分件供送螺杆设计.doc

湖南工业大学课程设计任务书2013 2014 学年第 一 学期 机械工程 学院（系、部） 机械设计制造及其自动化 专业 班级课程名称： 包装机械设计 设计题目： 分件供送螺杆的设计 完成期限：自 20 年 12 月 23 日至 20 年 12 月 27 日共 1 周内容及任务一、设计的主要技术参数供送物品为圆柱体，直径为7mm，螺杆转速n=50转/min，拨轮节距cb=11mm二、设计任务1、根据有关参数进行计算或编写有关设计计算程序；2、利用程序设计的方法输出结果并自动生成图形；3、画出零件图；4、完成设计计算说明书。三、设计工作量1. 供送螺杆三维模型一个、零件图一张。2. 设计计算说明书一份。进度安排起止日期工作内容2013.12.232013.12.23设计方案的分析及选择2013.12.232013.12.25参数的设计计算或程序编写；建立三维模型2013.12.262013.12.27绘制零件图；整理、编写设计计算说明书主要参考资料1 许林成，赵治华，王冶.包装机械原理与设计m.上海：上海科学技术出版社，19982 雷伏元.自动包装机设计原理m.天津科技出版社，19863 许林成.包装机械m.长沙：湖南大学出版社，19984 孙凤兰，马喜川.包装机械概论m.北京：印刷工业出版社，19985 尚久浩.自动机械设计m.北京：中国轻工业出版社，2003指 导 教 师 （签字）： 年 月 日系（教研室）主任（签字）： 年 月 日目 录 一、设计概述21.1设计的目的21.2 四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置概述3 二、四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置的参数确定42.1星形拨轮的设计42.2螺杆螺旋线的组合特征42.3螺杆螺旋线的基本参数52.4组合螺旋线的设计62.4.1输入等速段62.4.2螺杆变加速段螺旋线72.4.3螺杆等加速度段螺旋线82.4.4螺杆输出等速段螺旋线102.5螺旋槽轴向剖面的几何形状设计122.6利用程序设计的方法输出结果并自动生成图形142.6.1 matlab软件的运用142.6.2 pro/e画图工具的运用16 三、设计小结18 参考文献19第一章 设计概述1.1设计的目的 这个课程设计是一个重要的实践性教学环节，也是提高我们这些工科学生工程设计能力的一个重要途径。是让我们这些包装机械专业方向的学生学好专业知识课程和充分利用所学资源进行设计分析的重要方法，对我们以后的学习工作具有非常重大的意义。1.1.1设计的主要技术参数 供送物品为圆柱体：尺寸：直径为75mm、高为100mm，螺杆转速n=500转/min，拨轮节距cb=112mm。1.1.2设计任务 1、根据有关参数进行计算或编写有关设计计算程序； 2、利用程序设计的方法输出结果并自动生成图形； 3、画出装配图及其主要零件图； 4、完成设计计算说明书。1.2 四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置概述目前，在包装工业领域，已广泛应用多种类型的分件供送螺杆装置。这种装置可按某种工艺要求将规则或不规则排列的容器、物料以确定的速度、方向和间距分批或逐个地供送到给定的工位。特别是为了适应包装容器日新月异的变化和提设备生产能力的实际需要，分件供送螺杆装置正朝着多样化、通用化和高速化方向发展，并不断扩大它在灌装、充填、封口、贴标、计量、检测以及自动包装线上的应用，如分流、合流、升起、起伏、转向和翻身等。如图1.1为分件单列送正圆柱形及某些异形瓶罐的典型组合装置，从实用角度出发比较系统地阐述了变螺距分件供送螺杆与星形拨轮的理论、设计等关键问题。