不干胶贴标机设计论文本科论文.docx
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不干胶贴标机设计论文本科论文
济南大学毕业设计
1前言
1.1贴标机的应用现状和发展趋势
1.1.1贴标机的应用现状
在国内,国产贴标机的生产企业在相互竞争的同时,也形成了与国外贴标机生产
企业竞争的态势。
在竞争中提高,在竞争中发展,在竞争中创新,在创新中壮大,逐
步完成了质的飞跃。
贴标机是自动瓶装生产线的主要设备之一,适用于制药、食品、化工等行业的玻璃瓶、塑料瓶或类似物体的贴标,能完成自动分瓶、送示带、分离标
签、贴标和自动打印批号等功能。
1]。
在国际上,18世纪出现了简单的手动贴标工具,到现在已有2百年的历史。
工
业革命推动了工业技术的进步,各行各业的竞争使人们对商品的包装、装潢提出了更
高的要求。
从早期的贴单一标逐步发展到双标、环身标、肩标、颈标,挂标,以及其它能够增加商品美感的装潢形式,原来简单手动贴标形式已远不能满足生产的需要,
一些功能齐全、产量高、自动化程度高的贴标机便问世了,并且飞速发展
[2]。
贴标机具有以下特点[3]:
(l)一般结构复杂,运动速度快,动作精度高。
为满足性能要求,对零件的刚度要求和表面质量等都有较高的要求。
(2)用于食品和药品的包装机要便于清洗,与食品和药品接触的部位要用不锈钢或经化学处理的无毒材料制成。
(3)进行包装作业时的工艺力一般都较小。
(4)一般都采用无级变速装置,以便灵活调整速度、调节生产能力。
(5)特殊类型的专业机械,种类多,生产数量有限。
1.1.2贴标机的发展趋势
随着各种贴标技术的深入发展,贴标机正向着以下几个发展方向[4]:
(l)高生产率、高可靠性、高精度、好的柔性和灵活性,并且注重成套性和配套
性;
(2)自动化程度也是不断提高,过去的手工半手工的复杂作业,己被半自动或自动的贴标机所取代,且逐渐向控制智能化的方向发展;
(3)先进的机电技术和新元件被综合应用于贴标机中,并通过采用先进的设计法提高产品设计质量,缩短制造周期。
1
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1.2不干胶贴标机的分类
贴标机的分类方法多样:
(1)按自动化程度,贴标机可分为半自动贴标机和全自
动贴标机;
(2)按容器的运行方向可分为立式贴标机和卧式贴标机;(3)按标签的种
类可分为片式标签贴标机、卷筒状标签贴标机、热粘性标签贴标机和感压性标签贴标
机,收缩筒形标签贴标机;(4)按容器的运动形式可分为直通式贴标机和转盘式贴标
机(5);按贴标机结构可分为龙门式贴标机、真空转鼓式贴标机、多标盒转鼓贴标机、
拨杆贴标机、旋转形贴标机;(6)按贴标工艺特征可分为压式贴标机、滚压式贴标机、
[6]
1.3本课题研究内容及意义
1.3.1研究内容
本课题主要研究一种用于多功能药品瓶装生产线上的立式不干胶自动贴标机,具体研究贴标机的工作原理,并根据工作原理设计出贴标机的各部分装置从而绘制出总装配图,完成设计任务。
1.3.2研究意义
贴标机可适用于食品、医药等多个行业,并且是不可缺少的一种包装机械,是药品包装生产线的一个关键机器,其生产效率的高低和贴标质量的好坏直接关系着公司的生产效益,所以设计一台高效优质的贴标机是一个很必要的任务。
贴标机是一个药品生产线中结构比较复杂的一种机器,设计这种机器要求我们掌握扎实的专业基础知识,并需考虑许多非机械类的相关知识,所以能让我们间接的学到更多的东西,积累一些机械设计经验[8]。
2
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2系统总体方案设计
2.1系统功能分析
2.1.1本贴标机的设计参数
在药品瓶装生产线的最后实现用不干胶标签对圆柱形药瓶进行贴标。
设计参数如
下:
(1)适用范围:
适用于圆形瓶子;
(2)瓶子规格:
直径:
Φ20—Φ100mm;高度:
45—150mm;
(3)生产能力:
60—140瓶/分钟。
2.1.2设计的贴标机需满足以下功能要求
