醫(yī)用瓶蓋沖塞機的設計與研究【畢業(yè)設計】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　醫(yī)用瓶蓋沖塞機的設計與研究</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 機械設計制造及自動化 </p>

2、<p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著人們生

3、活水平的不斷提高，對醫(yī)藥用品的質量和用量的要求也不斷地提高。這種趨勢必定會對相應的醫(yī)藥包裝機械的性能會有更高的要求。作為包裝機械這個大類的一種，我國的醫(yī)藥包裝設備與世界先進水平還是有一段不小的差距，主要體現(xiàn)在自動化程度低、加工速度慢、可靠性差、設備柔性和靈活性不足等方面。雖然目前國內仍在大量生產(chǎn)這類機械產(chǎn)品，但是大部分都在低水平地重復生產(chǎn)，成品設備結構簡單，科技含量低。鑒于此，我們研發(fā)一種新的具有雙排進蓋機制的醫(yī)用瓶蓋沖塞機，該設備具有

4、高自動化和高速進蓋的優(yōu)點。本文主要針對機械部件結構進行了研究。在介紹機械包裝發(fā)展現(xiàn)狀及本設計的背景和意義的基礎上，對理蓋機構、瓶蓋傳送機構、墊片材料傳送機構、沖裁機構和塞紙機構做了詳細的設計說明。</p><p>　　關鍵詞：瓶蓋沖塞機，機械結構，設計，進蓋，沖裁</p><p>　　Design and research of cap punching and filling in me

5、dicine</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the development of our living standard，, the requirement in terms of quantity and quality of medical supplies is getting high rapidly. T

6、his tendency will ask the medical package equipments to have higher performance. As one of the package equipments, medical package equipments of our country are unenlightened compared with the advanced level in the world

7、. It shown in low automation，low process speed， bad reliability, lacking of flexibility and so on. Most of them are still being manufacture</p><p>　　Keywords: cap punching and filling machine, mechanical str

8、ucture, design, cap introduction, punching</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b><

9、/p><p>　　1.1課題的來源1</p><p>　　1.2課題的意義1</p><p>　　1.3包裝機械國內外發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.4課題研究的主要內容5</p><p>　　2 醫(yī)用瓶蓋沖塞機總體設計6</p><p>　　2.1醫(yī)用瓶蓋沖塞機的方案設計6<

10、/p><p><b>　　2.2方案評價7</b></p><p>　　3 醫(yī)用瓶蓋沖塞機的具體設計8</p><p><b>　　3.1理蓋機構8</b></p><p>　　3.1.1 振動上料器基本原理8</p><p>　　3.1.2 瓶蓋定向8</p&g

11、t;<p>　　3.2 瓶蓋傳送機構9</p><p>　　3.2.1 送蓋方案的比較和確定9</p><p>　　3.2.2送紙與送蓋相互配合方案的確定12</p><p>　　3.2.3 送蓋機構的力學計算和控制步進電機的選擇13</p><p>　　3.3 墊片材料傳送機構14</p><p&

12、gt;　　3.3.1 傳送機構設計14</p><p>　　3.3.2 主動軸承強度校核14</p><p>　　3.3.3 從動軸強度校核15</p><p>　　3.3.4 電機的選擇17</p><p>　　3.4沖裁機構17</p><p>　　3.4.1曲柄滑塊機構和偏心輪機構17</p&g

13、t;<p>　　3.4.2沖裁機構設計18</p><p>　　3.5壓入機構22</p><p><b>　　結 論23</b></p><p><b>　　參考文獻24</b></p><p>　　致 謝錯誤!未定義書簽。</p><p><

14、b>　　附錄27</b></p><p>　　附錄圖1 沖塞機裝配圖27</p><p>　　附錄圖2 偏心軸28</p><p>　　附錄圖3 下模29</p><p>　　附錄圖4 傳動板30</p><p>　　附錄圖5 小軸31</p><p>　　附錄圖6

15、 瓶蓋軌道32</p><p>　　附錄圖7 支撐板33</p><p>　　附錄圖8 偏心軸支承套34</p><p>　　附錄圖9 卡輪35</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題的來源</b></p>

16、<p>　　全球的包裝機械需求每年以5．3％的速度增長，2005年達到290億美元。美國擁有最大的包裝設備生產(chǎn)商，其次是日本，其他主要生產(chǎn)商還包括德國、意大利和中國[1][2][3][4]。</p><p>　　而經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國包裝機械行業(yè)和包裝生產(chǎn)已進入調整產(chǎn)品結構、提高開發(fā)能力的新時期。技術升級，產(chǎn)品換代、經(jīng)營管理能力的提高是包裝機械行業(yè)發(fā)展的重要課題。當前，與國外相比，我國機械制造水平的

17、差距主要體現(xiàn)在技術上。</p><p>　　2010年中國自動沖塞機市場發(fā)展迅速，產(chǎn)品產(chǎn)出持續(xù)擴張，國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵自動沖塞機產(chǎn)業(yè)向高技術產(chǎn)品方向發(fā)展，國內企業(yè)新增投資項目投資逐漸增多。投資者對自動沖塞機行業(yè)的關注越來越密切，這使得自動沖塞機行業(yè)的發(fā)展速度加快[5]。</p><p>　　醫(yī)藥包裝設備作為包裝機械的一大門類產(chǎn)品，目前國內年產(chǎn)值約150億元。根據(jù)現(xiàn)在的發(fā)展勢頭，短期內就能突破

