机械原理课程设计旋转型灌装机.docx
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机械原理课程设计旋转型灌装机
贵州大学机械工程学院
贵州大学机械工程学院
机械原理课程设计任务书题号5
旋转型灌装机
第一章设计任务
1-1工作原理及工艺动作
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地灌装、封口，应有定位装置。
如图1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。
该机采用电动机驱动，传动方式为机械传动。
1-2设计要求及提示
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。
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。
1-3设计任务要求
1）根据功能要求，确定工作原理和绘制系统功能图。
2）按工艺动作过程拟定运动循环图。
3）构思系统运动方案（至少2个以上），进行方案评价，选出较优方案。
4）对传动机构和执行机构进行运动尺寸设计。
5）对压盖机构进行运动学分析。
6）绘制系统机械运动方案简图（3号图）。
7）完成设计说明书的编写。
1-4设计数据
表1-1旋转型灌装机技术参数表
数据代号
转台直径mm
电动机转速r/min
灌装速度r/min
齿轮模数
1
600
1440
10
2
2
550
1140
12
2.5
3
500
960
10
3
4
600
1140
15
2.5
5
550
960
8
4
6
600
1450
15
3
第二章旋转型灌装机的工作原理及其功能原理
2-1旋转型灌装机工作原理
在转动工作台上对包装容器（玻璃瓶或铁质瓶）连续灌装流体（酒、饮料、
图2.1
冷霜等），转台有多工位停歇，以实现灌装、压盖封口等工序。
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2.1，根据工作要求，即灌装机在同一个原动机的驱动下，将待灌装液体和待压盖的瓶送入工位1；同时工作台做间歇的旋转运动，将代加工瓶依次送人工位2和工位3；在工位2和工位3时分别对工件进行定位夹紧，同时分别进行灌装和压盖封口动作；待工位3进行压盖封口结束后，加工后的瓶随着工作台的旋转进入工位4，即输出工位，由传送带送往下一个加工工序的位置。
2-2旋转型灌装机的功能分解图、执行机构动作分解图
（1）灌装机的功能分解图
根据灌装机的工作原理和设计任务书，为满足灌装机整体的要求，可以将灌装机的功能分为以下几个具体的功能:
工件的输入功能；
工件的定位和夹紧功能；
工件的灌装功能；
工件的压盖封口功能；
工件的输出功能。
功能逻辑图及可选执行机构框架图如下：
旋转型灌装机
工件输入
工件定位
灌装
工件输出
工件夹紧
压盖
连续传送带，间隙传送带
槽轮机构间隙运动
挡板在每个工位自动加紧
凸轮机构，连杆机构
曲柄滑块机构
传送带连续传送，传送带间隙
图2.2
（2）执行机构动作分解及运动方案的选择与比较
原动机的选择。
本机构设计选用代号5的数据，故选用960r/min电动机驱动。
转速较高，需要减速机构降低速度供执行机构使用。
送料机构的功能
为了实现工件的输入及传送功能，根据设计的要求，最终决定出了以下两种方案：
方案一：
如图2.3所示的六杆送料机构，原动件AB连续转动，使DF摆动，通过HG杆的作用使F在HG范围内的往返运动，最终把容器送至工位1，但是这种传送运动冲击大，容易造成冲击，这对轻质容器、玻璃容器等来说会有损坏的可能，必须避免，再者，这样的机构设计比较复杂，运动分析较繁琐，因此最终没选择这个方案。
图2.3
方案二：
如图2.4，使用转送带连续的，以一定的速度不断向工作台传送工件，设计好在单位时间内进入工作台的瓶子数量就行了。
使用连续传送能够满足大批量生产，与间隙转送相比传送稳定，震动小，一般不会出现打滑现象，能满足灌装过程安全，可靠进行。
由于担心传送带输送的瓶子不能准确的进入旋转工作台的工位凹槽内，因此设计了图2.5的固定工作台和挡板
图2.4传送装置
图2.5
工件定位功能：
方案一：
槽轮机构
如图2.6槽轮机构，结构简单，易加工，工作可靠，转角准确，机械效率高。
