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1、 本科毕业设计说明书（论文） 第 27 页 共 27 页1 绪论1.1 灌装机械概述灌装机械的主要作用是将液体介质充填到包装容器中，灌装机械一般可以实现灌装、封口等功能。根据灌装介质中是否含气体或是否会生成气体可将灌装介质分为：硬饮料（含酒精成分的含气饮料）、软饮料（不含酒精成分的含气饮料）、不含气体液体（如白酒和醋等）。由于灌装产品的物理化学性质，特别是黏度、含气量不同，灌装要求也有所不同，常用的液体灌装方法有：常压灌装法、等压灌装法、负压灌装法、微负压灌装法。按包装容器的主要运动形式分类：旋转型灌装机，直线式灌装机。图 1-1 旋转型灌装机图 1-2 直线式灌装机1.2 PLC简介可编程控
2、制器（Programmable Logic Controller, PLC)是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制器、计数、定时和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或自动化设备以及生产过程。PLC的特点1)易操作且共用性好2)功能多，环境适应性好3)良好的稳定性和防干扰能力4)编程易学易懂5)设计、安装、调试方便简单6)封装性好、能耗不高PLC的应用范围(1)开关量的逻辑控制(2)运动控制(3)闭环过程控制(4)数据处理(5)通信联网92 CGF24-24-8型灌装机控制系统方案设
3、计2.1 CGF24-24-8型灌装机的工艺要求课题研究的是高速清洗灌装旋盖三合一机，为24头旋转型液体灌装机，主要灌装介质为水。该灌装机结构上主要由风道进瓶组件、清洗组件、灌装组件、旋盖组件、出瓶组件五大部分组成，要求对于500ml的PET瓶可以实现高速稳定精确灌装，且实现无瓶不灌装、无瓶不加盖及在线清洗等功能。主要技术要求为： (1)灌装速度从12000瓶/h提高到18000瓶/h； (2)灌装对象为500ml的PET瓶，灌装介质为水；(3)灌装的容量误差2%；(4)保证灌装时无滴漏、无泡沫产生；(5)保证无瓶不灌装，无瓶不加盖；(6)可以实现完整的CIP清洗（不拆卸设备、零部件、管道的情
4、况下，通过使用清洗溶液对设备进行清洗后能达到食品生产的卫生级要求）；(7)灌装机设计符合国标GB16789-1997食品机械安全卫生要求。2.2 CGF24-24-8型灌装机的整体结构论文所研究的CGF24-24-8型灌装机三维示意图（灌装组件隐藏了防尘罩）如图2-1所示，结构部分主要分为风道进瓶组件、清洗组件、灌装组件、加盖组件、出瓶组件等部分组成，结构图如阁2-2所示，各组件及其作用如下：图 2-1 灌装机三维示意图图 2-2 灌装机结构图1机箱组件；2风道进瓶组件；3过渡盘； 4一洗瓶组件；5过渡盘；6灌装组件；7过渡盘；8供盖组件；9一加盖组件；10出瓶组件2.3 CGF24-24-8
5、型灌装机控制系统的方案设计控制系统的作用就是对开关、按钮、传感器等输入信号进行分析，从而做出响应来控制各执行机构完成相应的动作，使整个灌装过程准确而有序得进行。图2-3为常用的电气控制系统的组成图。图 2-3 电气控制系统组成图工艺流程是控制系统设计的主要依据，也是控制系统依托机械部分要实现的目标，不同的工艺流程，其控制方案也不同。图 2-4 灌装工艺流程图根据CGF24-24-8型灌装机的工艺要求，对照其灌装的工艺流程，依据一般电气系统的组成确定控制系统各部分如下：输入元件，控制中心，执行元件：伺服电机，步进电机，电动机，电磁体，指示灯。系统采用HMI (人机界面，Human Machine
