机械原理课程设计——旋转型灌装机.doc

机械原理课程设计目录一、设计任务书- 2 -二、功能分解- 3 -三、机构选型与组合- 3 -四、机械运动循环图- 4 -五、机械运动方案的拟定- 5 -a工作台旋转机构- 5 -b压盖机构- 6 -c灌装机构- 6 -六、原始数据- 7 -七、机械运动简图- 8 -八、各部分参数计算- 8 -九、整体评价与总结- 15 -十、参考资料- 16 -附录：部分主要机构的三维模型图及构件三视图 一、任务设计书1、 工作原理及工艺动作过程设计旋转型灌装机。在转动工作台上对容器（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。如图所示，工位1：输入空瓶；工位2：灌装；工位3：封口；工位4：输出灌装好的容器。图1 旋转型灌装机2、 原始数据及设计要求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3、设计方案提示（l）灌装机构：采用灌瓶来灌装流体，泵固定在某工位的上方。（2）压盖机构：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l可采用移动导杆杆机构等平面连杆机构或凸轮机构。（3）间歇传动机构和定位机构：实现工作转台间歇传动。为保证停歇可靠，还应向定位（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4、设计任务1）按工艺动作要求拟定运动循环图。 2）进行转盘间歇运动机构、压盖机构、间歇传动机构和定位机构的选型，实现上述动作要求，并将各机构按照一定的组合方式组合起来； 3）机械运动方案的评定和选择。 4）按选定的电动机和执行机构运动参数拟定机械传动方案。 5）画出机械运动方案简图。 6）对传动机构和执行机构进行运动尺寸计算。7）编写设计计算说明书（课程设计专用稿纸）。8）在三号图纸上完成机械运动简图。9）准备答辩。二、功能分解若要完成任务设计书所要求的功能，需要先完成电动机、减速机构之后分别完成传送带送入、杯子的定位与固定、灌装饮料、利用凸轮或连杆机构加盖、传送带送出这五个部分。 分解功能如下图所示：传送带机构螺旋形灌装机杯子的定位与固定灌装饮料加盖机构图2旋转型灌装机的功能分解3、 机构选型与组合机械系统中的传动机构是把原动机输出的机械能传递给执行机构并实现能量的分配、转速的改变及运动形式的改变的中间装置。传动机构最常见的有齿轮传动、带传动、蜗杆传动等。在设计中，按照功能选择机构的类型。电动机驱动采用方案B，其转速为1440r/min，灌装速度较快，效率比较高。 减速机构采用齿轮减速与涡轮蜗杆搭配减速。承载能力和速度范围大；传动比恒定，采用卫星传动可获得很大传动比，外廓尺寸小，工作可靠，效率高。制造和安装精度要求高，精度低时，运转有噪音；蜗轮蜗杆结构紧凑，单级传动能得到很大的传动比；传动平稳，无噪音；可制成自锁机构；传动比大。 传送带采用皮带轮机构，讲杯子按照指定方向传送到需要定位与固定的位置、轴间距范围大，工作平稳，噪音小，能缓和冲击，吸收振动；摩擦型带传动有过载保护作用；结构简单，成本低，安装要求不高；外廓尺寸较大；轴和轴承上的作用力很大，带的寿命较短。灌装机构采用灌瓶来灌装流体，泵固定在某工位的上方。工位的间歇运动采用槽轮机构，四个工位采用槽数为4的槽轮机构。加盖的方法采用凸轮机构，使得压盖杆做竖直方向的周期来回运动。凸轮机构可以产生复杂的运动轨迹，可以自行控制压盖机构的轨迹。将上述选择好的机构组合起来，便可以实现设计要求中给定的功能。简要分析如下：电动机驱动带动传送带将杯子传送到杯子的定位装置中，并固定好。灌装机构和压盖机构固定在工作台第2和第3工位的上方。第4工位连接灌装完毕的杯子，将完成设计要求的杯子传送出去。4、 机械运动循环图传送带工作 工作台静止转动工作台静止转动灌装开启灌装开启压盖进压盖回压盖进压盖回 0.15s 3.15s 3.33s 5s 注：空白即为静止状态本方案以5秒为一个工作周期。