18、200億，并滿足國內制藥行業(yè)80％的需求。但是我國醫(yī)藥包裝產(chǎn)值僅占藥品價值的10％，遠低發(fā)達國家的30％，因此具有非常廣闊的發(fā)展空間[6]。國產(chǎn)醫(yī)藥包裝機械存在機械性能落后、控制水平低、功能單一、可擴展性差等諸多不足[7]，性價比遠遠不及國外先進產(chǎn)品。而使用質量較低的國產(chǎn)設備，尤其是使用一些質量未達標的私營企業(yè)的機械設備，其加工質量和衛(wèi)生狀況等難以令人滿意。</p><p>　　因此，研制高生產(chǎn)率、高可靠性的自動

19、化醫(yī)用瓶蓋沖塞機，不但能夠滿足醫(yī)用包裝市場擴大化的需求，而且還能在一定的程度上能提高我國包裝行業(yè)的技術水平。</p><p><b>　　1.2課題的意義</b></p><p>　　當前，與國外相比，我國機械制造水平的差距主要體現(xiàn)在技術上。進行開發(fā)性研究面臨著科研技術力量和實驗室裝備兩方面的限制，而一種新技術若不經(jīng)過科研所的前期開發(fā)是無法直接應用到生產(chǎn)的。中國包裝工

20、業(yè)應該從實際出發(fā)，走引進技術且與自主創(chuàng)新結合的道路，很難完全靠自主創(chuàng)新去發(fā)展。我國的包裝業(yè)是靠著比較優(yōu)勢走上發(fā)展道路的。</p><p>　　本課題研究的目的：設計一種加工速度快，成品率高，可實現(xiàn)自動操作的醫(yī)用瓶蓋沖塞機。在機械結構上提出一種新的雙排進蓋機制，并將紙墊片沖裁和填塞入蓋一次完成，使其加工速度大大提高；在控制上，選擇合適的檢測部件、執(zhí)行部件以及控制芯片，采用適當?shù)目刂品椒ǎ赃_到穩(wěn)定、自動化的目的。&

21、lt;/p><p>　　理論意義：通過對醫(yī)用瓶蓋沖塞機和國內外包裝機械產(chǎn)品的的研究，吸收先進設備中的機電一體化技術，自動控制技術；并對其控制方案、控制器件加以研究，以將先進的控制理論運用到我們的實際研發(fā)中，來促進控制技術的發(fā)展和完善。</p><p>　　實際應用價值：醫(yī)用瓶蓋沖塞機的研制對國內醫(yī)藥包裝技術水平、對實現(xiàn)醫(yī)藥瓶蓋的快速高效沖塞、提高生產(chǎn)率以及合格率有著異乎尋常的意義。醫(yī)用瓶蓋沖塞

22、機新的機構的提出，大大提高了沖塞機的加工速度，具有十分重要的實用價值；該構想可為醫(yī)療衛(wèi)生部門提供符合醫(yī)療衛(wèi)生標準的瓶蓋；還可為國內包裝機械行業(yè)提供在質量和價格上可與國外同行進行強有力競爭的產(chǎn)品[8]。</p><p>　　在包裝行業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，能高速沖塞，穩(wěn)定可靠，基本實現(xiàn)無人操作，價格相對較低的瓶蓋沖塞機，是有很大市場經(jīng)濟潛力的[5]。</p><p>　　1.3包裝機械國內外發(fā)展現(xiàn)

23、狀</p><p>　　全球的包裝機械需求每年以5．3％的速度增長，2005年達到290億美元。美國擁有最大的包裝設備生產(chǎn)商，其次是日本，其他主要生產(chǎn)商還包括德國、意大利和中國。</p><p>　　德國在包裝機械設計、制造、技術性能方面居于領先地位。產(chǎn)品以高速度、高可靠性、高包裝質量、高度自動化、高成套性等方面享譽全球。其設計尤其針對大型企業(yè)量身打造。主要特點體現(xiàn)在工藝流程和自動化程度越

24、來越高、提高生產(chǎn)效率的同時降低生產(chǎn)成本、產(chǎn)品機械和包裝機械一體化、提升產(chǎn)品的柔性和靈活性、普遍使用計算機仿真技術等諸多方面。是世界上最大的包裝機械出口國[1] [2]。</p><p>　　美國是世界上包裝機械發(fā)展歷史較長的國家，已形成獨立完整的包裝機械生產(chǎn)體系，其品種和產(chǎn)量均居世界之首。十多年來，美國始終保持著世界最大包裝機械生產(chǎn)和消費大國的地位，其產(chǎn)品以高、大、精、尖居多，機械與計算機結合，實現(xiàn)機電一體化控制

25、[1] [3]。包裝機械廠商越發(fā)注重快速、成本較低的包裝設備，開發(fā)的設備向小、靈活、多用途、高效率方向發(fā)展。是世界包裝機械產(chǎn)品出口大國之一。</p><p>　　日本的包裝機械以中小型單機為主，具有體積小，精密度高、易安裝、操作方便、自動化程度高等優(yōu)點。日本的包裝機械企業(yè)以中小型企業(yè)為主，而且包裝的產(chǎn)品有51%是食品。市場對食品包裝機械設備需求減少，對藥品包裝機械設備需求增加；對大批量生產(chǎn)設備的需求減少，對小批量

26、多用途生產(chǎn)設備的需求增加[1] [19]。機械產(chǎn)品主要針對國內市場，占包裝機械產(chǎn)品的90%。</p><p>　　意大利作為世界第4大包裝機械生產(chǎn)國、第2大包裝機械出口大國。其包裝機械產(chǎn)品具有如下特點：性能優(yōu)良、外觀考究、價格便宜。其包裝機械多用于食品包裝。目前意包裝行業(yè)正在致力于兩方面發(fā)展：首先是不斷努力發(fā)展簡單易用、維修少、改裝配套容易的的機器；另外，還在不懈發(fā)展更多完善的包裝自動化生產(chǎn)線[1] [20]。&

