摘 要

基于国内的水泥行业生产现状，以符合当前时代机械发展的目标——高速、高效、高质量，对水泥装袋机——上袋机进行机构设计，实现更自动化、更高效的上袋工序操作。本次设计对上袋机进行工序分析，通过工序分析对机构分模块进行机构设计，通过对折袋机构模块、上袋套袋机构模块、固定水泥包装袋机构模块、充填机模块和落袋机构模块进行机构设计并系统装配，完成对水泥装袋机——上袋机的机构设计。对每个模块进行工序分析和机构设计，并对每个模块机构进行运动分析和动力结构设计。在机构设计完毕后，对每个模块使用SolidWorks进行建模，并对所有模块模型进行系统装配，完成对水泥装袋机——上袋机的机构设计。对系统装配后的模型图的各机构进行模拟，确保上袋机可以正常进行工作。

对每个模块进行机构设计时，结合其生产工序，分析出其机构的主要运动，根据其机构主要运动，设计机构的形式、尺寸和动力传递的结构和形式，完成机构的设计。最后使用SolidWorks进行模型构建。

上袋机的设计应保证生产的全自动化、高效生产、稳定可靠，以此提高生产效率，改善生产环境，促进智能化和绿色化的生产。

关键词：上袋机；模块设计；全自动化；机构设计；

Abstract

Based Based on the current domestic cement industry production situation, in order to meet the mechanical development goals of the current era - high-speed, high-efficiency, high-quality, on the cement bagging machine - bag machine mechanism design, to achieve a more automated and more efficient bag processing operations . In this design, the process of the upper bagging machine is analyzed, and the mechanism design of the sub-modules is performed through process analysis. The bag folding mechanism module, the upper bagging mechanism module, the fixed cement packaging bag mechanism module, the filling machine module and the bag falling mechanism module are used. Institutional design and system assembly are carried out to complete the design of the mechanism of the bagging machine for cement—the bag machine. Perform process analysis and mechanism design for each module, and perform motion analysis and dynamic structural design for each module mechanism. After the design of the mechanism was completed, each module was modeled using SolidWorks, and all module models were systematically assembled to complete the design of the mechanism of the bagging machine for cement—the upper bag machine. Simulate each mechanism of the model diagram after system assembly to ensure that the upper bag machine can work normally.

When designing the mechanism of each module, combined with its production process, the main movements of its mechanism are analyzed, and the design of the mechanism is completed according to the main movement of its mechanism, the design of the structure, the size, and the structure and form of power transmission. Finally use SolidWorks for model building.

The design of the upper bag machine shall ensure that the production is fully automated and efficient, stable and reliable, so as to increase production efficiency, improve the production environment, and promote intelligent and green production.

Key Words: Bag machine;module design; fully automated; mechanism design.

目 录

第一章 绪论 6

1.1上袋机的研究背景、目的及意义 6

1.1.1上袋机的研究背景 6

1.1.2上袋机设计的目的 7

1.1.3上袋机设计的意义 7

1.2国内外现状分析 8

1.2.1国内外充填机种类分析 8

1.2.2上袋机种类分析 13

1.2.3我国与国外上袋机现状对比 14

1.3设计思路 16

1.3.1设计要求 16

1.3.2工序分析 16

1.3.3设计方法 17

第二章 总体设计 18

2.1上袋机机构的系统组成 18

2.2各部分模块机构的实现方案确定 18

2.2.1折袋机构的实现方案的确定 18

2.2.2上袋机构的实现方案的确定 18

2.2.3充填机机构设计方案的确定 19

2.2.4固定包装袋机构设计方案的确定 19

2.2.5落袋机构设计方案的确定 20

2.3上袋机的系统设计及机构简图 21

第三章 模块机构设计 22

3.1水泥包装袋的选择 22

3.2折袋机构设计 25

3.3上袋套袋机构设计 28

3.4水泥充填机机构设计 31

3.4.1固定机构结构设计 33

3.4.2充填口设计 33

3.5落袋机构设计 36

3.6系统装配 39

第四章 结论与展望 40

4.1 结论 40

4.2展望 40

参考文献 41

致谢 43

第一章 绪论

1.1上袋机的研究背景、目的及意义

1.1.1上袋机的研究背景

（1）水泥行业生产背景

随着中国经济的高速增长，中国的基础建设也在一步一步的发展进步，水泥等建筑材料的需求量也在日益增加，因此水泥等建筑材料的生产在中国基础建设发展的历程中，有着至关重要的作用。

