冷霜自动灌装机

1、机械原理课程设计说明书冷霜自动灌装机学 院：专 业：机械设计制造及其自动化班 级：姓 名：学 号：指导教师： 成 绩：日 期：年 月曰目录1. 工作原理及工艺动作过程12. 原始数据及设计要求 13. 设计过程14. 运动循环图 25. 机构选型 46. 机械运动方案的评定与选择 97. 拟定机械传动方案 158. 机械运动简图 159. 运动尺寸计算及分析1610. 参 考 书目2511.25冷霜自动灌装机设计说明书1、工作原理及工艺动作过程冷霜自动灌装机是通过出料活塞干上下往复运动实现冷霜灌装入盒内。其主要工艺动作 有：1) 将空盒送进六工位盘，利用转盘间歇运动变换不同工位；2) 在灌装工

2、位上空盒上升灌入冷霜；3) 在贴锡纸工位上粘贴锡纸(利用锡纸下降)；4) 在盖盒盖工位上将盒盖压下；5) 送出成品。2、原始数据及设计要求1) 冷霜自动灌装机的生产能力： 60盒 min。2) 冷霜盒尺寸：直径 D=3Z 50mm高度h=1015mm3) 工作台面里地面的距离约 11001200mm4) 要求机构的结构简单紧凑，运动灵活可靠，易于制造。3、设计过程1) 按工位动作要求拟定运动循环图。四个基本运动：1. 输送带的连续运动；2. 六工位盘的间歇转动 ;3. 灌装顶杆的往复运动 ;4. 贴锡、压盖压杆往复运动。5. 送出成品。运动循环图：运动循环图的设计 :2) 灌装、贴锡、加盖工艺

3、流程：a) 空盒通过输送带至六工位盘位置1 。b) 六工位盘做间歇转动，每次转动60，转动是其他机构不执行动作。c) 当转盘停止时，灌装顶杆上升至工位 2 进行灌装，同时贴锡、加盖压杆远休结 束后进行工艺动作。d) 灌装机构达到顶端完成灌装后回到初始位置，同时贴锡、加盖杆升到高位，一 次循环结束。3) 工艺过程的执行构件：a) 送料机构：该机构主要是实现输送带的连续运动，把空盒送入工位，并将成品 输出。b）槽轮机构：它是在轴 II 上通过变向连接槽轮，带动六工位盘实现间歇运动。c）灌装机构：该机构有固定在轴 I 上的直动推杆凸轮机构组成，通过高低往复运 动实现灌装动作。d）贴锡、加盖机构：又凹

4、槽凸轮和压杆及压杆上固定的贴锡、加盖部件组成，通 过高低往复运动，一次性完成两个动作。4）各执行构件的运动协调：a）协调原则：输送带是连续运动，且它置于六工位盘1、5 工位下面，既不能于工位盘发生摩擦，也要求它不干涉其它几个机构的完整运动，所以传动轮尺寸 要求有限制。六工位盘间歇时要实现三个执行动作，设计凸轮尺寸不应太大， 各动作之间应互不影响，一个是上升、下降，一个是下降、上升，六工位盘转 动时，它们不进行任何动作。各构件要准确定位，以免回撞到其它构件。定标构件的选择：设计时下边两根轴转动同步，但转向相反，选择轴 I 为定标构 件，六工位盘开始转动时为运动循环图的起始点。b）计算机械运动循环

5、周期：因为生产率Q=60盒/min，所以周期T=60s/60=1s，此时定标构件对应分配轴转角=360。c）T时间个执行构件的行程区段：输送带区段：连续传动（ 0360）。六工位盘区段：六工位盘的转动盒停歇，所占时间比：K=（z-2）/（z+2）=（6-2）/（6+2）=1： 2，所以在一个循环周期内，六工位盘 1/3（120）时间转动， 2/3 （240）时间停歇。灌装顶杆行程区段：1 = 1 20（停）、 2=90（上升）、 3=60（停）、 4=90（下降）。贴锡、加盖机构行程区段：1=120（停）、2=90（下降）、3=60（停）、4=90（上升）。d）绘制运动循环图：1.圆周式循环图

