很全面的设计分享：螺杆式粉剂包装机

一、螺杆分装机总体设计

总体设计思路：工艺流程 →总体方案 → 整机布局

1、工艺方案的拟定

首先，我们应了解到粉针剂生产工艺流程大致如下：准备玻璃瓶、胶塞、药粉→装粉→盖胶塞→轧铝盖→贴签。其中：装粉是粉针剂生产的关键工序；分装后应及时盖塞 并且装粉与盖塞是在同一装置上先后进行的。另外轧盖是防绷弹的手段，但为避免污染，所以轧盖与装粉、盖塞分开进行。

本设计主要考虑送瓶、药粉的分装及胶塞输送与盖塞等装置。

●根据工艺流程和生产要求可确定，粉针分装机平面工艺布置如图：

图一、粉针分装机平面工艺布置

2、总体布局

根据设计要求和以上确定的工艺方案，粉针分装机总体上应包括如下结构：

(1)贮瓶进瓶装置（包括贮瓶盘、送瓶转盘及进瓶轨道等）；

(2)主工作盘部件（包括分装转盘及相关定位装置）；

(3)喂料与分装装置（包括喂料送粉机构、分装头及搅拌机构等）；

(4)理盖塞装置（包括胶塞理送机构和盖塞机构）；

(5)出瓶机构；

(6)动力与传动系统；

(7)控制与检测系统；

(8)机架部件（用以连接和支承各部分，内部安装有关传动部分）。

●为满足生产要求，采用双螺杆分装形式，如图：

图二、螺杆式粉针分装机总体布局

1-机架；2-传动系统；3-进瓶装置；4-控制系统；5-喂送料装置；6-分装机构；7-理益塞装 置；8-主工作盘部件；9-出瓶机构

三、传动系统设计

拟定传动系统方案：

本设计要求以电脑为核心，实现各部分协调控制，所以本设计的传动方案与传统机型的有较大区别；并且为使本设计能满足生产和控制及成本等要求，所以本机传动系统采用多电机分别控制不同执行机构，以避免由一台电机驱动各执行机构的复杂性，并且使传动机构较为简单，所以本机的传动系统设计分两块：（1）分装机主传动系统（2）喂料与分装装置传动

（1）分装机主传动系统设计

我们的思路是:选一合适的电机驱动主轴，作为动力源，并在主轴上安装凸轮、链轮等驱动分装、盖塞、进瓶、出瓶部件，以使它们协调运转，同时采用一离合器作为手动与机动切换机构

图三、分装机主传动系统原理图

（2）喂料与分装装置传动设计

我们的思路是： 分装螺杆、搅拌桨、送粉螺杆分别用不同电机驱动，保证其独立性，其中因分装螺杆间歇转动，所以选步进电机直接带动； 搅拌桨、送粉螺杆选用一般电机驱动，用离合器控制起停。

图四、喂料与分装装置传动图

电机的选择：

1、主传动系统电机用以驱动进瓶、分装转盘、盖塞及出瓶输送等装置，根据设计要求，生产率要可调 ，所以主电机应可调速，以使分装机工作时阻力较小；电机耗功主要用于克服机器运动件之间的摩擦阻力，所以我们要要求转矩较为均恒，为此，类比选用Z2型它励直流电动机、电气无级恒转矩调速.电机型号为Z2-32，2.2kw，最高转速1000r/min

2、分装螺杆电机：螺杆式分装机分装精度很大程度上取决于螺杆每次旋转的转数，并且 所消耗的功主要用于克服螺杆轴与支承之间的摩擦力，所以我们应着重考虑螺杆的旋转精度，所选电机必须能保证分装螺杆周期旋转的一致性，因此我们可选用磁阻式步进电动机，电机型号为75BF001，步距角1.5o，最大静转矩0.392Nm；确保分装量控制：“控制系统→步进电机步距数→分装螺杆周期旋转”的实现。

3、搅拌桨与送粉螺杆电机：搅拌桨搅拌与送粉螺杆推送药物时的工作阻力都较小， 所耗的功主要用于克服传动元件间的摩擦力等，送粉螺杆的间歇旋转可由图9—21中的电磁离合器5来实现，所以我们可选用小功率三相异步电动机，电机型号为JW08B-2，P=180w，转速n=1400r/min

