药瓶灌装机运动方案设计

1、本科毕业论文药瓶灌装机运动方案设计 姓 名 刘俊宝 学 院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师 石云霞 完成日期 2013年5月20日上海理工大学全日制本科生毕业设计（论文）承诺书本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） 药瓶罐装机运动方案设计 是在导师的指导下，严格按照学校和学院的有关规定由本人独立完成。文中所引用的观点和参考资料均已标注并加以注释。论文研究过程中不存在抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。如若出现任何侵犯他人知识产权等问题，本人愿意承担相关法律责任。承诺人（签名）： 日 期：药瓶灌装机运动方案设计摘要 随着科技的进步，以及医学的发展。市场上对各种液体药水的

2、数量在迅速增加，由于药品对罐装环境卫生要求比较高，以前的罐装方式不能满足市场的需求，取而代之的需要一种效率高、全自动、无菌罐装技术。全自动无菌罐装机就在这样的条件下应运而生。目前市场上液体罐装机种类繁多，涉及范围广，根据不同的工作条件有不同的灌装机。根据其罐装原理大致可以分为：常压灌装机、压力灌装机、真空灌装机、自动定量液体灌装机。按灌装操作类型可分为:全自动液体灌装机和半自动液体灌装机。按照其运动形式可以分为：旋转型灌装机、直线型灌装机、凸轮式灌装机。旋转型灌装机在食品、饮料行业应用最广泛，如汽水、果汁、啤酒、牛奶的灌装，这种由流体输送、容器输送、灌装阀、大转盘、传动系统、机体、自控等部分所

3、组成，其中灌装阀是保证灌装机能否正常工作的关键。直线型灌装机，制造方便，但占地面积比较大，而且是间歇运动，生产能力的提高也受到一定限制，因此一般只用于无气液料类的灌装，局限性较大。凸轮式灌装机相对前两者结构原理简单，运行比较稳定，维护成本较低。所以根据原始数据及实际生产的灌装要求，考虑到我们是用于液体药品罐装，主要考虑罐装精度，结构简单，维护容易，所以我们优先考虑凸轮式灌装机。目前市场上已经存在了一些型号的灌装机，但各有优缺点，总之技术不够成熟，本次设计主要对已经用于生产的灌装机针对其生产过程暴露的问题进行优化设计，包括各个凸轮连杆机构的设计，主传动部件的设计以及计算，最后以期能实现整个罐装功

4、能，提高生产效率、生产稳定性。本次设计运用机械设计等知识结合实际，使用AutoCad软件进行结构设计，得出最后的设计图纸。关键词：药瓶灌装机、优化设计、AutoCadBOTTLE FILLING MACHINE EXERCISE PROGRAM DESIGNABSTRACTWith the development of technology, as well as the development of medicine. Number of a variety of liquid medicine on the market in the rapid increase in drugs can

5、ned environmental health requirements is relatively high, the canned way can not meet the market demand, instead of the need for a high efficiency, automatic, sterile canned technology. Automatic aseptic filling machine came into being in such conditions.Currently on the market many types of liquid

6、filling machine, involving a wide range, depending on the working conditions of different filling machine. In accordance with its canned principle can be divided into: atmospheric pressure filling machine, pressure filling machine, vacuum filling machine, automatic quantitative liquid filling machin

7、e. By filling operations can be divided into: automatic liquid filling machine and semi-automatic liquid filling machine. In accordance with the form of exercise can be divided into: rotary filling machine, linear filling machine, cam filling machine. Rotary filling machine in the food, beverage ind

8、ustry's most widely, such as soft drinks, fruit juices, beer, milk filling, fluid transport, container transport, filling valve, Big Wheel, transmission, body, self-control and other parts of , filling valve is to ensure that the filling machine can work. Linear filling machine, easy to manufact

9、ure, but the relatively large area, and intermittent motion, increase in capacity is also subject to certain restrictions, it is generally used only for gas-liquid material filling, greater limitations. Cam filling machine is relatively former two structural principle is simple, relatively stable, a

10、nd lower maintenance costs. Therefore, based on the original data and the actual production of filling requirements, taking into account the for liquid medicines canned, the main consideration canned accuracy, simple structure, easy to maintain, so we give priority to the cam-filling machine.Some mo

11、dels of filling machines currently on the market already exists, but have their own advantages and disadvantages, in short, the technology is not mature enough, the design has been used in the production of filling machines for the problems exposed in the production process to optimize the design, t

12、he purpose is improve production efficiency and production stability. Finally spindle stiffness strength check calculation, pre-AutoCAD preliminary structural design, and finally the use of SolidWorks software for three-dimensional simulation design.Keywords: bottle filling machine, design optimizat

13、ion, AutoCad目录摘要ABSTRACT第1章 绪 论11.1设计题目背景11.2研究意义11.3国内外相关情况11.3.1 国外发展状况11.3.2 国内发展状况21.3.3灌装机的发展趋势31.4本章小结4第2章 灌装机的设计分析52.1 灌装机的结构与简介52.2 灌装机类型及其选择52.3 灌装方法的选择62.4 液料定量方法的选择72.5 液料供送装置的选择82.6 灌装阀与灌装工艺92.7 驱动方式的选择92.8本章小结11第3章 凸轮机构及其设计123.1凸轮机构的应用和分类123.1.1凸轮机构的应用123.3.2凸轮机构的分类123.1.3从动件的常用运动规律133.

