毕业设计（论文）-灌装压盖机的传动系统的设计【全套图纸】.doc

湖南工业大学本科生毕业设计第1章 绪 论全套图纸，加1538937061.1国外灌装行业简介在饮料灌装机械设备方面，美国、德国、日本、意大利和英国的制造水平相对较高。一些设备呈现出新的发展方向。 多功能同一台设备，可进行茶饮料、咖啡饮料、豆乳饮料和果汁饮料等多种饮料的热灌装，且均可进行玻璃瓶与聚酯瓶的灌装。高速度、高产量碳酸饮料灌装机的灌装速度最高达2000灌分，德国HK、SEN公司、KRONFS公司，其灌装机的灌装阀分别达到165头、144头、178头。非碳酸饮料灌装机的灌装阀有50100头，灌装速度最高达1500罐分。 技术含量高、可靠性高全线的自控水平高和全线效率高。在线检测装置和计量装配合完备，能自动检测各项参数、计量精确。集机、电、气、光、磁为一体的高新技术产品不断涌现。1.2国内灌装行业简介自从建国以后，我国陆续建立了一些灌装设备生产厂。但这个时期，主要是一些小型设备，技术比较落后。上世纪60年代末期，个别专家、学者通过考察从德国带回了饮料灌装生产线技术，并在国内试制成功。该技术后被某企业购买，并迅速制成产品，投放市场，可称为我国第一代具备现代意义的饮料灌装技术。80年代初，国家开始积极引进国外先进灌装技术。先后从德国引进饮料灌装、啤酒灌装等技术。灌装技术当时主要掌握在少数国有企业手中，整个市场也基本呈现卖方市场的特点。随着改革开放的推进，一批中小企业对市场经济表现出无所适从，企业遇到较大困难。一些原来从事机床、农机制造的企业就转到灌装设备的开发制造上。另外，啤酒饮料灌装机械行业市场空间巨大，一些私营企业开始看好这一行业，也加入啤酒饮料灌装设备的生产行列。从业厂商逐渐增多，市场逐步由卖方市场向买方市场转变。我国灌装机械制造行业缺乏知识产权意识。一是表现为对自主研发的新技术、新产品缺乏专利权保护意识；一是表现为肆意仿造抄袭他人产品技术。很多时候，某个企业千辛万苦开发出新产品，并不是先申请知识产权保护，而是急急忙忙投放市场，回收资金。投放市场不久，很快就有仿制的设备出现，在短时间内市场上就变化出很多的版本，令用户难辨真伪。开发者遭受巨大损失，想追究其他仿制厂家的责任，也由于没有申请知识产权保护最终只好不了了之。在这种情况下，一些坚持自主开发的企业也步入抄袭的行列，整个行业就演变成互相抄袭的混乱局面。我国灌装机械制造行业主要是通过技术引进和测绘、仿制国外设备发展起来的。几十年来，一直重复着这样一个过程：落后-引进-仿制-落后。目前，具备自主研发能力的企业寥寥无几，而真正掌握具备国际先进水平的自主知识产权核心技术的更是凤毛麟角。造成这种现象的根本原因不在于是否应该引进技术、是否应该仿制，而是在于如何正确地看待技术研发。我国灌装机械制造行业有待建立科学技术是核心竞争力的发展观念，不在乎今天能够赚取多少利润，而应该在乎如何能更好地满足用户。当把满足用户需求放在第一位，用户自然会慢慢变多，企业自然会慢慢变大、变强。我国灌装机械制造行业应紧紧把握市场的需求，积极研发适应市场需求的技术和产品，打造自己的核心竞争力。第2章 灌装压盖机的工艺方案分析2.1工艺方案分析产品工艺是设计机械设备的依据,而所设计的设备,则是实现产品工艺过程机械化、自动化的工具，两者是相互依存的。机械是根据工艺过程提出的动作要求来进行设计的，所以总体设计的开始阶段就是要选择工艺方法和动作，指定工艺过程。在该阶段中，应对所设计的机器的需求情况作出充分的调查研究和分析，该分析应在环境、经济、加工以及时限等各方面因素的约束下进行，由此为基础提出合理的机器方案。根据传动系统运动性能、结构特点和具体工作目的等进行分析，以此来确定合理的传动系统方案。可以通过以下几方面进行分析，逐步获得具体方案。（1） 机械传动特性由于我们的机器要实现,灌装、压盖和拧盖三大重要工序，且我们拟定采用同一台电机带动，因此我们必须要求执行机构间协调运动，即各个执行机构之间必须有固定的传动比，链传动、带传动、齿轮传动能够满足此要求，但是想比较而言齿轮传动具有较好的可靠性和平稳性，同时还具备较好的空间优势。因此我们采用齿轮传动。（2） 机器具体工作方式本灌装压盖机拟采用间歇式工作方式，常见的间歇机构有棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构和凸轮机构。相比较之下，前三者的结构、运动和动力条件都有一定限制，一般只能用于低速场合。而凸轮式间歇机构则可以合理的选择转盘的运动规律，使得机构传动平稳，动力特性较好，冲击振动较小，而且转盘转位精确，不需要专门的定位装置，因而可用于高速转位（分度）机构中。同时凸轮还具有噪音小，装配简单等优点，因此 凸轮机构在自动化、半自动化食品和包装机械中应用极为广泛。