冷霜自动灌装机说明书.doc

产品设计说明书 制作人：左伟 李德君 裴灵2003年12月目录1 设计题目及任务32 产品初步设计方案43 机构选择方案比较54 原动机及传动方案比较135 运动循环图176 机构尺寸及运动参数计算187 各视角的三维图308 程序3210. 参考文献3311. 个人心得体会34设计题目及任务：冷霜自动灌装机的设计要求：1工作原理及工艺动作过程冷霜自动灌装机是通过出料活塞杆上下往复运动实现冷霜的自动灌装入盒子。其主要的工艺动作有：1】 将空盒送入六工位转盘，利用转盘的间歇运动变换不同的工位；2】 在灌装工位上空盒上升灌入冷霜；3】 在贴锡纸工位上粘贴锡纸利用锡纸的下降；4】 在盖盒盖工位上将盒盖压下；5】 送出成品。2原始数据及设计要求1】冷霜自动灌装的生产能力：60盒/min。2】冷霜盒尺寸：直径D3050mm，高度h1015mm。3】工作台面离地面的距离约11001200mm。4】要求机构结构简单紧凑，运动灵活可靠，易于制造。3. 设计方案提示1】五工位转盘机构可采用槽轮，不完全齿轮，凸轮式间歇运动机构。2】空盒上升可以采用凸轮机构。3】锡纸纸库的下降采用凸轮机构。4】压盖机构也可以采用凸轮机构。为了使各机构实现同步，协调工作，三个凸轮装在一根轴上。4设计任务1】按工艺动作拟定运动循环图。2】进行转盘间歇运动机构，空盒上升机构和锡纸库的下降机构，压盖机构的选型。3】机械运动方案的品定和选择。4】按选定的电动机和执行机构的运动参数的拟定机械传动方案。5】画出机械运动方案的简图。6】 对传动机构和执行机构进行尺寸计算冷霜灌装机的设计修改：为了设计与计算的方便，冷霜自动灌装机的设计与产品的设计要求做了小部分的修改： 1】：将六工位转盘修改为五工位的转盘。 2】：将空盒的上升机构修改为灌霜机构的下降。因为，修改后可与锡纸库的下降和压盖机构的使用一个凸轮机构，使得设计简单而且机构紧凑，工作协调。产品初步设计方案：产品的初步设计图如下，下图是最初步的设计，后来根据设计的最优化原则对了设计图作了部分的修改：机构选择方案比较:冷霜自动灌装机有五个动作：1 霜盒送入利用间歇运动的传送带传送到特定位置，而后由杆件将霜盒推入转盘的槽中 2 灌霜利用凸轮的运动实现灌霜动作3 锡纸压贴利用凸轮的运动实现锡纸压贴动作4 加盖利用凸轮的运动实现加盖动作5 霜盒送出在转盘的特定位置开一个孔，让霜盒到达孔位时，自由落下，实现送出动作根据冷霜自动灌装机的灌霜动作，出件过程，分别有送料机构，灌霜机构，盖锡纸机构，加盖机构和出料机构。灌霜，盖锡纸和加盖这三个动作都可以用一个机构来实现。这五种机构又可分别采用多种机构形式，故运用形态学矩阵来加以选型。转盘的间歇转动机构的选择五工位转盘的间歇转动可以使用棘轮机构，槽轮机构，不完全齿轮结构和凸轮结构这四种结构来实现。1. 棘轮机构： 棘轮机构 棘轮机构主要由棘轮、棘爪及机架组成，棘轮机构具有结构简单、制造方便和运动可靠等优点，但也有不足之处。对于齿式棘轮机构，由于回程时棘爪在棘齿上滑行，齿尖容易磨损，并产生噪声。为了使棘爪能顺利啮入棘轮的轮齿，棘爪位移必须大于棘轮运动角的相应位移，这就不可避免地存在空程和冲击。摩擦式棘轮机构虽无上述缺点，但运动准确性较差。因此，一般棘轮机构不宜用于高速或运动精度要求较高的场合。2. 槽轮机构：槽轮机构 槽轮机构主要由槽轮、装有圆销的转臂（拨盘）和机架组成。拨盘一般为主动件，作等速连续传动，带动槽轮作间歇运动。槽轮机构具有机构简单、制造容易、工作可靠和机械效率高等特点。3.不完全齿轮：不完全齿轮是由齿轮机构演变而成，即在主动轮上，只作出一个或几个轮齿，在从动轮上，作出与主动齿轮相应的齿间，形成不完全齿轮传动，从而达到从动轮作间歇运动的要求。不完全齿轮机构简单，制造方便，可以实现等速转位4凸轮式间歇运动机构它有两种形式：圆柱凸轮间歇传动机构和蜗杆形凸轮间歇运动机构 外啮合槽轮机构由带有圆销的得主动拨销盘，具有径向槽的从动槽轮和机架组成。