啤酒瓶压盖机机械系统方案设计机械原理课程设计说明书

机械原理课程设计说明书设计题目_啤酒瓶压盖机机械系统方案设计_目录1设计任务书111设计题目112工作原理与工艺动作过程113原始参数114设计要求12系统运动方案设计221原动机类型的选择222减速器类型的选择223实现压盖动作的机构选择324实现装箱动作的机构选择325系统运动方案的确定526绘制系统运动循环图53传动系统设计631传动方案分析632电动机的选择633传动比的计算和分配7331总传动比的计算7332分配各级传动比734传动参数的计算7341各轴转速的计算7342各轴输入功率的计算8343各轴输入转矩的计算8344各轴的传动参数84执行系统机构设计941凸轮机构设计9411凸轮机构选型9412确定从动件运动规律9413确定基本参数11414凸轮轮廓曲线设计1342槽轮机构设计14421槽轮机构选型14422选择槽轮槽数和拨盘圆销数14423基本尺寸的计算15424槽轮运动特性分析165收获和体会176参考文献187附录19图表目录图1曲柄滑块机构3图2凸轮机构3图3单销四槽外槽轮机构4图4棘轮机构4图5不完全齿轮齿条机构4图6系统运动循环图5图7传动系统简图6图8从动件上下位移曲线10图9凸轮从动件的动力学特性11图10从动件曲线12YX图11曲率半径随旋转位移的变化曲线13X图12空间凸轮轮廓曲线14图13槽轮某一瞬时位置16图14槽轮运动特性16表格目录表1系统运动方案8表2传动系统各轴传动参数表11表3外槽轮机构基本尺寸计算公式及结果181设计任务书11设计题目设计一个对生产线上的啤酒瓶进行自动压盖的机器。12工作原理与工艺动作过程啤酒瓶压盖机的工作原理1是利用电机带动推杆下降压紧瓶盖顶端，使锁口装置自动锁紧锁盖。压盖机台面和防护罩一般都为不锈钢材料制造，强度大，耐磨损，使用寿命长。通过压盖机轧的啤酒瓶盖密封性好。工艺动作过程为推杆做与啤酒瓶同步的圆周运动，为了实现自动压盖，推杆需做上下往返运动首先利用磁力将瓶盖吸附到推杆的封口头中，然后推杆以特定的运动规律先上升再向下运动，当其将达到最低点时，恰好对准运动的啤酒瓶口，实现快速压盖。然后封口头继续上升、下降，在另一个最低点处取瓶盖，继续这一过程。压盖后的啤酒瓶继续运动，每四瓶进行一次装箱，而三次即装满一箱，这一动作可借助于槽轮机构实现。13原始参数啤酒瓶尺寸瓶身直径70MM，瓶口直径26MM，瓶高300MM；推杆直径30MM；传输带宽度90MM。14设计要求1）完全2个以上的工艺动作；2）生产能力达到14400瓶/小时；3）具有较高的工作效率和自动化程度；4）使用性能良好，运行稳妥可靠，维护成本低；5）压盖过程冲击尽量小，噪音控制在适当范围内；6）满足传动精度，凸轮机构、槽轮机构具备一定的耐磨性；7）工作过程安全可靠。2系统运动方案设计确定系统的工艺动作之后，需选择适宜的机构型式将其实现，故这一过程也称为机构的选型2，它需要考虑多方面的因素，如运动变换要求、尺寸限制、制造成本、动力性能、效率高低、操作方便安全可靠等等。21原动机类型的选择在机械系统设计过程中，原动机的选择是非常重要的一个环节，因为它直接影响到动力输出的稳定性、系统运行效率和总体结构。现代机械中，常见的原动机有热机、电动机、液动机和气动机，各自具有不同的特点和应用。热机包括蒸汽机和内燃机，其应用范围相对单一，主要用于经常变换工作场所的机械设备和运输车辆。电动机在现代机械中应用最为广泛，尤其是交流异步电动机，其具有结构简单，价格低廉，动力源方便等优点，但功率系数较低，且调速不便，适用于运行环境比较稳定、调速范围窄的场合。液动机一般调速方便，且传动链较短，但需配备液压站，成本较高。