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
1.设计题目-------------------------------------------------------3
1.1设计题目及原始数据------------------------------------------3
1.2设计方案提示------------------------------------------------3
1.3设计任务----------------------------------------------------4
4旋转型灌装机的工作原理及其功能原理-------------------------4
2.2旋转型灌装机的功能分解图、执行机构动作分解图---------------4
2.1旋转型灌装机工作原理---------------------------------------5
3.旋转型灌装机机构运动总体方案-------------------------------13
4工作循环图及运动转换功能图---------------------------------17
4.1工作循环图-------------------------------------------------17
4.2绘制机械系统运动转换功能图---------------------------------17
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-------------18
5旋转型灌装机各运动构件的设计，选择与分析-----------------19
5.1传动机构的选择---------------------------------------------19
5.2减速机构的设计，选择与分析---------------------------------20
5.3灌装机构的设计---------------------------------------------21
5.4间歇运动机构的设计，分析-----------------------------------25
5.5传动齿轮，带轮，链轮的设计---------------------------------26
5.6封口压盖机构的设计-----------------------------------------28
6课程设计总结与感想------------------------------------------36
参考文献------------------------------------------------37
1.1设计题目及原始数据
图1旋转型灌装机
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。
技术参数见下表。
旋转型灌装机技术参数表
方案号
转台直径mm
电动机转速r/min
灌装速度r/min
A
600
1440
10
B
550
1440
12
C
500
960
10
1.2设计方案提示
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。
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。
1.3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，并在图纸上画出传动系统图；
3.图纸上画出旋转型灌装机的运动方案简图，并用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；
2．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
工件夹紧
灌装
压盖
工件输出
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
曲柄滑块就够
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B方案，故选用1440r/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，我们小组根据设计的要求，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，因此我们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。
但考虑到如果只是简单的运用皮带来传送传送工件，由于皮带上工件是连续排列的，皮带轮也是连续运动的，而工作
图2.4转送装置
台是间歇旋转转动，这样会导致工件在工位1处出现堆积，对生产造成影响，为了使工件能够有序地传送到旋转工作台工位1，以到达各机构运动的配合与协调，我们小组经过商讨后决定采用了如图2.5的装置来实现工件有序的进入工位1。
图2.5
待加工的瓶子从图中所示位置进入装置，由中间传动轮带动，最后送人输出口，通过挡板的作用使瓶子输出到皮带轮上，这样就可以通过控制中心盘的转速来控制瓶子的输出速率，从而满足旋转工作台的需要。
为了使工件能正确的进入工位1，我们在工位1处如图2.6设计，
图2.6
这样的设计避免了由于传送的途中导致的瓶子不在中心位置，此时的导向板导轨便可以将其位置调整至正确位置，这样来，就避免劳了上述的情况。
工件定位夹紧功能：
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。
我们小组按照要求设计了如下的装置：
方案一：
如图2.7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2.7
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2.8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2.8
在于其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。
故最终我们选用这个方案。
④灌装机构功能设计：
方案一：
采用凸轮机构（用弹簧）
如图2.9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灌装功能。
图2.9
方案二：
采用凸轮机构（不用弹簧）
如图2.10，和上面的凸轮机构一样，同样利用凸轮的连续转动，升程和回程不断的交替，便实现了灌装活塞的上下往复运动。
只是此时不用弹簧来回程以吸液体，而是利用凸轮自身带的凹槽的作用，通过和塞杆上的销钉带动和塞杆来回运动。
同样，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，如此往复运动也可以可实现灌装功能，但这种装置有个缺点，销钉的受力较大，对销钉的材料性能要求较高。
图2.10
根据设计要求，可知，灌装作为旋转灌装机的一个重要工工序，要求灌装速度要恒定，同时对工件的定位要求较高。
从凸轮机构的优点来看，只要设计出适当的凸轮轮廓尺寸，便可使从动件按各种预定的规律运动，并且机构紧凑，因此可以实现设计要求的等速灌装的要求，还可以通过设定不同的参数，便可以不同的运动规律，从而在实际运用中得到大量应用。
当然，凸轮机构也有缺点，凸轮与从动件之间为点或线接触，压强较大，易于磨损。
一般凸轮轮廓的加工要求比较高，费用昂贵，行程不大。
我们小组经过讨论，最终决定运用方案一，但将凸轮与和塞杆直接接触改成小滚轮代替，这样就很好的避免了凸轮机构由于摩擦大而造成的杆件磨损。
⑤压盖封口功能
如图2.11所示，是我们小组设计的压盖封口机构，该机构为对心曲柄滑块
图2.11
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。
图2.12
我们小组经过讨论，决定在压盖封口装置中加入送盖机构，简图如图2.12:
图2.12
该机构工作原理是，瓶盖装夹在倾斜槽中，依靠自身重力当压制杆上滑到倾斜槽口上方时，滑至压盖槽中，在压制槽中，靠瓶盖与压制槽内壁的摩擦，停留在压制槽中。
当压制杆下滑时，将瓶盖压人待加盖瓶瓶口，照此循环工作。