6、 Interface)控制灌装机的机械动作（2），控制系统框图如图2-5所示。图 2-5 控制系统框图3 CGF24-24-8型灌装机灌装关键技术研究本章主要围绕以下三个方面进行：（1) 一个伺服菜控制两个灌装头的连续灌装的灌装流程；（2)伺服泵的速度如何分配以提高灌装速度并防止飞溅和溢出；（3)如何控制步进电机以实现快速、精确的换向。3.1 灌装流程 图 3-1 灌装示意图图3-1所示为复位之后灌装部分的流程图，图所示位置为24号灌装头在1号工位时的情形。灌装时，每个灌装头对应一个瓶子进行灌装。按下启动按钮，灌装轮盘开始转动，灌装开始。1号工位是灌装的开始工位，9号工位为灌装停止工位，17号
7、工位为出瓶工位。对于每个灌装头来说，它的工作流程为：1号工位开始灌装一9号工位灌装结束一 17号工位出瓶。前面己经介绍过，XG-24128型灌装机最大的特点是一个伺服泵对应两个灌装头的连续灌装，同一伺服泵控制的两个灌装头呈180度安装。以1号伺服泵为例，控制1号灌装头和13号灌装头，1号灌装头和13号灌装头分别执行上述的灌装一停止一出瓶动作，所以每个伺服泵的工作流程为灌液一吸液一灌液一吸液，图4-2所示为单个伺服泵的工作流程图（图中n为小于等于12的自然数）。灌装所用陶瓷泵有两个出液口和一个进液口 ，伺服泵要完成灌装一吸液一灌装一吸液动作，两次灌装分别从两个出液口出液，吸液从进液口进液，所以每
8、次灌装与吸液动作之间，陶瓷泵都要经过一次换向。图4-3所示为灌装组件灌装的详细流程图（灌装从n=l开始）。图中n为小于等于12的自然数。图 3-2 灌装流程图3.2 灌装头位置确定首次灌装为1号灌装头的灌装。初次吸液完成以后，空瓶进入灌装组件后，当1号灌装头运动到1号工位处，有无瓶检测传感器3检测此时有瓶，则1 号灌装头就开始灌装。灌装开始后为确定灌装组件上各灌装头的位置，灌装组件主轴上安装有编码器，对灌装主轴的旋转免度进行测量。采用单圈式绝对编码器，通过PLC的串行通讯模块读取出每个编码。24个灌装头（对应12个陶瓷泵）在复位之后有其固定的位置，对应编码器输出有一个确定的编码，这样就可以确定
9、每个泵的位置，从而可以对各个泵的工作状态进行控制。用分辨率为1024的编码器来测量旋转角度时，24个灌装头对应的编码以42.7递增。复位完成之后，1号灌装头在24号工位；开始灌装之后，灌装主轴旋转15度时，对应编码为42.7时，即为1号灌装头转动到灌装的起始工位（1号工位），以此类推，则在1号工位，不同编码值对应的灌装头及伺服泵如表3-1所示。表 3-1 编码值对应表编码值对应的灌装头编码值对应的编码头对应的伺服泵42.71号42.7*1313号1号42.7*22号42.7*1414号2号42.7*33号42.7*1515号3号42.7*44号42.7*1616号4号42.7*55号42.7*
10、1717号5号42.7*66号42.7*1818号6号42.7*77号42.7*1919号7号42.7*88号42.7*2020号8号42.7*99号42.7*2121号9号42.7*1010号42.7*2222号10号42.7*1111号42.7*2323号11号42.7*1212号42.7*2424号12号PLC通过其串行通讯模块读取编码器的编码值并以此来判断灌装头的位置。首次灌装完成以后，PLC读取到编码为42.7n或42.7 (n+12)时，在灌装开始工位（1号工位）的即为第n号或第（n+12)号灌装头，于此对应的n号伺服泵启动，完成灌装动作。也就是说，灌装开始之后，若检测到1号工位此