27、lt;/p><p>　　據(jù)有關方面預計，2005年我國包裝機械產(chǎn)量將增加到67萬臺(套)，到2010年將增至93萬臺(套)。到2005年國內市場食品機械和包裝設備的總需求應為650億元左右，即每年保持12％以上的增長率才能滿足市場需求。同時，這兩個行業(yè)將淘汰部分低產(chǎn)量高能耗的生產(chǎn)設備，爭取使新型高效設備所占比例達到60％。由于中國國產(chǎn)機械的技術和質量還無法滿足要求，對國外此類設備的進口需求將增加 [21]。主要體現(xiàn)在

28、以下幾個方面[22]：</p><p>　　一是缺乏宏觀調控。因為包裝企業(yè)是跨部門的，在統(tǒng)籌規(guī)劃、宏觀調控方面存在問題，在投資和開發(fā)新產(chǎn)品方面往往是一哄而上，一哄而散，造成低水平重復的無序競爭。</p><p>　　二是缺乏資金投入，這是機械行業(yè)的共性，難以吸引大量資金的投入，造成難以進行大量的技術改造和難以開發(fā)新的技術水平高的產(chǎn)品。而企業(yè)也因經(jīng)費的不足，使用于研究和開發(fā)的投資占銷售額水平

29、不到1%，不能做到生產(chǎn)一代，開發(fā)一代，研究一代。由于沒有技術儲備，引進技術、消化吸收工作不力，使企業(yè)新產(chǎn)品少，缺乏競爭力。</p><p>　　三是缺乏專業(yè)技術人員。因包裝機械產(chǎn)業(yè)的利潤不高，難以吸收引進技術優(yōu)秀的人員，以至于造成技術人才隊伍的參差不齊，自主開發(fā)產(chǎn)品和創(chuàng)新能力的薄弱，甚至難以消化國外同類產(chǎn)品，造成產(chǎn)品更新后力不足。使之制約著機械包裝行業(yè)的發(fā)展。</p><p>　　以國內同

30、類型的包裝機械舉例來說，圖l.1是舟山市普陀雙魚藥機包裝廠研制的BCS-120／120I型自動沖塞機。用于制藥、食品、化工等行業(yè)的塑料瓶及玻璃容器，在封口過程中，將盤帶狀鋁箔片，先沖裁成圓片，自動塞入瓶蓋。其生產(chǎn)能力只有40-60個／分鐘，其速度只是國外同樣設備的1／3到1／4。但其功能，可靠性，自動化程度均屬國內相當領先的水平了[23]。</p><p>　　圖1.1 BCS-120／120I型自動沖塞機

31、 圖1.2 PG2000I瓶蓋紙墊自動沖塞機</p><p>　　圖1.2是上海恒誼制藥設備有限公司的PG2000I瓶蓋紙墊自動沖塞機，本機適用于各種塑料瓶、玻璃瓶等容器的瓶蓋紙墊沖塞，本機事先將盤狀的鋁箔帶剪切成適合瓶蓋內徑的圓片，然后自動塞入瓶蓋內，是封口機的配套設備。并具有多重自動保護功能，產(chǎn)品完全符合GMP規(guī)范要求[24]。</p><p>　　1.4課題研究的主

32、要內容</p><p>　　針對醫(yī)用瓶蓋沖塞機的機構開展研究，提出一種新型的雙排式進蓋機制，并且要據(jù)此進行機械設計，要讓沖裁圓鋁箔片和填塞入蓋能幾乎同步完成。研究內容主要有：</p><p>　　1.了解醫(yī)用瓶蓋沖塞機的應用與研究現(xiàn)狀，總結現(xiàn)有系統(tǒng)的優(yōu)點與不足。</p><p>　　2.研究并掌握醫(yī)用瓶蓋沖塞機的機械結構與工作原理。</p><p

33、>　　3.設計出一種新的雙排式進蓋機制，保證鋁箔片沖裁和瓶蓋能在很短時間間隔內按順序完成。要求完成醫(yī)用瓶蓋沖塞機的機械結構設計，繪制各零件圖和整機裝配圖。對關鍵機構進行結構和力學分析，據(jù)此選擇合適的控制電機，使機器工作穩(wěn)定可靠。</p><p>　　2 醫(yī)用瓶蓋沖塞機總體設計</p><p>　　2.1醫(yī)用瓶蓋沖塞機的方案設計</p><p>　　圖2.1 系

34、統(tǒng)整體工作流程圖</p><p>　　整體的工作流程如圖2.1所示，分為5大機構：理蓋機構、瓶蓋傳送機構、墊片材料傳送機構、沖裁機構和塞紙機構。</p><p>　　醫(yī)用瓶蓋沖塞機的工作原理：先由振動料斗理蓋后由雙通道送蓋，再采用雙刀口進行沖裁，同時由沖刀口內的塞桿將墊紙塞入瓶蓋，其中有兩個步進電機控制卡輪的旋轉、兩個步進電機控制送紙。機械部分各個機構的功能如下：</p>&

35、lt;p><b>　　理蓋機構</b></p><p>　　該理蓋機構要將瓶蓋進行整理，使瓶蓋口朝上以便進行下面步驟。該理蓋機構是利用振動和自重等原理使瓶蓋口朝上。在傳送給沖裁機構進行檢測時那些還沒有朝上的瓶蓋將會被傳送回振動料斗中以便再次進行振動處理，而朝上的瓶蓋會被送入瓶蓋傳送機構[11]。</p><p><b>　　瓶蓋傳送機構</b&g