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，多用来实现不需经常调节转位角度的转位运动。
图2.6
方案二：
不完全齿轮
如图2.7不完全齿轮机构，结构简单、制造容易、工作可靠，从动轮运动时间和静止时间可在较大范围内变化。
但是从动轮在开始进入啮合与脱离啮合时有较大冲击，故一般只用于低速，轻载场合。
图2.7
方案三：
棘轮
如图2.8棘轮机构结构简单，易于制造，运动可靠，从动棘轮转角容易实现有级调整，但棘爪在齿面滑过引起噪声与冲击，在高速时尤为严重。
故常用于低速、轻载的场合，或用于间歇运动控制。
图2.8
摩擦式棘轮机构传递运动较平稳，无噪音，从动件的转角可作无级调节。
但难以避免打滑现象，因而运动准确性较差，不适合用于精确传递运动的场合。
因为在本方案中，控制间歇运动的机构的转速十分低，需要较大的范围内的从动轮运动时间和静止时间。
所以在这里我们选择图2.6的槽轮来实现转台的间歇转动。
工件夹紧功能：
根据设计要求，工件在工位2与工位3时，必须有定位夹紧机构，是待加工瓶在工位2与工位3时，能正确进行管制液体和压盖封口的动作。
按照要求设计了如下的装置：
方案一：
如图2.9所示,该方案采用圆环来实现工件在工位2和工位3处进行灌
图2.9
装和压盖封口的夹紧定位，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。
但这种夹紧装置有一个不足之处，就是工件在工位间转换时，由于一直处于夹紧状态，有摩擦力的作用，这样会导致工件损坏，甚至影响工作台的正常工作。
故设计最终没有采用这个方案。
方案二：
装置如图2.10所示，其工作部位（也就是相对与旋转工作台的工位2与工位3）由两个相交的圆所形成的公共部分，其相对于一般的定位夹紧装置的优点
图2.10
在于其夹紧过程是由松到紧，且到达正确的位置为止，这样可以避免由于工作台旋转时由于冲击的存在，导致的工件损坏甚至造成不必要的损失的现象。
不仅可以正确定位，同时也达到夹紧的效果。
使用固定在工作台上的挡板来定位瓶子，防止转台在运动过程中由于向心力的作用将瓶子甩出工作台，并通过在工位外围加厚挡板使瓶子在每个工位被加紧固定。
靠挡板来实现定位夹紧，他相对其他装置具有许多优点：
夹紧每次位置不变，过程稳定不会破坏灌装瓶；只要设计适当就能够保证紧力合适对每次加紧都能掌握好力度，保证了工件在加工过程中的定位的稳定性，又要防止夹紧力过大损伤工件表面或使工件产生过大的夹紧变形；由于夹紧装置是固定不动的，所以操作安全、省力；结构简单，便于制造，维修十分方便等凸出优点。
故最终选用这个方案。
④灌装机构功能设计：
方案一：
采用凸轮机构
如图2.11所示，此方案采用图示的凸轮机构，凸轮的连续转动，升程和回程不断的交替，再由于弹簧的作用，便实现了灌装活塞的上下往复运动。
当凸轮处于回程时，活塞往上运动，此时灌装瓶吸入液体，凸轮继续运动，推动活塞向下运动，此时为升程过程（此过程为等速运动，可以满足灌装等速的要求），此时灌装机构对空瓶进行灌装，如此往复运动就可实现
图2.11
方案二：
采用连杆机构
如图2.12所示，本方案采用连杆机构来实现灌装功能。
图2.10虽然连杆机构制造简单，但是其设计过程复杂，所以最终采用方案一来实现灌装功能。
图2.12
⑤压盖封口功能
方案一：
采用凸轮机构
如图2.13所示，此方案采用图示的凸轮机构，凸轮的连续转动，升程和回程不断的交替再由于弹簧的作用，便实现了滑块上下压盖。
图2.13
方案二：
对心曲柄滑块机构。
下图2.14是所设计的压盖封口机构，该机构为对心曲柄滑块
图2.14
机构，曲柄AB与轴固接，轴的连续转动带动杆AB连续转动，从而带动杆BC上下运动，从而实现压盖封口机构的上下往复运动，转动一个工位就压盖封口一次，继而实现对瓶子的压盖封口动作。
通过上述两种方案，方案一凸轮的升程和回程产生的冲击力度不大，不适合压盖。
而方案二的对心曲柄滑块结构简单，冲击力大。
故选用了曲柄滑块机构进行压盖。
⑥产品输出与传送功能：
加工后的工件到达工位4以后，有皮带轮，这里考虑到传送带的速度不能很大，而工位之间的转换有很快，所以在此设计了如下图2.15所示。
