1、第十章 包装机设计l 第一节 概 述l一、包装机设计的基本要求l 1 包装机的功能与应用范围l A、包装机的功能,是指其所能完成的包装工序种类；l B、应用范围，是指其包装不同物品的能力，包括所能包装物品的种类与所能采用的包装材料的种类。l2 包装质量与生产率l (1)包装质量：影响包装质量的因素很多,它即与被包装物品包装材料的性能以及所用的包装技术方法有关,l也与包装机的质量及其使用条件和操作者的技术熟练程度有关。对包装机而言，要考虑以下两方面。l a、包装成品得质量l b、被包装物品和包装材料的损耗l (2)生产率l 3 自动化与自动控制l 4 制造与维修l （1）提高包装机的系列化、零部
2、件的通用化和标准化程度。l （2）提高结构工艺l l5、操作条件与工作可靠性l 包装机的操作、装卸物料、排除故障、维修保养等工作应省时、省事、省力；被包装物品规格变化时，有关工作部件的调整或更换要方便迅速。l 6、经济性与其它l 包装机的经济性问题，就是要求制造成本低、功率消耗少、使用寿命长、运输、安装、维修方便和生产率高。还要求包装机占地面 积小，外型美观。l二、包装机设计的一般步骤l 包装机的设计过程一般分为总体设计、技术设计和审核鉴定等三个阶段。l1、总体设计l（1）可行性分析l 可行性分析要弄清和解决以下几个问题：l a、用户的需要，即包装产品和包装材料的类型，以及产品包装方式。l b
3、、根据用户要求，确定包装机的设计内容和该机的使用部门，明确它的功能、应用范围和须达到的技术经济指标。l c、了解当前同类型包装机的发展情况。l d、构思设计方案，从工作原理、技术性能和经济效应三方面分析比较各方案的优劣点。l（2）初步设计l 2、技术设计l 将设计方案具体化，拟订包装机的各要素、总体布局、编制工作循环图和主要技术参数。l 3、审核鉴定l 第二节 总体方案设计的基本内容l l 总体方案是技术设计的前提和依据。总体方案设计的好坏对项目的成败和技术性能优劣有着决定性的影响。为此，特强调以下几点：l（1）注意市场调查和预测。l（2）继承与创造相结合，尽量采用新技术。l（3）对于尚无确切
4、把握的新方案，应进行必要的实验。l（4）处理好使用和制造的关系，首先应满足使用要求，这是由工艺装备的特性决定的。l一、确定功能与应用范围l 确定包装机的功能和应用范围，须注意以下两个问题：l（1）可靠性。在一般情况下，功能增加包装操作环节也增多，故障发生的可能性也相应的增大。l（2）适应性。包装机的功能愈多，结构也愈复杂。因此常将多功能包装机设计成组合的形式，就是说可根据用户的不同需要灵活增加或改装某些组合部件。对于批量大、品种规格稳定的产品（如香烟），应把提高生产率、包装自动化程度及组成高效包装自动线方在首位，一般采用专用包装机。l 批量中等、品种规格需要调换的产品，一般采用多用包装机。l
5、批量小、品种规格经常变化的产品，一般采用同用包装机。l二 工艺分析l 工艺分析是研究。分析和确定所设计的包装机完成预定包装工序的工艺方法。鉴于工艺方法欲包装工序类别、被包装物品和包装材料的特性、以及包装质量和生产率等因素有密切的关系需着重注意以下几个问题：l（1）包装方式l a、把保证包装质量放在首位，不论选取或革新某种包装方式，都要适应被包装物品和包装材料的特性。l b、当有多种方式都能满足要求时，应选取容易实现的方案。l（2）机器类型l a、单工位与多工位l 选择工位的依据：l (a)根据包装执行机构的多少选择。l (b)根据生产率的高低选择。lb 间歇运动与连续运动l 间歇运动：物品由一
6、个工位转移到另一个工位作间歇运动。主要包装件可在物品静止时完成，因此执行机构的运动形式和结构比较简单。但间歇运动的惯性力和冲击现象不利于提高生产率。l 连续运动：物品及主传送系统均作连续等速运动，当执行机构较少、生产率较高时可选用这种形式。l c 单头与多头l 单头与多头，特指连续运动多工位包装机为完成同一包装操作所配备的执行机构的数目。l 单头连续运动多工位包装机：完成每一包装操作的执行机构只有一个,即每一物品的包装操作都依次经过所有执行机构的包装机。l 多头连续运动多工位包装机：完成同一包装操作的执行机构有多个包装机。l（3）包装程序、工艺路线和工位数l a、包装程序是指完成各个包装操作的