在五秒之内要完成工作台的旋转、灌装装置的开启与关闭、压盖机构的来与回。在本次设计中，最重要的部分就是要控制好整个机构的节奏（具体会在按部分设计中详细介绍）。考虑到灌装的水有一定的流量，所以不能完全100%将灌装与压盖工作周期填满工作台静止的时候。所以工作台静止与工作台转动的时间比为2:1，灌装台开启与灌装台关闭的时间比为3：2，这样可以较好的控制住整个机械的工作效率，使得机构能高效正常的运转。 下表为时间参考表。时间机构运动状态0-0.15s工作台静止、灌装机构静止、压盖机构静止0.15s-1.65s工作台静止、灌装机构开启、压盖机构进程1.65s-3.15s工作台静止、灌装机构开启、压盖机构回程3.15s-3.33s工作台静止、灌装机构静止、压盖机构静止3.33s-5s工作台旋转、灌装机构静止、压盖机构静止在这一个运动周期内，前0-0.15秒是为了缓冲工作台刚刚旋转完所产生的惯性，防止灌装机构倒下的水没有能够进入到杯子内。并且，配合传送带的速度，不需要多余的机构就可以做到定位的功能。0.15s-1.65s中控制灌装机构的齿轮转动，叶片不能堵塞管道。灌装开始，同时凸轮机构开始运动。各个部分的详细运动在机械运动方案的和各部分的参数设计中会详细讲到。1.65s-3.15与上一个部分大致相似，但是是回程。3.15s-3.33s与最开始功能相似，不多赘述。5、 机械运动方案的拟定机构实现方案转盘的间歇运动机构槽轮机构不完全机构棘轮机构压盖机构连杆机构凸轮机构灌装机构管道的开关连杆机构凸轮机构齿轮为了实现转盘的间歇运动机构，比较槽轮机构、不完全齿轮和棘轮之间的优缺点。a. 槽轮机构的特点 槽轮机构结构简单，易加工，工作可靠，转角准确，机械效率高。但是其动程不可调节，转角不能太小，槽轮在起、停时的加速度大，有冲击，并随着转速的增加或槽轮槽数的减少而加剧，故不宜用于高速，多用来实现不需经常调节转位角度的转位运动。b. 不完全齿轮的特点 不完全齿轮机构结构简单、制造容易、工作可靠，从动轮运动时间和静止时间可在较大范围内变化。但是从动轮在开始进入啮合与脱离啮合时有较大冲击，故一般只用于低速，轻载场合。c. 棘轮的特点 轮齿式棘轮机构结构简单，易于制造，运动可靠，从动棘轮转角容易实现有级调整，但棘爪在齿面滑过引起噪声与冲击，在高速时尤为严重。故常用于低速、轻载的场合，或用于间歇运动控制。摩擦式棘轮机构传递运动较平稳，无噪音，从动件的转角可作无级调节。但难以避免打滑现象，因而运动准确性较差，不适合用于精确传递运动的场合。因为在本方案中，控制间歇运动的机构的转速十分低，需要较大的范围内的从动轮运动时间和静止时间。所以在这里我们选择不完全齿轮来实现转盘的间歇运动。 下左图为不完全齿轮的啮合示意图。（下页） _ a.连杆机构的特点连杆机构构件运动形式多样，如可实现转动、摆动、移动和平面或空间复杂运动，从而可用于实现已知运动规律和已知轨迹。此外，低副面接触的结构使连杆机构具有以下一些优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小；制造方便，易获得较高的精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不象凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。因此，平面连杆机构广泛应用于各种机械、仪表和机电产品中。平面连杆机构的缺点是：一般情况下，只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中作复杂运动和作往复运动的构件所产生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。b.凸轮机构的特点 优点 结构简单、紧凑、设计方便，可实现从动件任意预期运动，因此在机床、纺织机械、轻工机械、印刷机械、机电一体化装配中大量应用。 缺点 1）点、线接触易磨损； 2）凸轮轮廓加工困难； 3）行程不大由于在本方案中行程较小、需要紧凑的空间。