塑料瓶貼標機的設計

IV第2章總體設計方案2.1結(jié)構(gòu)的組成及原理2.1.1結(jié)構(gòu)組成本章對瓶裝產(chǎn)品自動貼標機的關鍵組成部分及其工作原理進行闡述，其中關鍵的組成部分有：1.控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)常用的有PLC、單片機、計算機運動控制卡等[15]，主要的作用是對各個電動機、繼電器、電磁閥等部件的控制，實現(xiàn)整機機構(gòu)有序運行。2.驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動系統(tǒng)的主要組成部分為電動機與同步帶[16]，其作用是帶動所貼標簽料帶以及驅(qū)動瓶身進行旋轉(zhuǎn)運動，便于標簽的粘貼。3.貼附機構(gòu)：貼附機構(gòu)的組成可由電動機、氣缸、電磁閥等機構(gòu)組成，通過程序的控制實現(xiàn)標簽的按壓貼附；4.頂出機構(gòu)：頂出機構(gòu)由氣缸組成，通過程序控制電磁閥使壓縮氣體流入氣缸內(nèi)推動活塞，實現(xiàn)推動下料的功能[17]。2.1.2工作原理瓶裝產(chǎn)品自動貼標機的工作原理首先通過上料將瓶身整齊排列，通過上料機構(gòu)使瓶體依次排列于貼標位置，再通過料倉的導向作用依次對標簽進行貼附，驅(qū)動機構(gòu)可以帶動瓶身以及標簽料帶的移動實現(xiàn)標簽料帶的滾動，當瓶身與滾動的料帶接觸后，料帶表面的貼紙與瓶身貼合，完成標簽的粘貼，最后通過頂出機構(gòu)的氣缸對貼符好標簽的瓶身進行頂出作業(yè)，以此類推，完成瓶裝產(chǎn)品的快速貼標。圖2.1工作原理流程圖2.2設計方案的制定本小結(jié)對瓶裝產(chǎn)品自動貼標機進行總體設計方案的制定，設計方案需要結(jié)合貼附要求進行制定，具體方案如下：（1）平移貼附方案：平移貼附方案是目前應用最多的貼標方案，工作原理是將物體通過傳送帶進行平移運輸，在用過機械臂定點吸取標簽，定點粘貼標簽實現(xiàn)，優(yōu)勢是同時完成輸送、貼標的工序，效率高，缺點為不使用于瓶類產(chǎn)品[18]。（2）滾動貼附方案：瓶裝產(chǎn)品的貼附位置為弧度因此要求標簽的粘貼要整齊以及緊密貼合，貼附原理是通過標簽料帶的滾動帶動瓶身在料帶表面進行旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)滾動標簽貼附。（3）視覺識別貼合方案：采用先吸取標簽再進行貼附的方案，此方案需要配合視覺識別功能才可實現(xiàn)貼附并且要配合多個伺服電機、真空發(fā)生器等部件成本較高、結(jié)構(gòu)復雜。結(jié)合上述三種方案分析對比，本設計采用滾動式貼合方案，優(yōu)勢為成本低、效率高、技術難度相對較低，通過帶動標簽料帶的移動以及瓶身的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)滾動貼附，可大幅度提高貼標效率。2.3標簽料帶的設計為實現(xiàn)滾動式的標簽粘貼本小節(jié)對標簽的料帶進行方案的制定，傳統(tǒng)的料帶為由下向上依次為底膜、膠體、標簽，膠體位于標簽與底膜中間，需要進行撕取才可進行貼附，因此撕取過程會導致效率的降低，且此方案無法實現(xiàn)滾動式貼附，因此傳統(tǒng)的標簽料帶無法應用，需要針對性的設計標簽料帶，如下圖2.2所示。