机械原理课程设计任务书05旋转灌输机任念友.doc

课程设计课程名称： 旋转型灌装机 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 任念友 学 号： 1008030292 年 级： 2010级 任课教师： 余述凡 2013年 1月15日目录一.设计任务书3二.设计题目5三.旋转型灌装机的工作功能原理5 3.1 旋转型灌装机工作原理53.2 旋转型灌装机功能原理53.3功能原理的工艺过程分解 7四.旋转型灌装机机构运动总体方案164.1 旋转型灌装机总体方案图164.2 旋转型灌装机机械运动循环图18五机构的设计与运动的分析 185.1减速器设计185.2凸轮机构的设计分析205.3曲柄滑块机构的设计分析245.4间歇机构的设计26六机构运动分析计算机辅助设计流程框图 28七程序清单 29八心得体会 32九.参考资料33一设计任务书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； 二设计题目本设计采用方案A。故采用电动机驱动，其转速为1440r/min。方案号转台直径 mm电动机转速r/min灌装速度 r/minA600144010三旋转型灌装机的工作功能原理 3.1 旋转型灌装机工作原理旋转型灌装机也可称为回转型灌装机，一般采用连续式灌注形式，即包装容器在运行中自动完成灌注动作。由于灌装过程中包装容器沿圆周方向作等速回转运动，运动中同时完成灌装和封盖操作，因此旋转型灌装机连续生产，自动化程度高、占地少、生产能力大，生产效率较高。如图所示，按照工作要求下，旋转型灌装机在同一个原动机的带动下，输入传送带将待灌装和封口压盖的容器输入工位1，同时旋转工作台作间隙旋转运动，将空容器和已灌的容器分别送至工位2和工位3，在定位夹紧，在工位2实行灌装，工位3实行压盖操作。 完成灌装，封口压盖工序后，容器随着旋转工作台的间隙旋转运动至工位4，由于输出传送带的作用，在4位置的容器将随着输出传送带被带至所需要传送的位置。3.2 旋转型灌装机功能原理 基于上述设计任务书的要求以及旋转型灌装机的工作原理，为了实现旋转型灌装机的总功能要求，我们将旋转型灌装机要实现的功能分解为如下分功能： 容器输入与传送功能； 容器定位功能； 容器夹紧功能； 灌装功能； 封口压盖功能； 产品输出与传送功能。其功能逻辑图如下图所示：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皮带，齿轮传送转台间歇转动槽轮机构灌装平面凸轮机构封口曲柄滑块机构运动转换功能图系统方案的形态学矩阵3.3功能原理的工艺过程分解容器输入与传送功能：（1）方案一：要实现容器的输入与传送功能，我们想到了如下图的机构，原动件连续转动,使拨杆在如上所示的方向上把容器推送至工位1。（2）方案二：或者采用如图这种推送机构，采用凸轮与四杆机构的组合结构实现既有快慢变化的运动又有休止的间歇运动。（3）方案三： 但是为了达到容器的输出和传送的目的，同时使我们的设计过程简单， 我们常常采用如图所示的传送带传送。由于传送皮带上容器是连续排列的，而旋转工作台是间隙转动，为了使容器能够间隙有序地传送到旋转工作台工位，从而到达各机构运动的配合与协调，我们准备采用了如下图所示的工作台，固定工作台以图示的结构进行制造，外圆轮廓直径为 650mm 传送带贯穿其内部，宽度为 100mm 使得固定工作台呈现“工”字形，传送带下方为固定工作台支撑。容器定位功能： 容器的定位功能是通过转动工作台的凹槽与固定工作台的同完成。如图所示挡板曲率半径 600mm，与固定工作台刚性连接，与旋转工作台间隙配合，保证旋转工作台的通常转动，而且尽量紧贴。挡板的高度不低于旋转工作台，不得超过其两倍厚度。与转动工作台配合后如图所示，当容器由皮带传入旋转工作台凹槽内后，旋转工作台的转动会带动容器一起滑动，当容器转动后由于失去的传送带的约束，可能会因为离心作用或者不稳定因素出现不能精确对心的情况，此时挡板的作用在于限制了容器的位置，使其在很小的范围内移动，保证了容器与凹槽圆弧圆心的对齐，实现了较为精 确的定位。为后续灌装和封盖提供条件。 旋转工作台有六个半圆形凹槽，一方面随着工作台的间隙转动，凹槽边缘可以把传送轮传送到工位1的容器带走，另一方面依靠间隙旋转工作台的间隙转动凹槽可以起到很好的定位，如图。棘轮间隙运动机构，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，都可以实现旋转工作台的间隙转动，综合考虑各因素，我们选用如图2-11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。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。容器夹紧功能：（1）方案一：如图2-13所示，方案三我们采用图示两斜台，斜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。 （2）方案二：如图所示,本方案采用两头大中间工作位置小的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。（2）方案三：如图2-10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。 