机械毕业设计（论文）-蓄电池外壳热封口机设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 蓄电池外壳热封口机设计蓄电池外壳热封口机设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 0923120 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 蓄电池外壳热封口机 设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除 了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕 业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 班 级： 机械 93 II 学 号： 0923120 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 蓄电池外壳热封口机设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 课题来源于生产实际。 目前我国蓄电池塑料盒封口设备比较落后，基本为手工和半自动封口，不 但存在许多安全隐患，而且工人的劳动强度大，生产能力非常小，包装质量很 难保证。本设计为一台蓄电池外壳热封口机设计，用于某集团公司的蓄电池塑 料盒的盒盖与盒身的焊接封口。该封口机既可以提高劳动生产率，减轻工人的 劳动强度，同时还可以消除安全隐患，提高了塑料盒封口设备的自动化和先进 性，而且产品的封口质量更容易保证。 通过设计这台机器，可以让学生掌握相关的知识及技能，传授给学生整体 的设计方法、设计理念，对提高学生的综合分析问题和解决问题的能力及社会 竞争力有积极的作用。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 1.通过该设计使学生熟悉机械设计的一般思路。 2.使学生掌握机械设计的方法和技巧。 3.通过设计巩固机械制图、机械设计、液压与气动等课程的基础知识。 II 4.完成主要部件的参数计算。 5.完成标准件的选用。 6.完成零、部件图 8 张以上。 7.完成塑料盒封口机总装图 1 张。 8.撰写毕业说明书一份。 计算正确完整，文字简洁通顺，书写整齐清晰。 论文中所引用的公式和数据应注明出处。 论文字数不少于 1.5 万字。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 93 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所所长学科组组长研究所所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 封口机是一种包装机械，目前在我国非常落后，特别是火工产品包装设备，基本为 手工和半自动包装。本设计为设计一台全自动塑料盒封口机，用于蓄电池的包装。通过 对封口机的使用条件、功能及设计参数的分析，将机器的总功能分为功能元，提出各功 能元的最优方案；根据最优方案进行结构设计、具体零部件的材料选择、强度计算，最 终确定零部件结构尺寸；再根据总体方案进行系统的总驱动、总控制设计。经过一番对 气动系统和控制系统的研究，了解其工作原理及控制方法，就可以认识到封口机的工作 过程。 蓄电池外壳热封口机的基本结构设计是由一个机架组架、上料传动机构、上下料机 构、精密模架双头封口机构、气缸-连杆増力机构和气动系统、液压缸-连杆増力机构和液 压系统、电器控制系统及软件。其所实现的快速封口主要由上下料机构决定，其主要由 三个气缸-连杆机构统和三个具有双圆弧的推动薄片所形成的动力系统，盛放上下料机构 的侧立板以及其上的定位装置和精密模架双头封口机构。 此封口机通过气缸来实现盒子的运动，加热，冷却及夹紧。通过此封口机，可以实 现人力的解放，并更好的保证了产品的安全，提高包装质量，提升生产效率，进而获得 更大的利润。 关键词：关键词：封口机；包装机械；功能；气动系统；控制系统 IV Abstract Sealing machine is one kind of packaging machinery, we are currently lagging far behind other country, especially the explosive product packaging device, basically depend on the manual and semi-automatic packaging. The design of the plastic box of automatic sealing machine is use for Storage battery fully. Sealing machine through the use of the conditions, functions and design parameters of the analysis, the overall function of the machine is divided into functional element, the element of the function of the optimal program; in accordance with the structural design of the optimal program, the specific components of the material selection, strength calculated