機械原理課程設計-旋轉(zhuǎn)型灌裝機

1、目錄第一章 設計任務3§1-1 工作原理及工藝動作3§1-2 設計要求及提示3§1-3 設計任務要求3第二章 旋轉(zhuǎn)型灌裝機的工作原理及其功能原理4§2-1旋轉(zhuǎn)型灌裝機工作原理4§2-2 旋轉(zhuǎn)型灌裝機的功能分解圖、執(zhí)行機構動作分解圖5第三章 旋轉(zhuǎn)型灌裝機機構運動總體方案16§3-1 旋轉(zhuǎn)型灌裝機總體方案圖（機構運動簡圖）16第四章 工作循環(huán)圖及運動轉(zhuǎn)換功能圖18§4-1工作循環(huán)圖18§4.2繪制機械系統(tǒng)運動轉(zhuǎn)換功能圖19§4-3用形態(tài)學矩陣法創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)型灌裝機機械系統(tǒng)運動方案：19第五章 旋轉(zhuǎn)型灌裝機各運動構

2、件的設計選擇與分析20§5-1傳動機構的選擇：20§5-2減速機構的設計，選擇與分析21§5-3灌裝機構的設計：22§5-4間歇運動機構的設計，分析26§5-5傳動齒輪，帶輪，鏈輪的設計：28§5-6壓蓋封口機構的設計：28第六章 設計總結與心得體會:30參考文獻31貴州大學機械工程學院貴州大學機械工程學院機械原理課程設計任務書題號5旋轉(zhuǎn)型灌裝機第一章 設計任務1-1 工作原理及工藝動作設計旋轉(zhuǎn)型灌裝機。在轉(zhuǎn)動工作臺上對包裝容器（如玻璃瓶）連續(xù)灌裝流體（如飲料、酒、冷霜等），轉(zhuǎn)臺有多工位停歇，以實現(xiàn)灌裝、封口等工序。為保證在這些工位上

3、能夠準確地灌裝、封口，應有定位裝置。如圖1中，工位1：輸入空瓶；工位2：灌裝；工位3：封口；工位4：輸出包裝好的容器。該機采用電動機驅(qū)動，傳動方式為機械傳動。1-2 設計要求及提示1.采用灌瓶泵灌裝流體，泵固定在某工位的上方。2.采用軟木塞或金屬冠蓋封口，它們可由氣泵吸附在壓蓋機構上，由壓蓋機構壓入（或通過壓蓋模將瓶蓋緊固在）瓶口。設計者只需設計作直線往復運動的壓蓋機構。3.此外，需要設計間歇傳動機構，以實現(xiàn)工作轉(zhuǎn)臺間歇傳動。為保證停歇可靠，還應有定位（鎖緊）機構。1-3 設計任務要求1)根據(jù)功能要求，確定工作原理和繪制系統(tǒng)功能圖。2)按工藝動作過程擬定運動循環(huán)圖。3)構思系統(tǒng)運動方案(至少2

4、個以上)，進行方案評價，選出較優(yōu)方案。4)對傳動機構和執(zhí)行機構進行運動尺寸設計。5)對壓蓋機構進行運動學分析。6)繪制系統(tǒng)機械運動方案簡圖（3號圖）。7）完成設計說明書的編寫。1-4 設計數(shù)據(jù) 表1-1旋轉(zhuǎn)型灌裝機技術參數(shù)表數(shù)據(jù)代號轉(zhuǎn)臺直徑mm電動機轉(zhuǎn)速r/min灌裝速度r/min齒輪模數(shù)1600144010225501140122.5350096010346001140152.555509608466001450153第二章 旋轉(zhuǎn)型灌裝機的工作原理及其功能原理2-1旋轉(zhuǎn)型灌裝機工作原理在轉(zhuǎn)動工作臺上對包裝容器（玻璃瓶或鐵質(zhì)瓶）連續(xù)灌裝流體（酒、飲料、 圖2.1冷霜等），轉(zhuǎn)臺有多工位停歇，以實

