一种基于马耳他机构灌装机器的设计

一种基于马耳他机构灌装机器的设计

王大志 薛蕊 孔庆蕊 尤劲恺 李硕

青岛黄海学院 山东 青岛 266427

摘要：该设计主要是以马耳他机构作为主要机构的一种灌装机器，可以对颗粒状的农作物、食品、化工原料、工业原料等材料，尤其是颗粒类农作物种子、药品、咖啡、工业原料等需要细颗粒进行定量瓶状容器灌装的。整个系统包括上料机构、灌装机构、放盖机构、检测、拧盖机构、包装系统、传送装置、计数显示系统等多个重要部分组成。主要实现无人化自动灌装、可调式定量灌装，整个系统设计简单，模块化分明，制造成本低，减少了个体户和中小型企业灌装中产生人工劳动力的浪费。而且操作及拆卸维修方便，对后期的销售运输以及维修提供了重要的保障，该装置还可进行多种不同材料、不同瓶型的灌装 ,以及不同剂量的灌装，这样的设计更能满足现在市场的需求。 关键词：马耳他机构 ；灌装机器 ；无人化自动灌装

引言 在工业发达和居民生活水平大幅提高的今天，灌装机械应用到了很多领域。在食品行业和化工行业中，灌装机械更是必不可少的。而近几年，人口老龄化程度加剧导致的劳动力人口数量的降低，物质生活水平提升导致的工人工资即企业购买劳动力的资本的上涨，这两个因素使得企业的生产资本增加，同时使企业的经济效益在一定程度上间接被影响。市面上现有的灌装机械已经渐渐的不能满足这个日益增长的庞大市场。为了解决灌装机械效率及质量问题，提高灌装机械的生产能力，需要对现有的灌装机械进行创新优化。 1硬件系统设计 控制系统包括主板和驱动板两部分，主板包括控制电路、检测电路以及主板电源电路，驱动板包括电机驱动电路、步进电机驱动电路以及驱动板电源电路。电源电路为控制器、传感器、电机以及步进电机进行供电；控制电路对检测模块的信号进行处理同时对传送机构、上料拨盘、灌料机构、拧盖机构进行控制；电机和步进电机驱动电路对减速电机和步进电机的速度和转向进行控制，总体设计框图如图 1。