(1)可将不干胶标签可靠地贴在药瓶的上表面
要完成这一功能,系统必须实现以下操作:
对被贴标件瓶子的运送和准确定位,
贴标材料不干胶标签的精确进给,标签从标签纸带上的剥离,标签被牢固地贴在瓶子上,以及在贴标完成后,成品能被顺利取出。
(2)全自动的连续贴标
贴标过程中的各项操作,均为自动执行,无需人工干预,并可通过控制系统完成对各操作动作的协调控制和连续执行。
(3)具有紧凑的机械结构
贴标机结构要既简单又合理,各部分装置之间要协调有序,使所设计的贴标机结
构紧凑,所占空间位置小,使用方便[9]。
2.2不干胶贴标机的系统设计
2.2.1工艺分析
选择和拟定工艺过程是贴标机设计第一阶段的任务,是贴标机设计的基础。
工艺过程方案是否合理和先进,将直接影响所研制的贴标机结构、外形尺寸、机构的运动
方式和贴标质量。
下面对所研制的贴标机的具体工艺进行分析。
本贴标机为全自动贴标机,其贴标
3
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运动是间歇运动,在贴标过程中瓶子在水平方向运动。
不干胶贴标机的工艺流程如图2.1所示:
药瓶
带传动
分瓶轮
光电传感器1
底纸贴标签标带剥离光电传感器2标带传
压标板
光电传感器
3
完成一次贴标
图2.1不干胶贴标机的工艺流程
1)输送装置:
分瓶轮;
2)传动装置:
带传动;
3)控制装置:
步进电机;
4)检测装置:
光电传感器;
5)动力装置:
伺服电机。
本贴标机为多工位贴标机,其贴标运动是间歇运动,工艺路线为阶梯型,即在贴标过程中兼有竖直和水平两个方向的运动,采用“刷贴法”完成贴标动作。
根据系统
功能需求可将整个贴标过程分为以下五道工序:
1)药瓶定位;2)送标;3)贴标签;4)抚压标签;5)成品取出。
在确定了贴标工序后,制定了该贴标机的贴标原理如2.1所示,确定工位数。
在贴标工位设置时,主要考虑如何减少工作行程和空程时间,提高生产率,简化传动装置,使得贴标机的整体结构紧凑。
2.2.2不干胶贴标机的原理
不干胶贴标机的原理图如图2.2所示,所用标签背面图了立即粘合的粘合剂,但是被纸带保护着。
其原理如下:
带贴合剂的标签2,事先粘合在纸带上。
贴标前通过分离器4,使标签与纸带分离,在牵引辊的作用下,粘到药瓶的表面上。
4
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1—药瓶2—标签3—标签粘合剂4—分离器5—纸带
[10]
图2.2贴标机贴标原理图
贴标机的一次工作过程:
1)瓶子有输送带从左向右移动;
2)标签进给,在标签前端剥离出一段,由贴标装置将其前端固定在瓶子上;
3)贴标机构完成贴标后,标签继续进给,瓶子和标签以基本相同的线速度运动,
同时途中抚压装置将标签抚平、压实,纸带的底纸卷纸盘卷回;
4)瓶子和标签贴合成功后,由输送带送到全自动包装生产线的下一个流程。
2.2.3贴标机总体结构设计
根据上节分析的贴标机的功能、工序以及贴标的工艺流程,可以确定贴标机的结构。
将贴标机分为几个子部分,各子部分分别完成各自的功能,并协调工作,实现贴
标机功能[11]。
(1)总体结构概述
贴标机作为自动工作机中的一个特定的类型,它具有一般自动工作机的基本共性,在结构上包括驱动元件、工作机构、传动机构和控制装置系统四大部分。
本论文主要是设计自动贴标记实现功能的机械部分。
主要包括标签的传送和回收机构,贴标机构,压标机构。
如图2.3所示的贴标机组成方块图,瓶子输送装置、标签输送装置、贴标机构、
压标机构都是工作机构,工作机构是直接地或是借助工具对加工对象实施作用,以改变加工对象的位置、状态、性质、尺寸和形状的专门机构。
按自动工作机中工作机构所完成的工作职能的性质区分,工作机构又可划分为工艺操作机构和辅助操作机构
[12]。
图2.2中所示的这几个工作机构都是要完成对瓶子贴标而使用的专门机构,其中辅助操作机构包括瓶子输送装置、贴标材料输送和回收装置,工艺操作机构包括贴标机构和抚压机构。
5
