包装机械设计原理

包装机械设计原理（1）与一般机械不同；（2）但仍属轻工机械范畴，多为自动加工机械。

本章介绍：

1.

自动包装机生产率分析

2.

自动包装机工艺方案设计

3.

自动包装机循环图设计.当前第1页\共有62页\编于星期四\20点自动机械生产率——是指自动机械在单位时间内生产的产品数量，其单位可以是：件/分、米/分、千克/分、升/分等。

●

产品是广义的。

●以下分析的是单件产品特征的自动机械的

理论生产率

工艺生产率.当前第2页\共有62页\编于星期四\20点理论生产率●自动机械通常是调整到正常工作状态下加工产品，此时的生产率称为理论生产率，用Q表示。它是自动机械设计的理论依据。设加工单件的时间T为

T=t工作+t空程

t工作——加工循环内工作行程所需的时间；

t空程——加工循环内空行程所需的时间。

对多工位自动机，t工作、t空程均为各工位不相重合的时间之和。自动机械的理论生产率Q为

Q=1/T=1/(t工作+t空程)当前第3页\共有62页\编于星期四\20点工艺生产率●如果Q=1/T=1/(t工作+t空程)式中t空程=0，则

Q=1/T=1/t工作=K

K称为工艺生产率——自动机在工作循环内无空行程或空行程时间与工作行程时间重合时的生产率，表示连续生产。由上述二式得

Q=K/(Kt空程+1)令1/(Kt空程+1)=η，则

η=Q/K=t工作/Tη称为生产率系数——表示自动机理论生产率与工艺生产率之比，亦表示自动机在时间上的利用程度，即工艺过程的连续化程度。当前第4页\共有62页\编于星期四\20点二、自动机生产率分析●由生产率公式可知：

t工作、t空程↓

→Ｔ↓

→Q↑；●从不同t空程值的K-η曲线和不同t空程值的K-Q曲线分析：

图1不同t空程值的K-η曲线

图2不同t空程值的K-Q曲线当前第5页\共有62页\编于星期四\20点分析的结论：1）0<η<1，所以Q<K.2）t空一定时，K↑→η↓；

K一定时，t空↓→η↑.当前第6页\共有62页\编于星期四\20点（3）3）t空一定时，K↑→Q↑,但K→∞时，Q→1/t空为定值；

K一定时，t空↓→Q↑，但t空→0时，Q→K值。

t空=0时的自动机为连续作用型机械，Q=K，此时重点研究：K↑(t工作↓)→Q↑当前第7页\共有62页\编于星期四\20点4）K较小（t工作较大）时，t空对Q影响小；

K较小时：重点研究t工作↓→K↑→Q↑；

K较大时：重点研究t空程↓→Q↑；

K适中时：同时研究t工作、t空程

。

——自动机生产率理论的本质所在。当前第8页\共有62页\编于星期四\20点三、自动机械的实际生产率●

因部件磨损、机构故障、更换产品等→时间损失→实际的生产率<理论生产率Q。●实际生产率Q实——考虑时间损失而计算的自动机械在单位时间内生产的产品数量。Q实=1/(t工作+t空程+t损失)●相对而言，t空程即为循环内时间损失，t损失即为循环外时间损失，即t总损=t空程+t损失

。●t总损与自动机械的设计、选择、应用有关，分为两大方面：工艺和设备；或六类：与空程时间、工具使用、修理调整、产生废品、转换产品、生产管理等有关的时间损失。

●由以上介绍可见：K—Q—Q实的关系。当前第9页\共有62页\编于星期四\20点K—Q—Q实的关系曲线◆Ⅰ——T=t工作，此时自动机械生产率为工艺生产率K；

Ⅱ——T=t工作+t空程，此时的生产率为理论生产率Q；

Ⅲ——T=t工作+t空程+t损失，此时生产率为实际生产率Q实。◆

由图可见：自动机工艺生产率↑、（设备）可靠性↑→实际生产率曲线向右延伸，Q实max↑

。当前第10页\共有62页\编于星期四\20点四、提高生产率的途径●影响自动机生产率的两大方面：工艺因素和设备因素。——工艺方案先进合理、设备和机构先进可靠、时间损失少→生产率↑。●提高生产率的途径:1、减少循环内空程时间损失t空程：

