【導(dǎo)讀】確定了旋蓋機(jī)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，介紹了旋蓋機(jī)構(gòu)件材料的選擇，并對(duì)其進(jìn)行了論。介紹了旋蓋力矩的計(jì)算工作原理、工作流程及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)則采用PLC. 自動(dòng)控制，并且按照旋蓋機(jī)工作流程編寫了半自動(dòng)控制程序。Keywords：cappingmachine；Designparameters；Component,Structure；

　　

【正文】 慣性矩的比較 三、 隔板與加強(qiáng)筋 第 3 章 構(gòu)件材料的選擇及論證 23 封閉空心截面的剛度較好，但為了鑄造清砂及其內(nèi)部零部件的裝配和調(diào)整，必須在機(jī)座壁上開 “ 窗口 ” ，其結(jié)果使機(jī)座整體剛度大大降低。若單靠增加壁厚提高剛度，勢(shì)必使機(jī)座笨重、浪費(fèi)材料，故常用增加隔板和加強(qiáng)筋來提高剛度。 加強(qiáng)筋常見的有直形筋、斜向筋、十字筋和米字筋四種。直形筋的鑄造工藝簡(jiǎn)單，但剛度最小；米字筋的剛度最大，但鑄造工藝最復(fù)雜。加強(qiáng)筋和隔板的厚度，一般取壁厚的 倍。 圖 隔板（左）與加強(qiáng)筋（右） 四、 連接剛度 為提高結(jié)合表面的連接剛度，可采取如下措施： 1）根據(jù)受力大小和方向，合理選擇緊固螺釘?shù)闹睆?、?shù)量及其位置。必要時(shí)，可使螺釘產(chǎn)生預(yù)緊力，來提高連接剛度。 2）提高結(jié)合表面的光潔度和形狀精度，使結(jié)合表面上的接觸點(diǎn)增多，從而提高結(jié)合面的接觸剛度。 3）增加局部剛 度來提高連接剛度，在安裝螺釘處加厚凸緣；或用壁龕式螺釘孔；或用加強(qiáng)筋等辦法增加局部剛度，從而提高連接剛度。 五、 結(jié)構(gòu)的工藝性 機(jī)座屬于箱體類零件，體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使其具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，以便于制造和降低成本。 、 小結(jié) 本章介紹了旋蓋機(jī)的組成部分，并對(duì)其組成部分進(jìn)行分析選型。而且也對(duì)一些 不用選型的部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，如機(jī)座部分雖然不能選型，但是也為它的設(shè)計(jì)要素進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 茂名學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)：某潤(rùn)滑油小包裝生產(chǎn)線旋蓋機(jī)機(jī)械及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 第 4 章 旋蓋機(jī)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 、 旋蓋機(jī)的選擇： 本設(shè)計(jì) 選用 半自動(dòng) 直線式旋蓋機(jī) ，其具 有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益好地優(yōu)點(diǎn)。 、 旋蓋機(jī)原理： 旋蓋機(jī)原理如圖 所示： 在控制面板 7上啟動(dòng)旋蓋機(jī)后，首先定位氣缸 2(B)動(dòng)作，伸出擋板可以把輸送帶 1 上的帶蓋瓶子攔?。划?dāng) 光電 傳感器 3(A, B)都接通時(shí)，定位氣缸 2(A)動(dòng)作，把后面的瓶子攔?。煌瑫r(shí)電機(jī) 5開始旋轉(zhuǎn)，通過皮帶帶動(dòng)旋蓋頭 4（ A,B）轉(zhuǎn)動(dòng)，然后升降氣缸 6（ A,B） 伸展，旋蓋頭 下降旋蓋， 旋好蓋后 電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)， 氣缸 6（ A,B）自動(dòng)收縮，定位氣缸 B收縮擋板，瓶子通過輸送帶送出，定位氣缸 A 收縮擋板，等待人工啟動(dòng)，進(jìn)入下一個(gè)工作 過 程。 