36、t;</p><p>　　該機構的目的是將整理后的瓶蓋傳送到?jīng)_裁機構以進行下一操作。該機構保證了瓶蓋傳輸功能和準確進入沖裁位置，暫停并且接受沖裁機構沖裁下來的紙片。</p><p><b>　　墊片材料傳送機構</b></p><p>　　該機構將墊片材料送入沖裁機構進行沖裁。本設計采用兩個滾筒，一個在沖裁機構的后面牽引，并完成沖裁后墊紙的回收

37、工作，而另一個是提供墊紙。控制兩個滾筒的步進電機采取同步控制，利用滾筒和墊紙之間的摩擦力使墊紙平直并送出。</p><p><b>　　沖裁機構和壓入機構</b></p><p>　　該機構的目的是：當瓶蓋到達加工位置后，將墊片材料裁剪并沖入瓶蓋。該機構的加工效率決定了整個充塞機的加工速度。采用多個沖刀以及同時加工多個瓶蓋可以提高整體的效率，但盲目的增加個數(shù)會出現(xiàn)問題

38、，一旦位置稍有出入就會出現(xiàn)加工不合格的錯誤[12][13]。</p><p>　　壓入機構的目的是將裁減好的墊片壓入到瓶蓋里面，并且要保證瓶蓋翻轉時墊片不會脫落。壓入機構選擇在中空的沖刀內接塞桿，當沖刀運行到最低端時，由它后面的彈簧進行緩沖，同時刀口中的塞桿頂出將墊紙塞入瓶蓋。</p><p><b>　　2.2方案評價</b></p><p>

39、;　　本醫(yī)用瓶蓋沖塞機的設計主要針對目前國內市場上存在的包裝機械技術含量低，自動化程度不夠等狀況。在研究中提出模塊化和柔性方案，醫(yī)用瓶蓋沖塞機的軌道、沖刀、以及卡輪都是可調或可拆卸更換的。以滿足設備對生產(chǎn)不同大小的瓶蓋的要求。設備的通用性越強，就越能滿足更多市場和客戶的要求，因此高度柔性化的醫(yī)用瓶蓋沖塞機具有非常好的市場前景和研究開發(fā)的價值。</p><p>　　3 醫(yī)用瓶蓋沖塞機的具體設計</p>

40、<p><b>　　3.1理蓋機構</b></p><p>　　3.1.1 振動上料器基本原理</p><p>　　圖3.1 振動上料器</p><p>　　振動送料的原理是借助料槽的微小振動使工件依靠慣性力和摩擦力的綜合作用沿料槽斜坡向前向上移動。該上料器屬于振動式上料器，而目前國內普遍使用的是以電磁驅動為動力源。振動上料器的外形

41、如圖3.1所示，機構由具有螺旋料槽的料盤、支承彈簧、電磁振動器、底座以及減振底腳等構件組成。一個料盤由3個或4個板彈簧固定在基座上，當電磁鐵線圈中通入交變電流后由于板彈簧的約束，料盤沿垂直軸往復振動時，圍繞垂直軸發(fā)生往返扭振。當料槽升起并向前扭轉是，零件和料槽間產(chǎn)生的摩擦力推動零件與料道一同向前運動。當料道下降、扭轉返回時，由于摩擦力減小，零件相對于料槽向前運動。當零件上移通過定向機構，然后由料盤上部的出口處進入到輸料槽，送往加工位置。

42、通過改變輸入電磁鐵線圈的電壓可以調整料盤的振幅，從而改變料斗的送料率。</p><p>　　本課題中的振動料斗選用沈陽市杰成機械有限公司生產(chǎn)的杰成/400[14]。該產(chǎn)品具有瓶蓋類零件自動理料，大口在上出料，單雙道均可，出料均勻，無反料，卡料，速度120件／道／分。</p><p>　　3.1.2 瓶蓋定向</p><p>　　本課題中瓶蓋口要求朝上以供在紙片沖裁后

43、能被塞入瓶蓋內。而定向機構就是是為了保證瓶蓋進入輸送軌道時，蓋口朝上。一開始瓶蓋處于自由狀態(tài)（即瓶蓋口朝向自由），在振動上料器的振動作用后，瓶蓋將沿著螺旋上升朝上升，而瓶蓋口也只將可能朝上或朝下這兩種狀態(tài)。</p><p>　　圖3.2 消極定向原理</p><p>　　定向方法一般情況下分為積極定向法和消極定向法。所謂的積極定向法和消極定向法的區(qū)別在于是將不符合規(guī)定的事物剔除回流還是采取

44、措施將它更改。而我們本次使用的消極定向法，將在振動上料器中的瓶蓋利用圖3.2所示裝置來篩選。蓋口朝下的瓶蓋經(jīng)該裝置后將會掉落回流，以進行下次篩選，直到瓶蓋口朝上通過該裝置。</p><p>　　3.2 瓶蓋傳送機構</p><p>　　3.2.1 送蓋方案的比較和確定</p><p>　　國內廠家生產(chǎn)的同類型設備存在加工速度普遍較低的問題，而本課題中采用了雙排進蓋機

45、制以使加工速度得到提升。從振動料斗口出來的瓶蓋將經(jīng)過一定坡度的軌道下滑到定位機構卡輪前，經(jīng)卡輪成雙排定位，然后 雙頭沖刀對墊紙進行沖裁，每次沖裁出兩個墊紙落到瓶蓋上，最后由壓入機構同時把墊紙壓入瓶蓋。</p><p>　　這種雙排進蓋機制與單排進蓋機制在相同的條件下相比，加工速度整整提升了一倍。由此可知采取三排四排進蓋機制將使加工速度成倍的提升，不過同時進蓋越多，那么加工難度也增加，特別是瓶蓋定位。當墊紙經(jīng)沖裁后