综上所述我们选用凸轮式间歇机构。另外凸轮间歇机构还有以下特点:1) 结构简单： 主要由立体凸轮和分度盘两部分组成。2) 动作准确： 无论在分度区，还是静止区，都有准确的定位。完全不需要其它锁紧元 件。可实现任意确定的动静比和分割数。3) 传动平稳： 立体凸轮曲线的运动特性好，传动是光滑连续的，振动小，噪声低。4) 输出分度精度高： 分割器的输出精度一般 50。高者可达 30。5) 高速性能好： 间歇机构立体凸轮和分割轮属无间隙啮合传动，冲击振动小，可实现高速，达 900r/min.6) 寿命长： 分割器标准使用寿命为 12000 小时。（3） 机器工作程序、传动路线的分析该灌装压盖机，将采用旋转常压灌装，其工作程序应为：进瓶分度灌装压盖旋盖出瓶。其传动路线：电机减速器齿轮传动回转工作塔转动灌装头升降旋盖头升降和自旋运动伺服电机出瓶带轮转动。2.2 灌装压盖机的总体方案确定通过分析计算，设计出一套合理的灌装压盖机传动系统，使其能满足各个企业的要求。2.2.1 制造成本低目前我国国内生产灌装设备的最大生产能力为1.5万瓶/h,而我国目前最大生产饮用水的厂家引进的国外设备的生产能力则达3.6万瓶/h,可见我国在灌装方面还远远落后于国外同行。在国内我国各饮料产品行业中很大部分是中型或者小型企业，对于这些企业要提高竞争力和生产率必须依靠设备的提高来获得，为了适应这些企业的购买能力，低制造成本的机械必得会受到欢迎。同时，灌装机在日常生产中使用较为频繁，设备的损耗必定比较高，低制造成本的机械在设备的维护的时候费用也相对要低。这类型的灌装机在这种中、小型企业中将会比较受欢迎，有利于促进饮料行业的自动化生产，促进我国饮料行业的发展。 2.2.2 结构紧凑，占用空间小由于大部分的中，小型企业因为企业原因，厂房可能会相对较小，因此为了适应该情况，本传动系统应该在不影响原有功能的情况下，在结构上要尽量设计得紧凑，减小其总体的体积，从而减小整台机器的占地面积。这样以来可以增大企业的有效工作空间，提高企业的效益。2.2.3 有较高的机械效率传动系统的机械效率主要取决于组成机械的各基本机构的效率和它们之间的联接方式。因此，当机械中含有效率较低的机构时，如蜗轮蜗杆传动装置，这将降低机械的总效率。在机械传动中的大部分功率是由主传动所传递，应力求使其具有较高的传动效率；而辅助传动链，如进给传动链、分度传动链、调速换向传动链等所传递的功率很小，其传动效率的高低对整个机械的效率影响较小。对辅助传动链主要着眼于简化机构、减小外部尺寸、力求操作方便、安全可靠等要求。设计机械的传动系统和执行机构，必须充分重视机构的安全运转，防止发生人身事故或损坏机械构件的现象出现。一般在传动系统或执行机构中设有安全装置、防过载装置、自动停机等装置。例如本机的灌装部分必须防止在无液作用下发生空转，造成起产品的材料的浪费或灌装不合格后果，所以在传动链中应设置具有足够自锁能力的机构或有效的制动器。又如为防止机械因短时过载而损坏，可采用具有过载打滑的摩擦传动装置或设置安全联轴器和其他安全过载装置。在某些机械中各执行构件的运动是彼此独立的，所以在设计传动系统和执行机构时，不必考虑它们之间运动的协调。例如起重机的吊钩的起落、吊杆的摆动是各自独立的，并不存在协调配合的问题，将其设计成各自独立的运动链，而且可以采用不同的动力机，在另外一些机构中各执行构件间必须保持严格的协调配合，保持准确的传动比关系和动作的协调，否则无法完成生产工艺要求。例如齿轮加工机床按范成法切制齿轮时，刀具和轮坯的范成运动必须保持某一恒定的传动比，这样才能保证切制出所要求的齿数。又如在车床上车制螺纹时，必须保证主轴带动工件的转动速度和刀架上刀具的走刀速度按一定的速度比运转，否则难以车制出工艺所要求的螺纹。为保证这些执行机构和执行构件之间有严格传动比，而且能协调动作，应将相互有关的运动链同用一个动力机驱动。2.3 工作原理2.3.1灌装工作原理 液体灌装机按灌装原理可分为常压灌装机、压力灌装机和真空灌装机。 常压灌装机是在大气压力下靠液体自重进行灌装。这类灌装机又分为定时灌装和定容灌装两种，只适用于灌装低粘度不含气体的液体如牛奶、葡萄酒等。 压力灌装机是在高于大气压力下进行灌装，也可分为两种：一种是贮液缸内的压力与瓶中的压力相等，靠液体自重流入瓶中而灌装，称为等压灌装；另一种是贮液缸内的压力高于瓶中的压力，液体靠压差流入瓶内，高速生产线多采用这种方法。压力灌装机适用于含气体的液体灌装，如啤酒、汽水、香槟酒等。 真空灌装机是在瓶中的压力低于大气压力下进行灌装。这种灌装机结构简单，效率较高，对物料的粘度适应范围较广，如油类、糖浆、果酒等均可适用。