輸送帶； 定位氣缸； 光電傳感 器； 旋蓋頭； 電機(jī)； 6升降氣缸； 7控制面板； 圖 旋蓋機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 第 4 章 旋蓋機(jī)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 、 旋蓋機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 旋蓋機(jī)是飲料灌裝過程中旋緊瓶蓋的專用設(shè)備 ,工作時(shí)必須保證適宜的旋緊力矩。力矩過小，瓶蓋旋不緊，力矩過大 ,易損壞瓶嘴和瓶蓋。 總體的設(shè)計(jì)如圖 所示， 因?yàn)楸?次 設(shè)計(jì) 是采用的是直線式旋蓋機(jī)， 總體的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單， 而旋蓋頭 則是 旋蓋機(jī)的關(guān)鍵部件，直接影響作業(yè)效率和封口質(zhì)量 ，所以本 次 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就放在旋蓋頭的設(shè)計(jì) 。為此，本人借鑒國(guó)內(nèi)目前一款比較優(yōu)秀旋 蓋頭設(shè)計(jì) ， DS03 型旋蓋機(jī) 。該設(shè)備 是 利用磁力傳動(dòng)器傳遞扭力矩實(shí)現(xiàn)瓶蓋旋緊的旋蓋頭 ,能根據(jù)需要方便地設(shè)定、調(diào)整旋緊力矩的大小 ,并能保護(hù)瓶嘴和旋蓋頭。 工作時(shí)力矩由 圖 的電機(jī) 5 輸出 ,通過皮帶 傳動(dòng) ， 傳給主動(dòng)磁力旋盤 3,被動(dòng)磁力旋盤 6通過軸承與主動(dòng)磁力旋盤 3之間可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，二者間軸向隔距可調(diào)，在二者相對(duì)的端面上均勻地鑲嵌有 16塊小永磁體（見圖 ）。這些永磁體按極性相反相間分布。旋嘴 1與被動(dòng)磁力旋盤 6相聯(lián)結(jié)，用來卡緊瓶蓋。因此主動(dòng)磁力旋盤 3與被動(dòng)磁力旋盤 6構(gòu)成一磁力傳動(dòng)器 ， 在磁力作用下 ， 被動(dòng)磁力旋盤和旋嘴獲得力矩 ， 將由旋嘴夾住的瓶蓋旋緊。 本旋蓋頭最顯著的特點(diǎn)是能根據(jù)不同種類、尺寸的瓶蓋方便地設(shè)定和調(diào)整旋緊力矩 ， 即通過主動(dòng)磁力旋盤 3和傳動(dòng)軸 4 上的螺紋及定位螺釘 ， 調(diào)整主動(dòng)磁力旋盤 3和被動(dòng)磁力旋盤 6之間的間隙 ， 即調(diào)整了磁力傳動(dòng)器間的氣隙長(zhǎng)度 ， 因而磁力傳動(dòng)器所能傳遞的極限扭力矩得到了調(diào)整。當(dāng)瓶蓋已旋緊 ， 而主動(dòng)磁力旋盤仍在回轉(zhuǎn) ， 致使輸入扭力矩超過磁力傳動(dòng)器所能傳遞的最大扭力矩時(shí) ， 主動(dòng)磁力旋盤 3 與被動(dòng)磁力旋盤 6 產(chǎn)生滑脫 ， 前者可以繼續(xù)回轉(zhuǎn) ， 而后者則與瓶蓋一起靜止不轉(zhuǎn) ， 而旋蓋頭給瓶蓋施加的旋緊力矩即為磁力傳動(dòng)器所能傳遞的極限力 矩，并不會(huì)因傳動(dòng)輸入軸 4和主動(dòng)磁力旋盤 3的繼續(xù)回轉(zhuǎn)而增加旋緊力矩，不會(huì)因此而損壞瓶嘴、瓶蓋和旋蓋頭。 設(shè)計(jì)圖如下： 茂名學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)：某潤(rùn)滑油小包裝生產(chǎn)線旋蓋機(jī)機(jī)械及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 旋嘴； 護(hù)罩； 主動(dòng)磁力旋盤； 扭力傳動(dòng)軸； 永磁體； 被動(dòng)磁力旋盤； 圖 旋蓋機(jī)旋蓋頭結(jié)構(gòu)圖 、小結(jié) 本章系統(tǒng)地介紹了旋蓋機(jī)的原理及旋蓋機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)旋蓋機(jī)進(jìn)行選型，完成了旋蓋機(jī)的機(jī)械基礎(chǔ) 的設(shè)計(jì)。 