14、1.4凸轮轮廓曲线的设计153.2灌装机中凸轮的设计153.2.1顶塞凸轮153.2.2翻塞凸轮173.2.3送塞凸轮193.2.4压塞凸轮213.2.5灌装凸轮233.3凸轮灌装机的工作原理243.3.1主传动凸轮工作原理243.3.2凸轮式灌装机整体工作流程263.4本章小结26第4章 传动机构的设计274.1机构的结构分析274.1.1机构组成274.2机构运动简图274.3机构具有确定运动的条件284.4灌装机传动机构的设计294.5本章小结31第5章 主轴系统的设计与计算325.1主轴组件功用及基本要求325.1.1主轴组件的基本要求325.2主轴组件的布局325.3 主轴设计325

15、.3.1 主轴的结构325.3.2主轴设计计算335.4本章小结35第6章 传动机构的改进366.1主轴结构改进366.2连杆机构的改进：376.3灌装机的总结构结构图386.4 AutoCAD简介396.5本章小结40结 论41参 考 文 献42致 谢4343 / 50文档可自由编辑打印第1章 绪 论1.1设计题目背景目前市场对灌装液体药瓶需求量上升，国内众多制药厂设备存在很多问题，主要是引进国外先进设备。这对自己的发展有很大局限，但是长时间的制药经验，我国在灌装机方面也有了长足进步，包括塑料饮料瓶、酸奶杯、药品无菌包装在内的包装生产线水平也得到了提升，已经可以达到中小型企业的需求，部分已经

16、可以无需进口设备，整体水平的提高对灌装机的效率要求不断提高，目前国内用于药瓶灌装的灌装机主要是采用凸轮机构配以plc控制系统实现自动灌装。灌装机构运用巧妙的机械结构实现自动送瓶、灌装、密封，以此不断循环。对于对灌装量的控制一般使其达到由可截断该液体的空气排出孔高度所规定的液面来实现。由于不同的生产需求，精度要求、灌装速度、灌装液物理以及化学性质不同，所以最后设计出来的产品结构以及材料都会有很大的不同。此次设计针对化学液体药品，精度和效率要求比较高。1.2研究意义我国在机械包装行业面临着两大困境。其一，随着现代科学技术的发展，人民生活水平的提高，同时对消费品的包装提出了更高的要求，随之而来的包产

17、业也受到了前所未有的挑战，其中而液态产品的包装在包装行业中占有很大比例，这是由于液体包装涉及的行业广泛、品种繁多，跟我们的日常生活息息相关，是消费比例最大的行业，如饮料方面的汽水、果汁、牛奶、矿泉水、蒸馏水、啤酒、果酒等；调味品方面的酱油、醋、味精液、果酱等；药品方面的针剂、糖浆、酊剂、气雾剂等；除此之外还有农药乳剂、化工产品的各种瓶装、化妆品等。所以要满足日益增长的液体产品的市场需要，就应大力发展液体产品的包装机械。其二，目前来看很多先进灌装机来自国外的进口，根据调查统计大中型企业的设备进口占到60。中小企业情况稍微好点，由此可见我们对进口设备的依赖程度。更加严重的现状是真正先进的设备几乎都

18、是来自国外。要解决这一现状需要我们不断的努力，相信我们也可以做到。这次设计说对大学四年所学知识的最好展示与应用。通过这次毕业设计不但可以重温我们所学的基础知识、专业知识和实际操作能力；还可以真正锻炼知识与实际结合的能力，对即将毕业走上工作岗位的我们是很好的过度衔接。此外，通过设计我们可以更好的把课本所学的知识运用到实际操作中，学会独立设计机械结构，分析可行性。从而可以锻炼我们的创新能力。1.3国内外相关情况1.3.1 国外发展状况灌装机有已经有多年的发展历史，自从人类学会用器皿盛水人们就用到了各种灌装技术，只是那时候人们都没有可以去研究，都是本能的反应。二十世纪初以前，人们灌装通常使用勺、瓢等

19、很简单的工具，或者直接浸入水中快速灌装。随着科技的发展，古老的技术不能满足人们需求，一种全新的快速、自动的灌装技术迫切需求，灌装技术也被人们注意起来，慢慢有人开始专门研究灌装设备。大约十九世纪七八十年代美国Horix、Kiefer和U.S.Bottlers等三家公司开始研制容器灌装的机械装置。之后，Kiefer公司制造出了第一台用于商业的灌装机，这也为以后的灌装机商业化创下先例；1920年Horix公司第一次成功制造了可用于灌装番茄酱的重力灌装机，这是灌装机多功能化发展所迈出的重要一步，这家公司至今仍生产灌装机，随着灌装机的不断生产应用，制造技术不断提高，功能不断增加，经过半个世纪的发展已经相

