啤酒瓶压盖机-机械原理课程设计

目录1设计任务书11.1.设计题目11.2.工作原理与工艺动作过程11.3.原始参数11.4.设计要求12系统运动方案设计22.1.原动机类型的选择22.2.减速器类型的选择22.3.实现压盖动作的机构选择32.4.实现装箱动作的机构选择32.5.系统运动方案确实定52.6.绘制系统运动循环图53传动系统设计63.1.传动方案分析63.2.电动机的选择63.3.传动比的计算和分配73.3.1.总传动比的计算73.3.2.分配各级传动比73.4.传动参数的计算73.4.1.各轴转速的计算73.4.2.各轴输入功率的计算83.4.3.各轴输入转矩的计算83.4.4.各轴的传动参数84执行系统机构设计94.1.凸轮机构设计94.1.1.凸轮机构选型94.1.2.确定从动件运动规律94.1.3.确定根本参数114.1.4.凸轮轮廓曲线设计134.2.槽轮机构设计144.2.1.槽轮机构选型144.2.2.选择槽轮槽数和拨盘圆销数144.2.3.根本尺寸的计算154.2.4.槽轮运动特性分析165收获和体会176参考文献187附录19图表目录TOC\h\z\c"图1"图1曲柄滑块机构3图2凸轮机构3图3单销四槽外槽轮机构4图4棘轮机构4图5不完全齿轮齿条机构4图6系统运动循环图5图7传动系统简图6图8从动件上下位移曲线10图9凸轮从动件的动力学特性11图10从动件曲线12图11曲率半径随旋转位移的变化曲线13图12空间凸轮轮廓曲线14图13槽轮某一瞬时位置16图14槽轮运动特性16表格目录TOC\c"表"表1系统运动方案8表2传动系统各轴传动参数表11表3外槽轮机构根本尺寸计算公式及结果18设计任务书设计题目设计一个对生产线上的啤酒瓶进行自动压盖的机器。工作原理与工艺动作过程啤酒瓶压盖机的工作原理[1]是利用电机带动推杆下降压紧瓶盖顶端，使锁口装置自动锁紧锁盖。压盖机台面和防护罩一般都为不锈钢材料制造，强度大，耐磨损，使用寿命长。通过压盖机轧的啤酒瓶盖密封性好。工艺动作过程为：推杆做与啤酒瓶同步的圆周运动，为了实现自动压盖，推杆需做上下往返运动：首先利用磁力将瓶盖吸附到推杆的封口头中，然后推杆以特定的运动规律先上升再向下运动，当其将到达最低点时，恰好对准运动的啤酒瓶口，实现快速压盖。然后封口头继续上升、下降，在另一个最低点处取瓶盖，继续这一过程。压盖后的啤酒瓶继续运动，每四瓶进行一次装箱，而三次即装满一箱，这一动作可借助于槽轮机构实现。原始参数啤酒瓶尺寸：瓶身直径70mm，瓶口直径26mm，瓶高300mm；推杆直径30mm；传输带宽度：90mm。设计要求完全2个以上的工艺动作；生产能力到达14400瓶/小时；具有较高的工作效率和自动化程度；使用性能良好，运行稳妥可靠，维护本钱低；压盖过程冲击尽量小，噪音控制在适当范围内；满足传动精度，凸轮机构、槽轮机构具备一定的耐磨性；工作过程平安可靠。系统运动方案设计确定系统的工艺动作之后，需选择适宜的机构型式将其实现，故这一过程也称为机构的选型[2]，它需要考虑多方面的因素，如运动变换要求、尺寸限制、制造本钱、动力性能、效率上下、操作方便平安可靠等等。原动机类型的选择在机械系统设计过程中，原动机的选择是非常重要的一个环节，因为它直接影响到动力输出的稳定性、系统运行效率和总体结构。现代机械中，常见的原动机有热机、电动机、液动机和气动机，各自具有不同的特点和应用。热机包括蒸汽机和内燃机，其应用范围相对单一，主要用于经常变换工作场所的机械设备和运输车辆。电动机在现代机械中应用最为广泛，尤其是交流异步电动机，其具有结构简单，价格低廉，动力源方便等优点，但功率系数较低，且调速不便，适用于运行环境比拟稳定、调速范围窄的场合。液动机一般调速方便，且传动链较短，但需配备液压站，本钱较高。