機械原理課程設(shè)計洗瓶機

1、 機 械原 理設(shè)計說明書洗瓶機起止日期： 2015 年 5月21 日 至 2015 年 5 月 28 日學生姓名班級學號成績指導(dǎo)教師劉楊機械與電子工程（系）2015年 5 月27 日目錄 設(shè)計任務(wù)書 3 第1章 工作原理和工藝動作分解 4第2章 根據(jù)工藝動作和協(xié)調(diào)要求擬定運動循環(huán)圖 5第3章 執(zhí)行機構(gòu)選型 6第4章 機械運動方案的選擇和評定 8第5章 機械傳動系統(tǒng)的速比變速機構(gòu) 10第6章 機構(gòu)運動簡圖12第7章 洗瓶機構(gòu)的尺度設(shè)計14第8章 洗瓶機構(gòu)速度與加速度分析 22第9章 設(shè)計總結(jié) 25第10章 參考資料 26課程設(shè)計任務(wù)書2014 2015 學年第 2 學期 機械與電子工程 學院（系

2、、部） 專業(yè) 班級課程名稱： 機械原理課程設(shè)計 設(shè)計題目： 洗瓶機 完成期限：自 2015 年 5 月 21日至 2015 年5 月 28 日共 1 周內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計的任務(wù)與主要技術(shù)參數(shù)將瓶子推入同時轉(zhuǎn)動的導(dǎo)輥上，導(dǎo)輥帶動瓶子旋轉(zhuǎn)，推動瓶子沿導(dǎo)輥前進，轉(zhuǎn)動的刷子就可以將瓶子刷干凈。其工藝過程是：(1)將到位的瓶子沿著導(dǎo)輥推動；(2)瓶子推動過程利用導(dǎo)輥轉(zhuǎn)動將瓶子轉(zhuǎn)動；(3)作為清洗工具的刷子的轉(zhuǎn)動； 其余設(shè)計參數(shù)是： （1） 瓶子尺寸 大端直徑d=80mm , 長l=200mm ； （2）推進距離L=600mm ；推瓶機構(gòu)應(yīng)使推頭以接近均勻的速度推瓶，平穩(wěn)地接觸和脫離瓶子，然后推頭快速返回

3、原位，準備進入第二個工作循環(huán)。（3）按生產(chǎn)率的要求，退成平均速度v=45mm/s，返回時的平均速度為工作形成平均速度的3倍。（4）、電動機轉(zhuǎn)速為1440 r/min。（5）、急回系數(shù)3。二、設(shè)計工作量要求：對設(shè)計任務(wù)課題進行工作原理和工藝動作分解，根據(jù)工藝動作和協(xié)調(diào)要求擬定運動循環(huán)圖，進行執(zhí)行機構(gòu)選型，構(gòu)思該機械運動方案，并進行的選擇和評定，確定機械運動的總體方案，根據(jù)任務(wù)書中的技術(shù)參數(shù)，確定該機械傳動系統(tǒng)的速比，作出機構(gòu)運動簡圖，對相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)的具體尺度進行分析與設(shè)計。要求有設(shè)計說明書一份，相關(guān)圖紙一至兩張。進度安排起止日期工作內(nèi)容6.4-6.5構(gòu)思該機械運動方案6.6.-6.7運動分析及作

4、圖6.8整理說明書參考資料1 朱理機械原理北京：高等教育出版社，2008：15-2002 鄒慧君機械原理課程設(shè)計北京：高等教育出版社，2009：15-250指導(dǎo)教師： 2015年5 月 27 日第1章 工藝動作分解和工作原理1、根據(jù)任務(wù)書的要求，該機械的應(yīng)有的工藝過程及運動形式為：(1) 需將瓶子推入導(dǎo)輥上，推頭的運動軌跡如圖1-1所示。圖1-1 推瓶機構(gòu)的推頭軌跡圖(2) 導(dǎo)輥的轉(zhuǎn)動帶動瓶的轉(zhuǎn)動，其運動簡圖如圖1-2所示。圖1-2導(dǎo)輥的轉(zhuǎn)動帶動瓶的轉(zhuǎn)動(3) 刷子的轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動形式大致如圖1-3所示。圖1-3刷子的轉(zhuǎn)動（4）傳送帶的傳動帶動瓶子。其運動形式大致如圖1-4所示。圖1-4 瓶子的

