机械创新设计方案

1、机械创新设计说明书设计题目：洗瓶机推瓶机构设计组号：院 系专 业： 指导教师:目录1， 设计目的及意义 由于工业生产和社会生活的需要，大量的玻璃瓶、塑料 瓶需要进行回收清洗后再利用，节省了大量制瓶洗所需要的 费用同时也提高了工业生产的生产效率。然而就在此时也出 现了回收后再清洗的问题。产品盛载是车间的最后一道关键 工序，因此玻璃瓶的供应速度也就决定了总的生产效率的高 低。从而产生了对洗瓶机设备的研究与改进工作。随着啤酒市场不断地发展变化，酒瓶种类、标纸和粘接 剂品种不断增加，特别是现在的头标铝箔纸的出现，给洗瓶 设备和工艺提出了新的更高的要求在长期使用多种洗瓶机 的过程中。为了适应现在啤酒回收

2、瓶的洗涤要求，我们同该 洗瓶机的制造厂家进行了广泛地讨论和研究，对洗瓶机适时 地进行了一系列的技术改进。洗瓶机器设备的出现并且运用到实际生产中， 改变了人工 刷洗的传统工艺，实现了自动化生产方式，达到了减少劳动 力、节约费用、提高工作效率、增加企业经济效益之目的。 并且得到了广大用户的支持和好评，而且使得化、制药、食 品等行业的生产率产生了质的飞跃。洗瓶机推瓶机构的原理方案分析：（1）功能分解：推瓶洗瓶瓶子移动瓶子清洗推头前进推头后退导規旅转转刷旋转功能描述原理解法瓶子移动外部推力；传送带传送等清洗刷子清洗;咼压水清洗等功能原理分析表(3)求功能元解洗瓶机推瓶机构形态学矩阵功能元功能元解123

3、45动力源电动机汽油机柴油机液动机气动马达移物传动齿轮传动蜗杆传动带传动链传动清洗毛巾清洗高压水清 洗刷子清洗2.设计题目2.1推瓶机推瓶机构的改进设计洗瓶机主要是由推瓶机构、导辊机构、转刷机构组成。待洗的瓶子放在两个同向转动的导辊上，导辊带动瓶子旋 转。当推头M把瓶子推向前进时，转动着的刷子就把瓶子外 面洗净。当前一个瓶子将洗刷完毕时，后一个待洗的瓶子已 送入导辊待推。如图1所示。图1洗瓶机工作示意图2，原理方案设计3.1功能分析为了完成设计任务需要三个阶段：通过组合机构使推头M以接近均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子， 然后 推头快速返回原位，准备第二个工作循环；导辊及其上方 的转动的刷

4、子不停的转动，完成瓶子外围的清洗。3.2 功能原理分析根据使用要求或工艺要求设计机构时，首先考虑的是采 用什么功能原理来实现这些要求。显然，采用不同的功能原 理，其所要求的运动规律设计必然也不同。首先了解一下洗瓶机构： 附下图所示是洗瓶机有关部件的工作情况示意图。待洗 的瓶子放在两个转动的导辊上，导辊带动瓶子旋转。当推头M把瓶推向前进时，转动着的刷子就把瓶子外面洗净。当前一个瓶子将洗涮完毕 时，后一个待洗的瓶子已进入导辊待推。原始设计数据和设计要求：(1) 瓶子尺寸：大端直径 D=80mm长200mm小端直径 d=25mm，( 如图 2-2 所示 )(2) 推进距离l=600mm,推瓶机构应使

5、推头 M以接近均匀的速度推瓶，平衡地接触和脱离瓶子，然后，推头快 速返回原位，准备第二个工作循环。(3) 按生产率的要求，推程平均速度为v=50mm/s，返回的平均速度为工作行程三倍。(4) 机构传力性能良好，结构紧凑，制造方便。根据设计要求，推头 M 可走附下图所示轨迹，而且在l=600mm工作行程中作匀速运动，在其前后作变速运动， 回程时有急回运动特性。对这种运动要求。通常， 要用若干个基本机构组合成的组合机构，各司其职，协调动 作，才能实现。在选择机构时，一般先考虑选择满足 轨迹要求的机构（基础机构），而沿轨迹运动时的速度 要求，则往往通过改变基础机构主动件的运动速度来满足。I 一工作行

6、程f _|雪雯/人推头M运动轨迹求或工艺要求往往需要很多的功能原理组合成一个总的功能原理图2-3工作示意图2-3工作示意图图2-2瓶子规图2-1工作行程示意图在实际工作中，要设计的机器往往比较复杂，其使用要图来完成，根据上诉，我们来 分析一下洗瓶机是通过什么功能原理来实现它所要完成的 工作的。首先推瓶机构所采用的功能原理是用机械能迫使瓶子由工作台的一侧运动到另一侧，则要求有一个工作行程为 返运动的推头，同时推头在工作过程中要匀速，回程时要快 速，能够满足此运动规律可以有很多种，如可以设计成曲柄 - 四杆机构，或凸轮连杆机构等实现其往复运动来完成其工 作。要运用此功能原理来满足其工作需要，在运动

