旋转型灌装机——机械原理课程设计教材

1、JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY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：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1. 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

2、 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。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 7。表 7 旋转型灌装机技术参数方案 号转台直 径电动机转 速灌装速 度mmr/minr/minA600144010B550144012C500960101.2 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

3、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

4、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固定工作台1传送带转台入 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

5、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： 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图 2-2 所示：图 2-22）功

6、能原理的工艺过程分解；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1，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

7、序地传送到旋转工作台工位1，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=2 /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

8、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 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。图 2-8 凹槽定位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，

9、 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

10、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： 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

11、有被夹紧，只要旋转工作台转动， 则容器跟随其一起转动。图 2-10 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 2-12 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

12、盖。图 2-12 斜台夹紧示意图比较上述三个方案，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

13、 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。 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 2-13 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。图 2-14虽然连杆机

14、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。 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 2-15 对心曲柄滑块封口压盖 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 2-16 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 挡，同时 器是随着 转工作台 起旋转的 在合成力 作用下， 器被带至 出传送带上，进而传送到下个加工工位。3旋转

15、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 3-1 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

16、述： 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。 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。 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

17、灌装。 齿轮 21传递给齿轮 22，齿轮 22又传给齿轮 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。 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

18、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 1min 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/min 。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， 我们设计了如下直线式动循环图图 3-3 和直角坐标式运动循环图图 3-4 ：图 3-3 直线式动循环图6 原动机的选择：本方

19、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：特点寿命应用齿轮传 动承载能力和速度范围大；传 动比恒定，采用卫星传动可 获得很大传动比，外廓尺寸 小，工作可靠，效率高。制 造和安装精度要求高，精度 低时，运转有噪音；无过载 保护作用取决于齿 轮材料的 接触和弯 曲疲劳强 度以及抗 胶合与抗 磨损能力金属切削机床、汽车、起 重运输机械、冶金矿山机 械以及仪器等蜗杆传 动结构紧凑，单级

20、传动能得到 很大的传动比；传动平稳， 无噪音；可制成自锁机构； 传动比大、滑动速度低时效 率低；中、高速传动需用昂 贵的减磨材料；制造精度要 求高，刀具费用贵。制造精确， 润滑良好， 寿命较长； 低速传动， 磨损显著金属切削机床（特别是分 度机构）、起重机、冶金矿 山机械、焊接转胎等带传动轴间距范围大，工作平稳， 噪音小，能缓和冲击，吸收 振动；摩擦型带传动有过载 保护作用；结构简单，成本 低，安装要求不高；外廓尺 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，带的寿命较短带轮直径 大，带的寿 命长。普通 V带 3500-50

21、00h金属切削机床、锻压机床、输送机、通风机、农业机 械和纺织机械轴间距范围大；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等链传动能力，工作可靠；作用在轴上 的荷载小；运转的瞬时速度不 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h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

22、。具体设计示意图及参数如下：1、 2 为皮带轮： i12 3。3、 4、5、 6 为齿轮： z3=20 z4=100 z5=20 z6=80i34=z4/z3=100/20=5i56=z6/z5=80/20=4所以轴转速 480r/min, 轴转速为 96r/min, 轴转 速为 24r/min.齿数模数分度圆直径 d传送比 i压力角带轮 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

23、图如图 3-5 所示。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=3 3 3 22 3 3 3=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。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：设定的数值： 容器高度 h1为 200mm; 活塞运动范围 S 为 40mm;105mm; 推杆和活塞总 长 L 为 滚子直径 d

24、=10mm; 容器顶部距离活塞最近距离 l 为 10mm;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 400mm。以下为凸轮的具体设计过程： 一我们设定凸轮的数据如下： 基圆半径 r 0=45mm 滚子半径： r t=5mm 行程： S=40mm 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= 29.3571108729986 30 回程最大压力角： max02= 29.3571108729986 30 运动规律的选择， 为了减少刚性和柔性冲

25、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 sine acceleration curve） , 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：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： 0 60为近休止运动阶段，升程为 0mm，静止运动规 律； 60 180 为推程运动阶段， 升程为 40mm，摆线运动规 律； 180 240 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 -4

26、0mm，摆线运动 规律。将上述数据输入软件如下图所示：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：5、软件导出的部分数据如下：用Slidworks 绘制凸轮轮廓注： 先启动 Solidworks ，打开一张零件图，再点击此键。基圆半径偏心距滚子半径最小曲率半径升程最大压力角回程最大压力角计算点数45054529.3571108729.35711087726、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 活塞的运动规律如下：9 旋转工作台间隙运动机构的设计：由

27、于要求灌装速度为 12r/min ，因此每个工作间隙为 5s，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，故由此设计如下槽轮机构，完成间歇运用， 以达到要求。 槽轮转台每转动 60用时 5/6s ，停留 25/6s ，运动规律如图 3-6 所示。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：从动槽轮15如图所示 六个径 槽，并且动槽轮的2r/min; 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：

28、 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 1，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：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： 链轮 8

29、和 18的齿数 Z8=24，Z18=72，模数 m=2mm, d8=48mm，d18=144mm;i8 18= Z18/ Z 8=3,n 8=24r/min, n 18=8r/min;链轮 8和 18的齿数 Z8=24，Z18 =72，模数 m=2mm, d8 =48mm， d18=144mm;i8 18= Z18 / Z8=3,n 8 =24r/min, n 18=8r/min; 链轮 19和20的齿数 Z19=60，Z20=40，模数 m=2mm, d19=120mm ， d20=80mm;i1920=Z20/Z19=2/3,n 19=8r/min, n 20=12r/min;3）系统中锥齿轮的设计：轴转速为 24r/min, 轴转速为 12r/min, 固 i 7 9 =2：1，设计锥齿轮 7，9 的齿数为 30， 60，模数为 2mm，则直径为 60mm,120m。m4）系统中灌装和封口压盖处齿轮的设计：如图所示齿轮 21 带动齿轮 22 转动，与齿轮 22 同轴 的 22带动齿轮 23，从而实现齿轮 23 上曲柄