旋转型灌装机课程设计说明书.doc

机械原理课程设计目录1. 题目 2. 设计题目及任务 2.1 设计题目 2.2 设计任务 设计方案 3.方案一 3.1功能逻辑图和功能原理解图 3.2工艺分解 3.3机械系统运动转换功能图 3.4方案总图 3.5运动循环图 4.尺寸设计 4.1 凸轮设计 4.2 槽轮设计 4.3 齿轮设计 4.4 其它机构尺寸设计 5. 方案二 5.1功能逻辑图和功能原理解图 5.2工艺分解 6.机构的选择与比较 6.1传动机构的选择与比较 6.2执行机构的选择与比较 7.小结 题目：旋转型灌装机2、设计题目设计旋转型灌装机。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的灌装、封口，应有定位装置。如图1所示，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。图1 旋转型灌装机2.1设计参数该机采用电动机驱动，传动方式为机械传动。技术参数见表1。表1 旋转型灌装机技术参数方案号转台直径/mm电动机转速/(r/min)灌装速度/(r/min)a600144010b550144012c5001440102.2设计要求（1）连杆机构的设计与运动分析（每人做3个位置）；（2）齿轮机构的设计；（3）凸轮机构的设计；（4）运动循环图，总体运动方案图；（5）对连杆机构进行速度和加速度分析,并给出从动件的位移、速度、加速度线图。注：请每组选出一位组长，每位同学交设计说明书一份，2号图纸2张，或3-4张3号图纸。第15周交，同时以小组为单位进行答辩。要求统一用档案袋存档。2.3 设计方案提示（1）采用灌装泵灌装流体，泵固定在某工位的上方。（2）采用软木塞或金属冠盖封口，它们可以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，以实现工作转台的间歇传动。为保证停歇可靠，还应有定位（缩紧）机构。间歇机构可采用槽轮机构、不完全齿轮机构等。定位缩紧机构可采用凸轮机构等。3、设计方案根据给定题目，我组选定方案a为主要设计方案。根据a给出的参数，电动 机转速为1440r/min,灌装速度为10r/min。得出如下计算： 10*6/60=1罐/s 。所以灌装的速度为1罐/s，由此推断，在六工位转台上，每一秒钟就要转动一个工位，进而得知槽轮主动轮的转速为1r/s，而六工位转台每一个工位相对其转动中心的转角为60，再根据槽轮的运动规律得知，主动轮在每一秒钟转动过程中，只有60的转动用来驱动槽轮从动轮做转动，其余300的转动用来定位。所以，1s的之间内，有1/6s的时间工位转动，5/6s的时间工位静止。而灌装和封盖的过程均要在这5/6s的时间内完成，以此为前提，进行我们的设计方案号转台直径/mm电动机转速/(r/min)灌装速度/(r/min)a6001440103.1 方案一 灌装机各执行机构包括实现转台间歇转位的转位机构，实现输瓶、灌装、送盖、压盖、卸瓶运动的机构。各执行机构必须满足工艺上的运动要求。此方案执行构件的功能逻辑图如下图所示：根据机械系统运动逻辑功能图，并由给定的条件，各机构的相容性，各机构 - 5 - 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：3.2 工艺分解 1） 减速装置 通过对于设计方案的分析，电机同时要带动凸轮，旋转工作台，封盖旋转工作台，做转动。