机械原理课程设计-旋转型灌装机设计.doc

- 38 -theory of machines and mechanisms贵州大学机械工程学院机械原理课程设计说明书题号11旋转型灌装机学院： 机械工程 专业： 班姓名 学号： 指导导师： 日期： 目录一、机械原理课程设计任务书题号114一、设计题目及原始数据4二、设计方案提示5三、设计任务5二、设计背景6三、方案的选择63.1综述63.2选择设计方案73.2.1、功能逻辑图和功能原理解图73.2.2、功能原理的工艺过程分解83.2.3、机械系统运动转化功能图193.3方案确定19四、原动机选择22五、传动比分配22六、传动机构的设计226.1减速器的设计226.2齿轮的设计23七、机械运动循环图26八、机构设计268.1、凸轮设计计算及校核268.2、槽轮尺寸设计与分析29九、整体评价33十、pro/e建模分析33十一、 设计小结37十二、参考文献38贵州大学机械工程学院机械原理课程设计任务书题号11旋转型灌装机图1 旋转型灌装机一、设计题目及原始数据设计旋转型灌装机。在转动工作台上对包装容器（如玻璃瓶）连续灌装流体（如饮料、酒、冷霜等），转台有多工位停歇，以实现灌装、封口等工序。为保证在这些工位上能够准确地灌装、封口，应有定位装置。如图1中，工位1：输入空瓶；工位2：灌装；工位3：封口；工位4：输出包装好的容器。该机采用电动机驱动，传动方式为机械传动。技术参数见下表。 旋转型灌装机技术参数表方案号转台直径 mm电动机转速r/min灌装速度r/mina600144010b550144012c50096010二、设计方案提示1.采用灌瓶泵灌装流体，泵固定在某工位的上方。2.采用软木塞或金属冠盖封口，它们可由气泵吸附在压盖机构上，由压盖机构压入（或通过压盖模将瓶盖紧固在）瓶口。设计者只需设计作直线往复运动的压盖机构。压盖机构可采用移动导杆机构等平面连杆机构或凸轮机构。3.此外，需要设计间歇传动机构，以实现工作转台间歇传动。为保证停歇可靠，还应有定位（锁紧）机构。间歇机构可采用槽轮机构、不完全齿轮机构等。定位（锁紧）机构可采用凸轮机构等。三、设计任务 1.旋转型灌装机应包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等三种常用机构； 2.设计传动系统并确定其传动比分配，并在图纸上画出传动系统图；3.图纸上画出旋转型灌装机的运动方案简图，并用运动循环图分配各机构运动节拍；4.电算法对连杆机构进行速度、加速度分析，绘出运动线图。图解法或解析法设计平面连杆机构；5.凸轮机构的设计计算。按凸轮机构的工作要求选择从动件的运动规律，确定基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。对盘状凸轮要用电算法计算出理论廓线、实际廓线值。画出从动件运动规律线图及凸轮廓线图； 6.齿轮机构的设计计算； 7.编写设计计算说明书； 二、设计背景 进入21世纪以来，市场愈加需要各种各样性能优良、质量可靠、价格低廉、效率高、能耗低的机械产品，而决定产品性能、质量、水平、市场竞争能力和经济效益的重要环节是产品设计。机械产品设计中，首要任务是进行机械运动方案的设计和构思、各种传动机构和执行机构的选用和创新设计。这要求设计者综合应用各类典型机构的结构组成、运动原理、工作特点、设计方法及其在系统中的作用等知识，根据使用要求和功能分析，选择合理的工艺动作过程，选用或创新机构型式并巧妙地组合成新的机械运动方案，从而设计出结构简单、制造方便、性能优良、工作可靠、实用性强的机械产品。 旋转型灌装机：待灌瓶由传送系统或人工送入灌装机进瓶机构。瓶子由灌装机带动绕主立轴旋转运动进行连续灌装，转动近一周时瓶子装满，然后由转盘送入压盖机进行压盖。