如图1所示，中国年均水泥总产能在近十年时间内持续增加，虽然近年来增长率趋于稳定，但总的使用量较与十年前，已有数倍增长，其水泥总产能已高达世界第一位，其产能占据全球总产能的52%。

图1 近年来我国的水泥产能柱状图

但由于中国的工业生产水平与国外发达国家有一定的差距，使得中国较之国外发达国家而言水泥产能利用率偏低，在高使用量与低产能利用率之间，是大量的生产材料、生产力、能源的浪费。这使得我们迫切的需要进行工业生产的优化，改进生产机构，提高生产效率，使得水泥生产更趋于高效化，更符合绿色生产和科学发展观。

在水泥产品的生产运输销售使用中，有一部分是使用水泥罐车直接将水泥产品运送至指定使用地，这种方式只适用于距离较近的指定使用地，且只适用于一次性使用量比较大的建筑建设；在更多的时候，水泥产品的生产销售方式为袋装水泥生产销售，因为袋装水泥有着包装袋的保护，方便销售与储存，同时袋装水泥可以较为精确地控制使用量，避免建筑建设时水泥材料的浪费，适用于更多场合的销售使用。而本次课程设计就是针对袋装水泥的生产进行机构设计，提高水泥材料的生产水平，促进国家工业生产的进步和建设的发展。而水泥产业的因工业机械生产的原因造成的低效率生产而导致产能浪费主要集中在袋装水泥的生产上，因此需要对水泥袋装生产进行更高效的生产机械设计，以降低产能浪费，促进国家的发展。

（2）机械生产工业水平

目前，世界先进包装机械的发展已呈现出集机、电、气、液、光、磁、生为一体的势头，提出机械的特征趋于“三高——高速、高效、高质量”。生产的高效率化、产品的节能可回收化、高新技术实用化、智能化已成趋势，这也应该是我国包装机械业的主流发展方向。在当今这个时代，中国致力于提高工业水平，开展工业4.0项目发展，努力将国家打造成工业强国。在一些行业，我们国家的科研技术不断创新，生产水平不断提高，已经逐渐拉近我国和国外发达国家之间的差距，甚至在某些领域实现反超，但在更多的领域我们国家的自动化生产水平还有待提高。在水泥产品的包装生产行业，许多生产企业还停留在半自动阶段，生产和包装方式也并不高效环保，对生产车间和环境影响很大。基于此时代背景下，水泥等建筑材料的生产也应更加机械化、智能化和绿色生产，以达到降低生产成本，提高生产效率，降低人力资源使用，达到智能制造和绿色发展的生产目标。

1.1.2上袋机设计的目的

本次设计的目标是基于袋装水泥的生产而对水泥装袋机中的重要部分——上袋机进行机构设计。通过对水泥装袋机——上袋机部分进行工序分析，完成对上袋机部分的机构设计，实现上袋机的自动化上袋生产、智能化控制生产、稳定高效的完成水泥产品生产的目标，同时降低水泥生产对作业人员的身体健康的危害和对环境的危害，向绿色生产发展目标进发。

1.1.3上袋机设计的意义

在学术研究中，我们需要将新的科研技术拿到实际生产中不断实践；在工业生产中，我们也需要不断研发新的生产技术，以提高生产水平。本次设计将科研技术运用于实际工业生产，对新的科研技术进行实践和检验，同时利用新的科研技术，对实际工业生产进行改进，提高生产水平和生产力，降低能源损耗，实现绿色生产，促进企业和国家的发展进步。