5、運動第2章.根據(jù)工藝動作和協(xié)調(diào)要求擬定運動循環(huán)圖擬定運動循環(huán)圖的目的是確定各機構(gòu)執(zhí)行構(gòu)件動作的先后順序、相位，以利于設(shè)計、裝配和調(diào)試。3 推頭的設(shè)計要求，推頭在長為600mm的工作行程中，作速度為45mm/s的勻速直線運動，在工作段前后有平均速度為135mm/s的變速運動，回程時具有k=3的急回特性。其總體的循環(huán)圖如2-1所示。進瓶機構(gòu)勻速旋轉(zhuǎn)洗瓶機構(gòu)（刷子）勻速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)輥機構(gòu)360推瓶機構(gòu)（推頭M）27090圖21 各機構(gòu)的循環(huán)圖第3章.執(zhí)行機構(gòu)選型由上述分析可知，洗瓶機機構(gòu)有三個運動：一為實現(xiàn)推動瓶子到導(dǎo)輥機構(gòu)上的推瓶機構(gòu)，二為實現(xiàn)清洗瓶子的刷子的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；三是實現(xiàn)帶動瓶子旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)輥機構(gòu)。此

6、外，當各機構(gòu)按運動循環(huán)圖確定的相位關(guān)系安裝以后應(yīng)能作適當?shù)恼{(diào)整，故在機構(gòu)之間還需設(shè)置能調(diào)整相位的環(huán)節(jié)(也可能是機構(gòu))。主加壓機構(gòu)設(shè)計過程：實現(xiàn)推瓶機構(gòu)的基本運動功能：1)推頭的行程是600mm，速度是45mm/s。所以推程的時間就是13.3s，回程的速度是推程速度的3倍，就是135mm/s，時間就是4.4s。以電動機作為原動力，則推瓶機構(gòu)應(yīng)有運動縮小的功能2)因推瓶是往復(fù)運動，故機構(gòu)要有運動交替的功能3)原動機的輸出運動是轉(zhuǎn)動，推頭的運動是直移運動，所以機構(gòu)要有運動轉(zhuǎn)換的功能取上述三種必須具備的功能來組成機構(gòu)方案。若每一功能僅由一類基本機構(gòu)來實現(xiàn)，如圖3-1所示，可組合成3*3*327種方案。

7、圖3-1各個機構(gòu)的功能-技術(shù)矩陣圖按給定的條件，盡量使機構(gòu)簡單等等要求來選擇方案。所以可以得出以下三種機構(gòu)的見圖圖3-2 機構(gòu)的方案第4章.機械運動方案的選擇和評定根據(jù)第三章的分析，可以選出如下圖3-2所示的三種方案作為評選方案。方案一 搖桿機構(gòu)方案二 連桿機構(gòu)方案三 凸輪鉸鏈四桿機構(gòu)圖4-1推瓶機構(gòu)的方案構(gòu)思圖圖3-2所示的推瓶運動機構(gòu)方案中的優(yōu)缺點方案一：方案一的結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但組合機構(gòu)行程過長，生產(chǎn)效率較低不能滿足要求。方案二：結(jié)構(gòu)合理但運動軌跡不能滿足要求，而且計算量要求過于復(fù)雜，精確度不高。方案三：（最終采納方案）凸輪設(shè)計合理，行程滿足設(shè)計要求，生產(chǎn)效率滿足，偏差小，故采納此設(shè)計

