洗瓶机设计毕业论文

前言前言 机械原理课程设计能够培养机械类专业学生的创新能力，是学生综合应用机械原理课程所学 理论知识和技能解决问题，获得工程技术训练必不可少的实践性教学环节。本课程设计是参考裘 建新主编的机械原理课程设计指导书中的选题，选择设计的题目是洗瓶机。 洗瓶是食品行业包装工艺流程中不可缺少的一环，设计出合理、高效的洗瓶机是包装技术发 展的必然要求。洗瓶机的种类很多，目前国内市场上的洗瓶机有扭道式、箱式、滚筒式和立式等 多种，无论是何种洗瓶机大多采用了超声波清洗技术，利用超声波空化作用所产生的机械摩擦 力，以清除用一般洗瓶工艺难以清除的瓶内、外粘附较牢固的物质。但安瓿瓶、西林瓶、口服液 瓶对超声波的功率大小要求各不相同，瓶子的规格越大、壁越厚所需要的功率就越大，通常洗瓶 机超声波的功率在 900 W 左右，且大小可调。其中，扭道式洗瓶机产量低、速度较慢，以洗西林 瓶和口服液瓶为主，使用客户相对较少。以 B+S 公司的早期产品为原型的箱式洗瓶机在国内药厂 的应用也不多。目前国内市场以滚筒式洗瓶机和立式洗瓶机的应用最为广泛，且立式洗瓶机后来 居上，发展势头迅猛，已取代了滚筒式洗瓶机的传统地位，目前国内生产立式洗瓶机的代表厂家 有长沙楚天、上海远东、上海旭发、长沙正中等。在国际其中浸泡喷冲式洗瓶机因其清洗效果 好、自动化程度高、效率高，目前使用最为广泛。在洗瓶机的设计中，结构紧凑、清洗效果与除 标效果成为人们最为关注的要点。 洗瓶机是的常见机械，按照清洗的功能和能力有各式各样的种类。一个完整的洗瓶机包含送 料系统、清洗系统以及后续的加工包装系统。此次设计的洗瓶机，作为机械原理这一课程的实践 性课程设计，限于我们目前的知识水平和设计经验，我们仅仅是综合考虑了一些关键因素及设计 要求，应用所学的机械原理理论知识，初步的设计了简单的洗瓶机的主要机构。目的是通过设计 洗瓶机这一选题，进一步巩固所学的机械原理打得相关理论知识，将理论与实践相结合，作为一 种初步的实践性探索。 由于我们的设计经验尚不够丰富，错误及不足之处在所难免，敬请各位老师和同学批评指正。 键入文字键入文字塔里木大学课程设计 1 目录目录 前言前言1 目录目录2 1 1 设计任务书设计任务书3 1.1 设计题目3 1.2 设计任务3 1.3 设计要求3 1.3.1 工作原理 3 1.3.2 原始数据3 2 2 机械运动方案设计机械运动方案设计4 2.1 分析设计要求 4 2.2推瓶机构选择4 2.2.1 凸轮铰链四杆机构方案 4 2.2.2 五杆组合机构方案 5 2.2.3 曲柄摇杆机构 5 2.3 运动方案的比较和拟定 6 3 3 机械总体结构设计机械总体结构设计6 3.1 机械总体结构的设计6 3.2 机械工作循环图的编制 6 4 4 机械传动系统设计机械传动系统设计8 4.1 机械传动系统传动比的计算 8 4.2 机械传动系统机构的设计 9 5 5 执行机构和传动部件的结构设计执行机构和传动部件的结构设计9 5.1 计算分析 9 5.2 结构设计9 6 6 主要零部件的设计计算主要零部件的设计计算10 6.1 曲柄摇杆机构 10 6.2 传动机构 12 7 7 最终设计方案和机构简介最终设计方案和机构简介 13 8 8 小结小结15 9 9 致谢致谢16 1010 参考文献参考文献17 1111 附录一附录一18 1212 附录二附录二19 1313 附录三附录三20 键入文字键入文字塔里木大学课程设计 2 页码右对齐页码右对齐 1 1 设计任务书设计任务书 1.1 设计题目 图 1-1洗瓶机工作示意图 设计洗瓶机。