7、规律设计 方面就要考虑用什么来带动曲柄连杆或凸轮连杆机构的转 动，一般我们都用电机来完成此项转动功能。其次是转辊机构所运用的是机械的转动规律，也是机械 运动中比较简单的运动规律，只需要有一定的转动速度与推 瓶机构、转辊机构相配合来实现洗瓶设备的整体工作功能。 它是有两个长圆柱型导辊旋转，带动瓶子旋转并且由导辊的 一侧移动到另一侧的，其中导辊只完成其中的旋转功能，移 动功能是由推瓶机构来实现的。最后我们要了解一下转刷机构所采用的功能原理，它与 导辊机构相同运用的都是机械的转动规律，与其不同的是转 刷机构的旋转要有很高的速度来完成其对瓶子外壁的清洗 工作。知道了它的运动规律就要进一步了解它是由什么

8、机构 带动完成其所要求的功能的。推瓶机构、导辊机构和转刷机 构都是由一台电机来提供所有的机械转动规律的，这就要求 我们对它们深入分析、研究各构件之间的运动规律的联系， 进而的设计出符合其联动规律的整体设备，来满足我们预期 想要实现的目标。3.3 工作原理分析洗瓶机是由推瓶机构、导辊机构和转刷机构共同来完成 它的工作的。根据上面洗瓶机工作情况示意图，首先是由推 瓶机构以均匀的速度将瓶子推上工作台（导辊） ，推头的往 复运动使瓶子一个一个不间断的送上工作台进行清洗工作， 由于瓶子是从静止到具有一定的速度，推头和瓶子之间必然 存在着一定的冲击，所以就要考虑推头的材料不能是刚性材 料，要用具有一定韧性

9、的塑性材料以保证在工作过程中不至 于将瓶子碰碎。第二，瓶子送到工作台的同时导辊已经进入 了旋转的状态并且喷水机构也开始对瓶子进行喷水，使瓶子 随着导辊的旋转进行圆周运动，安装在导辊上面旋转的转刷 能够将瓶子的四周都能够清洗干净。3.4 原动机的选择原动机是机械系统的驱动部分，按能量转换性质的不同 分为第一类原动机和第二类原动机。其中第一类原动机分 为：蒸汽机、柴油机、汽油机、水轮机、燃气轮机；第二类 原动机分为：电动机、液动机、气动机。在这里我选择应用 最为广泛的电动机为原动机，因为成本低、运转费用少、维 护要求较少、功率适用范围广等优点。这里用转速为 1440 r/min 的电动机。3.5

10、系统运动方案构思运动规律设计得不同，综合出的机构也就完全不同，这 是容易理解的。但是不同的机构却可以实现同一运动规律， 满足同样的使用要求，因此就需要从各种运动性能来评价这 些机构，以便从中选择一个最优的机构。根据上诉的推瓶机构的运动规律，对这种运动要求， 若用单一的常用机构是不容易实现的，通常要把若干个基本 机构组合，起来，设计组合机构。在设计组合机构时，一般可首先考虑选择满足轨迹要求 的机构（基础机构），而沿轨迹运动时的速度要求，则通过 改变基础机构主动件的运动速度来满足，也就是让它与一个 输出变速度的附加机构组合。实现要求的机构方案有很多，可用多种机构组合来实现。如：1. 凸轮一铰链四杆

11、机构方案如3-1所示，铰链四杆机构的连杆 2上点M走近似于所 要求的轨迹，M点的速度由等速转动的凸轮通过构件3的变速转动来控制。由于此方案的曲柄1是从动件，所以要注意度过死点的措施。图3-1凸轮一铰链四杆机构的方案2. 凸轮一全移动副四杆机构图3-2所示为全移动副四杆机构是两自由度机构，构件2上的点M可精确再现给定的轨迹，构件2的运动速度和急回特征由凸轮控制；这个机构方案的缺点是因水平方向轨迹 太长，造成凸轮机构从动件的行程过大，而使相应凸轮尺寸 过大。图3-2凸轮一全移动副四杆机构的方案3. 五杆组合机构方案确定一条平面曲线需要两个独立变量。因此具有两自由度的连杆机构都具有精确再现给定平面轨