5、現(xiàn)灌裝、壓蓋封口等工序。為保證在這些工位上能夠準確地灌裝、封口，應有定位裝置。如圖2.1，根據(jù)工作要求，即灌裝機在同一個原動機的驅(qū)動下，將待灌裝液體和待壓蓋的瓶送入工位1；同時工作臺做間歇的旋轉(zhuǎn)運動，將代加工瓶依次送人工位2和工位3；在工位2和工位3時分別對工件進行定位夾緊，同時分別進行灌裝和壓蓋封口動作；待工位3進行壓蓋封口結束后，加工后的瓶隨著工作臺的旋轉(zhuǎn)進入工位4，即輸出工位，由傳送帶送往下一個加工工序的位置。2-2 旋轉(zhuǎn)型灌裝機的功能分解圖、執(zhí)行機構動作分解圖（1）灌裝機的功能分解圖根據(jù)灌裝機的工作原理和設計任務書，為滿足灌裝機整體的要求，可以將灌裝機的功能分為以下幾個具體的功能:工件

6、的輸入功能；工件的定位和夾緊功能；工件的灌裝功能；工件的壓蓋封口功能；工件的輸出功能。功能邏輯圖及可選執(zhí)行機構框架圖如下：旋轉(zhuǎn)型灌裝機工件輸入工件定位灌裝工件輸出工件夾緊壓蓋連續(xù)傳送帶，間隙傳送帶槽輪機構間隙運動擋板在每個工位自動加緊凸輪機構，連桿機構曲柄滑塊機構傳送帶連續(xù)傳送，傳送帶間隙 圖2.2 （2）執(zhí)行機構動作分解及運動方案的選擇與比較原動機的選擇。本機構設計選用代號5的數(shù)據(jù)，故選用960r/min電動機驅(qū)動。轉(zhuǎn)速較高，需要減速機構降低速度供執(zhí)行機構使用。送料機構的功能為了實現(xiàn)工件的輸入及傳送功能，根據(jù)設計的要求，最終決定出了以下兩種方案：方案一：如圖2.3所示的六桿送料機構，原動件A

7、B連續(xù)轉(zhuǎn)動，使DF擺動，通過HG桿的作用使F在HG范圍內(nèi)的往返運動，最終把容器送至工位1，但是這種傳送運動沖擊大，容易造成沖擊，這對輕質(zhì)容器、玻璃容器等來說會有損壞的可能，必須避免，再者，這樣的機構設計比較復雜，運動分析較繁瑣，因此最終沒選擇這個方案。圖2.3方案二：如圖2.4，使用轉(zhuǎn)送帶連續(xù)的，以一定的速度不斷向工作臺傳送工件，設計好在單位時間內(nèi)進入工作臺的瓶子數(shù)量就行了。使用連續(xù)傳送能夠滿足大批量生產(chǎn)，與間隙轉(zhuǎn)送相比傳送穩(wěn)定，震動小，一般不會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，能滿足灌裝過程安全，可靠進行。由于擔心傳送帶輸送的瓶子不能準確的進入旋轉(zhuǎn)工作臺的工位凹槽內(nèi)，因此設計了圖2.5的固定工作臺和擋板 圖2.

8、4 傳送裝置 圖2.5工件定位功能：方案一：槽輪機構如圖2.6槽輪機構，結構簡單，易加工，工作可靠，轉(zhuǎn)角準確，機械效率高。但是其動程不可調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)角不能太小，槽輪在起、停時的加速度大，有沖擊，并隨著轉(zhuǎn)速的增加或槽輪槽數(shù)的減少而加劇，故不宜用于高速，多用來實現(xiàn)不需經(jīng)常調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)位角度的轉(zhuǎn)位運動。圖2.6方案二：不完全齒輪如圖2.7不完全齒輪機構，結構簡單、制造容易、工作可靠，從動輪運動時間和靜止時間可在較大范圍內(nèi)變化。但是從動輪在開始進入嚙合與脫離嚙合時有較大沖擊，故一般只用于低速，輕載場合。 圖2.7方案三：棘輪如圖2.8棘輪機構結構簡單，易于制造，運動可靠，從動棘輪轉(zhuǎn)角容易實現(xiàn)有級調(diào)整，但棘爪在齒