对于旋转工作台，主动轮的转速为1r/s，电机转速为 1440/60=24r/s，因为考虑到旋转工作台只是推动容器在固定工作台上做滑动，受力及做功并不大，再加上尽量使机械结构较为简单，这一级的变速直接采用蜗轮蜗杆的减速传动，但是考虑到蜗轮蜗杆的传动效率低，最终仍然改为直齿圆柱 齿轮传递传动比为1:24。 为了使灌口和封盖装置的上下运动与转台的间歇转动相配合，与之连接的凸轮必须同时以1r/s的速度进行转动，可以电机经过减速后运动要通过无减速连接同时传输给凸轮的转动轴，但是考虑到凸轮为主要施力装置，蜗轮蜗杆的传动由于机械效率较低导致能量的流失， 故可以考虑使用直齿圆柱齿轮的啮合减速装置。 封盖装置与转动工作台的原理类似，要求其封盖旋转工作台每1s转动一个工位，则其带动槽轮的主动轮同样以1r/s的速度旋转，所以将减速后的转轴运动通过不减速的传动传递给其槽轮主动轮的转轴即可。 2) 容器输入输出装置如图所示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，挡板和工作平面的关系如图上。固定工作台与旋转工作台安装后如图所示：旋转工作台的大圆直径要小于固定工作台，大小为600mm，槽口相对于转动 中心为六等阵列分布，转动工作台的槽口宽度和深度要与容器的直径相等 （80mm） ，槽口开1.5*45的倒角，旋转工作台的初始位置如图，要保证有两个槽 口与下面固定工作台的开口相重叠。 工作原理： 传送带上容器以一字排列的形式传送过来，由于传送带延伸至固定工作台圆 形轮廓以内一段距离，容器由于带传动会自动进入槽内并与槽底紧贴，由于槽深 与其直径相等，故只能且刚好容下一个容器，后面的容器不会因为转动工作台的 转动而出现卡夹的现象，并且容器在送料时不必遵循等间距的排列，降低工作难度。倒角的出现是为了容器能更好进入，转动工作台直径之所以小于固定工作 台，是因为在其外围固定工作台面上还要设置挡板机构以实现容器的精确定位。 3)旋转工作台多工位间歇转动功能旋转工作台的间歇转动由六位槽轮的间歇转动实现，如图所示槽轮的主动轮与电机减速后的转轴刚性连接，以1r/s的速度匀速转动，槽轮则实现60/s的间歇转动，并且在后5/6s内实现定位卡紧功能，槽轮与转动工作台同轴刚性连接，转台就实现了每秒一个工位的间歇转动。 4)各个工位的精确定位功能容器的定位功能通过转动工作台的凹槽与固定工作台的挡板共同完成。如图所示与转动工作台配合后如图: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。工作原理：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。 5)对容器的灌装封口压力结构（凸轮机构）压力封口和灌装由凸轮机构实现，如图所示凸轮的设计后面详细说明，其转速为1r/s，每转一周压板会伴随凸轮上下运动一次，压板上有一“接灌口处” ，将流体灌口直接通入并且固定，灌口的中心 位于第二工位之上并且与第二工位凹槽圆弧的圆心共线。 这样可以实现灌口与压 板的同步上下运动，控制灌口与固定工作台平面的高度可以保证灌输的质量。 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。 6)送盖，吸盖，换盖装置 换盖及吸盖装置由如图所示的零件完成转轮上每120开一孔，气泵可通入进行吸盖，封盖处的孔中心要与下面转动工作台凹槽圆弧的圆心共线，转轴处开方形孔，使转轮可以在配套的方形轴上 上下滑移，并且随着方形轴的转动而转动，初始位置如图所示。罐盖由传送带传 至吸盖口下一定距离（基本与容器口同高） ，呈紧密排列。