（1）时间（部分）重合；

（2）在保证工作精度和可靠性前提下采用合理的工作速度；

（3）采用连续作用型自动机。2、减少循环外时间损失t损失。3、减少基本工艺时间t工作：

（1）采用先进的新工艺；

（2）采用工序分散的方式；

（3）采用多件加工的方法。当前第11页\共有62页\编于星期四\20点§5-2自动包装机工艺方案设计

●工艺方案——指自动机加工产品时采用的工艺过程和方法。

同一产品生产可用不同工艺过程，选最有效的是确定工艺方案时首要解决的问题。●产品生产的三种工艺方法：

（1）理化作用型——产品在机器所施的物理或化学作用下发生性质或状态的变化，以完成加工过程。如超声波洗瓶机、干燥灭菌设备等。

（2）机械作用型——产品在机器所施的机械作用下发生形态的变化，以完成加工过程。如自动分装机、灌装机等。

（3）综合作用型——产品同时在机器所施的机械作用和理化作用下发生性质和状态的变化，以完成加工过程。如颗粒剂塑膜包装封口机、安瓿拉丝封口等。●工艺方案→影响机器性能、技术经济指标、生产率、产品质量等↓

研究和掌握加工工艺、反复分析比较

↓

确定成熟和合理的工艺方案。

工艺方案设计原则工艺方案选择要点工艺原理图绘制

.相关内容当前第12页\共有62页\编于星期四\20点一、工艺方案设计原则*

●工艺方案设计总要求：高质量产品、高效率生产、低成本和简单结构等。●工艺方案设计遵循的原则：1）工序集中或分散原则

工序集中——将简单加工工艺集中在某工位进行多个不同要求的加工。特点是工位数少、减少运送等辅助工艺→生产率高、机构数少，但复杂。工序分散——将复杂工艺分解为若干工序（位），在同一机器的不同工位上进行加工。特点是机构简单、可采用时间重合原则以提高生产率，但工位数增加、要求传送及定位的可靠性高。工序集中与分散程度的选定，取决于哪一种更有利于高质量、高效率、低成本。

»…当前第13页\共有62页\编于星期四\20点设计原则续工序各有严格要求↓

以加工时间最长的工序节拍为自动机节拍↓

要求各工序的加工时间接近、相等，否则影响生产率

↓

平衡工序节拍——使各工序的加工时间相等

措施：

扬先进、改落后，采用新技术、新工艺、先进工具→提高工艺速度；

采用工序集中或分散原则。»…2）平衡工序（位）节拍原则当前第14页\共有62页\编于星期四\20点设计原则

使各工序（位）的工作行程时间相互重合、工作行程时间与辅助时间重合、辅助时间相互重合。4）多件同时加工原则在一加工过程中对多件同时完成相同工作。如水针的灌装。

3）时间重合原则当前第15页\共有62页\编于星期四\20点二、工艺方案选择要点*●同一产品的生产可采用不同工艺过程↓

工艺方案的分析

、比较和选择。●选择工艺方案时考虑：（1）产品质量与成本——最基本问题；（2）生产率；（3）结构复杂性和技术可靠性；（4）方案的合理性、先进性、发展方向；（5）实现方案的劳动条件、环境保护等。

当前第16页\共有62页\编于星期四\20点三、工艺原理图的绘制●工艺方案选择确定↓

设计和绘制工艺原理图——

是设计自动机械运动系统和结构的基础和原始资料。

●

工艺原理图上应反映：

（1）产品的运动路线；

（2）操作的顺序和工位数；

（3）各工位上产品的加工情况；

（4）工具与产品的相互位置与作用方式等；

（5）大致可了解自动机械运动特征、工作循环、总体布置方案等。

●

步骤：工艺路线选择→绘制工艺原理图。当前第17页\共有62页\编于星期四\20点三、工艺原理图的绘制●工艺方案选择确定↓

设计和绘制工艺原理图——

是设计自动机械运动系统和结构的基础和原始资料。

●

工艺原理图上应反映：

（1）产品的运动路线；

（2）操作的顺序和工位数；

（3）各工位上产品的加工情况；

（4）工具与产品的相互位置与作用方式等；

（5）大致可了解自动机械运动特征、工作循环、总体布置方案等。

●

步骤：工艺路线选择→绘制工艺原理图。当前第18页\共有62页\编于星期四\20点1、直线型工艺路线例一

卧式直线型块包装工艺路线——工件沿直线运动并被加工。分卧式和立式。»…当前第19页\共有62页\编于星期四\20点例二

卧式直线型袋包装工艺路线

1-三面封口袋；2-切断刀；3-纵封器；4-加科器；5-横封器；6-隔块；7-导向杆；8-板式成形器；9-导向滚轮；10-卷简塑膜»…当前第20页\共有62页\编于星期四\20点例三