本机械的的灌装产品为低粘度不含气体,因此我们选择常压灌装。如图3.4空瓶由拨瓶轮送入到灌装头下方，灌装注射活塞3在曲柄滑快的带动下将从储液箱吸进的液料注入暂时储液杯1中,同时暂时储液杯1也曲柄滑快的带动下将,当下降到最底点时候,瓶口触动灌装开关2,开始灌装,灌装完成后，灌装头和灌装注射活塞3在曲柄滑快的作用下上升，同时装注射活塞3从储液箱吸进的液料，与此同时瓶由星形拨轮拨出，送至压盖工位，即完成一个灌装过程。 (a)灌装前 (b)灌装1.暂时储液杯 2.灌装开关 3.灌装注射活塞图3.4灌装原理示意图2.3.2 传动系统工作原理 本传动系统的传动路线为: 电机减速器回转工作塔转动灌装头升降旋盖头升降和自旋运动伺服电机出瓶传送带转动驱动机构电机输送出动力以后经过变速机构减速器调速合理后，传递到回转塔即星形拨轮，当星形拨轮将空瓶输送到灌装工位时候，灌装头在我们设计好的运动规律的曲柄滑块带动下，下降进行灌装，灌装完毕后回转塔将灌装好的瓶继续输送到压盖与旋盖工位，压盖与旋盖的升降是用凸轮来带动，压盖完毕后瓶由出瓶带轮输送出。2.4 主要设计参数 生产能力：40-200瓶/分灌装头升降行程：160 mm压盖头、旋盖头的最大行程：60 mm 第3章 灌装压盖机传动系统的总体方案设计3.1 总体布局机器的有关零部件在整机中相对空间位置的合理配置，叫做总体布局。对于此传动系统的总体布局的，则是根据灌装工艺路线图安排凸轮、齿轮、曲柄等原动件的位置，布置过程中应注意以下2点：（1） 尽量减少机构的构件数（2） 简化传动系统3.2布置传动系统的准则（1）尽可能采用简短的运动链 拟定机械的传动系统或执行机构时，尽可能采用简单、紧凑的运动链。因为运动链越简短，组成传动系统或执行机构所使用的机构和构件数目越少，这不仅降低制造费用、减小体积和重量，而且使机械的传动效率相对提高。由于减少传动环节，使传动中的积累误差也随之减小，结果将提高机械的传动精度和工作准确性。（2）有合理传动顺序安排机械的传动系统和执行机构一般均由若干基本机构和组合机构组成，它们的结构特点和传动作用各不相同，应按一定规律合理的安排传动顺序。一般将减速机安排在运动链的起始端，尽量靠近动力机，例如采用带有减速装置的电动机；将变换运动形式的机械安排在运动链的末端，使其与执行构件靠近，如将凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等靠近执行构件布置；将带传动类型的摩擦传动安排在运动链中的转速高的起始端，以减小传递的转矩、降低打滑的可能性。在传递同样转矩的条件下，与其他传动形式比较摩擦传动机构尺寸比较大，为了减小其外部尺寸应将其布置在运动链的起始端。传动链中采用圆锥齿轮时，应考虑到圆锥齿轮制造较困难，造价高，避免用大尺寸的圆锥齿轮，而采用较小的圆锥齿轮也应布置在运动链中转速较高的位置。上述顺序安排只是一般性的考虑，具体安排时需要同时考虑的因素较多，如充分利用空间、降低传动噪音和振动，以及装配维修的方便等，相关的各因素都要权衡利弊给予适当的考虑。（3）合理分配传动比运动链的总传动比应合理地分配到各级传动机构，既充分利用各种传动机构的优点，又能利于尺寸控制得到结构紧凑的机械。每一级传动机构的传动比应控制在其常用的范围内。如果某一级传动比过大，则对其性能和尺寸都将有不利的影响。所以当齿轮传动比大于810时，一般应设计为两级传动；当传动比在30以上时，常设计两级以上的齿轮传动。但是对于传动来说，由于外部尺寸较大实际很少采用多级带传动。电动机的转速一般都超过执行构件所需要的转速，而需要采用减速传动系统。这时，对于减速运动链应按照“前小后大”的原则分配传动比，而且相邻两级传动比的差值不要相差太大。设有K级减速传动，其各级传动比为i1、i2、iK，取值应符合i1i2iK的顺序，相邻两级差不得过大。安排这种逐级减速的运动链，可使各级中间轴有较高的转速及较小的转矩，因此可选用尺寸较小的轴径和轴承，油封等零件。3.3 传动系统方案的拟定包装机械传动系统主要是将运动按要求分配和传递到各个工作执行件上,依据工作执行件的树木和他们对传动要求制定传动方案。因此我们必须先经确灌装压盖机的工序流程。在前面我们已经确定其流程为：进瓶分度灌装压盖旋盖出瓶，由此来确定其传动系统的具体形式。(1) 进瓶与出瓶，为间歇运传的输送带形式，由同一台伺服电机带动，其速度值可以调动，以满足生产率的要求。采用伺服电机的主要优点: 1) 自动调整 高性能的实时自动调整增益。根据负载惯重的变化，与自适应滤波器配合，从低刚性到高刚性都可以自动调整增益。因旋转方向不同而产生不同负载转矩的垂直轴情况下，也可以自动进行调整。具备异常速度检测功能，因此可以将增益调整过程中产生的异常速度调整到正常。