控制转轮间歇转动的装置由图所示槽轮机构完成槽轮主动轮与电机经减速后主动轴刚性连接，转速为1r/s，使得槽轮每1s 转120进而带动与其同轴的转轮1s转动一个工位。槽轮另一表面的轴心处刚性连接一方形轴，方形轴可以与槽轮一起转动，方形轴同时通过转轮的方形孔并与其间隙配合，保重滑动的通畅。 压盖及回位的原理如图所示凸轮推动的压板与转轮上表面接触，并作用于转轮的封盖口上方，转轮随压板的上下运动而在方轴上上下滑动，并且在向上回位和远休止的过程中通过方轴随槽轮转动。控制凸轮的推程可以完成封盖的动作。 工作原理：在凸轮推程的过程中，转轮随压板而下降一定距离，封口吸有一 瓶盖，完成封盖的同时，吸盖口在瓶盖传送处吸起瓶盖，此时凸轮回程，转轮上升同时槽轮带动其转动一个工位，而后再次完成一次封盖的吸盖过程，如此往复 实现与容器同步的封盖动作。根据上述执行构件的运动形式，可绘制出该方案的机械系统运动转换功能图：3.4 运动方案总图 该系统由2个电动机驱动。电动机1带动齿轮1转动，齿轮1再与齿轮2 啮合，实现1:24的减速，此时，齿轮2一方面将此运动传给与其同轴的锥齿轮 3和销轮，锥齿轮3与锥齿轮4啮合，传动比1:1，4再带动与其同轴的凸轮转 动，为灌装、压盖机构的上下往复运动提供动力来源。销轮带动六角槽轮间歇性 转动，1s转动一个工位，转动工作台与六角槽轮同轴，进而实现了每秒一个工 位的间歇性转动。另一方面，齿轮2与等齿齿轮5啮合，与齿轮5同轴的销轮带 动三角槽轮转动，换盖转盘与其同轴，实现了换盖转盘的间歇性转动。 工作时空瓶沿传动皮带做匀速直线运动，被带入转动工作台凹槽内，工作台 旋转时，带动空瓶转至下一个工位，凹槽与固定工作台的挡板实现定位，保证灌 装和封盖的顺利进行。 工作时，工作台每转动60，凸轮旋转一周，带动压板完成一次灌装和封 盖，并且在回程和近休止的时候换盖盘完成一次120的旋转，工作台停歇时， 凸轮进入推程，压板向下运动，远休时完成灌装和压盖，同时吸盖，当凸轮回程 和近休时，工作台转动，压板的换盖盘通过弹簧回位，同时换盖盘完成120的 工位转动。如此往复。 3.5 运动循环图 该机械系统运动方案有4个执行构件需要进行运动协调设计。为了能比较直 观的表示各构件的运动在分配轴上所处的相位、起始时间和先后顺序，我们在下图所示的运动循环图中，按比例分别绘制了六角槽轮、旋转工作台、凸轮、灌装 机构、压盖机构、三角槽轮和压盖转盘的运动。由于整体机构的工作周期为6s，所以循环图中，旋转工作台每转一个工位 （60）表示1s。在这1s中，工作台在1/6s内实现工位的转换，5/6s内停歇。灌装封口机构在一次工位转换过程中，完成一次灌装及封口的动作。在工作台旋 转的同时， 凸轮回程和近休，在弹簧的回复力作用下，压板向上运动回复至原位，压盖转盘通过三角槽轮和弹簧回复力实现向上回位并旋转换位；工作台停歇时，凸轮推程，压板及压盖转盘一起向下运动，并在凸轮远休时进行灌装、封口、压盖转盘的吸盖工作。考虑到工作的安全性，为了实现旋转工作台的顺利换位，可以在安装时，让凸轮回程略微提前，工作台再接着旋转，避免瓶口和压板发生碰撞。四.尺寸设计4.1凸轮设计凸轮设计如图所示凸轮按照图的方位逆时针旋转。 联系实际生产与各部件的位置关系，设定瓶口距泵口的间距为7cm，泵口的上下间歇往复运动时凸轮的连续转动实现的， 凸轮与推杆不存在偏距，所以可知，凸轮的推程为7cm， 泵口完成一次推程和回程需在工作台停歇的时间内， 即5/6s。 要求推程时，实力缓慢平稳，并在远休时有充足时间进行指定工作，所以设定推程角200，远休角100，回程角+近休角60。 