拨销盘以等角速度连续回转，槽轮作周期性单向简谐运动。当拨销进入槽轮的径向槽后，推动槽轮反向转动一定角度，对应的拨销也转过一定的角度。拨销从另一侧离开径向槽，槽轮随即停止不动，处于停歇时期。为确保槽轮的间歇运动，在拨销盘上有一段外凸锁止圆弧，在槽轮每两径向槽之间有相应的内凹锁止圆弧，通过它们之间的适当配合，就能保证槽轮适时的锁定与运转。 槽轮在一个周期中的运动时间td与槽轮动停一次对应的运动周期时间t之比为运动系数K. K = td / t运动系数K反映了间歇机构的运转特征，即槽轮在一个运动周期中，转动时间占百分之几。单销外槽轮机构的运动系数K0.5，即槽轮的运动时间总是小于停歇时间。外槽轮机构的运动系数K随槽数的增加而增大，但当槽数大于8时K值增加不明显，所以通常取48个槽。槽轮机构的运动系数仅取决于销、槽数的选取，当销、槽数确定后，K值也就确定。3槽轮与棘轮机构之比较： 槽轮机构启动与停止时没有刚性冲击，只有柔性冲击，运动也相对平稳。此外，槽轮机构强度较高，可用于带动转动惯量较大的构件。所以，槽轮机构比较适合低速、载荷较高的场合。相比之下，棘轮机构往往冲击大、易磨损、噪声也较大。一般只能用于极低速的间歇运动场合，也不宜用于具有大转动惯量构件的机构中。综上，槽轮机构比棘轮机构更适合做冷霜自动灌装机的转位机构。4槽轮机构与凸轮间歇机构之比较： 槽轮机构结构简单，制造简易，工作可靠。而凸轮间歇机构加工复杂，精度要求高，装配调整困难，经济成本高。由于冷霜自动灌装机的工作周期长，工作连续，对机构可靠性的要求很高，所以槽轮机构更加适合。况且，使用槽轮机构还会降低装配难度，降低经济成本。5槽轮机构与不完全齿轮机构之比较： 不完全齿轮间歇机构启动时产生刚性冲击，只能用于低速轻载的场合，而冷霜灌装机构的转位机构转动惯量较大。槽轮机构可用于转动惯量较大的场合，更为适合。基于以上的分析，我们决定使用外啮合槽轮机构来实现转盘的间歇转动这个动作。槽轮槽数的选择： 由于冷霜自动灌装机共有五个工作点，所以其间歇传动机构要求在一个回转周期内至少有五个停歇时期。故而可选择有五个槽的槽轮机构。送料机构的选择与比较：送料是两个过程，首先间歇传送带将空的冷霜盒子传送到特定位置后，间歇传送带停止传动。这时，会有一个长杆将空盒子推入工作转盘上，从而完成整个送料过程。首先要设计的是间歇传动的传送带，要实现间歇传动，可以使用棘轮机构，槽轮机构，不完全齿轮结构和凸轮结构这四种结构来实现。由于我们按照设计要求，将五工位转盘的驱动机构设计为外啮合槽轮机构，所以为了整个机构各机构之间能够协调的工作，也为了便于计算和设计，我们将送料机构的间歇传动带的驱动机构也设计为外啮合槽轮机构，并且它的各方面的参数都与驱动转盘的外啮合槽轮机构一致。送料机构的另外一个动作是将空盒推入槽轮的槽中，实现这个动作可以曲柄滑块机构，也可以使用凸轮机构。为了设计的简便，我们使用圆柱凸轮机构来实现这个动作。转盘的设计依此，设计其盘形机构为五工位装置。考虑此转位盘形机构受槽轮机构带动，将此五个工位在转位盘形机构上角度等分设置。各个工作点要求霜盒有固定的位置，可将各个工位的工件放置处设计为与工件外形相契合的槽形。为使霜盒送出机构简单可行，可以设计为自动漏出的形势。这样，就需要此转位盘形机构为双层机构。下层在送出工作点有送出漏斗，而下层的其他部分可作为霜盒的支撑。为使霜盒从送入机构到各个工作点的传动过程中保持固定的相对位置，再考虑到下层支撑机构的摩擦以及圆周传动的特点，可以将霜盒送入口的方向与圆周切线方向成较小锐角。为保持送入路径准确无误，可以在底层支撑机构上加装霜盒送入导槽。出料机构的选择及设计 一瓶冷霜灌装完毕以后，需要送出，在这里我们选用最最简单的出料机构在转盘上开一个孔，当霜盒的灌霜，压锡纸和盖盖子的动作都完成以后，它将会转到孔的位置，由于重力的作用，就会落下，从而完成出料的动作。