20、当成熟，不久之后，灌装机又有了重大突破，二十世纪初期，人们开始研究更加效率的灌装机，所以旋转式灌装机诞生了，到现在为止，旋转式灌装机成了应用最广的液体灌装设备。目前，国外灌装与封口设备越来越追求效率，全世界灌装机向快速、高精度、多功能等多方向发展。其中碳酸饮料灌装机是最成熟的技术之一，它的最高灌装速度可以达到不可思议的2000罐分，德国HK机械公司所生产的灌装机的灌装阀多达165头。最大灌装机灌装直径可以达到5米，灌装精度甚至可以精确到±05ml以下。一连串的数字足以证明灌装技术的发展程度。国外最先进的灌装机已可以不同的生产要求，不同的生产环境工作，例如玻璃瓶与塑料容器（聚酯瓶）、碳

21、酸饮料与非碳酸饮料、热灌装与冷灌装等相差比较大的流水线都可以实现同步灌装。1.3.2 国内发展状况我国在解放前几乎没有灌装机械，灌装生产绝大部分处于手工操作，非常落后。国内灌装生产线全方位发展我国饮料灌装设备基本是在引进设备和技术的基础上发展起来的，八十年代，引进各种饮料灌装生产线300多条，包括啤酒灌装线达500多条。引进灌装生产线主要分为以下几类： 玻璃瓶饮料灌装线80年代引进116条玻璃瓶饮料灌装线，主要用于碳酸饮料，其中80多条是以记账贸易方式从东欧国家引进的，包括罗马尼亚35条、西德30条、波兰、捷克8条。以外汇方式引进的灌装线包括西德23条、日本3条、美国6条、意大利1条。生产线主

22、要设备有卸箱机、洗瓶机、灌装机、压盖机、贴标机、喷码机、汽水混合机、装箱机等。在线检测设备有真空检测仪、液面检测仪、灌装能力150、200、300400瓶分。设备主要生产厂家有德国SEN、HK、OH、日本三菱重工、意大利希莫拉兹、美国迈耶等。 1984年广东轻机厂引进德国SEN公司和HK公司啤酒灌装线制造技术，制造每小时2万瓶的瓶装啤酒灌装线，南京轻机厂和合肥轻机厂以日本三菱重工技术，制造每小时18万瓶分的汽水灌装线。其他还有重庆轻机厂（测绘三菱重工328设备，14000瓶分）和廊坊包装设备制造总公司（测绘德国SEN公司246设备，60008000瓶时）的灌装线。 易拉罐饮料灌装线“八五”期间

23、，我国引进易拉罐饮料灌装线15条，同时引进易拉罐啤酒灌装线14条。主要是德国SEN、美国迈耶公司的设备，包括卸罐机、洗罐机、灌装机、封罐机、温罐机、码垛机，其他还有混合机、喷码机、薄膜收缩机、液位检测仪等。灌装能力为150、300、400、500罐分，最高575罐分。 现在我国生产灌装机的能力较差，主要是一些中小型企业，这些企业生产水平不高，独立性较差，成套能力不够。大部分仅提供洗瓶（洗罐）、灌装压盖（封罐）设备。不过伴随着我国经济的飞速发展，相信不久的将来我们会生产出现进的全自动化设备。1.3.3灌装机的发展趋势当今的灌装机械，尤其是饮料、啤酒灌装机械和食品包装机械，具有高速、成套、自动化程

24、度高和可靠性好等特点，也是目前灌装机械行业发展趋势走向。(1) 多功能同一台设备，可进行茶饮料、咖啡饮料、豆乳饮料和果汁饮料等多种饮料的热灌装；均可进行玻璃瓶与聚酯瓶的灌装。速度、高产量碳酸饮料灌装机的灌装速度最高达2000罐/分，德国KHS公司、SEN公司、KRONES公司，其灌装机的灌装阀分别达到165头、144头、178头。非碳酸饮料灌装机的灌装阀50100头，灌装速度最高达1500罐/分。(2) 技术含量高、可靠性强全线的自控水平和全线效率高。在线检测装置和计量装置配套完备，能自动检测各项参数，计量精确。集机、电、气、光、磁为一体的高新技术产品不断涌现。(3) 成套供应能力强如一条饮料

25、灌装线，由微电脑件、控制软件、灌装封盖配套组合，现实生产力与理论科技相结合。供货商可以为用户提供工程设计、安装、调试，最后交用户验收。比如：沈阳东泰包装机械设计是将普遍使用仿真设计技术把各种机器单元以数据库形式存入计算机，把图纸数字化后输入计算机，再把实际生产的指标和数据、可能发生的故障等输入计算机，再由工程师依照实际工作情况进行操作，演示出生产能力、废品率、生产环节匹配、生产线瓶颈在何处等，还可根据用户意见进行修改模型直到用户满意。当前灌装机械技术在食品、饮料包装上的开发、设计和制造过程中广泛应用。当前灌装机械的发展趋势是不断提高单机的自动化程度，改善整条包装生产线的自动化控制水平、生产能力