所以在这里凸轮机构更适用。灌装机构管道的开关，利用右图所示的机构。将齿轮与管道中的叶片连接，利用叶片的转动来实现管道的开与闭。由于在本方案中，需要把握节奏的控制。利用不完全齿轮与普通标准渐开线直齿轮的啮合，可以实现设计任务书中给定的要求，可以实现管道中开与闭的间歇性运动。 整体而言，电动机连接一个减速器，将减速后的鼓轮与传送带连接，传送带不仅起到传送杯子的作用，还起到了传递其他机构驱动力的作用。传送带起着连接着工作台的底座和控制管道开闭和不完全齿轮的作用。利用斜齿轮和齿轮系将传送带上传递的驱动力，使得工作台转动、压盖机构的凸轮运动。6、 原始数据项目 数据齿轮的模数（m） 1.5电动机速度1440r/min 灌装速度12r/min(5s/r)斜齿轮的角度45每个杯子的容量350ml鼓轮的内外径比1:2项目个数鼓轮（两段传送带）5渐开线直齿轮6凸轮1标准圆锥齿轮4连杆若干工作台1皮带4减速器1电动机1装料管道1不完全齿轮2 右图为部分特殊构件的设计。两个分别为1/3和3/5的不完全齿轮。以完成机械运动循环图所要求的机构运动。为了能充分利用一个运动周期来进行灌装和压盖，所以不能使用同一个不完全齿轮进行灌装和压盖。因为能同时进行灌装和停止的旋转的不完全齿轮最大的要求为1/4，否则则会出现在灌装的同时又旋转的情况。七、机械运动简图八、各部分参数计算（1）传送带计算 已知每分钟灌装12只即5秒灌装一只。送料速度要等于灌装速度即5秒传送带需要经过一个杯子的距离一只一个杯子。 市面上右图所示的杯子的最大直径大约为100mm，则v传=20 mm/s。所以鼓轮外侧为20mm/s 半径r外=20mm 内径r内=10mm，则v内=10mm/s 鼓轮的角速度=1rad/s（2） 圆锥齿轮计算 在本设计中有两处运用到了斜齿轮。但为了设计方便和机构的运行方便，在本设计中将采用相同的标准斜齿轮。由于圆锥齿轮的计算较为复杂，本设计中圆锥齿轮的主要作用是改变运动的方向，以及改变运动的平面。 由于直齿锥齿轮大端的尺寸最大，测量方便。因此，规定锥齿轮的参数和几何尺寸均以大端为准。大端的模数m的值为标准值，按下表选取。在GB12369-90中规定了大端的压力角=20，齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.2。 锥齿轮的各个几何参数如图中所标示，具体数值见下表。参数名称符号计算公式及数值齿数Z20 （已知）齿数比uU=Z2/Z1=1节锥角145分度圆直径dd=mz=110mm锥距R=64.818齿宽b25.927齿顶高Ha5.5齿根高Hf6.6齿全高H112.1齿顶圆直径da117.778齿根角f4.850齿顶角a4.850（3）齿轮系计算 在本设计中为了方便设计及成本的节约，齿轮统一选用模数m=1.5 ha*=1 c*=0.2的齿轮。在本设计中采用的齿轮（完全）齿数为75，不完全为25和36。可见齿数为25的齿轮控制着工作台的旋转机构，可见齿轮数为36的控制着灌装机构和压盖机构。参数名称符号计算公式及数值齿数Z25分度圆直径dd=mz=37.50齿顶高Ha1.50齿根高Hf1.88齿全高H13.38齿顶圆直径da40.50齿根圆直径df33.75参数名称符号计算公式及数值齿数Z75分度圆直径dd=mz=112.5齿顶高Ha1.50齿根高Hf1.88齿全高H13.38齿顶圆直径da115.50齿根圆直径df108.75参数名称符号计算公式及数值齿数Z36分度圆直径dd=mz=54.00齿顶高Ha1.50齿根高Hf1.88齿全高H13.38齿顶圆直径da57.00齿根圆直径df50.25 在本设计方案中采用了轮系机构，输入端为不完全齿轮A。不完全齿轮A与不完全齿轮B同一个轴线共用一个角速度0.4/s，不完全齿轮A与上面的完全齿轮相连，构成一个控制灌装机灌装机构开关的构件。 不完全齿轮A的理论完全齿数为75，但可见实际齿数为36，则不完全齿轮A上方的齿轮是36个齿。 由于该齿轮系为定轴轮系。 