这种灌装机在食品饮料行业应用最为广泛，如汽水、果汁、啤酒、牛奶的灌装，此机主要由流体输送（即供料系统）、容器输送（即供瓶系统）、灌装阀、大装盘、传动系统、机体、自控等部分组成，其中灌装阀是保证灌装机能否正常工作的关键。 机械原理课程设计是使学生较全面、系统掌握和深化机械原理课程的基本原理和方法的重要环节，是以运动方案设计为主，让学生根据所给要求，通过对所学知识综合运用，运用简单的机构组成，独立提出运动设计方案，经分析、比较后确定最佳方案，以发挥学生的主观力和创造力。三、方案的选择3.1综述 根据旋转型灌装机的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、零件间的组装和形状尺寸等方面进行构思分析、设计来定方案。并通过对原动机的选择，传动比的分配，传动方式来设计机构，然后又分析其运输、装罐、压紧、换盖等细节而得出各种不同的方案，然后通过计算比较，从经济、适用、简便、绿色等全方面考虑来确定出最佳方案。3.2选择设计方案 本组根据其功能分解和相对应的功能分析选择来确定设计方案。3.2.1、功能逻辑图和功能原理解图根据设计要求和灌装机的工作原理，为了便于设计分析并实现其运动总功能的要求，我们可将其功能分解为如下分功能： 容器输入与传送功能； 转台多工位停歇转动功能； 容器定位功能； 容器夹紧功能； 灌装功能； 封口压盖功能； 产品传送与输出功能。容器输入、传送功能转台多工位停歇转动功能容器定位功能旋转型灌装机容器夹紧功能灌装功能送盖功能对容器的封口功能吸盖功能换盖功能容器传送、输出功能 根据机械系统运动逻辑功能图，根据原动件与执行构件之间的运动关系，并由给定的条件，各机构的相容性，各机构的空间布置，类似产品的借鉴，从多种功能原理解中设计出两个较为实际可行的方案。现述方案为本组的最优方案，其功能原理解如下图：送料传动带传送减速齿轮传送转台间歇转动槽轮机构灌装平面凸轮机构封口平面凸轮机构吸盖气泵换盖滑动杆机构3.2.2、功能原理的工艺过程分解1. 容器输入与传送功能： 要实现容器的输入与传送功能，我们想到了如图3.2.2-1所示的连杆机构，原动件ab连续转动,使ed摆动，通过ef杆的作用使5在h范围内来回运动，从而把容器推送至工位1，但是考虑到这种推送运动冲击大，对轻质容器，玻璃容器等来说是应该避免的，同时这样的连杆机构设计复杂，所以在此我们尽量不选用这种推送机构。 图 3.2.2-1 为了达到容器的输出与传送的目的，同时使我们的设计过程简单化，所以我们选择采用皮带传送的方式。如图3.2.2-2所示，并且这种传送方式在实际生产活动中被大量采用。 图 3.2.2-22. 容器定位功能： 可以实现容器定位的机构很多，在这里我们设计了下图3.2.2-3所示的方式实现定位功能。 图3.2.2-3 定位示意图怎样实现旋转工作台的间隙转动呢？可以实现间隙转动的机构有棘轮间 图 3.2.2-4 槽轮间隙机构隙运动机构，槽轮间隙机构，凸轮间隙机构，不完全齿轮间隙机构，偏心轮分度定位机构等，综合考虑各因素，我们选用如图3.2.2-4所示的槽轮间隙机构。槽轮机构将旋转运动转换为单向间隙转动。如图右所示，槽轮机构由主动拨盘，从动槽轮和机架组成。主动拨盘以等角速度w1作连续回转，当拨盘上的圆销未进入槽轮的径向槽时，由于槽轮的内凹槽止弧被拨盘的外凸锁止弧卡住，使槽轮在停歇时不能产生游动，并获得定位。当圆销进入槽轮径向槽时，槽轮受圆销的驱使而转动。当圆销离开径向槽时，锁止弧又被卡住，槽轮又静止不动。直至圆销再次进入槽轮的另一个径向槽时，又重复上述运动。所以，槽轮作时动时停的间隙运动。3. 