8、方案。也只有方案三采用了凸輪機構(gòu)如圖4-1所示。圖4-2 凸輪-鉸鏈四桿機構(gòu)第5章.機械傳動系統(tǒng)的速比和變速機構(gòu)總傳動比計算：I總=1440/3=480r/min （5-1）第一級為蝸 輪蝸桿，選取傳動比為80.第二級為齒輪減速，傳動比為3.第三級為錐齒輪傳動，傳動比為2。按照設(shè)計要求，每分鐘要求清洗三個瓶子，所以在凸輪機構(gòu)中分配軸2的轉(zhuǎn)速為3r/min，選取額定轉(zhuǎn)速為1440r/min的電動機，總傳動比I總=1440/3=480r/min，傳動系統(tǒng)采用3級減速機構(gòu)，第一級為蝸輪蝸桿，選取傳動比為80.第二級為齒輪減速，傳動比為3.第三級為錐齒輪傳動，傳動比為2。具體計算如下：圖 5-2 機械

9、傳動系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)急回系數(shù)及工作行程設(shè)計了如圖5-1、5-2機構(gòu)所示，分析其速度。設(shè)已知行程，急回系數(shù)為，回程時間為，生產(chǎn)率為個每分則工作行程時間為，加工一個工件的平均速度為， ，。推程速度，而，其中為曲柄的固定鉸至行程中點的距離進而求出曲柄角速度。又因為，所以曲柄轉(zhuǎn)速。根據(jù)以上分析計算得到參數(shù)如下表5-3的參數(shù)列表。從帶輪1傳動到錐齒輪8的傳動比，其中為所設(shè)計的行星輪系的傳動比，分別為帶輪1和2 的半徑。，分別為嚙合齒輪3,4的齒數(shù)，分別為帶輪5,6的半徑。綜合考慮，齒數(shù)分配如下：，其中為漸開線齒輪行星傳動比，i18=1440/3=300/150*600/30*120=480；表 5-3各參數(shù)

10、列表項目值電機轉(zhuǎn)速（r/min)1440推程位移(mm)600生產(chǎn)率(個/min)3平均每個耗時(s)20急回系數(shù)K3推程用時(s)13.3推程平均速度(mm/s)45曲柄鉸至中點距離(mm)104.9曲柄轉(zhuǎn)速(r/min)4.總傳動比480.13 根據(jù)以上分析，設(shè)計了如圖5-4所示的傳動機構(gòu)：從電動機傳出的動力經(jīng)過帶輪1、2減速，傳給一對漸開線圓柱齒輪3、4第二次減速，從齒輪4傳出的動力開始分支：一部分傳給帶輪5、6進一步減速輸送給毛刷傳動齒輪，各毛刷的轉(zhuǎn)速大小一致，另一部分由于速度仍然比較大，選用3K型的NGWN型漸開線行星輪系進一步減速。最終速度減為所需速度，直接由8處的動力帶動曲柄搖桿

11、機構(gòu)的曲柄轉(zhuǎn)動。并且，通過一對圓錐齒輪將速度變向，傳遞給兩個導(dǎo)輥，其間的傳動比都為1。如此，整個洗瓶機的傳動機構(gòu)設(shè)計便完成了。詳見圖5-4所示。圖5-4第6章.洗瓶機的機構(gòu)運動簡圖綜合本組黨飛、林尚旗同學的機構(gòu)選型，做出洗瓶機的總體機構(gòu)運動簡圖，如圖6-1所示圖6-1洗瓶機的總體機構(gòu)運動簡圖方案說明首先動力從電動機輸出，因為需要的速度不是很高，所以要經(jīng)過減速箱減速，再經(jīng)過帶傳動傳給齒輪1，齒輪一又傳給齒輪2帶動軸旋轉(zhuǎn)。 導(dǎo)輥傳動：由齒輪3帶動齒輪4使外面一根導(dǎo)輥轉(zhuǎn)動；再由齒輪4帶動齒輪5，齒輪5 又帶動齒輪6使里面那根導(dǎo)輥轉(zhuǎn)動。因為齒輪4和齒輪6大小一樣，齒輪5主要是保證兩導(dǎo)輥轉(zhuǎn)向一致，這樣既