26、，可以大大改善食品饮料包装生产设备产品的质量，提高其国内、国际竞争能力。 随着我国酒业的快速发展,啤酒、葡萄酒、黄酒、白酒等酒类产量持续增长，我国饮料酒(不含果露酒、发酵酒精)总产量已达2878万千升,同比增长8.2%。有关专家指出，我国饮料行业是高成长性的行业，成熟饮品增长稳定，新的热点和增长点不断涌现，新兴饮品的增长更快。同时，中国包装机械已发展成世界液态食品行业中有重大影响和极大市场占有率行业。因此，液体灌装机市场发展潜力巨大。我国液体灌装机要满足包装行业快速发展的需求，并积极参与国际竞争，就必须打破“小而散”的行业态势，在“高精尖”的方向上不断前进。业内人士认为，未来液体灌装机将配合产

27、业自动化趋势，在技术发展上朝着机械功能多元化，结构设计标准化、模组化，控制智能化，结构高精度化等几个方向发展液体。因此灌装机的发展为食品、药品的现代化加工和大批量生产提供了必要的保证。 从而再一次证明了液体灌装机的发展市场潜力巨大。1.4本章小结本章简单介绍了本课题研究的提出背景、目的及意义，在对灌装机的发展历史进行回顾时，并分析了目前国内外灌装机的发展现状，使读者对本课题有了初步的了解，同时知道了灌装机的需求，以及国内外对改技术的掌握程度，灌装机的需求和其应用方向体现了它的重要性，说明我们的研究价值，也体现它能给社会带来的贡献和作用。第2章 灌装机的设计分析2.1 灌装机的结构与简介液体灌装

28、机是一种采用一定机械结构实现基本罐装动作，配以电子控制系统实现整个过程的协调进行，实现高效率，高精度的自动化设备。由于液体灌装机械功能要求不同，包含的范围广泛，所以液体灌装机械的种类繁多，通常会有以下几种分类。液体灌装机按灌装原理可分为常压灌装机，压力灌装机和真空灌装机。按灌装操作类型可分为全自动液体灌装机和半自动液体灌装机。按灌装种类可分为稀释液体灌装机浓型液体灌装机和油类灌装机等。压盖机采用压力灌装方法，是在高于大气压力下进行灌装，贮液缸内的压力高于瓶中的压力，液体靠压差流入瓶内。其用途广，可用于各种液体的灌装；可调节性好，通过调节可用于不同大小的瓶类容器的灌装；自动化程度高，动作协调，从

29、瓶子的输入到灌装完毕的输出的一系列动作无须人工的干预；灌装周期短，生产效率高。它集顶塞、旋塞、送塞、压塞、灌装功能于一体。目前国内灌装机绝大部分采用的是气缸活塞机构。这种机构的主要精度取决于气缸的制造加工精度，而就现阶段的加工技术很难达到很高精度，在灌装过程中气缸与活塞之间很容易吸入空气，影响灌装精度。这种灌装机工作原理：通过气缸的前后运动带动料缸内的活塞作往复运动，实现吸料、灌装，灌装工艺路线基本上是：打开启动开关，气体进入气缸后腔，随着气体增多压强增大，推动活塞向前运动，从而使灌装将液通过出料接头内的单向阀进入出料软管，然后顺流到待装空瓶。相反，当返程开关启动，活塞向后运动，压强减小 ，进

30、料单向阀打开，供料装置里的液体在大气压的作用下进入进料管，随后在进入入料缸。如图2-1所示，为全自动活塞式灌装机。 图2-1 药瓶灌装机2.2 灌装机类型及其选择前面我们已经介绍了灌装机的一般分类方法，按照原理可以分为常压、压力、真空灌装机等。按灌装瓶的主要运动形式分类：（1）旋转型灌装机一般是由履带将待灌装瓶由传送系统送入灌装机进瓶机构，罐装机构中间有一个圆盘转台，转台上面有多个工位对应灌装、定量、封装。带灌装瓶进入罐装机构会随着转动的转台进入不同工位最后送走。(2) 直线型灌装机灌装瓶沿着平直的直线运动，进行成排灌装。凡送来一排空瓶由推瓶板向前推送一次，到送至灌液管的下方时，阀门打开进行灌

31、装，间歇进行操作。(3) 凸轮式灌装机由电机带动主轴旋转，主轴上分别安装了不同的功能的凸轮，由于每个凸轮按照不同的路线设计了外轮廓，只要把正确分配凸轮的安装位置及其夹角就可以实现一连串的灌装、封装功能。当主轴在伺服电机的带动下带动凸轮转动，凸轮滚子机构运动带动连杆上下往复运动，最后经过一些其他机构实现整个灌装机运行。方案比较：旋转型灌装机在食品、饮料行业应用最广泛，如汽水、果汁、啤酒、牛奶的灌装，此机主要由流体输送、容器输送、灌装阀、大转盘、传动系统、机体、自控等部分所组成，其中灌装阀是保证灌装机能否正常工作的关键。直线型灌装机，制造方便，但占地面积比较大，而且是间歇运动，生产能力的提高也受到