to determine the ultimate size parts; overall plan is based on the total driving system, the total control design. After a series of pneumatic system, control system research and then you can understand its working principle and control methods, and it will show you the work of the process of sealing machine. The basic structure of the battery casing heat sealing machine is designed by a rack set of frame transmission mechanism, feeding, loading and unloading mechanism, precision mold base double sealing mechanism, cylinders - rod increase the force of institutions and pneumatic systems, hydraulic cylinders - rod increasing force agencies and hydraulic systems, electrical control systems and software. The rapid sealing of its achievement is mainly determined by the upper and lower feed mechanism consists of three main cylinder - linkage mechanism system , three double sheet in promoting the formation of the power system, in full bloom the lateral plate of the upper and lower feeding mechanism and on the positioning device and precision mold base stud sealing mechanism. The Sealing machine transits the cylinder to achieve the movement, heating, cooling and clamping of the box. Through the sealing machine, you can achieve the liberation of human and it can better guarantee the safety of the product and improve the quality of packaging and elevate product efficiency, then earning more profit. Key words: Sealing machine； packaging machinery；function； pneumatic system； control system V 目目 录录 摘 要.III ABSTRACTIV 目 录 V 1 绪论.1 1.1 本课题的研究内容和目的.1 1.1.1 本课题的研究目的1 1.1.2 本课题研究的主要内容1 1.2 国内外的发展概况.2 1.2.1 包装机械的概述2 1.2.2 封口机的概述3 1.2.3 封口机的国内外研究情况4 1.3 自动化生产线技术概述.4 1.3.1 自动生产线的发展历程4 1.3.2 自动化技术的发展趋势6 2 课题解析及其任务设计.7 2.1 课题背景及意义7 2.2 塑料盒设计内容及技术参数 、要求7 2.2.1 设计用途7 2.2.2 设计技术参数7 2.2.3 塑料盒技术要求8 2.3 进行该设计的知识准备.8 3 总体方案的制定与设计.9 3.1 塑料盒的总功能分析.9 3.2 功能分解.9 3.2.1 塑料盒封口功能的分解10 3.2.2 塑料盒自动输送功能的分解10 3.2.3 过程控制10 3.3 各功能元的原理方案设计、分析、评价及选定.11 3.3.1 常用的封口形式11 3.3.2 封口装置的移动12 3.3.3 封口参数的制定13 3.3.4 塑料盒的定位13 3.3.5 塑料的夹紧14 3.3.6 塑料盒的移动14 3.3.7 塑料盒的驱动15 3.3.8 塑料盒输送的控制15 3.4 蓄电池外壳热封口机的组成及工艺流程.15 VI 3.4.1 封口机的工艺流程15 3.4.2 封口机的主要装置15 4 加热装置的设计.16 4.1 气缸的设计及计算.16 4.1.2 确定气缸行程16 4.1.3 确定气缸结构类型16 4.2 加热模板的设计.17 4.2.1 技术关键17 4.2.2 结构设计17 4.2.3 材料的选择18 4.3 加热装置的其他结构的设计.18 4.3.1 隔热的设计18 4.3.2 加热装置位置调整设计18 5 冷却装置的设计.20 5.1 冷却模板的设计.20 5.1.1 冷却模板设计的技术关键20 5.1.2 冷却模板的结构设计20 5.2 冷却装置的结构设计21 6 盒输送装置的设计.22 6.1 盒输送装置设计原理.22 6.2 盒输送气缸设计、计算22 6.2.1 气缸类型及结构的选择22 6.2.2 