12、保證速度一樣，也保證了旋轉(zhuǎn)方向一樣。進瓶機構(gòu)傳動：進瓶機構(gòu)借助齒輪4帶動齒輪7，又由齒輪7帶動的軸旋轉(zhuǎn)，再由軸帶動蝸輪蝸桿B，然后蝸輪蝸桿B帶動齒輪9，再由齒輪9帶動間歇機構(gòu)槽輪完成瓶子的輸進。洗瓶機構(gòu)傳動：洗瓶機構(gòu)是通過齒輪6帶動齒輪8，齒輪8帶動軸轉(zhuǎn)動，再由軸帶動蝸輪蝸桿C，然后再通過蝸輪10傳給齒輪13，而齒輪13通過左右各一個小齒輪（齒輪12和齒輪14）傳給同尺寸的齒輪11和齒輪15，這樣也保證了它們?nèi)齻€齒輪（齒輪11、齒輪13和齒輪15）轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速相同。三個齒輪又把動力傳給刷子，通過三個外刷子的旋轉(zhuǎn)來清洗瓶子的外表面。推瓶機構(gòu)傳動：由蝸輪蝸桿A帶動齒輪16，再由齒輪16傳給凸輪的齒輪

13、，再由凸輪的齒輪帶動凸輪-鉸鏈四桿機構(gòu)來實現(xiàn)推瓶機構(gòu)往復(fù)運動。第7章機構(gòu)的尺度設(shè)計推瓶機構(gòu)中凸輪鉸鏈四桿機構(gòu)方案如7-1所示，鉸鏈四桿機構(gòu)的連桿2上點M走近似于所要求的軌跡，M點的速度由等速轉(zhuǎn)動的凸輪通過構(gòu)件3的變速轉(zhuǎn)動來控制。由于此方案的曲柄1是從動件，所以要注意度過死點的措施。圖7-1凸輪鉸鏈四桿機構(gòu)的方案一、凸輪的基本參數(shù)1. 凸輪的壓力角表達式：2. 凸輪基圓半徑的確定圖示凸輪機構(gòu)中，導(dǎo)路位于右側(cè)。運動規(guī)律確定之后，凸輪機構(gòu)的壓力角與基圓半徑r0直接相關(guān)。 P點為相對瞬心OP= v/= ds/dt / d/dt =ds/d由BCP得:tg=(OP-e)/BC =(ds/d-e)/(s0

14、+s)其中： s0=(r2o-e2)1/23. 基圓半徑受到以下三方面的限制： 基圓半徑rb應(yīng)大于凸輪軸的半徑rs； 應(yīng)使機構(gòu)的最大壓力角max小于或等于許用壓力角； 應(yīng)使凸輪實際廓線的最小曲率半徑大于許用值，即smin s。4. 滾子半徑的確定工程上：最小曲率半徑的許用值s（一般3-5mm）二、凸輪機構(gòu)的組成1. 凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件。凸輪通常作等速轉(zhuǎn)動，但也有作往復(fù)擺動或移動的。推桿是被凸輪直接推動的構(gòu)件。因為在凸輪機構(gòu)中推桿多是從動件，故又常稱其為從動件。凸輪機構(gòu)就是由凸輪、推桿和機架三個主要構(gòu)件所組成的高副機構(gòu)。2. 凸輪機構(gòu)中的作用力 直動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu)在考慮摩擦

15、時，其凸輪對推桿的作用力 F 和推桿所受的載荷(包括推桿的自重和彈簧壓力等) G 的關(guān)系為F = G /cos(+1) - (l+2b/l)sin(+1)tan23. 凸輪機構(gòu)的壓力角 推桿所受正壓力的方向(沿凸輪廓線在接觸點的法線方向)與推桿上作用點的速度方向之間所夾之銳角，稱為凸輪機構(gòu)在圖示位置的壓力角，用表示在凸輪機構(gòu)中，壓力角是影響凸輪機構(gòu)受力情況的一個重要參數(shù)。在其他條件相同的情況下，壓力角愈大，則分母越小，作用力 F 將愈大；如果壓力角大到使作用力將增至無窮大時，機構(gòu)將發(fā)生自鎖，而此時的壓力角特稱為臨界壓力角c ，即 carctan1/(1+2b/l)tan2- 1為保證凸輪機構(gòu)能