立式直线型袋包装工艺路线1-料斗；2-加料器；3-塑膜；4-纵封滚轮；5-引导管；6-横封及切断滚轮；7-导向辊；8-成品当前第21页\共有62页\编于星期四\20点2、台阶型工艺路线例一

台阶型折叠式包装工艺路线——较利于折叠包装和印字包装等。»…当前第22页\共有62页\编于星期四\20点例二

台阶型印包生产线工艺路线当前第23页\共有62页\编于星期四\20点回转型液体灌装工艺路线

与直线型工艺路线相比，所占空间较小。

——工件在回转运动中被加工。3、回转型工艺路线当前第24页\共有62页\编于星期四\20点4、组合型工艺路线组合型袋包装工艺路线

1-三角形成形器；2-立辊；3-纵封器；4-充填转盘；5-切刀盘；6-横封器——兼有直线型和回转型工艺的特点。当前第25页\共有62页\编于星期四\20点（二）绘制工艺原理图

确定了工艺路线

→绘制原理图，表示：操作、工位等

→为后续设计准备。例题…当前第26页\共有62页\编于星期四\20点例一

栓剂半自动包装图11栓剂半自动包装工艺原理

图中表示：

采用直线型工艺路线、五个工位完成的工作（吸塑成型、手工置栓、热封、冲切、装盒等）及加工状况与作用方式等。»…当前第27页\共有62页\编于星期四\20点

图中表示：完成洗瓶工作的12个工位直线排列、各工位完成的工作（热水喷淋、碱水喷淋、冷水喷淋、毛刷清洗、蒸馏水喷淋、沥干）、设备工作循环与总体布置等。例二

输液瓶洗瓶机工艺原理»…当前第28页\共有62页\编于星期四\20点例三

块状物品包装图13块状物品包装工艺原理

图中：采用台阶型工艺路线、反映了六个工位完成从裹包到烘干的间歇工作过程、机械的组成及总体布置等。

»

…当前第29页\共有62页\编于星期四\20点例四

单转盘冷霜灌装图14单转盘冷霜灌装工艺原理

图中：

采用回转型工艺路线、反映了在一个转盘上间歇完成从上空盒到送出成品的5个工位的工作与作用方式、机械的布置与传动等。»…当前第30页\共有62页\编于星期四\20点例五

滚筒式铝塑包装»…图中：采用组合型工艺路线、反映了铝塑包装从塑膜加热成型至成品输出的各工位完成的工作与加工状况、机械的结构与布置等。工艺流程：塑膜加热成型→冷却定型→加料→热封→冲裁→成品输出。当前第31页\共有62页\编于星期四\20点例六

双转盘冷霜自动灌装

图中：采用组合型工艺路线、反映了冷霜灌装的工艺过程、工位数（包括增加的空工位）、双转盘结构及其布置等。

对在一个工位上有几个动作的自动机工艺原理图，用上述图示法则难以表达清楚，须按工艺流程的每一操作顺序绘出其操作原理图。1-装空盒；2-空位；3-灌装；4-空位；5-转位；6-空位；7-上盒；8-放锡箔；9-贴锡箔；10-扣上盖；11-卸成品

当前第32页\共有62页\编于星期四\20点本节内容：

自动机械工作循环

自动机械的循环图

自动机械循环图设计.包装自动机循环图设计当前第33页\共有62页\编于星期四\20点1、自动机械的工作循环（T）——表示工件在自动机上完成整个加工过程所需的总时间

●总时间是整个加工过程中不重合时间之和；

●自动机工作循环实际上就是机器上加工的两（组）相邻产品之间的时间间隔；

●

工作循环是衡量自动机械的主要参数。

2、执行机构的运动循环（T执）——执行机构完成某工序（位）加工过程所需的时间。

●加工时间是循环中的工作行程和空行程时间之和；

●运动循环即执行机构周期性地回到初始位置之间的时间间隔；

●自动机工作循环与执行机构运动循环在时间上应相等→用T执表示T。

一、自动机械的工作循环当前第34页\共有62页\编于星期四\20点二、自动机械的循环图■循环图——用于表示循环（时间、角度等）的图。

■执行机构运动循环图——表示执行机构运动循环的图形。

●

运动循环主要根据工艺要求进行设计；●

循环图的表示方式

（以图17自动冲压机的冲头运动循环TI为例）■自动机械的循环图

.