气缸参数计算22 6.3 推板导向装置23 6.3.1 直线导轨副类型的选择23 6.3.2 滚动直线导轨的参数选择计算23 6.3.3 选型24 7 蓄电池外壳热封口机总体设计.26 7.1 气压传动系统的设计.26 7.2 控制系统的设计.26 7.2.1 控制流程图26 7.2.2 IO 点分配.28 7.2.3 程序梯度图29 7.3 封口机的机架设计.29 7.4 封口机的总装图.30 8 结论与展望.31 8.1 结论31 8.2 不足之处及未来展望31 VII 致 谢.32 参考文献.33 蓄电池外壳热封口机设计 1 1 1 绪论绪论 1.1 本课题的研究内容和本课题的研究内容和目的目的 1.1.1 本课题的研究目的本课题的研究目的 目前我国蓄电池塑料盒封口设备比较落后，基本为手工和半自动封口，不但存在许 多安全隐患，而且工人的劳动强度大，生产能力非常小，包装质量很难保证。本设计为 一台蓄电池外壳热封口机设计，用于某集团公司的蓄电池塑料盒的盒盖与盒身的焊接封 口。该封口机既可以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度，同时还可以消除安全隐患， 提高了塑料盒封口设备的自动化和先进性，而且产品的封口质量更容易保证。 1.1.2 本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容 1）蓄电池外壳热封口机的基本结构设计是由一个机架组架、上料传动机构、上下料 机构、精密模架双头封口机构、气缸-连杆増力机构和气动系统、液压缸-连杆増力机构和 液压系统、电器控制系统及软件。其所实现的快速封口主要由上下料机构决定，其主要 由三个气缸-连杆机构统和三个具有双圆弧的推动薄片所形成的动力系统，盛放上下料机 构的侧立板以及其上的定位装置和精密模架双头封口机构。其运行过程为蓄电池在上料 传动机构上运行到指定位置，气动-连杆机构启动，推动双圆弧薄片将两个电池推到上下 料机构上，在固定的定位系统上定位，液压缸-连杆机构启动，通过机架组传动系统使精 密模架封口机构快速向下运动，是电池快速封口，在向上运动，回到原来的位置，第二 个气缸-连杆机构启动，将两个电池推到横向定位系统上，第三个气缸-连杆机构运行，将 两个电池推到上料传动机构上运到包装线上。由电器系统和软件控制的上述气动和液压 系统，使其连续不断的进行生产。其中第二和第三气缸-连杆机构可以同时启动，这样可 以节省时间提高效率。架组件包括方形机架及其地脚，在方形机架上安装有下支板、中 支板和上支板；在下支板和中支板之间对称安装有两个支撑筒，支撑筒内分别安装有拉 杆，且拉杆过中支板与上支板连接；在两个支撑筒中间，下支板上安装液压缸-连杆机构 及液压系统。在中中支板和上支板之间安装精密模架双头封口机构；在中支板上面安装 着上料传动机构和上料传动机构的侧立板，侧立板的中间部位安装有上下料机构；中支 板下面安装有气动系统；电器控制系统安装在所述的方形机架的右端。 2）蓄电池外壳热封口机结构的优化：紧密的排放各种机构节省空间，将机构的各个零 件打磨，在不影响精度的情况下节省材料、美观、安装方便。改良电器控制统及软件， 使其不断的进行加工并且不互相干涉。 3）蓄电池外壳热封口机结构的二维图是由机构的主视图、俯视图、液压缸-连杆机构的 局部视图，电器控制系统电路图、气动系统和液压系统的控制系统回路图。 4）蓄电池外壳热封口机的机构的三维图包括各个零件的三维立体图和由各个零件装配 所形成的装配图组成。 无锡太湖学院学士学位论文 2 1.2 国内外的发展概况国内外的发展概况 1.2.1 包装机械的包装机械的概述概述 包装机械是指能完成全部或部分产品和商品包装过程的机械。包装过程包括充填、 裹包、封口等主要工序，以及与其相关的前后工序，如清洗、堆码和拆卸等。此外，包 装还包括计量或在包装件上盖印等工序。使用机械包装产品可提高生产率，减轻劳动强 度，适应大规模生产的需要，并满足清洁卫生的要求。 从广义角度而言，新中国成立之后，我国的基础包装机械工业才开始起步，经过半 个多世纪的发展，和国际先进水平仍然有不小的差距，一些技术含量高的包装成套设备 仍需要依靠进口。有资料显示，2005 年我国包装机械产量已达到 67 万台(套)，到 2010 年 将增至 93 万台(套)。目前，我国包装机械已成为机械工业中的十大行业之一。但我国包 装机械出口额还不足这一行业总产值的 5%，进口额却与总产值大抵相当。 当然从整体而言，目前我国大多数据技术较为先进的包装机械的研发还处在仿制阶 级，独立开发的能力还十分有限。为此，不少国外大企业将自己的技术和部件引入中国， 在本土加工,从而降低了成本，与本土产品展开了激烈的竞争。 包装链高度自动化的大部分包装工作，特别是较复杂的包装物品的排列、装配等工 作基本上是人工操作，难以保证包装的统一和稳定，可能造成对被包装产品的污染。因 此，提高整个包装链的自动化水平和质量水平，是非常重要的。真正的现代化包装机械 的每个机械手均应由电脑控制，并具有对材质及厚度的高分辨能力。 业内人士认为，未来包装业将配合产业自动化趋势，在技术发展上朝着机械功能多 元化，结构设计标准化、模组化，控制智能化，结构高精度化等几个方向发展。 机械功能多元化已趋向精致化和多元化方向发展，单品种大批量的产品越来越少， 而多品种小批量的产品日益成为主流。在大环境的变化趋势下，多元化、具有多种切换 功能，能适应多种包材和模具更换的包装机才能够适应市场的需求。例如，在一台泡罩 包装机上既能进行“铝塑”包装又能进行“铝铝”包装，且要求切换简单，所需更换的 模具少。而目前，更换模具的时间一般在 12 个小时，如此长的时间无法适应多品种小 批量的生产要求。 