圖2.2傳統(tǒng)標簽貼紙疊層圖結(jié)合上文的分析本設計采取一種反向料帶設計方案，與傳統(tǒng)料帶的區(qū)別為本設計料帶由下向上依次為料帶、低粘度雙面膠、標簽、高粘度雙面膠，料帶與低粘度雙面膠為一體。標簽與雙面膠為一體，此方案可通過料帶的移動帶動標簽的移動，當標簽與瓶身接觸時結(jié)合瓶身的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式的標簽貼附，可大幅度提高作業(yè)效率，反向料帶疊層示意如下圖2.3所示。圖2.3反向料帶疊層示意圖2.4料帶驅(qū)動方案料帶的結(jié)構(gòu)根據(jù)上文的分析可知采用料帶、膠體、標簽等疊層結(jié)構(gòu)，因此料帶整體的底面無膠頂面帶膠，以實現(xiàn)在料帶的旋轉(zhuǎn)過程中使帶膠面處于上方，在貼標運行過程中料帶為不斷移動狀態(tài)，此時需要多個滾筒對料帶實現(xiàn)拉緊、轉(zhuǎn)彎、廢料帶的收集，因此再料帶的運行過程中滾筒的作用是支撐料帶，由于料帶的底部無膠故滾筒的放置應與料帶的底面接觸，當標簽帶膠面處于上方時與瓶身接觸后利用雙面膠的粘性即可完成貼附，如下圖2.4所示；圖2.4料帶驅(qū)動機構(gòu)示意圖2.5滾筒裝置貼標機滾筒是指用于將標簽貼附到物體表面的圓筒狀零件。滾筒通常由一個中心軸和多個貼標輥組成，其外表面涂有橡膠或聚氨酯等材料，用于保證標簽貼附的牢故和穩(wěn)定性。貼標機導軌通常采用金屬材料制造，如鋁合金、不銹鋼等。材質(zhì)需要具備足夠的剛性和耐磨性，以確保貼標機長時間運行時不會出現(xiàn)變形和損壞。導軌的形狀需要與標簽尺寸相匹配，并能夠確保標簽在運行過程中不會發(fā)生滑動和脫落。常用的導軌形狀包括直線導軌、V型導軌等，本次設計采用直線導軌。圖2.5滾筒導軌示意圖2.6貼標裝置貼標機構(gòu)的功能要求是能夠在一定的時間內(nèi)連續(xù)地供送標簽紙，其中的關鍵是將標簽剝離標紙裝置和撫平標簽的裝置。大體方案如圖:圖2.6貼標裝置機構(gòu)簡圖標簽紙會有些硬度，保證標簽在傳送和粘貼的過程中的整潔和光滑，并且不發(fā)生形變或著彎曲的現(xiàn)象。剝簽裝置剝離標簽的原理如下圖所示:圖2.7剝離過程示意圖當標簽隨著送料機構(gòu)傳送運動到剝標板的彎曲處時，標簽開始受到底帶的作用沿著剝標板的端曲面彎曲，當標簽彎曲到一定程度時，其挺度將克服底帶的粘附力而回彈，回彈后，標簽將以牽引速度前進，由于粘附力所作的功小于標簽的動能，標簽將不再向下彎曲。

第3章整體結(jié)構(gòu)設計3.1總體布局設計根據(jù)選定的方案進行總體布局設計，由于貼標機的動力是來自驅(qū)動電機的后備傳動軸因此在總體布局時只對機具進行單獨的布局，布局完成的草圖如下圖所示圖3.1貼標機的草圖1－前標2－托平臺3－止瓶星輪4－鏈道5－分瓶螺桿6－進瓶星輪7－進出瓶導板8－出瓶星輪9－后標10－取標轉(zhuǎn)鼓11－貼標轉(zhuǎn)鼓3.2傳動機構(gòu)的設計3.2.1進瓶裝置進瓶螺旋的設計進瓶機構(gòu)由進瓶螺桿，停瓶星輪，側(cè)板，進瓶星輪，中心導板等組成。