但是原来设计的凸轮轮廓含有凹角，会产生刚性冲击，对零件有很大的损害，影响精度并且减少寿命。所以综合考虑凸轮轮廓和角度，设计出推程角120，远休100，近休60，这样不但保证了这样不仅保证了凸轮轮廓的合理，还有足够的时间压盖，灌料和进行吸盖盘的旋转工作。并且在推程回程与远休的转换 处，在保证精度的同时，加入了圆角，增加适当的弧度减缓冲击，增加运动平稳性。4.2槽轮尺寸设计 此六角槽轮为带动旋转工作台实现旋 转间歇运动，由旋转工作台半径来假设六角槽轮半径100mm。圆柱销与槽轮中心线相切，槽轮两槽间夹角为60。由几何关系可求出圆柱销半径为 100tan30mm，两轮中心间距为 100/cos30mm。当圆柱销带动槽轮旋转至与中心线重 合时，假设槽轮槽宽30mm，可得出槽轮基圆半径为（100/cos30-100tan30）mm。此三角槽轮为带动压盖转盘实 现旋转间歇运动，由压盖转盘半径来假设三角槽轮半径50mm。圆柱销与槽轮中心线相切，槽轮两 槽间夹角为120。由几何关系可求出圆柱销半径 为50tan60mm，两轮中心间距 为50/cos60mm。当圆柱销带动槽轮旋转至与中心线重合时，假设槽轮槽宽6mm，可得出槽轮基圆半径为（50/cos60-50tan60）mm。4.3齿轮设计 减速齿轮1：模数1，齿数20，标准齿轮 （齿顶高系数1，顶隙系数0.25，压力角 20， ）齿轮分度圆直径d=mz=1*20=20mm 减速齿轮2、5：模数1，齿数480，标准齿轮齿轮分度圆直径d2=1*480=480mm具体参数为：z1=20，z2=480，m=21m，=20 中心距：a=m(z1+ z2)/2=1*(20+480)/2=250mm 分度圆直径：d1=m*z1=1*20mm=20mm d2= =m*z2=1*480=480mm 基圆直径：db1=m *z1*cos=1*20*cos20 =18.79mm db2=m*z2*cos=1*480*cos20=451.05mm 齿顶圆半径：da1=(z1+2ha*)*m/2=(20+2*1)*1/2=11mm da2=(z2+2ha*)*m/2=(480+2*1)*1/2=241mm 齿顶圆压力角：a1=arccos【z1cos/（z1+2ha*） 】 =acrcos【20cos20/（20+2*1） 】 =31.3213 a2=arccos【z2cos/（z2+2ha*） 】 =acrcos【480cos20/（480+2*1） 】=20.64 基圆齿距：pb1=pb2=mcos=3.14*1*cos 20=2.95mm重合度：a=【z1(tana4-tan)+z2(tana5-tan)】/2 =【20(tan31.3213-tan20)+480(tan20.64-tan20)】/2 =1.75 a1 可连续传动锥齿轮3、4:模数3，齿数90，标准锥齿轮 齿轮比1:1啮合，可以连续传动。 论证过程同上。4.4其他机构尺寸设计 旋转工作台半径为300mm，假设瓶子直径为80mm，工作台中心距瓶心220mm。 瓶高250mm，固定工作台与旋转工作台间距为150mm，吸盖转盘厚度30mm，压盖滑 - 16 - 块长度为160mm，压盖滑块距瓶口100mm。由此可得出凸轮推程为70mm，压盖转盘半径为100mm，瓶盖直径20mm，盘心至吸瓶盖中心为70mm。弹簧在自由状态下长度为100mm，最大压缩量为80mm。五、方案二 5.1功能逻辑图和功能原理解图 灌装机各执行机构包括实现转台间歇转位的转位机构，实现输瓶、灌装、送盖、压盖、卸瓶运动的机构。