16、正常運轉(zhuǎn)，應(yīng)使其最大壓力角max小于臨界壓力角c 。在生產(chǎn)實際中，為了提高機構(gòu)的效率、改善其受力情況，通常規(guī)定凸輪機構(gòu)的最大壓力角max應(yīng)小于某一許用壓力角。其值一般為：推程對擺動推桿取 3545 ； 回程時通常取 7080。其中凸輪設(shè)計原理如圖7-2。圖7-2 凸輪設(shè)計原理4.根據(jù)以上設(shè)計內(nèi)容確定出凸輪設(shè)計曲線圖如線圖（圖7-3）所示。 圖7-3凸輪設(shè)計曲線圖凸輪的輪廓主要尺寸是根據(jù)四桿機構(gòu)推頭所要達到的工作行程和推頭工作速度來確定的，初步定基圓半徑r0=50m，溝槽寬20mm，凸輪厚25mm, 孔r=15mm ,滾子半徑rr=10mm。 凸輪的理論輪廓曲線的坐標公式為： ， （A）5.求凸

17、輪理論輪廓曲線： a)推程階段 01=216=1.2 = b）遠休階段 = 7.5 c)回程階段 d) 近休階段 = e)推程段的壓力角和回程段的壓力角 將以上各相應(yīng)值代入式（A）計算理論輪廓曲線上各點的坐標值。在計算中時應(yīng)注意：在推程階段取，在遠休階段取，在回程階段取，在近休階段取。根據(jù)推瓶機構(gòu)原理，推瓶機構(gòu)所需達到的工作要求來設(shè)計凸輪，凸輪的基本尺寸在近休時尺寸為50mm,達到最遠距離是尺寸為180.9mm。6. 求工作輪廓曲線： 有公式的 其中： 1 推程階段 =2 遠休階段 3回程階段 4 近休階段 計算結(jié)果可以得凸輪工作輪廓曲線個點的坐標見下表7-1： 表7-1 x y 0 5 10

18、 350 355 3600.04.3598.705-8.682-4.3580.050.049.82649.37049.24649.81050.0 0.0 3.602 7.409-6.946-3.4860.0 40.039.85539.45539.39239.847 40.0三、鉸鏈四桿機構(gòu)尺寸設(shè)計 鉸鏈四桿機構(gòu)按照給定的急回要求設(shè)計，利用解析法求解此類問題時，主要利用機構(gòu)在極為是的特性。又已知的行程速比系數(shù)K和搖桿擺角=69度，在由圖7-4查的最小傳動角的最大值maxmin及的大小在計算各桿的長度。圖7-4 搖桿擺角的變化查表可知maxmin=45，=75則： =180（K-1）/（K+1）=

19、90 ， a/d=sin(/2)sin(/2+)/cos(/2-/2)b/d= sin(/2)sin(/2+)/sin(/2- /2) ， (c/d)=(a/d+b/d)+1-2(a/d+b/d)cos選定機架長度d就可以確定其他各干長度。根據(jù)推瓶的行程來確定各桿的長度及擺角大小，搖桿所轉(zhuǎn)的角度=69度，行程速比系數(shù)K=3。得 L1=477.64mm L2=290.22mm L3=577.3mm L3a=229.3mm L4=500mm L4a=200mm 圖7-5 鉸鏈四桿機構(gòu)解析連桿機構(gòu)中的運動副一般均為低副。其運動元素為面接觸，壓力較小，承載能力較大，潤滑較好，磨損小，加工制造容易，且連