结构设计标准模块化对于传统的工业设计来说，如果想要推出一个新机型，需要进 行大量繁重的工作，还要靠新设备收回高昂的设计成本，从而拉高了新机型的价格。未 来的设计应采用标准化、模块化的设计理念，能够充分利用原有机型的模块化设计，可 以在短时间内将之转换成新机型，把新机型的价格控制在比较合理的范围内。 控制功能智能化控制系统是机械设备的大脑，也是下达动作指令的核心装置。目前， 包装机械生产厂家普遍使用可编程控制器（PLC 控制器），这种设备不具有工业电脑 （PC）所拥有的强大功能。对于多数传统机械控制设备来说，采用 PLC 是适当的，因为 需要控制参数的数量有限，很多地方仍然采用机械方式控制，例如，扭矩控制就是利用 机械离合器来对电机进行过载保护的。然而，随着设备自动化程度的提高，计算机控制 设备越来越多，应用到设备上的各种传感部件、检测部件、控制部件、执行元件的数量 蓄电池外壳热封口机设计 3 3 非常庞大，此时 PLC 就无法对如此众多的参数进行管理和控制了，而工业 PC 将是最好 的选择2。 1.2.2 封口机的封口机的概述概述 封口机是将充填有包装物的容器进行封口的机械，在产品装入包装容器后，为了使 产品得以密封保存，保持产品质量，避免产品流失，需要对包装容器进行封口，这种操 作是在封口机上完成的。封口机是指在包装容器盛装产品后，对容器进行封口的机械。 制作包装容器的材料很多，如纸类、塑料、玻璃、陶瓷、金属、复合材料等，而包 装容器的形态及物理性能也各不相同，因此，所采用的封口形式及封口装置也不一样。 无封口材料封口机。包括热压式、冷压式、熔焊式、插合式、折叠式等封口机。 有封口材料封口机。包括旋合式、滚纹式、卷边式、压合式等封口机。 有辅助封口材料封口机。包括胶带式、粘结式、钉合式、结扎式、缝合式等封口 机。 一般按包装材料的力学性能，它可分以下两类： (1)柔性容器封口装置 柔性容器是用柔性材料，如纸张、塑料薄膜、复合薄膜等制作的袋类容器。这类容 器的封口多与制袋、充填构成联合机，很少独立使用，由于材料不同，其封口装置也不 一样。 纸袋封口装置。对于纸类材料，一般采用在封口处涂刷粘合剂，再施以机械压力 封口。 塑料薄膜袋及复合薄膜袋封口装置。很多塑料具有良好的热封性，用这类塑料制 作的塑料袋或复合袋，一般采用在封口处直接加热并施以机械压力，使其熔合封口。 (2)刚性容器封口机 刚性容器是指容器成型后其形状不易改变的容器，其封口多用不同形式的盖子，常 用的封口机有以下几种： 旋盖封口机。这种封盖事先加工出内螺纹，螺纹有单头或多头之分。如药瓶多用 单头螺纹，罐头瓶多用多头螺纹。该机是靠旋转封盖，而将其压紧于容器口部。 滚纹封口机。这种封盖多用铝制，事先未有螺纹，是用滚轮滚压铝盖，使之出现 与瓶口螺纹形状完全相同的螺纹，而将容器密封。这种盖子在启封时将沿裙部周边的压 痕断开，而无法复原，故又称“防盗盖”。该机多用于高档酒类，饮料的封口包装。 滚边封口机。它是先将筒形金属盖套在瓶口，用滚轮滚压其底边，使其内翻变形， 紧扣住瓶口凸缘而将其封口。该机多用于广口罐头瓶等的封口包装。 压盖封口机。它是专门用于啤酒、汽水等饮料的皇冠盖封口机。将皇冠盖置于瓶 口，该机的压盖模下压，皇冠盖的波纹周边被挤压内缩，卡在瓶口颈部的凸缘上，造成 瓶盖与瓶口间的机械勾连，从而将瓶子封口。 压塞封口机。这种封口材料是用橡胶、塑料、软木等具有一定弹性的材料做成的 瓶塞，利用其本身的弹性变形来密封瓶口。该机封口时，将瓶塞置于瓶口上方，通过对 无锡太湖学院学士学位论文 4 瓶塞的垂直方向的压力将其压入瓶口来实现封口包装。压塞封口既可用作单独封口，也 可与瓶盖一起用作组合封口。 卷边封口机。该机主要用作金属食品罐的封口。它用滚轮将罐盖与罐身凸缘的周 边，通过互相卷曲、钩合、压紧来实现密封包装。 一般封口机由机架、减速调速传动机构，封口印字机构，输送装置及电器电子控制 系统等部件组成。 接通电源，各机构开始工作，电热元件通电后加热，使上下加热块急剧升温，并通 过温度控制系统调整到所需温度，压印轮转动，根据需要冷却系统开始冷却，输送带送 转、并由调速装置调整到所需的速度。 当装有物品的包装放置在输送带上，袋的封口部分被自动送入运转中的两根封口带 之间，并带入加热区，加热块的热量通过封口带传输到袋的封口部分，使薄膜受热熔软， 再通过冷却区，使薄膜表面温度适当下降，然后经过滚花轮（或印字轮）滚压，使封口 部分上下塑料薄膜粘合并压制出网状花纹（或印制标志），再由导向橡胶带与输送带将 封好的包装袋送出机外，完成封口作业4。 1.2.3 封口机的国内外研究情况封口机的国内外研究情况 在封口机行业的发展中，一直伴随着发展起来的塑料封口机就是其中之一，塑料封 口机设备自有它发展 起来的道理，塑料封口机设备主要与人们的生活息息相关，因而应 用范围非常的大，在饮料行业随着包装材 料的发展，多功能保鲜性、选择透过性、耐热 性、无菌(抗茵)性以及防锈、除臭、能再封、易开封性等特性 为塑料封口机设备的发展 起到推动作用，因而在塑料封口机设备的发展中是经济社会推动的必然结果，从而 在各 行业的发展中都有应用到塑料封口机设备的，推动着塑料封口机设备的发展。 技术的进步，是塑料封口机发展长远的前提，在塑料封口机设备的研发中，在封口 方面应用热管和冷封 口技术，在高科技含量的塑料封口机设备的推动下，塑料封口机也 是越来越畅销的，在塑料封口机行业的发 展中，各企业的发展与它选择的行业息息相关 的，塑料封口机这个行业在众多优秀行业中脱颖而出在于它自 身的价值和长远的发展， 塑料封口机地位不可忽视，它带来的不仅是进步还是社会迈向科技的标志以及人类 的探 索发展。星火在封口机行业一直从事塑料封口机设备的研发，将更加投入的发展塑料封 口机设备，为各 行业的发展提供技术与设备支持，全面发展的经济社会中塑料封口机功 不可没。 