全自动啤酒瓶清洗装置的设计及仿真设计计算说明.doc

山西机电职业技术学院全自动啤酒瓶清洗装置的设计及仿真设计计算说明第1章 绪论随着社会的发展，人们的物质文化需求也在不断地增加，酒类饮料作为人们最喜爱的饮料之一，其需求量也与日俱增，有需求就会有供应，因此刺激了酒类饮料的生产。啤酒生产商想方设法提高产量，降低生产成本。在这种刺激下啤酒生产设备不断更新换代，洗瓶机也随之发展。啤酒行业也是食品行业之一，食品行业的卫生标准是十分严格的，每个涉及食品的企业都要根据相关部门的相关要求，定期对生产设备进行消毒清洗，因此，高效的洗瓶机机将在未来更具有竞争力，从而占据市场。1.1 啤酒瓶洗瓶机国内外现状及发展趋势（一）啤酒瓶洗瓶机国内外现状 洗瓶机从其诞生至今已经有百年多的历史，随着人们的要求越来越高和科学技术的发展的不断进步，各种新的科技都可以在其身上看到影子。特别是二战以后，科技水平发展迅猛，新的科技力量和理念不断诞生，并且应用越来越普遍。作为机械生产的一员，对洗瓶机的研究和改革创新也是不断取得新的成果。上世纪六、七十年代时，我国开始慢慢的引入国外洗瓶机，并对洗瓶机仿制和改良完善，即消化吸收与自主创新阶段。此阶段洗瓶机运行速度先后经历了很大的变化，单端、卧式双端、立式双端等多种类型。上世纪70年代中期第一代洗瓶机瓶盒排数为16排，主链甁盒运行间歇动作，产量最高为800瓶每小时。但是由于本机结构简单，方便制造等优点，在市场上占据了相当长的的一段时间。第一代洗瓶机是现有洗瓶机的早期产品，生产速度低，主链运动空运转行程对能的损耗浪费较大。进入21世纪以来，洗瓶机设备取得了新的技术进步，现在已出现了采用无轴变频传动取代万向联轴节传动的新型传动洗瓶机，除标方式上出现了立式轴流泵喷冲，或对原有离心泵喷淋进行了完善升级。洗瓶产能、可操作性及设备运行效率得到了进一步提升。 我们的国内洗瓶机市场发展比其欧美国家落后3，而且我们国家的技术在一定程度上跟不上市场发展的需要，导致国内市场上的洗瓶机没有形成一定的强势资源，各个生产厂家技术保密，不能形成很好的信息交换和共享，导致市场上洗瓶机的发展参差不齐，功能不全面。 目前有很多的国内企业采取与发达技术的国家企业合作，一起促进了洗瓶机市场在国内的发展。新技术的发展也给洗瓶机的市场带来一股新的活力，特别是大量的企业采用新的计算机技术，二维的CAD早已在制造业普及，三维的设计也在慢慢推广。电气设计部分采用ED 等先进设计手段，引入定子调压和变频调速，PLC 参与系统控制，采用了大量高新传感元器件，实现了定位准确，操控方便，其安全可靠性也逐步提高。通过专家系统的应用，极大地推进了创新设计的进程，并且利用系统论和信息论等现代计算机应用技术研究成果，使得洗瓶机的创新设计开始向数字化化方向发展。根据现实和发展，设计手段越来越体现出精确化、自动化、虚拟化与快捷的特点。现代的洗瓶机正朝着机电一体化、自动化、数字化、个性化方向发展。自动检测、自动数据处理（运算、判断、存储、记忆）、自动显示、自动控制、故障诊断和自动保护及维护等功能得到了大量的应用。因此洗瓶机产品创新设计是以降低设计成本，提高设计速度，缩短设计周期为目的，包括降低成本设计、可靠性设计、快速设计、并行设计、数字化设计、智能设计、广义优化设计等现代设计技术。目前国内外在洗瓶机创新研究方面的主要研究内容有如下几个方面： (1) 创新设计技术 开展对洗瓶机传动型式创新、结构构造创新和功能原理创新等方面理论及技术基础研究，为此着重研究新材料、新工艺、新的传动装置，从而通过对不同设计方案的优选、分解和组合来产生新的设计方案，不断推出传新创新设计成果。 (2) 降低成本的设计技术 在产品设计过程中采用面向成本设计技术和并行的成本估算技术是使产品成本降低的关键，其中重点要研究的是成本结构分析技术和价值工程分析技术，且需要构造多种专用的设计知识库和成本数据库来精确地并行估算成本。做到产品成本的即时反应，通过设计方案的调整实现设计阶段控制产品成本的真正实现。 (3) 快速设计技术 极短交货期的市场需求要求开展基于网络的协同（异地）设计技术、并行工程技术究，这样可以缩短产品的开发周期。其中，系列化、模块化设计技术、人工智能技术、产品专设计系统技术和虚拟制造技术也是快速设计的所要研究的重要内容。