图1.1典型变螺距螺杆与星形拨轮组合装置图 分件供送装置结性能的好坏直接影响到产品的质量、工作效率、总体布局和自动化水平。所以，设计应在满足被供送瓶罐形体尺寸、星形拨轮节距及生产能力等条件下，合理确定螺杆直径及长度、螺旋线旋向及组合形式、螺旋槽轴向剖面几何形状和星形拨轮齿廓曲线，进而校核罐受螺杆、导向板、输送带等综合作用后能达到给定的速度和间距，减轻冲击、震动、卡滞现象，实现平稳可靠运动。二、四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置的参数确定2.1星形拨轮的设计图2.1所示为星形拨轮的结构简图。图2.1星形拨轮的结构简图 为了满足课程设计任务要求，假定设星形拨轮齿数为；拨轮的转速为；拨轮同时传送两个被供送体时入手所需距离为70mm；因被供送体的直径直径为=75mm，高mm，拨轮的节距为=112mm,设拨轮节圆直径为，因为容器以等间距定时供送，则 则拨轮的节圆半径为 mm 拨轮高度依据被供送体的高度为=60mm。 拨轮转速与螺杆转速的关系应满足：， 则拨轮的转速可确定。 2.2螺杆螺旋线的组合特征 在工件传送过程中，有的能顺利导入螺旋槽，有的却被螺杆端面阻挡甚至同输送过来的其他瓶罐产生冲撞，另外还可能使输出过程出现：“局部断流”现象。面对这些错综复杂的工作状况，为了更好地实现缓冲和“定时整流”的目的，对分件供送来说，就不宜采用螺距全是的等螺距螺杆，而应在螺杆的进中附近配备可调式减速装置，使瓶罐自动减速相互靠近，以便逐个依次顺利地导入螺旋槽内，接着再增速达到预定间距，借助拨轮有节奏地引导到包装工们。因此，当螺杆应用于高速度分件定时供送时，其螺旋线最标准的组合模式最好是四段式：1. 输入等速段，螺距小于，有助于稳定的导入口。2. 变加速度段，加速度由零增至某最大值，以消除冲击。3. 等加速段，与输送带拖动瓶罐的摩擦作用力相适应，采用等加速运动规律使之增大间距，以保证在整个供送过程中与螺旋槽有可靠的接触摸点而不易晃动和倾倒。4. 输出等速段，使螺距等于，以改善星形拨轮齿槽的结构形式及其啮入状态，这对供送导形瓶罐尤为重要。2.3螺杆螺旋线的基本参数 参阅图2.2,所示为四段式变螺距螺杆。通常螺杆的前端多呈圆锥台形，而后端则有同瓶罐主体半径相适应的过渡角，以利改善导入效果，缓和输入输出两端的陡振和磨损，延长使用寿命。设螺杆的内外直径各为为使螺旋槽对瓶罐产生适宜的侧向力，一般取r=（0.71.0）（）。图2.2四段式变螺距组合螺杆计算简图对供送正圆柱形容器，其圆弧半径为，螺杆的内外半径分别为、r，则可取 （ 2-1）至于的值，一般情况下主要根据螺杆芯部及其支轴的结构尺寸等因素加以确定。实际中也可从满足某种工艺要求的角度来考虑这个问题，例如供送安瓿，为防止倾倒挤碎，应选用较大的螺杆内径和较小的螺旋角。因为设计要求供送主体瓶灌的尺寸为：直径为=75mm，高mm。为满足设计任务要求，我们先暂取供送螺杆的内径为mm，根据式（2-1）取螺杆的外径mm。2.4组合螺旋线的设计2.4.1输入等速段螺杆等速段的螺距应取为 (2-2)式中 两相邻容器间的平均间隙（一般为几毫米，主要与容器加工精度有关）暂取mm，则螺杆等速段的螺距为mm设等速段螺旋线的最大圈数为（通常取为11.5），中间任意，我们在这取，对应螺旋角 （2-3）式中d为螺杆的直径，d=2r=120mm. 则螺旋角 （2-4）对其单头外螺旋线，因其展开图形为一条斜直线，故相应的周向展开长度 ，mm （2-5）轴向长度 ，mm （2-6）供送速度 mm500r/min=666.67mm/s (2-7)对于图1.1所示的变螺距螺杆与星形拨轮组合供送装置，包装容器的供入速度另有控制要求：当时，依靠送带对包装容器的摩擦拖动作用加速，以接近于螺杆的初始供送速度。