12、迹的特征。点M的速度和机构的急回特征，可通过控制该机构的两个输入构件 间的运动关系来得到，如用凸轮机构、齿轮或四连杆机构来控制等等。图4所示为两个自由度的五杆低副机构，I、4为它们的两个输人构件，这两构件之间的运动关系用凸轮、齿轮或四连杆机构来实现，从而将原来两自由度机构系统封闭成单自由度系统。(b)图4 五杆组合机构方案3.6方案的评定及选择最优方案方案的评定根据上节所给出的三种设计方案，我们来讨论并从中选出较优方案进行最终的设计。首先是凸轮一铰链四杆机构：此机构结构简单，、体积小，安装后便于调试而且从经济性角度来看，也很合适。其中凸 轮轴能很好协调推头的运动且工作平稳。推头M能够近似的完成

13、所要求的工作行程轨迹，主要由各推杆的长度比例及凸 轮的形状来实现推回程速度比和推程。但缺点是四杆机构的 低副之间存在间隙，杆较多，容易产生误差，累积误差大，不能实现精确运动。冲击、震动较大，一般适用于低速场合。 因为本设计中使用的连杆不多，而且速度不是很快，这种方 案可以满足设计要求。其次五杆组合机构的方案五杆组合机构方案，此方案所需要的杆件繁多，设计烦琐，实际机构尺寸过大，不是很合 理的一个设计方案，性价比也不高。最后凸轮-全移动副四连杆机构的方案是两自由度机构，构件2上的M点可精确再现给定的轨迹，构件2的运动速度和急回特征由凸轮控制。这个机构方案的缺点是因水平 方向轨迹太长，造成凸轮机构从

14、动件的行程过大，而使相应 凸轮尺寸过大，不符合实际要求，空间过大。362方案的选择根据上述方案的评定，最终选择凸轮铰链四杆机构作为本次设计的推瓶机构方案，如图所示：Rnn4，凸轮及铰链四杆机构的设计4.1 凸轮的设计4.1.1 凸轮基本参数设计(1) 凸轮机构的组成 凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。凸轮通常作等 速转动，但也有作往复摆动或移动的。推杆是被凸轮直接推 动的构件。因为在凸轮机构中推杆多是从动件，故又常称其 为从动件。凸轮机构就是由凸轮、推杆和机架三个主要构件 所组成的高副机构。(2) 凸轮机构中的作用力直动尖顶推杆盘形凸轮机构在考虑摩擦时，其凸 轮 对 推 杆 的 作 用 力

15、F 和 推 杆 所 受 的 载 荷 ( 包 括 推 杆 的 自 重 和 弹 簧 压 力 等) G 的 关 系 为F = G / cos( a + $ 1) - (l+2b/l)sin( a + $ 1)tan $ 2 (3) 凸轮机构的压力角推杆所受正压力的方向(沿凸轮廓线在接触点的 法 线 方 向 ) 与 推 杆 上 作 用 点的 速 度 方 向 之 间 所 夹 之 锐 角 ， 称 为 凸 轮 机 构 在 图 示 位 置 的 压 力 角 ， 用 a 表 示在 凸 轮 机 构 中 ，压 力角 a 是 影 响 凸 轮 机 构 受 力 情 况的一个重要参数。在其他条件相同的情况下，压力 角a愈大，

16、则分母越小，作用力F将愈大；如果压 力角大到使作用力将增至无穷大时，机构将发生自锁， 而此时的压力角特称为临界压力角a C，即a c = arctan1/(1+2b/l)tan$ 2-$ 1为保证凸轮机构能正常运转，应使其最大压力角 a max小于临界压力角a c。在生产实际中，为了提 高机构的效率、改善其受力情况，通常规定凸轮机构 的最大压力角a max应小于某一许用压力角a 。其 值一般为：推程对摆动推杆取a = 35o45o ;回程时通常取a = 70o800。(4) 根据以上设计内容确定出凸轮设计曲线图如线图 图4-1)所示。图4-1凸轮设计曲线图凸轮的轮廓主要尺寸是根据四杆机构推头所

17、要达到的工作行程和推头工作速度来确定的，初步定基圆半径ro=5Om沟槽宽20mm 凸轮厚 25mm,孑L r=15mm ,滚子半径rr=10mm。凸轮的理论轮廓曲线的坐标公式为：x = r0 s sin、.,y = r0 s cos、.（A）（5 ）求凸轮理论轮廓曲线：a）推程阶段 8 01=216o=1.2兀3 二 h 鳥 /：01 -sin 2二：1 /:.01 / 2二 1=h2、. /燕 1-sin 4r / 2二 1=0,1.2b ）远休阶段-a =36。=二/5S2 二7.5、2 二 0,二 /5 1C）回程阶段-P3 =72。二2二/54455S3 = 10 33/03 3 -1

