毕业论文--洗瓶机推瓶机构设计.doc

本科生毕业论文(设计) 洗瓶机推瓶机构设计 学 院 电气信息工程学院 专 业机械设计制造及其自动化班 级机械一班学 号0613090136学 生 姓 名方旭涛联 系 方 指 导 教 师杨振宇职称：讲师 2013年 5 月独 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计）是本人在指导老师指导下取得的研究成果。除了文中特别加以注释和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表的研究成果。与本研究成果相关的所有人所做出的任何贡献均已在论文（设计）中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 年 月 日授权声明本人完全了解许昌学院有关保留、使用本科生毕业论文（设计）的规定，即：有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。本人授权许昌学院可以将毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编论文（设计）。本人论文（设计）中无原创性数据需要保密的部分。 学生签名： 年月日指导教师签名： 年月日洗瓶机推瓶机构设计摘 要目录洗瓶机推瓶机构设计前 言 随着食品、化工、医药等各行业的发展，作为一个重要的环节，即装罐前的清洗环节，洗瓶机的作用越来越大的显化在各行业之间。所谓的推瓶结构，就是利用推头将瓶子送入，然后急回至原点，反复运动的一个结构。洗瓶机推瓶结构是由铰链四杆机构与凸轮组合而成的，通过凸轮与铰链四杆机构自身特性完成推送和急回。1. 洗瓶机的发展与意义 1.1 洗瓶机的发展洗瓶机的技术基于日本三菱公司，曾一度流行国内的大小啤酒厂。由于其结构先进，方便使用，有效的降低破瓶的概率，但是挂标现象严重，迫使部分啤酒厂改用单端式洗瓶机，并沿用一段时间。后由于工业生产与社会生活需求，需要回收利用大量的塑料瓶和玻璃瓶，洗瓶机设备又一次迎来了研究和改进。而现在，自动化生产方式的出现，不仅减少了费用和劳动力，提高了生产和工作效率。1.2 洗瓶机的机构设计意义瓶机推瓶机构的设计，出于对市场需求的性能优良，价廉物美，高效低能机械产品的考虑，对包括推瓶结构的设计方案和结构等一系列问题进行比较和研究，综合运用各种典型机构结构，工作特点，运动原理，设计方法等知识，设计出制造简便，工作效率高，性能优良，具有极高的实用性能的机械产品，实现在性能、质量、水平等多方面加强产品市场竞争能力，从而获得较高的经济效益。2. 洗瓶机推瓶机构原理以及运动分析2.1推瓶机构工作原理 推瓶机构的功能原理是机械能迫使瓶子从工作台的一端运动到另外一端。机械能由推头M作为传递的媒介，实现瓶子的平移。导辊机构是由两个圆柱形导辊旋转，带动瓶子的旋转从导辊的的一端移动向另外一端，导辊只实现其旋转功能。转刷机构同样采用机械的转动规律，但与导辊机构的区别在于转刷机构对瓶子外壁的清洗需要很高的旋转速度来实现，而这高速的转动是由电机来提供能量，推瓶机构和导辊机构同样也是由此电机来提供能量。图21 洗瓶机工作示意图2.2 推瓶机构的运动分析 推瓶机构要求具备一个工作行程为L的推头M以接近匀速推瓶，确保平稳的接触瓶子和脱离瓶子，继而推头快速回到原位，准备下一个工作循环。工作行程中推头M作匀速直线运动，工作段前后可以有变速运动，而回程有急回特性。 图22 推头M运动轨迹由于瓶子本身是从静止到运动的，在这过程中瓶子获得了一定速度，所以在瓶子和推头之间必然存在一定的冲击，此时要考虑瓶子的材料，如果是刚性材料，瓶子在工作过程中可能会碰碎，因此瓶子要本身要具有一定的韧性，比如塑性材料。