当时，借助于可调式波形尼龙板或刷板等缓冲装置使其减速。据此可求得供入段的输送长度 （2-8）式中 容器与输送带的滑动摩擦因数螺杆等速段包装容器与输送带的最大速差 （2-9）设计时，要尽量小值，拨轮节距和螺杆转速都不宜过大，以免加快链板工作表面磨损，引起容器强烈的振动。2.4.2螺杆变加速段螺旋线针对满足包装容器供送平稳的要求，选取该段螺杆的供送加速度，使由零值依正弦函数变化规律增加到某一最大,则 （2-10）相应的供送速度及轴向位移为： （2-11） （2-12）式中、分别表示被供送容器移过行程及其最大值所需的时间。 由边界条件得知：当时，mm/s；而当时，故可确定各待定系数：，。将、各值代入式（2-12），得 （2-13）设该段螺旋线的最大圈数为2），我们取，其中任意为，由于。上式可改写成 （2-14）可以证明，该段螺旋线的展开图形是由一条斜直线和一条按摆线投影规律变化的曲线叠加而成的曲线。 由于此段外螺旋线的周向展开长度=753.6mm。将此值代入式（2-14），得 （2-15）视为自变量，对上式求导，可求出该段外螺旋线的螺旋角 (2-16)其最大值为 (2-17)根据式（2-14），可求出该段限定区间（）内的任意螺距值 (2-18) 再将和值分别代入式（2-10）和（2-11），导出该段的加速度及速度的计算式： (2-19) (2-20) (2-21)由于可知，当其他条件一定时，变加速段的外螺旋螺旋角、螺距和供速度均随螺旋圈数的增大而增大。若取则，符合螺杆的前两段的位移、速度及加速度曲线的衔要求。2.4.3螺杆等加速度段螺旋线设螺杆等加速度段的供送加速度，则相应的供送速度及轴向位移为 (2-22) (2-23)式中 被供送容器移过行程所需要的时间由边界条件可知：当时，=0，故可确定各特定各系数：，。将和值代入（2-23），得 (2-24)设等加速度段螺旋线的最大圈数为通常取（35），我们取，中间任意值，由于=，且令当量螺距 (2-25)由式（2-23），解出等加速段的位移为 (2-26)可见，等加速段螺旋线的展开图形是一条斜直线和一条抛物线规律变化的曲线叠加机而成的曲线。将此段外螺旋线展开长度：,mm代入上式，可求得轴向位移 (2-27)视为自变量，对上式求导，刚等加速度段外螺旋线的螺旋角及其最大值分 别为： (2-28) (2-29)由以上两式导出 (2-30)可得等加速段的加速度为：mm/这表明，等加速段的供送加速度与螺杆转速的平方成正比；当星形拨轮节距和等速度段螺距保持定值时，适当地增加后两段螺旋线的总圏数，有助于降低螺杆的供送加速度，或提高螺杆转速。根据式（2-26），可求得等加速段限定区间（）内的任意螺距值 (2-31)其最大值 (2-32)再将值代入式(2-22)得 (2-33)其最大值 (2-34)以上表明，当其他条件一定时，螺杆等加速度段的外螺旋线螺旋角、螺距和供送速度同样随螺旋圈数的增大而增大。若取则，符合螺杆后两段的位移、速度及加速度曲线的衔接要求。2.4.4螺杆输出等速段螺旋线对输出等速段，为改善星形拨轮齿槽的结构形式及其啮入状态，使该段螺距=112mm，设等速段螺旋线的最大圈数为（通常取为11.5），中间任意，我们在这取，对应螺旋角 （2-35）根据边界条件可得供送速度式中d为螺杆的直径，d=2r=120mm. 则螺旋角 （2-36）对其单头外螺旋线，因其展开图形为一条斜直线，故相应的周向展开长度 ，mm （2-37）轴向长度 ，mm （2-38）最后，为便于设计计算和机械加工，将式（2-30）的值分别代入式（2-14）和式（2-26）(以此类推)，经整理得： (2-39) (2-40) (2-41) (2-42)综上所述，螺杆输入等速段的最大轴向长度仅与螺距和圈数有关，变加速段和等加速段的最大轴向长度、与拨轮节距、螺距及圈数、有关，螺杆输出等速段的最大轴向长度仅与螺距和圈数有关。