(4) 智能设计技术研究 洗瓶机智能CAD（ICAD）技术和人机智能化设计系统技术的研究，使得面向CIMS的智能设计走向智能设计的高级阶段。原理方案智能设计；协同求解；基于实例的推理；知识获取、表达和利用等技术也是智能设计技术所要研究的重要内容。洗瓶机创新设计是洗瓶机技术水平不断提高和发展的源泉，充分利用现代信息技术成果和现代管理手段，综合现代设计技术将对洗瓶机技术发展起到极大的推动作用，洗瓶机技术已处于快速发展阶段，谁的创新设计搞得好，谁就掌握了技术优势，谁就掌握了市场。（二）啤酒瓶洗瓶机发展趋势 随着新世纪全球工业格局的新变化和我国工业技术水平的快速发展，洗瓶机市场近年来异常的活跃起来，现代计算机控制技术飞速发展，使得洗瓶机的设计在综合考虑控制系统安全、可靠性、操作的舒适性、机构及结构广义优化等方面有了更高层次的要求，因此洗瓶机的设计必须从原来的常规设计模式中跳出来，用新观点、新原理、新方法新技术、新工艺来设计适应新形势的新产品，未来洗瓶机的设计是基于现代设计理论和方法，应用微电子、信息、管理等现代科学技术，以提高产品质量、用户满意的价格和造型、提高产品的功能、缩短产品开发周期。 在产品设计过程中采用面向成本设计技术和并行的成本估算技术是使产品成本降低的关键，其中重点要研究的是成本结构分析技术和价值工程分析技术，且需要构造多种专用的设计知识库和成本数据库来精确地并行估算成本。做到产品成本的即时反应，通过设计方案的调整实现设计阶段控制产品成本的真实实现。洗瓶机的创新并不总等同于用较高的成本去发明新的零部件，利用标准构件，甚至标准件和外购件同样也可以组合成新产品，这也是一种创新4。 下面是总结的近几年洗瓶机的主要发展趋势： (1) 具有零部件集成化、机构简洁化、结构全面优化的整机设计； (2) 满足个性用户的特殊要求的个性化设计； (3) 满足市场多样性和低成本要求的具有新技术特征的洗瓶机新系列产品的模块化设计； (4) 具有自分析、自调整、自纠错的智能化操作的全自动、半自动操作形式的高度机电一体化的洗瓶机设计； (5) 采用新的传感技术具有高精度称量和定位系统的洗瓶机设计； (6) 准确对位技术的应用； (7) 采用参数化专家系统的快速反应设计； (8) 基于成本即时反应的经济性DFC（Design For Cost）设计； (9) 极短交货期要求采用并行设计及并行工程技术的设计； (10) 基于产品全寿命周期的方便维护维修的设计及免维护设计； (11) 大型单台复杂产品的虚拟设计及动态仿真的实现； (12) 采用广义优化技术的设计；(13) 洗瓶机动力学（疲劳寿命的分析研究）研究成果的广泛应用。1.2 Pro/E软件简介Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。（一） Pro/EngineerPro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色，实体或线框造型，完整工程图的产生及不同视图展示（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽壳（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下（没有任何附加模块）具有大部分的设计能力，组装能力（运动分析、人机工程分析）和工程制图能力（不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS标准），并且支持符合工业标准的绘图仪（HP，HPGL）和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer功能如下：1特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）；2参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；3通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。4支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等）。5贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动）。