比较上述三个方案，方案一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。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。方案三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。我们最终选择了第一种方案。灌装功能：对容器的灌装封口采用凸轮压装结构，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。压板的另一端与换盖吸盖装置的上表面的接触，完成封盖的压力工作。回位弹簧的设置是为了使得压力装置的上表面与凸轮紧密接触。如图所示：设定数值如下：（1） 容器高度约380mm（2） 推杆和活塞总长L为105mm（3） 活塞运动范围即凸轮的行程为45mm（4） 滚子直径为30mm（5） 容器顶部距及底部离活塞最近距离为5mm封口压盖功能： 如下图，这是我们设计的封口压盖机构，此机构为对心曲柄滑块机构的曲柄ab与齿轮固接，齿轮连续转动带动杆ab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。 产品输出与传送功能： 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。如图所示，容器到达图示虚线位置时，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。 四旋转型灌装机机构运动总体方案 综合考虑旋转型灌装机要实现的6个功能，我们设计了如下旋转型灌装机。4.1 旋转型灌装机总体方案图（机构运动简图）上图所示为机械系统运动方案运动简图，该旋转型灌装机的工作原理如下所述：电机1通过皮带轮传到3，带轮3通过轴传到4，4又传到齿轮3，齿轮3通过轴传到轮4转动，齿轮4又带动齿轮5，齿轮5通过轴传到轮6转动，轮又带动轮7转动，从而形成四级减速。齿轮7同轴的链轮16以相同角速度转动通过皮带传给链轮17,19,22转动，链轮22带动23，链轮通过轴传给齿轮凸轮20，凸轮通过滚子27，推杆28带动活塞上下往复运动，从而实现对容器的灌装。链轮22传递给23，曲柄24与链轮23固接，曲柄与连杆25相连，连杆25与滑块26连接，滑块上下往复运动，实现对容器的封口压盖。 等大斜齿轮8与斜齿轮9啮合传递给同轴的主动拨盘12，主动拨盘12带动从动槽轮13，实现旋转工作台的间隙旋转运动。 旋转型灌装机左视图如下：旋转型灌装机的俯视图如下：4.2 旋转型灌装机机械运动循环图五机构的设计与运动的分析5.1减速器设计减速器分为四级减速，第一级为皮带传动，后三级都为齿轮传动。具体设计示意图及参数如下:1为电动机，2、3为皮带轮： 2的半径为30mm，3的半径为60mm，i23=23、4、4、5、6、7为齿轮：模数都为2， z4=40 ，z3=80 z 4=20 ，z5=120 z6=20 ，z7=120i43=z3/z4=80/40=2 i45=z5/z4=120/20=6 i67=z7/z6=120/20=6电动机转速为1440r/min 所以4的转速为720r/min,轴转速360r/min,轴转速为60r/min,轴转速为10r/min.齿数模数分度圆直径d传送比i压力角带轮60mm2带轮120mm齿轮4402mm80mm220齿轮3802mm160mm20齿轮4202mm40mm620齿轮51202mm240mm20齿轮6202 mm40mm620齿轮71202mm240mm20传动轮及槽轮和皮带的转速计算：8和9为等大锥齿轮，大端半径为60mm，转速为10r/min，然后通过轴传到轮10，齿轮10的分度圆半径为80mm，模数为2，齿轮11的分度圆半径为240mm，模数为2，传动比i1011= =3，则15传动轮的转速为10/3r/min。主动拨盘12的转速为10 r/min，然后通过槽轮的从动槽轮带动14转盘，其转速为5/3r/min。皮带的速度即为轮16的转速为10r/min。5.2凸轮机构的设计分析此凸轮用于灌装工位，利用远近休止来实现活塞开关的关闭，从而控制流体的灌装和封闭，设定活塞推杆的最大推程为45mm，凸轮轴心距离瓶口面的距离为220mm。以下为推杆的运动规律：凸轮灌装封闭1S灌装5S封闭 1S为了更好的利用反转法设计凸轮，根据上图以表格的形式表示出位移和转角的关系:度数0120120180180300300360位移（mm）045454500根据上表利用“凸轮机构CADCAI”软件可以将凸轮的图形设计出来，具体过程：1、设置凸轮参数：2、设置凸轮分段参数 为保证凸轮运动过程中不出现冲击，参数分别设置为：0120为推程运动阶段，摆线运动规律；120180为远休止阶段，等速运动规律；180300为回程运动阶段，摆线运动规律；300360为近休止阶段，等速运动规律。