则通过上式（2-40）可得变加速段的长度为mm通过式（2-42）可得等加速段的长度为mm 至此，可求出供送螺杆三段式组合螺旋线展开图形的轴向及周向全长： (2-43) (2-44)即螺杆螺旋线轴向和周向长度各为 mm =3014.4mm2.5螺旋槽轴向剖面的几何形状设计通常，采用作图法和解析法来确定螺旋槽轴向剖面的几何形状和基本参数。设计螺旋槽的宗旨是要按照供送物件主体部位的形状、大小及预选的螺杆内外直径和螺距，来确定螺旋槽轴向剖面几何图形及其宽度。这些，对实现稳定可靠的供送运动以及检测螺杆的设计制造质量有重要的意义。另处，还为合理确定螺杆的外半径提供了依据。对于此课程设计，我采用解析法确定螺旋槽轴向剖面的几何形状和基本参数。正圆柱形包装容器与螺杆的相贯运动。如图2.3所为正圆柱形瓶罐与螺杆作相贯运动的分析图。2.3正圆柱形瓶罐与螺杆作相贯运动的分析图过正圆柱形容器与螺杆的轴心线引直角坐标系，且使坐标面与螺杆外螺旋线交于点i。令该螺距计算值为s（可在其左右两侧各量取半个螺距来确定），为简化计算，将此段变螺距螺旋线近似看成等螺距螺旋线。其次，在容器表面上任到一母线，与坐标面相交于点。令该母线沿以为半径的相应等螺距内螺旋线由初始位转置mn移过距离，又滚过角度，而至一新位置。此时它同i点轴向剖面相截的迹点为，则四图示几何关系得 （2-45）式中 （2-46） （2-47）上式表明不同的值对应着不同的迹点曲线，即函数。因此，是曲线族方程的参数，将上式改写为 （2-48）关于曲线族包络线参数方程的一般求法，可导出偏导数使它与联立，解得；这两个式子即为曲线族的切点方程或包络方程，可近似画出所求作的螺旋槽轴向剖面几何形状。由直接写出理论上，即sec0，故得从而可导出曲线簇包络线的坐标 若取，则点m的坐标改为，同理，上式中也就在改为，在此条件下，若、r、s均已选定，可用试探法或解析作图法求出值（其变化范围为。 考虑到以上各式是将变螺距螺旋线按所选点及所限定区间近似看作等螺距螺旋线推导出来的，所以，根据曲线族包络线确定的螺旋槽轴向剖面几何形状对轴线必然成对称的。因而求出螺旋槽宽度为由上式可见，变螺距螺杆螺旋槽的宽度必定随着螺距的增大而增大。上述分析表明，供送正圆柱形容器，决定螺旋槽轴向剖面几何形状及其宽度的主要因素是、r、s。严格讲，变螺距螺杆螺旋槽的各轴向剖面几何形状，在宽度上互不相等，随着螺距的增大，此种差异也越明显。2.6利用程序设计的方法输出结果并自动生成图形2.6.1 matlab软件的运用因为matlab具有强大的绘图功能，本节我对分件供送螺杆的设计采用程序设计的方法进行编程。对被供送体的速度、加速度和位移的变化进行分析。由前面的分析，我对位移、速度，加速度变化函数编程可得以下matlab程序：cb=input(请输入拨轮节距cb=);n=input(请输入螺杆的转速n=);s01=input(请输入等速段螺距长度s01=);a=(pi*n2*(cb-s01)/(2*2+4*pi)%匀加速时候的加速度figurei1m=1;i2m=2;i3m=4;i4m=1;i1=0:0.001:i1m;h1=s01*i1;%等速段轴向位移h1m=s01i2=i1m:0.001:i1m+i2m;h2=h1m+s01*(i2-i1m)+(4*(i2m)2*(cb-s01)/(pi*(2*i2m+pi*i3m)*(pi*(i2-i1m)/(2*i2m)-sin(pi*(i2-i1m)/(2*i2m);h2m=(s01+(2*i2m*(pi-2)*(cb-s01)/(pi*(2*i2m+pi*i3m)*i2mi3=i1m+i2m:0.001:i1m+i2m+i3m;h3=h1m+h2m+(s01+(pi*(cb-s01)/(2*(2*i2m+pi*i3m)*(4*i2m)/pi+(i3-3).