1.2国内外现状分析

1.2.1国内外充填机种类分析

充填机是将精确数量的包装品装入到各种容器内的包装机，其主要适用于固体包装品的充填。就目前国内外现状分析看来，充填机的种类有很多。

根据充填机充填的计量方式可分为：

（1）容积式充填机

常见的容积式充填机有量杯式、插管式、柱塞式、料位式、螺杆式、定时式充填机。图为螺杆式充填机。

图2 螺杆式充填机

（2）称重式充填机

常见的称重式充填机有间歇称重式、连续称重式、称重—离心等分式等充填机。常见的称重式充填机机械简图如图所示。

图3 常见称重式充填机构机械简图

（3）计数式充填机

常见的计数式充填机有单件计数式、多件计数式充填机。

图4 单件计数式充填机

其中容积式和称重式适用于小颗粒状，粉末状、块状的包装品，而计数式充填适用于分离明确的大颗粒、大块状的包装品。

由水泥自身的固有特性可以分析的出，对于水泥充填机，我们一般选用容积式充填机和称重式充填机而不选用计数式充填机。

根据充填机的在工业生产中运动特性可分为

（1）回转式充填机

回转式充填机在工业生产流程中环绕机座进行慢速旋转，在回转过程中进行充填。其机械构型如图所示。

图5 回转式充填机

（2）直线型充填机

直线型充填机在工业生产流程中一般固定在生产线中，4~8个充填口为1组，，上袋机构同时将4~8个包装袋作为一组传送至充填口下，进行充填，其机械构型如图所示。

图6 直线型充填机

对比直线型充填机与回转式充填机，直线型充填机本身结构更为简单，其在生产流程中固定于生产线上，因此不需要动力传递装置，但在生产时，只有在一次充填完成后，才能进行下一次充填，生产效率较低；回转式充填机结构较为复杂，且由于充填机体型较大，对充填机进行动力传递使其慢速回转需要一定的能量，这会加大生产的成本，但回转式可以在充填进行时，就可以进行下一个充填口的套袋充填，这样可以提高生产效率，适用于大批量的工业生产。

回转式充填机又可以分为竖式充填口和横式充填口，竖式充填口，能够利用重力作用，极大地加快充填速度，但因为重力作用，竖式充填口在充填粉尘包装品时会造成大量的粉尘飞扬，对生产车间和工作人员造成伤害。横式充填口在充填时被全部包裹在包装袋内，能够有效地减少粉尘飞扬，因此更适合粉尘包装品充填；但由于充填口较为水平，包装品受重力影响较小，充填速度较慢，需要外界手段来加快充填速度，例如充填喷嘴等。

1.2.2上袋机种类分析

由于充填机的种类多样，与充填机相配套的上袋机种类也比较多样化。

对于单充填口的充填机，一般情况下其上袋方式为通过袋成型器进行边成袋边上袋边充填；或者是将事先成型好的包装袋，经传送带上袋至充填口，然后进行充填。如图7所示。

图7 直线型或但充填口上袋机构示意图

对于多充填口的，如果是直线型充填机，依旧可以使用传送带进行上袋和充填，但对于回转式，由于充填口在运动，上袋较为困难，因此需要采用机械手爪式上袋方式或者高速运动上袋方式，抵消或忽略回转式上袋机运动的状态，才可以实现稳定可靠的上袋操作。如图8所示。

图8 机械手上袋机构

1.2.3我国与国外上袋机现状对比

我国机械制造和自动化生产的发展起步时间晚于国外的发达国家，因此我国的机械制造和产品生产的水平与国外发达国家有着一定的差距。

国内大口袋颗粒充填方式普遍为竖式充填口充填，将包装袋夹持好后，撑开袋口，送至充填口下方，打开阀门进行充填。这种充填方式结构较为简单，对机械材料和精度要求较低，而产品包装袋可以采用普通的枕形编织袋，因此在机械要求和生产成本上远低于其他充填机械；同时竖式充填口充填，内装物产品受重力作用影响大，充填速度较快，但只适合颗粒状产品如米、盐等，但不适合粉末状产品，如水泥、面粉等，因为在充填过程中会产生大量的灰尘，影响生产机械的运作和寿命。

