旋盖头设计说明书

第1章绪论1.1课题背景液体罐装机械有相当一部分用于食品行业，尤其是饮料制造业

，以PET瓶为包装容器的饮料包装，占整个饮料行业包装市场的60％

以上。旋盖机是自动灌装生产线的主要设备之一，用于PET瓶的螺纹封口，旋盖头作为旋盖机的重要组成部分，理盖系统就成为整条灌装生产线的“咽喉”，而旋盖头的准确性和供送速度直接影响到该灌装生产线的产量。饮料灌装线理盖器的旋盖头由于处于饮料生产的一环，缺它不可：使用它，可以提高工厂的作业效率，减少人力成本，实现无人化，自动化操作，同时也提高安全性，所以它的重要性与日俱增，研究它的重要性也迫在眉睫。鉴于理盖器的重要性，有不少工程技术人员对此进行了认真的研究，提出来多种不同的设计方案。虽然这些设计方案各有特色，但也存在一些不足之处：如“斜斗式理盖器”，不能用于瓶盖高度大于直径的场合，定向正确的瓶盖在通过“瓶盖定向通道”时，可能会出现卡盖现象，瓶盖尺寸改变时，瓶盖定向通道的间隙调整不太方便等。

目前很多企业都缺少相应的旋盖头产品，市场前景很大，相对于国外的理盖机技术，目前发展具有自主产权的旋盖头技术意义重大。1.2国内外发展现状和未来趋势1.2.1国内发展现状纵观国内理盖机的设计、制造和生产使用情况，其发展前景是很光明的，特别是目前国内已拥有一批专门从事理盖机科研、设计和制造的技术队伍，以及制造理盖机的单位，积累了一定的生产使用经验，为发展、完善和提高理盖机的生产技术水平，打下了良好的基础，因此，发展国产理盖机具有很多有利条件

。

发展国产理盖机有如下几个有利条件：国内已拥有一批专业科技队伍；已有一批专业制造单位；国产机型已基本能满足生产需要；已能生产与理盖机配套的控制元器件；国产理盖机价格较便宜；国产理盖机的备品备件容易解决；售后服务较周到及时。

但现实中也依然存在很多不足，最主要就是体现在我们的自主研发能力较德国、日本等发达国家而言尚且太过薄弱，实际上许多中小企业如今正深陷在仿造国外理盖机的泥潭中。

今天的整体机械自动化设备越来越复杂，速度越来越快，理盖机面临的挑战是越来越多，首先其一就是作业效率的问题，这是每个国家科研工作者们共同面临的问题。1.2.2国外的发展现状60年代始，在工业发达的德国、意大利、日本等国家，已相继研制出半自动、全自动理盖机，后来在结构和机型方面，还不断作了改进和完善，其中最显著的是磁力回转式王冠理盖机，作为供送系统的一种，在灌装机械方面有广泛的应用。到70年代，西德缪勒斯（MOLLERS）公司于1976年在瓶盖同向排列设计上，为了快速，连续的生产，发明了在瓶盖进入旋盖机前用专门的设备将其同向列，单列输出的技术。从80年代初期开始，我国大型饮料企业先后从日本、西德和意大利等国家引进了几十台饮料自动化理盖机设备。其中除了从西德缪勒斯（MOLLERS）公司和意大利OCME公司引进几台外，其余大部分理盖机均系从日本OKURA公司和不二公司进口的。1.2.3未来趋势近年来，饮料灌装线理盖机结构设计作为生产自动化领域的一门新兴技术获得了飞速的发展。一者，随着企业的集团化，生产能力的规模化，对理盖器的工作能力的要求不断提高，使传统的人工手动方式向自动化、高效率化方向发展；再者，由于企业产品由卖方市场进入了买方市场，企业生产正在向着精细化，柔性，自动化生产的方向发展，生产企业不能够承担一条生产线只能够完成一点点作业效率的代价，往往需要高效率的生产线，这就要求理盖器，必须具有处理自动化，高效率作业及稳定生产的能力，所有这些，都为自动理盖机的发展提供了机会。

本课题主要是用于解决生产实际需要，创造社会经济效益，解决长期困扰饮料工厂的低效率问题而产生的。基于长期的社会调研与访问，发现很多企业都存在这样或那样在供料环节上的问题，所以成立本课题帮助广大企业或相关研究者提供一种参考。1.3主要研究内容和实现方法1.3.1主要研究内容旋盖机是饮料灌装过程中旋紧瓶盖的专用设备，工作时必须保证适宜的旋转力矩，力矩过小，瓶盖旋不紧；力矩过大，易损坏瓶嘴和瓶盖。为此我们在吸收国外同类先进设备的基础上研制了一种利用磁力传动器传递扭力矩实现瓶盖旋紧的旋盖头，能根据需要方便的设定、调整旋紧力矩的大小，并能保护瓶嘴和旋盖头。1.3.2实现方法(1).到廊坊百冠包装设备制造总公司进行参观，拟订总体方案。(2).掌握旋盖头的主要工作流程