46、落入瓶蓋，到墊紙被壓入瓶蓋中的定位要求很高，一旦出現(xiàn)位置偏差，就可能出現(xiàn)瓶蓋加工不合格，甚至可能對機器造成損害。</p><p>　　圖3.3 雙排軌道設計圖</p><p>　　軌道設計如圖3.3所示?？ㄝ喍ㄎ粰C構安裝在雙排進蓋軌道上，而雙排進蓋軌道安裝在振動料斗后。當瓶蓋出了振動料斗后，將沿著軌道的傾斜面下滑，由于瓶蓋材料為塑料和軌道材料為不銹鋼，兩者之間的摩擦了極小可以忽略不計。瓶蓋

47、在慣性、重力以及摩擦力的綜合作用下到達了卡輪定位機構的位置。而卡輪轉動時將會撥動瓶蓋使之進入定位位置。</p><p>　　圖3.4 卡輪外形圖</p><p>　　圖3.5 卡輪送蓋原理圖</p><p>　　卡輪在軌道上可以根據(jù)瓶蓋大小可以垂直軌道方向左右移動，選擇合適位置把瓶蓋卡住，這時瓶蓋定位于沖刀得正下方，從而達到瓶蓋精確定位的效果。本設備中使用的定位

48、裝置就是兩個卡輪，其形狀和原理如圖3.4和圖3.5所示。</p><p>　　卡輪通過兩旋轉方向不同的步進電機來驅動。每當卡輪將瓶蓋撥到?jīng)_刀的正下方時，單片機將控制步進電機以達到使卡輪停止轉動的目的。</p><p>　　根據(jù)控制的要求，本設備采用了兩個品牌、型號完全相同的步進電機。不過安裝運行后，兩個步進電機旋轉的方向不同，一個順時針，另一個逆時針。它們每次旋轉的角度為90°。

49、而卡輪通過聯(lián)軸器與步進電機連接在一起，卡輪將與步進電機同步停止或轉動。當步進電機旋轉一周時將有8個瓶蓋經(jīng)過卡輪。</p><p>　　當完成墊紙沖裁和墊紙壓入這兩步后，卡輪將撥動瓶蓋出該位置。所以卡輪不但能保證瓶蓋準確得進入沖裁位置，達到定位的作用，而且還能撥動瓶蓋向前運動。</p><p>　　3.2.2送紙與送蓋相互配合方案的確定</p><p>　　方案一

50、 方案二 方案三 方案四</p><p>　　圖3.6 墊片沖裁位置排列方式</p><p>　　為了確定墊紙材料的利用率得到充分保障，在此我們提出了4種方案，如圖七所示。我們在此假設瓶蓋直徑大小為32mm，以便進行計算。</p><p>　　方案一材料利用率：6×R²π/（4R×6R）

51、=78.5%</p><p>　　方案二材料利用率：6×R²π/[（4R+10）×6R]=67.89%</p><p><b>　　方案三材料利用率：</b></p><p>　　+32=59.71㎜</p><p>　　7×16²π/[59.71×（96+16

52、）]=84.14%</p><p><b>　　方式四料利用率：</b></p><p>　?。?2+10）×/2+32=68.37㎜</p><p>　　7×16²π/[68.37×（96+16）]=73.47%</p><p>　　采取方案一和方案二這兩種排列方式時，墊片材料和

53、蓋列方向完全一致。但由于方案一采用無間隙排列方式，使刀具難以實現(xiàn)，所以方案一種排列方式排除。當采取方案三和方案四的排列方式時，墊片材料和蓋列夾角為120°。方案三和方案一一樣只是理想情況，難以實現(xiàn)，故方案三排除。比較剩余的方案二和四，當采用方案四時，墊片材料利用率比二方案高出近5.6%。工廠里都是大批量生產(chǎn)的，這方案四為廠家節(jié)省了墊紙材料的5.6%，這筆原材料的節(jié)省是相當可觀的，它大大降低了原材料的費用，以帶來了巨大的經(jīng)濟利潤

54、。因此本設備決定采用方案四。</p><p>　　根據(jù)方案四的排列方式軌道方向將與墊紙材料傳送方向成120°夾角。</p><p>　　3.2.3 送蓋機構的力學計算和控制步進電機的選擇</p><p>　　該步進電動機在這里需要提供足夠大的轉矩來克服二個力和一個轉動慣量。這兩個力指的是瓶蓋在卡輪的撥動下進入卡輪時需要克服的瓶蓋與軌道之間的摩擦力，瓶蓋出卡

55、輪這個定位機構時瓶蓋需要被提供足夠大的力來克服它與軌道間的摩擦力。而這個轉動慣量指的是卡輪自身轉動時所需要的轉動慣量。其中由于瓶蓋質量本身就很輕（幾克），而且所用的材料是塑料（聚四氟乙烯），那么他與金屬（不銹鋼）軌道間的摩擦力很小，所以瓶蓋進出卡輪時的摩擦力可以忽略不計。瓶蓋出卡輪后它依靠卡輪的撥動和后續(xù)瓶蓋的推動來前進，因此后面瓶蓋與軌道間的摩擦力也可以忽略不計?？ㄝ喌牟牧蠟樗芰希ň鬯姆蚁|量也只有幾十克而已，因此自身的轉動慣量