传动链设计计算：

主传动系统中，由Z2-32型它励直流电动机驱动主轴，再通过凸轮或链轮分别驱动分装转盘、胶塞卡扣装置和进出瓶机构，参见传动系统图，机器采用双螺杆分装的结构，主轴旋转一转，分装转盘转动一次，即分装两瓶，则主轴的转速范围为：n主=15~60（r/min） (Q= 30~120瓶／分)

设计传动链: （1）皮带传动；（2）进瓶转盘传动链；（3）进出瓶输送带传动链（4）搅拌桨与送粉螺杆传动链

1、皮带传动

电机最高转速为　n电=1000r/min，则电机与主轴之间的最大传动比为 i电-主=n电/n主=1000/60=16.67；由电机至主轴，中间采用皮带和一对斜齿轮进行减速。 如果齿轮模数 m齿=3，小齿轮齿数 Z20=20，齿轮传动比 i齿轮= n20/n18=Z18/Z20,皮带传动的传动比 i皮带=n24/n21.按照“早升迟降”原则，设 i皮带>i齿轮，并取 i齿轮=3.6，则大齿轮的齿数为 Z18=i齿轮·Z20=3.6×20=72；皮带传动的大小带轮直径比为D/d=d21/d24=n24/n21=i皮带=i电-主÷i齿=16.67÷3.6=4.63；设大皮带轮直径为　D=d21=300mm，则小皮带轮直径为d=d24=300÷4.63=64.8(mm)，取d24=64mm

2、进瓶转盘传动链

为使分装机既适用于模制瓶（5~25ml规格的玻璃瓶瓶身外径为22~36mm，瓶全高为38.7~58mm），也适用于管制瓶（5~25ml规格的玻璃瓶瓶身外径为18.4~28mm，瓶全高为39.7~65mm），在分析计算时以直径较大的模制瓶为对象；初步分析估算，设进瓶转盘直径为500mm。则为满足120瓶/分的生产率要求，理论上进瓶转盘转速为：n进=36×120/(2π×250)=2.75(r/min)

为使输瓶轨道上有足够玻璃瓶，并形成一定压力，选择n进max=24r/min，对应于生产率30~120瓶/分的要求，由此可确定：进瓶转盘转速范围 n进=6~24(r/min)；

由主轴至进瓶转盘的总降速比 i主-进=n主/n进=60/24=2.5。 设换向锥齿轮Z7=Z8 =18 ，链轮 m链 =2.5 ，小链轮Z2 =16，则大链轮齿数 Z6=i主-进×Z2=2.5×16=40

3、进出瓶输送带传动链

进瓶输送带辊筒的动力来自于链传动10——主动轮与链轮6同轴，从动轮与进瓶输送带辊筒同轴。设进瓶输送带辊筒转速范围亦为 6~24r/min，故采用1:1链轮，其齿数为 Z10=16。

出瓶输送带辊筒由链轮传动17、14带动，链轮14与辊筒同轴。如也取辊筒转速范围为6~24r/min，则可设定：Z17=Z2=16， d17=d2 ； Z14=Z6=40， d14=d6

四、确定螺杆分装机主要机构

螺杆分装机主要组成部分：

（1）贮瓶进瓶装置 （2）主工作盘部件（3）喂料与分装装置（4）理盖塞装置（5）出瓶机构 （6）动力与传动系统；（7）控制与检测系统； （8）机架部件

介绍主要机构初步设计：

（1）进瓶装置（2）分装转盘部件（3）分装头机构（4）喂料送粉机构（5）理盖塞装置.

1、进瓶装置

驱动：动力来自主轴，链轮传动、锥齿轮换向，定速旋转。

进瓶动力：相互推挤和离心力使玻璃瓶进入输瓶轨道，并依次被送至分装转盘的定位槽中。

结构：进瓶转盘采用带加强筋的圆盘，圆盘周边用薄不锈钢片围成，并开有用于倒瓶剔除的矩形孔：孔长以管制瓶瓶全高为参考，取70mm；孔高则以模制瓶瓶身外径为参考，取为38mm