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER的基本功能。（二）Pro/E机构运动仿真工程师无需等待物理原型就能测试产品的动力行为。利用 Pro/ENGINEER 机构动力学仿真，您可以虚拟地仿真包含运动元件的系统中的作用力和加速度。而且，您可以综合考虑诸如弹簧、电动机、摩擦力和重力等动力影响，相应地调整产品性能。改善检验和认证过程并最大程度地提高设计信心，而无需承受制造昂贵原型的负担。与设计和分析工具完全集成，从而无需再花费时间、精力和金钱来处理数据转换和关联的错误。利用Pro/E机构仿真有以下优点： 可以创建虚拟样机在桌面计算机中进行测试，从而降低开发成本 模拟赛车悬架所受到的实际作用力。 能够更快速和更早地将变更反映在产品中，并从桌面计算机测试中即时获得结果。 通过缩短开发时间率先向市场推出更优质的产品。 通过对产品寿命进行更准确的估计，从而可降低保修成本。 利用具体的动画式生产指令进行装配，可以避免代价高昂的制造错误。 通过利用从虚拟测试中所节省的时间来评估更多设计构思，从而可开发出更新颖的产品。 在易于学习、直观明了的用户界面中工作。1.3 课题的意义啤酒瓶大多都是玻璃瓶，形状一般为颈细身粗，将空气抽出后钉上瓶盖，方可出厂。随着工业的发展及水活水平的提高，啤酒瓶的产量也将大大增大。喝完后的啤酒空瓶可以被回收再次利用。就当前市场状况而言，啤酒瓶的回收还是一个比较薄利的行业，因为回收的要求太高，所以相对而言成本也比较高。许许多多的啤酒企业而言，回收一个啤酒瓶的成本有时候比买一个酒瓶的成本还高，很多企业不愿意进行酒瓶的回收利用，因此造成了大量的污染和浪费。为此，能够有效的降低回收成本是酒瓶回收的关键所在。而在啤酒瓶回收的工业加工过程对成品质量影响非常大，轻则降低了包装线的生产效率，增加水电气多方面的运行成本；严重的可能会影响企业的形象，甚至会造成投诉率的上升。由此，啤酒瓶清洗机出现在我们的视野中。啤酒瓶清洗机有以下优点：一、降低了人们的劳动强度，提高工作效益。二、清洗彻底，有效提高卫生的标准。第2章 传动方案的拟定2.1 设计任务及技术参数2.1.1 设计任务根据啤酒瓶的尺寸，设计全自动啤酒瓶清洗装置：其参数要求如下：（1）推进距离L=600mm，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。（2）按生产率每分钟3个的要求，推程的平均速度v=45mm/s，返回时的平均速度为工作时的平均速度的三倍。 （3）机构传动性能良好，结构紧凑，制造方便。2.1.2 啤酒瓶的参数在设计开始之前，首先应明确此次设计所要服务的对象，了解它的数据信息和基本特性。单列啤酒输瓶机的输送对象是啤酒瓶或瓶装啤酒，它的数据信息或物质特性直接决定单列输瓶机的某些结构设计。本次设计主要针对啤酒瓶来进行设计，下面简单的介绍一下啤酒瓶的基本数据。其基本标准外形如图2-1。图2-1 啤酒瓶外形结构由上图所示，结合啤酒瓶的国家标准9，可以得知啤酒瓶瓶底尺寸为751.8mm，瓶高2901.8mm。啤酒瓶使用玻璃为制作材料，玻璃材料具有易碎的特性，所以它在移动时不能承受太大冲击震荡。根据实际调查得知，一瓶成品啤酒的重量约为0.6kg。2.1.3 啤酒瓶洗瓶机设计要求啤酒瓶洗瓶机是由推瓶机构、导辊机构和转刷机构共同来完成它的工作的。首先是由推瓶机构以均匀的速度将瓶子推上工作台（导辊），推头的往复运动使瓶子一个一个不间断的送上工作台进行清洗工作，由于瓶子是从静止到具有一定的速度，推头和瓶子之间必然存在着一定的冲击，所以就要考虑推头的材料不能是刚性材料，要用具有一定韧性的塑性材料以保证在工作过程中不至于将瓶子碰碎。第二，瓶子送到工作台的同时导辊已经进入了旋转的状态并且喷水机构也开始对瓶子进行喷水，使瓶子随着导辊的旋转进行圆周运动，安装在导辊上面旋转的转刷能够将瓶子的四周都能够清洗干净。如图所示。图2-2 洗瓶机工作示意图简图在实际工作中，要设计的机器往往比较复杂，其使用要求或工艺要求往往需要很多的功能原理组合成一个总的功能原理。下面我们来分析一下洗瓶机是通过什么功能原理来实现它所要完成的工作的。