当只需实现简单的运动变换时，气动机较为方便，其缺点是有一定的噪声。本设计中对原动机的要求为运行环境稳定、结构简单、成本较低，综合以上各种原动机的特点，选择交流异步电动机作为压盖机的原动机。22减速器类型的选择减速器是指原动机与工作机之间独立封锁式传动装置，用来减低转速并相应地增大转矩。减速器种类繁多，一般可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器。齿轮减速器的优点是结构简单，运转平稳，安装方便，其缺点是传动比的分配比较麻烦；而蜗杆减速器具有结构紧凑，传动比大，噪音低等优点，但容易引起发热、漏油、涡轮磨损等问题。行星齿轮减速器3的主要特点有结构紧凑、重量轻、体积小、传动比大等优点，但其结构比较复杂，制造和安装较为困难，成本也高。在本设计中，对减速器要求为传动比较小，结构尽量简单，成本低廉，制造安装方便。综合以上各种减速器的优缺点，选择圆柱圆锥齿轮减速器作为啤酒压盖机的减速器。23实现压盖动作的机构选择在压盖机中，推杆的运动为复合运动，即回转运动与具有特定运动规律的上下往返运动。满足这种要求的机构有很多，在此仅讨论曲柄滑块机构和凸轮机构。1曲柄滑块机构图1曲柄滑块机构图1所式为典型的曲柄滑块机构，具有结构简单，零件加工容易，易实现所需动作要求等优点，但其结构零件重用性差，比较适合于执行机构不改变的系统。2凸轮机构图2凸轮机构凸轮机构的特点是结构简单、紧凑，能精确实现所需的运动轨迹，其缺点是从动件行程不宜过大，且曲面加工成本较高。适用于传力较小、运动灵活、运动规律复杂的场合。本设计中，推杆的运动规律较为复杂，既有绕中心轴的旋转运动，也有按给定规律往返的上下运动，结合以上两种机构的特点分析，选择凸轮机构能够满足要求。24实现装箱动作的机构选择瓶子压盖完成后，每四瓶进行一次装箱，而三次可装满一箱。这个动作须由间歇机构完成，包括槽轮机构、棘轮机构和不完全齿轮齿条机构4。1槽轮机构图3单销四槽外槽轮机构槽轮机构的特点是结构简单，工作可靠，易加工，转角准确，机械效率高。常被用来将主动件的连续转动转换成从动件的带有停歇的单向周期性转动。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。2棘轮机构图4棘轮机构棘轮机构的优点是结构简单，制造方便，能将连续转动转换成单向步进运动，但工作时常伴有振动，齿尖磨损，传动平稳性差，因此它的工作频率不能过高。3不完全齿轮齿条机构图5不完全齿轮齿条机构不完全齿轮齿条机构的优点是结构简单，容易制造，允许选择的范围比棘轮机构和槽轮机构的大，因而设计灵活。其缺点是从动轮在转动开始和终止时，角速度有突变，冲击较大，故一般只适用于低速、轻载的工作条件。综合以上分析，结合压盖机的工作条件，选择槽轮机构实现间歇运动。另外，为了保证箱子每装四瓶能够直线移动一次，还需将齿轮与槽轮固结，再通过齿轮齿条啮合实现箱子的间歇直线移动。25系统运动方案的确定综合以上的分析，最终确定的系统运动方案见下表表1系统运动方案原动机减速器压盖结构间歇机构转动直移交流异步电动机齿轮减速器空间圆柱凸轮槽轮齿轮齿条26绘制系统运动循环图为了表达压盖机各执行机构在一个运动循环中各动作的协调配合关系，选择推杆的上下位移、槽轮的转角、齿条的直线位移为对象，以推杆绕空间凸轮主轴旋转一周为一个运动周期，画出系统运动循环图，结果如下图6系统运动循环图3传动系统设计31传动方案分析机器一般由原动机、传动系统和执行系统组成。其中，传动系统是用来传递原动机的运动和动力、变换其运动形式以满足执行系统的需要，是机器的重要组成部分。