第 5 章 強(qiáng)度計(jì)算 27 第 5 章 強(qiáng)度計(jì)算 、 旋蓋機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算： 旋蓋機(jī)是潤(rùn)滑油灌裝過程中旋緊瓶蓋的專用設(shè)備，工作時(shí)必須保證適宜的旋轉(zhuǎn)力矩。 力矩過小，旋蓋旋不緊；力矩過 大，易損壞瓶嘴和瓶蓋。所以關(guān)于旋蓋機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算，我把工作的重點(diǎn)放在了旋蓋頭的設(shè)計(jì)計(jì)算中去。 旋蓋頭磁力耦合傳動(dòng)的設(shè)計(jì)這里的磁力耦合傳動(dòng)屬平面軸向磁力耦合傳動(dòng) ， 其設(shè)計(jì)包括兩方面的內(nèi)容 ： 磁路型式、磁性材料的選擇 ， 磁力耦合系統(tǒng)力學(xué) 性能的計(jì)算。磁路型式采用磁體極性呈偶數(shù)交錯(cuò)排列的拉推式組合型磁路 ， 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明 ， 磁極數(shù)按 12至 24 的偶數(shù)布置時(shí) ， 傳遞的力矩較大 。 目前 ， 高性能稀土永磁材料的 開發(fā)和應(yīng)用得到了很大發(fā)展 ， 如釹鐵硼、釤鈷等材料磁性能都非常高 ， 較宜制作磁力耦合機(jī)械 ， 能實(shí)現(xiàn)磁性材料用量少、磁力耦合機(jī)械體積小、重量 輕、能傳遞力矩大等目的 。 當(dāng)要求傳遞的力矩不大時(shí) ， 也可采用性能價(jià)格比較優(yōu)的鐵氧體永磁。 平面軸向磁力耦合傳動(dòng)的傳遞力矩 M可用下式描述： ? ? ? ?2 2 221 sin c os2 1 / / c os0m r mg f r m gV B rLM L K K L L?? ???? ?????? ⑴ 式中， mV—— 主動(dòng)、被動(dòng)磁力旋盤上全部永磁體的體積 ? ?2m m mV A L?， 3m mL—— 永磁體平均軸向高度， m。 mA—— 主動(dòng)磁力旋盤上永磁體軸向截面積之和， 2m gL—— 氣隙長(zhǎng)度，即主動(dòng)、被動(dòng)磁力旋盤間的軸向隔距， m； r—— 永磁體分布的平均半徑， m； rB—— 永磁體剩磁， T； fK、 r—— 分別為主動(dòng)、被動(dòng)磁力旋盤間產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的漏磁系數(shù)和磁阻系數(shù)； 茂名學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)：某潤(rùn)滑油小包裝生產(chǎn)線旋蓋機(jī)機(jī)械及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 0?—— 磁常數(shù)， 70 4 10?????， 其中， / gtg r L??? ?—— 主動(dòng)、被動(dòng)磁力旋盤的相對(duì)轉(zhuǎn)角 rad。 上式可作為設(shè)計(jì)此磁力耦合系統(tǒng)各參數(shù)的依據(jù)。顯然，增大磁體體積 Vm、磁體平均回轉(zhuǎn)半徑 r，減小氣隙長(zhǎng)度 Lg 有利于提高傳遞力矩 M。當(dāng) Vm、 r、 Lm 一定時(shí)，調(diào)節(jié)氣隙Lg，即可改變傳遞的力矩 M。因此，通過改變主動(dòng)磁力旋盤和被動(dòng)磁力旋盤間的隔距，即可調(diào)整最大旋緊力矩。 ⑴式表明，當(dāng)此磁力耦合系統(tǒng)的尺寸（即 Vm、 Am、 Lm、 Lg）一定時(shí)，傳遞力矩 M是 φ 的函數(shù)，為此設(shè) m=Lm/Lg，并令 /0M ?? ? ? ，可解得 32c o s 3 c o s 2 0P ? ? ? ? ⑵ 式中： ( / ) ( / )f r m gP K K L L? 