通过显示面板操作，可以在监控实时调整情况的同时，进行设置和确认6。2) 高速高响应速度响应频率最高达1KHz。内置有瞬时速度观测器，可以高速、高分辩率地测出电机的转速。高性能的机械适应性。无论是易产生共振的传送带驱动机械，还是高刚性的丝杆传动机械，都可以高性能的自动调整功能来实现高速定位。3) 低振动自适应滤波器。内置自适应滤波器，可以根据机械共振频率不同而自动地调整陷波滤波器的频率。可以控制由于机械不稳定以及共振频率变化而发生的噪音。两个陷波滤波器。内置了不同于自适应滤波器的两个独立通道的滤波器。两个陷波滤波器可以以1Hz为单位、分别设置陷波的频率和幅度。内置了两个通道的振动抑制滤波器，可以抑制刚性较低的机械在启动和停止时产生的振动。两个通道的振动频率，可以根据旋转方向的不同而自动地切换；或者也可以分别对应于由于外部输入信号切换而产生的机械位置变化而导致的振动频率。即使设置的振动频率和滤波器的数值不确切，也不会导致不稳定状况(2) 分度，在旋转式灌装机中分度是灌装的准备工作，拟定凸轮间歇式机构连接星形拨轮。该凸轮间歇机构实际上是摆动从动件圆柱凸轮机构，其转盘相当于许许多多的摆动从动件，摆杆长度为滚子中心的半径，最大摆角为。该机构在不改变凸轮转速的情况下，只要改变曲线槽所对应的角度，就可以改变转盘的转动和静止时间，同时可根据转盘的实际工作要求来合理的选择转盘的运动规律。其结构如图2.1所示，其中(a)为结构剖视图，(b)为圆柱凸轮的外形图 (a) (b)图3.1 凸轮间歇式机构(3) 灌装，本台机器采用常压灌装方式，采用灌装头升降的灌装方式，我们拟订用曲柄滑块机构来控制灌装头的升降。图3.2曲柄滑块机构(4) 压盖与旋盖，这两工序为同步进行，依次我们拟定用同一个凸轮来控盖头与旋盖头的升降。本机采用灌装与压旋盖不同步的工作方式，因此，为保证系统的协调性好必须选用合理的传动比，本机采用压盖头与旋盖头各一个，四个灌装头的组成方式，因此必须选用传动比为4：1的齿轮组合。3.4 绘制传动系统的总体布局图图3.3 灌装压盖机传动系统的传动布局及传动速率简图 图3.4灌装压盖机传动系统的传动布局第4章 灌装压盖机传动系统各零部件的设计 具体的来讲该机械有两个传动系统，一个是住传动系统，主要是完成灌装，分度，压盖，旋盖四个工序，另外一个是用于完成进瓶，出瓶的输送带传动系统。4.1 主传动系统的设计4.1.1 动力机的选择及设计动力机的选择必须遵从以下几点要求：（1）动力机必须要适应工作机械的负载特性和要求；（2）动力机本身要适应工作环境的要求；（3）动力机在达到工作要求的情况下应尽量降低经济成本；（4）尽量降低动力机的环境污染等问题。现代机械中应用的动力机类型规格繁多，除了热机(蒸汽机、内燃机)主要应用于经常变换工作场所的机械设备和运输车辆外，用于一般机械上的动力机为电机、液动机和气动机。 电动机尤其是交流异步电动机，其结构简单，价格低廉，动力源方便，在机械中应用广泛，但它的转速只有固定的几种，而且调速不便。对调速平滑程度要求不高，调速比不大者可采用绕线型异步电动机。当调速范围较大，且需连续稳定平滑调速时可采用直流电动机。选择电动机首先满足所需要的功率，在其胜任负载要求的条件下，还应考虑电动机发热、允许过载能力和起动能力等；其次电动机类型的选择，还应考虑机械的负载特性、工作平稳性、冲击程度、调速范围和起动、制动的频繁程度；最后拟定电动机额定转速，必须和机械的传动装置的传动比相匹配，一般额定功率相同电动机，额定转速越高，则电动机尺寸越小，重量、价格也越低7。液动机有输出旋转运动的液压马达和输出直线运动的液压油缸。液动机一般调速方便，易于现速度和运动方向的控制，应用它往往可以使传动链简短，并能直接驱动执行构件，但需要配备液压站。 在气源比较方便的地方，只要求实现简单的运动变换，如只要求从动件作位置移动，并不十分苛求运动规律时应用气缸是很方便的，但动作过程中常伴有噪音。依据以上几点要求，本机采用电动机作为原动机。该电动机的选择主要参数是：生产能力：40200瓶 根据我们的设计在该机正常工作的时候,主轴旋转一周可以完成一瓶的生产,因此我们可以初步确定,经过减速器减速后的转速是40200转/分,即要求最高转速为200转/分, 取二级圆柱齿轮减速器的传动比i=850, 故电动机转速的可选范围为： n=（850）200=160010000r/min （4.1）符合这范围的电动机同步转速只有3000r/min，现以同步转速3000r/min常用转速的电动机进行分析比较（查表） 根据以上参数与实习观察通过比较，本机的电动机参数确定如下：功率K=5.5kw，转速v=2900r/min，电压U=380v，工作电流I=14.5A，频率f=50HZ标准：Y 132s12 重量=64kg同时我们也可以确定二级圆柱齿轮减速器的传动比，i= n电机/n主轴=2900/200=14.5为便于选用标准件，取其值为i=14.4.1.2 减速器的选择在机械传动中机械变速是通过改变机械传动比来实现有级或无级传动，它具有运行可靠、易检修、单位功率体积小、质量轻的优点，并具有规格及形式多的优点。