7、先后顺序。包装方式往往决定包装程序。l b、包装工艺路线包括包装材料和被包装物品的供送路线、以及它们在包装过程传送路线、包装成品的输出路线。l 对于单工位包装机，只须确定被包装物品的供送路线、包装材料的供送路线，以及包装成品的输出路线。l 对于多工位包装机，从被包装物品和包装材料输入到成品输出的传送路线可以有多种形式：直线型、阶梯型、圆弧型和组合型。l直线型：物件在包装过程中的运动路线为一直线。l 根据其运动方向可分为立式和卧式两种。l 如图91所示。l 阶梯型：物件在包装过程中兼有垂直和水平两个方向运动。l 它主要用于折叠包装对折叠处须热封的尤为为适用。l圆弧型：物件在包装过程中沿圆弧轨道运
8、动。l 圆弧型灌装机的工艺路线图：如图93所示。l 糖果裹包机的工艺路线图：如图94所示。l组合型：物件在包装过程中即作圆弧运动，又作直线运动，成为圆弧与直线组合型工艺路线。l 组合型工艺路线图：如图95所示lC、工位数是指在多工位包装机上从输入到输出工位区间内所包含的物品数目。lD、工艺路线图常用有两种表达形式：l （a）是用轴测投影图表示，常用于使用说明书。l （b）是用投影图表示，为设计工作需要。l 盒装饼干商标纸裹包机工艺图：l（4）运动要求和机构选型l 首先，分析需要那些执行构件来完成被包装物品的计量、整理和供送，包装材料的整理和供送，包装操作和成品输出。机构的选型及其综合时应考虑到
9、的要求和条件。l 运动精度主要有：l a 运动规律l b 承载能力和工作速度l d 总体布局l e 使用要求和工作条件l 三、总体布局l 总体布局就是包装机的有关组、部件在整机中相对空间位置的合理配置。总体布局的步骤是布置执行机构、布置传动系统和布置操作件，确定支承形式和绘制总体布局图l （1）布置执行机构l 布置执行机构是布置被包装物品的计量与供送系统、包装材料整理和供送系统、主传送系统、包装执行机构和成品输出机构。l 首先，根据包装工艺路线图将各个执行构件布置在预定的工作位置上。l 然后，布置执行机构的原动件，对于气液压传动，主要是安排汽缸和油缸的位置。对此，须注意两点：使执行机构简单紧凑
10、，尽量减少机构的构件数和运动副，并尽量减少其几何尺寸和所占的空间位置。要求原动件尽可能地布置在一根或少数几根轴上。l（2）布置传动系统l 布置传动系统，包括安排动力机、变速与调速装置、传动装置、操作与控制装置以及辅助装置等的位置。布置传动系统时须注意的问题：l a、选用的方案应力求结构简单、传动链短、传动精度和 传动效率较高，且容易配置。l b、充分利用机体和支承机架的内部空间，将动力机和传动件尽量布置在内部和侧面，以缩小机体外型。l c、在布置传动件时应使各执行机构动作协调。l d、为了便于调试，机械传动的手动调整装置安装在操作者能够观察到有关执行机构工作情况的位置。l（3）布置操作件l 须
11、注意以下问题：l a、常用操作件尽量布置在操作者近旁，当机器的外型较大时而须在几个位置操作时，可采用联动的措施。l b、包装机工作台面的高度一般在700-900mm之间的范围内选取。l c、操作者应经常注意包装操作最集中和最易发生故障的部位。l d、温度、压力、转速、计数等仪表，以及信号灯、报警器、安全阀和 有关铭牌等，都应布置在操作者容易观察、安全可靠、便于维护的位置。l（4）选择支承形式l 包装机的支承件有底座、箱体、立柱、横梁等。支承件的作用是使各有关零部件正确定位并保持其相对位置。l 对支承件的要求是：l a、足够的刚度，支承件在承受最大载荷时的变形不超过允许值。l b、足够的抗振性，
12、使机器能稳定可靠地工作。l c、重量适中。力求节省材料，容易搬运。l d、便于零部件安装调试，操作保养和机器的吊运安装。l f、外型美观，给人以调和、匀称、稳定、安全的感觉。A、刀具或其它易损件需定期停机更换或调整。3 自动化与自动控制Q=1/（pcs/s）。5、连续作用型包装机的f=0，其中Qi=K，=1：所以，从生产率观点看，连续作用型优于间歇作用型。为包装的循环时间，由基本工艺时间k与辅助时间f两部分组成。(a)根据包装执行机构的多少选择。a、包装成品得质量b 工作循环图表示了各执行机构的运动与停留的时间关系和顺序。可行性分析要弄清和解决以下几个问题：选择工位的依据：还要求包装机占地面