6、：2. 直线式循环图:顶输转压压动上”/杆 止/1/J-1 127 C； 顶I / I杆 杆执行机构1:送料机构连续运动执行机构2:槽轮机构转 动停歇执行机构3:灌装机构停上升停下降执行机构4:贴锡、加盖 机构停下降停上升分配轴转角OOOOO0120210270360选型:转盘间歇运动机构凸轮式间歇机构：优点：结构比较紧凑，定位可靠，精确。可以通过选择适当的从动盘运动规律来减小 动载荷，避免刚性冲击和柔性冲击，承载能力高。可用于大扭矩的间歇运动场合，分度范 围大，使用范围广，设计上限制较少，可以方便地实现各种运动规律。缺点：凸轮工作曲面复杂，加工难度大，成本高。从动盘的加工也比较困难，而且装

7、配调整要求严格，因而经济成本较高。加之若分度数超过24时，预紧易卡死，该机构的优势变得不明显，故舍去。不完全齿轮：a)优点：结构简单，工作可靠，容易制造。与其他间歇机构相比，其从动轮每转一周的 停歇次数，运动和停歇的时间比例，可在较宽广的范围内调节。缺点：啮合传动的开始和终了时，速度有突变，且加速度也不连续，故冲击较大，运动不平稳，连续，故舍去。槽轮机构：优点：结构简单，工作可靠，容易制造。转位迅速，其机械效率高，故能平稳地，间 歇地进行转位。缺点：其运动规律不能选择，调节性能差，在拨销进入和脱出槽轮时会产生柔性冲 击，故常使用于速度要求不太高的运动中，我们所需要设计的冷霜自动灌装机中的六工位

8、 转盘转速为6每秒，转速不高，此缺点可以忽略，故比较合理，因而选用此机构。空盒上升机构曲柄滑块机构：优点：就其理想的运动特性来说，此机构完全能实现直线往复移动。如果连杆设计得 当，此机构具有传递平稳运动精确的优点。缺点：由于连杆机构的运动链较长，各运动副的运动误差可能会引起机构较大的误差累积，特别是当运动副磨损之后，运动副间隙难以补偿。而且由于运动副尺寸过大，会导 致机构体积增大，故舍去。几何封闭凸轮机构：优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各项预期的运动规律， 而且机构简单紧凑，机构可承重较大，运动平稳。缺点：凸轮廓线与推杆之间为点线接触，易磨损，不能较好的缩短空程的时间，

9、影响 效率，故舍去。直动滚子盘形凸轮机构优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各项预期的运动规律， 而且机构简单紧凑。缺点：凸轮廓线与推杆之间为点线接触，易磨损，但是综合比较之下，这种机构最为 合适。贴锡纸压盒盖机构连杆、凸轮组合机构：优点：力均衡，传动精确，动力充足，安全可靠。缺点：机构复杂，所占空间大，不利于设计制造。故舍去曲柄推杆机构:优点：结构简单，制造容易，省材，压力小，承载能力较大，磨损小。缺点：易产生惯性力，无间歇运动。故舍 _直动滚子推杆封闭式凸轮机构:匚f-优点：结构简单，传动精确，可靠。可满足使用要求。缺点：易磨损，制造较一般凸轮难，但是综合比较之下，这种机

10、构最为合适。机械运动方案的评定与选择：三种方案的比较参 数,电动机(r/mi n )动力传递减速装置轴的选取六工位转盘空盒 上升 装置贴锡纸压盒盖装置，I1500窄V带2K-H行星轮 系两根槽轮机构直动 滚子 盘形 凸轮 机构直动滚子 推杆封闭 式凸轮机 构n1500轮系轮系一根几何 封闭 凸轮 机构曲柄推杆 机构出1500轮系轮系两根连杆 机构连杆、凸 轮组合机 构方案I说明:1.电动机2. 2K-H行星轮系7.窄V带传输14.槽轮机构11 12.锥齿轮19 20.直动滚子推杆封闭式凸轮机构22.皮带24.空盒25.灌霜机构31 33.锥齿轮万案一7方n： 方案口说明1. 几何封闭式凸轮机构