首先推瓶机构所采用的功能原理是用机械能迫使瓶子由工作台的一侧运动到另一侧，则要求有一个工作行程为L往返运动的推头，同时推头在工作过程中要匀速，回程时要快速，能够满足此运动规律可以有很多种，如可以设计成曲柄-四杆机构，或凸轮连杆机构等实现其往复运动来完成其工作。要运用此功能原理来满足其工作需要，在运动规律设计方面就要考虑用什么来带动曲柄连杆或凸轮连杆机构的转动，一般我们都用电机来完成此项转动功能。其次是转辊机构所运用的是机械的转动规律，也是机械运动中比较简单的运动规律，只需要有一定的转动速度与推瓶机构、转辊机构相配合来实现洗瓶设备的整体工作功能。它是有两个长圆柱型导辊旋转，带动瓶子旋转并且由导辊的一侧移动到另一侧的，其中导辊只完成其中的旋转功能，移动功能是由推瓶机构来实现的。最后我们要了解一下转刷机构所采用的功能原理，它与导辊机构相同运用的都是机械的转动规律，与其不同的是转刷机构的旋转要有很高的速度来完成其对瓶子外壁的清洗工作。知道了它的运动规律就要进一步了解它是由什么机构带动完成其所要求的功能的。推瓶机构、导辊机构和转刷机构都是由一台电机来提供所有的机械转动规律的，这就要求我们对它们深入分析、研究各构件之间的运动规律的联系，进而的设计出符合其联动规律的整体设备，来满足我们预期想要实现的目标。2.2 送料机构设计2.2.1 间歇机构设计能够将原动件的连续转动转变为从动件周期性运动和停止的机构叫做间歇机构。如棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构等。（1）棘轮机构棘轮机构的典型结构是由摇杆、棘爪、棘轮、止动爪和机架组成。可将主动摇杆连续往复摆动变换为从动棘轮的单向间歇转动。其棘轮轴的动程可以在较大范围内调节，且具有结构简单、加工方便、运动可靠等特点。但冲击、噪音大，且运动精度低。 图2-3 棘轮机构简图（2） 槽轮机构槽轮机构的典型机构是由由主动拨盘、从动槽轮及机架组成。可将主动拨盘的连续转动变换为槽轮的间歇转动。并具有结构简单、尺寸小、机械效率高、能较平稳地间歇转位等特点。图2-4 槽轮机构简图（3） 不完全齿轮机构不完全齿轮机构是由普通齿轮机构演变而得的一种间歇运动机构。不完全齿轮机构的主动轮的轮齿不是布满在整个圆周上，而只有一个或几个齿，并根据运动时间与停歇时间的要求，在从动轮上加工出与主动轮相啮合的齿。不完全齿轮机构设计灵活、从动轮的运动角范围大，很容易实现一个周期中的多次动、停时间不等的间歇运动。但加工复杂；在进入和退出啮合时速度有突变，引起刚性冲击，不宜用于高速转动；主、从动轮不能互换。（4） 最终选定机构在这里通过比较分析，我选择的是槽轮机构，因为它相对简单、效率高、运行平稳而且能达到预计的要求。图2-5 槽轮机构简图我设计的是当主动拨盘（缺口圆盘）匀速转一周，从动槽轮转90，而传动带的导杆也转过90，而且要等于一个瓶子的长度 。而所用时间是洗瓶装置的一个来回，即：T=20s则有：主动拨盘角速度w=2/20s=0.314rad/s.2.2.2 进瓶装置简图图2-6进瓶装置简图2.3 推瓶机构设计推瓶机构的方案：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，本机构采用了摆动导杆机构。实现要求的机构方案有很多，我们可用多种机构组合来实现。2.3.1 凸轮铰链四杆机构的方案如图2-7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。图2-7 凸轮铰链四杆机构的方案2.3.2五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2-8所示为两个自由度的五杆低副机构，l、4为它们的两个输人构件，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。图2-8 五杆组合机构方案 2.3.3凸轮连杆机构组合机构图2-9 所示为凸轮连杆组合机构，该机构实现X，Y方向的运动，分别采用了一个摆动推杆盘形凸轮机构和一个直动推杆盘形凸轮机构组成了一个复合机构。图2-9 凸轮-全移动副四连杆机构的方案3.2.4 最终选定推瓶方案方案一中机构是凸轮铰链四杆机构，凸轮为原动件（由蜗轮带动），通过滚子及连杆带动机构做运动。其急回特性由凸轮控制。在该方案中有5个活动构件，其中有一个高副，自由度为1，有确定的运动。但是它的杆比较多，容易产生误差，不能实现精确的运动。