18、5h 3/ 03 6h 3/ 03334455= 270h、3 /-1215h 3 / 二 31458h 3 /二 0,2二/5丨d）近休阶段-P2 =36。=二/5S4= 0= 0，二 / 5 1e）推程段的压力角和回程段的压力角 =arcta nds /d丨 r。+ s I将以上各相应值代入式（ A）计算理论轮廓曲线上各点的坐标值。在计算中时应注意：在推程阶段取一1，在远休阶段取一01，2，在回程阶段取一.01 ,023，在近休阶段取 :=-91 * -P2、；03。计算结果见表 4-1 o .根据推瓶机构原理，推瓶机构所需达到的工作要求来设计凸轮，凸轮的基本尺寸在近休时尺寸为50m m达

19、到最远距离是尺寸为180.9mm（6）求工作轮廓曲线:有公式的其中：a）推程阶段x =x_rrcosry = y 一 rr sisin 8 =(dx/dyj(dx/d+(dy/dj co-(dy/x；(dx/f +(dy/f 十0,1.2二丨 dx/d，=】dx/d . sin、1r s cos、1=* 弐 1 cos(46 爪sin + (r0 + s )cos6dy /d 二 ds /d ； cos、j - r0 s sin、“2h 1 -cos(46 )cosq-：i.r0s sin、“b）远休阶段b,二/5】d x/d、. = r s cos 二 / 2 2dy /dy- r s si

20、n 二 /2、辽c）回程阶段0,2二/5】=810h、,2/二3 - 4860h、,3/二 4 7290h、34/二5 sin、3 亠 十r0 scos、3 二dy/d$：=8l0h、32/二3 -4860h、33/二 4 7290h 34/二5 cos、3 亠 i ir。 s sin3 :d）近休阶段 0,二/51dx / d = r0 s cos 4二 /3 丄我4d y / d - - r0s sin 4 二 / 3 、4计算结果可以得凸轮工作轮廓曲线个点的坐标见下表4-1 :表4-16xyF xy0o0.050.00.040.05o4.35949.82639.85510o8.70549

21、.3703.60239.455350o-8.68249.2467.40939.392355o-4.35849.810 39.847360o0.050.0-6.9440.06-3.4860.0凸轮的建模根据上一节内容凸轮的基本尺寸利用Pro/E软件做的凸轮机构，如下图所示（图4-2）所示。左图图4-24.2铰链四杆机构的设计铰链四杆机构尺寸设计铰链四杆机构按照给定的急回要求设计，利用解析法求解此类问题时，主要利用机构在极为是的特性。又已知的 行程速比系数 K和摇杆摆角 忙69度，在由图4-3查的最小 传动角的最大值 max Ymin及B的大小在计算各杆的长度。I供图4-3查表可知 max Ymi

22、n=45o, B =75o贝U:弋=180 o (K-1 ) / (K+1) =90oa/d=sin( /2)sin(二/2+ B )/cos( /2-二/2)b/d= sin( /2)sin(打2+ B )/sin(/2-二 /2)(c/d) 2=(a/d+b/d) 2+1 -2(a/d+b/d)cos B选定机架长度d就可以确定其他各干长度。根据推瓶的行程来确定各杆的长度及摆角大小， 摇杆所转的角度斜遂総:;飞=69度，行程速比系数K=3。L1=477.64mm得L2 =290.22mmL3=577.3L3a=229.3L4 =500mmL4a=200mm连杆机构中的运动副一般均为低副。其

23、运动元素为面接 触，压力较小，承载能力较大，润滑较好，磨损小，加工制 造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭。能很好的保 证工作可靠性。对于四杆机构来说，当其铰链中心位置确定后，各杆的 长度也就确定了，用作图法进行设计，就是利用各铰链之间 的相对运动的几何关系，通过作图法确定各铰链的位置，从 而得出各杆的长度。图解法的优点是直观，简单，快捷，对 三个设计位置下的设计十分方便，其设计精度也能满足工作 要求。根据第 3 章四杆机构的尺寸来设计铰链四杆机构。连杆材料为45#钢调制处理，杆粗为 20mm根据各干长度尺寸现用 Pro/E 软件绘制连杆机构图如下，这三幅图分 别为连杆滑块在凸轮上转到近休

24、时连杆机构的位置（图 4-4 所示, 连杆滑块转到凸轮远休时连杆机构的位置（图 4-5 ） 所示。图4-4图4-54.3凸轮铰链四杆机构组合运动图下图三个依次为连杆滑块转到凸轮最远距离远休位置 时的图（图4-6 ）所示，连杆滑块转到凸轮最近距离近休位 置时的图（图4-7 ）所示。当凸轮转到远休位置时，这时通过连杆在凸轮上的滚子推动连杆，铰链四杆机构的摆杆2运动到了最大位置，和机架安装的杆1在一条水平线上。4-6当凸轮运动到近休位置时，这时通过在凸轮上连接滚子 的连杆推动杆2和杆3运动到一条直线上，这个时候是摆杆 回到了初始位置，推头开始推瓶。图4-75,结构设计6，机械整体运动简图7,结论对洗瓶机的推瓶机构的功能原理和工作原理进行详细 的分析和设计，并且