2、分装转盘部件

功用：将由进瓶轨道送来的玻璃瓶间歇送达分装工位、盖塞工位进行装粉、盖胶塞，然后再送至出瓶轨道。

运动：分装转盘的旋转须与分装螺杆的转动相协调，亦即两者必须保持严格的运动关系。

驱动： 为实现分装转盘的间歇旋转，本设计中选用蜗形圆柱凸轮步进机构，即利用蜗形凸轮驱动端面带有滚子、且与分装转盘固结在同轴上的分度盘。

结构：设计成圆周上开有定位槽，以对玻璃瓶定位（图示）

图五、蜗形圆柱凸轮及分度盘

图六、分度转盘

定位槽宽度比瓶子半径大1.5mm左右；为使瓶子容易进入定位槽，r1比r2稍大；由于分装转盘与分度盘同步旋转

3、分装头机构

定位槽数与分度盘端面的滚子数相对应，蜗形凸轮旋转一周，分装转盘转动一次→完成两瓶工作（双螺杆分装机）

驱动：分装螺杆直接用步进电机带动，通过微机控制和调节。

结构：采用双分装头一体式，结构紧凑、外形美观

搅拌：搅拌桨轴空套于螺杆轴上，由一异步电动机驱动(图9-21）； 通常搅拌桨与分装螺杆反向旋转。螺杆，采用矩形螺纹结构，一圈螺旋槽计量容积V为 ：V=t(s-b)πD中/cosα中 (cm3)

安全措施： 螺杆与导管及送药嘴避免接触，以防产生金属屑而污染药物。一般取间隙0.2mm

图七、分装头机构

4、喂料送粉机构

驱动：送粉螺杆与搅拌桨分别由一异步电动机驱动。

粉位控制：在送粉螺杆传动链中安装有电磁离合器。

结构：也采用螺杆－粉斗结构，送粉螺杆也采用矩形螺纹。为防止药粉从送粉室进入支架轴承，设计有阻粉环片、粉末冶金含油轴承、容纳粉末空腔、泄粉孔，以使送粉室与传动部分通过中间空腔而隔离。

安全措施：送粉螺杆与出粉漏斗口避免接触产生金属屑（常取间隙0.2mm左右）。

图八、喂料送粉机构

1—送粉螺杆；2—加粉斗；3—支承腔； 4—支架；5—轴承；

6—泄粉孔；7—含油轴承；8—阻粉片；9—送粉筒体；10—出粉斗

5、理盖塞装置

粉针分装机的理盖塞装置由两部分组成：理塞、盖塞；

理塞常用胶塞振荡供料器，有多种形式，本设计采用电磁振荡供料结构（图）。

盖塞机构一般有两种结构：一是利用机械手卡扣块往复转动将轨道出口处胶塞移至瓶口并压下； 另一种为压板直接将出口处胶塞压进瓶口。

本题将设计成凸轮压板盖塞机构（图）：

图九、胶塞振荡器

1—机架板；2—支承弹簧； 3—振荡磁铁；4—筒壳；5—螺旋环板；6—翻身轨道； 7—胶塞；8—挡板

胶塞振荡器主体结构：设计为三个同向倾斜45°角的板弹簧支承的做上下及圆周扭动的振动振子，用一50HZ的半波整流电磁铁作振源：锥形筒底——设计筒底锥角为160o～170o；

设计筒体内壁：焊有带缺口和挡板的螺旋环板轨道，以使胶塞排列定向。

翻身轨道：用三根或四根排列成一定距离的不锈钢丝构成；胶塞在钢丝中靠重力下滑并自动翻转180o而成塞顶朝上（有的是利用卡扣块移胶塞至瓶口）。

驱动： 利用分配轴上凸轮驱动连杆带动压板上下压塞。

压塞与分装的协调：驱动压塞的凸轮与驱动分装转盘的凸轮安装在同一主轴上，主轴旋转一周，分装转盘转动一次、盖塞机构完成一次压塞动作。

压板行程长度设计：压板行程即为胶塞滑道下口至瓶口的距离（扣除胶塞外缘的厚度）。

依杠杆放大原理：滚子轴2在盘形凸轮曲线槽中摆动弧对应的弦长，以放大成摆杆工作端行程

图十、压塞摆杆机构

1—铰轴；2—摆杆滚子轴；3—盘形凸轮；4—工作端销轴；5—工作台面；6—连杆；7—压板；8—翻身轨道；9—分装瓶

五、工艺动作循环图设计

分装机上有送瓶、装粉、压塞及出瓶等不同执行机构。执行机构之间须有严格的时间和位置关系，也就是动作的順序及时间的分配必须协调好。工作转盘、分装螺杆、盖塞机构的运动只有时间关系，只需进行时间同步化设计：