方案二是五杆组合机构的方案，此方案所需要的杆件繁多，设计烦琐，实际机构尺寸过大，不是很合理的一个设计方案，性价比也不高。方案三的运动和急回特性主要也是靠凸轮来控制，但是这种控制相当不精确，只适用于行程较小的运动，如果行程过大的话，凸轮的尺寸必须做的很大，从经济和实用的角度来看都不太合适。要准确的实现给定运动规律及运动轨迹，凸轮机构是首选，因为盘形凸轮轮廓就是根据从动件运动规律来设计的，而任意平面轨迹总可以用X=x()Y=y()表示，因此把两个凸轮机构组合起来就可以准确实现轨迹。而四杆机构在运动规律、运动轨迹设计中是用逼近的办法来做的，所以较难准确实现。所以综上所述选择方案三轮连杆机构组合机构为最后设计的方案。3.2.5 进瓶设计说明进瓶机构传动：进瓶机构借助大齿轮带动上图中小齿轮，又由小齿轮带动的轴旋转，再由轴带动蜗轮蜗杆，然后蜗轮蜗杆带动其上的齿轮，再由齿轮带动间歇机构槽轮完成瓶子的输进。3.2.6 运动协调设计在这里我选用的是槽轮间歇机构来进行瓶子的进瓶主要构件，负责把瓶子传送到洗瓶装置上。因为按照生产率为3/min得到每洗一个要20s，所以设计主动拨盘转一周所需时间为20s，这样从动拨盘就每20s转动90，再让它转过90时的路程等于一个瓶子的长度即290mm，则可以确定主动带轮1的直径D1，因为s= =290mm，所以R1369.4mm。2.4 导辊机构设计2.4.1 推瓶起点设计（1）起点时的简图图2-10推瓶装置起点简图（2） 推瓶起点设计说明上图是刚刚开始推瓶时候，推杆回到最左端，此时，刚好进瓶装置送下一个瓶，内刷子随推杆插入瓶子内，刷毛尽量选用软性材料，方便内刷子插入瓶内，这样随着凸轮带动推杆内刷子伸进瓶子内，等推头挡板抵到瓶口时，瓶子才受到推杆的推力，推头才会推动瓶子运动，进行外表面的清洗，一直到导辊完。2.4.2 推瓶终点设计（1） 终点时设计简图 图2-11推瓶装置终点简图（2） 推瓶终点设计说明 上图是推瓶推到终点的时候，推杆推到最右端，此时，瓶子在推杆的作用下，走到导辊末端，在重力的作用下，瓶子沿内刷子随刷杆滑入瓶子出瓶轨道内，刷杆和刷毛尽量选用软性材料，方便瓶子滑入出瓶滑道内，这样随着凸轮带动推杆往回运动，内刷子退出瓶子内，瓶子滑出内刷子后，瓶子落到出瓶滑道内，推头继续做回复运动，不过要避免死点的产生，才能稳定的进行下一个瓶子内外表面的清洗，一直循环工作。2.5 毛刷机构设计2.5.1 外洗瓶毛刷装置简图图2-12 洗瓶装置简图外洗瓶毛刷装置由三个毛刷轮组成，三个毛刷轮由齿轮带动，其传动方案如上图2-12所示。2.5.2 内洗瓶毛刷装置简图在这里我特意将推头设计成可以清洗瓶子内表面的刷子，它比瓶子的内径稍大一些，瓶子在进瓶机构的输送下开始进入洗瓶机构，在推头的作用下，后面又有洗外表面刷子的阻力，内刷子就可以很轻松的插入瓶内，待到推头的挡板抵到瓶口之后就可以推着瓶子走了。随着导辊的转动，瓶子内外表面都可以得到很好的清洗。另外，值得注意的一点是，内刷子因为要伸到瓶子里面，所以要选用软一点刷子，内刷刷杆设计成管状，并且带有小孔，从端部对刷杆通入气压，可以把毛刷吹起来，同时，气压也有助于吹干净瓶子内表面。2.7 总体方案设计2.7.1 方案一总体方案及运动说明（1）方案一总体方案简图（2） 方案一运动说明:首先动力从电动机输出，因为需要的速度不是很高，所以要经过减速箱减速，再经过带传动传给齿轮1，齿轮一又传给齿轮2带动轴旋转。导辊传动：由齿轮3带动齿轮4使外面一根导辊转动；再由齿轮4带动齿轮5，齿轮5 又带动齿轮6使里面那根导辊转动。因为齿轮4和齿轮6大小一样，齿轮5主要是保证两导辊转向一致，这样既保证速度一样，也保证了旋转方向一样。进瓶机构传动：进瓶机构借助齿轮4带动齿轮7，又由齿轮7带动的轴旋转，再由轴带动蜗轮蜗杆2，然后蜗轮蜗杆2带动间歇机构槽轮完成瓶子的输进。洗瓶机构传动：洗瓶机构是通过齿轮7带动齿轮8，齿轮8带动轴转动，再由轴带动蜗轮蜗杆3，然后再通过蜗轮3传给齿轮9，而齿轮9通过左右各一个小齿轮（齿轮10）传给毛刷，这样也保证了它们三个齿轮转向、转速相同，三个齿轮又把动力传给刷子，通过三个外刷子的旋转来清洗瓶子的外表面。推瓶机构传动：由蜗杆1带动蜗轮1，再由蜗轮1传给凸轮，再由凸轮带动凸轮-铰链四杆机构来实现推瓶机构往复运动。