13、积小，外型美观。理论生产率，包装机在正常工作状态下运转时，单位时间内包装出的产品数。提高系统的可靠度的最常见的方法是采用零部件并联系统，避免或减少零部件串联系统。然后，布置执行机构的原动件，对于气液压传动，主要是安排汽缸和油缸的位置。但实际生产率总低于理论生产率。l（5）绘制总体布局图l 总体布局图要求表示出包装机各部件的相对位置关系和所占空间大小。在总体布局图上，应将总体布局的结果表示清楚，并标注出机器的主要外廓尺寸和各部件间的联系尺寸。l 糖果裹包机的总体布局简图：如图97所示l四 编制工作循环图l 1 工作循环图的含义l 对于自动机或半自动机，工作循环图也称为运动循环周期表，它表示在一个
14、运动循环周期内各执行机构的运动规律几工作顺序。工作循环图通常有圆环型和直线型两种表达方式。l 直线型工作循环图的表示方法：取一条水平线段表示一个运动循环周期，将各个执行机构在此周期的运动状况表示出来，即得到直线型工作循环图。表示运动状况的方法一般是：执行机构在某段时间内如是运动的，可用斜直线表示；如是静止或做连续匀速转动及振动的，则可用平直线表示。(a)根据包装执行机构的多少选择。对包装机而言，要考虑以下两方面。提高系统的可靠度的最常见的方法是采用零部件并联系统，避免或减少零部件串联系统。包装机的功能愈多，结构也愈复杂。但实际生产率总低于理论生产率。第十章 包装机设计=K1/(1+Kf)3 工
15、作循环图的用途A、包装机的功能,是指其所能完成的包装工序种类；力求节省材料，容易搬运。提高系统的可靠度的最常见的方法是采用零部件并联系统，避免或减少零部件串联系统。即:P1(t)=1-R1(t)。根据其运动方向可分为立式和卧式两种。l由于在设计执行机构如凸轮机构，连杆机构时确切知道执行构件的运动与分配轴转角之间的关系，因此在编制机械传动的包装机的工作循环图时，通常要将这种关系表示出来。对此，须注意以下两点：l a 运动循环周期不一定包装一件产品的时间。l b 工作循环图表示了各执行机构的运动与停留的时间关系和顺序。l 编制工作循环图的根本目的在于保证执行机构的运动能够按工作要求取得密切的配合，
16、并尽量缩短运动循环时间，以便顺利完成包装并有较高的生产率。l 捆扎机的工作循环图：l2 编制工作循环图的要点l （1）拟订运动规律l 根据完成包装操作所要求的工艺时间和许用的速度与加速度等，拟订各执行机构的工作行程、回程和停留时间。l （2）确定运动配合l 按照包装程序的要求，安排好各执行机构的动作配合关系。首先必须保证各执行构件、被包装物品和包装材料在运转时互不发生时间和空间上的干涉；其次尽量增加各执行构件在工作时间上的重叠，以便缩短循环周期。l（3）绘制运动循环图l 根据初步拟订的运动规律和动作配合，绘制工作循环图。对于机械传动，还要将执行构件运动与时间的关系转换为与分配轴转角的关系。5、
17、连续作用型包装机的f=0，其中Qi=K，=1：所以，从生产率观点看，连续作用型优于间歇作用型。D、工艺路线图常用有两种表达形式：然后，布置执行机构的原动件，对于气液压传动，主要是安排汽缸和油缸的位置。力求节省材料，容易搬运。间歇运动：物品由一个工位转移到另一个工位作间歇运动。多头连续运动多工位包装机：完成同一包装操作的执行机构有多个包装机。一般情况下，f不为零，所以，d、为了便于调试，机械传动的手动调整装置安装在操作者能够观察到有关执行机构工作情况的位置。第三节 包装机生产率分析提高系统的可靠度的最常见的方法是采用零部件并联系统，避免或减少零部件串联系统。布置传动系统时须注意的问题：l 3 工
18、作循环图的用途l （1）通过编制工作循环图，确定了执行机构的运动规律，保证执行机构的动作能够充分协调配合，有助于提高生产率所设计的包装机的生产率 l（2）通过编制工作循环图，可以了解影响生产率的主要因素，从而为采取相应的改进措施提供了依据。l （3）通过编制工作循环图，为下一步的技术设计和装配调试提供了可靠依据。l五、拟定主要技术参数l （1）结构参数l 结构参数反映包装机的结构特征和包装物件的尺寸范围。如包装机列数，包装工位数，执行机构头数，主传送机构的回转直径或直线移距，工作台的宽度和高度，物件的输入高度，成品的输出高度等。l （2）运动参数l 运动参数反映包装机的生产能力和执行机构的工作