32、一定限制，因此一般只用于无气液料类的灌装，局限性较大。凸轮式灌装机相对前两者结构原理比较简单，运行稳妥可靠，维护成本低。所以根据原始数据及灌装要求，选择凸轮式灌装机比较合理。2.3 灌装方法的选择计算各种液体产品的物理性质和化学性质均不相同，在灌装过程中，为了使产品的特性保持不变，必须采用不同的灌装方法。一般灌装机常采用下列几种灌装方法：（1）常压法常压法也称纯重力法，即在常压下，液料依靠自重流进包装容器内。大部分能自由流动的不含气液料都可用此法灌装，例如白酒、果酒、牛奶、果酱、醋等。（2）等压法等压法也称压力重力式灌装法，即在高于大气压的条件下，首先对包装容器充气，使之形成与贮液箱内相等的气

33、压，然后再依靠被灌液料的自重流进包装容器内。这种方法普遍用于含气饮料，如啤酒、汽水、汽酒等的灌装。采用此种方法灌装，可以减少这类产品中所含二氧化碳的损失，并能防止灌装过程中过量起泡而影响产品质量和定量精度。（3）真空法是在低于大气压的条件下进行灌装的，可按两种方式进行：（4）压差真空式即贮液箱内处于常压，只对包装容器抽气使之形成真空，液料依靠贮液箱与待灌容器间的压差作用产生流动而完成灌装，国内此种方法较常用。（5）重力真空式即贮液箱内处于真空，包装容器首先抽气使之形成与贮液箱内相等的真空，随后液料依靠自重流进包装容器内，因结构较复杂，国内较少用。真空法灌装应用面较广，它即适用于灌装粘度稍大的液

34、体物料，如油类、糖浆等，也适用于灌装含维生素的液体物料，如蔬菜汁、果子汁等，瓶内形成真空就意味着减少了液料与空气的接触，延长了产品的保质期，真空法还适用于灌装有毒的物料，如如农药等，以减少毒性气体的外溢，改善劳动条件。（6）压力法利用机械压力或气压，将被灌物料挤入包装容器内，这种方法主要用于灌装粘度较大的稠性物料，例如灌装番茄酱、肉糜、牙膏、香脂等，有时也可用于汽水一类软饮料的灌装，这时靠汽水本身的气压直接灌入未经充气等压的瓶内，从而提高了灌装速度，形成的泡沫因汽水中无胶体尚易消失，对灌装质量有一定影响，但不算太大。（7）虹吸法利用虹吸原理完成灌装的方法。此种方法出现最早，人们最容易接受，原理

35、比较简单，现在很少使用。上述几种灌装方法的正确选择，除考虑液体本身的工艺性能如粘度、重度、含气性、挥发性外，还必须考虑产品的工艺要求、灌装机的机械结构等综合因素。对于一般不含气的食用液料如瓶装牛奶、瓶装酒类等，可以采用常压法，亦可采用真空法，为了减少灌装时液料中的含氧气量，以便延长产品的保质期，采用较大的真空度的真空法更有利。所以我们采用的是真空法。2.4 液料定量方法的选择准确的定量灌装不但与产品的成本有着直接的关系，同时也影响产品在消费者心中的信誉。包装物品的定量一般有重量定量和容积定量两种。重量定量由于要增添秤等计量衡器，所以机器的结构比较复杂，适用于比较重、经常变化的固体物料，且往往要

36、配置一套电路用以机电配合；容积定量机器的定量机构比较简单，一般不需电路配合。液体产品一般易采用容积式定量，常见的有如下三种方法：（1）控制液位高度定量法这种方法是通过控制被灌容器中液位的高度以达到定量灌装的目的。因为每次灌装的液料容积等于一定高度的瓶子内腔容积，故习惯称它为“以瓶定量”。该方法结构比较简单，不需要辅助设备，使用方便，但对于要求定量准确度高的产品不宜采用，因为瓶子的容积精度直接影响灌装量的精度。对于这种定量方法，若改变每次的灌装量，则只需排气管嘴进入瓶中的位置。（2）定量杯定量法这种方法是先将液体注入定量杯中进行定量，然后再将计量的液体注入待灌瓶中，因此，每次灌装的容积等于定量杯

37、的容积。（3）定量泵定量法这是一种采用压力法灌装的定量方法，一般由动力控制活塞往复运动，将物料从贮料缸吸入活塞缸，然后再压入灌装容器中，由此每次灌装物料的容积用活塞往复运动的行程来控制。比较上述三种定量方法，从定量精度来看，第一种方法由于直接受到瓶子容积精度以及瓶口密封程度的影响，其定量精度不及后二种方法高，若从机械结构看，第一种显然最为简单，因此，它自然得到广泛应用，所以选择第一种。2.5 液料供送装置的选择灌装液料由贮液槽经泵（或直接由高位槽）及输液管将液体产品输入贮液箱，再由贮液箱经灌装阀输入待灌容器中，这就形成了整个灌装液料的供送系统。对于等压法、真空法有时还需对贮液箱充气或抽气。由此