传动系统是否合理将直接影响机器的工作性能、重量和成本。合理的传动方案除满足执行系统的功能外，还要求结构简单、制造方便、成本低廉、传动效率高和使用维护方便。本设计中传动方案为三级传动5。第一级为直齿锥齿轮传动，主要作用是改变传动的方向。第二、三级为直齿圆柱齿轮传动，起着减速作用。通过整个传动系统的变向和减速，达到满足执行系统要求的传动比。综合以上分析，可作出啤酒瓶压盖机的传动系统简图如下图7传动系统简图32电动机的选择根据工作要求和条件，选用Y系列三相异步电动机6。这种电动机是供一般用途的全封闭自扇冷笼型三相异步电动机，具有效率高、耗电少、性能好、噪声低、振动小、体积小、重量轻、运行可靠、维护方便等优点，具有广泛适用性。结合啤酒瓶压盖机的运行特点，本设计中选用Y系列IP44三相异步电动机B3_80132，其转速为940RPM，额定功率15KW。33传动比的计算和分配331总传动比的计算根据传动比的定义有如下结果/940/31MWIN总其中为电动机满载转速，本设计中为；MN/MINR为压盖机的工作转速，为。W/I332分配各级传动比由于传动系统是三级传动，故应该满足以下公式123II总其中，为总传动比，、分别为第1、2、3级传动比。I总123传动比的分配原则可概括为7使各级传动的承载能力大致相等（齿面接触强度大致相等）；使减速器能能获得最小外形尺寸和重量；使各级传动中大齿轮的浸油深度大致相等，润滑最为简便。结合以上原则，再查文献7中的表1613可确定本设计中的各级传动比为24630II134传动参数的计算341各轴转速的计算根据转速与传动比的关系，计算如下012394/MIN27/I/680/INRR342各轴输入功率的计算输入功率与传动效率直接相关，根据文献7中的表16259，可查得各级的传动效率为，。故各轴输入功率为109528309011223354978PKWK343各轴输入转矩的计算输入转矩与输入功率、转速的关系为。依据此式，结合以950/TPN上数据，可计算各轴输入转矩，结果如下0011223395/485/6TPNNM344各轴的传动参数以上结果可用下表表示表2传动系统各轴传动参数表项目轴号功率KW转速MINR转矩MNT传动比I0轴1594015241轴1425427273185222轴1397928814364463轴138330964256830根据相关的传动参数，选择合适的齿轮和轴，组成一个完整的传动系统。4执行系统机构设计41凸轮机构设计411凸轮机构选型在啤酒瓶压盖机中，凸轮机构主要为推杆提供特定的运动规律，完成压盖工作。由于压盖过程中啤酒瓶绕中心轴旋转，因此推杆的运动必须满足以下要求绕中心轴作旋转运动，实现循环压盖。空间上下运动，实现取盖上升下降压盖上升下降取盖的动作流程。根据以上要求，本设计中选择空间凸轮作为控制机构。空间凸轮是指凸轮和推杆之间的运动为空间运动，凸轮的运动平面与从动件的运动平面不平行或重合，它能同时实现多个方向上的直线运动或回转运动。空间凸轮的轮廓线或轮廓面为空间曲线或曲面。当空间凸轮为原动件时，从动件的运动方式有往复直动和往复摆动两种。当凸轮为机架时，从动件上的点一般按预期的轨迹作空间复杂运动8。根据工艺动作的要求，本设计中空间凸轮作为机架。考虑到从动件为低速旋转，为了提高凸轮的耐磨性，采用滚子从动件凸轮机构。412确定从动件运动规律由以上的分析可知，从动件的合运动由两部分分组成绕空间凸轮轴线的回转运动和直线上下运动。因为旋转运动由传动系统直接提供，对凸轮设计影响不大，故在此可予以忽略，只考虑从动件的上下运动规律。为了实现取盖上升下降压盖上升下降取盖的动作流程，在一个运动周期里，从动件的上下位移曲线特点为升停回升回。