各执行机构必须满足工艺上的运动要求。此方案执行构件的功能逻辑图如下图所示：根据机械系统运动逻辑功能图，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。现述方案为本组的第二方案，其功能原理解如下图：根据给定题目，我组选定方案1为主要设计方案。根据1给出的参数，电动机转速为1440r/min,灌装速度为10r/min，转盘转一周6s。得出如下计算：10*6/60=1罐/s。即就是说，60度一个工位耗时1秒。在这1秒钟内完成定位和 相应的工位功能。方案二采用不完全齿轮定位和传动，经过充分考虑讨论，转盘上的从动轮采用54齿完全齿轮，主动轮采用9齿不完全齿轮，不完全齿轮中齿数分布占齿轮的1/3。通过对工作台尺寸，作用力大小等因素的考虑梁齿轮的模数均为2.如此恰好使主动轮转一圈从动轮转60度一个工位。设定从动轮的转速 为1r/s，则转盘完成一个工位工作定位时间为1/3s,工作时间为2/3s，也就是说灌装和封盖工作都在这2/3s内完成。 5.2工艺动作分解 针对本次设计要求，经过小组讨论思考我们得出了第二个设计方案。 1).减速装置 通过对于设计要求的综合分析，从电动机开始到工作装置的变速过程依然选择方案一方式。 电机同时要带动凸轮，旋转工作台，封盖旋转工作台，做转动。对于旋转工 作台，通过计算旋转工作台的转速为6r/s。由于旋转工作台有六个工位，所以 主动轮的转速为1r/s，电机转速为1440/60=24r/s，因为考虑到旋转工作台只是 推动容器在固定工作台上做滑动，受力及做功并不大，再加上尽量使机械结构较 为简单，这一级的变速直接采用蜗轮蜗杆的减速传动，传动比为1:24。关于灌口机构我们仍然采用凸轮机构，通过计算凸轮也是1r/s。可以电机经 过减速后运动要通过无减速连接同时传输给凸轮的转动轴，但是考虑到凸轮为主要施力装置，蜗轮蜗杆的传动由于机械效率较低导致能量的流失，故可以考虑使 用直齿圆柱齿轮的啮合减速装置。 封盖和吸盖装置采用曲柄滑块机构实现，要求其封盖和吸盖机构每1s完成一个周期，减速可以通过齿轮系获得但是机械效率比较低，所以可以同样通过使用直齿圆柱齿轮的啮合减速装置。吸盖和封盖机构曲柄动力通过与同速齿轮同轴获得。2)容器的输入装置 图一为转盘机构俯视图，图二为主视图。 旋转工作台如下图示，进料口采用摩擦轮的摩擦挤压进入旋转机构的槽口，后由旋转机构旋转带动其转动。旋转一个工位之后，到达灌装位置和压盖位置后，依靠固定工作台上的凸起部分进行定位，凸起部分与容器紧切保证容器精确定位。 3)基本工作原理 电动机经多级减速之后将动力传递至旋转工作台，使旋转台保持平均 10r/min的转速。灌装容器经传送带送至旋转台进入，经工作台与传送带之间摩擦轮摩擦和挤压进入旋转机构槽口。传送带以固定速度匀速运动，摩擦轮通过电动机减速之后通过与齿轮固连达到2r/s。因为旋转台转动速度为1秒一工位，因此摩擦轮的速度要相对较大一些，保证不会有空位。 旋转工作台的间歇运动通过不完全齿轮完成， 转盘上的从动轮采用54齿完全 齿轮，主动轮采用9齿不完全齿轮，不完全齿轮中齿数分布占齿轮的1/3。通过 对工作台尺寸，作用力大小等因素的考虑梁齿轮的模数均为2.如此恰好使主动 轮转一圈从动轮转60度一个工位。设定从动轮的转速为1r/s，则转盘完成一个 工位工作定位时间为1/3s,工作时间为2/3s，也就是说灌装和封盖工作都在这 2/3s内完成。图一 旋转工作台俯视图图二旋转工作台主视图灌装机构与方案一雷同采用凸轮机构，不再多叙。