目前，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平也日益 提高，對機械化設備的需求日益凸顯。而旋轉(zhuǎn)型灌 裝機作為小型家用灌裝設備，可廣泛應用于牛奶、果 汁、飲料的灌裝。同時經(jīng)濟和機械化操作的深入發(fā) 展，飲料、啤酒等行業(yè)的發(fā)展壯大，對灌裝系統(tǒng)的需 求逐漸增長，讓人類社會快速的步入到自動化時代， 灌裝行業(yè)受益匪淺。但目前市面上現(xiàn)有的灌裝機 大多存在結構復雜、只能針對某種液體灌裝、兼容性 差、成本高、普及率低等問題。因要保證灌裝時運行 平穩(wěn)，不至于使液體灑落出來，則容器瓶需要相對固 定，現(xiàn)有的灌裝機多數(shù)無法較好地實現(xiàn)容器瓶固定， 只能降低工作臺轉(zhuǎn)速來保證容器瓶的平穩(wěn)，且需人 工進行容器瓶位置的調(diào)整，故自動化程度低，灌裝效 率低?，F(xiàn)在已有學者、專家針對上述問題提出了解 決方案，較好地實現(xiàn)了原設計方案的部分功能，但還 存在部分難以解決的問題，上海交通大學徐仁和設 計的碳粉灌裝機，工作穩(wěn)定、故障率低，但罐裝的 效率較低。杭州鋼鐵股份有限公司楊鳴設計的全自 動聯(lián)合灌裝機［3］ ，可實現(xiàn)高功率快速運轉(zhuǎn)，但故障率 較高。南京理工大學殷水忠設計的果粒飲料盒中袋灌裝機，可實現(xiàn)精準灌裝，但自動化程度較低。 Ludwig Clisserath 發(fā)明了一種液體加壓灌裝的容 器，在填充階段使用回流氣體管進入到各自的容器 中，以控制灌裝高度。灌裝機的輸出與傳送系統(tǒng) 一般采用皮帶輪系統(tǒng)，確保加工完成的產(chǎn)品平穩(wěn)，高 效，無損傷地輸出。 

    本文設計了一種新型的全自動旋轉(zhuǎn)型灌裝機， 這種灌裝機由容器瓶輸入系統(tǒng)、定位夾緊系統(tǒng)、灌裝 系統(tǒng)、封口壓蓋系統(tǒng)以及產(chǎn)品輸出與傳送系統(tǒng)構 成。設計的這種新型的灌裝機，灌裝精準，工作穩(wěn) 定，故障率低，自動化程度高，可極大提高工作效率。 
    1 旋轉(zhuǎn)型灌裝機的總體設計方案 
    1.1 設計原理 旋轉(zhuǎn)型灌裝機結構較多，功能較為強大，若對旋 轉(zhuǎn)型灌裝機進行功能分解，實現(xiàn)每一部分的功能，再 進行機構的組合，有利于總體功能的實現(xiàn)［7］ ?？梢?把灌裝機的功能分為6個部分：容器輸入與傳送功 能、容器定位功能、容器夾緊功能、灌裝功能、封口壓 蓋功能、產(chǎn)品輸出與傳送功能，如圖1所示。 圖1 旋轉(zhuǎn)型灌裝機功能分解圖 旋轉(zhuǎn)型灌裝機可以實現(xiàn)在轉(zhuǎn)動的工作臺上對容 器瓶連續(xù)灌裝，轉(zhuǎn)臺有多個工位，可以實現(xiàn)灌裝，封 口等工序。為保證在這些工位上能準確地灌裝、封 口，灌裝機需設有定位裝置。根據(jù)功能分解圖，設計 出灌裝機原理圖（如圖 2 所示），工位 1 用來輸入空 瓶；工位2實現(xiàn)灌裝；工位3完成封口；工位4最后輸 出灌裝好的容器?？