当只需实现简单的运动变换时，气动机较为方便，其缺点是有一定的噪声。本设计中对原动机的要求为：运行环境稳定、结构简单、本钱较低，综合以上各种原动机的特点，选择交流异步电动机作为压盖机的原动机。减速器类型的选择减速器是指原动机与工作机之间独立封锁式传动装置，用来减低转速并相应地增大转矩。减速器种类繁多，一般可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器。齿轮减速器的优点是结构简单，运转平稳，安装方便，其缺点是传动比的分配比拟麻烦；而蜗杆减速器具有结构紧凑，传动比大，噪音低等优点，但容易引起发热、漏油、涡轮磨损等问题。行星齿轮减速器[3]的主要特点有：结构紧凑、重量轻、体积小、传动比大等优点，但其结构比拟复杂，制造和安装较为困难，本钱也高。在本设计中，对减速器要求为：传动比拟小，结构尽量简单，本钱低廉，制造安装方便。综合以上各种减速器的优缺点，选择圆柱-圆锥齿轮减速器作为啤酒压盖机的减速器。实现压盖动作的机构选择在压盖机中，推杆的运动为复合运动，即回转运动与具有特定运动规律的上下往返运动。满足这种要求的机构有很多，在此仅讨论曲柄滑块机构和凸轮机构。曲柄滑块机构图SEQ图1\*ARABIC1曲柄滑块机构图1所式为典型的曲柄滑块机构，具有结构简单，零件加工容易，易实现所需动作要求等优点，但其结构零件重用性差，比拟适合于执行机构不改变的系统。凸轮机构图SEQ图1\*ARABIC2凸轮机构凸轮机构的特点是结构简单、紧凑，能精确实现所需的运动轨迹，其缺点是从动件行程不宜过大，且曲面加工本钱较高。适用于传力较小、运动灵活、运动规律复杂的场合。本设计中，推杆的运动规律较为复杂，既有绕中心轴的旋转运动，也有按给定规律往返的上下运动，结合以上两种机构的特点分析，选择凸轮机构能够满足要求。实现装箱动作的机构选择瓶子压盖完成后，每四瓶进行一次装箱，而三次可装满一箱。这个动作须由间歇机构完成，包括槽轮机构、棘轮机构和不完全齿轮齿条机构[4]。槽轮机构图SEQ图1\*ARABIC3单销四槽外槽轮机构槽轮机构的特点是结构简单，工作可靠，易加工，转角准确，机械效率高。常被用来将主动件的连续转动转换成从动件的带有停歇的单向周期性转动。但是其动程不可调节，转角不能太小，槽轮在起、停时的加速度大，有冲击，并随着转速的增加或槽轮槽数的减少而加剧，故不宜用于高速。棘轮机构图SEQ图1\*ARABIC4棘轮机构棘轮机构的优点是结构简单，制造方便，能将连续转动转换成单向步进运动，但工作时常伴有振动，齿尖磨损，传动平稳性差，因此它的工作频率不能过高。不完全齿轮齿条机构图SEQ图1\*ARABIC5不完全齿轮齿条机构不完全齿轮齿条机构的优点是结构简单，容易制造，允许选择的范围比棘轮机构和槽轮机构的大，因而设计灵活。其缺点是从动轮在转动开始和终止时，角速度有突变，冲击较大，故一般只适用于低速、轻载的工作条件。综合以上分析，结合压盖机的工作条件，选择槽轮机构实现间歇运动。另外，为了保证箱子每装四瓶能够直线移动一次，还需将齿轮与槽轮固结，再通过齿轮齿条啮合实现箱子的间歇直线移动。系统运动方案确实定综合以上的分析，最终确定的系统运动方案见下表:表SEQ表\*ARABIC1系统运动方案原动机减速器压盖结构间歇机构转动-直移交流异步电动机齿轮减速器空间圆柱凸轮槽轮齿轮齿条绘制系统运动循环图为了表达压盖机各执行机构在一个运动循环中各动作的协调配合关系，选择推杆的上下位移、槽轮的转角、齿条的直线位移为对象，以推杆绕空间凸轮主轴旋转一周为一个运动周期，画出系统运动循环图，结果如下：图SEQ图1\*ARABIC6系统运动循环图传动系统设计传动方案分析机器一般由原动机、传动系统和执行系统组成。