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图2.3贴标机组成方块图
本贴标机中药瓶输送装置驱动元件选用的是伺服电机,为工作机提供运动的动力的。
分瓶机构和标签输送装置选用的是步进电机,能自锁定位可靠。
传动机构是用于将动力和运动从驱动元件传递给工作机构。
传动机构的功能是调节运动速度或变换运动形式(旋转运动变为摆动或移动,连续运动变为周期脉动等)。
由于本贴标机使用的是伺服电机,本级的主要载荷均为轻载,主要为直线运动特性使
得在贴标机的机械结构中省去了许多传动机构,因而把传动装置归入到各工作机构中。
工作机构中的工艺操作和辅助操作可以由机器自动完成、也可以在操作者参与下由机器来完成。
在过去,贴标工艺常常就需要操作者的参与,因而工作效率较低,本贴标机则是一种完全自动工作的工作机。
因而本贴标机具有以下特征:
工艺操作和辅助操作,即瓶子的输送、标签的输送、贴标、标签的抚压以及成品的取出,全由贴标机各组成装置自动完成,贴标机按设定的工艺过程顺序自动地进行工作。
(2)贴标机各组成部分的功能分析和基本方案:
1)药瓶输送装置
药瓶输送装置是将药瓶按图2.4中所示的药瓶的运动路线进行输送,准确运送到
贴标处,贴标完成后,再将药瓶安全输出。
基本方案:
采用由同步齿形带传动组成的带式输送机,并由伺服电机驱动。
2)标签控制装置
主要有步进电机和光电传感器两部分组成。
基本方案:
步进电机控制标签的传送,光电传感器分别对药瓶、标签和是否被贴
6
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标进行检测。
3)标签供给和输送装置
标签供给装置选用圆柱容器用卷盘式标签供给装置
基本方案:
步进电机控制标签是否供给,同时光电传感器控制完成标签是否到指
定位置的检测。
标签输送装置是用于完成对卷筒标签的输送,它通过牵引导辊牵引标签纸带,使标签被输送至指定位置,标签在移动中能自动从标签纸带上剥离,而贴标后的标签纸
带则要求被回收。
基本方案:
通过标签卷的支承轴、纸带牵引轮、标签输送的定位机构、标签的自动剥离杆以及标签纸带的回收轮来完成整个送标动作,必要时添加导向辊。
4)压标贴和装置
压标贴和装置是贴标机的工艺操作机构,它的主要功能是:
将标签的剥离出的前
缘固定在药瓶上,然后将标签均匀平整的压贴到药瓶上。
基本方案:
采用擦贴法,利用滚贴带和滚贴板。
5)标签剥离装置
使标签在输送过程中,克服不干胶标签和标签纸带之间粘附力,完成标签自动剥
离。
基本方案:
采用剥离杆来实现此动作。
(3)贴标机完成贴标动作的工作原理
瓶子由理瓶机进入贴标机传输带后,经过分瓶轮后间隔适当的距离。
当瓶子经过测物
电眼时,电眼发出信号,信号经过处理后,在瓶子到达与标签位置向切时,步进电动
机启动,同时打印机工作,在标签上打印日期。
当标带经过剥离板时标签由于惯性继
续向前运动,与底纸分离,顺势与输送到位的瓶子粘贴,进入滚贴装置进行滚压,贴
到容器瓶上。
另外一个测物电眼检测到一个标签完全经过时,发出步进电动机停转信
号,完成不干胶贴标机的一个贴标工作过程。
贴标机总体结构如图2.4所示,其总体
部件名称及功能如表2.5所示。
7
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1—输送带
2—进瓶轮
3—标带回收卷盘4
—贴标高度调节螺5—标带收回主结构
6—张力导辊
7—标签卷盘8
—光电传感器
2
9
—密封油墨座10—编码器11—
印字轮
12
—橡胶轮13—张紧轮14—步进电机
15—标签导向柱
16—标签剥离板
17—压标板
18
—伺服电机
19
—光电传感器320—光电传感器1
图2.4
贴标机总体结构图
序号
名
称
功
能
1
输送带
运送贴签的瓶子
2
伺服电机
动力装置
3
进瓶轮
使药瓶传送时保持适当的距离
4
标带回收卷盘
将贴标后的标签纸带回收好
5
贴标高度调节螺
针对型号不同的药瓶,调节药瓶贴标的高度
杆
6
张力导辊
用来牵引标签纸带,将标签移动指定的距离
7
标签卷盘
用于支撑标签卷,使标签卷保持在一定的牵引力的作用范