灌霜机构，盖锡纸机构，加盖机构 灌霜，盖锡纸，加盖这三个动作可以用一个机构来实现，这样既可以保证三个动作的协调，又可以使得设计简单，制作方便而且还节省材料，同时使得整个机构的工作效率得到提高。具体的设计是利用一个支架将这三个机构固定在一起，利用凸轮的旋转来实现这个动作。具体设计如图：驱动这个支架上下往复运动，从而实现灌霜，盖锡纸，加盖这三个动作，可以采用凸轮机构。可以实现这一动作的凸轮可以使用，盘形槽凸轮机构，等宽凸轮机构，等径凸轮，力封闭凸轮 为了使得设计与计算简单，决定采用力封闭凸轮原动机与传动方案比较冷霜自动灌装机的负载属于冲击负载，即在一个工作周期内只较短的时间内承受工作负载，而在较长的时间内是空程运转，若依此短暂的工作时间来选择电动机的功率，则其功率将会很大。为减少电动机功率，在传动系统中设置了飞轮，这样电动机功率可以大为减小因为冷霜自动灌装机的生产能力是60盒/min，所以空盒每1S送入一个。 此冷霜自动灌装机的原动机采用的是1400n/min的电动机一、 确定总传动比原动机选定后，根据原动机的额定转速和工作轴的转速即可确定传动装置的总传动比根据总传动比按各级传动进行分配式中为各级传动的传动比。二、 传动比的分配原则传动比的合理分配是传动装置设计中的一个重要问题。它将直接影响到传动装置的外形尺寸、重量、润滑条件、装拆性能和整个机器的工作能力。因此它是运动计算的重要组成部分。传动比分配的一般原则：1） 各级传动比应在推荐范围内选取，在特殊情况下也不要超过所允许的最大值；2） 使各级传动的承载能力得到充分发挥，并使其结构尺寸协调和匀称；3） 使各级传动具有最小的外形尺寸，最小的重量和中心距；4） 在两级或多级齿轮减速器中，使各级大齿轮的浸油深度大致相等，以利实现浸浴润滑；5） 所有的传动零件应便于装配和拆卸；6） 为提高传动链的传动精度，减小空回，应使最后一级的减速比最大；7） 对于周期性变化的载荷，为了避免某几个轮齿的磨损过分集中，应建议用不可约分的传动比。如等等；8） 在经常正反转的传动链中希望传动链总转动惯量最小。要是分配传动比的方案满足上述所有原则是不可能的，也是不现实的。因此，设计时应拟定不同的分配方案，在各个指标上进行对比，最后确定一个最合理的方案。三、 传动比的选择与计算1） 在V带齿轮传动装置中，一般应使，以使整个传动装置的尺寸较小，结构紧凑。如果太大就有可能使大带轮的半径R大于减速器的中心高H，从而造成安装上的困难。2） 对于两级援助齿轮减速器，为使两对齿轮的齿面承载能力大致相等（假定两对齿轮的配对材料和尺宽系数均相同），以获得最小的外形尺寸，应取高速级传动比为： 各类机械传动的特性和使用传动型式摩擦轮传动带传动链传动主要优点运转平稳，噪声小，结构简单，可在运转中平稳地调整传动比实现无级变速，具有过载保护作用。中心距变化范围大；结构简单，传动平稳，能缓冲,可起安全装置作用（只摩擦型带传动），成本低，安装要求不高。中心距变化范围大；平均传动比较准确、恒定；对恶劣环境适应能力强；工作可靠与摩擦型传动相比作用在轴和轴承上的力较小。主要缺点轴和轴承上受到的作用力很大，有滑动，工作面磨损快，传动比不能严格保证。外廓尺寸大，轴和轴承上受力大，摩擦型带传动由于静电效应不宜用于易燃易爆场合，而且传动比不能严格保证，寿命较短。瞬时速度不均匀，高速时，不如带传动平稳，在振动冲击负荷下寿命大为缩短，链因磨损伸长后易引起共振，须增设张紧和减震装置。运动循环图：冷霜自动灌装机送入及工作机构送出机构主传动轴槽轮1圆柱凸轮槽轮2凸轮依靠重力落入滑道送出送入机构的间歇运动送入功能的实现工位转盘的间歇运动灌霜贴纸加盖机构尺寸及运动参数计算I）传送机构的参数计算 根据设计要求： 1】冷霜自动灌装的生产能力：60盒/min。2】冷霜盒尺寸：直径D3050mm，高度h1015mm。3】工作台面离地面的距离约11001200mm。设计传送带的宽度为L120mm，则为了使得圆柱凸轮旋转过程中能够把冷霜盒顺利的推入转盘的槽中，设计连接在圆柱凸轮上的长杆长约300mm。 