11、时有瓶，则每个灌装头到达1号工位时，其对应的伺服泵就开始灌装动作。3.3 灌装速度确定国内灌装机的灌装速度普遍比较低，同时还存在着灌装稳定性不高、精度稳定性差等问题。其中很大一部分原因是因为灌装速度提高以后，虽然提高了生产效率，但速度的提高也使得灌装中的飞溅、泡沫问题更为严重，从而影响灌装的质量。所以，对灌装速度高达18000BPH的大容量、高精度、高稳定性的饮料类灌装机的灌装速度进行深入研究是很有必要的。由于灌装速度快且要求灌装精度高，不能有气泡、溢出、滴漏等情况出现，所以灌装时采用跟踪灌装模式。圆周方向上，瓶子和灌装头都跟随灌装组件以相同的速度旋转，所以圆周方向瓶子和灌装头相对静止；垂直方
12、向，灌装开始时灌装头伸入到瓶子内部进行灌装，整个灌装过程中，灌装头头部距离液面始终保持固定距离，以减少飞溅和气泡的产生，灌装头垂直方向的运动由凸轮曲线实现。此外，为了减小高速灌装带来的冲击及气泡，对灌装速度也作了更深入的研究。灌装速度确定主要确定陶瓷泵吸液速度和灌液速度两部分。对于旋转型自动灌装机，其生产能力-般用Q=60an进行计算：要提高灌装的生产能力就必须增加灌装机头数a和提高转速。如果增加灌装机的头数a来提高生产率，那么灌装机的旋转台直径也会相应增大，这样的话，一方面整个机器体积变大；另一方面，旋转台转速一定时，还必须考虑离心力的影响，要保证瓶子在灌装过程中绕主轴旋转产生的离心力小于瓶
13、子与瓶托之间的摩擦力，否则瓶子会被抛出托瓶台，影响整个灌装过程的顺利进行。如果采用提高主轴的转速n来提高生产率，除了同样要考虑离心力之外，还要考虑灌装时间，要保证有足够的时间使得瓶子在限定的灌装区域内完成定量灌装的要求。根据生产要求，生产能力从12000瓶/h提高到18000瓶/h，生产效率提高了 50%,灌装机的头数不变，通过提高灌装台的转速来达到生产的工艺要求。灌装台的转速12.5r/min，完成一个工作循环4.8s。由于CGF24-24-8型灌装机采用的是一个伺服泵同时控制两个灌装头并实现连续灌装的控制设计，也就是说主轴旋转一周，伺服泵要完成两次吸液和两次灌液，所以，CGF24-24-8
14、型灌装机伺服泵每完成一个工作循环（一次吸液和一次灌液）的时间为1.5s。主轴旋转一周所需时间T为4.8s， CGF24-24-8型灌装机共有24个工位，则每个工位的运动时间为0.2s。也就是说，灌装机每转过一个工位所需时间为0.2s，根据T工位对式中所求的灌液时间进行修正，同时若使用一个伺服泵对一个灌装头进行灌装，则1号工位升始灌装，17号工位出瓶，每个工位运行时问为0.2s，灌装时间为3.2s,CGF24-24-8型灌装机每个伺服泵控制两个灌装头，取灌液时间为主轴运动8个工位的吋间为1.6s。电机位移，吸液和灌液时，电机位移大小相同，方向相反。确定了吸液时间Tx和灌液时间Tg后，对吸液速度和
15、灌装速度的分配分别进行研究。1、吸液伺服电机正转时，通过丝杆带动陶瓷泵向上运动，完成吸液动作。吸液过程包括两次换向动作和一次吸液动作，伺服泵在工位9处完成灌装，工位9至工位13为吸液区间。在此区间内，首先，陶瓷泵内芯在步进电机的带动下先从出液口转到吸液口，然后由伺服电机带动陶瓷泵完成吸液动作，最后灌满液体的陶瓷泵在步进电机带动下旋转120度到另一出液口，等待下一次灌装命令。也就是说，每一次吸液过程为：换向一吸液一换向。吸液过程的总时间Tx为0.8s，步进电机带动陶瓷泵旋转120度的极限时间为0.075s,而每个吸液过程有两次换向，所以单个吸液动作的时间为0.6s。 为了提高吸液速度，缩短吸液时间，吸液动作采用单速模式。启动后，伺服电机在最短的时间内加速到给定的吸液速度V吸，以给定吸液速度V吸匀速转动到给定地址后快速停止。整个吸液过程中，电机的转动位移一定，从而使得陶瓷泵每次吸液容量一定，以保证灌装精度。 由于吸液时电机为高速转动，所以给定速度V吸接近于吸液时陶瓷菜平均速度V
