旋转型灌装机-机械原理课程设计

JIANGXIAGRICULTURALUNIVERSITY

机械原理课程设计

题目：旋转型灌装机

学院：______________

姓名：______________

学号：_____________

专业：_____________

班级：______________

指导教师：一

二0一三年八月

目录

1设计题目

2旋转型灌装机的工作功能原理

3旋转型灌装机机构运动总体方案

4旋转型灌装机各运动构件的设计

5旋转型灌装机运动循环图

6原动机的选择

7传动机构的选择

8灌装机构的设计

9旋转工作台间隙运动机构的设计

10传送轮的设计

11传动齿轮，带轮，链轮的设计

12封口压盖机构的设计

13参考文献

L设计题目

1.1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8.4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。

/固定工作台

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IJ，，/\/\%\II

।.~~丫Vj>/~71—I

传送带/〃

2,3转台

图4旋转型灌装机

该机采用电动机驱动，传动方式为机械传动。技术参数见

表7o

表7旋转型灌装机技术参数

方案转台直电动机转灌装速

号径速度

mmr/minr/min

A600144010

B550144012

C50096010

1.2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。

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。

8.学生可进一步完成：平面连杆机构（或灌装机）的计

算机动态演示等。

1.3设计提示

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。

2.旋转型灌装机的工作功能原理

2.1旋转型灌装机工作原理

如图2-1所示，在按照工作要求下，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,在定位夹紧之

图2-1

后，固定于工作台上方的灌装设备和封口压盖设备分别对空容器

进行灌装和已灌装容器进行封口压盖。灌装，封口压盖工序完成

后，容器随着旋转工作台的间隙旋转运动至4位置，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下一个工

序的位置上。

2.2旋转型灌装机功能原理

(1)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：

①容器输入与传送功能；

②容器定位功能；

③容器夹紧功能；

④灌装功能；

⑤封口压盖功能；

⑥产品输出与传送功能。

其功能逻辑图如下图图2-2所示:

一

旋

转

型

灌

灌装功能

壮

大封口压盖功能

产品输出与传送功能

图2-2

(2)功能原理的工艺过程分解；

①容器输入与传送功能：

要实现容器的输入与传送功能，我们想到了如图

2-3所示的连杆机构，原动件AB连续转动，使ED摆动，通过EF

杆的作用使5在H范围内来回运动，从而把容器推送至工位L

但是考虑到这种推送运动冲击大，对轻质容器，玻璃容器等来说

是应该避免的，同时这样的连杆机构设计复杂，所以在此我们尽

量不选用这种推送机构。

图2-3

为了达到容器的输出与传送的目的，同时使我们的设计过程

简单化，我们采用皮带传送的方式。如图2-4所示，并且这种传

送方式在实际生产活动中被大量采用。

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L从

而到达各机构运动的配合与协调，我们准备采用了如图2-5,图

2-6所示的传送轮机构:

图2-5

图2-5所示的不完全齿轮安装在传送导轨的一侧，传送轮

一次往下一工位间隙有序地传送4个容器。图2-6所示机构安装

在传送导轨的轴线上，传送轮有三个互成120。转角的槽位，传

送皮带连续传送，设传送轮转速W,则传送轮每次传送容器到工

位1的时间间隔为t=2n/3W,这样就实现了间隙有序地往旋转

工作台传送待灌装和封口压盖的容器。比较两种方案，我们发现

图2-5所示机构虽然可以达到间隙有序传送容器的目的,但是对

于设计任务要求的旋转型灌装机来说，其外形尺寸偏大，使机器

整体外形庞大，占用厂房空间大。而图2-6所示机构不仅可以很

好地与旋转工作台配合，而且尺寸也不会过大，所以我们决定采

用图2-6所示的“不完全齿轮”式传送轮。

同时为了使容器能够更好的输出到工位1,我们还设计了

如下图2-7所示的挡板:

挡板示意图

②容器定位功能：

可以实现容器定位的机构很多，在这里我们设计了下

图2-8所示的带凹槽并且间隙转动的旋转工作台。

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，即旋转工作台每次转过60°,容器就被定位。

怎样实现旋转工作台的间隙转动呢？可以实现间隙转动的机构有棘轮间

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，综合考虑各因素，我们选用下图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。如图右所示，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。