容器夹紧功能： 因为要对容器进行灌装，封口压盖，所以在灌装工位和封口压盖工位时要对容器进行夹紧固定，防止容器在灌装时不准确，封口压盖时跳动，导致封口压盖错位，产生废品，而浪费材料和经费。出于此目的，我们设计了下面几种夹紧方案：（1） 方案一：如图2.2.2-5 所示，在工位2和工位3外加装两个凸轮，用于对容器进行夹紧固定，工作原理是当容器到达工位2和工位3时，凸轮处于远休位置，此时凸轮的远休轮廓刚好对容器进行夹紧，等灌装和封口压盖完成时，凸轮远休结束，此时容器没有被夹紧，只要旋转工作台转动，则容器跟随其一起转动。图2.2.2-5 凸轮夹紧示意（2） 方案二：如图2.2.2-6所示,本方案采用圆环来是实现容器在灌装和封口压盖工位处的夹紧固定，工作原理是当容器在工位1处被旋转工作台带进时，容器就被圆环夹紧，容器随着旋转工作台的转动而转动，容器一直处于夹紧状态。图2.2.2-6 夹紧圆环示意（3） 方案三： 如图2.2.2-7所示，方案三我们采用图示两凸台，凸台在灌装工位和封口压盖工位处与容器相切，容器刚好被运送至灌装工位和封口压盖工位时就被夹紧，此时旋转工作台进入间隙停止期，利用这段间隙，灌装设备和封口压盖设备刚好可以对容器进行灌装和封口压盖。 图2.2.2-7 斜台夹紧示意图比较上述三个方案，方案一采用两个凸轮对容器进行夹紧，可以很好的实现夹紧功能，但是凸轮设计复杂，加工困难，并且两个夹紧凸轮与旋转工作台运动的协调与配合过程设计复杂，难度大，同时也会使机器整体构造复杂化。方案二中的夹紧圆环会使容器在整个加工过程中出于夹紧状态，容器与夹紧圆环摩擦严重，可能会使容器变形，甚至破裂，并且这样的摩擦状态会增加系统的无用功率，降低机械系统的运动功率因素，增加能耗，不利于低碳城市与工业加工的建设。相比之下，方案三不仅可以较好的实现容器在连个工位处的夹紧，而且在整个过程中只有在夹紧处容器和夹紧摩擦大，系统的有效功率利用高。同时夹紧斜台的设计过程简单，加工制造也方便。 综上所述，我们采用方案三中的夹紧凸台对容器在灌装工位和封口压盖工位处进行夹紧固定，从而到达防止容器的跳动，以及加工错位和误差的产生。4. 灌装功能：（1） 方案一：如图2.2.2-8所示，采用图示的凸轮机构，由凸轮的连续转动实现灌装活塞的上下往复运动，由于弹簧的作用当凸轮近休时，活塞往上运动，此时灌装容器吸入液体，凸轮继续运动，推动活塞向下运动，此时灌装机构对空容器进行灌装，如此往复运动就可实现灌装功能。 图2.2.2-8 凸轮式灌装机构示意 （2） 方案二 ：如图2.2.2-9所示，本方案采用连杆机构来实现灌装功能。图2.2.2-9 虽然连杆机构制造简单，但是其设计过程复杂，所以我们采用方案一来实现灌装功能。5. 封口压盖功能： 如下图2.2.2-10，这是我们设计的封口压盖机构，此机构为凸轮机构，齿轮连续转动带凸轮连续转动，从而实现封口压盖机构的上下往复运动，进而对容器进行封口压盖。 图2.2.2-10 凸轮封口压盖6. 换盖功能 图2.2.2-11方案一：如图2.2.2-11所示，转轮上每 120 开一孔，气泵可通入进行吸盖封处的中心要与下面转 动工作台凹槽圆弧的心共线，转轴处开方形孔使轮可以在配套上 动工作台凹槽圆弧的心共线，转轴处开方形孔使轮可以在配套上 动工作台凹槽圆弧的心共线，转轴处开方形孔使轮可以在配套上 上下滑移，并 上下滑移，并 上下滑移，并 上下滑移，并 且随着方形轴的转动而，初始位置如图所示。罐盖由传 送带且随着方形轴的转动而，初始位置如图所示。罐盖由传 送带且随着方形轴的转动而，初始位置如图所示。罐盖由传 送带至吸盖口下一定距离（基本与容器同高），呈紧密排列。 至吸盖口下一定距离（基本与容器同高），呈紧密排列。但是该方案较复杂，增加了空间的拥挤度，使之变得更加麻烦，不宜采用。