2.2.1 推瓶机构运动要求对于此运动要求，单一的机构很难实现，需要把若干基本机构设计组合成一个可以满足次运动要求的新机构，而在设计过程中，需要先考虑机构满足运动轨迹要求，即选择基础机构，至于速度要求，可以通过改变其基础机构的主动件运动速度来完成。3. 洗瓶机的技术要求和整体方案设计3.1 洗瓶机的技术要求 瓶子尺寸（mm）工作行程（mm）生产率（个/s）急回系数电动机转速（r/min）方案1531440表31 洗瓶机技术要求此方案工作行程较短，结构比较紧凑，运动比较连贯，节约空间，另外其急回系数高，电机转速较快，大大的提高了其生产率，构件有效工作时间较高。传动性能相对较好，经济实用。3.2 整体方案构思由于运动规律可以在不同的设计方案中体现，所以我们得到的机构也完全不同，但是殊途同归，这些不同的机构实现的是同一运动规律。怎么去取舍这些不同的方案，我们就要去性能、经济、简易程度等去考虑，从中选取一个综合性价比最高最优的方案去设计。3.2.1 多种机构方案作为一个具有急回特征的推程机构，有多种机构可以满足其设计要求：（1） 凸轮铰链四杆机构：如图铰链四杆机构连杆2上M点的轨迹近似所要求轨迹，其速度通过构件3变速转动由凸轮等速转动来控制。但是曲柄1是从动件，所以要采取考虑度过死点的方式。该机构的缺陷是凸轮占 用的空间比较大，而且在整个连杆机构相对独立，结构也不紧凑。 图32 凸轮铰链四杆机构同时，四杆机构提供的急回特性系数比较大，可以实现最大摆角。而凸轮机构提供推程段匀速运动和回程段正弦运动，且回程段平均速度应该是推程段平均速度的三倍。（2） 凸轮全移动副四杆机构全移动副四杆机构的自由度为2，点M的轨迹近似所要求的轨迹。凸轮控制构件2的运动速度以及急回特性。该机构的缺陷在于其水平方向的轨迹过长，因此凸轮机构的从动件的行程比较大，导致凸轮的相应尺寸过大。 图33 凸轮全移动副四杆机构（3）五杆组合机构如图为自由度为2的五杆低副机构。构件1、4为其两个输入构件，其中以凸轮、齿轮或者四杆机构连接用于实现两个构件间的运动关系，从而使原来的两个自由度的机构系统变成一个自由度的机构系统。 同时，控制两个输入构件之间的运动关系可以得到点M的速度以及机构的急回特性。 图34 五杆组合机构除此之外，双凸轮机构也能实现点M的特殊轨迹的要求。3.2.2 机构方案的选择凸轮铰链四杆机构结构相对来说比较简单，体积也比较小，便于安装后的调试，同时也很经济适用。而且凸轮在很好的协调推头运动的情况下工作较平稳。所要求的工作行程轨迹也可以由推头M来近似完成。但是，由于低副之间存在着间隙，会引起运动误差的累积，运动的精确度很受影响，并且难以实现较为复杂的运动规律。一般只适用于低速的情况下，冲击和震动较大，同时可能存在惯性力。但是在洗瓶机推瓶机构中，涉及到的杆件比较少，速度也相对比较慢，因此，凸轮铰链四杆机构是适用本设计的。凸轮全运动副四杆机构的水平方向轨迹过长，凸轮机构的从动件的行程比较大，导致凸轮的相应尺寸过大，严重的影响了推程和回程的平稳性。此外，全运动副四杆机构在运动过程中，产生的摩擦相对较高，耗能相对比较大。同时，运动副间的间隙也是不可避免的，也会使运动的精度受到影响，而且容易出现冲击动载荷，影响系统载荷的传递，可能会造成运动副失效和破坏。五杆机构相对四杆机构来说，构件相对较多，在成本上就处在了劣势。由于杆件比较多，因此在设计上也会相应的多变和繁琐，整体的机构尺寸比较大，实际的性价比和实际性没有四杆机构好。因此，我们最终选择凸轮铰链四杆机构为我们设计的洗瓶机推瓶机构的方案。4. 凸轮铰链四杆机构的设计4.1 凸轮机构的设计4.1.1 什么是凸轮机构所谓凸轮就是具有曲线轮廓或者凹槽的构件。