如图 1-1 所示，待洗的瓶子放在两个同向转动的导辊上，导辊带动瓶子旋转。 当推头 M 把瓶子推向前进时，转动着的刷子就把瓶子外面洗净。当前一个瓶子将洗刷完毕时，后 一个待洗的瓶子已送入导辊待推。 洗瓶机的技术要求见表 1-1。 表表 1-11-1 洗瓶机的技术要求洗瓶机的技术要求（写自己的技术方案）（写自己的技术方案） 方案号 瓶子尺寸/（直 径长） /(mm,mm) 工作行程/(mm) 生产率/(个 /min) 急回系数 K 电动机转速 /(r/min) A100200600331440 B8018050043.21440 C6015042053.5960 D6018050053.51440 1.2 设计任务 1.洗瓶机应包括齿轮、平面连杆机构等常用机构或组合机构。 2.设计传动系统并确定其传动比分配。 3.画出机器的机构运动方案简图和运动循环图。 4.设计组合机构实现运动要求，并对从动杆进行运动分析。也可以设计平面连杆机构以实现 运动轨迹，并对平面连杆机构进行运动分析。绘出运动线图。 5.其他机构的设计计算。 6.编写设计计算说明书。 7.学生可进一步完成：洗瓶机推瓶机构的计算机动态演示等。 1.3 设计要求 1.3.1 工作原理 为了清洗瓶子，需将瓶子推入同向转动的导辊上，导辊带动瓶子旋转，推动瓶子沿导辊前 进，转动的刷子就将瓶子洗净。它的主要动作是将瓶子沿着导辊推动，瓶子推动过程中将瓶子旋 转以及将刷子转动。 1.3.2 原始数据 （1）瓶子尺寸：长度 L=180mm，直径 D=60mm。 键入文字键入文字塔里木大学课程设计 3 （2）推进距离 S=500mm，推瓶机构应使推移接近均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子， 然后推头快速返回原位，准备进入第二个工作循环。 （3）按生产率每分钟 5 个的要求，推程的平均速度 v=53.57mm/s，返回时的平均速度为工作 时的平均速度的 3.5 倍。 （4）电动机转速为 1440 r/min。 （5）急回系数 3.5。 2 2 机械运动方案设计机械运动方案设计 2.1 分析设计要求 洗瓶机主要由推瓶机构、导辊机构、转刷机构组成。设计的推瓶机构应使推头 M 以接近均匀 的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子，然后，推头快速返回原位，准备第二个工作循环。 根据设计要求，推头 M 可走图 2 所示轨迹，而且推头 M 在工作行程中应作匀速直线运动，在 工作段前后可有变速运动，回程时有急回。 工作行程 返回行程 图 2-1推头 M 运动轨迹 对这种运动要求，若用单一的常用机构是不容易实现的，通常要把若干个基本机构组合，起 来，设计组合机构。 在设计组合机构时，一般可首先考虑选择满足轨迹要求的机构（基础机构），而沿轨迹运动 时的速度要求，则通过改变基础机构主动件的运动速度来满足，也就是让它与一个输出变速度的 附加机构组合。 2.2推瓶机构选择 推瓶机构的方案：根据前述设计要求,推瓶机构应为一具有急回特性的机构,为了提高工作效 率,一是行程速比变化系数 K 尽量大一些;在推程(即工作行程)中,应使推头作直线运动,或者近似 直线运动,以保证工作的稳定性,这些运动要求并不一定都能得到满足,但是必须保证推瓶中推头的 运动轨迹至少为近似直线,以此保证安全性。 推头的运动要求主要是满足急回特性,能满足急回特性的机构主要有曲柄滑块机构,曲柄转动 导杆机构和曲柄摆动导杆机构。 