容器到达图示工位3，压盖封口结束后，此时挡板将瓶子输往传送带方向推挡，同时容器是随着旋转工作台一起旋转的，在合成力的作用下，容器被带至输出传送带上，进而传送到下个加工工位。
图2.15
第三章旋转型灌装机机构运动总体方案
3-1旋转型灌装机总体方案图（机构运动简图）
根据设计要求，设计出的自动灌装机如下图3.1与3.2所示：
图3.1主视图
1.电动机和轴带轮2.皮带轮3、4、4'、5齿轮6、7锥齿轮8主动拨盘9从动槽轮10凸轮灌装机构11曲柄滑块封口压盖机构
上示两图为机械系统运动方案运动简图，下面是该旋转型灌装机的工作路线原理：
电机1通过皮带轮传到2，2通过轴传到H，H又传到齿轮4，齿轮4'通过固定的齿轮3转动到5，5带动轴Ⅲ旋转形成行星轮系。
②与齿轮5同轴的锥齿轮6以相同角速度转动，轴Ⅲ转动从而使凸轮10转动，凸轮通过滚子，推杆带动活塞上下往复运动，从而实现对容器的灌装。
轴Ⅲ旋转，曲柄11与轴固联，所以曲柄以相同角速度转动，而曲柄与连杆相连，连杆与滑块连接，滑块上下往复运动，实现对容器的封口压盖。
④锥齿轮6与锥齿轮啮合而换向，锥齿轮7通过轴Ⅳ传到主动拨盘8，主动拨盘8带动从动槽轮9，从动槽轮9带动轴Ⅴ转动，轴Ⅴ与旋转工作台固接，从而实现旋转工作台的间隙旋转运动。
第四章运动循环图及运动转换功能图
4-1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4.1和直角坐标式运动循环图图4.2：
图4.1直线式运动循环图
图4.2直角坐标式运动循环图
4.2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图如图4.3所示：
图4.3旋转型灌装机系统转换功能图
4-3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4.3可构成形态学矩阵。
图4.4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=4×4×4×3×3×4=2034
图4.4形态学矩阵
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，上图折线为设计的最优方案。
第五章旋转型灌装机各运动构件的设计，选择与分析
由设计任务书的要求可知：
灌装速度是8r/min,则灌装凸轮和封口压盖曲柄的转速也就是8r/min。
由于旋转工作台有4个凹槽，所以旋转工作台转速为2r/min，也即从动槽轮的转速也是2r/min，因为设计的槽轮有4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8r/min。
5-1传动机构的选择：
机械的传动机构，是将动力源所提供的运动的方式、方向或速度加以定向的改变，从而被人们有目的地加以利用。
常见的传动机构有带传动、链条传动、齿轮传动、皮带传动，各传动机构的特点和使用场合。
（1）齿轮传动：
能够传递任意两轴间的运动和动力，传动平稳，可靠，效率高，寿命长，结构简单经凑，传动速度和功率范围广，可实现较大的传动比。
可应用于减速箱。
（2）带传动：
可以缓和冲击和振动;带传动中心距不受限制，只要陪以合适的紧链结构，理论可以很大,适用于两轴中心距较大的传动场合;可放在系统的一级。
（3）锥齿轮传动:
锥齿轮主要用于两轴为垂直方向的传动，可改变传动的方向，放在传动系统的末级。
5-2减速机构的设计，选择与分析
根据设计要求及上述分析，可以利用所学的行星轮系来实现减速的目的，下面是运动结构图5.1及表5-1表示的具体的齿轮参数
图5.1
表5-1齿轮参数
齿数
模数
分度圆直径d
传送比i
压力角
带轮1
60mm
2
带轮2
120mm
齿轮3
59
4
236mm
60
20°
齿轮4
20
4
80mm
20°
齿轮4’
20
4
80mm
200
齿轮5
60
4
240mm
20°
齿轮6、7
30
4
120mm
1
20°
具体参数值
1、2为皮带轮：
i12＝2。
3、4、4’为圆柱齿轮:
Z3=59,Z4=20,Z4'=20,Z5=60
i5H=1-Z4'Z3/（Z4Z5）=
6、7为斜齿圆柱齿轮：
z6=30z6=30
I76=z7/z6=30/30=1
所以Ⅰ轴转速960r/min,Ⅱ轴转速为480r/min,Ⅲ轴转速为8r/min.