盏娜萜髌拷?jīng)傳送帶傳送進入表 面摩擦較小的固定工作臺，然后依靠慣性進入轉(zhuǎn)臺 工位1凹槽，之后轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)，帶動容器瓶進入工位2 后停止轉(zhuǎn)動，進行灌裝，之后轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，帶動灌裝好 的容器瓶進入工位3后停止轉(zhuǎn)動，進行封口壓蓋，之 后轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，帶動加工完成的容器進入工位4，然后 通過傳送帶自動輸出并擺放好加工完成的容器瓶。 這種灌裝機結構簡單，采用回轉(zhuǎn)式結構，可以實現(xiàn)連 續(xù)灌裝。 圖2 旋轉(zhuǎn)型灌裝機原理圖 本系統(tǒng)采用傳送帶進行容器的連續(xù)傳送，容器 瓶在傳送帶上等間隔均勻分布，進入工位后依次在 每個工位完成既定工序的加工，所有工序完成后，容 器由傳送帶輸出到指定位置。此種設計工序聯(lián)系緊 密，工序間隔合理，排布均勻，可有效解決容器瓶在 工作臺堆積的問題。本系統(tǒng)采用電動機驅(qū)動，通過 機構的選用，可以實現(xiàn)運動的傳遞、轉(zhuǎn)換，來實現(xiàn)自 動化。 
    1.2 機構的選用 為確保良好地實現(xiàn)灌裝機各部分的功能，則需 要選用合理的機構進行運動的傳遞和轉(zhuǎn)換，對灌裝 機的各個分系統(tǒng)進行如下機構設計： （1）灌裝機的轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)采用槽輪機構，可以準確 地實現(xiàn)間歇回轉(zhuǎn)運動，保證機構間的協(xié)調(diào)配合關系， 可確保容器瓶穩(wěn)定的進入下一個工位，不易傾倒，故 障率低。 （2）灌裝機的封口壓蓋系統(tǒng)采用連桿機構，由于 連桿機構具有結構簡單可靠、傳動載荷較大、傳動距 離較遠和可實現(xiàn)急回運動等特點，可以使灌裝機整 體結構簡單，工作效率高，不易出現(xiàn)故障。 （3）灌裝機的夾緊定位采用凸輪機構，凸輪機構 可使從動件得到任意的預期運動，而且結構簡單、緊 湊、設計方便，可以確保定位精準，且機構間協(xié)調(diào)能 力強，夾緊凸輪可以和轉(zhuǎn)盤凹槽結合，使容器瓶夾 緊，回轉(zhuǎn)運動時不會發(fā)生傾倒和脫離工作臺等故障。凸輪機構雖然為高副接觸，但是因為容器瓶容 積小、質(zhì)量輕，故所需的夾緊力較小，并且灌裝機的 轉(zhuǎn)速較低，因此，長期連續(xù)工作時產(chǎn)生的熱量較小， 則結構不易磨損，可長時間連續(xù)平穩(wěn)工作。 （4）灌裝機的灌裝系統(tǒng)采用凸輪機構，可保證灌 裝平穩(wěn)，液體不易傾灑出容器瓶，且可以定量地實現(xiàn)灌裝，不會出現(xiàn)未裝滿或溢出等問題。 