在塑料封口机行业前景一片大好的时期，要具有忧患意识，在顺境中发展塑料封口 机更迅速些，因而在 塑料封口机行业客户越来越多的同时,要注意客户的要求，这些有可 能是塑料封口机以后发展的方向，是促进塑料封口机的发展可能，在中国数十年的努力 没有白费，作为一个新兴产业，塑料封口机行业会给社会带来巨大成就，科技大发展带 动着塑料封口机的发展。 蓄电池外壳热封口机设计 5 5 1.3 自动化生产线技术概述自动化生产线技术概述 1.3.1 自动生产线的发展历程自动生产线的发展历程 自动生产线是由工件传送系统和控制系统，将一组自动机床和辅助设备按照工艺顺 序联结起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统，简称自动线。 从二十世纪 20 年代开始，随着汽车、滚动轴承、小型电动机和缝纫机等工业发展， 机械制造中开始出现自动线，最早出现的是组合机床自动线。在此之前，首先是在汽车 工业中出现了流水生产线和半自动生产线，随后发展成为自动线。第二次世界大战后， 在工业发达国家的机械制造业中，自动线的数目出现了急剧增加。 采用自动线进行生产的产品应有足够大的产量;产品设计和工艺应先进、稳定、可靠， 并在较长时间内保持基本不变。在大批、大量生产中采用自动线能提高劳动生产率，稳 定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期， 保证生产均衡性，有显著的经济效益。 机械制造业中有铸造、锻造、冲压、热处理、焊接、切削加工和机械装配等自动线， 也有包括不同性质的工序，如毛坯制造、加工、装配、检验和包装等的综合自动线。 自动线中设备的联结方式有刚性联接和柔性联接两种。在刚性联接自动线中，工序 之间没有储料装置，工件的加工和传送过程有严格的节奏性。当某一台设备发生故障而 停歇时，会引起全线停工。因此，对刚性联接自动线中各种设备的工作可靠性要求高。 在柔性联接自动线中，各工序(或工段)之间设有储料装置，各工序节拍不必严格一致，某 一台设备短暂停歇时，可以由储料装置在一定时间内起调剂平衡的作用，因而不会影响 其他设备正常工作。综合自动线、装配自动线和较长的组合机床自动线常采用柔性联接。 自动线的工件传送系统一般包括机床上下料装置、传送装置和储料装置。在旋转体 加工自动线中，传送装置包括重力输送式或强制输送式的料槽或料道，提升、转位和分 配装置等。有时采用机械手完成传送装置的某些功能。在组合机床自动线中当工件有合 适的输送基面时，采用直接输送方式，其传送装置有各种步进式输送装置、转位装置和 翻转装置等对于外形不规则、无合适的输送基面的工件，通常装在随行夹具上定位和输 送，这种情况下要增设随行夹具的返回装置。 自动线的控制系统主要用于保证线内的机床、工件传送系统，以及辅助设备按照规 定的工作循环和联锁要求正常工作，并设有故障寻检装置和信号装置。为适应自动线的 调试和正常运行的要求，控制系统有三种工作状态:调整、半自动和自动。在调整状态时 可手动操作和调整，实现单台设备的各个动作;在半自动状态时可实现单台设备的单循环 工作;在自动状态时自动线能连续工作。 控制系统有“预停”控制机能，自动线在正常工作情况下需要停车时，能在完成一 个工作循环、各机床的有关运动部件都回到原始位置后刁停车。自动线的其他辅助设备 是根据工艺需要和自动化程度设置的，如清洗机工件自动检验装置、自动换刀装置、自 动捧屑系统和集中冷却系统等。为提高自动线的生产率，必须保证自动线的工作可靠性。 影响自动线工作可靠性的主要因素是加工质量的稳定性和设备工作可靠性。 自动线的发展方向主要是提高生产率和增大多用性、灵活性。为适应多品种 无锡太湖学院学士学位论文 6 生产的需要，将发展能快速调整的可调自动线。 数字控制机床、工业机器人和电子计算机等技术的发展，以及成组技术的应用，将 使自动线的灵活性更大，可实现多品种、中小批量生产的自动化。多品种可调自动线， 降低了自动线生产的经济批量，因而在机械制造业中的应用越来越广泛，并向更高度自 动化的柔性制造系统发展。 1.3.2 自动化技术的发展趋势自动化技术的发展趋势 由于自动生产线所涉及的技术领域广泛，所以它的发展、完善是与各种相关技术的 进步及互相渗透紧密相连的。因而我们研究自动生产线的发展概况就必须与整个支持自 动生产线的相关技术的发展联系起来。 首先，是自动化技术的惊人进步。六十年代，以集成电路为中心的微电子技术的出 现与发展引起了工业上一场新的革命。随着集成电路集成度的提高，在应用方面，相继 开拓了许多新的领域，特别是应用于计算机上，使计算机的处理、运算能力大大提高， 体积、功能、重量大大减小，成本急剧下降。同时由于可靠性的大幅度提高而使其应用 得到迅速普及。计算机技术的发展也开始与机械制造业相结合。在应用于自动化生产线 方面，微电子技术越来越多地代替了自动生产线中原来由机械方式组成的控制部分，使 自动生产线具有检测、记忆、运算、比较判断、反馈控制及显示等一系列功能，从而使 自动生产线开始进入了升级换代的发展时期。 其次，是大规模集成电路时代的到来。进入大规模集成电路时代，使微机开始作为 商品出现。同时，在这一时期，机械技术也发生了变化，自动生产线在结构设计上改变 了传统的设计方法，向着缩小体积、减轻重量、提高刚性、实现标准化、系列化和提高 系统整体可靠性的方向发展。自动生产线所使用的材料也从以钢铁为主发展到也使用一 些非金属复合材料等。 第三，是可编程控制器的出现。它是一种以顺序控制为主，回路调节为辅的工业控 制机。不仅能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算等功能，而且能大规模地控 制开关量和模拟量，克服了小型机用于开关控制系统所存在的编程复杂、非标准外部接 口的配套复杂、机器资源未能充分利用而导致功能过剩、造价高昂、对工程现场环境适 应性差等缺点。