5-3灌装机构的设计：
根据设计要求及系统方案图，选用如下灌装机构：
如图5.2
⑴设定的数值：
1容器高度h1为280mm;
2活塞运动范围S为48mm;
3推杆和活塞总长L为90mm;
4滚子直径d=30mm;
5容器顶部距离活塞最近距离为12mm;
⑵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48mm，凸轮的安装高度为500mm。
以下为凸轮的具体设计过程：
我们设定凸轮的数据如下：
①基圆半径r0=40mm
②滚子半径：
rt=15mm
③行程：
S=48mm
④推程角：
δ0=180°
⑤回程角：
δ0=100°
⑥近休止角：
δ01=60°
⑦远休止角：
δ02=40°
图5.2
⑩运动规律的选择，为了减少刚性和柔性冲击，我们在推程和回程选用既无柔性冲击和刚性冲击的简谐运动规律,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”软件可以将凸轮的图形设计出来，具体过程：
（1）、选择凸轮类型：
图5.4
（2）设置凸轮基本参数：
图5.5
（3）、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：
10°～60°为近休止运动阶段，升程为0mm，静止运动规律；
260°～240°为推程运动阶段，升程为48mm，摆线运动规律；
3240°～280°为远休止运动阶段，升程为0mm，静止运动规律；
280°～360°为回程运动阶段，升程为-48mm，简谐运运动规律。
将上述数据输入软件如下图所示：
图图5.6
（4）利用反转法原理设计凸轮的图形为：
图5.7
（5）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：
图5.8
5-4间歇运动机构的设计，分析
由设计要求可知，自动灌装机要实现自动灌装及压盖封口的动作，需要在不同工位上分别执行者两个动作，间歇运动机构可以实现这个目的，故我们小组选择了槽轮机构（槽轮机构具有以下特点：
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。
）
来实现上述要求：
由灌装要求可知：
灌装速度为8r/min，从而每个工作间隙为30/4s，转台每转动60°用时5/4s，停留25/4s，运动规律如图5.9所示。
图5.9
下面是设计的槽轮机构，如图5.10所示：
图5.10
具体设计参数如下：
1从动槽轮如图所示有四个径向槽，其外圆直径为300mm，并且从动槽轮的转速为2r/min;
2主动拨盘有一个拨动圆销，其直径为250mm，并且主动拨盘的的转速为8r/min，通过圆锥齿轮来传动;
5-5传动齿轮，带轮，链轮的设计：
（1）传动齿轮，带轮设计：
下图所示为电动机转速到轴Ⅲ的减速机构以及齿轮和带轮的设计，前面已经对各皮带轮和齿轮做了详细分析。
图5.11
5-6压盖封口机构的设计：
如图5.6所示，是所设计的压盖封口机构，该机构为对心曲柄滑块
图5.6
机构，曲柄AB与轴固接，轴的连续转动带动杆AB连续转动，从而带动杆BC上下运动，从而实现压盖封口机构的上下往复运动，转动一个工位就压盖封口一次，继而实现对瓶子的压盖封口动作。
有关此机构的数据如下：
①容器高度h1为280mm;
②齿轮与曲柄的转速为8r/min；
③曲柄AB长度L1=30mm，连杆BC长度L2=120mm，压制杆CD=60mm，瓶盖厚度=10mm；
④C处于最下极位时，D点距离容器瓶的距离为10mm；
⑤封口压盖滑块的行程S=60mm。
由运动循环图可以知道封口压盖滑块的运动规律如下图所示
图5.15压盖封口运动循环图
综上所述，曲柄滑块的数据如下：
⑴曲柄长AB=L1=30mm
⑵连杆长BC=L2=120mm
⑶极位夹角θ=0°
⑷行程比k=1
⑸最小传动角γmin=arcos（L1/L2）=arcos（0.25）=72.52°
机构简图如下图5.16：
图5.16
第六章设计总结与心得体会:
经过为期两周的艰苦奋斗，终于把课程设计结束了。
这几天的忙碌让我感觉重新回到了高中的生活，每天八点去图书馆查阅资料，天黑了才回宿舍，跟着室友讨论商议。
这样的生活挺累的，但是感觉非常的充实，多了一份目标，少了一些迷茫。
说实话，刚开始接到课程设计的任务让我头很大，完全不知道从哪里入手。
多亏了老师的讲解才慢慢的有头绪，做课程设计的感觉就是，要用到的知识比这一学期学的还要多，知识都跟不上节奏。
经过查阅资料书籍，我也从开始的毫无头绪慢慢的摸清了一些路子，随着深入，我的心态也在改变，由一开始的抗拒渐渐地产生了兴趣，越来越觉得设计东西是非常有意思的，虽然我们设计的只是很简单的一个机构。
看到了我们学习的知识能够得到运用于实际，这个感觉非常兴奋。
这次课程设计我学到了很多东西，得到很多的锻炼。
这次课程设计不仅让我学会了如何将平时所学的知识运用于实践生活中，并且通过实践，加深了平时的所学的知识，同时培养了我们运用所学的理论和方法去发现、分析和解决工程实际问题的能力。
再者，在凸轮和连杆设计、以及其运动分析、运动简图的绘制过程中，我学会了运用计算机软件分析设计各类凸轮机构等。
在这两周知识海洋里摸爬滚打，我的成果也在逐渐成型，最后算出来尺寸的那刻，看到自己设计的东西成型，一股自豪的心情油然而生，那一瞬间，觉得这两周所有的苦累都是值得的。
参考文献
《机械原理课程设计手册》----------重庆大学出版社，牛鸣岐、王保民、王振甫主编
《机械原理》----------------------高等教育出版社，孙桓、陈作模、葛文杰主编
《机械制图——AutoCAD2012》------北京邮电大学出版社，李爱军、李爱红主编
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