围内可以松展成带
8
标带收回主结构
保证标带的回收的精度
9光电传感器2检测标签是否过来
10
编码器
控制贴标机各个装置
11
密封油墨座
固定油墨装置
8
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12
印字轮
主要用于对标签进行生产批号的打印,
,此装置可以为外构
件,并能实现各种色彩的打印。
13
橡胶轮
把标签均匀的展开,方便打印日期
14
张紧轮
保证标签顺利传动
15
步进电机
驱动装置,并控制标签的传送
16光电传感器1检测药瓶是否过来
17压签板压紧瓶子与标签的粘接。
18光电传感器3检测药瓶是否被贴标
19
使标签在输送过程中,克服不干胶标签和标签纸带之间粘
剥离杆
附力,完成标签自动剥离。
20
完成送标的同时,和标带收回主结构
8将标签纸带以卷筒
标签导向柱
的形式回收来。
表2.5部件名称及功能
9
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3工作机构的选择和设计
3.1药瓶输送装置的运动分析
3.1.1药瓶输送装置的功能和运动要求
瓶子输送装置要求可完成对瓶子的输送和停位,并能和贴标机的其他机构协调动
作完成贴标功能。
因此它必须满足以下功能和运动要求[13]:
1)可进行多种型号瓶子的输送。
2)按工艺路线图2.1中所示的运动路线输送瓶子,瓶子可完成水平方向行程约为
1460mm的运动。
3)要求瓶子输送装置运动平稳,具有一定的定位精度和较高的位置重复精度,若定位误差较大,则会使标签不能贴在瓶子上或是不能贴在指定位置,影响贴标质量,
而定位重复精度低,则会导致贴标质量的不稳定
4)瓶子输送装置的速度要求调节方便,在标签前缘固定在瓶子,瓶子与标签的要以相同的线速度运动,因而要求可以方便地调节瓶子输送装置的运动速度,使之可以和标签输送装置协调动作。
3.1.2药瓶输送装置应解决的问题
通过以上分析,在瓶子输送装置设计时需要解决的主要有三个问题:
1)设计一种结构简单,成本低的输送装置,完成对瓶子的运送。
2)设计瓶子的限位机构,确保瓶子的输送精度。
3)实现输送装置在贴标过程中的多工位停位控制。
4)药瓶由传动系统驱动将输送装置送来的瓶子经过分瓶轮,分瓶轮在步进电机的带动下滚动,同时被药瓶被分开。
3.2药瓶输送装置的结构设计
由于贴标机属于轻型机械,药瓶的重量不是很大,所以可选用轻型输送机,而同步带传动最适合被用做轻型输送机,故药瓶输送装置可采用同步带传动机构,同步带
[14]
传动具有准确性高,适合低速传动的优点。
10
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图3.1药瓶输送装置
3.2.1电动机的选择
已知:
瓶子的最大直径为100mm,即d=100mm,高度是150mm,即h=150mm生.产能力最大为T=140瓶/分钟,假设瓶子之间的间隔为h0=350mm,每个瓶子的装满药后的最大重量是m=400g,输送机的最大行程为l=1460mm。
由上述条件,可得:
输送带的线速度v
v=T×h0(3.1)
将数据代入式3.1得,v=350×140=49000mm/min=0.81m/s输送带上最多能放瓶子的个数k
k=l/d
(3.2)
将数据代入式3.2
得,v=1460/100
14瓶
则带的有效圆周拉力Fe
Fe>F=v×m×g
(3.3)
将数据代入式3.3
得,Fe>F=14×0.4×9.8N=54.88N
则输送带传递的功率Pw
pw
Fv
(3.4)
w
将数据代入式3.4
得Pw=54.88
×0.81/0.98W=45.36W
因电机还要克服带轮与带之间的摩擦力以及带的重力等,故可选功率稍大的电
机,另外由于生产能力需变化,所以可选调速范围大的伺服电机,故初选电机型号为型号为70SL5C2,额定输出功率为160W,f=50HZ励磁电压为110V,堵转转矩为1800Nmm堵转励磁电流为0.6A,堵转控制电流为0.6A,空转转速最大为1000r/min,重量为1600g.