    1.3 機械運動簡圖及工作原理 根據(jù)圖1的灌裝原理圖、圖2的功能分解圖及表 1 選用的機構，可畫出旋轉(zhuǎn)型灌裝機的機械運動簡 圖［8 （］ 見圖3），由旋轉(zhuǎn)型灌裝機的機械運動簡圖可看 出結構及工作原理，工作原理如下所述： （1）電機1通過皮帶輪2傳到皮帶輪3，3通過軸 傳到齒輪4，4傳給齒輪5，5通過軸傳到齒輪6，6傳 到齒輪7，從而形成三級傳動。 （2）7通過軸傳到錐齒輪31，31傳給錐齒輪32， 32傳給同軸帶輪33，33傳給帶輪29，29和帶輪30構 成輸入機構，一起輸送容器。 （3）7通過軸傳給錐齒輪13，13傳給錐齒輪14， 14通過軸傳給夾緊凸輪35，35和工作臺凹槽一起完 成定位，夾緊動作。 （4）帶輪 29 傳給同軸帶輪 28，28 傳給帶輪 25， 25傳給同軸凸輪26，26推動活塞推桿27，27完成灌 裝動作。 （5）錐齒輪14通過軸傳給齒輪15，15傳給齒輪 16，16傳給同軸的主動撥盤17，17傳給從動槽輪18， 18帶動工作臺19回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)間歇運動，把容器傳送 到下一個工位。 圖3 旋轉(zhuǎn)型灌裝機的機械運動簡圖 1電動機；2、3帶輪；4、5、6、7齒輪；8、9錐齒輪；10、11、12帶 輪；13、14錐齒輪；15、16齒輪；17主動撥盤；18從動槽輪； 19工作臺；20瓶塞；21連桿；22、23、24齒輪；25帶輪； 26凸輪；27活塞推桿；28、29、30帶輪；31、32錐齒輪； 33帶輪；34機架；35、36夾緊凸輪；37、38、39、40錐齒輪 （6）齒輪16傳給同軸錐齒輪40，40傳給錐齒輪 39，39 傳給同軸錐齒輪 38，38 傳給錐齒輪 37，37 傳 給同軸夾緊凸輪36，36和工作臺凹槽一起完成定位 夾緊動作。 （7）帶輪 25 傳給同軸齒輪 24，24 傳給齒輪 23， 23傳給齒輪22，22傳給連桿21，21推動瓶塞20做往 復運動，完成封口動作。 （8）齒輪7傳給同軸齒輪8，8傳給錐齒輪9，9傳 給同軸帶輪10，10傳給帶輪11，11和帶輪12一起完 成灌裝后容器的輸出動作。 
    1.4 傳動比的分配 旋轉(zhuǎn)型灌裝機完成以上運動所需要的機構如 下：轉(zhuǎn)盤間歇運動機構為槽輪機構，封口用曲柄滑塊 機構，灌裝用凸輪機構，定位夾緊用凸輪機構［9］ ，容 器瓶的輸入、輸出用皮帶輪機構［10］ ，傳送帶采用同步 帶傳動，帶的工作面做成齒形，帶輪的輪轂表面也做 成相應的齒形。這種帶傳動受載后變形極小，齒形 帶的周節(jié)基本不變，傳動比恒定、準確。齒形帶薄而 輕，可用于速度較高的場合，傳動時線速度可達 40 米/秒，傳動比可達10，傳動效率可達98%。 為了使灌裝機的效率更高，灌裝機采用電動機 驅(qū)動來實現(xiàn)自動化，若設定轉(zhuǎn)臺直徑為 600mm，采 用三相異步電動機（如型號Y112M-4），電動機的轉(zhuǎn) 速要求為1440rpm，額定功率為4kW，經(jīng)減速后可實 現(xiàn)灌裝速度10瓶/分。 因為電動機的轉(zhuǎn)速較高，需設計傳動系統(tǒng)進行 減速，傳動系統(tǒng)采用三級減速機構，第一級為帶傳 動，第二、三級為齒輪傳動。為使傳動構件取得較小 尺寸，結構緊湊，采用傳動比“先小后大”原則。先進 行總傳動比的計算，然后對各級傳動比進行分配。 對總傳動比進行計算： i總 = i1i2i3 = n0n1n2 n1n2n3 = n0 n3 = 1440 10 = 144 （1） 其中，i總 為傳動減速系統(tǒng)總的傳動比；i1 為第一級 減速所采用的傳動比；i2 為第二級傳動所采用的傳 動比；i3 為第三級減速所采用的傳動比；n0 為電機1 的轉(zhuǎn)速；n1 為帶輪3的轉(zhuǎn)速；n2 為齒輪5的轉(zhuǎn)速；n3 為齒輪7的轉(zhuǎn)速。 