對(duì)于小氣隙磁路，忽略漏磁的影響（即令 /1frKK? ）不會(huì)對(duì)傳遞力矩的計(jì)算結(jié)果帶來顯著影響，但可使計(jì)算大為簡(jiǎn)化，故設(shè)計(jì)時(shí)在以上式中可令 /1frKK? 。這樣，借助計(jì)算機(jī)按式⑵解得與某一 P值對(duì)應(yīng)的 cosφ 值后代入式⑴，即可求得極限傳遞力矩M。 圖 42 所示旋蓋頭之磁力傳動(dòng)器中，主動(dòng)、被動(dòng)磁力旋盤上分別均布有 16塊（極性交錯(cuò)排列）小磁體（進(jìn)口鐵氧體）， Br＝ ， 10Am m??? ， Lm=01005m，Lm=，氣隙 Lg(即主動(dòng)、被動(dòng)磁力旋盤間的隔距 )實(shí)際使用時(shí)可在 ～ 間調(diào)整，則 ( / ) ( / ) / 2 ~ 1. 2f r m g m gP K K L L L L? ? ?，將此 P 代入式⑵可解得cosφ =～ ，再代入式⑴ 可解得此磁力耦合傳動(dòng)器所能傳遞的最大力矩即瓶蓋旋緊力矩 M=～ 。因此，調(diào)整主動(dòng)、被動(dòng)磁力旋盤的隔距 Lg，即可調(diào)節(jié)瓶蓋的旋緊程度。表 51 列出了此磁力旋蓋頭的隔距 Lg 取不同值時(shí)，所能施加的旋緊力矩（即最大傳遞力矩）的計(jì)算值 。表 51的結(jié)果可供使用此磁力旋蓋頭時(shí)參考。例如，用此磁 力旋蓋頭處理某瓶蓋，要求旋緊力矩為 ，則主動(dòng)、被動(dòng)磁、被動(dòng)旋盤的隔距 Lg 需調(diào)節(jié)至 。一般情況下，設(shè)計(jì)磁力耦合傳動(dòng)器時(shí)可根據(jù)所要求傳遞的力矩，修改磁力傳動(dòng)器的尺寸，按上述方法計(jì)算所能什么的最大力矩，直到滿足要求為止。為保證工作可靠，設(shè)計(jì)值（即計(jì)算值）應(yīng)比要求值略大（可大 5%～ 10%）。 表 51 不同 Lg時(shí)的 cosφ 與最大傳遞力矩 M值 Lg/m cosφ M/Nm 計(jì)算值 第 5 章 強(qiáng)度計(jì)算 29 、 小結(jié) 本章節(jié)重點(diǎn)介紹了旋蓋機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算，引入 旋蓋頭磁力耦合傳動(dòng)的設(shè)計(jì) ，使旋蓋機(jī)的旋蓋質(zhì)量得到保證。也方便工作人員使用本機(jī)器時(shí)，根據(jù)其需要進(jìn)行有效的參數(shù)設(shè)置。 茂名學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)：某潤(rùn)滑油小包裝生產(chǎn)線旋蓋機(jī)機(jī)械及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 30 第 6 章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 、 控制要求： 1)實(shí)現(xiàn)從進(jìn)瓶子到出瓶和旋蓋整個(gè)過程自動(dòng)化； 2 當(dāng)按下復(fù)位開關(guān)后，所以構(gòu)件回復(fù)初始狀態(tài)，旋蓋頭返回預(yù)設(shè)原點(diǎn)； 、 控制系統(tǒng)的選擇 控制系統(tǒng)是機(jī) 器的核心組成部分之一，對(duì)生產(chǎn)效率和可靠性影響很大。該控制系統(tǒng)的核心部件選 用了日本三菱 FX2N系列的 可編程控制器。 、 為何采用 PLC控制 可編程序控制器 PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場(chǎng)電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是 PLC的程序編制，不需要專門的計(jì)算機(jī)編程語言知識(shí)，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易 學(xué)；調(diào)試與查錯(cuò)也都很方便。