。

(3).了解旋盖头理的工作原理。

(4).查阅相关资料和书籍，对旋盖头进行整体设计。

(5).在老师的指导下检查是否符合总体方案的要求，修改不合理的地方。

第2章旋盖头概述2.1旋盖头的设计要求在各类瓶装包装形式中，外盖的旋入，旋紧是不可缺少的工序。为保证产品质量，旋盖的紧密程度对被包装物的储存时间有很大影响。常用的旋盖作用结构包括有外靠摩擦轮，机械抓夹或气胀抓夹等，旋紧驱动力多用电动机，气马达等。在生产的质量管理要求中，旋盖的紧密程度往往被要求控制一最低值以上，在某些情况下，被要求控制在一个范围内旋盖的过松，过紧，都是需要避免的。对此，国家有相关的规定，企业制订有相应的标准，设备的功能也被要求满足这一需求。2.2旋盖头的分类生产线上的旋盖设备，有连续式和工位作用等形式。为满足设计要求，应尽可能使旋盖工作头与工件盖在旋紧过程中同步旋转。为满足旋紧要求，有多种扭矩控制机构可选用。2.2.1初级的外靠摩擦轮形式有驱动轴与工作摩擦轮成一力传递刚体。其间，力传递没有缓冲和力矩限制结构。仅靠摩擦轮与盖的外壁接触的程度而确定的动摩擦力来控制旋盖力矩。操作人员靠调整摩擦轮与盖的距离，以达到改变摩擦轮与盖外壁的接触应力。质量难以保证。由于这种形式的摩擦轮与盖的外壁在作用过程中存在相对滑动，胶质摩擦轮损耗大，并在盖的外壁发生污染。操作人员调整困难。在有规模产量的生产装备中，一般避免这种结构形式。2.2.2摩擦片扭矩限制机构这类装置是在驱动轴与工作摩擦轮间加有限力矩摩擦片，或摩擦片组。这种结构用于连续式旋盖形式时，调整方便，在调整时，只要保证工作摩擦轮与盖外壁的接触应力足够大，以不出现相对滑动为限。扭矩控制由摩擦片产生的摩擦力矩确定。2.2.3磁力扭矩限制结构这种结构用磁铁斥力作为扭矩作用力，通过磁铁间距离的调节，改变磁铁间斥力，从而达到改变扭矩的要求（见结构示意图2-1）1-驱动轮2-调整环3-主动体4-弹簧5-永磁体6-从动体7-摩擦轮或其他与盖工件相连接构件图2-1以磁铁斥力传递扭力的扭矩限制机构通过这些天在百冠企业加工车间的参观实习所了解的相关信息，以及查阅书籍，网络所掌握的相关知识，根据设计要求，最终确定设计的旋盖头类型为磁力扭矩限制结构。

第3章旋盖头结构设计计算3.1封口螺套结构设计用于抓起瓶盖，把瓶盖拧紧在瓶子上。为保证其密封性，恰好拧紧，其设计参数根据实际瓶口大小不同，尺寸也是不同的。经实际测量所要旋紧的瓶盖尺寸为∅28.8,应保证抓起瓶盖时不损坏瓶盖。将样盖拧到样瓶上拧紧，用盖盖到N面，应取放顺畅无划伤。在对工厂师傅进行生产加工的询问时，师傅们提到应注意钻孔时应使孔中心对准电极打出齿尖，如果电极打出齿数不是6倍的齿数，则应使尽可能多的孔中心对准齿尖；齿部喷砂时注意时间和力度，以不宜损坏为宜。因此旋口螺套最终结构布局如图3-1所示。图3-1封口螺套3.2轴承的选用滚动轴承类型多种多样，选用时可考虑以下方面因素，从而进行选择。

(1)载荷的大小、方向和性质：

载荷是选择轴承最主要的依据，通常应根据载荷的大小、方向和性质选择轴承。

1）载荷大小一般情况下，滚子轴承由于是线接触，承载能力大，适于承受较大载荷；球轴承由于是点接触，承载能力小，适用于轻、中等载荷。各种轴承载荷能力一般以额定载荷比表示。