19、速度，如主轴转速、物件供送速度、计量与充填速度等。l（3）动力参数l 动力参数反映执行机构的工作载荷和包装机的正常运转的能量消耗，如成型、封口等执行机关的工作载荷，动力机的额定功率、额定扭矩和调速范围，气液压传动的工作压力和流量，以及为完成清洗、杀菌、热封等工序所需的水、气、电和其它能源的消耗量。l（4）工艺参数l 工艺参数反映完成包装工序所用的工艺方法及其特性,如完成包装工序的有关温度、时间、压力、拉力速度、真空度、计量精度等参数。l第三节第三节 包装机生产率分析包装机生产率分析ll 理论生产率，包装机在正常工作状态下运转时，单位时间内包装出的产品数。但实际生产率总低于理论生产率。l 对于间
20、歇工作型包装机，理论生产率Qi，可由包装一件产品的额定时间来确定:lQ=1/（pcs/s）。l 为包装的循环时间，由基本工艺时间k与辅助时间f两部分组成。l即：=k+fl所以 Qi=1/(k+f)l当包装机的各机构均没有辅助时间时 Qi=1/k=KlK称作包装机的工艺生产率。一般情况下，f不为零，所以，lQi=(1/k)/1+(1/k)f=K/(1+Kf)l =K1/(1+Kf)l 令=1/(1+Kf)l则 Qi=K，l 其中是理论生产率与工艺生产率的比值，称为生产率系数，表示包装机在时间利用上的好坏，或工艺过程连续化的程度。连续工作型包装机的生产率系数最高，即=1。l 由此可见，提高生产率的
21、途径是减少基本工艺时间k与辅助时间f。图11-4为生产率系数和理论生产率随K和f变化关系曲线，图中,f,f,f,由生产率系数与理论生产率曲线图可得出以下结论：l1、间歇作用型包装机的理论生产率始终低于其工艺生产率。l2、在工艺生产率相同的情况下，辅助时间f越小，理论生产率越高。l3、对于一定的辅助时间f，理论生产率不可能无限 提 高，而 是 存 在 一 个 极 限 值：Qimax=LIMK/(1+Kf)=1/fl4、在工艺生产率较低的情况下，f对Qi的影响，不如K较高的情况下明显。l5、连续作用型包装机的f=0，其中Qi=K，=1：所以，从生产率观点看，连续作用型优于间歇作用型。l连续作用包装
22、机的工作机一般与产品同步运动的，没有辅助时间f，理论生产率仅由工艺时间决定。对于转盘式连续充填机：l理论生产率可表示为 Qi=60nNl 式中n充填机转盘的转速，r/minl N转盘包装工位的数目,l引起实际生产率下降的原因：A、刀具或其它易损件需定期停机更换或调整。B、包装机某些部件不可靠引起故障停机。C、工作机构调整不当，或物品与包装材不合格，造成正品率下降，相当于损失了正常工作时间。D、产品规格改变时，需停机更换或调整零部件。E、管理不善，停工待料，工人缺勤或迟到早退。所有这些因素造成的停机时间损失均摊到每一件包装产品上，就是循环外时间n 于是实际生产率:QP=1/(k+f+n)包装机工
23、作性能与其可靠性有关，包装机的各部件或元器件的可靠性越高，循环外时间损失就越少，则实际生产率就越接近理论生产率。l评价工作机构的可靠性，可采用可靠度作为指标，所谓可靠度，是指该机构运行到时间t时无故障的概率，记为R(t)。假定故障出现是独立的随机事件，可靠度服从负指数分布，即R(t)=e-t。式中机构的故障率，表示机构在单位时间内出现的平均故障次数。l 初期的故障阶段主要暴露出设计制造阶段中存在的问题。偶发故障阶段是由随机因素引起的。l在可靠性的研究中，主要研究机器在偶发故障阶段的故障率大小。提高系统的可靠度的最常见的方法是采用零部件并联系统，避免或减少零部件串联系统。R(t)=e-t一个部件在时间内出现故障的概率为R1(t)=1-P1(t)=e-t。或用可靠度表示其概率，l即:P1(t)=1-R1(t)。l当两个相同部件并联时，两个部件同时在（0,t）区间内出现故障的概率为：lP2(t)=P1(t)P1(t)l二部件并联系统的可靠度为：lR2(t)=1-P2(t)=1-1-R1(t)2l