9、面滑過引起噪聲與沖擊，在高速時尤為嚴重。故常用于低速、輕載的場合，或用于間歇運動控制。 圖2.8摩擦式棘輪機構傳遞運動較平穩(wěn)，無噪音，從動件的轉(zhuǎn)角可作無級調(diào)節(jié)。但難以避免打滑現(xiàn)象，因而運動準確性較差，不適合用于精確傳遞運動的場合。因為在本方案中，控制間歇運動的機構的轉(zhuǎn)速十分低，需要較大的范圍內(nèi)的從動輪運動時間和靜止時間。所以在這里我們選擇圖2.6的槽輪來實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的間歇轉(zhuǎn)動。工件夾緊功能：根據(jù)設計要求，工件在工位2與工位3時，必須有定位夾緊機構，是待加工瓶在工位2與工位3時，能正確進行管制液體和壓蓋封口的動作。按照要求設計了如下的裝置：方案一：如圖2.9所示,該方案采用圓環(huán)來實現(xiàn)工件在工位2和工

10、位3處進行灌 圖2.9裝和壓蓋封口的夾緊定位，工作原理是當容器在工位1處被旋轉(zhuǎn)工作臺帶進時，容器就被圓環(huán)夾緊，容器隨著旋轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，容器一直處于夾緊狀態(tài)。但這種夾緊裝置有一個不足之處，就是工件在工位間轉(zhuǎn)換時，由于一直處于夾緊狀態(tài)，有摩擦力的作用，這樣會導致工件損壞，甚至影響工作臺的正常工作。故設計最終沒有采用這個方案。方案二：裝置如圖2.10所示，其工作部位（也就是相對與旋轉(zhuǎn)工作臺的工位2與工位3）由兩個相交的圓所形成的公共部分，其相對于一般的定位夾緊裝置的優(yōu)點 圖2.10在于其夾緊過程是由松到緊，且到達正確的位置為止，這樣可以避免由于工作臺旋轉(zhuǎn)時由于沖擊的存在，導致的工件損壞甚至造

11、成不必要的損失的現(xiàn)象。不僅可以正確定位，同時也達到夾緊的效果。使用固定在工作臺上的擋板來定位瓶子，防止轉(zhuǎn)臺在運動過程中由于向心力的作用將瓶子甩出工作臺，并通過在工位外圍加厚擋板使瓶子在每個工位被加緊固定?？繐醢鍋韺崿F(xiàn)定位夾緊，他相對其他裝置具有許多優(yōu)點：夾緊每次位置不變，過程穩(wěn)定不會破壞灌裝瓶；只要設計適當就能夠保證緊力合適對每次加緊都能掌握好力度，保證了工件在加工過程中的定位的穩(wěn)定性，又要防止夾緊力過大損傷工件表面或使工件產(chǎn)生過大的夾緊變形；由于夾緊裝置是固定不動的，所以操作安全、省力；結構簡單，便于制造，維修十分方便等凸出優(yōu)點。故最終選用這個方案。灌裝機構功能設計：方案一：采用凸輪機構如圖

12、2.11所示，此方案采用圖示的凸輪機構，凸輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動，升程和回程不斷的交替，再由于彈簧的作用，便實現(xiàn)了灌裝活塞的上下往復運動。當凸輪處于回程時，活塞往上運動，此時灌裝瓶吸入液體，凸輪繼續(xù)運動，推動活塞向下運動，此時為升程過程（此過程為等速運動，可以滿足灌裝等速的要求），此時灌裝機構對空瓶進行灌裝，如此往復運動就可實現(xiàn) 圖2.11方案二：采用連桿機構如圖2.12所示，本方案采用連桿機構來實現(xiàn)灌裝功能。圖2.10雖然連桿機構制造簡單，但是其設計過程復雜，所以最終采用方案一來實現(xiàn)灌裝功能。圖2.12壓蓋封口功能方案一：采用凸輪機構如圖2.13所示，此方案采用圖示的凸輪機構，凸輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動，升程和回