*(i3-3);h3m=(s01+(cb-s01)*(4*i2m+pi*i3m)/(2*(2*i2m+pi*i3m)*i3mi4=i1m+i2m+i3m:0.001:i1m+i2m+i3m+i4m;h4=h1m+h2m+h3m+cb*(i4-7);h4m=cb*i4msubplot(3,1,1);plot(i1,h1,i2,h2,i3,h3,i4,h4)xlabel(i);ylabel(h);title(位移图)v0=s01*n;v2=v0+(2*a*i2m)/(pi*n)*(1-cos(pi*(i2-1)/(2*i2m);v3=v0+(pi*n)*(cb-s01)/(2*i2m+pi*i3m)*(2*i2m/pi+(i3-3);v4=cb*n;subplot(3,1,2);plot(i1,v0,i2,v2,i3,v3,i4,v4)xlabel(i);ylabel(v);title(速度图)a1=0;a2=a*sin(pi/2)*(i2-1)/i2m);a3=a;a4=0;subplot(3,1,3);plot(i1,a1,i2,a2,i3,a3,i4,a4)xlabel(i);ylabel(a);title(加速度图)h=h1m+h2m+h3m+h4m将此程序在matlab中运行得到以下结果：请输入拨轮节距cb= %由前面的分析知道，我设的拨轮节距为112mm.在此输入112回车%请输入螺杆的转速n= %螺杆的转速为500r/min=25/3r/s,在此输入25/3%请输入等速段螺距长度s01= %我设计的输入等速段的螺距长度为80mm%a =421.41h1m =80h2m =165.62h3m =399.45h4m =112h = 757.07结果与前面计算的结果相吻合。生成的位移、速度、加速度变化曲线图见（图2.4）2.4 变化曲线图2.6.2 pro/e三维图的运用采用pro/e的强大绘图功能，对变螺距螺杆的实物图进行绘制分析。已知螺杆设计的参数：螺杆外径d=120mm,螺杆的内径为=90mm,供送件的直径为mm、螺杆的转速，变速圈数为，初始螺距为80mm,拨轮节距为mm。螺杆的全长为757.07mm。绘图步聚：步骤1：创建实体旋转特征。选择“插入”“旋转”命令，进入草图环境后，绘制旋转特征的截面草图。定义旋转角度为360，完成特征的创建。步骤2：绘制四段螺旋线。选择“插入”“模型基准”“曲线”命令，在弹出的菜单管理器的“曲线选项”中选择“从方程”然后根据提示选择方程坐标系，并选择笛卡儿坐标系类型，在弹出的记事本界面中，根据螺杆参数编辑螺杆螺旋线方程。得到输入等速段螺旋线，重复以上步骤绘制变加速段、等加速段和输出段螺旋线。各段螺旋线的方程：第一段的方程x=(45+37.5)*cos(360*t)y=(45+37.5)*sin(360*t)z=80*t第二段的方程x=(45+37.5)*cos(360*2*t)y=(45+37.5)*sin(360*2*t)z=160*t+16*32/pi/(4+4*pi)*(pi*t/2-sin(pi/2*t)*180/pi)第三段的方程x=(45+37.5)*cos(360*4*t)y=(45+37.5)*sin(360*4*t)z=(80+32*pi/(8+8*pi)*(8/pi+4*t)*4*t第四段的方程x=(45+37.5)*cos(360*t)y=(45+37.5)*sin(360*t)z=112*t步骤3：绘制可变剖面扫描。由于按方程绘制的基准曲线不能作为“扫描切口”命令的扫描轨迹，所以需要曲面相交的方式与三段螺旋线重合的扫描轨迹，两个相交曲面之一为由螺旋线生成的可变剖面扫描，另一个为圆柱面。则需先绘制一条与轴线重