简易变速方式通常包括：减速器，交换齿轮，宝塔轮等几种。我们选择最常用的减速器作为该机的见素装置14。减速器：又称减速机、减速箱。是一台独立的传动装置。普通减速器的类型很多，一般可分为：圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、蜗杆减速器、齿轮蜗轮减速器等。按照减速器的级数不同，又分为单级（其传动比i8）、两级（其传动比8i50）和三级其传动比50i500）减速器。（1）圆柱齿轮减速器：传动件是圆柱齿轮，只用于平行轴间的传动。特点是：结构简单、传递功率大、效率高。一般来说，单级减速器的传动比 i8，其传动简图如。当传动比较大时，大齿轮比小齿轮大得许多。这时，用两级减速比单级减速可得到更合理更紧凑的结构。图4.1 圆柱齿轮减速器（2）圆锥齿轮减速器：如图所示，用于输入轴与输出轴相交、传递功率不大和速度不高的场合。图4.2 圆锥齿轮减速器（3）蜗杆减速器：在图中表示出了蜗杆减速器，它用于输入轴与输出轴需要在空间正交（垂直交错）的场合。它的传动比比较大，外廓尺寸比较小，工作平稳，噪声小，但其效率较低。单级蜗杆减速器有蜗杆下置式、蜗杆上置式两种。下置式适用于蜗杆圆周速度较小（v4m/s）的场合，有利于啮合处的润滑与冷却；当蜗杆圆周速度较大时，应采用蜗杆上置式，以减少搅油损耗。图4.3 蜗杆减速器（4）齿轮蜗轮减速器：蜗杆-齿轮减速器或齿轮-蜗杆减速器主要用于传动比要求较大的情况下。如图所示，图4.4 齿轮蜗轮减速器通过上述分析，本机选用二级圆柱齿轮减速器，要求其传动比：i=14。经查机械手册得其型号为：ZLY 560-14-14.1.3 凸轮的设计凸轮从动件的主要形式有：尖底直动推杆、滚子推杆、平底推杆、摆动推杆。该机选择滚子推杆，该类型的从动件具有耐磨损能力强，承受载荷能力较大，适应范围比较广。另外从动件的布置有偏置的对心两种，当偏置时，凸轮回转中心点至过接触点从动件导路之间的距离称为偏置距离，其参数符号为e。当从动件为对心布置的时e=0，这样有利于我们的计算。（1）从动件的运动分析该凸轮在本机中的从动件是压盖和旋盖头。其工作工序为：上升停下降压盖和旋盖，对应凸轮的运动为:上升停降停 其中，上升过程的运动是先匀加速，再匀减速，下降过程也是一样如图4.7所示。图4.7凸轮从动件上升运动规律（2）凸轮设计的主要参数的确定凸轮设计的主要参数为行程：h(最大位移)推程运动角：t=BOB=AOB1远休止角：S=BOC=B1OC1回程运动角：h=C1OD 近休止角：S=AOD如图4.8所示图4.8凸轮设计参数示意图根据我们的设计可知该凸轮的最高转速为200r/min,即凸轮没转一周最少需要0.3秒，压盖和旋盖时间为0.2秒，根据该参数可以确定S上升和下降分别用时0.045秒，因此可以确定推程运动角和回程运动角最后可以确定出远休止角,（3）凸轮基圆半径的确定 （4.4）根据式（4.4）可知，基圆半径愈小，压力角愈大；反之，压力角则愈小。因此，在选取基圆半径时应注意： 1）滚子从动件凸轮机构，在保证和从动件运动不失真的前提下，可将基圆半径取小些，满足对机构结构紧凑的要求。2）在结构空间允许条件下，可适当将基圆半径取大些，以利于改善机构的传力性能，减少磨损和减少凸轮廓线的制造误差。 根据以上分析以及实习所得我们确定为凸轮基圆半径r0 =50 mm在前面我们已知偏置圆半径e=0同时我们根据实习的同类机型作为参考确定h=60mm。 另外该凸轮是匀速回转,其角速度为/秒从动件的在上升时候的运动是先等加速再等减速运动，如图4.7所示由以上分析可得： （4.5）在这里t为推程运动时间为0.045秒，S为推程距离h=60mm=0.06m，带入式（4.4）中得=2.7 m/s通过上述分析易得： （4.6）此时t为半个推程运动时间为0.0225秒，由此可以得到=120 m/s2简化得: （4.7） 偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构，偏距e、基圆半径r0和从动件运动规律s= f (t)均已给定。以凸轮回转中心为原点、从动件推程运动方向为x轴正向建立右手直角坐标系,如图4.9所示。对于我们设计的凸轮，为是的我们的计算方便，我们将x轴建于与推程运动角t起始直线重合2。