运用前述设计的思想方法,再考虑到机构的急回特性和推头做往复直线运动的特点， 所以根 据要求，有如下方案(如下图所示) 2.2.1 凸轮铰链四杆机构方案 如图 3 所示，铰链四杆机构的连杆 2 上点 M 走近似于所要求的轨迹，M 点的速度由等速转动 的凸轮通过构件 3 的变速转动来控制。由于此方案的曲柄 1 是从动件，所以要注意度过死点的措 施。 把下页的文字提上来，不能留白把下页的文字提上来，不能留白 键入文字键入文字塔里木大学课程设计 4 图 2-2-1凸轮铰链四杆机构的方案 2.2.2 五杆组合机构方案 确定一条平面曲线需要两个独立变量。因此具有两自由度的连杆机构都具有精确再现给定平 面轨迹的特征。点 M 的速度和机构的急回特征，可通过控制该机构的两个输入构件间的运动关系 来得到，如用凸轮机构、齿轮或四连杆机构来控制等等。图 4 所示为两个自由度五杆低副机构， 1、4 为它们的两个输入构件，这两构件之间的运动关系用凸轮、齿轮或四连杆机构来实现，从而 将原来两自由度机构系统封闭成单自由度系统。 a)b) c)d) 图 2-2-2 五杆组合机构的方案 键入文字键入文字塔里木大学课程设计 5 2.2.3 曲柄摇杆机构 根据设计要求，一般可首先考虑满足轨迹要求的机构（基础机构），而沿轨迹运动时的速度 要求，则通过改变基础机构主动件的运动速度来满足要求，也就是让它与一个输出变速度的附加 机构组合。有如下方案： 图 2-2-3 曲柄摇杆机构方案 2.3 运动方案的比较和拟定 (1）凸轮铰链四杆机构方案： 分析该方案可知，原动件是凸轮，而曲柄作为从动件，有死点，必须设计有足够的措施冲过 死点。由于工作行程要求是直线或近似直线，所以杆长有一定的设计限制，为设计满足要求的急 回系数，还需设计合适的凸轮轮廓曲线。 （2）五杆组合机构方案 在五杆机构中，有两个输入构件，按照预定的轨迹要求和急回系数，设计杆长和基础构件的 轮廓曲线。设计的方法主要为解析法和图解法，前者精确但计算复杂，后者相对简单但有一定的 误差。总体难度较大。 （3）曲柄摇杆机构 该机构此机构有较好的急回运动特性，可达到题目要求的回程速度是推程速度的 3.5 倍。 可 设计出满足要求的机构运动方案。 综上所述，采用曲柄摇杆机构的方案显然较有优势，省去了设计凸轮轮廓曲线的繁杂。有较 强的可操作性。 3 3 机械总体结构设计机械总体结构设计 3.1 机械总体结构的设计 选用曲柄摇杆作为执行机构，利用给定的电动机，通过多级减速达到预定的速度传动。设计 了如下图 3-1 所示总体机械机构 如图 3-1 所示，整个机械系统的动力由一个转速为 1440r/min 的电机提供，经过带轮 1.2 的 一次减速传递到一对渐开线圆柱齿轮进行二次减速，然后根据不同的需要将速度分成两支：一支 直接传递给带动毛刷的齿轮，以带动毛刷转动，此速度相对于曲柄所需的转速显然大得多，另一 分支，因速度相对于曲柄所需的速度来说仍然较高，采用行星轮系再次减速，在传递给曲柄。但 是两导辊也需要动力，故而根据需要采用了一对相同的圆锥齿轮，将速度变向，其大小与曲柄的 转速相同。如此整个洗瓶机的整体结构设计方案便定下来了。 3.2 机械工作循环图的编制 根据设计要求，我们采用的是曲柄摇杆机构。曲柄作为原动件即输入构件，我们就以曲柄所 转过的角度为参照依据，设计其它构件的工作行程。根据设计要求，工作行程是 500mm,急回系数 是 3.5，两导辊匀速的转动，主要是负责翻转瓶子，上方的毛刷在整个清洗过程中是一直以一定的 速度运数转动的。根据急回系数，我们推算了带动推杆转动的曲柄的转角。