③容器夹紧功能：

因为要对容器进行灌装，封口压盖，所以在灌装工位和

封口压盖工位时要对容器进行夹紧固定，防止容器在灌装时不准

确，封口压盖时跳动，导致封口压盖错位，产生废品，而浪费材

料和经费。出于此目的，我们设计了下面几种夹紧方案：

(1)方案一：

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。

图2T0凸轮夹紧示意

（2）方案二：

如图2-11所示，本方案采用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，容器一直处于夹紧状态。

图2-11夹紧圆环示意

（3）方案三：

如图2T2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。

比较上述三个方案，方案一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，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。

相比之下，方案三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。

综上所述，我们采用方案三中的夹紧斜台对容器在灌装

工位和封口压盖工位处进行夹紧固定，从而到达防止容器的跳

动，以及加工错位和误差的产生。

④灌装功能：

(1)方案一：

如图2-13所示，采用图示的凸轮机构，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。

图2T3凸轮式灌装机构示意

(2)方案二：

如图2-14所示，本方案采用连杆机构来实现灌装

功能。

虽然连杆机构制造简单，但是其设计过程复杂，所以

我们采用方案一来实现灌装功能。

⑤封口压盖功能：

如下图2-15,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，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。

图2T5对心曲柄滑块封口压盖

⑥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2T6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。

3.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。

3.1旋转型灌装机总体方案图（机构运动简图）

图37机构运动简图

1.电动机同轴带轮2.带轮3.4.5.6.齿轮7.9.斜齿轮8.8’.链轮

10.11.12.13.齿轮14.主动拨盘15.从动槽轮16.旋转工作台17.传送轮

18.链轮18'.带轮19.20.链轮21.凸轮21'.22.22'.23齿轮24.曲柄25.

连杆26.封口压盖器27.滚子28,活塞推杆

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：

①电机1通过皮带轮传到2,2通过轴传到3,3又传到齿轮

4,齿轮4通过轴传到轮5转动，齿轮5又带动齿轮6,从而形

成三级减速。

②锥齿轮7传给锥齿轮9,与锥齿轮9同轴的齿轮10又带

动齿轮11,齿轮11又通过轴传给传动轮17,用来传送容器。

③与锥齿轮7同轴的带轮8以相同角速度转动通过皮带传

给链轮18,使轴转动，从而使皮带轮18'转动，带动皮带用来传

送容器。与左边带轮18同轴的链轮19通过链条与链轮20连接,

链轮通过轴传给齿轮21'和凸轮21,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。

④齿轮21’传递给齿轮22,齿轮22'乂传给齿轮23,曲柄

24与齿轮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。

⑤与锥齿轮9同轴的齿轮12传给齿轮13,齿轮13通过轴

传到主动拨盘14,主动拨盘14带动从动槽轮16,实现旋转工作

台的间隙旋转运动。

以下两图图3-2,图3-3分别是旋转型灌装机的左视图，

旋转工作台的俯视图。

图3-2选装型灌装机左视图

图3-3旋转工作台的俯视图

4旋转型灌装机各运动构件的设计，选择与分析

设计任务书的要求的灌装速度是12r/min,即灌装凸轮和

封口压盖曲柄的转速也是12r/min。由于旋转工作台有6个凹槽,

所以旋转工作台lniin内要转2转，即2r/min,也即从动槽轮的

转速也是2r/min,因为我们设计的槽轮有六个径向槽，并且主

动拨盘只有1个圆销，所以主动拨盘的转速为12r/min。而传送

轮有三个凹槽，旋转工作台转速2r/min,则传送轮转速应为

4r/mino而传送皮带轮我们设定的转速是8r/min。

5旋转型灌装机运动循环图

为了使灌装机各运动构件运动协调配合,我们设计了如

F直线式动循环图图3-3和直角坐标式运动循环图图3-4：

Qs5；6s5.3s512s10;3s25,&*3516s20,3s1542s25

旋转工作台停止旋转

|5/2s

传送轮旋转,出空瓶1旋转榜出空瓶2

5/3s

灌装推杆送（推程-灌装）远休送（回程一容器装液）近休

）/6s

封口压块吸住Cl（进）极住C2（退）极缸1（进）

旋转型灌装机的运动循环图

图3-3直线式动循环图

旋转工作台

传送轮

流装凸轮

灌装活塞

封口曲柄

封口压块

图3-4直角坐标式运动循环图

6原动机的选择：

本方案采用的是转速为1440r/min的电动机。

7传动机构的选择:

机械系统中的传动机构是把原动机输出的机械能传递

给执行机构并实现能量的分配、转速的改变及运动形式的改变的

中间装置。传动机构最常见的有齿轮传动、带传动、蜗杆传动,

链传动等。它们的特点如表3・1：

特点寿命应用

承载能力和速度范围大；传取决于齿金属切削机床、汽车、起

动比恒定，采用卫星传动可轮材料的重运输机械、冶金矿山机

获得很大传动比，外廓尺寸接触和弯械以及仪器等

齿轮传

小，工作可靠，效率高。制曲疲劳强

动

造和安装精度要求高，精度度以及抗

低时，运转有噪音；无过载胶合与抗

保护作用磨损能力

结构紧凑，单级传动能得到制造精确，金属切削机床（特别是分

很大的传动比；传动平稳，润滑良好，度机构）、起重机、冶金矿

无噪音；可制成自锁机构；寿命较长；山机械、焊接转胎等

蜗杆传

传动比大、滑动速度低时效低速传动，

动

率低；中、高速传动需用昂磨损显著

贵的减磨材料；制造精度要

求高，刀具费用贵。

轴间距范围大，工作平稳，带轮直径金属切削机床、锻压机床、

噪音小，能缓和冲击，吸收大，带的寿输送机、通风机、农业机

振动；摩擦型带传动有过载命长。普通械和纺织机械

保护作用；结构简单，成本V带

低，安装要求不高；外廓尺3500-500011

带传动

寸较大；摩擦型带有滑动，

不能用于分度链；由于带的

摩擦起电，不宜用于易燃易

爆的地方；轴和轴承上的作

用力很大，带的寿命较短

轴间距范围大；传动比恒定；与制造质量农业机械、石油机械、矿山

链条组成件间形成油膜能吸有关机械，运输机械和起重机械

振，对恶劣环境有一定的适应5000-15000等

能力，工作可靠；作用在轴上h

链传的荷载小；运转的瞬时速度不

动均匀，高速时不如带传动平

稳；链条工作时，特别是因磨

损产生伸长以后，容易引起共

振，因而需增设张紧和减振装

置

由上述几种主要的传动装置相互比较可知，由于传动效率高

等原因，故选择齿轮传动，第一级传动选择带传动，可对电动

机起到过载保护的作用。

减速器分为三级减速，第一级为皮带传动，后两级都为齿轮

传动。具体设计示意图及参数如下:

1、2为皮带轮：山=3。

3、4、5、6为齿轮：Z3=20Z4=100

Z5=20Z6=80

i34=Z4/Z3=100/20=5

is6=zr/z5=80/20=4

所以I轴转速480r/min,n轴转速为96i7min,III轴转

速为24r/min.

齿数模数分度圆直径传送比i压力角

d

带轮160mm3

带轮2180mm

齿轮3201.5mm30mm520°

齿轮41001.5mm150mm20°

齿轮5202mm40mm420°

齿轮6802mm160mm20°

(1)绘制机械系统运动转换功能图：

根据执行构件的运动形式，绘制机械系统运动转换功

能图如图3・5所示。

产。./A——躲雌，蒯

㈱

图3-5旋转型灌装机系统转换功能图

(2)用形态学矩阵法创建旋转型灌装机机械系统运动方案：

根据机械系统运动转换功能图图3-5可构成形态学矩

阵。图3-6所示的形态学矩阵可求出旋转型灌装机系统运动方

案数为：

N=3X3X3X2X2X3X3X3=2916

可由给定的条件，各机构的相容性，各机构的空间布置，类

似产品的借鉴，下图折线为我们设计的最优方案。

功能元解（匹配机构）

功能元1234

减速12^^带传动d齿轮传动涡轮传动

减速2带传动链传动涡轮传动

减速

31>带传动链传动涡轮传动

压块往复运动广、+►凸轮传动凸轮十连杆

凸轮传动/

活塞往夏运动厂^..连杆机构凸轮十连杆

链今»

传送带连续运动厂、带传动齿轮传动涡轮传动

工作台间隙运动厂、P完全凸轮传动棘轮传动捻纵机构

带传动隹传动涡轮传动

传动轮连续运动

图3-6形态学矩阵

8灌装机构的设计:

由系统方案图我们可知，我们选用如下灌装机构:

⑴设定的数值：

①容器高度h1为200mln;

②活塞运动范围S为40mm;

③推杆和活塞总长L为105mm;

④滚子直径d=10nnn;

⑤容器顶部距离活塞最近距离1为lOnnn;