13、程不斷的交替再由于彈簧的作用，便實現(xiàn)了滑塊上下壓蓋。 圖2.13方案二：對心曲柄滑塊機構。下圖2.14是所設計的壓蓋封口機構，該機構為對心曲柄滑塊圖2.14機構，曲柄AB與軸固接，軸的連續(xù)轉(zhuǎn)動帶動桿AB連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而帶動桿BC上下運動，從而實現(xiàn)壓蓋封口機構的上下往復運動，轉(zhuǎn)動一個工位就壓蓋封口一次，繼而實現(xiàn)對瓶子的壓蓋封口動作。通過上述兩種方案，方案一凸輪的升程和回程產(chǎn)生的沖擊力度不大，不適合壓蓋。而方案二的對心曲柄滑塊結構簡單，沖擊力大。故選用了曲柄滑塊機構進行壓蓋。產(chǎn)品輸出與傳送功能：加工后的工件到達工位4以后，有皮帶輪，這里考慮到傳送帶的速度不能很大，而工位之間的轉(zhuǎn)換有很快，所以在此設計

14、了如下圖2.15所示。容器到達圖示工位3，壓蓋封口結束后，此時擋板將瓶子輸往傳送帶方向推擋，同時容器是隨著旋轉(zhuǎn)工作臺一起旋轉(zhuǎn)的，在合成力的作用下，容器被帶至輸出傳送帶上，進而傳送到下個加工工位。 圖2.15第三章 旋轉(zhuǎn)型灌裝機機構運動總體方案3-1 旋轉(zhuǎn)型灌裝機總體方案圖（機構運動簡圖）根據(jù)設計要求，設計出的自動灌裝機如下圖3.1與3.2所示： 圖3.1 主視圖1.電動機和軸帶輪 2.皮帶輪 3、4、4'、5齒輪 6、7錐齒輪 8主動撥盤 9從動槽輪 10凸輪灌裝機構 11曲柄滑塊封口壓蓋機構 上示兩圖為機械系統(tǒng)運動方案運動簡圖，下面是該旋轉(zhuǎn)型灌裝機的工作路線原理：電機1通過皮帶輪傳到

15、2，2通過軸傳到H，H又傳到齒輪4，齒輪4'通過固定的齒輪3轉(zhuǎn)動到5，5帶動軸旋轉(zhuǎn)形成行星輪系。與齒輪5同軸的錐齒輪6以相同角速度轉(zhuǎn)動，軸轉(zhuǎn)動從而使凸輪10轉(zhuǎn)動，凸輪通過滾子，推桿帶動活塞上下往復運動，從而實現(xiàn)對容器的灌裝。軸旋轉(zhuǎn)，曲柄11與軸固聯(lián)，所以曲柄以相同角速度轉(zhuǎn)動，而曲柄與連桿相連，連桿與滑塊連接，滑塊上下往復運動，實現(xiàn)對容器的封口壓蓋。錐齒輪6與錐齒輪嚙合而換向，錐齒輪7通過軸傳到主動撥盤8，主動撥盤8帶動從動槽輪9，從動槽輪9帶動軸轉(zhuǎn)動，軸與旋轉(zhuǎn)工作臺固接，從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)工作臺的間隙旋轉(zhuǎn)運動。第四章 運動循環(huán)圖及運動轉(zhuǎn)換功能圖 4-1運動循環(huán)圖為了使灌裝機各運動構件運動協(xié)調(diào)

16、配合，我們設計了如下直線式動循環(huán)圖圖4.1和直角坐標式運動循環(huán)圖圖4.2： 圖4.1直線式運動循環(huán)圖圖4.2 直角坐標式運動循環(huán)圖4.2繪制機械系統(tǒng)運動轉(zhuǎn)換功能圖根據(jù)執(zhí)行構件的運動形式，繪制機械系統(tǒng)運動轉(zhuǎn)換功能圖如圖4.3所示：圖4.3 旋轉(zhuǎn)型灌裝機系統(tǒng)轉(zhuǎn)換功能圖4-3用形態(tài)學矩陣法創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)型灌裝機機械系統(tǒng)運動方案：根據(jù)機械系統(tǒng)運動轉(zhuǎn)換功能圖圖4.3可構成形態(tài)學矩陣。圖4.4所示的形態(tài)學矩陣可求出旋轉(zhuǎn)型灌裝機系統(tǒng)運動方案數(shù)為： N=4×4×4×3×3×4=2034圖4.4 形態(tài)學矩陣可由給定的條件，各機構的相容性，各機構的空間布置，類似產(chǎn)品的借