其中，传动系统是用来传递原动机的运动和动力、变换其运动形式以满足执行系统的需要，是机器的重要组成局部。传动系统是否合理将直接影响机器的工作性能、重量和本钱。合理的传动方案除满足执行系统的功能外，还要求结构简单、制造方便、本钱低廉、传动效率高和使用维护方便。本设计中传动方案为三级传动[5]。第一级为直齿锥齿轮传动，主要作用是改变传动的方向。第二、三级为直齿圆柱齿轮传动，起着减速作用。通过整个传动系统的变向和减速，到达满足执行系统要求的传动比。综合以上分析，可作出啤酒瓶压盖机的传动系统简图如下：图SEQ图1\*ARABIC7传动系统简图电动机的选择根据工作要求和条件，选用Y系列三相异步电动机[6]。这种电动机是供一般用途的全封闭自扇冷笼型三相异步电动机，具有效率高、耗电少、性能好、噪声低、振动小、体积小、重量轻、运行可靠、维护方便等优点，具有广泛适用性。结合啤酒瓶压盖机的运行特点，本设计中选用Y系列(IP44)三相异步电动机B3_80-132，其转速为940RPM，额定功率1.5KW。3.3传动比的计算和分配总传动比的计算根据传动比的定义有如下结果：其中：为电动机满载转速，本设计中为；为压盖机的工作转速，为。分配各级传动比由于传动系统是三级传动，故应该满足以下公式：其中，为总传动比，、、分别为第1、2、3级传动比。传动比的分配原那么可概括为[7]：使各级传动的承载能力大致相等〔齿面接触强度大致相等〕；使减速器能能获得最小外形尺寸和重量；使各级传动中大齿轮的浸油深度大致相等，润滑最为简便。结合以上原那么，再查文献[7]中的表16-1-3可确定本设计中的各级传动比为：传动参数的计算各轴转速的计算根据转速与传动比的关系，计算如下：各轴输入功率的计算输入功率与传动效率直接相关，根据文献[7]中的表16-2-59，可查得各级的传动效率为：，，。故各轴输入功率为：各轴输入转矩的计算输入转矩与输入功率、转速的关系为：。依据此式，结合以上数据，可计算各轴输入转矩，结果如下：各轴的传动参数以上结果可用下表表示：表SEQ表\*ARABIC2传动系统各轴传动参数表工程轴号功率转速转矩传动比0轴1.594015.24\1轴1.425427.2731.852.22轴1.39792.88143.644.63轴1.38330.96425.683.0根据相关的传动参数，选择适宜的齿轮和轴，组成一个完整的传动系统4执行系统机构设计凸轮机构设计凸轮机构选型在啤酒瓶压盖机中，凸轮机构主要为推杆提供特定的运动规律，完成压盖工作。由于压盖过程中啤酒瓶绕中心轴旋转，因此推杆的运动必须满足以下要求：绕中心轴作旋转运动，实现循环压盖。空间上下运动，实现取盖上升下降压盖上升下降取盖的动作流程。根据以上要求，本设计中选择空间凸轮作为控制机构。空间凸轮是指凸轮和推杆之间的运动为空间运动，凸轮的运动平面与从动件的运动平面不平行或重合，它能同时实现多个方向上的直线运动或回转运动。空间凸轮的轮廓线或轮廓面为空间曲线或曲面。当空间凸轮为原动件时，从动件的运动方式有往复直动和往复摆动两种。当凸轮为机架时，从动件上的点一般按预期的轨迹作空间复杂运动[8]。根据工艺动作的要求，本设计中空间凸轮作为机架。考虑到从动件为低速旋转，为了提高凸轮的耐磨性，采用滚子从动件凸轮机构。确定从动件运动规律由以上的分析可知，从动件的合运动由两局部分组成：绕空间凸轮轴线的回转运动和直线上下运动。因为旋转运动由传动系统直接提供，对凸轮设计影响不大，故在此可予以忽略，只考虑从动件的上下运动规律。为了实现取盖上升下降压盖上升下降取盖的动作流程，在一个运动周期里，从动件的上下位移曲线特点为:升—停—回—升—回。其中停的局部即为压盖，对应的休止角为。为了尽量减少冲击，其余曲线段选择余弦加速度运动规律[9]，其一般表达式为：〔4-1〕式中，为周期，为待定系数。