图4.9凸轮计算示意图其坐标为: （4.8）式（4.8）即为凸轮理论轮廓曲线的直角坐标参数方程。其中: ， e=0，r0 =50 mm,所以s0= r0 =50 mm=0.05m,因为该凸轮的角速度为/ s,所以 0t0.045s将S、s0、e、代入式（4.6），可以简化为 0t0.045s. （4.9）将式（4.7）和式（4.9）联立即得到该凸轮的推程运动轮廓线方程。以此可以得到推程运动轮廓线，我们设计的该凸轮的推程和回程具有相同的运动规律，因此我们同理可以得到回程运动轮廓线。又因为远休止区是半径为110 mm，角度为的圆弧，近休止区是半径为50mm，角度为的圆弧。四段曲线构造出完整的凸轮轮廓曲线。（4）凸轮的结构设计因凸轮的工作轮廓已经确定，所以凸轮的结构设计主要是确定曲线轮廓的轴向厚度和凸轮与传动轴的联接方式。当工作载荷较小时，曲线轮廓的轴向厚度一般取为轮廓曲线最大矢径的1/101/5；对于受力较大的重要场合，需按凸轮轮廓面与从动件间的接触强度进行设计7。 在确定凸轮与传动轴的联接方式时，应综合考虑凸轮的装拆、调整和固定等 问题。对于执行机构较多的设备，其各执行构件之间的运动协调性通常由运动循环图确定，因此在装配凸轮机构时，凸轮轮廓曲线起始点（推程开始点）的相对位置需按运动循环图进行调整，以保证各执行构件能按预定程序协调动作13。为此，在结构设计上要求凸轮能相对于传动轴沿圆周方向进行转动，并可靠地加以固定。最简便的方法是采用紧定螺钉固定凸轮，或用紧定螺钉预固定，待调整好后再用销子固定。(如图4.10) 图4.10凸轮结构（5）凸轮机构的材料 凸轮机构工作时，往往承受动载荷的作用，同时凸轮表面承受强烈磨损。因此，要求凸轮和滚子的工作表面硬度高，具有良好的耐磨性，心部有良好的韧性。当低速、轻载时，可以选用铸铁作为凸轮的材料。中速、中载时可以选用优质碳素结构钢、合金钢作为凸轮的材料,并经表面淬火或滲碳淬火，使硬度达到。高速、重载凸轮可以用优质合金钢材料，并经表面淬火或滲氮处理。我们设计的该凸轮的工作环境属于高速、轻载的情况，因此我们选择45号钢作为其加工材料。4.1.4 曲柄滑块的设计曲柄连杆机构平面四连杆机构在机械行业中应用比较广一种机构,它将圆周运动转化为往复运动。曲柄连杆机构的主要结构参数为曲柄半径r和连杆长度L，其比值=r/L简称曲柄连杆比。值越大，连杆越短，机构紧凑，但气升降轴侧向力也越大：反之，值减小，连杆长度增大，压缩机高度(立式)或长度(卧式)也相应增大。当L=(无连杆)，=0时，则演变为正弦机构(Scotch yoke). 此时连杆由滑槽代替，其轴线与控制灌装的升降轴中心线重合，升降轴行程S=2r。当曲轴转动时，与曲柄销配合的滑块一方面在框架内上下滑动，另一方面推动滑槽带着与之固连的曲柄左右移动(卧式)或上下移动(立式)，其移动速度和加速度为一阶简谐运动5。 图4.11正弦机构正弦机构设计参数的确定：曲柄滑块机构来控制灌装头的升降，我们根据设计参数所得灌装头的升降距离为160 mm，即升降轴行程S=2r=160 mm因此曲柄长度l=r=50 mm。我们确定滑块长60 mm宽45 mm。根据我们确定曲柄和滑块的滑槽长度应不小于220 mm，我们取滑槽长度为230 mm。4.1.5齿轮的设计齿轮传动是机械传动中常用的传动形式，具有效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比稳定等优点，本机的传动机构就是采用该传动形式。齿轮的设计应注意以下几个方面：齿面的折断，磨损，变形等。为了让齿轮的寿命延长，在齿轮制造的时候应选用合适的材料，其中常用的材料有：锻钢、铸钢、铸铁和各种非金属材料；本机采用45号钢。（1）齿轮的参数设计要设计的齿轮传动系统共有2个齿轮， Z1Z2(见布局图3.3)，齿轮齿数的确定: 我们已初步确定小齿轮的转速为40200转/分,属于高速旋转,因此我们选小齿轮 可得 同时根据设计原则要求Z1Z2要互为质数,因此我们取z2=101,最终得到Z1=25,Z2=101. （2）齿轮尺寸的确定我们通过查工具书,取两齿轮的模数m2,因此小齿轮的分度圆直径d1=m z1=225=50mm，同理得到大齿轮的分度圆直径d2=202 mm, 取齿宽b160mm,b2=55mm，取压力角20。