對各級傳動比進行分配：取 i1 = 4 ，i2 = i3 = 6 ， 則 i總 = 144 。經(jīng)三級減速，與齒輪 7 相連的軸轉(zhuǎn)速 降為10rpm，錐齒輪嚙合傳動比為1，則轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為 10rpm，從而實現(xiàn)灌裝速度為 10rpm。其余齒輪，錐 齒輪嚙合傳動比皆為1。 1.4 傳動比的分配 旋轉(zhuǎn)型灌裝機完成以上運動所需要的機構如 下：轉(zhuǎn)盤間歇運動機構為槽輪機構，封口用曲柄滑塊 機構，灌裝用凸輪機構，定位夾緊用凸輪機構［9］ ，容 器瓶的輸入、輸出用皮帶輪機構［10］ ，傳送帶采用同步 帶傳動，帶的工作面做成齒形，帶輪的輪轂表面也做 成相應的齒形。這種帶傳動受載后變形極小，齒形 帶的周節(jié)基本不變，傳動比恒定、準確。齒形帶薄而 輕，可用于速度較高的場合，傳動時線速度可達 40 米/秒，傳動比可達10，傳動效率可達98%。 為了使灌裝機的效率更高，灌裝機采用電動機 驅(qū)動來實現(xiàn)自動化，若設定轉(zhuǎn)臺直徑為 600mm，采 用三相異步電動機（如型號Y112M-4），電動機的轉(zhuǎn) 速要求為1440rpm，額定功率為4kW，經(jīng)減速后可實 現(xiàn)灌裝速度10瓶/分。 因為電動機的轉(zhuǎn)速較高，需設計傳動系統(tǒng)進行 減速，傳動系統(tǒng)采用三級減速機構，第一級為帶傳 動，第二、三級為齒輪傳動。為使傳動構件取得較小 尺寸，結構緊湊，采用傳動比“先小后大”原則。先進 行總傳動比的計算，然后對各級傳動比進行分配。 對總傳動比進行計算： i總 = i1i2i3 = n0n1n2 n1n2n3 = n0 n3 = 1440 10 = 144 （1） 其中，i總 為傳動減速系統(tǒng)總的傳動比；i1 為第一級 減速所采用的傳動比；i2 為第二級傳動所采用的傳 動比；i3 為第三級減速所采用的傳動比；n0 為電機1 的轉(zhuǎn)速；n1 為帶輪3的轉(zhuǎn)速；n2 為齒輪5的轉(zhuǎn)速；n3 為齒輪7的轉(zhuǎn)速。 對各級傳動比進行分配：取 i1 = 4 ，i2 = i3 = 6 ， 則 i總 = 144 。經(jīng)三級減速，與齒輪 7 相連的軸轉(zhuǎn)速 降為10rpm，錐齒輪嚙合傳動比為1，則轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為 10rpm，從而實現(xiàn)灌裝速度為 10rpm。其余齒輪，錐 齒輪嚙合傳動比皆為1。 
    1.5 齒輪參數(shù)設計 齒輪機構在旋轉(zhuǎn)型灌裝機的運動傳遞過程中起 重要作用，為保證整個運動的平穩(wěn)傳遞，進行詳細齒 輪參數(shù)設計［11］ 。齒輪4、6的參數(shù)保持一致；齒輪5、 7的參數(shù)保持一致；輪15、16的參數(shù)保持一致；錐齒輪8、9、13、14、31、32、37、38、39、40的參數(shù)保持一致 （如表1、表2所示），傳送軸的設計可根據(jù)傳動軸所 受外力確定傳送軸的最小直徑，再根據(jù)實際情況確 定傳動軸的直徑，本系統(tǒng)為原理設計，具體參數(shù)可根 據(jù)實際情況查閱《機械設計手冊》進行確定。 