大多为主动件作等速度转动，也有部分作往复摆动或者移动。凸轮直接推动的构件即推杆，因此在凸轮机构中推杆大多作为从动件。凸轮机构最大的优点是适当设计凸轮的轮廓曲线，就能使推杆得到预期的运动规律，响应速度较快，机构也简单紧凑。但是由于凸轮廓线和推杆间是点、线接触，容易磨损，使凸轮的制造比较困难。4.1.2 凸轮轮廓曲线设计 设计凸轮轮廓曲线的基本原理是反转法原理。所谓反转法原理就是在设计凸轮的轮廓曲线时，假设凸轮是静止不动的，使从动件推杆相对凸轮沿着方向反转运动，同时在其导轨中作预期的运动，可以生成推杆一系列位置，然后把他端点占据的一系列位置连接成一条平滑的曲线，曲线即凸轮廓线。此外，还可以用解析法来设计凸轮轮廓曲线。建立一个直角坐标系Oxy，假设凸轮推程段的廓线起始点为A点，即推杆滚子中心位于A点处，当凸轮绕中心O转过角时，推杆产生的位移为s，此时滚子中心位于B点，B的的直角坐标： （41） （42） 其中为偏距；上式即为凸轮理论廓线的方程式。4.1.3 凸轮机构的作用力和压力角凸轮机构中，凸轮对推杆作用力和推杆受到的载荷的数量关系为： （43） 为导轨长度，为作用在凸轮机构上的推杆尺寸，、分别为作用推杆两侧的反力与水平方向的夹角，即摩擦角。为推杆受到正压力方向，即沿着凸轮廓线于接触点的法线方向，与推杆上作用点的速度方向间的锐角夹角，也是凸轮机构该作用位置的压力角。凸轮机构中的压力角是一个重要的参数，在其他条件相同时，压力角越大，作用力也越大，当大到使上式中的分母为零，此时无穷大，机构就会出现自锁现象，该压力角即为临界压力角，值为： （44）一般来说，由于要避免机构的自锁现象，保证凸轮机构能够正常运转，应保证其最大压力角要小于其临界压力角。增大或者减小都能使临界压力角的值提高。而在实际生产中，为了提高机构效率、改善受力情况，一般规定凸轮机构最大压力角小于许用压力角，并且要远比临界压力角要小。许用压力角的数值一般为： 推程时： 对直动推杆： 对摆动推杆： 回程时： 4.1.4 凸轮基园半径在偏距一定、推杆运动规律确定的情况下，加大基园半径，可以减小压力角，虽然改变了机构的传力特性，但同时也增大了机构的尺寸。因此，基园的半径不能过大。在限定推程压力角的情况下，基园的半径计算公式为： （45）4.1.5 推杆滚子半径选择滚子半径，不仅要考虑滚子结构、强度，还要考虑凸轮轮廓曲线形状。当凸轮廓线内凹时，由于凸轮的工作廓线曲率半径等于理论廓线曲率半径同滚子半径之和，凸轮的工作廓线总是可以描绘出来。当凸轮廓线外凸时，凸轮的工作廓线曲率半径等于理论廓线曲率半径同滚子半径之差，若，此时，工作廓线曲率半径为零，工作廓线出现尖点，出现“变尖现象”；若，此时，工作廓线曲率半径变成负值，工作廓线就会出现交叉，导致推杆不能按着预期的运动规律进行运动，出现“失真现象”；只有当时，工作廓线能描绘出来。综上所述，外凸型凸轮轮廓曲线，理论廓线最小曲率半径总要大于滚子半径。4.1.6 凸轮理论廓线计算（1）确定基本尺寸：初步确定凸轮基园半径，推杆滚子半径。凸轮理论廓线坐标方程式中代入，得： ， （46） （2）分段计算各阶段位移：1）推程阶段： （47） 2）远休止阶段： （48） 3） 回程阶段 ： （49） 4）近休止阶段 ： （410） 5） 推程段压力角和回程段压力角： （411） 推程阶段，远休止阶段，回程阶段，近休止阶段。