2.7.2 方案二总体方案及运动说明（1）方案二总体方案简图（2） 方案二运动说明 首先需将瓶子放入胶带上，通过进瓶机构间歇的送到导辊轨迹上，通过凸轮连杆组合机构带动毛刷插入瓶子，毛刷在导杆的推动和旋转下边前进边清洗内表面，推动瓶子沿导辊前进，再由外面转动的刷子将瓶子外表面洗净。要实现上述分功能,有下列工艺动作过程:（1）皮带做间歇直线运动。（2）瓶子由皮带滑动到导辊。（3）内表面毛刷匀速推进瓶子内。（4）推头作直线或者近似直线运动,将瓶子沿导辊推到指定的位置。 （5）推头沿直线运动推动瓶子移动的程中,瓶子同时跟着两同向转动的导辊转动。（6）当瓶子沿导辊移动时将瓶子的外表面就清洗干净。（7）瓶子离开皮带,而推瓶机构急回至推瓶初始位置,进入下一个工作循环。（8）洗好的瓶子由斜面滑下，进入匀速转动的皮带送出。2.7.3 方案评估下面从运动链的长短、机构的排列顺序、传动比分配、运动副的形式以及机械效率等方面对上面两种方案进行评估：（1）运动链的长短:两种方案都比较简单，运动链的长度也差不多。（2）机构的传动方式：两种方案的传动方式都是可行，方案一中，较多的采用了齿轮传动，推瓶机构由凸轮铰链四杆机构组成，毛刷机构由蜗轮蜗杆带动。方案二中有较多的采用了链轮传动，推瓶机构由凸轮连杆机构组成，毛刷机构由锥齿轮机构带动。传动方式方案二明显比方案一更为合理，基于以下三个原因：A 方案一中较多采用齿轮传动，而各转动轴之间的距离很大，这样势必造成齿轮结构庞大，因此方案二中在适当的位置采用链轮更为合理。B 方案一中推瓶机构由凸轮铰链四杆机构组成，传动没有方案二中采用凸轮连杆机构精确。C 方案一中毛刷机构由蜗轮带动，方案二中毛刷机构由锥齿轮带动，方案二的传动效率更高。（3）运动副的形式：两种方案用的运动副都差不多，但在总体设计上方案二明显比方案一更精确布局也更合理。 综上所述，方案二更为合理，所以本设计采用传动方案二。第3章 详细结构设计3.1 内毛刷机构设计推头设计成可以清洗瓶子内表面的刷子，它比瓶子的内径稍大一些，瓶子在进瓶机构的输送下开始进入洗瓶机构，在推头的作用下，后面又有洗外表面刷子的阻力，内刷子就可以很轻松的插入瓶内，待到推头的挡板抵到瓶口之后就可以推着瓶子走了。图3-1 内刷杆结构示意图内刷子因为要伸到瓶子里面，所以要选用软一点刷子，内刷刷杆设计成管状，并且带有小孔，从端部对刷杆通入气压，可以把毛刷吹起来，同时，气压也有助于吹干净瓶子内表面。3.2 凸轮连杆机构设计3.2.1凸轮连杆机构运动示意图凸轮连杆机构示意图如下：3-2洗瓶机推瓶机构运动简图3.2.2杆长计算1.为了满足传动角的一定要求可以初步设计确定杆l1和l4在两个特殊位置（推头位移最大和最小时）所形成的这一夹角所在的范围。2.杆长l2与中心距和基圆大小有关，根据压力角的范围可以大概设计出杆l2的长度。3.同理杆l3的杆长与另外一个凸轮的基圆有关系，同样在保证满足压力角的许可范围设计杆l3的长度。根据前述推导公式可计算得l4=900mm l1=700mm l3=600mm l2=135mm1=133 2=26 3=47E=200mm F=140mm3.2.3凸轮的设计对应C点的工作行程时：0=200， 远休止角01=30；对应C点的回程时： 0=100 近休止角02=30图3-2分点与推杆的工作位置3.2.4摆动凸轮的设计图3-3摆动凸轮的角位移线图图3-4摆动推杆盘形凸轮廓线3.2.5直动凸轮的设计图3-5直动推杆的位移线图图3-6直杆推动盘形凸轮廓线3.3 压力角的检验及机构尺寸的确定实际设计中规定压力角的许用值。对摆动从动件，通常取=4050，对于直动从动件，通常取=3038。滚子接触、润滑良好和支撑有较好刚性时取数据上限否则取下限。现通过移动从动件和摆动从动件凸轮廓线中测得：移动从动件=17，摆动从动件=1218+40+100+92-135=115mm 取L=130mm； 从动轮运动角：2=360/Z=90 主动轮运动角：2=3602=90 从动轮轴心到槽口长度：O2A=Lcos=91.92mm主动曲柄长度：R1=O1A=Lsin=91.92mm滚子半径：r3R1/6=91.92/6=15.32mm,取15mm锁止弧半径：RHO1A-r3-h=91.92-15-（0.60.8）15=64.92mm67.92mm，取65mm主动轮上锁止弧所占角度，以O1A为起始线两边各角中无锁止弧。