由于可编程序控制器具有一系列优点，因而替代了许多传统的顺序控制 器，如继电器控制逻辑、二极管矩阵逻辑以及变换线的数字逻辑等，开始广泛应用于自 动生产线的控制。 第四，是机器人技术的飞速发展。由于微机的出现，机器人内装的控制器被计算机 代替而产生了第二代的工业机器人，机器人技术由通用型走向专业化，出现了喷涂用、 电焊用、点焊用等各具特色的商品化工业机械手和机器人，在自动生产线中的装卸工件、 定位夹紧、工件在工序间的输送、加工余料的排除，加工操作、包装等部分得到广泛使 用。现在正在研制的第三代智能机器人不但具有运动操作技能，而且还有视觉、听觉、 触觉等感觉的辨别能力。具有判断、决策能力。 第五，是传感技术的形成。传感技术随着材料科学的发展和固体物理效应的不断出 现，形成并建立了一个完整的独立科学体系传感器工程学。在应用上出现了带微处理 蓄电池外壳热封口机设计 7 7 器的“智能传感器”，它在自动生产线的生产中监视着各种复杂的自动控制程序，发挥 着极其重要的作用。 第六，是液压和气压传动技术的飞速发展。特别是气动技术，由于使用的是取之不 尽的空气作为介质，具有传动反应快、动作迅速、气动元件制作容易、成本低和便于集 中供应和长距离输送等优点，而引起人们的普遍重视。气动技术己经发展到一个独立的 技术领域。在各行业，特别是电子行业的自动生产线中得到迅速发展和广泛地应用6。 2 课题解析及其任务设计课题解析及其任务设计 2.1 课题背景及意义课题背景及意义 目前我国蓄电池塑料盒封口设备比较落后，基本为手工和半自动封口，不但存在许 多安全隐患，而且工人的劳动强度大，生产能力非常小，包装质量很难保证。本设计为 一台蓄电池外壳热封口机设计，用于某集团公司的蓄电池塑料盒的盒盖与盒身的焊接封 口。该封口机既可以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度，同时还可以消除安全隐患， 提高了塑料盒封口设备的自动化和先进性，而且产品的封口质量更容易保证。 通过设计这台机器，可以掌握相关的知识及技能，了解蓄电池外壳热封口机的整体 的设计方法、设计理念，对提高综合分析问题和解决问题的能力及社会竞争力有积极的 作用。 2.2 塑料盒塑料盒设计内容及技术参数设计内容及技术参数 、要求、要求 2.2.1 设计设计用途用途 用于某集团公司的蓄电池塑料盒的盒盖与盒身的焊接封口 2.2.2 设计设计技术参数技术参数 1. 蓄电池型号：BT-HSE-38-12； 2. 生产批量： 30 盒/小时； 3. 塑件图：如图 1 所示为蓄电池盒外形图，图 2 所示为蓄电池盒的三维图； 4. 蓄电池总重量：12.7kg； 5. 封口压力：5001000N。 无锡太湖学院学士学位论文 8 图 2.1 蓄电池盒外形图 图 2.2 蓄电池盒的三维图 2.2.3 塑料盒塑料盒技术要求技术要求 (1)塑料盒的输送为全自动方式。 (2)塑料盒封接时的温度、时间、压力可调。 (3)塑料包装盒封接质量应满足气密性检验要求：向盒内充正压，压差为 30397.5Pa， 包装盒不漏气为合格。 (4)塑料盒封口深度不大于 4 mm。 (5)封接工位应有防爆装置。 2.3 进行该进行该设计设计的知识的知识准备准备 (1)掌握基本的机械设计基础知识。 (2)掌握塑料盒的封接方法等方面的知识。 (3)掌握机器设计过程和现代设计的一般方法。 (4)熟练使用 AutoCAD 进行机械设计。 蓄电池外壳热封口机设计 9 9 3 总体方案的制定与设计总体方案的制定与设计 总体方案设计的步骤如图 3.1 所示。 无锡太湖学院学士学位论文 10 图 3.1 总体方案设计步骤 3.1 塑料盒的总功能分析塑料盒的总功能分析 塑料盒封口机要完成塑料盒盒身与盒盖的封口，并且封口的过程要自动完成，因此， 必须具有以下几种功能： (1)塑料盒的封口。完成塑料盒盒身与盒盖的封口，满足气密性检验要求。 (2)塑料盒的自动输送。装有弹药引信的塑料盒从进入封口机直到封口完成输出，全 部自动完成，不需要人工操作。 (3)过程的控制。能根据生产需要控制生产节拍，塑料盒输送的运行与停止，封口参 数的调节控制，封口装置的运行与停止。 3.2 功能分解功能分解 可以将总功能分解为分功能，分功能继续分解，直至功能元。功能分解可利用树状 结构来表示，这样就很容易确定各功能元的原理、方案。再通过对各功能元的原理、方 案的分析、比较、评价和优选，确定出合理方案，将各功能元方案进行组合，整台机器 的原理方案就设计出来了7。 3.2.1 塑料盒封口功能的分解塑料盒封口功能的分解 塑料盒封口功能可以利用功能树分解为如图 3.2 所示的最小功能元。 蓄电池外壳热封口机设计 1111 图 3.2 塑料盒封口功能树 3.2.2 塑料盒自动输送功能的分解塑料盒自动输送功能的分解 塑料盒自动输送功能可以利用功能树分解为如图 3.3 所示的最小功能元。 图 3.3 塑料盒输送功能树 3.2.3 过程控制过程控制 过程控制功能的各功能元已经分解到塑料盒的封口与输送功能中，不需要单独进行 分解。 3.3 各功能元的原理方案设计、分析、评价及选定各功能元的原理方案设计、分析、评价及选定 原理、方案设计与构思的着重点在于：第一，同一种功能，可用不同的技术过程来 实现；第二，选用不同的运动规律，对应不同的功能；第三，同一种功能，可选用不同 无锡太湖学院学士学位论文 12 的工作原理、不同的机构来满足。 评价就是对各方案进行比较和评定，最后选定最佳方案。评价的目标一般包括三个 方面的内容：第一，技术评价，即评价原理、方案在技术上的可行性和先进性，包括性 能指标、可靠性、使用维护性等。第二，经济评价，即评价方案的经济效益，包括制造 成本、使用成本及设备运行时的辅助设施费用等。