38、可见，不同的灌装方法就应有不同的供料系统。下面只对常压法灌装的液料供送机构和真空法灌装的液料供送装置介绍做以比较：（1）常压法灌装的液料供送机构此法是在常压下灌装的，因此灌装系统较为简单。液体产品由高位槽或泵经输液管送进灌装机的贮液箱，贮液箱内的流体产品再经过灌装阀的开关进入待灌容器中。（2）真空法灌装的液料供送装置真空法灌装系统结构较复杂，形式较多，但根据其采用灌装方式不同，大体可分两种类型：一种方式是在待灌瓶和贮液箱中都建立真空，而液体是靠自重产生流动而灌装的；另一种方式是在瓶中建立真空，靠压差完成灌装。真空法灌装机的供料系统可有单室、双室、三室等多种形式，单室属于前一种真空法灌装，其余属

39、于后一种方法。 单室：这是一种真空室与贮液箱合为一室的供料系统。 双室：这是由贮液箱和真空室按照上下布局组成的供料装置。 多室：这种结构不仅使贮液箱与真空室分开，而且另设一个液位控制箱，真空箱也不止一个。 三室：真空分配箱虽然结构上比较复杂，但却使真空灌装机的结构紧凑了，且利于提高灌装生产能力和工作可靠性。等压法灌装的液料供料机构，液箱系一个矩形切面的环形液缸，在环形液缸的下面装有很多个灌装阀，分别与环形液缸底面的孔口相连，以便把液体从贮液箱内装进待灌瓶中。以上几种方法做以比较，因为所选择的灌装方法为真空法，所以真空法灌装的液料供送装置。单缸真空阀的开启需要两次升瓶才能完成，故易出现磨损漏溢的

40、问题，单缸结构增加液料的挥发面，不适合灌装液料；而三缸和多缸的结构过于复杂，所以选择双缸。2.6 灌装阀与灌装工艺灌装阀是自动灌装机执行机构的执行部件，它的功能在于根据灌装工艺要求，以最快的速度沟通或切断贮液箱、气室和灌装容器之间流体流动的通道，保证灌装工艺过程的顺利进行。不同类型的液料其物理化学性质各不相同，因此对灌装工艺要求存在差异形成了对阀的不同要求，不同的灌装方法有不同的灌装工艺过程。（1）常压灌装法的工艺过程是：进液回气；停止进液；排除余液。（2）等压灌装法的工艺过程为：充气等压；进液回气；停止进液。（3）真空灌装法的工艺过程：瓶内抽真空；进液排气；停止进液；余液回流。因为采用的是真

41、空灌装法，所以选择真空灌装阀，利用抽真空，使得瓶子内部成负压，液体在压差和重力的双重作用下，流入瓶内。真空法可提高灌装速度，减少产品与空气的接触，有利于延长产品的保质期，其全封闭状态还限制了产品中有效成分的溢散。2.7 驱动方式的选择周期性循环操作的三足式离心机，在各个操作阶段中，转速是不同的，通常在200800转/分的转速下加料，在10001500转/分的高速下进行离心分离，而在30100转/分的低速下进行刮料。因此要求传动装置能实现宽范围的变速。另外，为了适应离心分离的要求，时其在最有利的转速下工作，则要求传动装置能实现连续、平滑的无级调速。多速电动机驱动，多速电动机结构简单、运行可靠，操

42、作也很方便，但由于绕组的磁极对数只能成对改变，所以相应的调速也只能是有级的，而且变速范围也很小。应用同步转速为7501500转/分的双速电动机，因此常用这种电动机作为一种简单易行的变速驱动方式。（1）主-副电动机驱动：主电动机通常为双速电动机，可拖动主机以中速或高速运转。副电动机则为一减速电动机。通常在主、副电动机之间间，设置一个超越离合结构。这样既可实现主、副电动机分别在高、低速下驱动同一转鼓，而又不互相干扰。此种驱动方式的特点是应用普通电动机，可实现发幅度的变速，但这种调速仍是有级的，且减速、离合结构的制造安装也较复杂。（2）交流变频调速：其只要工作结构为一交流电动机及一套交流电源频率变换

43、装置。由于频率的变换可以在较宽范围内连接、平滑地进行，因此变频调速是一种无级调速。此种驱动方式的特点是：启动和制动平稳可靠，噪音低，没有滑动摩擦等易损零件。启动效率高，制动时电力回收，节省电力。如采用防爆电机，可以用于防爆场合。但由于从经济性考虑，变频装置的成本较高，当用一台变频装置控制一台设备运作时就不是很经济性，所以只有当同时控制多台设备运作时，才显得比较经济划算。（3）直流电动机调速：直流电动机可控硅调速是一种无级调速。其特点是：调速范围广、调速精确、运转稳定可靠、过载能力高、反映快。并且与直流电动机配用的可控硅调速装置，在国内外均有系列产品定型生产，通用性强。由于多速电动机相应的调速只