在整个工作行程中， 键入文字键入文字塔里木大学课程设计 6 曲柄转角为 280，剩余的 80为回程时所转角度。综合考虑各执行构件的协调配合，设计了机 械的工作循环图如下： 图 3-2 机械工作循环图 导辊旋转 推杆匀速推进退回 曲柄转角090180270280360 12 3 4 56 8 9 10 7 11 行星轮系 导辊 毛刷 12 13 14 对图进行编辑 图 3-1 机械结构总体设计方案 1-1-2-2-3-3- 写清楚图中零件名称写清楚图中零件名称 把下页文字提上把下页文字提上 键入文字键入文字塔里木大学课程设计 7 4 4 机械传动系统设计机械传动系统设计 V R 80 W 104.9 图 4-1 机械传动系统设计机械传动系统设计？ 4.1 机械传动系统传动比的计算 根据急回系数及工作行程设计了如上图机构，分析其速度。设已知行程S，急回系数为K， 回程时间为t，生产率为n个每分则工作行程时间为3.5t，加工一个工件的平均速度为T， 60 T n ，(1)TKttKt ， 1 T t K 。推程速度 S V t ，而VRW，其中R为曲柄的 固定铰至行程中点的距离进而求出曲柄角速度W。又因为22 60 n Wf，所以曲柄转速 6030 2 WW n 。 根据以上分析计算得到参数如下表 4 的参数列表。 从带轮 1 传动到锥齿轮 8 的传动比 24 18 1 3 1440 4.88 ae r z ii rz ，其中 ae i为所设计的行星轮系的传动比， 1 r， 2 r，分别为带轮 1 和 2 的半径。 24 5 1 1 3 6 1440 80 r z r i rz r ， 3 z， 4 z分别为啮合齿轮 3,4 的齿数， 5 r， 6 r分别为带轮 5,6 的半径。 综合考虑，齿数分配如下： 24 18 1 3 1440 4.88 ae r z ii rz ，其中 ae i为渐开线齿轮行星传动比， 18 144030060 73.87295 4.8815030 i； 11318 ii ； 24 5 1 1 3 6 144030060180 18 801503040 r z r i rz r ； 不留白不留白 键入文字键入文字塔里木大学课程设计 8 表表 4-14-1 各参数列表各参数列表 项目值 电机转速（r/min)1440 推程位移(mm)500 生产率(个/min)5 平均每个耗时(s)12 急回系数 K3.5 推程用时(s)2.666666667 推程平均速度(mm/s)53.57142857 曲柄铰至中点距离(mm)104.9 曲柄转速(r/min)4.879208154 总传动比295.13 4.2 机械传动系统机构的设计 根据以上分析，设计了如下图所示的传动机构：从电动机传出的动力经过带轮 1、2 减速， 传给一对渐开线圆柱齿轮 3、4 第二次减速，从齿轮 4 传出的动力开始分支：一部分传给带轮 5、 6 进一步减速输送给毛刷传动齿轮，各毛刷的转速大小一致，另一部分由于速度仍然比较大，选 用 3K 型的 NGWN 型渐开线行星轮系进一步减速。最终速度减为所需速度，直接由 8 处的动力带动 曲柄摇杆机构的曲柄转动。并且，通过一对圆锥齿轮将速度变向，传递给两个导辊，其间的传动 比都为 1。如此，整个洗瓶机的传动机构设计便完成了。详见图 4-2 所示。 5 5 执行机构和传动部件的结构设计执行机构和传动部件的结构设计 5.1 计算分析 根据设计要求推进距离 S=500mm，推瓶机构应使推移接近均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱 离瓶子，然后推头快速返回原位，准备进入第二个工作循环。