11、2. 输送带3. 冷霜盒4. 凸轮式间歇运动机构5. 冷霜6. 六工位盘 7.曲柄贴锡、压盖机构8. 传动轴9. 变向传动机构10. 变速机构11. 电动机万案F面是左视图: /、 /rfj/方案川：方案川说明：对方案的可行性分析A、该方案主要由四个机构来实现预定功能1传动功能电动机变速箱 直齿圆柱齿轮 蜗杆和锥齿轮2、顶杆机构圆柱齿轮直动平底推杆盘型凸轮机构3、灌霜机构齿轮连杆4、压盖机构凸轮弹簧连杆B对方案中四种机构的替换1压盖替换可用导杆机构或曲柄滑块机构2、压顶两用式3、顶杆替换可选用移动凸轮C系统说明电动机启动后，通过变速箱变速后，再带动两基轴的转动，其中轴A上装有蜗杆，变换转向，与

12、不完全齿系连接，完成六工位盘的间歇式运动，轴A上也装有一凸轮。它带动连杆，利用杠杆起到压盖效果。B轴另一端为一锥齿轮，它与顶杆机构的底端圆柱齿轮相连。而圆柱齿轮上又焊接有凸轮，凸轮上又平底推杆可将空盒抬起，与此同时，与上圆柱 齿轮相连接的另一个圆柱齿轮上焊有连杆，这样便可实现在定顶杆上举空盒与冷霜下降的动作相配合。D方案评定通过对该机构各方面的观察发现，至少存在以下几个方面的问题：1、利用连杆对冷霜下降量进行控制不能很好的满足恐吓要求。2、在轴的传动面，B轴使用锥齿在顶端与圆柱齿轮啮合。一方面由于题目中要求效率为 60盒每分钟，恐难实现；另一方面，在传递的平稳性以及易制造性方面欠缺考虑。3、压

13、盖的受力情况，利用凸轮完成压盖工作，但用力不能过大，盒底垫有传送带，带 速较高，不能保证不会倾倒。4、通观整个系统，不是很协调，在构件的配合与布置上还应改进。在电动机的选择过程中，通过对该机构进行功率初步计算，确定选择转速为1500r/mi n的电动机完全可以满足工作要求，而且在同等输出功率的情况下，选择电动机的转速越高，其尺寸和质量也就越小，价格也越低，综合比较之下应选用n=1500r/min的交流异步电动机是可以满足设计要求的。在动力传输时，既可以选用由一些标准直齿轮构成的轮系进行动力传递，也可以选用 皮带传输。轮系在进行动力传递的同时还可以起到减速作用，传动比恒定，精确，传动效 率高，使

14、用寿命长，但是远距离的传递需要多个齿轮啮合，从而加大了制造成本和整个机 构的重量，从经济性和实用性考虑是不合理的。而相比较之下的皮带传动，传动平稳，噪 音小，可缓冲和吸震，但是它传动效率低，寿命较短。考虑到它加工制造成本较低，故优 先选用 V带传动。在获取适应于此机构所需转速所需用的减速装置的选取上，可以选择直齿轮系，也可 以选用行星轮系。由于行星轮系具有易获得较大传动比，而且所需要的齿轮数较少等明显 优点，故在此设计中选用 2K-H行星轮系完成第一次减速。在减速装置的确定上，本设计采用两次减速，一次是通过2K-H行星轮系实现i=5的减速，；另一次是通过皮带轮在传递动力的同时完成i=5的减速，

15、通过两次减速，从而获得所需要的传动比。在轴的选取过程中，开始本打算选用一根轴，将两个凸轮和两个齿轮全部安装在上 面，后来考虑到其承载能力和使用寿命，改为两根轴，一根上面安装凸轮和齿轮，另一根 轴上也一样。两根轴之间采用完全相同的两个标准直齿齿轮啮合来完成动力传递，而不采 用皮带传送的原因同上，因此为了获得较平稳，准确的传动，在轴的选取上采用完全相同 的两根轴。在实现六工位转盘机构的间歇转动工序中，有槽轮，不完全齿轮及凸轮式间歇机构可 以选取。由于不完全齿轮啮合传动的开始和终了时，速度有突变，且加速度也不连续，故 冲击较大，运动不平稳，连续，故在此处不合适。凸轮式间歇机构凸轮工作曲面复杂，加 工