17、鑒，上圖折線為設計的最優(yōu)方案。第五章 旋轉(zhuǎn)型灌裝機各運動構件的設計，選擇與分析 由設計任務書的要求可知：灌裝速度是8r/min,則灌裝凸輪和封口壓蓋曲柄的轉(zhuǎn)速也就是8r/min。由于旋轉(zhuǎn)工作臺有4個凹槽，所以旋轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)速為2r/min，也即從動槽輪的轉(zhuǎn)速也是2r/min，因為設計的槽輪有4個徑向槽，并且主動撥盤只有1個圓銷，所以主動撥盤的轉(zhuǎn)速為8r/min。5-1傳動機構的選擇：機械的傳動機構，是將動力源所提供的運動的方式、方向或速度加以定向的改變，從而被人們有目的地加以利用。常見的傳動機構有帶傳動、鏈條傳動、齒輪傳動、皮帶傳動，各傳動機構的特點和使用場合。(1)齒輪傳動：能夠傳遞任意兩軸間

18、的運動和動力，傳動平穩(wěn)，可靠，效率高，壽命長，結構簡單經(jīng)湊，傳動速度和功率范圍廣，可實現(xiàn)較大的傳動比?？蓱糜跍p速箱。(2) 帶傳動：可以緩和沖擊和振動;帶傳動中心距不受限制，只要陪以合適的緊鏈結構，理論可以很大,適用于兩軸中心距較大的傳動場合;可放在系統(tǒng)的一級。（3） 錐齒輪傳動:錐齒輪主要用于兩軸為垂直方向的傳動，可改變傳動的方向，放在傳動系統(tǒng)的末級。5-2減速機構的設計，選擇與分析根據(jù)設計要求及上述分析，可以利用所學的行星輪系來實現(xiàn)減速的目的，下面是運動結構圖5.1及表5-1表示的具體的齒輪參數(shù) 圖5.1 表5-1 齒輪參數(shù)齒數(shù)模數(shù)分度圓直徑d傳送比i壓力角帶輪160mm2帶輪2120m

19、m齒輪3594236mm6020°齒輪420480mm20°齒輪420480mm200齒輪5604240mm20°齒輪6、7304120mm120° 具體參數(shù)值1、2為皮帶輪：i122。3、4、4為圓柱齒輪:Z3=59, Z4=20 ,Z4'=20,Z5=60i5H=1-Z4'Z3/(Z4Z5)=6、7為斜齒圓柱齒輪：z6=30 z6=30 I76=z7/z6=30/30=1所以軸轉(zhuǎn)速960r/min,軸轉(zhuǎn)速為480r/min,軸轉(zhuǎn)速為8r/min.5-3灌裝機構的設計：根據(jù)設計要求及系統(tǒng)方案圖，選用如下灌裝機構：如圖5.2設定的數(shù)值：

20、容器高度h1為280mm; 活塞運動范圍S為48mm; 推桿和活塞總長L為90mm; 滾子直徑d=30mm; 容器頂部距離活塞最近距離為12mm;凸輪：此凸輪用于灌裝工位，利用遠近休止帶動推桿和活塞來實現(xiàn)灌裝，設定活塞推桿的最大推程為48mm，凸輪的安裝高度為500mm。以下為凸輪的具體設計過程：我們設定凸輪的數(shù)據(jù)如下：基圓半徑r0=40mm滾子半徑：rt=15mm行程：S=48mm推程角：0=180°回程角：0=100°近休止角：01=60°遠休止角：02=40° 圖5.2運動規(guī)律的選擇，為了減少剛性和柔性沖擊，我們在推程和回程選用既無柔性沖擊和剛性沖