進瓶螺桿是由傳動系統(tǒng)帶動進行運動的，可以將傳送設備送來的瓶體引入螺桿槽中，通過螺桿的推進作用使瓶體向前運動，并通過螺桿槽將塑料瓶分隔一定距離，到了出口處，將瓶體傳輸至由星輪和中心導板構(gòu)成的傳遞機構(gòu)，從而達到按順序、按一定距離送入瓶體的效果。進瓶螺旋桿每次旋轉(zhuǎn)一圈，從進瓶螺桿進口處引入一個塑料瓶，螺旋槽內(nèi)的瓶向前推進一段距離后，螺桿出口處放出一個瓶子。通過對上述運動的描述，我們可以看出，進瓶機構(gòu)中的進瓶螺旋桿起到了最大的作用，為了實現(xiàn)定間距、定時的送料的工藝要求，該螺桿必須符合下列條件：（1）使瓶子順利進入螺旋式凹槽；（2）瓶子在進瓶螺旋桿上移動時要保持平順；（3）瓶子和星輪能夠完好的接觸。在傳送瓶子運動中，為了減輕速度變化或者是加速度的改變帶來的運動變化而造成的震動，在螺旋桿的首節(jié)應使用恒定速度變化的螺旋，即其螺距相同。螺旋桿的最后一段是和星形撥輪相過渡的，因此螺桿的螺距應該與星輪的節(jié)距一致。螺旋桿的中間段螺旋在與星輪接觸之前，螺距應逐步變化，這樣中間部分就是加速段。加速段的目的是讓瓶子的速度在瓶子到達與星輪完全嚙合前加速到與星輪的線速度相同，等加速結(jié)構(gòu)簡單，是一種較好的改變螺距方法。進瓶螺旋設計：輸入等速段：首先確定出入等速段螺距：；。—輸入等速段螺旋槽外沿的軸向?qū)挾龋菪蹖挾龋?；—輸入等速螺旋槽的截面寬度?~5mm?。?；—兩相鄰瓶罐主題部分的外廓間距；—瓶罐主體半徑。外螺旋線：應其展開圖形為一條斜直線，故相應軸長度；；；（螺桿的內(nèi)直徑）。周向展開長度：；(3-1)。(3-2)螺旋角：∵(3-3)∴。故螺桿的速輸入速度：(3-4)1）變加速段：此段供應加速度由零值正弦函數(shù)變化規(guī)律增加為某一最大值：；(3-5)即相應的供送速度軸向位移：；(3-6)；(3-7)、分別表示瓶罐移過行程和最大行程所需要時間。下面確定、、由邊界條件：；；；；；；；。并取、式中和分別表示變加速段螺旋圈數(shù)的任意值和最大值：；（?。?；則：；(3-8)外螺旋線軸向展開長度的任意值和最大值：；(3-9);(3-10)2）等加速度：則相應的供送速度及軸相位移；；(3-11)；；；；則外螺旋軸向展開長度：；；3.2.2驅(qū)動電機的選擇驅(qū)動電機的作用的驅(qū)動料帶繞支撐機構(gòu)進行運動，實現(xiàn)標簽的移動，因此需要對驅(qū)動電機的功率進行選擇，根據(jù)相關文獻參考目前普遍自動貼標機的實際料帶的驅(qū)動功率為200W，結(jié)合實際滾筒損耗、轉(zhuǎn)軸損耗、料帶損耗等對實際的電動機功率進行選擇；式中：P:實際功率需求W；M：電動機輸出功率W;:轉(zhuǎn)軸效率取0.95；：滾筒效率0.95；：料帶效率0.76；因此電動的額定功率應≥291.59W，完成電動機的轉(zhuǎn)速再對電動機的輸入轉(zhuǎn)速進行計算，根據(jù)相關資料了解到，實際料帶的運轉(zhuǎn)速度不得大于0.2m/s，結(jié)合滾筒的半徑，計算如下；式中：N：轉(zhuǎn)速r/s；V：速度mm/s；C：滾筒周長mmr：滾筒半徑mm；根據(jù)計算結(jié)果選擇的電動機的型號為H3V24-300，參數(shù)為：額定電壓24V、功率為300W。