2）载荷方向纯径向力作用，宜选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承，也可考虑选用调心轴承。纯轴向载荷作用，选用推力球轴承或推力滚子轴承。径向载荷和轴向载荷联合作用时，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，这两种轴承随接触角。增大承受轴向载荷能力提高。若径向载荷较大而轴向载荷较小时，也可选用深沟球轴承和内、外圈都有挡边的圆柱滚子轴承。若轴向载荷较大而径向载荷较小时，可选用推力角接触球轴承、推力圆锥滚子轴承。

3）载荷性质有冲击载荷时，宜选用滚子轴承。

(2)允许转速：一般摩擦力矩小、发热量小的轴承高速性能好。球轴承比滚子轴承有较高的极限转速，故高速时应优先考虑选用球轴承。径向载荷小时，选用深沟球轴承:径向载荷大时，选用圆柱滚子轴承。对联合载荷，载荷小时，选用角接触球轴承；载荷大时，选用圆锥滚子轴承或圆柱滚子轴承与角接触球轴承组合。在相同内径时，外径越小，滚动体越轻越小，运转时滚动体作用在外圈上的离心力也越小，因此更适于较高转速下工作。在一定条件下，工作转速较高时，宜选用直径系列为8，9，0，1的轴承。保持架的材料与结构对轴承转速影响很大。实体保持架比冲压保持架允许的转速高。高速重载的轴承需验算其极限转速。

(3)刚性：轴承承受负荷时，轴承套圈和滚动体接触处就会产生弹性变形，变形量与载荷成比例，其比值决定轴承刚性的大小。一般可通过轴承的预紧来提高轴承的刚性；此外，在轴承支承设计中，考虑轴承的组合和排列方式也可改善轴承的支承刚度。

(4)调心性能和安装误差：轴承装入工作位置后，往往由于制造误差造成安装和定位不良。此时常因轴产生捞度和热膨胀等原因，使轴承承受过大的载荷，引起早期的损坏。自动调心轴承可自行克服由安装误差引起的缺陷，因而是适合此类用途的轴承。

(5)安装和拆卸：对于轴承使用寿命一般都难以等同主机使用寿命，在实际使用中轴承作为易损件要经常装拆。因此，在选用轴承结构类型时应要求装拆方便。可分离型的角接触球轴承、圆柱滚子轴承。圆锥滚子轴承、推力轴承和内圈为锥孔、带紧定套或退卸套的调心滚子轴承、调心球轴承等均具有装拆方便性能。