其中停的部分即为压盖，对应的休止角为。为了尽量减少冲击，其余曲线段选择余20弦加速度运动规律9，其一般表达式为（41）1COSATT式中，为周期，为待定系数。根据文献9中的表33，可以列出余弦加T1C速度运动方程式如下（42）21COSINCOSHSVHA其中，、分别为从动件的上下位移、速度、加速度、回转SV角速度和行程。而为推程运动角，为从动件转角。式中的有关参数可分段确定如下在和区间均为1/4余弦加速度运动周期，081030HM。区间为休止段，此时。30SM区间为1/2余弦加速度运动周期，。1803640H9同时，从动件的运动还应满足运动过程中速度没有突变；在三个点速度均为0。,根据式（42）和以上约束条件，利用MATLAB编程，得到从动件的位移规律，如下图所示08010018027036002040608010012014016018030上上上/上上上上上上S/MM上上上上上上上上上图8从动件上下位移曲线为了分析从动件的动力学特性，将其速度、加速度随转角的变化规律用图表示如下010020030015010050050100150上上上/上上上/MM/S上上上上上上上上上上0100200300100050005001000上上上/上上上上/MM/S2上上上上上上上上上上上图9凸轮从动件的动力学特性从上图可以看出，从动件的速度无突变，但在两个点过渡不光8,滑，导致其加速度出现突变。另外，在处加速度也出现突变。10413确定基本参数本设计中空间凸轮的内、外轮廓曲线水平面投影都为圆周，因此其基本参数为凸轮外径、凸轮内径、滚子半径。1空间凸轮内外径的确定凸轮外径受到机构总体尺寸的限制，它决定了从动件的回转直径，也即啤酒瓶的旋转直径，本设计中取为600MM。相应的，凸轮内径为400MM。因此，由内外径构成的滚子运动轨道宽度为100MM。2滚子半径的确定当采用滚子从动件时，应注意滚子半径的选择，否则从动件有可能实现不了预期的运动规律9。设凸轮的理论轮廓曲线的最小曲率半径为，滚子半MIN径为，则为了避免出现运动失真和应力集中，实际轮廓曲线的最小曲率半径R不应小于3MM，所以应有（43）MINI3BRM上式可化为（44）INR因此，要确定滚子半径，首先需求得凸轮理论轮廓曲线的最小曲率半径。由高等数学可知，曲线曲率半径的计算公式为MIN（45）3/221/DYX在本文中，对应于从动件的上下位移，则对应于从动件的旋转距离，Y设从动件到空间凸轮中心轴的距离为264MM，将图8中的曲线转化为S曲线，如下图所示YX03684608301659020406080100120140160180上上上上上上上X/MM上上上上上上上Y/MMYX上上图10从动件曲线Y对于图10中的直线部分，式（45）中的和都等于0。而/D2/YDX对于余弦曲线部分，和可按下式计算/DYX2/X（46）22/SIN/COHDYXX其中，为余弦曲线的1/4周期，其它符号定义与式（42）相同。联立式（45）、（46），借助MATLAB编程，运用数值解法进行逐点求解，解得最小曲率半径为。且曲率半径随旋转位移的变化曲线MIN923X如下图所示01863704606441040145016591080604020020406081X104上上上上上上上X/MM上上上上上上上上上上上上/MM上上上上上上上图11曲率半径随旋转位移的变化曲线一般建议，但从滚子的结构和强度上考虑，滚子半径也不能太MINR小。在此，结合空间凸轮的结构和尺寸，确定滚子半径为。20RM414凸轮轮廓曲线设计根据已经确定的从动件运动规律可知，空间凸轮的外轮廓曲线由两部分叠加而成10第一部分为直径600MM的圆周，另一部分为图8中所示的位移曲线。