3.3貼標軸的設計根據(jù)上文的設計對貼標軸的尺寸進行設計，結(jié)合貼標軸輸入功率對軸徑進行初步的計算，完成計算后根據(jù)受力合成對貼標軸進行強度的校核，其參數(shù)為額定轉(zhuǎn)矩為6N/m，根據(jù)此參數(shù)對取標軸進行計算設計，計算如下；式中：C：軸的材料系數(shù)，按扭轉(zhuǎn)剛度取9.3；P：輸入功率W；N：輸入轉(zhuǎn)速r/min；：材料屈服應力45鋼355Mpa；圖3.2貼標軸三維圖3.4貼標轉(zhuǎn)鼓直徑及進出瓶星輪直徑的設計在設計貼標轉(zhuǎn)鼓直徑及進出瓶星輪直徑前要先計算出貼標機的一些基本尺寸。為此要先假設出貼標機的生產(chǎn)率及瓶子高度直徑等基本參數(shù)。假設：生產(chǎn)率24000瓶/小時，瓶頸D=56-76mm，瓶高H=160-290mm，瓶口直徑d=13-16mm.每年300天，每天兩班，每班8小時。由瓶的直徑，確定出托瓶板直徑d=96,其各瓶之間的距離為48mm，18個托瓶板等分圓周后其圓心角為24度，由托瓶板直徑可得到各段對應的弦長，查零件手冊知。即每兩個托瓶板所夾的角，由瓶直徑知各段所對應的弦長；；比率：（3-12）；；（3-13）實際尺寸：；；；；（3-14）為托瓶臺的周長：；(3-15)1、貼標轉(zhuǎn)鼓直徑的確定：（六個工位）；(3-16)；圖3.3貼標軸轉(zhuǎn)鼓1－螺釘2－推標海綿3－支撐板4－標夾擋塊5－取標夾6－螺母7－螺栓8－彈簧9－擺桿10－滾子11－凸輪12－螺釘13-銅套2.進出瓶星輪直徑的確定：(3-17)；去（十八個工位）3.5輸送裝置鏈道板的設計輸送瓶鏈道板采用1Cr18Ni9Ti制成,1Cr18Ni9Ti用于制作耐酸容器，抗磁儀表、醫(yī)療器械，具有較好耐腐蝕性。下圖為尺寸設計及孔的位置。圖3.4鏈道板3.6止瓶裝置止瓶星輪設計止瓶星輪采用含油尼龍制成。含油尼龍：這種鑄型尼龍是一種自潤滑尼龍，是專門為制造不能潤滑、負載高以及運行速度低的零件而開發(fā)的，它比一般尼龍的磨擦系數(shù)低而耐磨性得到提高。止瓶星輪通過氣動控制。其設計尺寸根據(jù)瓶型設計。第4章控制系統(tǒng)的設計4.1控制方案的設計自動貼標機的控制方案根據(jù)上文的結(jié)構(gòu)設計對控制方案進行對比分析設計，其中自動貼標機的工作流程是工件從入料口進入，經(jīng)輸送機構(gòu)帶動瓶身旋轉(zhuǎn)，再利用旋轉(zhuǎn)運動結(jié)合氣缸對載帶的標簽進行貼合，因此控制方案應符合結(jié)構(gòu)部分的設計方向，其中需要通過自動化控制系統(tǒng)控制的部件有氣缸、氣缸電磁閥、電磁傳感器、驅(qū)動電機，因此可通過單片機或PLC進行控制，單片機控制方案的優(yōu)勢為體積小，可實現(xiàn)復雜動作的實現(xiàn)，而本設計的機構(gòu)運行復雜程度較低，因此選擇PLC作為控制系統(tǒng)，其型號根據(jù)所學知識選擇為西門子S7-200型號PLC。4.2控制系統(tǒng)組成部件控制系統(tǒng)是機械電子結(jié)合的關鍵系統(tǒng)，也是整個自動貼標機按預定目標運行的控制機構(gòu)，自動貼標機的組成有：（1）PLC，西門子PLC可通過梯形圖編寫程序，具有程序邏輯清晰、有利于程序的升級以及后期的更改，同時PLC可通過仿真程序?qū)ζ渚帉戇壿嫵绦虻倪M行仿真驗證。