(6)市场性：即使是列入产品目录的轴承，市场上不一定有销售；反之，未列入产品目录的轴承有的却大量生产。3.3弹簧设计及强度计算3.3.1弹簧设计在抓取瓶盖及旋紧的过程中，起缓冲作用，避免硬性冲击对瓶盖造成损坏。根据企业提供的数据及要求，弹簧的技术要求是P1=70.32N,P2=158.22N,有效圈数n=3.5，总圈数n1=5.5,压并5次不得产生残余变形。因此弹簧最终结构布局如图3-2所示。图3-2弹簧3.3.2弹簧刚度计算选取弹簧时，要考虑弹簧的刚度、承载能力和疲劳等问题。计算弹簧钢丝直径根据弹簧所受载荷特性要求，材料选取60Si2Mn。许用应力查得切变模量，。当其它条件相同时，c值愈小的弹簧，刚度愈大，亦即弹簧愈硬；反之则愈软。还应注意到，c值愈小，弹簧内、外侧的应力差愈悬殊，卷制愈难，材料利用率也就愈低，并且在工作时将引起较大的扭应力。所以在设计弹簧时，一般规定c≥4，且当弹簧丝直径d越小时，c值越宜取大值。初步选取旋绕比。N(3-1)曲度系数mm(3-2)选取d=10mm。计算弹簧中径D=cd=108=80mm(3-3)取系列值D=80mm。计算弹簧圈数和节距对于压缩弹簧和无预应力拉伸弹簧(3-4)式中——n为有效圈数为弹簧的最大变形量取n=5圈，取弹簧的总圈数为：弹簧的节距：(3-5)(4)求解弹簧的间距和螺旋角弹簧的间距：(3-6)弹簧螺旋角：(3-7)(5)弹簧刚度计算公式为：(3-8)(6)弹簧验算1）弹簧疲劳强度验算取所以有：(3-9)由弹簧材料内部产生的最大最小循环切应力：(3-10)可得：疲劳强度安全系数计算值及强度条件可按下式计算：(3-11)式中：——弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限——弹簧疲劳强度的设计安全系数,取按上式可得：所以此弹簧满足疲劳强度的要求。2）弹簧静应力强度验算静应力强度安全系数计算值及强度条件为：式中——弹簧材料的剪切屈服极限，——静应力强度的设计安全系数，所以得：=1.3(3-12)所以弹簧满足静应力强度。所以此弹簧满足要求3.4磁力扭矩限制机构设计及计算3.4.1磁力扭矩限制机构设计旋盖机是饮料灌装过程中旋紧瓶盖的专用设备,工作时必须保证适宜的旋紧力矩。力矩过小，瓶盖旋不紧，力矩过大,易损坏瓶嘴和瓶盖。而旋盖头则是旋盖机的关键部件，直接影响作业效率和封口质量，所以本次设计的重点就放在旋盖头的磁力扭矩限制结构的设计。旋盖器工作时力矩由电机输出,通过皮带传动，传给主动磁力旋盘,被动磁力旋盘通过轴承与主动磁力旋盘之间可相对转动，二者间轴向隔距可调，在二者相对的端面上均匀地镶嵌有16块小永磁体（见图3-3）。这些永磁体按极性相反相间分布。旋嘴与被动磁力旋盘5相联结，用来卡紧瓶盖。因此主动磁力旋盘3与被动磁力旋盘5构成一磁力传动器，在磁力作用下，被动磁力旋盘和旋嘴获得力矩，将由旋嘴夹住的瓶盖旋紧。本旋盖头最显著的特点是能根据不同种类、尺寸的瓶盖方便地设定和调整旋紧力矩，即通过主动磁力旋盘3和传动轴2上的螺纹及定位螺钉，调整主动磁力旋盘3和被动磁力旋盘5之间的间隙，即调整了磁力传动器间的气隙长度，因而磁力传动器所能传递的极限扭力矩得到了调整。当瓶盖已旋紧，而主动磁力旋盘仍在回转，致使输入扭力矩超过磁力传动器所能传递的最大扭力矩时，主动磁力旋盘3与被动磁力旋盘5产生滑脱，前者可以继续回转，而后者则与瓶盖一起静止不转，而旋盖头给瓶盖施加的旋紧力矩即为磁力传动器所能传递的极限力矩，并不会因传动输入轴2和主动磁力旋盘3的继续回转而增加旋紧力矩，不会因此而损坏瓶嘴、瓶盖和旋盖头。设计图如下：1-盖2-扭力传动轴3-主动磁力旋盘4-永磁体5-被动磁力旋盘图3-3旋盖机旋盖头结构图3.4.2磁力机构设计旋盖机是灌装过程中旋紧瓶盖的专用设备，工作时必须保证适宜的旋转力矩。力矩过小，旋盖旋不紧；力矩过大，易损坏瓶嘴和瓶盖。所以关于旋盖机的设计计算，工作的重点应该是旋盖头的设计计算。旋盖头磁力耦合传动的设计这里的磁力耦合传动属平面轴向磁力耦合传动，其设计包括两方面的内容：磁路型式、磁性材料的选择，磁力耦合系统力学性能的计算。磁路型式采用磁体极性呈偶数交错排列的拉推式组合型磁路，实践经验表明，磁极数按12至24的偶数布置时，传递的力矩较大。目前，高性能稀土永磁材料的开发和应用得到了很大发展，如钕铁硼、钐钴等材料磁性能都非常高，较宜制作磁力耦合机械，能实现磁性材料用量少、磁力耦合机械体积小、重量轻、能传递力矩大等目的。当要求传递的力矩不大时，也可采用性能价格比较优的铁氧体永磁。平面轴向磁力耦合传动的传递力矩M可用下式描述：(3-13)式中，——主动、被动磁力旋盘上全部永磁体的体积Vm——永磁体平均轴向高度，m;——主动磁力旋盘上永磁体轴向截面积之和，——气隙长度，即主动、被动磁力旋盘间的轴向隔距，m；——永磁体分布的平均半径，m；——永磁体剩磁，T；、——分别为主动、被动磁力旋盘间产生相对转动时的漏磁系数和磁阻系数；——磁常数，μ0=4π×——主动、被动磁力旋盘的相对转角rad。上式可作为设计此磁力耦合系统各参数的依据。显然，增大磁体体积Vm、磁体平均回转半径r，减小气隙长度Lg有利于提高传递力矩M。当Vm、r、Lm一定时，调节气隙Lg，即可改变传递的力矩M。因此，通过改变主动磁力旋盘和被动磁力旋盘间的隔距，即可调整最大旋紧力矩。表明，当此磁力耦合系统的尺寸（即Vm、Am、Lm、Lg）一定时，传递力矩M是φ的函数，为此设m=Lm/Lg，并令∂M/∂φ=0，可解得Pcos式中：P=K对于小气隙磁路，忽略漏磁的影响（即令Kf/Kr=1图3-3所示旋盖头之磁力传动器中，主动、被动磁力旋盘上分别均布有16块（极性交错排列）小磁体（进口铁氧体），Br＝0.43T，Am=8.04×10-4m2，表3-1不同Lg时的cosφ与最大传递力矩M值Lg/m0.00200.00250.00300.00350.0040Cosφ0.65650.67770.69370.70630.7165M/Nm计算值0.81830.68410.58190.50170.4375