根据文献[9]中的表3-3，可以列出余弦加速度运动方程式如下：〔4-2〕其中，、、、、分别为从动件的上下位移、速度、加速度、回转角速度和行程。而为推程运动角，为从动件转角。式中的有关参数可分段确定如下：在和区间均为1/4余弦加速度运动周期，，。区间为休止段，此时。区间为1/2余弦加速度运动周期，，。同时，从动件的运动还应满足：运动过程中速度没有突变；在三个点速度均为0。根据式〔4-2〕和以上约束条件，利用MATLAB编程，得到从动件的位移规律，如下列图所示：图SEQ图1\*ARABIC8从动件上下位移曲线为了分析从动件的动力学特性，将其速度、加速度随转角的变化规律用图表示如下：图SEQ图1\*ARABIC9凸轮从动件的动力学特性从上图可以看出，从动件的速度无突变，但在两个点过渡不光滑，导致其加速度出现突变。另外，在处加速度也出现突变。确定根本参数本设计中空间凸轮的内、外轮廓曲线水平面投影都为圆周，因此其根本参数为：凸轮外径、凸轮内径、滚子半径。空间凸轮内外径确实定凸轮外径受到机构总体尺寸的限制，它决定了从动件的回转直径，也即啤酒瓶的旋转直径，本设计中取为600mm。相应的，凸轮内径为400mm。因此，由内外径构成的滚子运动轨道宽度为100mm。滚子半径确实定当采用滚子从动件时，应注意滚子半径的选择，否那么从动件有可能实现不了预期的运动规律[9]。设凸轮的理论轮廓曲线的最小曲率半径为，滚子半径为，那么为了防止出现运动失真和应力集中，实际轮廓曲线的最小曲率半径不应小于3mm，所以应有：〔4-3〕上式可化为：〔4-4〕因此，要确定滚子半径，首先需求得凸轮理论轮廓曲线的最小曲率半径。由高等数学可知，曲线曲率半径的计算公式为：〔4-5〕在本文中，对应于从动件的上下位移，那么对应于从动件的旋转距离，设从动件到空间凸轮中心轴的距离为264mm，将图8中的曲线转化为曲线，如下列图所示:图SEQ图1\*ARABIC10从动件曲线对于图10中的直线局部，式〔4-5〕中的和都等于0。而对于余弦曲线局部，和可按下式计算：〔4-6〕其中，为余弦曲线的1/4周期，其它符号定义与式〔4-2〕相同。联立式〔4-5〕、〔4-6〕，借助MATLAB编程，运用数值解法进行逐点求解，解得最小曲率半径为。且曲率半径随旋转位移的变化曲线如下列图所示：图SEQ图1\*ARABIC11曲率半径随旋转位移的变化曲线一般建议，但从滚子的结构和强度上考虑，滚子半径也不能太小。在此，结合空间凸轮的结构和尺寸，确定滚子半径为。凸轮轮廓曲线设计根据已经确定的从动件运动规律可知，空间凸轮的外轮廓曲线由两局部叠加而成[10]：第一局部为直径600mm的圆周，另一局部为图8中所示的位移曲线。因此，以空间凸轮中心轴为轴，以水平面为平面，以从动件转角为参数，那么在一个运动周期内，凸轮外轮廓曲线方程可表达如下：〔4-7〕其中，为从动件的上下位移，如图8中所示，其表达式为一分段函数：〔4-8〕联立以上两式，运用MATLAB进行求解，可画出空间凸轮的外轮廓曲线。同理，建立相似的方程可画出凸轮内轮廓曲线。其结果如下列图所示：图SEQ图1\*ARABIC12空间凸轮轮廓曲线槽轮机构设计槽轮机构选型槽轮机构作为一种分度、转位等步进机构，具有结构简单、工作可靠、外形尺寸小、机械效率高等优点，主要应用于低速场合。在啤酒瓶压盖机中，槽轮机构主要是将传动系统输出的连续转动转化为周期性间歇运动，并通过齿轮齿条机构实现对压盖后的瓶子进行装箱的功能。槽轮机构分为两种形式：一种是外槽轮机构，其主动拨盘与槽轮转向相反；另一种为内槽轮机构，其主动拨盘与槽轮转向相同。本设计中，槽轮机构每转动一次实现一次装箱，要求这个动作快速、准确完成，以保证机构的高效运行，其运动系数比拟小。而内槽轮机构的运动系数总大于0.5，显然无法满足此要求。