20、桿機構(gòu)中的低副一般是幾何封閉。能很好的保證工作可靠性。對于四桿機構(gòu)來說，當其鉸鏈中心位置確定后，各桿的長度也就確定了，用作圖法進行設(shè)計，就是利用各鉸鏈之間的相對運動的幾何關(guān)系，通過作圖法確定各鉸鏈的位置，從而得出各桿的長度。圖解法的優(yōu)點是直觀，簡單，快捷，對三個設(shè)計位置下的設(shè)計十分方便，其設(shè)計精度也能滿足工作要求。根據(jù)第3章四桿機構(gòu)的尺寸來設(shè)計鉸鏈四桿機構(gòu)。連桿材料為45#鋼調(diào)制處理，桿粗為20mm，根據(jù)各干長度尺寸現(xiàn)用CAD軟件繪制連桿機構(gòu)圖如下，這三幅圖分別為連桿滑塊在凸輪上轉(zhuǎn)到近休時連桿機構(gòu)的位置（圖7-6所示, 連桿滑塊轉(zhuǎn)到凸輪遠休時連桿機構(gòu)的位置（圖7-7）所示。圖7-6 圖7-7凸

21、輪鉸鏈四桿機構(gòu)組合運動圖圖7-8是通過連桿在凸輪上的滾子推動連桿，鉸鏈四桿機構(gòu)的擺桿2運動到了任意位置的各桿的位置關(guān)系圖。圖7-8凸輪-鉸鏈四桿機構(gòu)的位置關(guān)系圖速度分析如圖7-9所示有 (順)Ve= *GE*3 = 45mm/s 得 3= 7.810-2 rad/s Vb= *HB*3 = 38.7mm/s 圖 7-9 瞬心法速度分析 （逆）圖7-10 圖解法速度分析加速度矢量圖如圖7-11所示 由Ve =45mm/s 近似勻速運動， 但是不為0，所以存在角加速度 ac =* aCB=*2=atCB/lBC=*/ lBC3 =atc/lCD=*/ lCD圖7-11 圖解法加速度分析第8章,推瓶

22、機構(gòu)速度與加速度分析洗瓶機推頭的速度曲線及說明：速度曲線如圖所示：在推頭開始運動的一段時間時，速度略有上升，在推頭推進的途中，推頭的速度基本保持勻速運動，稍微有點波動，可能就是因為我門的推頭結(jié)構(gòu)不緊湊和不夠完善而造成的。在推頭運動13.3s前進到極位時，推頭的速度急速上升，上升到前進速度的3倍，然后再運動4.4秒后到達開始位置，速度下降到零，然后進入下一個周期。從速度圖來看，我們的機構(gòu)基本達到了預(yù)期的效果，但可能在機構(gòu)造型是有些零件尺寸不是特別精確而影響了運動結(jié)果。 加速度曲線及說明：下圖為此機構(gòu)的加速度仿真曲線。從圖中可以看出，在機構(gòu)開始運動時，推頭是有加速度的，這必然會對剛放上來的瓶子有沖

23、擊，所以我們在放瓶子的時候就應(yīng)避開這個時后讓放瓶子的位置離推頭的初始位置一段距離，這樣瓶子就會避免沖擊了。 在加速度第一次到達零之后，基本保持不變，略微有所波動，基本達到了題目要求的推頭推出速度為勻速的，然后在推到極位后，加速度急速上升又急速下降。但有一個不太明白為什么加速度有兩次上升兩次下降才進行下一個周期。 位移曲線及說明：可能是在模擬時推頭不是從坐極限位置開始運動，所以在曲線開始的時候有所下降，推頭的起始位置是從位移為零之后，在推頭前進的途中，位移曲線的斜率基本保持不變，略微有所波動，有一次說明在推頭前進時速度是勻速的。 在回程的時候，曲線的斜率也基本保持不變，位移為一條直線，這也說明回程時推頭基本以3倍推出速度急回凸輪機構(gòu)的運動循環(huán)圖如圖2-1所示。位移圖 速度圖加速度圖 位移、速