塑料瓶贴标机的设计

IV第2章总体设计方案2.1结构的组成及原理2.1.1结构组成本章对瓶装产品自动贴标机的关键组成部分及其工作原理进行阐述，其中关键的组成部分有：1.控制系统：控制系统常用的有PLC、单片机、计算机运动控制卡等[15]，主要的作用是对各个电动机、继电器、电磁阀等部件的控制，实现整机机构有序运行。2.驱动系统：驱动系统的主要组成部分为电动机与同步带[16]，其作用是带动所贴标签料带以及驱动瓶身进行旋转运动，便于标签的粘贴。3.贴附机构：贴附机构的组成可由电动机、气缸、电磁阀等机构组成，通过程序的控制实现标签的按压贴附；4.顶出机构：顶出机构由气缸组成，通过程序控制电磁阀使压缩气体流入气缸内推动活塞，实现推动下料的功能[17]。2.1.2工作原理瓶装产品自动贴标机的工作原理首先通过上料将瓶身整齐排列，通过上料机构使瓶体依次排列于贴标位置，再通过料仓的导向作用依次对标签进行贴附，驱动机构可以带动瓶身以及标签料带的移动实现标签料带的滚动，当瓶身与滚动的料带接触后，料带表面的贴纸与瓶身贴合，完成标签的粘贴，最后通过顶出机构的气缸对贴符好标签的瓶身进行顶出作业，以此类推，完成瓶装产品的快速贴标。图2.1工作原理流程图2.2设计方案的制定本小结对瓶装产品自动贴标机进行总体设计方案的制定，设计方案需要结合贴附要求进行制定，具体方案如下：（1）平移贴附方案：平移贴附方案是目前应用最多的贴标方案，工作原理是将物体通过传送带进行平移运输，在用过机械臂定点吸取标签，定点粘贴标签实现，优势是同时完成输送、贴标的工序，效率高，缺点为不使用于瓶类产品[18]。（2）滚动贴附方案：瓶装产品的贴附位置为弧度因此要求标签的粘贴要整齐以及紧密贴合，贴附原理是通过标签料带的滚动带动瓶身在料带表面进行旋转运动，从而实现滚动标签贴附。（3）视觉识别贴合方案：采用先吸取标签再进行贴附的方案，此方案需要配合视觉识别功能才可实现贴附并且要配合多个伺服电机、真空发生器等部件成本较高、结构复杂。结合上述三种方案分析对比，本设计采用滚动式贴合方案，优势为成本低、效率高、技术难度相对较低，通过带动标签料带的移动以及瓶身的旋转实现滚动贴附，可大幅度提高贴标效率。2.3标签料带的设计为实现滚动式的标签粘贴本小节对标签的料带进行方案的制定，传统的料带为由下向上依次为底膜、胶体、标签，胶体位于标签与底膜中间，需要进行撕取才可进行贴附，因此撕取过程会导致效率的降低，且此方案无法实现滚动式贴附，因此传统的标签料带无法应用，需要针对性的设计标签料带，如下图2.2所示。图2.2传统标签贴纸叠层图结合上文的分析本设计采取一种反向料带设计方案，与传统料带的区别为本设计料带由下向上依次为料带、低粘度双面胶、标签、高粘度双面胶，料带与低粘度双面胶为一体。标签与双面胶为一体，此方案可通过料带的移动带动标签的移动，当标签与瓶身接触时结合瓶身的转动实现旋转式的标签贴附，可大幅度提高作业效率，反向料带叠层示意如下图2.3所示。图2.3反向料带叠层示意图2.4料带驱动方案料带的结构根据上文的分析可知采用料带、胶体、标签等叠层结构，因此料带整体的底面无胶顶面带胶，以实现在料带的旋转过程中使带胶面处于上方，在贴标运行过程中料带为不断移动状态，此时需要多个滚筒对料带实现拉紧、转弯、废料带的收集，因此再料带的运行过程中滚筒的作用是支撑料带，由于料带的底部无胶故滚筒的放置应与料带的底面接触，当标签带胶面处于上方时与瓶身接触后利用双面胶的粘性即可完成贴附，如下图2.4所示；图2.4料带驱动机构示意图2.5滚筒装置贴标机滚筒是指用于将标签贴附到物体表面的圆筒状零件。