因此，本设计中选择普通型外槽轮机构。选择槽轮槽数和拨盘圆销数在槽轮机构的一个运动循环中，槽轮的运动时间与拨盘的运动时间之比可用来衡量槽轮的运动时间在一个间歇周期中所占的比例，称为运动系数。根据文献[9]中的公式〔6-1〕，可得槽轮机构运动系数表达式为：〔4-9〕其中，为拨盘圆销数，为槽轮槽数。由式〔4-9〕可知，槽轮运动系数由、所决定。本设计中，根据工艺动作要求，需满足，即：〔4-10〕在、为整数，且的条件下，式〔4-10〕有唯一解，即。此时槽轮的运动系数。即最终选择的槽轮是普通型外槽轮单销三槽机构。根本尺寸的计算槽轮的主要尺寸参数为槽数、圆销数和槽轮机构的中心距。根据机构的尺寸要求，在此选择中心距。槽轮根本尺寸按下表公式进行计算：表SEQ表\*ARABIC3外槽轮机构根本尺寸计算公式及结果名称符号计算公式计算结果圆销中心回转半径259.81mm圆销半径15mm槽顶高150mm槽底高25mm槽深125mm槽顶侧壁厚且10mm锁止弧半径234.81mm外凸锁止弧张开角根据以上所得结果，即可确定槽轮的尺寸，画出机构简图。槽轮运动特性分析槽轮机构的运动和动力特性通常用和来衡量[11]。图13所示为外槽轮机构在运动过程中的某一瞬时位置。其中，为槽轮2的转角，为拨盘1的转角。图SEQ图1\*ARABIC13槽轮某一瞬时位置根据文献[7]中的表4-2-69，和的计算式分别如下：〔4-11〕式中，。本文中，。利用MATLAB编程，以为变量，求解式〔4-11〕，得到槽轮运动特性如下：图SEQ图1\*ARABIC14槽轮运动特性从图14中可以看出，槽轮机构具有周期为的柔性冲击。但考虑到本设计中槽轮为低速运转，其造成的影响不大，可满足设计要求。收获和体会前言：在这普通平凡的两周时间里，我们有幸一起努力，依靠集体的力量去追求共同的目标，尽管过程坎坷，却不失为一种历练。这样的经历，值得拥有。为期两周的机械原理课程设计即将结束，从接到设计任务开始，我们一路走来，历经曲折，有喜悦，也有失落；有成功，亦有挫折。但无论如何，我们还是坚持到了最后，顺利完成了这次设计任务。回忆过去的十来天，感慨颇多。在这次课程设计正式开始之前，我们已经做了一定的准备，譬如从图书馆借阅相关的书籍，熟悉必要的工具软件和提高编程计算能力。课程设计开始的前一天，我们经过讨论，确定了我们的设计题目：设计一台啤酒瓶压盖机，并且很快明确了分工：由我进行编程计算和说明书的编写，刘玉贵主要负责SolidWorks画图装配和机构简图的绘制，而万小康那么主攻动画制作。当然，这种分工也不是绝对的，更不代表我们的工作是互为独立的。例如，机构运动方案的讨论确定、传动系统和执行系统的设计，都需要我们一起参与；绘图所需的局部尺寸，需要先通过计算机编程得到结果；动画的制作，更只能在装配图完成之后才开始；而文档的编写，亦是伴随着设计的不断深入，才能得以完善。简而言之，整个设计过程应该是互动的。因此，明确的分工和高效的合作，是保证我们此次顺利完成设计的一大重要因素。在十几天的设计过程中，我们学习到了很多，尤其是在课堂上所无法汲取的知识和设计经验。以往的上课只是老师授予知识，我们更多的是被动的学习。而课程设计正好相反，它提供了一个利用所学知识自由发挥的时机。从设计题目的构思，到运动方案确实定，再到相关资料的搜索，还有动画制作、文档编写、改正错误，这些点点滴滴，都是主动努力的结果，更是平时难以获得的经历。因此也可以说，课程设计给了我们一次提高自身的时机。由于整个设计过程是由三个人协作完成的，因而毫无疑问，团队合作是非常重要的。这不仅需要我们经常交流意见，也需要能够很好地理解各自的设计意图。在发生分歧的时候，通过讨论来解决，防止各自的工作出现不一致。这对于顺利完成一项设计任务是极其重要的。