使用成本包括运行电费、维修费、人 员工资等费用，这些费用可参考行业标准进行计算或估算。第三，社会评价目标，即评 价方案实施后对社会带来的效益和影响，包括是否符合国家科技发展规划和政策，是否 有益于改善环境(节能、环保、安全等)，是否有利于资源开发和新能源的利用等。 方案的决策不能只从方案本身的某一性能指标出发，还应考虑以整个方案的总体目 标为核心的有关方面的总体平衡。 我们可以将封口机的功能元分为：封口形式、封口装置的移动、封口参数的控制、 塑料盒的定位、塑料盒的夹紧；运动的驱动、传动的制动、传动的速度调节；原理方案 的设计，就是设计出这些分功能的具体原理、方案，最后进行组合。 3.3.1 常用的常用的封口形式封口形式 (1)热熔式封接：常用电热丝、电热管、真空热管对板形：棒形、带形和异形等元 件进行恒温加热，然后将热元件靠近塑料封口部位，使塑料包装材料加热熔融，再加压 封接。这是一种最为简单的热封方法，一般为交流供电，可按所封接的塑料材料所需热 封温度实行恒温自控。热板热封常制成板形，以适应封口的包装容器的形状，封接时加 热元件与所热封包装容器保持相对静止不动，以满足将封接部位塑料熔融的需要；但须 保证封接元件不与所封接的塑料材料粘接。 (2)高频封接：即介质加热封口方法，将塑料封口部位夹压于通高频电流的平行板电 极之间，在强电场作用下，形成塑料的各双偶极子均按场强方向排列一致。由于场强是 高速变化的，双偶极子不断改变方向，导致相互碰撞摩擦而产生热，频率愈高，偶极子 运动愈快，温度愈高。这种加热的热量纯粹是由被加热物质本身引起的，故又称“内加 热”。因是内部加热，中，b 温度高而不过热，加热范围仅局限在电极范围以内，故可得 较高强度的接缝。但这种方法对一些低阻抗薄膜不能使用，因为发热后的温度达不到塑 料热熔所需温度。它适用于极性分子组成的塑料，例如聚氯乙烯、聚酰胺等制成的薄膜 或薄板，必须采用超高频(频率达 40 MHz 以上)加热才得以热封。 (3)超声波封接：声波频率高于 20 kHz 的波为超声波，通常由电一声换能器将电磁振 荡波的能量转换为机械波的能量，从而获得超声波。常用压电式换能器，当 201 kHz 以上 高频加到电一声换能器上时，将引起压电材料的周期伸缩的机械振动，发出超声波，在 适度压力下使塑料材料封口处因高频振动摩擦生热而熔融，使两块塑料的接合面瞬间熔 融接合。它的特点是超声波传到封接部位后，焊接强度可与本体媲美，采用合适的工件 和合理的接口设计，可达到水密及气密，并免除采用辅助品所带来的不便，实现高效、 清洁的熔接。由于是从里向外发热熔解，因此包装内容物不受热。 (4)塑料焊条焊接：集热风预热与焊条挤出于一体，热风用于预热焊件，焊条的加热 熔化使用一个微型的挤出机，它将焊条挤入料筒使其熔融，再挤出到焊接表面；由于焊 接表面已经预热粘稠，在焊枪模具的压力作用下，焊条焊接在塑件上，再经冷却变硬， 蓄电池外壳热封口机设计 1313 从而在不大的压力下使塑料接缝得以结合。 (5)封口方法方案的比较与确定。各种方案有不同的适应场合，现将各种封口方案加 以比较、评价。 热熔式封接简单，但加热熔融塑料接缝的模板易粘结塑料，这不但使封口整齐美观 度差，而且粘在模板上的塑料会影响后续的加热封接。在经济性方面，这种封口形式 相对成本较低。 高频封接适于极性较强的塑料，而聚乙烯塑料极性较弱，而且要将塑料封口部位夹 压于高频电流的平行板电极之间，这在引信包装时不易实现。因此，它不适合于塑料盒 身与盒盖的封口。 超声波封接强度高，封接后易达到所需的密封性要求，而且封口整齐，不产生粘连 现象，是理想的封接形式。但超声波封口装置价格比较昂贵，而且超声波强大的辐射会 传射到包装容器内部，可能直接影响所包装的弹药引信产品的质量。这样，包装不但没 起到保护产品的作用，反而会影响产品的质量。因此，超声波封接不适于蓄电池的包装 封口。 塑料焊条焊接易达到密封要求，但由于要将熔融的塑料焊条堆积在盒身与盒盖的接 缝处，这就要求加热熔化焊条的挤出机要沿着盒身与盒盖的接缝做矩形运动，传动复杂。 而且，容器盒身与盒盖的接缝不是非常标准，焊条就不易准确地堆积在接缝处。另外， 封接时间过长，生产能力不易保证。 因此，根据上面的技术可行性及经济性等其他分析，封口形式选用热熔式封接，但 须解决粘结问题。另外，热熔式封接时，加热装置不但将塑料盒身与盒盖的封口部位加 热熔 融，而且热量还会进一步传输到蓄电池外壳的封口处，使蓄电池存在安全隐患，这 是绝对不允许的。因此，封口装置加热封口后，迅速使用冷却装置对塑料盒进行冷却， 使热量不会传到内包装物，而且通过冷却、加压，使封接处的强度更大，密封性更好2。 3.3.2 封口装置的移动封口装置的移动 要对塑料盒进行封接，采用热熔封接方式进行封接，封口加热装置就要移动至盒身 与盒盖的接缝处；封接结束后，封口装置需离开塑料盒，以便塑料盒向后输送。因此， 封口装置的移动应为直线式。由于装有弹药引信的塑料盒不能侧放或倒放，因而封口装 置最简单的运动方式为上下直线移动。能够实现直线运动的机构很多，如四杆机构、齿 轮齿条、气动系统的气缸等。 由于四杆机构、齿轮齿条等机械机构实现直线运动的动力须由电机实现，或从其他 的运动原件传送过来，因此，运动链相对较长，成本较高，而且当需要单独改变封接参 数时，控制比较麻烦。 采用气压传动的气缸实现直线运动相对就比较简单。对于弹药引信的包装来说，气 压传动使用安全，无爆炸和电击危险，有过载保护能力。另外，通过调节气源压力，就 可以调节封口装置加热板封口时压力的大小，封口时间的大小随时通过控制气缸电磁阀 的开启就可以实现。气缸实现封口装置的上下运动，不但结构简单而且调整方便，工作 环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中，比 无锡太湖学院学士学位论文 14 其他传动装置具有优越性，而且成本低，过载能自动保护。