机械式瓶托升降机构的设计课程设计任务书.docx

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机械式瓶托升降机构的设计课程设计任务书

机械式瓶托升降机构的设计

1绪论

1.1包装的机械化

包装机械是随着新包装材料的出现，和包装技术的不断革新而发展的。

中国包装机械的技术水平相较于先进国家的整体技术水平落后20年，在产品的开发、性能、质量、可靠性、服务等方面的竞争中处于劣势。

目前，在包装行业不断发展的前提下，可以看到包装机械行业中矛盾重重，企业无法应对形势的变化，行业发展思想观念与形势发展不相适应；技术创新能力弱，工艺技术进展缓慢，新产品开发还没有从根本上摆脱仿研跟踪的局面，竞争力不强，经济增长、效益提升仍然主要靠规模拉动。

此外，还存在一些包装机械企业管理粗放，精细化管理尚未实现；市场意识、竞争意识、忧患意识不强，服务市场、服务客户的意识以及发展的紧迫感、责任感不强，一些包装机械企业对人的认识和使用与市场经济规律之间不相适应等现象。

面对不利因素，最紧迫的是改变包装机械行业中各企业的发展方式，企业要站在新的起点上去审视和解决好以上的矛盾和问题，转变发展理念，强化自主创新，增强市场意识，大力推进国内包装机械行业发展。

要改变包装机械行业现状，促进包装机械的发展，行业在大步前进的同时要注意包装机械的发展趋势。

随着科学技术的不断发展进步，各种食品加工品的出现，对包装技术和包装设备都提出了新的要求，包装机械在流通领域中发挥着越来越大的作用。

目前包装机械竞争日趋激烈，而高度自动化、智能化、多功能、高效率、低消耗的包装设备越来越受到行业的青睐。

现在工艺流程自动化程度越来越高。

目前自动化技术在包装生产线中已占50%以上，大量使用了电脑设计和机电一体化控制，提高生产率、设备的柔性和灵活性，增加机械手以完成复杂的包装动作。

每个机械手均由单独的电脑控制，摄像机监控包装动作并将信息反馈到电脑以调整动作幅度，保证包装的质量。

不久包装机械即将创新新兴行业。

目前国外包装和食品机械水平高的国家主要有美国、德国、日本、意大利和英国等。

制造执行系统目前，中国包装机械需要在安全检测技术，运动控制技术，柔性化生产制造，执行系统等方面不断改进，并努力创新。

1.2灌装机的发展

正是因为以上的作用的优点，包装机械近几年来得到的快速的发展，旋转型灌装机械作为包装机械的一种也同样发展迅速，在粮油食品、化工、石油等工业领域中,有许多呈液体状态的产品以瓶（桶）装形式出厂,所以经常采用液体灌装机进行定量灌装。

目前,我国的自动液体灌装机,绝大部分采用容积式计量的形式进行分装,即采用气缸活塞式的机械结构。

这种计量方式,由于气缸内径的尺寸有一定公差,且各气缸内径的不一致,加上在灌装粘度较高的液体时,容易吸入空气,所以其计量准确度较低,一般只能控制0.5%左右的偏差范围内。

在大容量灌装时,其绝对误差就较大,往往不能满足计量要求。

因此需要提高计量的准确度和重复性,增大灌装容量范围，使其可以方便地任意调整,能适应各种大小容器。

图1-1灌装机三维图

1.3机械式瓶托升降机构特点及应用场合

机械式托瓶机构具有结构简单、制造方便的特点。

托瓶机构依靠弹簧力使托瓶台升降，具有一定的缓冲作用，但在降瓶及无瓶区段有较大的弹簧力，将增加凸轮磨损，容易弯断辊子销轴。

弹簧在连续工作中容易失效，其压紧力也受到一定限制。

主要用于灌装不含气液料的灌装。

2总体设计

目前，在国内外的灌装行业，旋转型灌装机逐渐取代了直排式的灌装机，因为旋转型灌装机具有时不用停歇，灌装效率高，运动速度都是同步的，所以不会产生大的冲击振动，对一些易损易碎容器较为安全等一些优点。