方案二：为使空间变得宽敞，简便，更优化，可使用如图2.2.2-12所示装置，与实现压盖机构的凸轮1同轴的杆上用锥齿轮连接一个垂直杆，下方连接凸轮2的转动中心，随着连杆的转动而带动凸轮2转动而压缩弹簧以实现间隙换盖功能。所以我们使用方案二来实现换盖功能。 图 2.2.2-12 换盖机构 图 2.2.2-13换盖凸轮 图 2.2.2-14换盖凸轮运动位移分析7. 产品输出与传送功能： 图 2.2.2-15 输出示意图 在产品的输出与传送上，我们像容器的输入一样采用输出挡板和输出传送带。如图2.2.2-15所示，容器到达图示出口位置时，输出挡板将容器往输出传送带方向推挡，同时容器是随着旋转工作台一起旋转的，在合成力的作用下，容器被带至输出传送带上，进而传送到下个加工工位。3.2.3、机械系统运动转化功能图根据上述执行构件的运动形式，可绘制出该方案的机械系统运动转换功能图：销轮的连续转动变为六角槽轮的单向间歇运动 凸轮的连续转动变为灌料口的直线往复运动 电机 凸轮的连续转动变为压盖处的往复直线运动 凸轮转轴转动变为换盖处的往复运动 传送带的转动变为传输瓶子的单向直线运动 3.3方案确定 方案一：如图3.3.1所示，我们在换盖机构上采用的是在与实现压盖功能的凸轮1同轴的杆上直接连接一根垂直杆，杆下方与凸轮相连，随着杆的转动带动着凸轮2转动而压缩弹簧以实现换盖功能，但很困难实现，存在一个很大的误差。所以需要再进行改进，以实现方案最优化。 图 3.3.1方案二：经反复探讨得出改进方案如图3.3.2所示，在其他机构不变情况下，将换盖机构上与实现压盖机构的凸轮1同轴的杆上相连的垂直杆改为用锥齿轮连接，下方连接凸轮2的转动中心，随着连杆的转动而带动凸轮2转动而压缩弹簧以实现间隙换盖功能。 图3.3.2总结：该系统由一个电动机驱动。电动机带动齿轮1转动，齿轮1再与双联齿轮2啮合，实现的4:1减速，此时，双联齿轮2将此运动传给与其同轴的齿轮3，齿轮3与齿轮4啮合，传动比4:1，齿轮4再带动与其同轴的锥齿轮5转动，锥齿轮5与齿轮6啮合，为灌装、压盖机构的上下往复运动提供动力来源。齿轮4带动其同轴的销轮，销轮带动六角槽轮间歇性转动，1s转动一个工位，转动工作台与六角槽轮同轴，进而实现了每秒一个工位的间歇性转动。另一方面，与凸轮同轴的锥齿轮7与锥齿轮8啮合，锥齿轮8带动曲柄滑移动，实现了换盖转盘的间歇性转动。 工作时空瓶沿传动皮带做匀速直线运动，被带入转动工作台凹槽内，工作台旋转时，带动空瓶转至下一个工位，凹槽与固定工作台的挡板实现定位，保证灌装和封盖的顺利进行。 工作时，工作台每转动60，凸轮旋转一周，带动压板完成一次灌装和封盖，并且在回程和近休止的时候换盖盘完成一次往复运动，工作台停歇时，凸轮进入推程，压板向下运动，远休时完成灌装和压盖，当凸轮回程和近休时，工作台转动，压板的换盖盘通过弹簧回位，同时换盖盘完成一次往复运动。如此往复。四、原动机选择本方案选用的是c组的数据，电动机转速为960r/min.五、传动比分配原动机通过二次减数达到设计要求。第一次减速，通过减速器减速到4r/s,其传动比为4。第二次减速,其传动比为4，达到转动装置及压盖装置所需转速1r/s.六、传动机构的设计 6.1减速器的设计 减速器分为二级减速，两级都为齿轮传动。具体设计示意图及参数如下： 4 1 电机 2 3 1、2、3、4为齿轮： =40 = 160 z3=40 z4=160 =4=4n1=n/(*)=960/(1*4*4)=60r/min 6.2齿轮的设计减速齿轮1：齿数z1=40减速齿轮2：齿数z2=160减速齿轮3：齿数z3=40减速齿轮4：齿数z4=160（备注：以上4个齿轮的以下参数均相同并且按标准中心距安装，模数m=2,齿顶高系数h*=1,顶隙系数c*=0.25,压力角=20，齿距p=m=3.142=6.28。）