●

运动循环的表示：T执=工作行程时间tk+空行程时间td+停歇时间to。当前第35页\共有62页\编于星期四\20点冲头运动循环：图17自动冲压机示意图

1-凸轮；2-冲头；3-产品；4-下冲模；5-压簧TI=to+td1+tk+td2

to—冲头高位停歇时间；

td1—冲头空程前进空程时间；

tk—冲头工作行程时间；

td2—冲头回程时间；运动循环图表示为：当前第36页\共有62页\编于星期四\20点图18循环图的表示方法(a)直线式循环图：将各区段时间和顺序按比例绘于直线坐标上——简单明了；(b)圆形循环图：将各区段时间和顺序按比例绘于圆形坐标上——尤其适合于有凸轮分配轴或转鼓的机械；

(c)直角坐标式：横坐标表示运动区段参数，纵坐标表示运动区段状态特征——既简明表示了时间和顺序，表示了机构运动状态，故常用。

»当前第37页\共有62页\编于星期四\20点自动机械的循环图●自动机械的循环图——表示各执行机构运动循环在自动机工作循环内相互关系的图。

◆该图是各执行机构运动循环图按同一参数比例绘制的总图，且以某一执行机构的工作起点为准；

◆图中应能反映各执行机构对产品的加工順序；

◆图17自动冲压机中的送料机构运动循环图类似于图18，若均以直角坐标式表示，则自动冲压机工作循环图如图19。

图19当前第38页\共有62页\编于星期四\20点三、自动机械循环图设计

●

自动机械循环图的功用

（1）表示执行机构运动循环之间的相互关系；

（2）表示执行机构数目、执行件的相对空间位置；

（3）是执行机构凸轮廓线设计和凸轮转角分配的依据；

（4）是自动机械安装调试的理论依据；

（5）通过循环图设计，可获得合理的自动机械工作循环。

●

自动机械的循环图设计自动机械工艺原理、执行机构运动循环图（设计）↓

自动机械循环图设计——建立各执行机构运动循环图的关系

→各执行机构运动的协调即同步化。

↓

自动机械循环图就是各执行机构的运动同步图

→自动机械各执行机构运动时间同步化和空间同步化设计。当前第39页\共有62页\编于星期四\20点执行机构运动循环图设计▲执行机构运动循环图设计步骤：a、确定执行机构的运动循环（时间）b、确定运动循环的组成区段c、确定各区段的运动时间d、绘制执行机构运动循环图。

▲以自动打印机的打印头为例

.当前第40页\共有62页\编于星期四\20点打印头图20自动打印机原理图

1-送料器；2-产品；3-打印头；4-杠杆；5-弹簧；6-凸轮

生产指标：每班4200件以上；

生产率：Q实=4200/8=525件/小时=8.75件/分；

Q=（1.1~1.2）Q实=9.625~10.5件/分，取Q=10件/分。

分配轴转速：n=10rpm。打印头运动循环图设计如下:当前第41页\共有62页\编于星期四\20点打印头运动循环图设计a、确定打印头3的运动循环按上述计算确定完成一件所需的时间T=1/n=60/10=6(s)；取打印头3的运动循环T3=T=6s.b、确定打印头3的运动循环的组成区段根据打印工艺，打印头的运动循环由五部分组成：

T3=t3o+t3d1+t3k+t3ok+t3d2c、确定打印头3各区段的运动时间及转角●为保证有充分时间装料→取t3o=3s

→φ3o=360°×3/6=180°；●为保证打印质量→取t3ok=0.2s

→φ3ok=360°×0.2/6=12°(打印）●按打印要求，取t3d1=1s

→φ3o=360°×1/6=60°；(打印头下降）

t3k=0.5s

→φ3o=360°×0.5/6=30°；(压下）

t3d2=1.3s

→φ3o=360°×1.3/6=78°。（打印头上升）d、绘制打印头3的运动循环图

.当前第42页\共有62页\编于星期四\20点打印头运动循环图.当前第43页\共有62页\编于星期四\20点执行机构运动循环时间同步化▲时间同步化设计步骤：（1）作出各执行机构的运动循环图（各执行机构的运动循环图设计）；（2）确定自动机械的最小工作循环Tmin；（3）求出合理的工作循环T；（4）绘制自动机械时间同步化循环图。