槽轮上槽口至槽底深：LS=O2A-(L-O1A)+r3+ =91.92-（130-91.92）+15+ =（68.84+）mm，式中是预留的间隙。周期T=80s从动轮运动时间：td=T/=(1/2-1/Z)T=T/4=20s从动轮停歇时间：tj=T-td=60s3.4减速器齿轮传动设计计算选精度等级、材料及齿数（一）为提高传动平稳性及强度，选用斜齿圆柱齿轮小齿轮材料：45钢调质 HBS1=280接触疲劳强度极限MPa 弯曲疲劳强度极限 Mpa （由5图10-20c）大齿轮材料：45号钢正火 HBS2=240接触疲劳强度极限 MPa （由5图10-21c） 弯曲疲劳强度极限 Mpa （由5图10-20b）精度等级选用7级精度初选小齿轮齿数24大齿轮齿数Z2 = Z1= 245=86取120初选螺旋角按齿面接触强度设计 计算公式： mm （由5式10-21） （二）确定公式内的各计算参数数值初选载荷系数小齿轮传递的转矩 Nmm齿宽系数 （由1表10-7） 材料的弹性影响系数 Mpa1/2 （由1表10-6）区域系数 （由1图10-30）， （由1图10-26） 应力循环次数接触疲劳寿命系数 （由1图10-19）接触疲劳许用应力取安全系数.4 取 （三）计算（1）试算小齿轮分度圆直径=42.36mm（2）计算圆周速度 m/s（3）计算齿宽b及模数mnt mmb/h=10.994计算纵向重合度 =2.0933（5） 计算载荷系数 使用系数 根据电动机驱动得 动载系数 根据v=1.43m/s、 7级精度1.1 按齿面接触强度计算时的齿向载荷分布系数 根据小齿轮相对支承为非对称布置、7级精度、=1.0、 mm，得 =1.42 按齿根弯曲强度计算时的齿向载荷分布系数 根据b/h=10.99、 齿向载荷分配系数、 假设，根据7级精度，软齿面传动，得 =2.73（6） 按实际的载荷系数修正所算得的分度圆直径 mm（7） 计算模数（四）按齿根弯曲强度设计 确定计算参数（1）计算载荷系数K （2）螺旋角影响系数 根据纵向重合系数，得0.92（3）弯曲疲劳系数KFN 得 （4）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S=1.2 得（5）计算当量齿数ZV取27取131（6）查取齿型系数YF 应力校正系数YS 得 （7）计算大小齿轮的 并加以比较比较所以大齿轮的数值大，故取0.014269。 计算=1.15mm取1.5（五）分析对比计算结果对比计算结果，取=1.5已可满足齿根弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度算得的d150.61mm来计算应有的 取32 取160（六）几何尺寸计算1） 计算中心距阿a将a圆整为150mm2 ）按圆整后的中心距修正螺旋角3 ）计算大小齿轮的分度圆直径d1、d2 mmmm 4）计算齿宽度 B=mm 取B1=50mm，B255mm第4章 三维建模与仿真4.1 Pro/E软件简介Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。1）Pro/EngineerPro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色，实体或线框造型，完整工程图的产生及不同视图展示（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽壳（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下（没有任何附加模块）具有大部分的设计能力，组装能力（运动分析、人机工程分析）和工程制图能力（不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS标准），并且支持符合工业标准的绘图仪（HP，HPGL）和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer功能如下：1特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）；2参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；3通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。