16、难度大，成本高。从动盘的加工也比较困难，而且装配调整要求严格，因而经济成本较 高。从经济性角度考虑，舍去。而对于槽轮机构，它在克服上述缺点的基础上，具有结构 简单，外形尺寸小，机构效率高，并能够稳定的，间歇的进行转位，而且转位精确性较 高，虽然存在柔性冲击，但是由于在此处应用时对转速要求不高，故此缺点可以忽略，相 比较之下，应该选用槽轮机构。在实现空盒上升工序中，选用凸轮机构，是因为此处灌装是为了配合六工位转盘的工 作，必须有精确的运动规律，而凸轮机构的最大有点就是只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各项预期的运动规律，而且机构简单紧凑。在此设计中选用余弦运动规律的凸轮。相比较之下

17、的连杆机构，占用的空间面积比较大，运动规律不容易把握，而且具有急回特性，故选用凸轮机构。在实现贴锡纸和压盒盖两道工序时，本打算选用两个凸轮，各自单独工作，后来觉得选用一个凸轮，就可以同时完成这两道工序，而且运动比较协调一致，从经济性和使用性考虑，选用一个凸轮，其具体装置见选型中。拟定机械传动方案：电动机带动齿轮 4以1500r/min的速度转动，由2，3，4，5组成的2K-H行星轮系进行 适当的变速，从输出端行星架 5输出的速度是300r/min，进入到窄V带传动，由带传动将 速度变为60r/min，在皮带轮8处的速度即为60r/min。动力的传递选用两根轴17和34，它们之间采用完全相同的锥

18、齿轮9和10，以保证转动完全一致。在轴 34上安装了一个锥齿轮 11，它与锥齿轮12进行空间换向，为六工位转 盘的槽轮机构提供动力，保证60r/min。在轴17上安装了一个具有正弦运动规律的凸轮机构18,它负责完成空盒上升灌入冷霜这道工序的实现；在轴17上还安装了一个直动滚子推杆封闭式凸轮机构19,它负责同时完成贴锡纸和压盒盖两道工序的完成。具体工作过程为：传送带 22以均匀的速度进行水平运动，将空盒由上料口运送到工位1处，靠摩擦力的作用将空盒加压进入工位1，此时凸轮18恰好完成近休阶段，开始进入推程阶段，将空盒顶起，在远休阶段完成灌霜。此时槽轮机构处在间歇期，时间为5/6s，灌霜完成后凸轮1

19、8马上开始进入回程阶段，将空盒送回工位1之后进入到近休阶段，在这5/6s里，负责完成另外两道工序的那个直动滚子推杆封闭式凸轮机构19也完成推程，远休和回程这三个阶段，完成贴锡纸和压盒盖两道工序。在这些工序都完成之后，槽轮又开 始转动，时间为1/6s，在这段时间内，两个凸轮都处在近休阶段。当完成以上三道工序后，随着槽轮的转动至5工位，已经形成成品了，在皮带摩擦力的作用下被送出，生产效率理论值为60盒每分钟。机械运动简图：（见附件）运动尺寸计算及分析:电动机的选择：从机构所要实现的运动要求着手。每秒生产一个成品，这样要保证六工位盘在一秒内完成停止转动两个动作。经过考虑，在运动循环图中，将停止时间定

20、为2/3秒，六工位转动的时间则为1/3秒，六工位盘与从动槽轮同轴，有相同的运动情况，故主动拨盘转动2/3圈所用的时间为1/3秒。它的转速可以求出，（2/3）r/ （ 2/3）s=1 r/s。通过轴之间的传速关系，不难看出，两根主轴利用锥齿轮变向后，转速仍为一圈每秒。再加上皮带传动，周转轮系两个小系统的变速（它们的变速比均为5: 1），可得电动机的转速为:1 x 5X 5=25r/s=1500r/min。 电动机类型和结构形式的选择：电动机主要有 Y、YZ、YZR系列，无特殊需要，一般选取Y系列的三相交流异步电动机；而YZ、YZR系列一般用于频繁启动，制动和换向，具有较小的转动惯量和较大的过载