56、很小。</p><p>　　圖3.7 卡輪驅動步進電機</p><p>　　由于卡輪每次旋轉角度為90°，所以在此我們選用步矩角為1.8°的二相或四相步進電動機。在此我們選用常州正翔電機電器有限公司生產(chǎn)的混合式步進電機，型號為2相17HS4630,如圖3.7所示。根據(jù)上面估算，由于卡輪的轉矩太小，所以不可能超出軸材料的承受范圍，因此不需要對傳動軸進行強度校核。</

57、p><p>　　該步進電機參數(shù)如下：步矩角 1.8°，電流0.6 A，電阻8 Ω，電感10mh，最小靜力矩12N·m ，最大定位力矩160N. m 轉動慣量 340 kg·m2</p><p>　　3.3 墊片材料傳送機構</p><p>　　3.3.1 傳送機構設計</p><p>　　圖3.8 墊紙傳送

58、機構</p><p>　　對于墊紙傳送方案有兩點：其一是，在沖裁機構后設一個卷筒，步進電機驅動采用拉的方式，使墊紙傳送供沖裁，而且還起著回收廢紙的作用。但考慮到墊紙在沖裁時在墊紙上形成規(guī)則排列的圓形孔將在拉墊紙前進的過程中可能會使紙條被拉斷。其二是，墊紙選用的材料單面鍍金屬膜，墊紙具有一定的厚度和硬度。選用雙卷筒機構。雙卷筒機構由步進電機、主動卷筒、從動卷筒以及框架組成。步進電機驅動主動卷筒轉動，主動卷筒和從動卷

59、筒之間具有一定的距離，墊紙通過兩者間的縫隙從主動卷筒傳出。只要卷筒間縫隙距離適當，就能產(chǎn)生足夠的摩擦力帶動從動卷筒。只要電機功率足夠和電機同步就能有效得使墊紙被卷直傳送出去。我們在此選用兩者結合，兩個步進電機為同一型號并同步驅動。墊紙傳送機構示意圖如圖3.8所示。</p><p>　　3.3.2 主動軸承強度校核</p><p>　　滾筒的軸必須具有一定的強度來滿足它所承受的載荷以及防止發(fā)

60、生扭轉變形，從而保證它的機械性能。</p><p>　　1.主動軸的強度校核計算[15]：</p><p>　　按軸所受的扭轉來計算軸的強度。軸的扭轉強度條件為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中： ----扭轉切應力，MPa；</p><p>　　T -

61、---軸所受的扭矩，N·mm；</p><p>　　WT ----軸的抗扭截面系數(shù)，mm3；</p><p>　　n ----軸的轉速，r/min；</p><p>　　P ----軸傳遞的功率，kW；</p><p>　　d ----計算截面處軸的直徑，mm；</p><p>　　[]----許

62、用扭轉切應力，Mpa。</p><p>　　由上面公式（3-1）可得軸的直徑為</p><p>　　d==A0 （3-2）</p><p><b>　　式中，A0=，</b></p><p>　　軸的材料為45號鋼，查表得到=25—45Mpa，A0=126—103。當軸只作單向旋轉時A0取較小值，

63、即A0=103</p><p>　　當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度削弱。由于軸的直徑d100㎜,且只有一個鍵槽，那么軸徑應增大5%-7%。由于滾筒是每轉135°停一次，所需時間大約為1秒。所以卷筒的轉速n=3/4π r/s=45π r/min</p><p>　　而帶動滾筒滾動需要大約30w的功率，由此可算得d6.1mm，而我們選用的滾筒直徑為12mm，完全

64、滿足軸的扭轉強度。</p><p>　　3.3.3 從動軸強度校核</p><p>　　圖3.9 從動軸彎曲強度校核</p><p>　　已知軸的彎矩和扭矩后，可針對某些危險的截面做彎矩合成強度校核計算。按第三強度理論，計算應力</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>

65、　　通常由彎矩所產(chǎn)生的彎曲應力是對稱循環(huán)變應力，而由扭矩所產(chǎn)生的扭轉切應力則常常不是對稱循環(huán)變應力。為了考慮兩者循環(huán)特性不同的影響，引入折合系數(shù)，則計算應力為</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　式中的彎曲應力為對稱循環(huán)變應力，而本設計中的扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力時，取≈0.6</p><p>　　圖3.10

66、 從動卷筒軸截面圖</p><p>　　從動卷筒軸如上圖3.10所示，根據(jù)軸的直徑12mm，選擇合適的鍵寬×鍵高為4mm×4mm。</p><p>　　抗彎、抗扭截面系數(shù)計算： </p><p>　　W==126.9mm3</p><p>　　WT ==296.46mm3</p><p><

67、b>　　由此可得彎曲應力</b></p><p>　　= （3-5）</p><p><b>　　扭轉切應力</b></p><p>　　= （3-6）</p><p>　　將（3-5）和（3-6）代入（3

68、-4），則軸的彎扭合成強度條件為：</p><p>　　=15.56MP </p><p>　　因此從動軸的彎曲強度可滿足要求。</p><p>　　3.3.4 電機的選擇</p><p>　　圖3.11 主動滾筒驅動步進電機</p><p>　　根據(jù)主動滾筒的直徑大小、沖裁對墊紙傳送速度的要求、一次沖塞時其中滾

69、筒停止工作的時間來估算滾筒的轉速和電機的額定轉速。可根據(jù)紙片的厚度和硬度，適當?shù)恼{整兩個滾筒間的距離，通過計算可獲得電機帶動滾筒的轉矩。滾筒間的摩擦力為30N，而主動軸的直徑為12mm，則可得到步進電機負載轉矩大于306=180N.mm 。由上參數(shù)可選常州正翔公司生產(chǎn)的混合式步進電機型號為2相17HS4630。圖3.11為步進電機-2相17HS4630。</p><p>　　該步進電機參數(shù)：步矩角 1.8