44、能是有级的，而且变速范围很小。主-副电动机驱动调速仍是有级的，且减速、离合结构的制造安装也较复杂。从经济性考虑，交流变频调速的变频装置的成本又较高。同样电磁调速电动机在低速运行效率低，若运用在长期处于低速运行的机器上会增加运行费用。再考虑到液压驱动方式安装和维修不是很方便。而直流电动机则是性能与经济性具佳，且调速范围广、调速精确、运转稳定可靠、过载能力高、反映快、产品通用性强。伺服电机与步进电机的选择比较，步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式伺服系统的出现，伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。虽

45、然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 控制精度不同。两相混合式步进电机步距角一般为 1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以三洋全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/8000=0.045°。 过载能力不同。步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有

46、较强的过载能力。 运行性能不同。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 速度响应性能不同。步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒，伺服电机响应速度更快。综上所述，考虑到本课题的研究对象，以及精度要求我们选用的是直流伺服电机驱动，如图2-2所示。图2-2 直流伺服电机2.8本章小结 本章首先简单介绍了灌装机的物理结构，使读者真正认识了灌装机。其次，对比了

47、目前灌装机的不同类型，结合本次设计的目的，我们选择了凸轮灌装机。本次设计灌装液为一次性注射液，根据灌装液的物理性质以及药品的特殊要求我们选择的灌装方法为真空灌装。根据需求我们选择了简单有效的控制液位高度的定量方法。液料供送装置为双缸供送。最后根据机械运动特点我们选择的驱动方式为，直流伺服电机驱动。至此，灌装机的结构之外的硬件配置与技术细节我们都一一确定下来了，下面就可以开始其主传动部件的结构设计了。第3章 凸轮机构及其设计3.1凸轮机构的应用和分类3.1.1凸轮机构的应用凸轮机构作为一种常用机构，兼有传动、导向和控制功能，字自动化机械中应用非常广泛。凸轮是一个具有曲线轮廓或者凹槽的构件，通常为

48、主动件作等速转动，也有作往复摆动或者移动的。凸轮机构主要由凸轮、从动件和机架三个基本构建组成，被凸轮直接推动的构件称为从动件。如果从动件是凸轮，则称之为反凸轮机构。凸轮机构最大的优点在于：只要正确地设计凸轮轮廓线，就可以使从动件实现任意给定的运动规律，而且响应快速结构简单紧凑。正因为如此，凸轮机构不可能被数控、电控装置完全代替。凸轮机构的缺点是凸轮轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，凸轮制造较困难。故凸轮机构多用于传力不大的控制机构和调节机构。现代机械日益向高速发展凸轮机构的运动速度也越来越高，因此高速凸轮的设计及其动力学问题的研究已经引起普遍重视，并且提出了许多适用于高速条件下采用的推杆运

49、动规律以及一些新型的凸轮机构。另一方面，随着计算机的发展，凸轮机构的计算辅助设计和制造已经获得普遍应用，相对的设计和制造技术的提升，这为凸轮机构的更广泛应用创造了条件。3.3.2凸轮机构的分类凸轮机构的种类很多，常按照凸轮和推杆的形状及其运动形式的不同来分类。（1）按凸轮的形状分 盘形凸轮 这种凸轮是一个具有变化向径的盘形构件绕固定轴线回转。盘形凸轮加工起来比较容易，可以达到较高精度。只要设计合适的轮廓，可以实现从动件的复杂运动。所以也是应用最广泛的凸轮机构。 移动凸轮机构 当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，就成为移动凸轮。在移动凸轮机构中，凸轮作往复直线运动。 圆柱凸轮机构 这种凸轮是一个圆

50、柱面上开有曲线凹槽，或者是在圆柱端面上做出曲线轮廓的构件。由于凸轮与推杆的运动不在同一平面内，所以这是一种空间凸轮机构。圆柱凸轮可以看作是将移动的凸轮卷与圆柱上形成的。（2）按从动杆（推杆）的形状分 尖顶从动件 这种凸轮机构的从动杆结构简单，且尖底能与复杂形状的轮廓保持接触，因而能实现任意预期的运动规律。但尖底容易磨损，一般适用于作用力不大和速度较低的场合，如仪器仪表等机构中。 滚子从动件 这种凸轮机构的从动件尖端处装有可以自由转动的滚子，由于滚子的存在使得凸轮与从动件之间的滑动摩擦转化为滚动摩擦，降低了磨损，改善了工作条件。因此可以用来传递较大的力矩，滚子常采用特制的球轴承或者滚子轴承，该机