因此，封口装置的移动由气 缸来完成。 3.3.3 封口参数的封口参数的制定制定 热熔式塑料封口的质量由温度、时间、压力三因素决定。当温度一定时，封接时间 随压力的增大而降低；当封接压力一定时，封接时间随封接温度的升高而降低。对于该 塑料盒的封口来说，可以控制温度、时间、压力三个参数来保证封口质量。 (1)压力的调整。通过对弹簧的合理设计，调整弹簧的压缩量，就可以实现封口装置 所需的压力，但这种方式调整起来不方便，而且增加了结构的复杂程度。封口装置的移 动采用气缸来实现，气缸输出力的大小由气源压力、气缸缸径决定。当气缸选定时，只 要调整气源压力就可以调整整个封口压力。 (2)温度的调整与控制。对聚乙烯的封口来说，封接温度达到 110 一 160时，塑料就 可以变粘、熔融。由于封接温度本身就为一范围，需要进行调整，选择合适的温度，另 外，当其他参数改变时，封接温度也需调整改变，因此必须进行封接温度的调整。但一 旦温度调整合适，在其他参数无改变的情况下，温度要保持恒定值才能达到所需的封口 质量。其次，在生产的过程中要对温度进行控制，保证其在所定温度的范围内变化。 2 这就需要在加热封口装置上安装温度传感器(热电偶)。当热电偶测量的温度达不到要求时， 控制装置对温度进行控制。 3.3.4 塑料盒的定位塑料盒的定位 由于本封口机为全自动，因此，塑料盒输送是要达到规定的位置，也就是在封口装 置下方停止。机械传动有误差，需消除传动误差，对塑料盒进行定位，使热封装置能准 确对准塑料盒封口处。 方案一，如图 3.4 所示，在封口位置处加一挡块(动定位板)，在塑料盒到达前向前伸 出将塑料盒挡住，这就解决了传送方向的前后误差，但挡块解决不了与传送方向垂直的 误差。 方案二，如图 3.5 所示，当塑料盒输送到指定位置后，为了消除塑料盒相对封口装置 的位置误差，用一开有喇叭口的板对塑料盒进行重新定位，由于该板对塑料盒的三个方 向进行了定位，因此定位准确。 塑料盒定位装置选择方案二。定位板的运动为直线运动。 蓄电池外壳热封口机设计 1515 图 3.4 盒前后定位 图 3.5 盒三方向定位 3.3.5 塑料的夹紧塑料的夹紧 当加热装置对塑料盒盒身与盒盖向下进行加热、加压时，会引起塑料盒身的变形， 影响将来塑料盒的下一步装箱。因此，在封接时要保证塑料盒不变形，应对其进行夹紧。 由于在定位时塑料盒的三面已经夹紧，因而只要在塑料盒的第四面处加一固定板，通过 动定位板向前移动，就将塑料盒紧紧地定在封口装置下方。 3.3.6 塑料盒的移动塑料盒的移动 塑料盒的移动即输送，一般有两种运动方式：连续式、间歇式。 连续式输送比较简单，通过输送链就能完成。但本机塑料盒在输送过程中要完成加 热封口及冷却两种功能，而且两种功能都需要时间才能完成，只有加热装置、冷却装置 与连续运动着的塑料盒一起运动，才能完成其功能。这样机构就非常复杂，成本也相应 增高。因此,本机的塑料盒输送不选择此种连续输送方式。 间歇输送方式适于本机。完成间歇输送的运动方式很多，可通过间歇机构来完成， 也可通过液压、气压传动来完成。 方案一，间歇机构实现塑料盒的间歇输送。目前实现间歇运动的机构很多，主要有 蜗杆凸轮机构、槽轮机构、棘轮机构、不完全齿轮机构、齿轮连杆机构等。 方案二，采用液压传动的液压缸进行推送，通过电磁阀控制动、停时间。 方案三，采用气压传动，通过电磁阀调节气缸活塞杆的伸、缩，控制所需的动、停 时间。 在这三种方案中，方案一的机械间歇机构特点各不相同，共同的特点为各机构只能 按照一种动、停时间比运动，而本机实现封接的执行机构需要随时根据温度、压力进 行时间的调整，也就是间歇机构的动、停时间随时需要调整，要与封接执行机构所需时 无锡太湖学院学士学位论文 16 间协调，使用这些间歇机构调整控制起来比较困难，因此，不能选用间歇运动机构。 方案二的动、停时间调整起来比较方便，但使用液压传动所需的成本比较高，本机 所输送塑料盒的重量相对比较小，即负载较小，不需要太大的动力，不宜选用方案二。 方案三采用气压传动，传动相对简单，成本低，控制方便。另外，对于弹药引信的 包装，气压传动相对安全性也比较高。因此，选用气压传动输送塑料包装盒3。 3.3.7 塑料盒的驱动塑料盒的驱动 由于本机塑料盒的输送采用的方案为气缸传动，动力为压缩空气，因而可直接选用 空气压缩机为动力源。一般工厂都有气源，只要选用气动三联件(汽水分离器、调压阀、 油雾喷雾器)就可接人气源。 3.3.8 塑料盒输送的控制塑料盒输送的控制 (1)传动制动。任何传动都有惯性，应使它到达预。定位置即停止并制动。盒输送选 择气压传动，在制动方面主要可采取两个措施：一是在选择气缸时，选择带缓冲的气缸； 二是在预定位置安装定位块(撞块)，气缸的惯性力是有限的，而且可压缩，到达撞块后， 就会自动停止。 (2)传动速度调节。传动速度的大小直接影响封口机的生产能力。速度太小，降低了 生产能力；但传动速度不能太大，这样会增加惯性，在制动后会引起机器的震动。因此， 速度的调节非常重要。在气压传动中，使用单向节流阀就可以控制气缸的运动速度。 3.4 蓄电池外壳热封口机的组成及工艺流程蓄电池外壳热封口机的组成及工艺流程 3.4.1 封口机的封口机的工艺流程工艺流程 由于封口方式选用了热熔式封口，因此必须加冷却装置，保证被包装产品的安全及 封口的强度。因此，封口机共需三个工位：送盒、加热封口、冷却。封口机的工艺流程 如图 3.6 所示。 图 3.6 封口机工艺流程 3.4.2 封口机封口机的主要装置的主要装置 从前面的机器功能、工艺流程分析、各功能元的方案设计可得出，塑料盒封口机的 主要装置有：进盒装置、盒输送装置、盒定位夹紧机构、加热装置、冷却装置、出盒装 置、机架、气动控制系统、电气控制系统等2。 蓄电池外壳热封口机设计 1717