第4章旋盖头安装及维护4.1旋盖头的安装旋盖头在安装前，应该认真阅读说明书，检查各个零部件是否符合要求，如密封件的老化、损坏等要及时更换零件，做好充分的安装准备。安装前先仔细阅读装配图，了解各部分的装配关系，首先要安顶杆的部分，依次安装轴、轴承等零件，最后把左右端盖安装上，要注意毡圈的密封，且在套筒内注意密封问题，不要造成泄漏。在安装时进行调试，保证各个工位执行的协调性，保证旋盖头运转灵活。4.2维护保养旋盖头维护和检修的目的是了旋盖头的全面情况，并以修理和更换损坏、磨损的零部件的方法提旋盖头的工作效率。有日常维护和定期检查。(1)日常维护日常维护内容就是工作结束之后，应做好清洁工作，将残留在机器上的污物清理干净，定期清洗。(2)定期检查应每星期检查一次各部的润滑情况，如有故障应及时排除。需要经常洗的零件应定时拆下来进行解体清洗。

第5章结论本设计提供了一种实现饮料灌装过程中旋紧瓶盖的专用设备。这种旋盖头有封口螺套、顶杆、磁钢、上盖、旋转套、芯轴导套等组成。封口螺套实现瓶盖的拧紧，磁钢用来调节扭矩，调节力的大小。根据不同尺寸的瓶盖要求，工作时必须保证适宜的旋转力矩，力矩过小，瓶盖旋不紧；力矩过大，易损坏瓶嘴和瓶盖。顶杆用来分离瓶盖与封口螺套。为此我们在廊坊百冠公司学习基础上，设计了一种利用磁力传动器传递扭力矩实现瓶盖旋紧的旋盖头，能根据需要方便的设定、调整旋紧力矩的大小，并能保护瓶嘴和旋盖头。完成密封。

致谢本次毕业设计完成之际，首先，我要感谢我此次毕业设计的校内指导老师马兰老师和企业实习王海东老师以及机电学院的全体教师，在我四年的学习中，他们以渊博的学识、孜孜不倦的教诲和兢兢业业的爱岗精神以及伟大的人格魅力对我的培育和影响。其次，我要感谢学校给我们创造的良好的设计环境和对我们的无尽的关怀。在这次毕业设计的过程中，我很难想象，如果没有指导老师的帮助，没有同学的鼓励，我是否能顺利的完成自己的毕业设计。在此，再次向帮助过我的老师和同学表示感谢！在毕业设计的选题阶段，感谢马兰老师、刘立伟老师、廊坊百冠包装机械有限公司王海东老师和百冠校企合作负责人魏老师的指导和详细的讲解，学习时间虽然很短，但我从中受到了很大的启发，受益匪浅。你们工作态度负责，很乐意把你们的工作经验与心得传授给我。我深刻的体会到你们的高尚风貌、刻苦的工作作风、精湛的技艺、崇高的敬业精神、博大的待人情怀。你们的每一份友好鼓励、每一个善意的微笑、每一次细心的指导、都让我感动万分。老师平日里工作繁多，但我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。这几个月以来，马老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，在此谨向马老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。皇天不负有心人，完善了这种设计结构完成了图纸的设计，但是设计完还是存在加工安装方面的问题，老师说要多看一些工艺图纸的设计，减少常规方面的错误。经过不断地努力和研究，最终完成三维图纸进入到二维图纸的进程。这次的毕业设计,对于培养我们理论联系实际的设计思想;训练综合运用机械设计和有关先修课程的理论,结合生产实际反系和解决工程实际问题的能力;巩固、加深和扩展有关机械设计方面的知识等方面有重要的作用。感谢马老师和王老师对我的耐心指导，让我在完成课题的进度上有了新进展，完成我的本科毕业设计。最后，衷心地感谢在百忙之中评阅毕业设计和参加答辩的各位专家、教授，并向在我十六年的求学路上遇到过的所有老师表示衷心的感谢，没有你们的付出，就没有我的今天。参考文献[1]胡振中皮带上盖理盖机[p]中国专利CN200720047249.3

2003-5-4

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