3、运行出的最终结果，位移、速度、加速度图以及凸轮的二维图形如下图所示：4、利用反转法原理设计凸轮的图形为：基圆半径r0=60滚子半径：rt=15行程：h=45mm推程角：0=120回程角：0=120近休止角：01=60远休止角：02=60升程最大压力角：max01=28.2330回程最大压力角：max02=28.23305.3曲柄滑块机构的设计分析5.3.1连杆机构的尺寸参数设计此连杆控制封装压盖机构，由于空瓶高度约为340mm，故行程不宜超过340mm，将该曲柄设定为对心曲柄滑块机构，将一些参数设定为：曲柄回转中心离固定工作台600mm，封口软木塞的长度 l2=36mm ，压盖行程为80mm ，压盖厚度为20mm由图解法计算可得：曲柄长 a=（210-130）/2=40mm连杆长 b=（210+130）/2=190mm极位夹角 =0行程比k=1最小传动角min=arcos(a/b)=765.3.2曲柄连杆机构的设计根据上面设计计算出来的图形尺寸，画出曲柄滑块机构的图形。5.4间歇机构的设计由于设计灌装速度为10r/min，因此每个工作间隙为6s，转台每转动60用时1s，停留5s，由此设计如下槽轮机构，完成间歇运用，以达到要求。槽轮机构具有以下特点：构造简单，外形尺寸小； 机械效率高，并能较平稳地，间歇地进行转位； 但因传动时存在柔性冲击，故常用于速度不太高的场合；同时由于槽轮机构具有自行锁紧的功能，所以能用于此机构的定位作用。槽轮机构的设计参数：槽数n=6圆销数k=1运动系数 头=t2/t;(t2是槽轮（从动件2）的运动时间t2，t表示曲柄（主动件1）回转一周的时间)三个主参数之间的关系为：=1/6=k/n其他相关数据：主动、从动件轴心之间的距离为d=240，槽轮从动件的基圆为d0=300。槽轮机构的组装图形：此外，我们还设计了如下图所示的间歇齿轮机构，但考虑到加工及精度等问题，最终放弃了此方案。其三维模型如下图：六机构运动分析计算机辅助设计流程框图 开始输入已知数据1=0调用RRPII杆组运动分析子程序，计算B点的位置、速度、加速度及滑块2的速度、加速度否停输出计算结果1360调用单杆运动分析子程序，计算A点的位置、速度、加速度1=1+是七程序清单程序清单：Private Sub Command1_Click()Dim b(6), c(6), d(3), t As Stringpai = Atn(1#) * 4 / 180For fi = 0 To 360 Step 10 Fi1 = fi * pai Call 单杆运动分析子程序(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0.04, 0, Fi1, 1.0471975333, 0, _ xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy) Call RRP运动分析子程序(1, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy, 0, 0, vPx, vPy, aPx, aPy, _ 0.17, 0, 0, 0, xC, yC, vCx, vCy, aCx, aCy, fi2, omega2, epsilon2, sr, vsr, asr) t = t + Fi1= + Str(fi) + vbCrLf t = t + xC(m)= + Str(xC) + vbCrLf t = t + vC(m/S)= + Str(vCx) + vbCrLf t = t + aC(m/S2)= + Str(aCx) + vbCrLf t = t + omega3(rad/S)= + Str(omega3) + vbCrLf t = t + omega2(rad/S)= + Str(omega2) + vbCrLf t = t + epsilon3(rad/S)= + Str(epsilon3) + vbCrLf t = t + epsilon2(rad/S)= + Str(epsilon2) + vbCrLf t = t + vbCrLfNext fiText1.Text = tEnd SubSub 单杆运动分析子程序(xA, yA, vAx, vAy, aAx, aAy, S, theta, fi, omega, epsilon, _ xm, ym, vmx, vmy, amx, amy)xm = xA + S * Cos(fi + theta)ym = yA + S * Sin(fi + theta)vmx = vAx - S * omega * Sin(fi + theta)vmy = vAy + S * omega * Cos(fi + theta)amx = aAx - S * epsilon * Sin(fi + theta) - S * omega 2 * Cos(fi + theta)amy = aAy + S * epsilon * Cos(fi + theta) - S * omega 2 * Sin(fi + theta)End Sub Sub atn1(x1, y1, x2, y2, fi) Dim pi, y21, x21pi = Atn(1#) * 4y21 = y2 - y1x21 = x2 - x1If x21 = 0 Then 判断BD线段与x轴的夹角 If y21 0 Then fi = pi / 2 ElseIf y21 = 0 Then MsgBox B、D两点重合，不能确定 Else: fi = 3 * pi / 2 End IfElse If x21 = 0 Then fi = Atn(y21 / x21) Else: fi = Atn(y21 / x21) + 2 * pi End