滚筒通常由一个中心轴和多个贴标辊组成，其外表面涂有橡胶或聚氨酯等材料，用于保证标签贴附的牢故和稳定性。贴标机导轨通常采用金属材料制造，如铝合金、不锈钢等。材质需要具备足够的刚性和耐磨性，以确保贴标机长时间运行时不会出现变形和损坏。导轨的形状需要与标签尺寸相匹配，并能够确保标签在运行过程中不会发生滑动和脱落。常用的导轨形状包括直线导轨、V型导轨等，本次设计采用直线导轨。图2.5滚筒导轨示意图2.6贴标装置贴标机构的功能要求是能够在一定的时间内连续地供送标签纸，其中的关键是将标签剥离标纸装置和抚平标签的装置。大体方案如图:图2.6贴标装置机构简图标签纸会有些硬度，保证标签在传送和粘贴的过程中的整洁和光滑，并且不发生形变或着弯曲的现象。剥签装置剥离标签的原理如下图所示:图2.7剥离过程示意图当标签随着送料机构传送运动到剥标板的弯曲处时，标签开始受到底带的作用沿着剥标板的端曲面弯曲，当标签弯曲到一定程度时，其挺度将克服底带的粘附力而回弹，回弹后，标签将以牵引速度前进，由于粘附力所作的功小于标签的动能，标签将不再向下弯曲。

第3章整体结构设计3.1总体布局设计根据选定的方案进行总体布局设计，由于贴标机的动力是来自驱动电机的后备传动轴因此在总体布局时只对机具进行单独的布局，布局完成的草图如下图所示图3.1贴标机的草图1－前标2－托平台3－止瓶星轮4－链道5－分瓶螺杆6－进瓶星轮7－进出瓶导板8－出瓶星轮9－后标10－取标转鼓11－贴标转鼓3.2传动机构的设计3.2.1进瓶装置进瓶螺旋的设计进瓶机构由进瓶螺杆，停瓶星轮，侧板，进瓶星轮，中心导板等组成。进瓶螺杆是由传动系统带动进行运动的，可以将传送设备送来的瓶体引入螺杆槽中，通过螺杆的推进作用使瓶体向前运动，并通过螺杆槽将塑料瓶分隔一定距离，到了出口处，将瓶体传输至由星轮和中心导板构成的传递机构，从而达到按顺序、按一定距离送入瓶体的效果。进瓶螺旋杆每次旋转一圈，从进瓶螺杆进口处引入一个塑料瓶，螺旋槽内的瓶向前推进一段距离后，螺杆出口处放出一个瓶子。通过对上述运动的描述，我们可以看出，进瓶机构中的进瓶螺旋杆起到了最大的作用，为了实现定间距、定时的送料的工艺要求，该螺杆必须符合下列条件：（1）使瓶子顺利进入螺旋式凹槽；（2）瓶子在进瓶螺旋杆上移动时要保持平顺；（3）瓶子和星轮能够完好的接触。在传送瓶子运动中，为了减轻速度变化或者是加速度的改变带来的运动变化而造成的震动，在螺旋杆的首节应使用恒定速度变化的螺旋，即其螺距相同。螺旋杆的最后一段是和星形拨轮相过渡的，因此螺杆的螺距应该与星轮的节距一致。螺旋杆的中间段螺旋在与星轮接触之前，螺距应逐步变化，这样中间部分就是加速段。加速段的目的是让瓶子的速度在瓶子到达与星轮完全啮合前加速到与星轮的线速度相同，等加速结构简单，是一种较好的改变螺距方法。进瓶螺旋设计：输入等速段：首先确定出入等速段螺距：；。—输入等速段螺旋槽外沿的轴向宽度（螺旋槽宽度）；—输入等速螺旋槽的截面宽度（3~5mm取）；—两相邻瓶罐主题部分的外廓间距；—瓶罐主体半径。外螺旋线：应其展开图形为一条斜直线，故相应轴长度；；；（螺杆的内直径）。