用戶在購到所需的 PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡(jiǎn)易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將 PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。 、 控制繼電器存在的缺點(diǎn) 控制繼電器存在的缺點(diǎn)如作條件下進(jìn)行的 ,容易損壞 .而且繼電器的觸點(diǎn)容易產(chǎn)生電弧 ,甚至?xí)墼谝黄甬a(chǎn)生誤操作 ,引絕大多數(shù)控制繼電器都是長(zhǎng)期磨損和疲勞工起嚴(yán)重的后果 .再者 ,對(duì)一個(gè)具體使用的裝有上百個(gè)繼電器的設(shè)備 ,其控制箱將是龐大而笨重的 .在全負(fù)荷運(yùn)載的情況下 ,大的繼電器將產(chǎn)生大量的熱及噪聲 ,同時(shí)也消耗了大量的電能 .并且繼電器控制系 統(tǒng)必須是手工接線、安裝 ,如果有簡(jiǎn)單的改動(dòng) ,也需要花費(fèi)大量時(shí)間及人力和物力去改制、安裝和調(diào)試 .今天繼電器已應(yīng)用到家庭及工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域 .第 6 章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 他們比以往的產(chǎn)品具有更高的可靠性 .但是 ,這也是隨之帶來的一些問題 . 、 固體繼電器的缺點(diǎn) （ 1）導(dǎo)通后的管壓降大，可控哇或雙向控哇的正向降壓，可達(dá) 1~2V，大功率晶體管的飽和壓降也在 1~2之間，一般功率場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻也較機(jī)械觸點(diǎn)的接觸電阻大。 （ 2）半導(dǎo)體器件關(guān)斷后仍可有數(shù)微安至數(shù)毫安的漏電流，因此不能實(shí)現(xiàn)理想的電隔離。 （ 3）由于管壓降大，導(dǎo)通后的功耗和發(fā) 熱量也大，大功率固體繼電器的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同容量的電磁繼電器，其輸出功率與環(huán)境和外殼溫度有關(guān)。 （ 4）電子元、器件的溫度特性和電子路線的抗干擾能力較差，耐輻射能力也較差，如不采取有效措施，則工作可靠性低。 （ 5）通常固體繼電器設(shè)計(jì)成單刀單擲形式，這樣比較容易實(shí)現(xiàn)，多組和多組轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)需要用幾個(gè)相互連接和適當(dāng)連鎖的固體繼電器，這些固體繼電器基本上是積木式堆疊在一起，形成一個(gè)占地較大空間的復(fù)雜裝置。大功率固體繼電器，由于需用散熱片，就進(jìn)一步增加了所有空間和成本。 （ 6）通常用于功率控制的固體繼電器是針對(duì)負(fù)載或設(shè)計(jì)成 交流輸出或設(shè)計(jì)成直流輸出，而不設(shè)計(jì)成既和用于交流負(fù)載，又可用于支流負(fù)載。 、 可編程序控制器的優(yōu)勢(shì)、特點(diǎn)及功能 可編程控制器以體積小功能強(qiáng)大所著稱 ,它不但可以很容易地完成順序邏輯、運(yùn)動(dòng)控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等功能 ,而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產(chǎn)機(jī)械數(shù)字量和模擬量的聯(lián)系 ,從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制 .特別是現(xiàn)在 ,由于信息、網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來 ,擴(kuò)展了 PLC的功能 ,使它具有很強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)通訊能力 ,從而更廣泛地應(yīng)用于眾多行