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，所以在此我们设计了如下图2.13所示。
容器到达图示工位3，压盖封口结束后，此时曲线1与曲线2组成的挡板，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2.13）
3．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）
我们小组根据设计要求，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
图3.2局部俯视图
1.电动机和轴带轮2.皮带轮3、4、4'、5齿轮6、7斜齿轮8.8’.链轮9、10斜齿轮11主动拨盘12从动槽轮13凸轮、灌装机构14曲柄16.封口压盖器17工作台
18定时送瓶器19传送带
主轴
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带动轴旋转，从而带动锥齿轮6，形成行星轮系。
锥齿轮6一比一传动给锥齿轮7，锥齿轮7带动轴旋转，轴带动链轮21，链轮21一比一传动到链轮21’，链轮21’带动定时送瓶机轴旋转，从而带动定时送瓶机运动，转速为12转没分钟，定时送瓶机用来传送容器。
与锥齿轮6同轴的链轮8以相同角速度转动通过链条传给链轮8’，使轴转动，从而使凸轮13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。
由于链轮8’带动轴旋转，曲柄15与轴固联，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。
与链轮8’同轴的锥齿轮9传给锥齿轮10，锥齿轮10通过轴传到主动拨盘11，主动拨盘11带动从动槽轮12，实现旋转工作台的间隙旋转运动。
锥齿轮6传动到锥齿轮16，锥齿轮带动轴旋转，轴带动链轮18旋转，链轮18传动到链轮18’上，链轮18’带动传送带的轮转动，从而实现皮带输入和输出工件的目的，转速为12转每分钟。
下面为自动灌装机的三维图：
图3.3
4工作循环图及运动转换功能图
4.1工作循环图
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
我们小组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=4×4×4×4×2×2×4=4096
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，下图折线为我们设计的最优方案。
5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12r/min,则灌装凸轮和封口压盖曲柄的转速也就是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。
5.1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。
但是齿轮的制造、安装要求较高.加工制造困能，不适宜远距离传送。
（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;可以通过打滑，提高设备的防过载能力;传递效率较低，易出现皮带打滑造成皮带磨损剧烈;造价低廉、不需要润滑以及缓冲、吸震、易维护等特点。
但是传动比不明确，过载时将引起打滑，使皮带的运动处于不稳定状态；滑动损失大，磨损加剧，严重影响皮带的寿命。
（3）链条传动：
能保证准确的平均传动比;传递的功率大，且张紧力小，传动的效率高，一般达到0.95-0.98；能在低速重载和高温条件及露天等不良环境中工作；链条的铰链磨损后，使链条节距变大，链条易脱落；和齿轮传动比较,它可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力；安装和维修要求较高.链轮材料一般是结构钢等.
各个传动机构都有自己的特点，因此我们们在选择传动机构时一定要综合考虑，选择最佳的传动机构组合。
1）带传动:
为发挥其过载保护功能和减小传动尺寸，可放在传动系统的第一级。
2）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。
3）链传动:
用于中心距较远的传动。
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，我们小组想到了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及具体的齿轮参数
图5.1
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
2.5mm
47.5mm
60
20°
齿轮4
20
2.5mm
50mm
20°
齿轮4’
20
2.5mm
50mm
200
齿轮5
60
2.5mm
150mm
20°
齿轮6、7
30
2.5mm
75mm
1
20°
图5.2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
i3H=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1440r/min,Ⅱ轴转速为720r/min,Ⅲ轴转速为12r/min.
5.3灌装机构的设计：
根据设计要求及系统方案图，我们小组选用如下灌装机构：
如图5.3
⑴设定的数值：
1容器高度h1为250mm;
2活塞运动范围S为48mm;
3推杆和活塞总长L为200mm;
4滚子直径d=8mm;
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480mm。
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°
⑧升程最大压力角：
αmax01=22.02°＜30°
⑨回程最大压力角：
αmax02=42.23°（这个角度由于是处于回程，所以不考虑其大小，当然最好不超过70°）
图5.3
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摆线规律（正弦加速度运动规律sineaccelerationcurve）,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）、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12r/min，从而每个工作间隙为5s，转台每转动60°用时5/6s，停留25/6s，运动规律如图5.9所示。
图5.9
下面是我们小组设计的槽轮机构，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六个径向槽，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12r/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，由于前面已经对各皮带轮和齿轮做了详细分析，这里就不再多描述了。
图5.11
（2）链轮设计：
由于链轮能保证准确的平均传动比;传递的功率大，且张紧力小，传动的效率高，一般达到0.95-0.98；能在低速重载和高温条件及露天等不良环境中工作；和齿轮传
图5.12
动比较,它可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力；安装和维修要求较高.链轮材料一般是结构钢等.所以在此处我们小组利用链轮的特点来实现相距较远的运动传输。
在我们小组设计的自动灌装机中，由于传送带和定时送瓶机离减速装置较远，故这里的传动我们采用链轮机构来实现动能的传输。
特此说明送料皮带轮与定时送瓶器在动能传输过程中轴与轴是相互垂直的。
在换向锥齿轮6处，由三个轴线相互垂直的锥齿轮啮合而成，从而实现不同的方向的动能传动。
链轮的基本参数：
这里由于是一比一的传动，故所有的链轮的基本参数相同:
Z=24，，模数m=2.5mm,d=60mm，n=12r/min;
（3）换向锥齿轮的设计：
由于在减速装置减速过后，Ⅲ轴转速为12r/min,为使Ⅳ轴
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