所以本次设计也采用旋转型灌装机。

1-输送带；2-进瓶拨轮；3-转盘；4-定位板；5-出瓶拨轮

图2-1旋转型灌装机示意图

1-分瓶蜗杆2-进瓶拨轮3-升降机构4-定中罩5-中间拨轮6-压盖拨轮7-出瓶拨轮8-环形酒缸9-真空通道10-灌装阀11-旋转分配器

图2-2旋转型灌装机实物图

瓶托升降机构是灌装机中承载瓶容器做上下运动，从而与灌装阀接合、分离进行灌装，并且带着瓶子做横向运动的机构。

托瓶机构的上滑筒与下滑筒，借助拉杆与压缩弹簧组成1个弹性套筒。

在下滑筒的支撑轴上装有滚动轴承，使托瓶台连同上、下滑筒一起沿着凸轮导航升降。

由于由上、下滑筒等组成的弹性套筒是依靠压缩弹簧上升的，因此具有缓冲作用，既能保证灌装时瓶口的密封，同时对瓶子的高度误差也有较好的适应能力。

实际上它相当于圆柱凸轮—直动从动杆机构，只不过圆柱凸轮固定不动，而直动从动杆可绕圆柱轮的中心轴线回转，其相对运动关系不变。

这种升降机构由固定圆柱凸轮－偏置直动从动杆机构来实现转盘也就是圆柱形凸轮的端面，升降机构在上面行走，同时灌装也是在这一部分完成。

图2-3上将机构运动图

3包装容器的设计

灌装时需要容器来盛装液体，这些容器一般有玻璃瓶、塑料瓶、金属罐、纸盒等。

3.1包装容器材料选择

此处采用塑料作为包装容器的材料。

采用塑料瓶包装的优点是：

包装成本低廉；可有效降低爆瓶伤人事故；能解决塑料周转箱在流通及堆放过程中对内存瓶体表面的污染问题；适用范围广。

3.2包装容器形状设计

此处选用圆柱形瓶。

圆柱瓶受力均匀，灌装时受力不易变形，且站立时较为稳定，不易倾倒。

圆柱体，更有利于液体的承装，节省材料的使用，提高利润。

3.2包装容器尺寸设计

因为灌装的容积为V=150ml，所以设瓶子底面内半径为R=2.5cm，则可得瓶子的底面积为S=πR²=3.14×2.52=19.625cm²；

瓶子上部的半球体积为V1=1/2×4/3πR³=1/2×4/3×3.14×2.53=32.7cm³，所以需要去掉V1=32.7cm³。

设瓶子圆柱段的高度为h1，则有：

V-V1=Sh1，所以求得h1=6cm。

瓶子的高度H=h1+R+瓶颈的高度，所以可得H=10.5cm。

3.4包装容器三维图

图3-1瓶子模型图

4凸轮的设计

机械式升降机构，这种升降机构是由固定圆柱凸轮－偏置直动从动杆机构来实现。

凸轮是整个升降机构的核心装置，利用凸轮来实现整个机构的升降运动。

在旋转型灌装机中，瓶子既随转盘旋转，又作上下运动，所以这里采用圆柱断面凸轮，即整个滑道就是圆柱端面，圆柱端面不动，推杆在端面上行走，由于圆柱端面的曲线设计，从而让推杆在绕转盘转动时做升降运动。

这种机构结构简单，但机械磨损大，工作可靠性较差。

4.1凸轮的展开曲线

为保证灌装时药液不会泄漏或溅出瓶外，控制瓶子升降的凸轮廓形（即滑道）：

　在行程的最高点处，应能使瓶口紧压在灌装头上；

　在行程的最低点处，应使瓶口远离灌装头。

托瓶台1和上滑筒3、下滑筒6通过拉杆5与弹簧2组成一个弹性套筒；

　图4-1凸轮的展开示意图

为避免凸轮机构受力过大：

滑道的最大升角α≤30°；对空行程（瓶托下降时）因从动件受力很小，β角可取大些（β≤70°），以节省下降时间。

这里取α=30°，转盘速度V0=100mm/s，每瓶的灌装时间为t2=6s，则L2=600mm。

知初始条件为灌装瓶容积150ml；行程30～110mm；灌装机生产能力700瓶/小时。

所以可知每瓶开始的灌装的时间间隔为Δt=3600/700=5.14s。

根据升角、回角和行程可计算出升程和回程所对应的展开曲线长度：

由于行程是30～110mm，所以推杆在垂直方向上运动的距离为80mm；根据升角α=30°，计算出上升曲线长度L1=160mm，对应的直角边长度为N1=139mm，所以上升时间为t1=N1/V0=1.39s。