周向展开长度：；(3-1)。(3-2)螺旋角：∵(3-3)∴。故螺杆的速输入速度：(3-4)1）变加速段：此段供应加速度由零值正弦函数变化规律增加为某一最大值：；(3-5)即相应的供送速度轴向位移：；(3-6)；(3-7)、分别表示瓶罐移过行程和最大行程所需要时间。下面确定、、由边界条件：；；；；；；；。并取、式中和分别表示变加速段螺旋圈数的任意值和最大值：；（取）；；则：；(3-8)外螺旋线轴向展开长度的任意值和最大值：；(3-9);(3-10)2）等加速度：则相应的供送速度及轴相位移；；(3-11)；；；；则外螺旋轴向展开长度：；；3.2.2驱动电机的选择驱动电机的作用的驱动料带绕支撑机构进行运动，实现标签的移动，因此需要对驱动电机的功率进行选择，根据相关文献参考目前普遍自动贴标机的实际料带的驱动功率为200W，结合实际滚筒损耗、转轴损耗、料带损耗等对实际的电动机功率进行选择；式中：P:实际功率需求W；M：电动机输出功率W;:转轴效率取0.95；：滚筒效率0.95；：料带效率0.76；因此电动的额定功率应≥291.59W，完成电动机的转速再对电动机的输入转速进行计算，根据相关资料了解到，实际料带的运转速度不得大于0.2m/s，结合滚筒的半径，计算如下；式中：N：转速r/s；V：速度mm/s；C：滚筒周长mmr：滚筒半径mm；根据计算结果选择的电动机的型号为H3V24-300，参数为：额定电压24V、功率为300W。3.3贴标轴的设计根据上文的设计对贴标轴的尺寸进行设计，结合贴标轴输入功率对轴径进行初步的计算，完成计算后根据受力合成对贴标轴进行强度的校核，其参数为额定转矩为6N/m，根据此参数对取标轴进行计算设计，计算如下；式中：C：轴的材料系数，按扭转刚度取9.3；P：输入功率W；N：输入转速r/min；：材料屈服应力45钢355Mpa；图3.2贴标轴三维图3.4贴标转鼓直径及进出瓶星轮直径的设计在设计贴标转鼓直径及进出瓶星轮直径前要先计算出贴标机的一些基本尺寸。为此要先假设出贴标机的生产率及瓶子高度直径等基本参数。假设：生产率24000瓶/小时，瓶颈D=56-76mm，瓶高H=160-290mm，瓶口直径d=13-16mm.每年300天，每天两班，每班8小时。由瓶的直径，确定出托瓶板直径d=96,其各瓶之间的距离为48mm，18个托瓶板等分圆周后其圆心角为24度，由托瓶板直径可得到各段对应的弦长，查零件手册知。即每两个托瓶板所夹的角，由瓶直径知各段所对应的弦长；；比率：（3-12）；；（3-13）实际尺寸：；；；；（3-14）为托瓶台的周长：；(3-15)1、贴标转鼓直径的确定：（六个工位）；(3-16)；图3.3贴标轴转鼓1－螺钉2－推标海绵3－支撑板4－标夹挡块5－取标夹6－螺母7－螺栓8－弹簧9－摆杆10－滚子11－凸轮12－螺钉13-铜套2.进出瓶星轮直径的确定：(3-17)；去（十八个工位）3.5输送装置链道板的设计输送瓶链道板采用1Cr18Ni9Ti制成,1Cr18Ni9Ti用于制作耐酸容器，抗磁仪表、医疗器械，具有较好耐腐蚀性。下图为尺寸设计及孔的位置。图3.4链道板3.6止瓶装置止瓶星轮设计止瓶星轮采用含油尼龙制成。含油尼龙：这种铸型尼龙是一种自润滑尼龙，是专门为制造不能润滑、负载高以及运行速度低的零件而开发的，它比一般尼龙的磨擦系数低而耐磨性得到提高。