21、擊的簡諧運動規(guī)律,在遠休和近休時選用靜止運動規(guī)律。根據(jù)以上凸輪的數(shù)據(jù)我們利用“凸輪機構”軟件可以將凸輪的圖形設計出來，具體過程：（1）、選擇凸輪類型： 圖5.4（2） 設置凸輪基本參數(shù)： 圖5.5（3）、設置凸輪分段參數(shù)為保證凸輪運動過程中減少沖擊，我們將參數(shù)分別設置為： 0°60°為近休止運動階段，升程為0mm，靜止運動規(guī)律； 60°240°為推程運動階段，升程為48mm，擺線運動規(guī)律； 240°280°為遠休止運動階段，升程為0mm，靜止運動規(guī)律；280°360°為回程運動階段，升程為-48mm，簡諧運運動規(guī)律

22、。將上述數(shù)據(jù)輸入軟件如下圖所示：圖圖5.6（4）利用反轉(zhuǎn)法原理設計凸輪的圖形為： 圖5.7（5）運行出的最終結果，位移、速度、加速度圖以及凸輪的二維圖形如下圖所示：圖5.85-4間歇運動機構的設計，分析由設計要求可知，自動灌裝機要實現(xiàn)自動灌裝及壓蓋封口的動作，需要在不同工位上分別執(zhí)行者兩個動作，間歇運動機構可以實現(xiàn)這個目的，故我們小組選擇了槽輪機構（槽輪機構具有以下特點：構造簡單，外形尺寸小；機械效率高，并能較平穩(wěn)地，間歇地進行轉(zhuǎn)位；但因傳動時存在柔性沖擊，故常用于速度不太高的場合；同時由于槽輪機構具有自行鎖緊的功能，所以能用于此機構的定位作用。）來實現(xiàn)上述要求：由灌裝要求可知：灌裝速度為8r

23、/min，從而每個工作間隙為30/4s，轉(zhuǎn)臺每轉(zhuǎn)動60°用時5/4s，停留25/4s，運動規(guī)律如圖5.9所示。圖5.9下面是設計的槽輪機構，如圖5.10所示： 圖5.10具體設計參數(shù)如下： 從動槽輪如圖所示有四個徑向槽，其外圓直徑為300mm，并且從動槽輪的轉(zhuǎn)速為2r/min; 主動撥盤有一個撥動圓銷，其直徑為250mm，并且主動撥盤的的轉(zhuǎn)速為8r/min，通過圓錐齒輪來傳動;5-5傳動齒輪，帶輪，鏈輪的設計：（1）傳動齒輪，帶輪設計：下圖所示為電動機轉(zhuǎn)速到軸的減速機構以及齒輪和帶輪的設計，前面已經(jīng)對各皮帶輪和齒輪做了詳細分析。 圖 5.115-6壓蓋封口機構的設計：如圖5.6所示，

24、是所設計的壓蓋封口機構，該機構為對心曲柄滑塊 圖5.6機構，曲柄AB與軸固接，軸的連續(xù)轉(zhuǎn)動帶動桿AB連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而帶動桿BC上下運動，從而實現(xiàn)壓蓋封口機構的上下往復運動，轉(zhuǎn)動一個工位就壓蓋封口一次，繼而實現(xiàn)對瓶子的壓蓋封口動作。有關此機構的數(shù)據(jù)如下：容器高度h1為280mm;齒輪與曲柄的轉(zhuǎn)速為8r/min；曲柄AB長度L1=30mm，連桿BC長度L2=120mm，壓制桿CD=60mm，瓶蓋厚度=10mm；C處于最下極位時，D點距離容器瓶的距離為10mm；封口壓蓋滑塊的行程S=60mm。由運動循環(huán)圖可以知道封口壓蓋滑塊的運動規(guī)律如下圖所示110/4s110/4s95/4s80/4s65/4s35/4s20/4s50/4s5/4s95/4s80/4s65/4s50/4s35/4s20/4s5/4s圖5.15 壓蓋封口