⑵凸轮：此凸轮用于灌装工位，利用远近休止带动推杆和活塞来

实现灌装，设定活塞推杆的最大推程为40mm,凸轮的安装高度

为400mln。以下为凸轮的具体设计过程：

一.我们设定凸轮的数据如下：

①基圆半径r0=45mm

②滚子半径：rt=5mm

③行程：S=40mm

o

④推程角：50=120

⑤回程角：=120°

⑥近休止角：601=60°

⑦远休止角：802=60。

⑧升程最大压力角：amax01=29.3571108729986<30°

⑨回程最大压力角：a皿02=29.3571108729986<30°

⑩运动规律的选择，为了减少刚性和柔性冲击，我们在推程和回

程选用既无柔性冲击和刚性冲击的摆线规律（正弦加速度运动

规律sineaccelerationcurve），在远休和近休时选用静止

运动规律。

根据以上凸轮的数据我们利用“凸轮机构CAD—CAI”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：

凸轮类型：滚子直动从劫件书形凸轮机构

基图半径[Ro]河

滚子半径[Rt]F

偏心距同o-

转速M『

计算步长[T

0K

2、设置凸轮分段参数

为保证凸轮运动过程中减少冲击,我们将参数分别设置为:

①0。~60°为近休止运动阶段，升程为0mm,静止运动规

律；

②60°〜180。为推程运动阶段，升程为40mll1,摆线运动规

律；

③180°~240°为远休止运动阶段，升程为0mm,静止运动

规律；

@240°〜360。为回程运动阶段，升程为-40mm,摆线运动

规律。

将上述数据输入软件如下图所示：

凸轮分段数,第口~5段凸轮转角（度）［90--------备注：转角和必须为360度!

升程（mm）po升程和必须为0!

运动规律选择：分段状态：

1：静止Nol静止转角60.00升程0・00

2：等速运动规律No2摆线运动规律一转角120.00_升程40.00

3：等加速等减速运动规律No3静止转角60.00升程0.00

4：简谐运动规律No4摆线运动规律_转角120.00_升程-40.00

5：摆线运动规律

6：多项式（3-4-5）运动规律

3、利用反转法原理设计凸轮的图形为:

4、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：

位移（S）mm=40.OO

速度=0.OO

力口速叟（A）mra/s/s=O.OO

压力角（.叟）=O-OO

曲率半径mm=85.OO

凸蛇住移用=190.OO

5、软件导出的部分数据如下:

注：先启动Solidworks,打开一张零件图,再

点击此键。

基圆半偏心滚子半最小曲率半并用曰土厂+缶向算曰+rr-H仔计算点

径距径径升程取大压力角回程取大压力角数

45054529.3571108729.3571108772

6、凸轮推动推杆上下运动，而活塞与推杆固接，故活塞的运动

规律与推杆的一样，做上下往复运动，由运动循环图可知，灌装

活塞的运动规律如

卜.:

9旋转工作台间隙运动机构的设计：

由于要求灌装速度为12r/min,因此每个工作间隙为5s,

转台每转动60o用时5/6s,停留25/6s,运动规律如图3-6所示。

工作台簿角120*180*210*27043604

旋转旋:专旋）专旋:专旋，专旋;专

OS停止Fl5s等止「10s停止「15s停止「20s停止「25s停止「

旋转工作台

25/6s55/6s30s

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。

具体数据如下：

①从动槽轮15如图所示有六个径向槽，并且从动槽轮的转速为

2r/min;

②主动拨盘有一个拨动圆销，并且主动拨盘的的转速为

12r/min;

10传送轮的设计:

传送轮是为了将传送带的连续传送转变为间隙有序地传

送到旋转工作台的工位L这样就可以利用传送轮转动120。的

时间间隔来使空容器间隙有序的传送到位。

如图所示传送伦上设计有三个互成120°的凹槽，传送

轮直径为200mm。其运动规律如下图所示:

旋转工作台

传送轮

由上图可知，旋转工作台转动1转，有6个容器完成灌装

和封口压盖，由于传送轮上只有3个凹槽，所以传送轮转动在旋转

工作台转1转的时候，它应该转动2转。

11传动齿轮，带轮，链轮的设计:

（1）如下图所示从电动机到轴in的减速以及齿轮带轮的设

计在前面已经阐述过，在这里就不再重复。

（2）下图所示为旋转型灌装机系统中的链传动:

设计数据如下：①链轮8和18的齿数Zs=24,Z眸72,模数m=2mm,

d8=48mm,九=144mm;

is18=Zi8/Z8=3,n8=24r/min,ni