传送机构中的圆柱凸轮参数如下： 圆柱凸轮旋转过程中杆件的位移曲线如下：利用的绘图软件是Mathematica5.0:Plot12.5*Sin(2*Pi/0.8)x,x,0,0.8Show%,% 在凸轮设计过程中，圆柱上的槽其实就是该曲线沿Y轴方向旋转而成的。 曲线的周期为0.8S,即每0.8S，就会有一个冷霜盒被推入槽中。凸轮旋转过程中，杆件的位移S212.525cm250mm 以下是凸轮的S，V，a曲线Clearf1,f2f1x_:=5*(1+Cos(2*Pi*(0.5*x/Pi)+0.1)/0.6)f2x_:=5*(1+Cos(2*Pi*(1.1-(0.5*x/Pi)/0.6)PlotWhich0x0.4Pi,0,0.4Pi=x=Pi,f1x,Pix1.6Pi,f2x,1.6Pix2Pi,0,x,0,2PiPlotWhich0x0.4Pi,0,0.4Pi=x=Pi,f1x,Pix1.6Pi,f2x,1.6Pix2Pi,0,x,0,2PiPlotWhich0x0.4Pi,0,0.4Pi=x=Pi,f1x,Pix1.6Pi,f2x,1.6Pix2Pi,0,x,0,2Pi 位移S角度 速度V角度加速度a角度Clearf3f3x_:=Which0x0.4Pi,0,0.4Pi=xPi,f1x,Pix1.6Pi,f2x,1.6Pix2Pi,0p1=ParametricPlot(f3x+15)Cosx,(f3x+15)Sinx,x,0,2p,AspectRatioAutomaticp2=p2=ParametricPlot15Cost,15Sint,t,0,2p,AspectRatioAutomaticShowp1,p2凸轮的基圆半径R15cm,旋转一周时，从动件位移S10cm原动机设计与参数计算已知驱动电机：转速n=1400 r/min。机械传动系统的速比：i总=n(电机)/n(执行主轴)=1400/200=7载荷性质工作机动 力 机软 起 动负 载 起 动每天工作小时数（h）1616载荷平稳液体搅拌机、鼓风机、通风机、离心式水泵、轻型运输机1.01.11.21.11.21.3载荷变动较小带式运输机、通风机、发电机、旋转式水泵、机床、压力机、印刷机1.11.21.31.21.31.4载荷变动较大螺旋式输送机、斗式提升机、往覆式水泵、和压缩机、锤炼粉睡机、锯木机、和纺织机1.21.31.41.41.51.6载荷变动很大破碎机、球磨机、起重机、挖掘机、橡胶辊压机1.31.41.51.51.61.8 功率计算Pc表 工矿系数Ka式中：Ka为工矿系数，由表可查得，P位传动的名义功率。我们小组所作的是冷霜自动灌装机，所以工矿系数选Pa=1.5 Pc=Ka*P 槽轮机构的初步计算产品设计中使用了2个完全一样的槽轮机构，一个是用来驱动五工位转盘，另外一个是驱动间歇传送带。槽轮的径向槽数是Z5，拨销数n1槽轮在一个周期中的运动时间与槽轮动停一次对应的运动周期时间之比称为运动系数。设拨销盘上均布了几个拨销，拨盘每转过一个圆销，对应转动角，相应的拨销转过角。因此，运动系数又可表达为运动系数反映了间歇运动机构的运动特征，即槽轮在一个运动周期中，转动时间占百分之几。为了使拨销能顺利地进入槽轮的径向槽，减少起动和停止时的冲击，径向槽的中心线必须切于拨销中心的回转圆，即，于是可得设槽轮的径向槽均布，其槽数为，则 于是 T=1s, 转动时间t=0.3s, 停歇时间0.7s拨盘传动周期T1s， w2/T=2 （rad/s） 拨销盘的角速度w=2（1）槽数z 按工位数要求选定为6。