按生产率每分钟 5 个的要求，推程 的平均速度 v=53.57mm/s，返回时的平均速度为工作时的平均速度的 3.5 倍。 利用摇杆的急回特 性综合考略行程要求设计了如下执行机构。该机构主要有曲柄摇杆，和推头部分组成。当曲柄与 摇杆垂直时的两个极限位置之间推头走过的位移即为所需的行程，因为急回系数是 3.5,即回程的 的速度是工作行程时间的 3.5 倍。假设回程时间为t，则工作行程时间为3.5t，因为曲柄是匀速 转动的，时间t即等价于转角，只要3.5360，80即可满足要求。 5.2 结构设计 根据以上的设计计算分析，采用 AutoCAD2007 软件，行程为 500 和急回角为 80设计了如下图 5-2 所示的传动机构。 键入文字键入文字塔里木大学课程设计 9 12 3 4 5 8 9 7 11 毛刷 导辊1 导辊2 12 13 14 15 图 4-2 传动机构简图 1 1、毛刷在哪里，和岛、毛刷在哪里，和岛 2 2 辊位置关系错误辊位置关系错误 2 2、写出零件名称及相应编号、写出零件名称及相应编号 80 500 图 5 执行机构和传动部件结构设计 请给各杆编号，并给出原动件请给各杆编号，并给出原动件 在图上写出杆长在图上写出杆长 键入文字键入文字塔里木大学课程设计 10 6 6 主要零部件的设计计算主要零部件的设计计算 6.1 曲柄摇杆机构 根据以上设计，得到了曲柄的杆长为 80mm，截面尺寸如图 6-1-1 所示，厚度为 10mm，可以满 足需求。 R5 R7,5 80 10 15 6-1-1 曲柄尺寸 设计的摇杆杆长为 357.5mm，但是摇杆上套有滑块，由于整个洗瓶机构是循环往复的，若将 滑块设计成矩形截面，显然摩擦阻力较大，不利于长期循环工作。因此，我们设计了圆柱形的滑 块，详细尺寸见图 6-1-2 标注所示。另外，摇杆是绕着固定铰做转动的，在铰接处专门设计了矩 形截面，以适应所需的回转要求，详细尺寸见图 6-1-2 所示尺寸。 6-1-2 摇杆尺寸 设计所需的工作行程是 500mm，由于铰接及安装轴承、固定端等尺寸要求，设计的最终尺寸 为 620mm。但推杆是与摇杆上的滑块铰接在一起的，所以，此时推杆的截面设计成矩形，其尺寸 见图 6-1-3 所示。再设计推头，推头的材料以塑质橡胶为宜，采用半圆形形状。 620 R30 10 15 6-1-3 推杆尺寸 综上所述，最终确定的曲柄摇杆机构的各尺寸见表 6-1 表表 6-16-1 曲柄摇杆机构设计尺寸曲柄摇杆机构设计尺寸 零件长度（mm）厚度（mm）截面尺寸（mmmm） 曲柄80101510 摇杆387.5101510 键入文字键入文字塔里木大学课程设计 11 推杆620101510 6.2 传动机构 从电动机传出的动力首先经过带传动进行一次减速。如图 6-2-1 所示，主动轮 1 通过皮带带 动从动轮 2 从转动，传动比与它们各自的半径比值成正比。根据上述分析， 12 2 1 i，即只要满足 从动轮与主动轮的径比值为 2，综合考虑带轮 1 选用直径为 150mm,从动轮 2 的直径设计成 300mm。带型选用普通 V 带传动中的 Y 型。