表1 各直齒輪參數(shù) 各直齒輪參數(shù)名稱 齒數(shù) z 模數(shù) m 壓力角 a 齒寬 b 齒輪4、6 z =15 m =1 a =20? 5mm 齒輪5、7 z =90 m =1 a =20? b =5mm 齒輪15、16 z =40 m =1 a =20? b =5mm 表2 各錐齒輪參數(shù) 各錐齒輪參數(shù)名稱 模數(shù) 齒數(shù) 壓力角 面寬 轂直徑 安放距離 標稱軸直徑 錐齒輪8、9、13、14、31、32、37、38、39、40 2 20 20? 12mm 75mm 10mm 10mm 
    1.6 旋轉(zhuǎn)型灌裝機運動循環(huán)圖 機械結構的各執(zhí)行構件之間在動作上必須協(xié)調(diào) 配合［12］ 。如果協(xié)調(diào)配合關系遭到破壞，機械結構不 僅不能完成預期的工作任務，甚至還會損壞機械設 備［13］ 。為了保證機械結構在工作時各執(zhí)行構件間動 作的協(xié)調(diào)配合關系，編制了一個用以表明在機械的 一個工作循環(huán)中各執(zhí)行構件的運動配合關系的運動 循環(huán)圖（如圖4所示）［14］ 。運動循環(huán)圖的工作過程是 當灌裝機工作時，輸入傳送帶和輸出傳動帶一直在 不停歇的轉(zhuǎn)動，傳送容器。在工作臺不轉(zhuǎn)動的時候， 各工位進行加工，完成既定的工序。工作臺不轉(zhuǎn)動 時，工位2上的容器瓶被夾緊，完成灌裝動作。工位 3上的容器瓶被夾緊，完成封口動作。在罐裝、封口 工序完成，機構回程時，夾緊凸輪轉(zhuǎn)動，不夾緊容器 瓶。這時工作臺回轉(zhuǎn)，將完成加工的容器瓶送到下 一個工位去進行加工。 圖4 旋轉(zhuǎn)型灌裝機的運動循環(huán)圖 
    2 旋轉(zhuǎn)型灌裝機建模及仿真分析 
    2.1 應用軟件對旋轉(zhuǎn)型灌裝機整體進行建模 應用solidworks軟件對基于本文所述原理的旋 轉(zhuǎn)型灌裝機進行實體建模（如圖5所示），可以清晰 明了的看出外觀、運動原理及各機構之間的裝配關 系，為加工制造零件，調(diào)試產(chǎn)品提供依據(jù)［15］ 。 圖5 旋轉(zhuǎn)型灌裝機內(nèi)部機構原理圖 
    2.2 旋轉(zhuǎn)型灌裝機的灌裝機構運動仿真 灌裝機構采用凸輪機構，可以較為精確的完成 飲料灌裝任務［16］ 。因為灌裝要求精度高，且在整個 旋轉(zhuǎn)型灌裝機中較為重要，則需要進行灌裝凸輪的 外型輪廓設計及運動分析。 用軟件對灌裝凸輪的運動規(guī)律進行模擬來進行 定性的分析。仿真中對旋轉(zhuǎn)型灌裝機的基本工作參 數(shù)進行如下設定：（1）容器高度 h = 200mm ；（2）活塞 運動范圍 s = 40mm ；（3）推桿和活塞總長 l = 105mm ， 再選定凸輪的基本參數(shù)：①基圓半徑 r0 = 45mm ；② 滾子半徑 rt = 0mm ；③行程 s = 40mm ；④推程角 δ0 = 120° ；⑤回程角 δ = 120° ；⑥近休止角 δ01 = 60° ；⑦遠休止角 δ02 = 60° ；⑧升程最大壓力角 αmax 01 = 31.454° ；⑨回程最大壓力角 αmax 02 = 31.454° ； ⑩凸輪運動推程和回程選用無柔性沖擊和剛性沖擊 的擺線運動規(guī)律，在遠休止和近休止時采用靜止運 動規(guī)律［17］ 。 