（2）氣缸：當工件完成標簽粘貼后需要通過氣缸的推動作用完成下料（3）氣缸電磁閥：氣缸若通過PLC進行控制需要搭配氣缸電磁閥，PLC可通過數(shù)字信號的輸出控制電磁閥的開關、換向等。（4）驅(qū)動電機，驅(qū)動電機的作用是驅(qū)動標簽料帶旋轉(zhuǎn)以及瓶體的移動及旋轉(zhuǎn)。（5）電磁繼電器，PLC輸出的弱點數(shù)字信號需要結(jié)合繼電器對電動機的啟停實現(xiàn)控制。4.3I/O接口的分析分析自動貼標機的功能輸入輸出進行分配，首先應具備基本功能運行指示燈，即電源指示燈、運行指示燈、停止指示燈、物料報警燈，其中電源指示燈用于顯示電源供電情況為Q0.0，運行指示燈用于提示機構(gòu)正在運行中Q0.1，停止指示燈用于提示機構(gòu)處于通電停止狀態(tài)Q0.2，物料報警燈用于感應工作位置是否有瓶子存在，若沒有亮燈報警，標簽載帶驅(qū)動電機Q0.3，氣缸電磁閥用于控制氣缸伸出設置為Q0.4，輸入端口的分配有啟動、停止開關、緊急停止開關用于控制機構(gòu)的啟動與停止以及緊急情況下的急停，I/O表如下表所示；表4.1I/O分配表輸入功能輸出功能I0.0I0.1I0.2I0.3啟動關閉急停光電開關Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5電源指示燈運行指示燈停止指示燈電機運行氣缸伸出電磁閥氣缸收回電磁閥4.4程序的分析程序的設計首先滿足PLC梯形圖編寫規(guī)則，否則所編寫的程序無法運行，首先設計啟動程序，啟動程序的作用是按下啟動開關后電源指示燈亮燈且料帶電動機運行，進行標簽粘貼的準備工作，同時網(wǎng)絡1還應具備急停按鈕，由于I0.0與Q0.0為自鎖控制方案，因此若實現(xiàn)急停則需將I0.2設計在Q0.0前，具體程序如下圖；圖4.1程序圖除啟動程序外貼標機是利用光電傳感器的感應作用進行識別瓶身，當感應瓶身計時器啟動，此時計時器開始計時1s，1s后Q0.3啟動，控制氣缸伸出，推動瓶身完成下料動作，當完成氣缸伸出動作后光電開關處于非觸發(fā)狀態(tài)，因此通過光電傳感器可以控制氣缸收回，具體程序如下；圖4.2程序圖圖4.3程序圖4.5程序的仿真根據(jù)所編寫的程序還需進行程序的仿真運行，程序的運行可將程序?qū)隤LC實物中，通過對應接線聯(lián)通可實現(xiàn)程序的仿真運行，進一步驗證程序的準確性，而本設計是通過仿真軟件進行程序的仿真，仿真軟件的優(yōu)勢在于仿真便利性強，仿真效果清晰，因此將軟件導入仿真軟件S7-200中，進行仿真，如下圖所示。圖4.4仿真圖啟動PLC后手動點擊I0.0啟動程序Q0.0亮燈，由于I0.0為觸點開關，因此手動點擊I0.0從而關閉I0.0，此時啟動程序通過Q0.0進行自鎖，此時Q0.0、Q0.1亮燈，表示貼標機已經(jīng)處于運行狀態(tài)，如下圖所示；圖4.5仿真圖完成啟動程序的仿真運行，確定啟動程序的運行邏輯準確無誤后對下料程序進行仿真，當程序啟動時，手動點擊I0.3表示光電開關感應到瓶身位置，此時計時器啟動延遲1s后Q0.3亮燈，表示瓶身標簽已粘貼完畢，氣缸推動瓶身下料，如