止瓶星轮通过气动控制。其设计尺寸根据瓶型设计。第4章控制系统的设计4.1控制方案的设计自动贴标机的控制方案根据上文的结构设计对控制方案进行对比分析设计，其中自动贴标机的工作流程是工件从入料口进入，经输送机构带动瓶身旋转，再利用旋转运动结合气缸对载带的标签进行贴合，因此控制方案应符合结构部分的设计方向，其中需要通过自动化控制系统控制的部件有气缸、气缸电磁阀、电磁传感器、驱动电机，因此可通过单片机或PLC进行控制，单片机控制方案的优势为体积小，可实现复杂动作的实现，而本设计的机构运行复杂程度较低，因此选择PLC作为控制系统，其型号根据所学知识选择为西门子S7-200型号PLC。4.2控制系统组成部件控制系统是机械电子结合的关键系统，也是整个自动贴标机按预定目标运行的控制机构，自动贴标机的组成有：（1）PLC，西门子PLC可通过梯形图编写程序，具有程序逻辑清晰、有利于程序的升级以及后期的更改，同时PLC可通过仿真程序对其编写逻辑程序的进行仿真验证。（2）气缸：当工件完成标签粘贴后需要通过气缸的推动作用完成下料（3）气缸电磁阀：气缸若通过PLC进行控制需要搭配气缸电磁阀，PLC可通过数字信号的输出控制电磁阀的开关、换向等。（4）驱动电机，驱动电机的作用是驱动标签料带旋转以及瓶体的移动及旋转。（5）电磁继电器，PLC输出的弱点数字信号需要结合继电器对电动机的启停实现控制。4.3I/O接口的分析分析自动贴标机的功能输入输出进行分配，首先应具备基本功能运行指示灯，即电源指示灯、运行指示灯、停止指示灯、物料报警灯，其中电源指示灯用于显示电源供电情况为Q0.0，运行指示灯用于提示机构正在运行中Q0.1，停止指示灯用于提示机构处于通电停止状态Q0.2，物料报警灯用于感应工作位置是否有瓶子存在，若没有亮灯报警，标签载带驱动电机Q0.3，气缸电磁阀用于控制气缸伸出设置为Q0.4，输入端口的分配有启动、停止开关、紧急停止开关用于控制机构的启动与停止以及紧急情况下的急停，I/O表如下表所示；表4.1I/O分配表输入功能输出功能I0.0I0.1I0.2I0.3启动关闭急停光电开关Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5电源指示灯运行指示灯停止指示灯电机运行气缸伸出电磁阀气缸收回电磁阀4.4程序的分析程序的设计首先满足PLC梯形图编写规则，否则所编写的程序无法运行，首先设计启动程序，启动程序的作用是按下启动开关后电源指示灯亮灯且料带电动机运行，进行标签粘贴的准备工作，同时网络1还应具备急停按钮，由于I0.0与Q0.0为自锁控制方案，因此若实现急停则需将I0.2设计在Q0.0前，具体程序如下图；图4.1程序图除启动程序外贴标机是利用光电传感器的感应作用进行识别瓶身，当感应瓶身计时器启动，此时计时器开始计时1s，1s后Q0.3启动，控制气缸伸出，推动瓶身完成下料动作，当完成气缸伸出动作后光电开关处于非触发状态，因此通过光电传感器可以控制气缸收回，具体程序如下；图4.2程序图图4.3程序图4.5程序的仿真根据所编写的程序还需进行程序的仿真运行，程序的运行可将程序导入PLC实物中，通过对应接线联通可实现程序的仿真运行，进一步验证程序的准确性，而本设计是通过仿真软件进行程序的仿真，仿真软件的优势在于仿真便利性强，仿真效果清晰，因此将软件导入仿真软件S7-200中，进行仿真，如下图所示。