因此，以空间凸轮中心轴为轴，以水平面为平面，以从动件转角ZXOY为参数，则在一个运动周期内，凸轮外轮廓曲线方程可表达如下（47）30SINCO1XYZ其中，为从动件的上下位移，如图8中所示，其表达式为一分段函S数（48）15COS088301S20201CO180369S联立以上两式，运用MATLAB进行求解，可画出空间凸轮的外轮廓曲线。同理，建立相似的方程可画出凸轮内轮廓曲线。其结果如下图所示30020010001002003002000200050100150上上上上上上上上上上上上图12空间凸轮轮廓曲线42槽轮机构设计421槽轮机构选型槽轮机构作为一种分度、转位等步进机构，具有结构简单、工作可靠、外形尺寸小、机械效率高等优点，主要应用于低速场合。在啤酒瓶压盖机中，槽轮机构主要是将传动系统输出的连续转动转化为周期性间歇运动，并通过齿轮齿条机构实现对压盖后的瓶子进行装箱的功能。槽轮机构分为两种形式一种是外槽轮机构，其主动拨盘与槽轮转向相反；另一种为内槽轮机构，其主动拨盘与槽轮转向相同。本设计中，槽轮机构每转动一次实现一次装箱，要求这个动作快速、准确完成，以保证机构的高效运行，其运动系数比较小。而内槽轮机构的运动系数总大于05，显然无法满足此要求。因此，本设计中选择普通型外槽轮机构。422选择槽轮槽数和拨盘圆销数在槽轮机构的一个运动循环中，槽轮的运动时间与拨盘的运动时间之2T1T比可用来衡量槽轮的运动时间在一个间歇周期中所占的比例，称为运动系数。根据文献9中的公式（61），可得槽轮机构运动系数表达式为（49）2KZ其中，为拨盘圆销数，为槽轮槽数。KZ由式（49）可知，槽轮运动系数由、所决定。本设计中，根据工艺Z动作要求，需满足，即1/5（410）21/5KZ在、为整数，且的条件下，式（410）有唯一解，即。KZ01,3KZ此时槽轮的运动系数。32/6即最终选择的槽轮是普通型外槽轮单销三槽机构。423基本尺寸的计算槽轮的主要尺寸参数为槽数、圆销数和槽轮机构的中心距。根据机ZKA构的尺寸要求，在此选择中心距。30AM槽轮基本尺寸按下表公式进行计算表3外槽轮机构基本尺寸计算公式及结果名称符号计算公式计算结果圆销中心回转半径RSIN/AZ25981MM圆销半径R6RR15MM槽顶高ACOS/Z150MM槽底高BBAR25MM槽深HHA125MM槽顶侧壁厚E且068R3E10MM锁止弧半径RRRR23481MM外凸锁止弧张开角21/2KZ30根据以上所得结果，即可确定槽轮的尺寸，画出机构简图。424槽轮运动特性分析槽轮机构的运动和动力特性通常用和来衡量11。21/21/图13所示为外槽轮机构在运动过程中的某一瞬时位置。其中，为槽轮22的转角，为拨盘1的转角。1图13槽轮某一瞬时位置根据文献7中的表4269，和的计算式分别如下21/21/（411）21122211COSINCOS式中，。本文中，。/RA598/306利用MATLAB编程，以为变量，求解式（411），得到槽轮运动特性如下150005001012345678上上上上/上W2/W1上上上上上上上上上上500050040302010010203040上上上上/上E2/W12上上上上上上上上上上图14槽轮运动特性从图14中可以看出，槽轮机构具有周期为的柔性冲击。但考虑到本设36计中槽轮为低速运转，其造成的影响不大，可满足设计要求。5收获和体会在这普通平凡的两周时间里，我们有幸一起努力，依靠集体的力量去追求共同的目标，尽管过程坎坷，却不失为一种历练。这样的经历，值得拥有。为期两周的机械原理课程设计即将结束，从接到设计任务开始，我们一路走来，历经波折，有喜悦，也有失落；有成功，亦有挫折。