下圖；圖4.6仿真圖完成瓶身的下料動作后此時光電開關恢復默認觸發(fā)狀態(tài)，此時Q0.4亮燈，表示氣缸收回電磁閥觸發(fā)，完成單個瓶體的標簽貼附工作，如下圖所示；圖4.7仿真圖根據(jù)上文設計的急停功能可知，程序的仿真需進行緊急情況下的急停仿真，當系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時點擊I0.2急停按鈕，此時Q0.0、Q0.1、Q0.4熄滅，程序運行終止，如下圖所示；圖4.8仿真圖4.6線路圖的設計圖4.9接線圖

結(jié)論本文的設計內(nèi)容是對塑料瓶貼標機進行設計,本文通過前期的研究明確瓶裝產(chǎn)品自動標簽的應用范圍以及未來市場規(guī)模的大小對塑料瓶貼標機進行分析，主要包含國內(nèi)外發(fā)展情況及趨勢、研究價值等進行論述，最終根據(jù)論述確定性能參數(shù)目標。設計方案的確定通過對比分析結(jié)合自身設計思維進行確定，對各個機構(gòu)的多種結(jié)構(gòu)形式展開優(yōu)缺點分析，明確最終的設計方案，設計階段利用二維設計、計算校核等方法進行，其中包括外形尺寸、關鍵軸徑的計算、轉(zhuǎn)鼓直徑計算和星輪設計，同時對PLC控制系統(tǒng)進行設計，主要利用光電開關感應瓶身位置、電動機驅(qū)動料帶進行旋轉(zhuǎn)、實現(xiàn)下料，PLC的作用是按本文所設計的PLC程序接受光電開關信號對驅(qū)動料帶進進行控制，當完成貼標后控制鏈道推動瓶身實現(xiàn)下料動作。在此過程中，本人對設計的思路和步驟有了初步的了解。以前的課程設計，僅僅是對當時所學到的專業(yè)知識進行的一些零散的排練，而這一次的設計是一臺完整的機器，這就要求我們要站在一個整體的角度去思考，要從全面的角度來看。要對整個機器的布局和每一個零件進行設計。從最初的想法，到最終的計劃，再到最后的設計，最后的修改，最后的確認，這些都是一個很復雜的過程。參考文獻常衛(wèi)花,樊慧貞.貼標機多軸非線性同步控制系統(tǒng)設計[J].包裝工程,2021,(15):10-15.陳金鑫.自動貼標機的設計與分析[J].機械制造,2021,(05):12-14.呂償,謝遠霞,代英英.紙張分頁貼標機的設計與研究[J].包裝與食品機械,2021,(05):14-16.常衛(wèi)花,樊慧貞.貼標機多軸非線性同步控制系統(tǒng)設計[J].包裝工程,2021,(15):7—9.伍賢洪,梁慶,周文軍.適用于智能化生產(chǎn)的實時打印貼標機設計[J].裝備制造技術,2020,(04):34-35.周晶,李俊陶,葉兆杰,等.玻璃貼標機上下料機械手的開發(fā)[J].機械制造,2020,(03):56-57.馬博文,麥云飛.一種新型貼標機貼標部分結(jié)構(gòu)設計[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2019,(12):59-69.鄧浩.貼標機剝離機構(gòu)參數(shù)性能的研究[J].機械設計,2019,(S1):78-80.李昭,張嬌嬌,孫建明,等.一次性采血管貼標系統(tǒng)設計[J].包裝與食品機械,2019,(03):81-84.胡楠,馬月輝.全自動智能取料試管貼標機研制[J].