4支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等）。5贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动）。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER的基本功能。2）Pro/E机构运动仿真工程师无需等待物理原型就能测试产品的动力行为。利用 Pro/ENGINEER 机构动力学仿真，您可以虚拟地仿真包含运动元件的系统中的作用力和加速度。而且，您可以综合考虑诸如弹簧、电动机、摩擦力和重力等动力影响，相应地调整产品性能。改善检验和认证过程并最大程度地提高设计信心，而无需承受制造昂贵原型的负担。与设计和分析工具完全集成，从而无需再花费时间、精力和金钱来处理数据转换和关联的错误。利用Pro/E机构仿真有以下优点： 可以创建虚拟样机在桌面计算机中进行测试，从而降低开发成本 模拟赛车悬架所受到的实际作用力。 能够更快速和更早地将变更反映在产品中，并从桌面计算机测试中即时获得结果。 通过缩短开发时间率先向市场推出更优质的产品。 通过对产品寿命进行更准确的估计，从而可降低保修成本。 利用具体的动画式生产指令进行装配，可以避免代价高昂的制造错误。 通过利用从虚拟测试中所节省的时间来评估更多设计构思，从而可开发出更新颖的产品。 在易于学习、直观明了的用户界面中工作。4.2 典型零件建模4.2.1连杆建模曲柄建模，利用 “拉伸”命令创建出连杆主体，再用拉伸命令创建铰链连接口。拉伸命令创建滑槽，并创建销轴孔，最后如下图：4.2.2 拔盘建模1）拉伸出5mm厚的圆柱，2）拉伸出凸台，3）拉伸出销孔4）创建中心孔，及键槽4.2.3槽轮创建1）拉伸183.53mm的外圆，厚度为10mm2）用拉伸命令切槽3）切掉圆弧3）将槽及圆弧阵列后得到如下图、4.2.3 参数化齿轮创建1）草绘曲线。2）加入关系式以控制所创建拉伸实体特征的尺寸，依次选择【工具】/【关系】命令，则系统弹出【关系】对话框，在该对话框中的【查找范围】选项组中，选择【特征】选项，然后在绘图区选择刚刚创建的拉伸实体特征，则系统在绘图区中将刚刚创建的拉伸实体特征的两个尺寸代号显示出来。利用参数化输入方程：/* 为笛卡儿坐标系输入参数方程 /*根据t (将从0变到1) 对x, y和z/* 例如:对在 x-y平面的一个圆，中心在原点/* 半径 = 4，参数方程将是:/* x = 4 * cos ( t * 360 ) /* y = 4 * sin ( t * 360 ) /* z = 0 /*-r=DB/2theta=t*45x=r*cos(theta)+r*sin(theta)*theta*pi/180y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180z=03）.选择【编辑】/【再生】命令，则系统将再次弹出【得到输入】菜单，选择【当前值】选项，系统便按照所输入的关系式重新生成了拉伸实体特征4）创建第一个齿面。首先创建基圆上齿厚所对应的圆弧，选择【草绘】命令，选取拉伸实体特征的前表面作为草绘平面，选择新建的基准平面DTM1作为参照平面。同时在绘图区中分别选取基准平面DTM1和轴线A_1作为尺寸标注的参照。4）用切剪材料方式挖出齿槽部分。选择【插入】/【拉伸】命令，并单击操控板中去材料拉伸按钮，单击草绘按钮，在绘图区选FRONT作为草绘基准平面，选择新建基准平面DTM1作为参照平面，在【参照】对话框中选取基准平面DMT1和轴线A_1作为尺寸和标注的参照，进入草绘模式，选择【草绘】/【边】/【使用】命令，依次选择两条齿面的轮廓线，然后再此基础上绘制剖面图形。5）加入关系以控制成员数和尺寸增量。选择【工具】/【关系】命令，则系统弹出【关系】对话框，在该对话框中的【查找范围】选项组中，选择【特征】选项，然后在绘图区选择刚刚创建的基准平面DTM2特征，则系统在绘图区中显示出角度尺寸代号，同时系统会重新弹出【关系】对话框，在其中【关系】文本框中添加d18=360/tooth_number和p6=