70、6;，電流0.4 A，電阻 30 Ω，電感28 mh，最小靜力矩28N.m，最大定位力矩220N. m，轉動慣量 540kg.m2。</p><p><b>　　3.4沖裁機構</b></p><p>　　3.4.1曲柄滑塊機構和偏心輪機構</p><p>　　曲柄滑塊機構如圖 3.12所示（a）中所示的曲柄搖桿機構運動時，鉸鏈C將沿圓弧導軌往

71、復運動。如圖3.12（b）所示，將搖桿3做成滑塊形式，使其沿圓弧導軌往復滑動，顯然其運動性質不發(fā)生改變，但此時鉸鏈四桿機構已演化為具有曲線導軌的曲柄滑塊機構[16] [17] [18]。</p><p>　　圖3.12 四連桿機構示意圖</p><p>　　當圖3.12（a）中搖桿3的長度增至無窮大，則圖3.12 (b)中的曲線導軌將變成直線導軌，于是機構就演化成為曲柄滑塊機構如圖3.1

72、3。圖3.13(a)為具有偏距e的偏置曲柄滑塊機構；圖3.13（b）則無偏距的對心曲柄滑塊機構。曲柄滑塊機構在沖床、內燃機、空壓機等中得到了廣泛的應用。</p><p>　　圖3.13 曲柄滑塊機構示意圖</p><p>　　圖3.14 偏心輪機構示意圖</p><p>　　圖3.14（a）所示的曲柄滑塊機構中，當曲柄AB的尺寸較小時，由于結構的需要，常將曲柄改為如

73、圖3.14（b）所示的偏心盤，其回轉中心至幾何中心的偏心距等于曲柄的長度，這種機構稱為偏心輪機構，其運動特性與曲柄滑塊機構完全相同。偏心輪機構可以認為是將曲柄滑塊機構中的轉動副B的半徑擴大，使之超過曲柄長度演化而成。</p><p>　　3.4.2沖裁機構設計</p><p>　　本設備是對墊紙進行沖裁，而墊紙的材料為單面鍍金屬膜的紙條，雖說具有一定的厚度和硬度。因此本設備該機構選用了交流

74、伺服電機來進行驅動主動滾筒軸。直徑利用偏心輪和曲柄滑塊機構對墊紙進行沖裁。</p><p>　　圖3.15 沖裁機構示意圖</p><p>　　沖裁機構由一個交流電機驅動，通過皮帶輪帶動一根沖裁機構的主動軸，主動軸通過軸承與一個傳動板相連接。主動軸與傳動板的定位孔不同心，形成一個偏心輪。傳動板通過軸承與另外一根軸承相連，主動軸、傳動板和從動軸的配合形成了偏心輪機構。從動軸與沖頭的支架連接，

75、而沖頭支架通過螺栓與一個沖頭連在一起，就這樣形成了一個沖裁機構。沖裁機構的左視圖及主視圖如圖3.15所示。</p><p>　　3.4.3 沖裁機構運動分析</p><p>　　由于偏心輪機構其運動特性與曲柄滑塊機構完全相同，因此沖裁機構的運動速度圖如3.16所示。O為偏心輪的主動軸軸心，A為偏心輪的幾何中心，B為從動軸軸心。偏心輪的偏心距為r，AB的距離為l，OA繞O點旋轉的角速度為ω。

76、根據(jù)圖3.16（a）知,</p><p>　　以B點為動點，AB桿為動系，則B點速度的矢量方程為</p><p>　　如圖3.16(b)所示,</p><p><b>　　(b)</b></p><p><b>　　(c)</b></p><p><b>　　(a)

77、</b></p><p>　　圖3.16 沖裁機構運動學分析</p><p><b>　　因r，得</b></p><p><b>　　,</b></p><p>　　則B點加速度的矢量方程為</p><p><b>　　，</b></

78、p><p><b>　　,</b></p><p>　　方向如圖中所示。因，得</p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　，</b></p><p>　　如圖3.16（c）所示，得</p><p><b

79、>　　，</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　將已知代入得</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　根據(jù)加工要求大約每秒進行沖裁一次，所以OA繞O點旋轉一周即 rad/s，又因偏心距r = 4

80、 mm，而OA長度l = 100 mm。因此可以算出任何旋轉角度時沖刀的速度和加速度。</p><p>　　3.4.4 沖裁機構電機的計算與選擇</p><p>　　沖裁機構由交流電動機通過皮帶輪傳動。電機所提供的絕大部分都轉化為偏心輪以及沖刀的動能。而沖裁時各部件產(chǎn)生的熱能相對動能而言可以忽略不計。因此電機的功率可以通過沖裁機構的運動來計算。</p><p>　　

81、對圖3.16(a)進行分析得，當滑塊處于最高或最低位置時，其加速度為最大，而速度為零。反而在中間位置時，其速度最大為 ，而加速度為零。當滑塊處于中間位置時OB=AB=l，OA=r</p><p>　　cos=sin,又因r=4mm，l=100mm，可得 </p><p>　　則=0.251m/s</p><p>　　沖頭支架質量為15kg，因此可算得沖頭支架消耗的

82、功率為：</p><p>　　=F.V=1500.251=37.65w</p><p>　　傳動板由于形態(tài)的不規(guī)則，而無法準確計算其消耗的功率，只能根據(jù)傳動板和沖頭支架的質量比來估算。估測傳動板消耗的功率大約為11.3w，則沖裁機構總的消耗了的功率大約50w。</p><p>　　因此電機的功率為P==（P+），取1.5，得選取功率至小為75w的電機。</p&