21、能力。我们所设计的冷霜自动灌装机对于工作无特殊要求，选用Y系列三相交流异步电动机。 电动机功率的确定：工作所需功率 Pw=Fv/1000KW=1700*3.925/1000=6.63KW电动机至工作机的总效率为n=n 1* n 2* n 3=0.98*0.96*0.94=0.884所需电动机的功率 Pd=Pw/n =7.52KW。 电动机转速的确定：参考机械设计手册可知，电动机在同一额定功率下有几种同步转速可供选用，同 步转速越高，尺寸重量越小，价格越低，且效率越高。设计时可优先选取同步转速为1500r/min 和1000r/min 的电动机，在我们的设计中，选用n=1500r/min 的电动

22、机。5、电动机型号的确定：电动机确定型号时应该满足下列条件：P K*Pd KW.查表选取Y132M-4型电动机，其具体参数如下所示电动机型额定功率满载转速同步转速起动转最大转电动机外形尺寸号/KWr/minr/min矩矩/mmY132M-47.5144015002.22.2515*280*315与同类电动机比较，选取功率为P=7.5 KW。行星轮系（负号）传动比的计算:2K-Hm=2.5 z1=40 z2=60 z3=160Hil3=1-i!Hz3z1.=1+空=1+直=5hiH z1 40V带传动的设计及参数选择:1. 确定计算功率 d( Kvy：ca查表得工作情况系数 Ka = 1.3pc

23、a= KaP=1.3*7.5 = 9.75KW2. 选择带型：由于 pca = 9.75KW,小带轮转速 ni = 1500r/min，确定选用 SPZ型。3. 确定带轮基准直径：查表取主动轮基准直径 Dl = 50mm根据公式i = 卫 -D2 ,从动轮基准直径为D1n2 D12500mm验证带的速度 V=n D1 n1/60/1000=3.925带的速度合适。4. 确定窄V带的基准长度和传动中心距：根据0.7 (D1+D2 V a V 2 (D1+D2，初步确定中心距 a =550mm0 0根据公式计算所需的基准长度： 2Ld=2a o+n /2 (D1+D2 +D2-D1 /4 a 0=

24、1589.182mm查表选取带的基准长度Ld =1400mm计算实际中心距 a=a+ ( L - Ld)/2=455.409mm中心距可调范围：=a+0.03maxLd=497.409mmamin =a-0.015 Ld =434.409mm5. 验证主动轮上的包角 a1：a1=180 - ( D2-D1)/a*57.3 =154.8 120主动轮上的包角合适。6. 计算窄V带的根数乙由式子知 Z= pca / ( po +A po ) 品 k，由已知条件查表得 p =3.26KW, p=0.23KW kz=.93， ki=.96，于是 z=3.26，取 z=4 根。7. 计算初拉力 F 0

25、：2F0=500Pca/zV(2.5/ kz-1) +qV ，带入数据算得 F 0=547N。8. 计算作用在轴上的压力 Q：Q=2*z F 0 sin(a1/2)=4271N 。轴的相关计算：一、轴的测定 轴的设计包含材料，确定结构和计算工作能力(强度刚度震动稳定性)等内容。一般步骤是：选择材料，轴径概略计算，结构设计，强度校核，刚度校核，震动稳定性计(高速转轴)。I .本系统的轴材料主要采用45号钢。它的机械性能为：正火热处理，毛坯直径d为25100mm硬度170207,拉伸强度限b B 600拉伸屈服限b s 300弯曲疲劳限b -1 240扭转疲劳限t -1 140N/ mm2)n a

26、按扭转强度进行计算：对于实心轴，其强度条件式：33=T/WP= (9550* 10 *(P/n) ) /0.2 d(单位：MPaC );改成计算轴的直径的设计计算公式为：d 3 T/0.2 =3 9550 103 /0.2 x 3 p/n=c3p/n (mm)对于 45 号钢，C=107118 (=40 30 N mm2 )。d 3 7.8/1500 x 112=19.403b.按扭转刚度进行计算：川.圆柱轴扭转角$:23_ _4=TI/G I =9550 x 10 x p/n x l/G n d /32(rad)2取钢的剪切弹性模量 G=81000 N/ mm d ( 91108)d 91