IfEnd IfEnd SubSub RRP运动分析子程序(m, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy, xP, yP, vPx, vPy, aPx, aPy, _ L2, fi3, omega3, epsilon3, xC, yC, vCx, vCy, _ aCx, aCy, fi2, omega2, epsilon2, sr, vsr, asr)Dim pi, d2, e, F, yCB, xCB, E1, F1, Q, E2, F2pi = Atn(1#) * 4d2 = (xB - xP) 2 + (yB - yP) 2)e = 2 * (xP - xB) * Cos(fi3) + 2 * (yP - yB) * Sin(fi3)F = d2 - L2 2If e 2 4 * F ThenMsgBox 此位置不能装配GoTo n1ElseEnd IfIf m = 1 Thensr = Abs(-e + (e 2 - 4 * F) 0.5) / 2)Else: sr = Abs(-e - (e 2 - 4 * F) 0.5) / 2)End IfxC = xP + sr * Cos(fi3)yC = yP + sr * Sin(fi3)yCB = yC - yBxCB = xC - xBCall atn1(xB, yB, xC, yC, fi2)E1 = (vPx - vBx) - sr * omega3 * Sin(fi3)F1 = (vPy - vBy) + sr * omega3 * Cos(fi3)Q = yCB * Sin(fi3) + xCB * Cos(fi3)omega2 = (F1 * Cos(fi3) - E1 * Sin(fi3) / Qvsr = -(F1 * yCB + E1 * xCB) / QvCx = vBx - omega2 * yCBvCy = vBy + omega2 * xCBE2 = aPx - aBx + omega2 2 * xCB - 2 * omega3 * vsr * Sin(fi3) _ - epsilon3 * (yC - yP) - omega3 2 * (xC - xP)F2 = aPy - aBy + omega2 2 * yCB + 2 * omega3 * vsr * Cos(fi3) _ + epsilon3 * (xC - xP) - omega3 2 * (yC - yP)epsilon2 = (F2 * Cos(fi3) - E2 * Sin(fi3) / Qasr = -(F2 * yCB + E2 * xCB) / QaCx = aBx - omega2 2 * xCB - epsilon2 * yCBaCy = aBy - omega2 2 * yCB + epsilon2 * xCBn1: End SubPrivate Sub Command2_Click()Dim b(6), c(6), d(3), xC1(360), vCx1(360), aCx1(360)pai = Atn(1#) * 4 / 180Picture1.Print 贵州大学机械工程与自动化学院 机械原理课程设计 Picture1.Print 机械电子工程 任念友 1008030292Picture1.Print 红色代表位移 蓝色代表速度 绿色代表加速度For fi = 0 To 360 Step 10 Fi1 = fi * pai Call 单杆运动分析子程序(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0.04, 0, Fi1, 1.0471975333, 0, _ xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy) Call RRP运动分析子程序(1, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy, 0, 0, vPx, vPy, aPx, aPy, _ 0.17, 0, 0, 0, xC, yC, vCx, vCy, aCx, aCy, fi2, omega2, epsilon2, sr, vsr, asr) xC1(fi) = xC vCx1(fi) = vCx aCx1(fi) = aCxNext fiForeColor = QBColor(0)Picture1.Scale (-10, 100)-(370, -100)Picture1.Line (0, 0)-(360, 0), ForeColorPicture1.Line (0, -100)-(0, 100), ForeColorForeColor = QBColor(4)Picture1.PSet (0, xC1(0) * 100)For fi = 0 To 360 Step 10 Picture1.Line -(fi, xC1(fi) * 300 - 55), ForeColorNext fiForeColor = QBColor(9)Picture1.PSet (0, vCx1(0) * 100)For fi = 0 To 360 Step 10 Picture1.Line -(fi, vCx1(fi) * 800), F