83、gt;<p>　　圖3.17 YY631-4型電機的外形</p><p>　　對沖壓力進行估算，沖壓最大為100N，而偏心距為4mm，從而可知所需的轉矩至少為400N.mm。根據(jù)上述參數(shù)可選寧波市以賽亞電機制造有限公司生產(chǎn)的YY631-4型電機，如圖3.17所示。</p><p>　　該交流電機相關參數(shù)：功率為0.12kw，轉速為 1400r/min，電流為1.1A，電壓為2

84、20V。</p><p>　　同時選購無級調速變頻器以實現(xiàn)設備需求的轉速60-75r/min。</p><p>　　3.4.5 主動軸扭轉強度校核</p><p><b>　　主動軸</b></p><p>　　而45號鋼的許用扭轉切應力=25～45MPa，顯然，所以主動軸的扭轉強度符合實際要求，不會出現(xiàn)扭轉破壞。&l

85、t;/p><p><b>　　3.5壓入機構</b></p><p>　　一般情況下，墊紙應該卡在瓶蓋內壁的螺紋間。當墊紙沖裁好并落到瓶蓋上面以后，我們需要將墊紙塞到瓶蓋底部才能使墊紙?zhí)幱诜€(wěn)定狀態(tài)，翻轉時不易掉出。</p><p>　　對于塞入機構的方案，一開始選擇將沖刀設計成中空，內接通氣管道，當沖裁機構中的沖頭到達沖裁位置對墊紙進行沖裁時，安裝

86、在沖桿上的凸點也從上往下運動到最低位置并壓下行程開關，行程開關控制電磁閥，從而控制氣泵開關，從而產(chǎn)生高壓氣流吹向墊紙，將墊紙吹到瓶蓋底部。但考慮到氣流壓強控制要求很高，而且又不夠穩(wěn)定，很難達到預定目標，所以放棄這一方案。</p><p>　　我們再次選擇將沖刀設計成中空，這次內接塞桿。當沖刀下沖當將紙沖裁后，沖刀部分依靠彈簧壓縮進行緩沖停止向下運動，而沖刀內的塞桿繼續(xù)向下運動，將墊紙塞入瓶蓋底部。</p&g

87、t;<p>　　墊紙被壓到瓶蓋底部的時間很短，幾乎可以忽略不計。當墊紙被塞到底部后卡輪再次轉動將瓶蓋撥出去，并靠后面的瓶蓋推動繼續(xù)向前運動。</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　本醫(yī)用瓶蓋沖塞機的設計主要針對目前國內市場上存在的包裝機械技術含量低，自動化程度不夠等狀況。而本醫(yī)用瓶蓋沖塞機是在查閱大量國內外資料結合國外包裝機械的

88、基礎上研發(fā)的，具有安全穩(wěn)定，自動化程度高以及生產(chǎn)速度快的優(yōu)點。而這幾點恰恰是國內包裝機械的發(fā)展趨勢，因此本醫(yī)用包裝機械具有廣闊的市場前景。</p><p>　　本人初次設計醫(yī)用瓶蓋沖塞機，再加上時間匆忙，對醫(yī)用瓶蓋沖塞機設備要求了解總的來說不是很透徹，在開發(fā)和設計中還有不完善和不足之處。個人以為本課題應結合任務和要求，在以下幾個方面展開設計工作：</p><p>　　(一).通過查閱國內外

89、資料，了解包裝機械的背景和現(xiàn)狀以及明確設備研究的目的和意義。在這些的基礎上明確該課題的研究內容及研究的方向。</p><p>　　(二).結合國內外同類產(chǎn)品，對醫(yī)用瓶蓋沖塞機提出雙排進蓋機制，以及對沖塞機的五大主要機構進行分析設計，了解其工作原理和組成，并配以合適的控制系統(tǒng)以實現(xiàn)同步、協(xié)調等重點難點。</p><p>　　(三).在研究中提出模塊化和柔性方案，醫(yī)用瓶蓋沖塞機的軌道、沖刀、以

90、及卡輪都是可調或可拆卸更換的。以滿足設備對生產(chǎn)不同大小的瓶蓋的要求。設備的通用性越強，就能滿足更多市場和客戶的要求，因此醫(yī)用瓶蓋沖塞機非常具有市場前景和研究開發(fā)的價值。</p><p>　　雙排進蓋沖塞機作為包裝機械的一種，雖與國內同類產(chǎn)品具有較快的加工速度和較高的自動化程度，但與理想中的還是有一段差距。我相信隨著人們的生活水平的提高，對醫(yī)藥用品的數(shù)量和質量要求也不斷的在提高，這將推動醫(yī)用包裝機械的向前發(fā)展。&l

91、t;/p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　?。?］屈平．世界包裝機械生產(chǎn)的市場現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．湖南包裝．2005（2）7-10</p><p>　?。?］龔曄．國外包裝機械市場產(chǎn)需兩旺［J］．中國包裝工業(yè)．2006年4月：16—18．</p><p>　　［3］吳國榮．國外包裝機械業(yè)概況［J］．

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99、tp://www.shanghaihengyi.cn/athena/offerdetail/sale/shanghaihengyi-1032570-97660843. html</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　附錄圖1 沖塞機裝配圖</p><p><b>　　附錄圖2 偏心軸</b><

100、/p><p><b>　　附錄圖3 下模</b></p><p><b>　　附錄圖4 傳動板</b></p><p><b>　　附錄圖5 小軸</b></p><p><b>　　附錄圖6 瓶蓋軌道</b></p><p><