27、1084 p/n (mm)=27.122mm轴承的选择滑动轴承和滚动轴承都可用于支撑轴及轴上零件，以保持轴上的旋转精度，并减少转轴与支承之间的摩擦和磨损。滑动轴承在一般情况下摩擦损失较大，使用维护和润滑也比 较复杂，而且对实际系统的分析所需启动力矩不大，轴向尺寸小。承载能力和抗冲击能力 不必太大。也没有剧烈冲击震动。所以选用滚动轴承。要选择合适的轴承，必须知道的参数为，锥齿轮上的圆周力，径向力，轴向力。轴颈直径我们采用 d=40mm轴承转速为 60r/min，工作稳定，它预期的寿命为20000小时。采用角接触轴承，先确定轴承型号。执行构件(槽轮相关参数的确定)：1. 由于六工位要实现每次60较

28、的间歇转动，所以，槽数设为z=6。2. 圆销数n的选择：在实际工作中，我们所要达到的运动效果为在六工位盘停止转动的时间内完成灌霜、贴纸，压盖三道工序。因此，应使停止的时间长于转时。即保证k v 0.5，但不应太短。若拨盘上均布n个销则一周内槽轮被播n次。若拨盘上均布n个销，则一周内槽轮被拨n 次，运动系数是单销的 n倍。k=n (1/2-1/z ) 1nW 2z/（z-2）因为 z 已等于 6，可得 n=1 或 2 或 3。当 n=1 时，k=1/2-1/z =1/2-1/6=1/3当 n=2 时，k=2X 1/3=2/3当 n=3 时， k=1出于产品的实际考虑，选 n=13应用比较广泛的外

29、槽轮（径向槽均布）4. 利用书上公式，试求出加速度与角加速度的最大值。5. 计算几何尺寸。拨盘轴的直径 d1 与槽轮轴直径 d2 的限制条件。22/ 严(cos a -入)/ (1-2 入 cos a +)/2 =入(212-1 ) sin a / (1-2 入 cos2a+)代入求得最大值22=入(1-入)/(1-2 入 +)=入/1-入11入=R/L22-1) sin a /(1-2 入 cos a +2=入(21）。6. 利用C程序完成对角加速度最大值的求解。它将最为一个应力合格与否的判断条件:#include math.hmain()int i,j;float w120,a120,c=

30、1.5,b,d,e;float pai=4*atan(1.0);printf(jiaodu jiaosudu jiaojiasudun);for(i=3;i360;i+)b=pai/180*i;wi/3=c*(cos(b)-c)/(1-2*c*cos(b)+c*c); ai/3=c*(c*c-1)*sin(b)/(1-2*c*cos(b)+c*c)/(1-2*c*cos(b)+c*c);printf(%d%f%fn,i,wi/3,ai/3);/* 找出最大值 */d=w0;e=a0;for(i=0;id)d=wi;for(j=0;je)e=aj;printf(max: a%d=%f,w%d=%

31、fn,j,e,i,d);getche();槽轮运动分析角速度角加速度角度凸轮相关设计：图轮廓线的绘制1L6、位移曲线:位移曲线角度移位移曲线7、加速度曲线:加速度曲线806040度20速 加0-40-60-80加速度曲线角度附：凸轮程序#in elude main ()int i;float r0=100,rr=20,x,y,s,dxd,dyd,dsd,x1,y1,h=50,s1,s2,cos0,si n0;float pai=4*ata n(1.0),w;prin tf(x1 y1 s s2 n);for(i=3;i=360;i+)w=pai/180.0*i;if(i=120)s=h*(i/120.0-si n(2*pai*i/120.0)/(2*pai);s1= 3.0*h/pai*(1-cos(2*pai*i/120.0);s2=3.0*h/pai*(1+si n(2*pai*i/120.0);else if(i=180)s=h;s2=0;else if(i=300)s=h*(1-(i-180)/120.0)+sin(2*pai*(i-180)/120.0)/(2*pai); s1=3.0*h/pai*(cos(2*pai*(i-180)/120.0)-1);s2=-18*