以双螺杆分装生产能力120瓶/分（此处作为Q）分析，则分装转盘单位时间内转动次数为 120/2=60次/分；主轴转速为 ｎ=60转/分； 主轴旋转一周的时间即分装机工作循环为 T=1×60/60=1(s)。由于分装机生产节拍（等于工作循环）已经确定，所以，本机合理工作循环即为 T合理=1s；各机构的运动循环也为1s。设各机构的运动循环如下分配：转盘转动时间 tZK=0.4T=0.4×1=0.4(s)，停歇时间 tZO=0.6T=0.6×1=0.6(s)；螺杆分装时间 tLK =0.4T=0.4×1=0.4(s)，静止时间 tLO=0.6T=0.6×1=0.6(s)；压板下行压塞时间 tYK =0.4T=0.4×1=0.4(s)，低位停歇时间 tYOK=0.1T=0.1×1=0.1 (s)，返回高位时间 tYD=0.3T=0.3×1=0.3(s)，高位停歇时间 tYO=0.2T=0.2×1=0.2(s)。

螺杆分装机的工作循环下如图：

图十一、螺杆分装机工作循环图

不足之处： （1）分装转盘开始旋转与盖塞压板低位停歇结束的时刻重合；（2）分装转盘开始旋转与分装螺杆分装结束的时刻重合。如果由于制造及装配误差、机件之间的间隙、构件受力变形等，有可能使机构运动出现不协调现象，所以必须考虑自动机的实际情况，增加滞后和超前余量Δt 。取Δt=0.05s，则合理的螺杆分装机循环图如图：

图十二、合理的螺杆分装机循环图

六、控制系统设计

根据设计要求，本机控制系统采用PLC为核心、实现各部分动作协调的方案。

检测控制应用程序设计框图

（1）各机构协调工作检测控制；（2）瓶子定位与缺瓶检测控制；（3）分装量的控制与检测；（4）防金属屑自动保护控制；（5）自动加料检测控制；（6）生产量自动检测和计数控制；（7）打开机器外罩的安全控制.：

图十三、检测控制应用程序设计框图

采用模块化结构设计方法。

实时监控，选用松下GT10型智能触摸显示屏进行参数设置和修改，并以菜单形式显示机器启停、功能切换、工况检测、数据输入与修改、运行状态、故障报警等，使参数组态变得更为方便。

1、各机构协调工作检测控制

图十四、检测示意

为实现送瓶—分装、盖塞的协调，在主轴上设计一带 大缺口的光电盘进行检测：当转盘起动，缺口正好进入检测区;当转盘到位，缺口正好离开检测区，光电断开与接通信号作为步进电机起步和封锁信号。

2、瓶子定位与缺瓶检测控制

图十五、瓶子定位与缺瓶检测示意

为实现无瓶不分装，在转盘定位槽外围设置微动开关 ，当缺瓶时，无信号发出，脉冲发生器不发出脉冲，则步进电机不转，螺杆不分装。

3、分装量的控制与检测

图十六、控制逻辑

调节步进电机的转速（脉冲频率）及步距数（脉冲数），控制分装螺杆的转速和每次转过的角度，即控制了分装量。并且可随机抽样直接输入自动算修改成正确值。

4、防金属屑自动保护控制

图十七、仿金属保护电路示意图

为防螺杆和漏斗接触产生金属屑污染药物，设计中使漏斗与机身绝缘、将螺杆和漏斗作为一回路中两极，一旦两者发生接触，则回路接通，切断电源、报警，使机器停止工作。

5、自动加料检测控制

本机控制系统中对料位控制设计了手动和自动两种方式

图十八、自动加料检测控制逻辑

图十九、自动加料检测机械原理示意

6、生产量自动检测和计数控制

光电开关检测，脉冲信号给PLC控制系统，计数模块便进行自动计数。

7、打开机器外罩的安全控制

为了①安全保护　②符合GMP，外罩双扇门口处设置一微动开关，一旦门打开，开关使总电路切断。

来源：技术探索