则A=B=0.4/s 两圆锥齿轮传动比为1 功能作用仅为改变方向（4）凸轮的设计 在本方案中采用的凸轮的设计来使得压盖机构做往复运动，比较凸轮运动的各种轨迹曲线及优劣特点:1. 等速运动特点：速度有突变，加速度理论上由零至无穷大，从而使从动件产生巨大的惯性力，机构受到强烈冲击刚性冲击.适应场合：低速轻载.2. 等加速等减速运动特点：加速度曲线有突变，加速度的变化率(即跃度j)在这些位置为无穷大柔性冲击.适应场合：中速轻载.3. 简谐运动特点：有柔性冲击.适用场合：中速轻载(当从动件作连续运动时，可用于高速).4. 摆线运动特点：无刚性、柔性冲击.适用场合：适于高速.5. 五次多项式运动特点：无刚性冲击、柔性冲击.适用场合：高速、中载. 所以在本方案中设计采用五次多项式运动。 在这里利用计算机凸轮生成程序设计凸轮，本方案所需要的凸轮基本参数与图形如上图所示，偏距=0，基圆=45，推程角和回程角各为180但由于在本方案中凸轮处于一个空间放置的情况，所以在运动方案简图上表现为一个简单的情况。左图所表现的的是凸轮机构的侧视图，而上图则是主视图。凸轮的驱动利用一个固结在控制灌装开关的齿轮的上的连杆来驱动凸轮的运动，从而使得灌装与压盖机构同步运动把握好节拍。在本次设计中最关键的部分是把握好整个机构的节拍，在最后一部分会有详细的介绍。在这里的凸轮没有远休止角和近休止角，因为凸轮的休止角被整个凸轮的静止的所代替。也就是说凸轮的运动也是间歇性的，并不需要通过远休止角和近休止角来表现出压盖机构的间歇性，也不需要应用凸轮来让压盖机构保持静止。这些都已经通过不完全齿轮进行操作了。 用MATLAB绘制五次多项式运动曲线 （）升回程运动函数的子程序functiony=s(x)%申明从动件运行规律函数deg=pi/180; %转化为弧度制的参数h=30; %从动件行程if(x2*pi)error(InputRangeerror(02*pi);elseifx=0)y=h*(10*(x/(180*deg)3-15*(x/(180*deg)4+6*(x/(180*deg)5); 升程运动规律elseif(x=180*deg)y=h-h*(10*(x-180*deg)/(180*deg)3-15*(x-180*deg)/(180*deg)4+6*(x-180*deg)/(180*deg)5); 回程运动规律 endend（）绘制ds/d运动函数的子程序functiond=ds(x)%申明ds/d运行规律函数h=30; %凸轮行程deg=pi/180;if(x2*pi)error(InputRangeerror(02*pi);elseifx=0) d=h/(180*deg)*(30*(x/(180*deg)2-60*(x/(180*deg)3+30*(x/(180*deg)4); 对S求导 else if(x=180*deg)d=-h/(180*deg)*(30*(x-180*deg)/(180*deg)2-60*(x-180*deg)/(180*deg)3+30*(x-180*deg)/(180*deg)4); 对S求导 endend（3）绘制凸轮轮廓的主程序clear;i=1;r0=60;%基圆半径rr=4;%滚子圆半径e=0;%偏距eta=1;%凸轮顺时钉转向s0=(r02-e2)0.5;deg=pi/180;st=0.05*deg;%步长a=0;ifa2*pix(i)=(s(a)+s0)*sin(eta*a)-e*cos(eta*a)定义理论轮廓线的X座标y(i)=(s(a)+s0)*cos(eta*a)+e*sin(eta*a);定义理论轮廓线的Y座标dx=ds(a)*sin(eta*a)-eta*(s(a)+s0)*cos(eta*a)-e*eta*sin(eta*a);dy=ds(a)*cos(eta*a)+eta*(s(a)+s0)*sin(eta*a)-e*eta*cos(eta*a);sino=dx/(dx2+dy2)0.5;coso=dy/(dx2+dy2)0.5;X(i)=x(i)-rr*coso;