由前面所述设计资料可知：主轴转速40200转/分，电动机功率K=5.5kw,转速v=2900r/min，二级齿轮减速器的传动比i14.5，变速器改变速度量为25倍，压力角20，齿数确定为Z1 =25，Z2=101，并结合标准直齿圆柱齿轮几何尺寸计算公式：表4.1齿轮参数计算公式表参数名称计算公式分度圆直径dmz齿顶高hah*am齿根高hf（h*a+c*）m齿全高hhfha齿顶圆直径da(z+2h*a)m齿根圆直径df(z-2h*a-2c*)基圆直径dbdcos标准中心距am(Z0+ Z1)节圆直径dd齿厚sm/2注：表中h*a为齿顶高系数，c*为顶隙系数；对于h*a和c* GB1356-88规定其标准值为h*a 1 c* =0.25 代入各参数，可以设计出各齿轮参数（cos200.94），如表4.2表4.2齿轮具体参数表 零件名称参数名称及代号齿轮Z1齿轮Z2模数m22压力角2020齿数z25101齿顶高ha2mm2mm齿根高hf2.5mm2.5mm齿厚s3.14mm3.14mm分度圆直径d50mm202mm齿顶圆直径da54mm206mm齿根圆直径df45mm197mm基圆直径db47mm189.88mm4.1.6凸轮间歇机构的设计（1）圆柱销数Z的选取以及螺旋角 一般视工艺要求确定Z，但过少会产生凸轮与圆柱销的干涉因此Z不应少于5，在该设计中我们参考实习机型的参数，取Z=15，凸轮沟槽中螺旋角=我们已知的设计参数有，圆柱销的半径为 =20 mm，凸轮直线轮廓厚度为=30 mm因为圆柱销的个数为Z=15即有15 个分度间距，动程角2=2/15下图所示即为圆柱凸轮间歇运动机构的平面展开图。为了实现可靠定位，在停歇阶段从动盘上相邻两个柱销必须同时贴在凸轮直线轮廓的两侧。为此，凸轮轮廓上直线段的宽度，应等于相邻两柱销表面之间的最短距离，即有 （4.10）图4.12 凸轮间歇机构式（4.8）中R2为从动盘上柱销中心圆半径；为动程角之半，即=/15；d为柱销直径；z为从动盘的柱销数。整理式（4.10）得： （4.11）将数值代入式（4-9）得R2=168.3圆柱体上凸轮曲线的升程h应等于从动盘上相邻两柱销间的弦线距离，即=50mm（2）凸轮廓面方程的推导1) 坐标系的建立 建立的圆柱分度凸轮坐标系（图4.13） 如下。O1 - x1y1z1：凸轮系统的定坐标系，z1 轴与凸轮轴线重合；O2 - x2y2z2，从动盘系统的定坐标系，O2点在x1 O1y1 平面上，x2 轴与从动盘轴线重合，y2轴与凸轮轴线空间垂直，y1与y2 轴平行；Oc - xcyczc：固接在凸轮上的动坐标系，Oc点与O1点重合，在t=0 时刻，该坐标系与O1-x1y1z1重合Of -xfyfzf：固接在从动盘上的动坐标系，Of 与O2点重合，xf 轴与分度盘轴线重合。Dcw凸轮外径；l从动盘节圆半径；rt滚子半径；c中心距； r p基圆半径； b0 滚子宽度； r s实际轮廓线向径；r凸轮分度期内理论线任意点向径；rt理论轮廓线副法线方向矢量；1 ，2 凸轮、分度盘的角速度；20凸轮初始位置时从动盘转角；1 分度盘转角；2某瞬时滚子中心和原点的连线与y轴的夹角图4.13圆柱分度凸轮坐标系2) 轮廓面方程的推导 由图4.13可见 凸轮分度期内理论廓线任意点的向径为： （4.12）式中：为圆柱凸轮基圆半径； 为从x 轴绕z轴逆时针转动的圆向量； 为从动盘节圆半径； 为凸轮某瞬时滚子中心和原点连线与y轴的夹角；i 、k 为x轴、z轴方向的单位矢量。凸轮理论廓线为滚子中心轨迹，则凸轮实际廓线可由理论廓线向径沿副法线方向加减滚子半径得到，即： （4.13）式中， 为凸轮实际廓线向径，为滚子半径，其值为10mm将式（4.12）与（4.13）联立= （4.14）3)动、停时间比的确定设凸轮转动一周的时间为， 凸轮沟槽中螺旋角不为零的曲线段所对应的角度为，则从动转盘的运动时间为 （4.15）凸轮的转速为40200转/分，nmax =200转/分，t1min =60秒/200转/分=0.3 秒/转，由此可以求得=0.02秒，静止的时间为 （4.16）带入数值得=0.28秒4.1.7 联轴器的选择用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接3。联轴器种类繁多，按照被联接两轴的相对位置和位置的变动情况，可以分为：（1） 固定式联轴器。主要用于两轴要求严格对中并在工作中不发生相对位移的地方，结构一般较简单，容易制造，且两轴瞬时转速相同，主要有凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等。（2） 可移式联轴器。主要用于两轴有偏斜或在工作中有相对位移的地方，根据补偿位移的方法又可分为刚性可移式联轴器和弹性可移式联轴器。刚性可移式联轴器利用联轴器工作零件间构成的动联接具有某一方向或几个方向的活动度来补偿，如牙嵌联轴器（允许轴向位移）、十字沟槽联轴器（用来联接平行位移或角位移很小的两根轴）、万向联轴器（用于两轴有较大偏斜角或在工作中有较大角位移的地方）、齿轮联轴器（允许综合位移）、链条联轴器（允许有径向位移）等，弹性可移式联轴器（简称弹性联轴器）利用弹性元件的弹性变形来补偿两轴的偏斜和位移，同时弹性元件也具有缓冲和减振性能，如蛇形弹簧联轴器、径向多层板簧联轴器、弹性圈栓销联轴器、尼龙栓销联轴器、橡胶套筒联轴器等15。