（3） 求工作廓线： （412） 其中： （413）1）推程阶段： （414） （415） 2） 远休止段： （416） （417）3） 回程阶段： （418） （419）4） 近休止段： （420） （421）4.1.7 凸轮角速度的计算推头于推瓶轨迹上的运动速度为，推瓶轨迹长为，故推头在推瓶的轨迹上运动时间为: （422） 即凸轮转动所用时间为，故凸轮角速度为： ，方向为顺时针 （423）计算结果得凸轮的工作廓线各点坐标表：0510.3503553600.0004.3598.705.-8.682-4.3580.00050.00049.82649.370.49.24049.81050.0000.0003.6027.409.-6.946-3.4860.00040.00039.85539.455.39.39239.84740.000表41 凸轮工作廓线各点坐标表4.1.8 凸轮实物图 图42 凸轮实物图4.2 铰链四杆机构的设计铰链四杆机构的杆长条件是最短杆和最长杆的长度和一定不大于其他两杆长度和。由于我们设计的推瓶机构要有急回特性，所以，我们应采用曲柄摇杆机构，而不采用没有急回特性的双摇杆机构。平面四杆机构具有曲柄的前提是运动副中必然有周转副的存在。然而要使机构有周转副的存在必须要满足杆长条件，并且组成该周转副的两杆中必然有一个杆件是最短杆，此最短杆是连架杆。4.2.1 铰链四杆机构的急回运动和行程速比系数原动件转动一周时，有两次和连杆成一条直线，这时原动件处于的这两个位置叫做极位，两个位置间的夹角叫做极位夹角。以曲柄摇杆为例： 当曲柄以相同角速度沿着顺时针方向转过，摇杆前后位于的位置间摆角为，摆动时间为，摇杆活动一端的平均速度为；此时曲柄接着转过，摇杆前后位置间摆角依然为，摆动时间为，摇杆活动端的平均速度为。不难得出，故，。摇杆此运动性质为急回运动，用行程速比系数来体现急回运动的程度。 （424） （425）4.2.2 铰链四杆机构传动角和死点所谓压力角，就是从动件上的活动端受到沿着连杆传递过来的力与活动端速度正向间的夹角为机构在此位置的压力角。此时连杆和从动件所夹锐角为机构在此位置的传动角。传动角越大，对机构的传力越有利。因此，传动角的大小和变化情况是衡量机构的传力性能好坏的标准。此外： （426）所谓死点，就是当机构的传动角为零时，主动件通过连杆作用在从动件上的力正好通过回转中心，出现了使从动件不能转动的现象，成为“顶死”现象，该位置即死点。4.2.3 铰链四杆机构实物图图43 铰链四杆机构实物图 5. 关于传动系统的设计5.1 主要传动系统所谓机器就是根据某使用要求设计使之执行机械运动，用来变换或者传递能量、信息和物料的装置。传递与变换机械运动和力的可动装置即为机构。机械是多个机构组合而成，完成各个机构所能完成的独立功能组合起来能完成的共同功能。洗瓶机推瓶机构由前面推导最终选取凸轮铰链四杆机构。所以该设备主要的传动系统包括：凸轮铰链四杆机构、减速器传动系统、皮带轮传动系统以及齿轮传动系统。5.1.1 电动机的选择由于电动机结构简单，控制方便，维护容易，所以一般都采用电动机来作为主要的动力系统。大多采取封闭式Y系列电动机，以期得到载荷较平稳且能单向旋转的工作状况。电动机的功率严重影响电动机的工作情况。功率过小，电动机不能正常进行工作：或者电动机又会因为长期过载较大的热量而损坏；功率过大，会在正常工作中造成大量能源浪费，增加电能损耗。此外，电动机的功率大小和温度也有较大关系。因此在常温下工作的电动机，为了保证其工作状况良好，一般使其额定功率略大于或者等于正常工作所需的功率。5.1.2 减速器的选择减速器在原动机和工作机之间起到匹配转速以及传递扭矩的作用，即降低转速或者增大扭矩。减速器必须具有较大的传递载荷能力，实现较大传动比。不仅在经济效益和使用寿命上进行考虑，更要从较高机械效率、大功率、小体积以及较大传动比的方向去选择。5.1.3 皮带轮的选择皮带轮传动的优点是能减小载荷的冲击，运行时平稳，震动和噪音都比