封盖机构和送盖机构采用 曲柄滑块机构。曲柄的速度皆为1r/s，为了实现将曲柄演化成齿轮机构。如图，将曲柄滑块机构的运动分化成四个部分，当压盖机构压盖时候送盖机构退回到最远，如此类推当压盖机构升至最高吸盖时，送盖机构运动至压盖机构运动路线上实现吸盖。假设盖子的直径为2cm，吸泵的直径为1.5cm，压盖机构走过的路线孔直径为2.2cm。压盖曲柄长度为3cm，送盖曲柄长度为2.2cm。当吸盖机构升 至最高吸盖时，送盖机构深入最长吸盖泵与送盖机构上的盖中心同轴。送盖机构 略微倾斜每次通过惯性使盖深入底部，送盖机构上的盖通过传送带不断补给。如图三图三送盖机构压盖机构灌装容器灌装封盖完成之后，由固定工作台底部导路转出至传送带上。至此旋转灌装认为全部完成。六、机构的选择与比较 6.1 传动机构的选择与比较在方案一中： 我们选择了齿轮为减速装置。在此主要是考虑到：蜗轮蜗杆的传动功率小，损耗功率大。且在传动中啮合面易磨损。传动比大，会自锁。若采用皮带轮传动 虽然传动比较平稳，结构也相对简单，制造和安装精度不像啮合传动严格，且中 心距调节范围较大。但是皮带轮传动过程中传动有弹性滑动和打滑，传动效率低 和不能保持准确的传动比，皮带轮的寿命较短。而齿轮传动的传递功率大，传动效率高，传动比大并且精确，机构所需空间较小，使用寿命长，可靠性强。综合分析，我们采用齿轮啮合传动实现传动减速装置。 在方案二中: 虽然蜗轮蜗杆有上述缺点，但是传动平稳，啮合冲击小，且蜗杆的齿数少，单级传动可获得较大的传动比。所以我们采用蜗轮蜗杆来实现传动减速。6.2执行机构的选择与比较 方案一中：在带动工作台做间歇旋转运动时，综合各种间歇运动机构，我们采用槽轮机 构来实现，在此我们根据旋转工作台的形状采用六角槽轮。它构造简单，外形尺 寸小，机械效率高，并且能较平稳地进行转位，虽然存在柔性冲击，但是在此系 统中不需要大载荷，所以采用它。 在压盖吸盘的间歇旋转运动中，通过对压盖吸盘的设计来决定用三角槽轮。在实现灌装压盖的往复直线运动时，我们采用凸轮的旋转，利用凸轮的推程 来实现。凸轮的转速可以与工作台的转动动力源一致，以便速度的同步可以精确控制。而通过设计凸轮的推程角，远休角，回程角，近休角来实现各角度对应执 行构件的动作。并且凸轮的推程可以通过具体的工作构件得出。在传输空瓶与瓶盖时采用皮带传输，传动平稳，并可让空瓶保证一定的间隙。它相对于其他的装置简单很多。方案二中：在带动工作台做间歇旋转运动时，我们采用不完全齿轮机构来实现。它工作更可靠，传递力大，但是从动轮转动和停歇的次数，时间，转角大小等变化范围较大，但是难加工。在实现灌装功能时，我们采用与方案一相同的凸轮来完成，但是可以调节凸轮的远休来确定灌装时间的长短。在实现压盖的往复直线运动时，我们采用曲柄滑块。控制凸轮和曲柄的转速一致来保证与工作台旋转停歇配合。但是用曲柄滑块压盖，冲击力较大且对连杆 强度要求较高，相对方案一较为繁杂。在传输空瓶时采用同样皮带传送，在空瓶入口时采用摩擦轮卷进。但是此设计对于摩擦轮的要求较高，若摩擦轮转速不够或者摩擦力不足则难以完成输入任务；不过送料传送带上灌装容器不要求固定，可以减少前期工作量。在出口时， 使用导路使灌装完成的容器顺利进入传送带。七、方案小结 原方案采用了蜗轮蜗杆的减速机构，但是考虑的传输效率问题，改为变速机 构采用一级直齿圆柱齿轮的减速，但是机构尺寸较大，在实际情况中可能因为受力等原因，导致传动的不通畅或者零件的快速磨损，改进时如果采用多级齿轮变速会减轻这一问题。 三位间歇转动的换盖系统机构较为