齿轮参数计算：1 分度圆半径：r1=mz12=4022=40, r2=mz2/2=16022=160r3=mz32=4022=40, r4=mz4/2=16022=1602 基圆半径：rb1=mz1/2=402cos202=37.59 rb2=mz2/2=1602cos202=150.35rb3=mz32=402cos202=37.59 rb4=mz4/2=1602cos202=150.353 齿顶圆半径：ra1=( z12h*)m/2=(4021)22=42ra2=( z22h*)m/2=(16021)22=162ra3=( z32h*)m/2=(4021)22=42ra4=( z42h*)m/2=(16021)22=1624 齿顶圆压力角：=arccos(rb1/ra1)=arccos(37.5942)=26.49=arccos(rb2/ra2)=arccos(150.35162)=21.86=arccos(rb3/ra3)=arccos(37.5942)=26.49=arccos(rb4/ra4)=arccos(150.35162)=21.865 齿轮重合度：=z1()z2()/ =40(tan26.49tan20)240(tan21.86tan20)/ =1.80=z3()z4()/ =40(tan26.49tan20)240(tan21.86tan20)/ =1.80 、均大于1，可以实现齿轮连续传动。 锥齿轮5、6、7、8的以下参数均相同：压力角=20，齿顶高系数h*=1,顶隙系数c*=0.2,模数m=2,齿数z=80,传动比1:1，可以连续传动。论证同上。 图 6.2.1 齿轮示意图七、机械运动循环图八、机构设计8.1、凸轮设计计算及校核凸轮设计如图所示：由于推程与远休衔接处有微小倒角原因，所以图中出现一定的误差，实际参数以设定参数为主。 凸轮用于灌装工位，利用远近与休止带动推杆和活塞来实现灌装，联系实际生产与各部件的位置关系，设定瓶口距泵口的间距为7cm，泵口的上下间歇往复运动时凸轮的连续转动实现的，凸轮与推杆不存在偏距，凸轮的安装高度为400mm。所以可知，凸轮的推程为7cm，泵口完成一次推程和回程需在工作台停歇的时间内，即2/3s。即我们设定凸轮的数据如下：1 基圆半径=40mm2 行程：h=70mm3 推程角：=1104 回程角：=805 近休止角：=506 远休止角：=1207 升程最大压力角：max01= 29.3571108729986308 回程最大压力角：max02= 29.3571108729986309 运动规律的选择，凸轮按照图的方位逆时针旋转。要求推程时，实力缓慢平稳，并在远休时有充足时间进行指定工作，所以设定推程角110，远休角120，回程角+近休角130。这样不但保证了这样不仅保证了凸轮轮廓的合理，还有足够的时间压盖、灌料和进行其他的旋转工作。并且在推程回程与远休的转换处，在保证精度的同时，加入了倒圆角，增加适当的弧度减缓冲击，以增加运平稳。 图 8.1.1 凸轮示意图 图8.1.2凸轮位移分析（电动机160r/min）8.2、槽轮尺寸设计与分析（1） 分类：槽轮机构能把主动轮的连续转动转化为从动轮的周期性间歇运动。常用于各种转位机构中，槽轮机构的基本形式分为外接，内接和球面槽轮三类。外接槽轮机构的主动轮和从动轮转向相反，槽轮的间歇转位时间长。内齿轮机构则相反，球面槽轮的停歇时间等于转动时间。所以根据需求在此采用外接槽轮。按槽的方位不同可以分为：1 径向槽轮：它冲击小制作简单，成本低，最为常用，槽轮的动停时间比取决于槽数z。2 非径向槽轮：在槽数不变的条件下，可以用不同的中心距与曲半径的组合来获得不同的停动时间比，但冲击较大。