
1）气缸的输出力气缸理论输出力的设计计算与液压缸类似，可参见液压缸的设计计算。
如双作用单活塞杆气缸推力计算如下：
理论推力（活塞杆伸出）
Ft1＝A1p（13-1）
理论拉力（活塞杆缩回）
Ft2＝A2p（13-2）
式中Ft1、Ft2——气缸理论输出力（N）；
A1、A2——无杆腔、有杆腔活塞面积（m2）；
P——气缸工作压力（Pa）。
实际中，由于活塞等运动部件的惯性力以及密封等部分的摩擦力，活塞杆的实际输出力小于理论推力，称这个推力为气缸的实际输出力。
气缸的效率是气缸的实际推力和理论推力的比值，即
（13-3）
所以
（13-4）
气缸的效率取决于密封的种类，气缸内表面和活塞杆加工的状态及润滑状态。
此外，气缸的运动速度、排气腔压力、外载荷状况及管道状态等都会对效率产生一定的影响。
2）负载率β从对气缸运行特性的研究可知，要精确确定气缸的实际输出力是困难的。
于是在研究气缸性能和确定气缸的出力时，常用到负载率的概念。
气缸的负载率β定义为
（l3－5）
气缸的实际负载是由实际工况所决定的，若确定了气缸负载率，则由定义就能确定气缸的理论输出力，从而可以计算气缸的缸径。
对于阻性负载，如气缸用作气动夹具，负载不产生惯性力，一般选取负载率β为0.8；对于惯性负载，如气缸用来推送工件，负载将产生惯性力，负载率β的取值如下
β＜0.65当气缸低速运动，v＜100mm/s时；
β＜0
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