详细尺寸见下图 6-2-2 和表 6-2-1 n n o o 1 2 3 11 1主动轮，2从动轮，3皮带 图 6-2-1 带轮传动示意图 b b h p 图 6-2-2 普通 V 带基面尺寸 不留白不留白 键入文字键入文字塔里木大学课程设计 12 表表 6-2-16-2-1 普通普通 V V 带截面参数带截面参数 顶宽 b(mm)节宽 bp高度 h楔角单位长度质量 q（kg/m） 65.34 40 0.02 根据以上设计和分析，各齿轮的主要参数列表如下： 表表 6-2-26-2-2 各齿轮参数列表各齿轮参数列表 齿轮标号功能齿数（个）模数分度圆直径（mm） 3减速30260 4减速602120 8变向602120 9变向602120 10传递1701170 11传递1701170 12驱动导辊67.5167.5 13驱动两导辊齿轮67.5167.5 14驱动导辊67.5167.5 15驱动毛刷(5 个)502100 另外行星轮系中的各齿轮及对应主要参数，见图 6-2-3 和表 6-2-3： 该行星轮系为 3K 型的 NGWN 型行星轮系，H 为行星架，a,b,c,d,e 都为渐开线啮合齿轮 a b c d e H 图 6-2-3 行星轮系（图剪掉边框）（图剪掉边框） 表表 6-2-36-2-3 行星轮系各齿轮参数行星轮系各齿轮参数 齿轮abecd 齿数(个)1566632623 7 7 最终设计方案和机构简介最终设计方案和机构简介 键入文字键入文字塔里木大学课程设计 13 依题意，工件放在两导辊之间，其形位尺寸见图 7-1，其它各构件的安装尺寸详见附录所配 装配图。根据以上设计分析和计算，最终确定如下图 7-2 设计方案 图 7-1 导辊及工件的形位尺寸 12 3 4 56 7 8 9 10 11 1615 17 181920 12 13 14 图 7-2洗瓶机俯视图 1小皮带轮2大皮带轮3小啮合齿轮4大啮合齿轮5小皮带轮6大皮带轮 7NGWN 型行星轮系8锥齿轮9锥齿轮10锥齿轮同轴齿轮11导辊大主动齿轮 12导辊从动齿轮 113导辊小主动齿轮14导辊从动齿轮 215导辊 116导辊 2 17毛刷主动齿轮 18毛刷19曲柄摇杆机构安装位置20异步电动机 如图 7-2 所示，整个洗瓶机由一台异步电动机提供动力，经带轮 1、2 一次减速传递到齿轮 3、4 再次减速，从齿轮 4 传出的动力开始分支：一部分传给带轮 5、6 进一步减速输送给毛刷传 动齿轮，各毛刷的转速大小一致，另一部分由于速度仍然比较大，选用 3K 型的 NGWN 型渐开线行 星轮系进一步减速。最终速度减为所需速度，直接由 8 处的动力带动曲柄摇杆机构的曲柄转动。 键入文字键入文字塔里木大学课程设计 14 并且，通过一对圆锥齿轮将速度变向，传递给两个导辊，其间的传动比都为 1，即导辊的转速与 曲柄的转速相同。 小结小结 键入文字键入文字塔里木大学课程设计 15 该洗瓶机的设计方案是严格按照设计任务书的要求设计的。设计思路简单、清晰，能满足预 定的设计要求。 在任务书的编制过程中，我们严格按照选题要来制定任务书，因为好的任务书方能设计出好 的方案。只有严格要求，才能有所收获。在确定机构运动方案时，我们集思广益，提出了许多方 案，但我们坚信只有一个最优方案，那就是用最少的材料，最简单的原理完成任务要求。终于我 们确定了如上所述的设计方案。机构运动的方案既定，接着我们开始利用提供的物料设计传动系 统，传动系统中，理论上只要满足传动比即可满足要求，中间过程不必设计，但在现实的设计中 是不存在的。综合了经济和技术要求，我们设计的传动系统主要以简单的渐开线齿轮为主，以带 轮为辅助，在加以必要的锥齿轮，即达到了设计要求。执行机构的设计是整个设计的核心，它的 设计好坏直接关系到设计任务要求能否顺利完成。在这一机构的设计中，我们主要利用 AotouCAD 软件直接按照急回和行程要求进行计算机辅助设计，准确且迅速，完全能达到设计要求。在最后 的整体机械方案设计中，