图4.4仿真图启动PLC后手动点击I0.0启动程序Q0.0亮灯，由于I0.0为触点开关，因此手动点击I0.0从而关闭I0.0，此时启动程序通过Q0.0进行自锁，此时Q0.0、Q0.1亮灯，表示贴标机已经处于运行状态，如下图所示；图4.5仿真图完成启动程序的仿真运行，确定启动程序的运行逻辑准确无误后对下料程序进行仿真，当程序启动时，手动点击I0.3表示光电开关感应到瓶身位置，此时计时器启动延迟1s后Q0.3亮灯，表示瓶身标签已粘贴完毕，气缸推动瓶身下料，如下图；图4.6仿真图完成瓶身的下料动作后此时光电开关恢复默认触发状态，此时Q0.4亮灯，表示气缸收回电磁阀触发，完成单个瓶体的标签贴附工作，如下图所示；图4.7仿真图根据上文设计的急停功能可知，程序的仿真需进行紧急情况下的急停仿真，当系统处于运行状态时点击I0.2急停按钮，此时Q0.0、Q0.1、Q0.4熄灭，程序运行终止，如下图所示；图4.8仿真图4.6线路图的设计图4.9接线图

结论本文的设计内容是对塑料瓶贴标机进行设计,本文通过前期的研究明确瓶装产品自动标签的应用范围以及未来市场规模的大小对塑料瓶贴标机进行分析，主要包含国内外发展情况及趋势、研究价值等进行论述，最终根据论述确定性能参数目标。设计方案的确定通过对比分析结合自身设计思维进行确定，对各个机构的多种结构形式展开优缺点分析，明确最终的设计方案，设计阶段利用二维设计、计算校核等方法进行，其中包括外形尺寸、关键轴径的计算、转鼓直径计算和星轮设计，同时对PLC控制系统进行设计，主要利用光电开关感应瓶身位置、电动机驱动料带进行旋转、实现下料，PLC的作用是按本文所设计的PLC程序接受光电开关信号对驱动料带进进行控制，当完成贴标后控制链道推动瓶身实现下料动作。在此过程中，本人对设计的思路和步骤有了初步的了解。以前的课程设计，仅仅是对当时所学到的专业知识进行的一些零散的排练，而这一次的设计是一台完整的机器，这就要求我们要站在一个整体的角度去思考，要从全面的角度来看。要对整个机器的布局和每一个零件进行设计。从最初的想法，到最终的计划，再到最后的设计，最后的修改，最后的确认，这些都是一个很复杂的过程。参考文献常卫花,樊慧贞.贴标机多轴非线性同步控制系统设计[J].包装工程,2021,(15):10-15.陈金鑫.自动贴标机的设计与分析[J].机械制造,2021,(05):12-14.吕偿,谢远霞,代英英.纸张分页贴标机的设计与研究[J].包装与食品机械,2021,(05):14-16.常卫花,樊慧贞.贴标机多轴非线性同步控制系统设计[J].包装工程,2021,(15):7—9.伍贤洪,梁庆,周文军.适用于智能化生产的实时打印贴标机设计[J].装备制造技术,2020,(04):34-35.周晶,李俊陶,叶兆杰,等.玻璃贴标机上下料机械手的开发[J].机械制造,2020,(03):56-57.马博文,麦云飞.一种新型贴标机贴标部分结构设计[J].农业装备与车辆工程,2019,(12):59-69.邓浩.贴标机剥离机构参数性能的研究[J].机械设计,2019,(S1):78-80.李昭,张娇娇,孙建明,等.一次性采血管贴标系统设计[J].包装与食品机械,2019,(03):81-84.胡楠,马月辉.全自动智能取料试管贴标机研制[J].