（2）中心距a 按结构情况确定 a=300mm（3）圆销半径r 按结构情况确定为 r=30mm（4）槽轮每次转位时主动件的转角2=180(1-2/z)=108（5）槽间角2 2=360/z=72（6）主动件圆销中心半径R1 R1=asin=176.3mm（7）R1与a的比值 =R1/a=sin=0.587（8）槽轮外圆半径R2 （9）槽轮槽深h ha(+cos-1) r h148.8mm 取h=149mm（10）运动系数k （n=1，n为圆销数）齿轮传动及带传动的参数计算连接在电机上的齿轮的初步计算电机的一般转速n1是1400转/分电极到主传动轴采用两级齿轮减速，设定电机轴带齿轮齿数为18， 对于两级援助齿轮减速器，为使两对齿轮的齿面承载能力大致相等（假定两对齿轮的配对材料和尺宽系数均相同），以获得最小的外形尺寸，应取高速级传动比为： 第一级【高速级传动】：一级减速传动比为1.53有： i1=1.53, i2=7/1.53=4.575 Z1=1.531827.54 取28 n=1400/1.53=915 转/第二级：二级减速传动比为4.575，设与齿轮2同心的小齿轮为齿轮3，齿轮3的齿数为18，最右边最大的齿轮为齿轮4。则有： i24.575 Z4=184.57582.35 取83n=915/4.575=200转/分所以，二级减速机构将速度减至200转/分则主传动杆的转速为 200n/min.齿轮参数的计算 两级减速机构一共使用4个齿轮齿轮 1： Z118 选择模数m15 齿轮直径D1mz51890mm 齿距PPim3.14515.7mm 分度圆上的齿厚s与齿槽宽e S=e=P/2=7.85mm 齿顶高haha*m155mm齿根高hf（ha*+C*）m=(1+0.25)56.25mm齿轮 2： Z128 选择模数m15 齿轮直径D1mz528140mm 齿距PPim3.14515.7mm 分度圆上的齿厚s与齿槽宽e S=e=P/2=7.85mm 齿顶高haha*m155mm齿根高hf（ha*+C*）m=(1+0.25)56.25mm齿轮 3： Z118 选择模数m15 齿轮直径D1mz51890mm 齿距PPim3.14515.7mm 分度圆上的齿厚s与齿槽宽e S=e=P/2=7.85mm 齿顶高haha*m155mm齿根高hf（ha*+C*）m=(1+0.25)56.25mm齿轮 4： Z183 选择模数m15 齿轮直径D1mz583415mm 齿距PPim3.14515.7mm 分度圆上的齿厚s与齿槽宽e S=e=P/2=7.85mm 齿顶高haha*m155mm齿根高hf（ha*+C*）m=(1+0.25)56.25mm直齿圆锥齿轮的计算拨销盘的角速度w32，转速为60转/分，连在机构主传动轴上的直齿圆锥齿轮5的转速为200转/分，传动比为 N=200i（3,4）=60/200=0.3, 连在槽轮机构上直齿圆锥齿轮4的齿数设定为为60，则直齿圆锥齿轮4的齿数z4=0.36018，主传动杆上的带传动轮参数的计算带传动轮组一共有3个，第一个是连接主传动杆与主凸轮之间，第二个是连接主传动杆与传送带槽轮机构之间，第三个是连接主传动杆与圆柱凸轮之间带传动1连在机构主传动轴上的带传动轮设为轮6，连在主凸轮机构上的带传动轮设为轮7，设定其直径为20CM，齿轮7的转动角速度为60转/分。齿轮6，7之间采用带传动。 D7=20CM i6.7=200/60=10/3 D6=20/（10/3）=6CM 带传动2因为槽轮的周期也是1S，所以与带传动1参数一样带传动3因为槽轮的周期也是1S，所以与带传动1参数一样传动型式摩擦轮传动带传动速度v（m/s）受动载荷和噪声限制圆柱齿轮7级精度255级精度以上斜齿轮15-130圆锥齿轮直齿5曲线齿5-40受发热条件限制滑动速度Vhmax15-35效率与运动速度和制造精度有关。开式传动为0.92-0.94闭式传动：圆柱直齿0.95-0.98圆柱斜齿0.96-0.99圆柱直齿0.95-0.98圆柱曲齿0.96-0.98摆线针轮传动0.90-0.94谐波传动0.69-0.90与螺纹升角、滑动速度和制造精度有关。开式0.6-0.7闭式：单头蜗杆0.7-0.75双头蜗杆0.75-0.82三头以上蜗杆0.8-0.92环面蜗杆0.85-0.95自锁蜗杆0.40-0.45单级传动比i圆柱齿轮i10常用i5圆锥齿轮i6常用i3摆线针齿传动11