▲仍以自动打印机为例

。当前第44页\共有62页\编于星期四\20点自动打印机●生产指标：每班4200件以上；取Q=10件/分。

分配轴转速：n=10rpm。图20自动打印机原理图

1-送料器；2-产品；3-打印头；4-杠杆；5-弹簧；6-凸轮

●工艺过程：

推送——打印——再推送→具有时间同步化要求。●执行机构运动循环时间同步化如下:当前第45页\共有62页\编于星期四\20点1）各执行机构运动循环图设计图21打印头的运动循环图.

…

a、运动循环；b、组成区段；c、各区段的运动时间及转角；d、绘制打印头运动循环图:A、打印头3的运动循环图当前第46页\共有62页\编于星期四\20点B、推送机构1的运动循环图

a、确定推送机构1的运动循环根据打印工艺、送料行程及上述计算，取推送机构1的运动循环T1=4s；

b、确定推送机构1的运动循环的组成区段

根据送料的实际要求，运动循环T1的组成：

T1=t1k+t1d+t1o

c、确定推送机构1各区段的运动时间

取t1k=1.5s（可计算获得）；（推送）

t1d=1.0s（可计算获得）；（回程）

t1o=1.5s（可计算和实测得到）（再进料）

d、绘制推送机构1的运动循环图

:当前第47页\共有62页\编于星期四\20点图22推送机构运动循环图.…当前第48页\共有62页\编于星期四\20点2）确定自动打印机最小工作循环Tmin

●最简单的运动循环：两机构顺序动作

→T=4+6=10(s)，相当于运动循环图“串接”——不合理；图23自动打印机最小工作循环图…

●两机构无空间位置上的干涉

→送料、打印两动作可同时进行：可采用时间同步等原则

→Tmin=6s。当前第49页\共有62页\编于星期四\20点3）求出自动打印机合理的工作循环T

由图23可见明显不足：

i、按A1与A3重合的极限情况设计循环图不可靠——未考虑多种实际因素……

↓

应增加超前或滞后余量Δt（或Δφ，一般取Δφ=5°~10°）。

本题取Δt=0.3s（可从t3o获得）。

ii、打印机构装料的t3o过长，可从3s减至1s——对打印机工作循环无影响

↓合理的工作循环图：

↓

合理的工作循环T=4s→打印机分配轴转速变为：n=1/4=15转/分；

生产率Q=15件/分

→与4200件/分相比，得到了提高——减少了停歇时间。当前第50页\共有62页\编于星期四\20点图24自动打印机同步化循环图.当前第51页\共有62页\编于星期四\20点4）绘制自动打印机的循环图

将运动循环时间转换为分配轴转角：送料机构T1=t1k+t1d+t1o=1.5+1.0+1.5=4（s）

φ1k=360°×t1k/T=360°×1.5/4=135°；

φ1d=360°×t1d/T=360°×1.0/4=90°；

φ1o=360°×t1o/T=360°×1.5/4=135°；

打印机构T3=t3d1+t3k+t3ok+t3d2+t3o=1.0+0.5+0.2+1.3+1.0=4（s）

φ3d1=360°×t3d1/T=360°×1.0/4=90°；

φ3k=360°×t3k/T=360°×0.5/4=45°；

φ3ok=360°×t3ok/T=360°×0.2/4=18°；

φ3d2=360°×t3d2/T=360°×1.3/4=117°；

φ3o=360°×t3o/T=360°×1.0/4=90°。绘制自动打印机的循环图（图25）：当前第52页\共有62页\编于星期四\20点自动打印机循环图当前第53页\共有62页\编于星期四\20点执行机构运动循环的空间同步化设计

▲空间同步化设计步骤（1）

作出各执行机构的运动循环图（各执行机构的运动循环图设计）；

（2）绘制各执行机构执行件的实际位移图；（3）确定干涉点的位置；（4）进行合理的空间同步化