11
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3.2.2同步带传动设计计算
已知电机的功率为P=160W,转速n=110r/min,工作每天8小时工作制。
计算如下[13]:
(1)确定计算功率Pc
根据已知工作条件查手册[7]得,工作情况系数KA=1.2,故
Pc=KAP(3.5)
将数据代入式3.5得,Pc=1.2×160W=192W
(2)确定同步带的模数m
根据Pc=192W和n=110r/min,查手册[7]得,m=4mm
(3)初设带轮的齿数z=35
(4)确定带轮节圆直径d
d=mz(3.6)
将数据代入式3.6得,d=4×35mm=140mm
(5)校核带速v
v
dn
(3.7)
1000
60
将数据代入式3.7得,v=0.81m/s
与式(3.1)相比,显然带速正好能符合生产能力的要求,且能正常实现。
即带速符合要求。
(6)中心距设定为a=1460mm
(7)计算带轮的啮合齿数Zm
Zm
1
(3.8)
z
2
将数据代入式3.8得,Zm=(1/2)×35=17.5
圆整后,Zm=17
(8)确定带宽bs
因为瓶子的最大直径d=100mm,所以根据手册可选标准带宽为bs=120mm
(9)同步带轮结构尺寸设计及相关参数的确定根据手册[7]确定
齿形角
40
节距p=m=12.56mm
顶圆直径da=d-2
=138mm
da
12.38mm
顶圆齿距Pa
z
齿侧间隙j=0.8mm
径向间隙c=1.1mm
顶圆齿槽宽easf
j
6055
mm
齿槽深h=h’+c=3.5mm
根圆直径df
da
2h
131mm
根圆齿槽宽efsa
4mm
12
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齿根圆角半径rf0.4mm齿顶圆角半径ra0.6mm
带轮宽度B=124mm
3.2.3轴的设计与计算
已知电机输出功率P=160w,输出转速n=110r/min
计算如下[8]:
(1)求出轴上的功率P1、转速n1和转矩T分别为:
P=P
01
(3.9)
1
将数据代入式3.9得,P1=0.16KW×0.97=0.135KW
又n1=n=110r/min
T=9.55×106P1
(3.10)
n1
将数据代入式
3.10得,T=9.55×
10
6×
0.135
×
3
N
·
mm
=11.72
10
110
其中:
P—电动机输出功率;
P1—轴传递的功率,单位为KW;
n—电机的输出转速;
n1—轴的转速;
T—所受的扭矩,单位为N·mm;
01——电动机与轴间的传动效率[8],取01=0.97;
(2)选择轴的材料,确定许用应力
已知该传动的功率属于中小功率,对材料无特殊要求,故选45钢并经调质处理。
由手册查的b=600Mpa,再由手册查得许用弯曲应力[1]=60Mpa。
(3)按扭转强度估算轴径
由手册[7]查得C=103~126,根据公式
3
dmC3
p1
(103~126)0.135mm11.1~13.5mm
(3.11)
n1
110
考虑到轴的最小直径处要安装联轴器,会有键槽存在,故将估算直径增大3%~5%,
取为11.7~14.2mm,由设计手册取d1=14mm
(4)设计轴的结构并绘制结构草图
13
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图3.2轴
由于设计的是单级减速器,可将带轮布置在箱体内部中央。
根据轴向定位的要
求,确定轴的各段直径和长度
1)确定轴上零件的位置和固定方式
要确定轴的结构形状,必须先确定轴上零件的装配顺序和固定方式。
2)根据轴结构的设计原则,依次确定出各轴段的直径,如下:
d1=14mmd2=25mmd3=30mmd4=12mm
3)确定各轴段的长度
l145mml235mml3120mml435mm
4)因为传动轴工作中只承受径向力,所以在轴段2和轴段4上选用安装深沟球轴承。
轴承型号为6205。
5)轴上零件的周向定位
轴段1需和联轴器配合,轴段3需和带轮配合,且均采用键连接。
通过查
手册[9],轴段1处选择普通平键A型5×16。
轴段3处选择普通平键A型8×90。
(5)求轴上的载荷带轮上的切向力Ft
Ft=2T/d
(3.12)
将数据代入式3.12得,Ft=211.721000751.3N30
带轮对轴的重力F
F=mg
(3.13)
将数据代入3.13得,F=200N
则两轴承的支撑反力分别为:
Fv1=Fv2=F/2=100N
Fh1=Fh2=Ft/2=375.65N
(6)按当量弯矩校核轴强度
1)作垂直面和水平面受力图和弯矩图
则C处,Mcvl
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