（2）槽轮尺寸设计我组采用六角槽轮为带动旋转工作台实现间歇运动，依据工作台的空间选用的槽轮有关数据如下。槽轮机构可以实现间歇运动来满足工作台运转和间歇灌装和压盖，而且在间歇的时候依靠槽轮的锁止弧来防止转台依靠惯性继续运动。 图 8.3.1 槽轮示意图 槽轮机构的几何尺寸计算及选用数据参数计算公式或依据槽数z工作要求确定6圆销n1中心距l安装空间确定56回转半径rr=l*sin=l*sin(/z)=28圆销半径r由受力大小确定r=r/9=3顶槽半径ss=l*cos=l*cos(/z)=48.51槽深hh=s-(l-r-r)=35拨盘轴径d1=2(l-s)=12槽轮轴径d2=2(l-r-r)=12槽顶侧壁厚bb=15mm经验所得此处取b=2mm锁止弧半径r0=r-r-b=23运动分析如图 8.2.2、图8.2.3、图8.2.4是槽轮边缘的任意点的运动规律分析图，根据图中所给出的位移、速度、加速度的分析数据可得出槽轮做间歇运动，速度和加速度（角速度和角加速度）周期相同，而位置的周期是他们周期的2倍。 图8.2.2 pnt0点位移测量输出图 图 8.2.3 pnt0点速度测量输出图 图8.2.4 pnt0点加速度测量输出图九、整体评价 旋转型灌装机，是同时要求有圆盘的转动和传送带的传送的机构，而且这两部分要相互协调，相互配合工作的过程。设计过程中方案可采用蜗轮蜗杆的减速机构，但是考虑的传输效率问题，改为变速机构采用一级直齿圆柱齿轮的减速，但是考虑到机构尺寸问题和在实际情况中可能因为受力等原因，导致传动的不通畅或者零件的快速磨损等，在改进时如果采用多级齿轮变速会减轻这一问题。因此，在整个系统中我们运用到了齿轮机构，槽轮机构，凸轮机构等常用机构，以完成了从瓶子的传输到灌装，压盖，最后输出的机器。圆盘间歇转动部分：因为在系统的原始要求中需要有间歇转动的特性，而工位为6个，所以在设计过程中我们首先想到了可以实现间歇转动的典型机构槽轮机构。且槽轮的转动速度是圆盘转速是同步的，并且在转动时分别在6个工位进行停歇。此外，经过大家的反复考虑与讨论，采用了凸轮机构来完成压盖和换盖过程。我们设计的直线往复运动的凸轮机构，刚好能够完成这一工作任务。 由于槽轮间歇机构较为复杂，pro/e建模和仿真的能力尚不成熟，中间有些小问题是无法避免的。换盖系统在造价和成本上应该有所考虑，简化该机构作为以后研究的方向。凸轮的设计在仿真时，出现加速度变化较为剧烈，虽然用了一些方式减轻了刚性冲击，但是冲击问题仍然存在，所以在凸轮设计时，我们采用了倒角衔接的方式设计以消除这一问题，也因此出现微小误差，是我们无法克服的。在输入与输出时皮带轮的速度也有一定要求，并且在灌装过程中，灌装的控制量和其中的机构设计也是需要推敲的，但是因为知识的原因，本方案中未涉及。综上所诉，我们的设计方案是在我们力所能及范围内是可行并且最优化了的。十、pro/e建模分析本组仅以槽轮机构动力学仿真过程为例，说明在pro/e中的形成过程，及运动分析过程的组件。六角槽轮建模：1. 按照设计尺寸绘制出基本图形，再采用一次拉伸新建“零件”，通过“旋转工具”、“拉伸工具”、 “去除材料”和“阵列”的命令，建立槽轮的模型，如下图所示。 10.1草绘出的基本图形 10.2 拉伸后所得图形 2.同样的方式绘制出槽轮的主动轮 10.3 主动轮的基本平面形状 10.4拉伸后的所得主动轮 3. 将槽轮与主动轮通过pro/e组件为一体 新建“组件”，装入“支架”零件模型，约束使用“缺省”，将其自由度全部固定；再装入“传动杆”零件模型，采用“销钉”连接；最后装入“槽轮”零件模型，同样采用“销钉”连接。装配图如下图所示。 10.5组件过程截图 10.6 组件后的效果4. 运动分析，使其能够正常运行1) 在组件图中，单击菜单命令“应用程序”下的“机构”，系