由運動循環(huán)圖和圖 6 的位移線圖可以看出來， 在軸回轉(zhuǎn) 0°~120° 時，容器瓶處于靜止狀態(tài)，而凸輪 處于推程狀態(tài)，可以完成液體的灌裝；在軸回轉(zhuǎn)120°~140° 時，轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)，已完成灌裝的容器瓶進入 到下一個工位，在此期間活塞處于液體儲存杯的最 下方，并保持靜止，擋住灌裝通道，不會使液體流 出。在軸回轉(zhuǎn)240o ~360o 時，轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)，下一個空的 容器瓶進入灌裝工位，凸輪處于回程狀態(tài)，完成液體灌裝，一個周期工作完成。由速度線圖及加速度線 圖可以看出來，速度及加速度連續(xù)變化，無柔性沖擊 及剛性沖擊，運動平穩(wěn)，完全符合設計要求。 圖6 凸輪的運動曲線 2.3 封口壓蓋機構運動仿真 封口壓蓋采用曲柄滑塊機構，曲柄滑塊機構具 有急回特性，可以確?？焖贉蚀_地完成封口操作。 封口壓蓋機構在旋轉(zhuǎn)型灌裝機中有重要地位［18，19］ ， 所以進行詳細設計和運動分析。對齒輪與曲柄安裝 高度及轉(zhuǎn)速初始參數(shù)進行設定： （1）齒輪與曲柄的安裝高度為 400mm 。 （2）齒輪與曲柄轉(zhuǎn)速為10rpm。 依據(jù)設定的初始參數(shù)，則可得到：曲柄長度 l1 = 30mm ；連桿長度 l2 = 150mm ；封口壓蓋滑塊的 行程 s = 60mm 。 曲柄滑塊的輪廓尺寸及定性的運動仿真如圖7 所示，曲柄滑塊的位移為正弦運動規(guī)律，在完成液體 灌裝的容器瓶到達封口工位時可以快速完成封口動 作，當容器瓶進入下一個工位時則滑塊回到原始位 置，完成一個周期的運動。由速度線圖和加速度線 圖可知速度和加速度都是正弦運動規(guī)律，可以看出 速度與加速度的偏差小，準確，沖擊小，可以確保工 件磨損小，較好地完成封口動作，符合設計要求。 圖7 曲柄滑塊機構的運動曲線 
    3   結論 
    本課題通過分析灌裝機的工作原理，結構特性， 市面已有灌裝機的的不足，設計了一種新型全自動 旋轉(zhuǎn)型灌裝機結構及運動方案，并分析了其工作原 理、功能。主要完成以下幾個方面的內(nèi)容： （1）在分析工藝動作的基礎上，針對各工藝動作 所涉及到的運動機構進行了合理設計，如容器輸送 的方式、定位與夾緊、轉(zhuǎn)臺的間歇轉(zhuǎn)位及定量灌裝 等。 （2）在執(zhí)行機構的選型及運動方案的確定上，重 點研究了轉(zhuǎn)臺間歇機構與定量灌裝機構，通過比較 各自的優(yōu)缺點來合理正確地選型，確保采用合理的 機構，使整體工作效率更高。 （3）對灌裝機整體進行建模及運動學仿真，使各 機構的運動相互協(xié)調(diào)，運行平穩(wěn)，為后續(xù)加工制造及 推廣應用奠定良好的基礎。 本文所設計的灌裝機與市面已有灌裝機相比具 有定位精準，灌裝穩(wěn)定，機構簡單，制造成本低，自動 化程度高，運行效率高的優(yōu)點，適合大規(guī)模推廣應 用。 參