联轴器有些已经标准化。选择时先应根据工作要求选定合适的类型，然后按照轴的直径计算扭矩和转速，再从有关手册中查出适用的型号，最后对某些关键零件作必要的验算。为了简化设计和便于机器的维修与保养，我们选用标准化联轴器。在该设计中用到3 个联轴器，一个是电动机与减速器之间的联轴器，第二个是减速器与主传动轴之间的联轴器，第三个是减速器与凸轮轴之间的联轴器，该机器属于轻载荷机械，依次扭矩比较小，我们主要根据轴的直径来选联轴器，电动机与减速器之间的两轴直径为24mm，因此我们选YL4型联轴器；减速器与主传动轴之间、减速器与凸轮轴之间的两联轴器，以为他们轴的直径是相同的，因此我们选择相同型号的联轴器，轴直径为18mm，我们选用YL3型联轴器。4.2 输送带传动系统的设计传送带条有多种形式，这里主要采用板式链。最简单的板式链由链板和柱组成，但运转中链板与柱销间磨损较快。套筒链条的工作性能较好，其结构如3.2（a）所示。内链板与套筒固装，销轴穿过套筒与外链板相固装，套筒与销轴是转动配合。此种链条在工作运转中的磨损大为改善，但套筒与销轴和链轮轮齿的摩擦磨损仍然较大。如在套筒链条的套筒外再加装上能自由转动的辊子，就成为图3.2（b）所示的套筒辊子链条，这样便能大大减轻链轮与链条间及链条本身的磨损，性能较好，在机械传动中均采用这种链条9。自动包装机的链条输送装置主要用套筒辊子链条作为牵引构件。套筒辊子链有单排链、多排链；链条结构和节距已经已经规格化、标准化，由专业工厂生产，质量稳定可靠。链条牵引的安全可靠性可参照传动链条相关标准进行设计计算。在链条输送装置中亦有用长链板的套筒链或套筒辊子链，特殊场合还应用特殊结构的牵引链条。如，为使输送链条直接承托输送物品，可采用平板式袄。液体灌装机常配置平板式链条输送装置。传送带条元件材料：链条元件多采用优质钢材制造。食品工业用输送链条可采用不锈钢材制造。主要元件要进行热处理，硬度HRC35，使其具有高的强度和耐磨性能。链条输送机所用牵引链条，多为两条相平衡的并列单排链条，两条链条间用小轴或板条连接，使链条间保持平行且等间距；在链条或相连接小轴上安装滚轮或推动、拉拽物品的附件10。滚轮直径应大于链板宽度，以保证在运行中使链条与导轨间保持滚动摩擦。推动或拉拽物品的附件结构形式随物品形状而不同，制造材料可用轻质合金或非金属材料，目前工程塑料在此方面应用日渐增多1。4.2.1 回程链的选择及其牵引力的计算当输送的物品沿输送滑台表面移送前进时，常用的用两中形式，回程链条有支托的输送装置（如图4.5）和回程链条悬垂的输送装置（如图4.6），在本设计中我们为了简化计算采用回程链条有支托的输送装置11。回程链条有支托的输送装置的牵引力F，可按下列各式计算。（回程链条悬垂的输送装置在此不做具体说明） 图4.5 回程链条有支托的输送装置 图4.6 回程链条悬垂的输送装置 F=1.15g（WLfm+2Lfc） （4.17）在式（4.17）中 F输送链条的牵引力，N；L物品输送的水平长度，m；每米长度上的输送链质量，kgW输送机每米长度上的输送物品质量，kg；fm物体与滑台表面间摩擦系数；fc 链条与导轨间摩擦系数。当物品由链条本身载送时，取fm= fc。当链条与导轨表面间为滚轮接触时12，取fc为滚动摩擦系数，取为0.25。(参考机械设计手册，第三卷，第22篇114页)在本机中，输送链条同时输送空瓶和满瓶，因此我们以满瓶区的为计算依据，其中L=1m，W=10kg，g=10N/kg分别代入（4.17）式，经计算得出，F=32.2N4.2.2 牵引电动机的选择由于该传送带是间歇传送的，因此我们采用伺服电机。（1）伺服电动机简介伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降；伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。该电机的控制我们运用脉冲方式控制，该控制方法的主要特点为：一 可靠性高，不易发生飞车事故。用模拟电压方式控制伺服电机时，如果出现接线接错或使用中元件损坏等问题时，有可能使控制电压升至正的最大值。这种情况是很危险的。如果用脉冲作为控制信号就不会出现这种问题。二 信号抗干扰性能好。数字电路抗干扰性能是模拟电路难以比拟的。（2）直流伺服电机和交流伺服电机的比较直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用