回程角取β=60°，则N3=h/tanβ=46mm，所以取t3=N3/V0=0.46s，所以下降曲线长度为L3=92.4mm。

所以滑道开始上升到下降的展开长度为L0=N1+L2+N3=139+600+46=785mm。

假设灌装机总共有n个灌装阀，则n>（t1+t2+t3）/Δt=1.527。

所以取旋转型灌装机的灌装阀数为n=2个，则滑道总长为L=（n-（t1+t2+t3）/Δt）×V0×Δt+L0=1028mm。

所以滚轮在滑道上滚一周所用时间为T=n×Δt=10.28s。

则凸轮升程角为：

t1/T×360°=49°；凸轮远休止角为：

t2/T×360°=210°；远休止角所对应的弧长为：

L2=600mm，回程角为：

t3/T×360°=16°；近休止角为：

（T-t1-t2-t3）/T×360°=85°由上可得到图2形状凸轮的半径R1=164mm。

图4-2凸轮的展开曲线

4.2凸轮的形状

根据凸轮的展开曲线绘制出凸轮时，要在转弯处设计圆角，以免推杆在上面运动时，在转弯处产生刚性冲击而造成瓶子倾倒或移位现象，同时也减少一些阻力，减少不必要的磨损。

图4-3凸轮的模型图

5升降机构的结构设计

升降机构应具有一定的可调节性，可适应具有一定高度误差的瓶子；且具有一定的缓冲性能和弹性，让瓶口与灌装阀接触时不会产生刚性碰撞而损坏瓶子，同时也让灌装阀与瓶口接触时有一定的压力。

5.1升降机构原理设计

为保证托瓶台与前工作台面高度一致，托瓶台高度应可调节：

松开夹紧螺丝，旋转托瓶台至所需高度即可。

为保证灌装时药液不会泄漏或溅出瓶外，要求控制瓶子升降的凸轮廓形（即滑道）：

在行程最高点处，应使瓶口紧压在灌装头上；

在行程的最低点处，应使瓶口远离灌装头。

托瓶台1和上滑筒3、下滑筒6通过拉杆5与弹簧2组成一个弹性套筒

图5-1升降机结构图

安装：

整个升瓶机构由固定滑座4用螺母安装在下转盘边缘孔中；

带动下转盘旋转的大齿轮其分度圆线应与托瓶台的中心线相吻合，这样才能保证瓶子在进、出拨瓶轮与托瓶台间传送时线速度保持一致（这势必增加升降运动时的附加力矩，加速磨损）。