但无论如何，我们还是坚持到了最后，顺利完成了这次设计任务。回顾过去的十来天，感慨颇多。忙碌的十几天终于过去了，我们最终提前完成了设计任务。这固然得益于充分的准备、明确的分工和合作等因素，但其实最重要的，是态度。正所谓“态度决定一切”，这种态度不仅是面对一项任务的态度，更是在面对困难挫折时不放弃的态度，也是踏踏实实做好工作的一种态度。课程设计虽然即将结束，但我们在这整个过程中所学到的知识和技巧，取得的经验教训并没有随着失去，而是会激发我们在以后的学习工作中，以一种正确的态度和方法，去迎接不断的挑战。6参考文献1工业资源网，压盖机|介绍|特点|工作原理|主要用途，HTTP/WWWCISREGISTERCOM/HTML/ARTICLE/YAGAIJIHTML，2010年1月20号。2杨家军，机械原理专题篇，武汉华中科技大学，2006。3饶振纲，行星传动机构设计，北京国防工业出版社，1994。4李艳莉张海燕，常用间歇机构及其在印刷包装行业中的应用，今日印刷，2008年2月6769。5朱孝录，齿轮传动设计手册，北京化学工业出版社，2005。6三维资源在线，三维标准件模型，HTTP/WWW3DSOURCECN/PART/CATEGORY1244HTML，2010年1月20号。7成大先，机械设计手册第五版，北京化学工业出版社，2008。8杨国太陈玉，空间凸轮在自动灌装机中的应用与设计，机械传动，第32卷第2期8289，2008年2月。9杨家军，机械原理基础篇，武汉华中科技大学，2005。10张继春王剑峰，圆柱凸轮机构的参数化造型和运动仿真，科学技术与工程，第6卷第9期12131215，2006年5月。11兴伦电子学习，槽轮机构的运动和动力特性，HTTP/WWW1BIGCEDUCN/JXYL/CHAPTER07/INSIDE_07_02_04_MHTM，2010年1月24号。7附录1凸轮从动件位移曲线MATLAB程序T080PLOTT,151COSPI/90T9/8HOLDONX80100Y3030PLOTX,YHOLDONT100180PLOTT,151COSPI/90T209/8HOLDONT180360PLOTT,201COSPI/90TYLIM0180XLIM03602凸轮从动件运动特性MATLAB程序WPISUBPLOT1,2,1T080PLOTT,PI30W/2/80180/PISINPI/80THOLDONT80100PLOTT,T0HOLDONT100180PLOTT,PI30W/2/80180/PISINPI/80T20HOLDONT180360PLOTT,PI30W/2/90180/PISINPI/90TGRIDONXLIM0360XLABEL角位移/度YLABEL速度/MM/STITLE凸轮从动件的速度变化SUBPLOT1,2,2T080PLOTT,PI230W2/2/6400180/PI2COSPI/80THOLDONT80100PLOTT,T0HOLDONT100180PLOTT,PI230W2/2/6400180/PI2COSPI/80T20HOLDONT180360PLOTT,PI230W2/2/8100180/PI2COSPI/90TXLIM0360YLIM12001200XLABEL角位移/度YLABEL加速度/MM/S2TITLE凸轮从动件的加速度变化3凸轮理论轮廓曲线最小曲率半径MATLAB程序CLEARCLCWPIVAPS001528PIKLENGTHSFORT1KIFT3687VTPI30W/2/3686135SINPI/368613501T1ATPI230W2/2/36861352COSPI/368613501T1ELSEIFT4608V