图 1总体设计框图 2机械系统方案总体设计 灌 装系统的机械机构主要由传送机构、上料拨盘、定量灌装机构和拧盖机构四部分组成，传送机构主要负责将料瓶传送至上料拨盘，准备进行灌料、放盖等操作；上料拨盘为整个系统的核心机构，主要负责将料瓶送入上料瓶、定量灌装、放盖、检测、拧盖、下料瓶六个工位中；定量灌装机构主要是把物料按所需的份额，定量灌装到所需的物料瓶中；接下来的拧盖机构则是需要对刚灌装好的物料瓶进行放盖、拧盖动作。三个部分共同合作实现了自动灌装和减少劳动力的目的。通过对整个灌装系统的结构和功能的分析，利用三维仿真软件对自动定量灌装系统进行设计以及装配，装配图如图 2所示。 图 2 灌装系统装配图 1－放盖机构； 2－控制系统； 3－定量灌装机构； 4－检测机构； 5－上料拨盘； 6－拧盖机构； 7－传送机构 2.1 上料拨盘的设计 上 料拨盘主要由减速电机、槽轮机构以及拨盘组成，减速电机提供动力，驱动槽轮机构主动轮进行匀速转动，带动槽轮做间歇运动，槽轮又带动同轴的拨盘做间歇运动，实现间歇上料操作。上料拨盘的示意图如图 3所示。 图 3 上料拨盘 1－拨盘； 2－槽轮； 3－主动轮； 4－锥齿轮； 5－减速电机 槽轮机构尺寸的设计： 考虑到灌装系统的上料拨盘机构的空间要求，选择槽轮机构的中心距 a=115mm，拨销半径 r=7.25mm，槽数 z=6。 式中 ——槽轮回转角； 槽轮半径： 式中 ——槽轮半径； ——中心距； 主动轮半径： 式中 ——拨销半径； 槽轮的运动系数： 式中 ——运动系数； ——槽数； 当运动系数 τ越大，槽轮运动系数越好，则根据公式得 ，运动特性较好。 本文中根据灌装系统设计要求，最终确定槽轮机构的相关设计参数如表 1所示，装配尺寸图如图 3所示。 表 1 槽轮机构相关设计参数 序号 项目 参数值 序号 项目 参数值 1 槽数 6 6 锁止弧半径 58mm 2 中心距 115mm 7 圆销数 1 3 槽轮运动角 90° 8 锁止圆中心角 123.49° 4 主动轮半径 58mm 9 槽底半径 8mm 5 圆销半径 7.25mm 10 槽深 15 图 4 槽轮机构装配尺寸图 2.2定量灌装机构的设计 料 瓶进入上料拨盘后，下一步进行定量灌装。定量灌装机构主要包括六个部件，料仓、定量筒、定量筒轨道、曲柄、减速电机以及漏斗。定量灌装机构示意图如图 5所示。 图 5 定量灌装机构示意图 1－料仓； 2－定量筒滑轨； 3－曲柄； 4－减速电机； 5－定量筒； 6－漏斗 由减速电机提供动力，与曲柄、定量筒、定量筒轨道以及框架共同组成曲柄滑块机构。定量筒进行装料时，料仓中物料漏入定量筒，定量筒轨道挡住定量筒底部，防止漏料；定量筒卸料时，定量筒被推出定量筒轨道挡板，同时定量筒挡板挡住料仓，防止料仓漏料，定量筒内物料漏入漏斗，物料通过漏斗进入料瓶；随后定量筒再次回到装料状态，完成一次装料，准备进行下次灌料操作。 2.3 拧盖机构的设计 料 瓶放盖完成后进入进行拧盖操作，拧盖机构主要由步进电机、联轴器、丝杠、丝杆滑块、拧盖电机以及夹子组成。开始进行拧盖操作后，首先由夹子对瓶身进行夹紧，随后步进电机转动通过联轴器带动丝杠，丝杠推动丝杆滑块向下运动，带动拧盖电机和拧盖抓手向下运动，使拧盖抓手抓住瓶盖，拧盖电机旋转将瓶盖拧紧。随后步进电机进行反转，带动拧盖抓手向上运动脱离瓶盖，夹子放开瓶身，完成拧盖操作。拧盖机构的示意图如图 6所示 图 6 拧盖机构示意图 1－步进电机； 2－步进电机支架； 3－联轴器； 4－丝杠； 5－丝杠滑块； 6－夹爪； 7－舵机； 8－料拧盖电机支架； 9－拧盖电机； 10－拧盖抓手 2.4 传送机构的设计 传送机构由直流减速电机、锥齿轮、传送带和轴组成。减速电机提供动力，使用三个锥齿轮进行传动，将减速电机的转向沿两个方向进行改变，使得两个传送带运行方向相反，满足上料和下料的需求。上料拨盘的示意图如图 7所示。 图 7 传送机构示意图 1－传送带； 2－锥齿轮； 3－减速电机； 4－传送带轴； 5－机架 3 软件总体设计 在整体系统设计中还需要完成软件设计部分，其中需要处理按键信号和光电传感器信号以及对步进电机和减速电机的转速、转向进行控制。软件的整体处理流程图如图 8所示。 图 8 软件总体系统流程图 通上电后首先进行系统的初始化，使定量灌装机构、拧盖机构、夹子归位。然后等待开始按键按下，当开始按键按下后，传送机构、上料拨盘开始工作，传送机构将料瓶往上料拨盘进行传送，当料瓶进入上料拨盘后，开始由上料拨盘进行传送，首先由定量灌装机构进行灌料，随后到达放盖装置进行放盖，再到达盖子检测工位进行放盖质量检测，当检测不合格时，会通知人员进行处理，当人员处理完毕后，进入拧盖机构进行拧盖，首先由夹子夹紧瓶身，再由拧盖抓手将盖子拧紧，拧紧后再由传送机构将灌装完成的料瓶传送出。 3.1 检测信号的处理 当系统上电后，进行初始化，单片机检测到上料拨盘处的限位开关有信号输入时，为上料完成一次。检测到上料后，开始读取光电开关信号，当读取到瓶盖放置正常信号，流程正常运行，不做任何处理；当读取到瓶盖放置异常信号时，会中断灌装流程，亮起故障灯，等待工作人员进行处理，工作人员处理完毕后，继续进行正常的流程。 3.2 定量灌装机构的控制 系统上电后，进行减速电机、限位开关的初始化，当检测到上料后，减速电机转动，带动曲柄滑块机构，使定量筒向前推出进行灌料，电机转动一圈后碰到限位开关，电机停止转动，完成一次灌料操作。 3.3 拧盖机构的控制 系统上电后，进行步进电机、减速电机、舵机的初始化，随后步进电机转动，丝杆滑块碰到限位开关后回到初始位置。当检测到上料后，舵机转动带动夹子固定住瓶身，然后控制器向步进电机发送固定数量的脉冲，使步进电机转动固定圈数，带动丝杆滑块移动一段距离，使拧盖抓手抓紧瓶盖，随后拧盖电机转动，拧紧瓶盖；步进电机反转，使丝杠滑块返回初始位置，舵机转动使夹子松开瓶身，完成一次拧盖操作。 4 结论 对于灌装机器系统的设计，其主要核心机构为上料拨盘，从根本上确定了整个系统的运作方式，随后在上料拨盘的基础上，在对传送机构、定量灌装机构、拧盖机构等进行设计。 定量灌装机构运用了曲柄滑块机构，灵活运用了定料筒和定料筒滑轨的两个挡板，实现了物料的定量灌装；拧盖机构使用步进电机与减速电机结合，实现了拧盖抓手的垂直运动以及拧盖动作。 本设计实现的主要任务如下： (1) 完成了灌装系统的三维建模、机械部分设计、硬件电路设计以及程序的设计编写，并使用 3D打印对部分零部件进行制作，并最终搭建完成实物。 (2) 实物搭建完成后进入调试阶段，需要将机械系统、控制系统以及程序控制相结合，共同组成整个灌装系统。从最终的运行情况来看，灌装系统达到了设计的要求，验证了灌装系统的设计可行性。 参 考 文 献 [1]马景利 . 化妆品自动化灌装机控制技术研究 [J]. 自动化应用 ,2018(12):140-141. [2]计宣 .小容量灌装机功能多样化是发展趋势 [J].绿色包装 ,2020(01):86. [3]王源 ,张耀成 ,杨兆建 ,高慧芳 . 转盘式间歇运动机构的设计与特性分析 [J]. 机械设计与制造 ,2020(11):1-4. [4]王晓峰 . 步进电机的精准控制 [D].内蒙古科技大学 ,2020. [5]姚顺宇 . 全自动口红灌装机设计与控制研究 [D].安徽工程大学 ,2020. [6]王源 ,张耀成 ,杨兆建 ,高慧芳 . 转盘式间歇运动机构的设计与特性分析 [J]. 机械设计与制造 ,2020(11):1-4. 作者简介： 王大志（ 2000－） ,男 ,山东省济宁市人 ,学士，研究方向：控制工程。 该项目由国家级创新创业训练项目《基于马耳他机构的灌装系统》（ S202113320001）支持。