高度调节：

当瓶口顶紧灌装阀需产生一定密封力及因瓶子高度误差，均可通过上滑筒3相对下滑筒6的运动，使弹簧2受压缩起到调节作用。

导向：

上、下滑筒的运动均有槽—下面可防止滚动轴承偏离升瓶凸轮；上面可防止托瓶台偏转，保证瓶口与灌装阀的相互对中。

升瓶：

升瓶凸轮8经滚动轴承7可使弹簧套筒上升→完成升瓶。

降瓶：

灌液结束后，滚动轴承正好转至降瓶凸轮（图中未示出）的下方，压迫整个弹性套筒下降，完成降瓶动作。

这种升瓶机构的升降瓶动作均是用固定圆柱凸轮——偏置直动从动杆机构来实现的。

5.2升降机构结构尺寸的设计

5.2.1瓶托台的设计

瓶托台其顶部与瓶子底部接触，尺寸根据瓶子的直径确定。

已知瓶子的直径为50mm,则瓶托台顶部可设计为60mm.。

厚度取10mm,有一定的拔模斜度，则底部可设计直径为80mm。

设计有螺纹的杆与顶座相连，杆的直径为12mm,长度为20mm。

结构图如图所示：

图5-2瓶托台结构图

5.2.2顶座的设计

定做的主要作用是用来连接各部件，是他们能够按一定的规律组装起来，并支撑瓶托台。

与其相连的部件有拉杆，上滑筒，弹簧。

设计有伸出结构，使用螺栓加紧，是瓶托台牢固的定位在顶座上。

为了有效的连接上滑筒，设计圆柱状的突出结构。

拉杆的直径为10mm,为了使拉杆能够很好地运动，则顶座与拉杆使用过盈配合，顶座的直径为12mm。

结构图如图所示：

图5-3顶座的结构图

5.2.3拉杆的设计

拉杆的作用主要是用来连接各部件和导向作用，拉杆头与顶座相连接，设计为锥形，这样可以避免应力集中，提高拉杆的力学性能。

在拉杆另一端设计有20mm的螺纹，使用螺纹固定。

其和连接块的连接也属于过盈配合。

瓶口顶紧灌装阀需产生一定密封力及因瓶子高度误差时，拉杆可以和顶座或连接块相对运动，从而起到保护瓶子和其他部件的作用。

拉杆的长度为260mm，直径为10mm。

结构图如图所示：

图5-4拉杆的结构图

5.2.4上下滑筒的设计

上下滑筒的作用主要是起到导向的作用，则其可设计为薄壁的管状，壁厚设计为4mm，外径为32mm，则内径为24mm。

上滑筒长度为128mm，下滑筒长度为120mm。

结构图如图所示：

图5-5上下滑筒结构图

5.2.5滑座的设计

滑座的作用主要是为了起到固定的作用，将托平生将机构固定在旋转灌装机上。

可设计两个部位进行固定。

第一个是用两个螺钉与外壁固定，第二个则是设计台阶使其卡在灌装机的平台上。

总长度为200慢慢，分为三部分，最上端长短为52mm，壁厚为6mm；第二部分为88mm，壁厚为4mm,第三部分长度为60mm,壁厚为4mm。

结构图如图所示：

图5-6滑座结构图

5.2.6连接块的设计

连接块的作用主要是使轴承沿凸轮滑道的运动转化为弹簧并最终成为瓶托台的运动。

在其上可设计正相交的两个孔，直径为12mm的孔与拉杆配合，属过盈配合，而20mm直径的孔与连杆配合，属间隙配合。

并设计有凸台，谁其与下滑筒相连。

结构图如图所示：

图5-7连接块结构图

5.3升降机构装配图

托平升降机构的各个两件按其功能和原理图进行装配，得到其装配图如图所示。

图5-8升降机装配图

5.4升降机构三维图

5.4.1零件三维图

图5-9升降机构各零件模型图

5.4.2升降机构三维装配图

图5-10升降机构三维装配图

6小结

这次包装机构的课程设计主要是继机械设计的课程设计之后，又一次机械方面的课程设计。

两者的不同之处是机械设计的课程设计所设计的变速箱是手绘图纸，非常原始的方法，所耗时间比较多。

但因为许多人都做，因此可以找到许多模版可以参考。

然而这次机械式瓶托升降机构的设计，则完全是全靠自己设计，没有任何模版可以参考。

设计的第一步是搜集有关该机构的相关资料，然而在搜集资料的过程中就发现，这方面的资料很少。

因此必须在有限资料的情况下设计出符合要求的产品。

既要满足原始参数：

灌装瓶容积150ml；行程30～110mm；灌装机生产能力700瓶/小时。

第二步则是阅读资料，根据相关资料确定原理图，明确该机构是有哪几部分组成，各部件的作用是什么。

首先是设计出凸轮滑道，其是托瓶生将机构饶轴运动的基础。

根据升程设计出相关轨迹线。

由此而设计出相关尺寸。

并在Proe中画出三维立体图，确定满足要求，则在CAD中完善平面图。

第三步则是确定托瓶升降机构的各部件尺寸，明确结构尺寸后，首先在Proe中画出三维立体图，并进行装配。

根据生成的模型，查找不足，并不断改进，直到足够完善。

最后在CAD中完善平面图。

最后则是写出设计说明书和其他一些工作。

这次我觉得收获最大的是通过自己设计，做出了基本符合要求的设计来，虽然存在着很多问题，但是还是一次很有意义的尝试。

画是三维零件图就画了我一天半，这主要是软件操作不熟练。

通过实际操作，遇到不会的地方就立马学习，很快提过了软件的操作能力。

这是我觉得最有意义的地方。

以前总是自学软件，效果却是不怎么样。

更深刻体会到，只有在实际操作中才能真正掌握。

而平面图画了我好多时间，则主要是因为有许多细节方面的地方要注意。

这次我觉得以后要改进的是，则有质量的完成任务的同时能够提高效率，这是很重要的。

尤其是在明年即将进入工作岗位，讲求效率则是及其重要的。

而做到提高效率，我认为首先要做到熟练，比如说软件必须熟练，做到这点就需要多做多用。

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