51、构的缺点是结构较复杂。 平底从动件 在这种凸轮机构中，凸轮轮廓与从动件底面之间形成油膜，润滑条件好，磨损小。当不计摩擦的时候，凸轮对平底从动件的作用力始终垂直于平底，传力性能好传动效率高，故常用于高速场合。缺点是要求相应的凸轮轮廓必须处处外凸，这使得实用性大大降低。（3）按照凸轮推杆的运动形式不同分 直线运动的直动从动件凸轮机构，如图3-1所示：另一种为往复摆动的摆动从动件机构，如图3-2所示。在直动从动件机构中，如果轴线通过凸轮的回转轴心，则称其为对心直动从动件，否则为偏心直动从动件。根据凸轮与推杆保持接触的方法不同，凸轮机构可以分为力封闭凸轮机构和几何封闭机构。图3-1 直动从动件凸轮机构

52、 图3-2 摆动从动件凸轮机构3.1.3从动件的常用运动规律运动规律是靠凸轮的轮廓形状来实现的，因此从动件的位移、速度和加速度与凸轮的轮廓曲线有着直接对应的关系。要实现从动件的不同运动规律，就要求凸轮具有不同的形状轮廓线。所以在设计凸轮机构时，通常首先要根据工作要求和条件选择合适的运动规律。常见运动规律有以下几种：（1）等速运动规律等速运动即被动件在推程运动时间内速度不变，假设推程时，凸轮的推程运动角为，从动件升程为h。凸轮以等角速度转动。设转过角度为时，我们可以得到以下运动方程式：s=h v=h （3-1） a=0 同理，可导出回程运动的等速运动方程式：s=h1- v=-h (3-2)a=0

53、 （2）等加速等减速运动规律这种运动规律通常取从动件在一个行程中前半段作等加速，后半段作等减速运动，因此称为等加速等减速运动规律。该运动加速段和减速段的运动角及推杆行程各占一半，等加速运动的方程式 s=2h22 v=4h (3-3) a=4h22 等减速运动的方程式s=h-2h2-2 v=4h2- (3-4)a=-4h22 （3）简谐运动规律简谐运动又称为余弦加速运动规律，简谐运动的推程运动方程式为： s=h21-cos (3-5)（4）摆线运动规律又称为正弦加速运动规律，它和余弦加速一样在实际中运用较少，只做简单介绍，其推程运动阶段的运动方程式： s=h-12sin2 (3-6)3.1.4凸

54、轮轮廓曲线的设计根据初始条件，包括工作要求和结构条件分析计算凸轮结构的类型、基本尺寸（基圆半径，偏心距及其它设计参数）、以及工作中推杆的运动规律，接下来就可以进行凸轮外轮廓的设计了，设计方法分为作图法和解析法，前者操作计算简单，但误差较大，后者计算复杂精度高，根据不同要求可以选择不同设计方法。凸轮设计的基本原理是反转法原理，在设计凸轮时假设凸轮静止不动，推杆相对于凸轮沿着凸轮转动的反方向运动，作出从动件的一系列位置，将其用光滑曲线连接，这就形成了凸轮的轮廓线。凸轮设计时有几点需要注意:（1）自锁和许用压力角，在凸轮设计时最大压力角不能超过许用值。当压力角太大时就会引发自锁现象，这在实际中会产生

55、严重后果，所以在设计中需特别注意，临界压力角。临界角计算公式： =tan-11/1+2b/ltan2-1 (3-7)（2）压力角与凸轮尺寸的关系，假设凸轮的转动速度是，从动件的运动速度是v，偏心距为e，凸轮基圆半径为r，某一时刻，从动件的位移是s，则压力角与凸轮机构尺寸的关系为： tan=v/±es+r2-e2 (3-8)一般来说，在满足从动件位移、速度的前提下，应设计凸轮机构的参数使压力角尽可能小。在所有参数都确定之后，接下来要考虑凸轮所用材料，在凸轮机构中，凸轮轮廓与从动件之间容易发生磨损和疲劳点蚀，这就要求凸轮的材料具有高硬度、好的耐磨性以及表面接触强度，一般尺寸不大的凸轮采用

56、45钢或40Cr钢，并进行调制或表面淬火，一般要求表面硬度要达到5258HRC。3.2灌装机中凸轮的设计 凸轮灌装机是一种全新的罐装设计，整个机构包括主传动部件、振荡器部件、送塞压塞部件、伺服灌装部件、旋塞部件、顶塞部件、机架等。在各个部件的协调运动下，机构能准确快速的实现灌装功能，整个机构简单紧凑，稳定、高效适合中小型企业的灌装要求。灌装机集灌装、送塞、顶塞、旋塞、压塞于一体。其主传动部件是实现所有功能的核心，主要由主轴、电机、减速器和五个凸轮及其连接机构组成，五个凸轮分别为顶塞凸轮、灌装凸轮、压塞凸轮、旋塞凸轮、送塞凸轮。3.2.1顶塞凸轮顶塞过程是由顶塞机构来完成的。其结构为由电磁铁安装板、杠杆、连杆、胶塞顶杆、联轴器、胶塞顶杆固定座、杠杆安装座以及螺纹、销等连接零件装配组成。整个运动过程为：电机工作，经减速装置减速后带动主轴转动，主轴带动安装在其上的顶塞