国外的粉末状产品充填的上袋机结构一般为横插式充填口充填，包装袋为特制的砖型包装阀口袋，在包装袋上部右侧袋角内折形成一个袋口，袋口略大于充填口，因此在充填口横插进行充填过程中，粉尘大部分都局限在包装袋内，而不会溢出影响生产。在中小型生产企业，常用的大口袋充填机构为简便的横插式充填口上袋机结构。预制包装袋经过机构翻折和袋口撑开后，通过机构运动套在充填口上，然后开始充填。将充填口设计为水平向下倾斜较小角度，保证套袋及充填过程中，包装袋受较大摩擦力影响而不会从充填口上滑落。同时在落袋处设置斜挡板，帮助包装袋产品顺利落在指定位置进入下一工序。此机构设计较为简便，因此在设备的成本和后期维修上可以节省很多，但在产品充填过程中，有少部分的的包装袋会因空气流动等因素而掉落，影响充填质量和速度。

为避免因包装袋掉落而造成的经济损失，在充填口出安装一夹持机构，在套袋完成后，夹持机构运作，将包装袋固定在充填口上，从而顺利完成产品的充填工序。这一改进增加了机械设备的成本，但提高了生产质量和效率。

根据以上现状分析，最终确定本次上袋机设计方案为，选择横式充填口的回转充填机做为充填机，其阀口计量方式为定时式计量充填方式。根据充填机的选择，进行相配套的上袋套袋机选择，回转式充填机为多充填口，且充填机回旋转动，使用机械手爪式上袋方式更为稳定可靠。

1.3设计思路

1.3.1设计要求

本次课程设计的水泥装袋机——上袋机机构主要适用于国家标准的水泥包装袋的上袋充填与自动化生产。其机构设计要求为：设计套袋速度为1200袋/h,套袋成功率应不低于99.9%。本次设计的充填的产品为水泥，水泥在生产和储存的情况下应为干燥粉末状，其失效形式为遇水硬化失效，通过以上国内外上袋机构的现状分析、本次设计的机构生产要求和产品的自身特性，为保证生产的稳定和高效，提高生产的自动化程度，选用带夹持机构充填口的横插式充填机构。

1.3.2工序分析

根据生产流程及目前市场上横插式充填机构的工作方式，对水泥装袋机——上袋机进行工序分析：

1. 水泥包装袋成摞放置在指定区域，然后折袋机构开始工作，通过吸盘吸住水泥包装袋的一端，带动水泥包装袋进行折袋工序；
2. 折袋工序完毕后，需要对水泥包装袋进行开袋操作，确保后续套袋工序的顺利进行；
3. 开袋结束后，机械夹爪夹持住水泥包装袋，此时折袋机构松开吸盘，机械夹爪运动，将水泥包装袋送至充填机处进行套袋操作，上袋工序完成；
4. 水泥包装袋套置在充填机的充填口上，此时需要对水泥包装袋进行固定，防止水泥包装袋在充填过程中意外滑落，造成生产效率的降低。固定装置位于充填口上方，在外界动力作用下，固定装置向下运动，与充填口相互配合，将水泥包装袋固定；
5. 水泥包装袋固定完毕后，充填口阀门打开，开始进行水泥产品的灌装充填；
6. 充填完毕后，需要将袋装水泥从充填口上转运送至输送带上，以便将袋装水泥运输至下一工部。由于袋装水泥较重，当固定水泥包装袋装置松开以后，袋装水泥不能从充填口上自行滑下，需要落袋机构对袋装水泥施加一推力，帮助其从充填口上落下；

1.3.3设计方法

水泥装袋机——上袋机的生产流程的由以上生产工序构成，根据生产工序可知水泥装袋机——上袋机是有几个部分机构组成的，各个部分可以独立设计，因此根据生产工序，采用模块化结构设计。根据生产工序，将水泥装袋机——上袋机分为五个模块进行设计，这五个模块分别为折袋机构模块、上袋套袋机构模块、固定水泥包装袋机构模块、充填机模块和落袋机构模块。根据这五个模块的机构实现的功能和工序要求，对这五个模块进行机构设计。最后对各个模块机构进行系统装配，完成整个上袋机的机构设计。

第二章 总体设计

2.1上袋机机构的系统组成

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