機械原理課程設(shè)計-旋轉(zhuǎn)型灌裝機

1、機械原理課程設(shè)計說明書 課題名稱：旋轉(zhuǎn)型灌裝機 專業(yè)班級：11級機械卓越班 學生姓名： 學生學號： 指導老師：目錄1、 題目.21、設(shè)計題目及原始數(shù)據(jù).22、設(shè)計方案提示.23、設(shè)計任務(wù).3二、設(shè)計方案.31、工藝分解 .4.減速裝置.4.容器輸入輸出裝置 .5.旋轉(zhuǎn)工作臺多工位間歇轉(zhuǎn)動功能.6.各個工位的精確定位功能 .6.對容器的灌裝封口壓力結(jié)構(gòu)（凸輪機構(gòu)） .7.送蓋，吸蓋，換蓋裝置.82、 運動方案總圖.103、 運動循環(huán)圖.11三、尺寸設(shè)計.121、凸輪設(shè)計.122、槽輪設(shè)計.133、齒輪設(shè)計.144、其他機構(gòu)尺寸設(shè)計.15四、心得體會.15五、參考資料.16機械原理課程設(shè)計任務(wù)書旋

2、轉(zhuǎn)型灌裝機一、題目圖1 旋轉(zhuǎn)型灌裝機 1、設(shè)計題目及原始數(shù)據(jù)設(shè)計旋轉(zhuǎn)型灌裝機。在轉(zhuǎn)動工作臺上對包裝容器（如玻璃瓶）連續(xù)灌裝流體（如飲料、酒、冷霜等），轉(zhuǎn)臺有多工位停歇，以實現(xiàn)灌裝、封口等工序。為保證在這些工位上能夠準確地灌裝、封口，應(yīng)有定位裝置。如圖1中，工位1：輸入空瓶；工位2：灌裝；工位3：封口；工位4：輸出包裝好的容器。該機采用電動機驅(qū)動，傳動方式為機械傳動。技術(shù)參數(shù)見下表。 旋轉(zhuǎn)型灌裝機技術(shù)參數(shù)表方案號轉(zhuǎn)臺直徑 mm電動機轉(zhuǎn)速r/min灌裝速度r/minA600144010B550144012C50096010D600144012E55096010F5001440122、設(shè)計方案提示.

3、采用灌瓶泵灌裝流體，泵固定在某工位的上方。.采用軟木塞或金屬冠蓋封口，它們可由氣泵吸附在壓蓋機構(gòu)上，由壓蓋機構(gòu)壓入（或通過壓蓋模將瓶蓋緊固在）瓶口。設(shè)計者只需設(shè)計作直線往復(fù)運動的壓蓋機構(gòu)。壓蓋機構(gòu)可采用移動導桿機構(gòu)等平面連桿機構(gòu)或凸輪機構(gòu)。.此外，需要設(shè)計間歇傳動機構(gòu)，以實現(xiàn)工作轉(zhuǎn)臺間歇傳動。為保證停歇可靠，還應(yīng)有定位（鎖緊）機構(gòu)。間歇機構(gòu)可采用槽輪機構(gòu)、不完全齒輪機構(gòu)等。定位（鎖緊）機構(gòu)可采用凸輪機構(gòu)等。3、設(shè)計任務(wù) .旋轉(zhuǎn)型灌裝機應(yīng)包括連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)等三種常用機構(gòu)； .設(shè)計傳動系統(tǒng)并確定其傳動比分配，并在圖紙上畫出傳動系統(tǒng)圖；.圖紙上畫出旋轉(zhuǎn)型灌裝機的運動方案簡圖，并用運動循

4、環(huán)圖分配各機構(gòu)運動節(jié)拍；確定連桿機構(gòu)各個桿件尺寸，進行速度、加速度分析，繪出運動線圖.凸輪機構(gòu)的設(shè)計計算。按凸輪機構(gòu)的工作要求選擇從動件的運動規(guī)律，確定基圓半徑，校核最大壓力角與最小曲率半徑。對盤狀凸輪要用電算法計算出理論廓線、實際廓線值。畫出從動件運動規(guī)律線圖及凸輪廓線圖； .齒輪機構(gòu)的設(shè)計計算；.編寫設(shè)計計算說明書。2、 設(shè)計方案根據(jù)給定題目，我選定方案D為主要設(shè)計方案。根據(jù)D給出的參數(shù)，電動機轉(zhuǎn)速為1440r/min,灌裝速度為12r/min。得出如下計算：60/12*6=5/6 秒/罐所以，灌裝的速度為5/6 秒/罐，由此推斷，在六工位轉(zhuǎn)臺上，每5/6秒鐘就要轉(zhuǎn)動一個工位，進而得知槽輪

5、主動輪的轉(zhuǎn)速為1.2r/s，而六工位轉(zhuǎn)臺每一個工位相對其轉(zhuǎn)動中心的轉(zhuǎn)角為60，再根據(jù)槽輪的運動規(guī)律得知，主動輪在每一秒鐘轉(zhuǎn)動過程中，只有60的轉(zhuǎn)動用來驅(qū)動槽輪從動輪做轉(zhuǎn)動，其余300的轉(zhuǎn)動用來定位。所以，5/6s的之間內(nèi)，有5/36s的時間工位轉(zhuǎn)動，25/36s的時間工位靜止。而灌裝和封蓋的過程均要在這25/36s的時間內(nèi)完成，以此為前提，進行我們的設(shè)計。灌裝機各執(zhí)行機構(gòu)包括實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺間歇轉(zhuǎn)位的轉(zhuǎn)位機構(gòu)，實現(xiàn)輸瓶、灌裝、送蓋、壓蓋、卸瓶運動的機構(gòu)。各執(zhí)行機構(gòu)必須滿足工藝上的運動要求。此方案執(zhí)行構(gòu)件的功能邏輯圖如下圖所示：灌裝機各執(zhí)行機構(gòu)包括實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺間歇轉(zhuǎn)位的轉(zhuǎn)位機構(gòu)，實現(xiàn)輸瓶、灌裝、送蓋、壓蓋、

6、卸瓶運動的機構(gòu)。各執(zhí)行機構(gòu)必須滿足工藝上的運動要求。此方案執(zhí)行構(gòu)件的功能邏輯圖如下圖所示：1、 工藝分解.減速裝置通過對于設(shè)計方案的分析，電機同時要帶動凸輪，旋轉(zhuǎn)工作臺，封蓋旋轉(zhuǎn)工作臺，做轉(zhuǎn)動。對于旋轉(zhuǎn)工作臺，主動輪的轉(zhuǎn)速為1.2r/s，電機轉(zhuǎn)速為1440/60=24r/s，因為考慮到旋轉(zhuǎn)工作臺只是推動容器在固定工作臺上做滑動，受力及做功并不大，再加上盡量使機械結(jié)構(gòu)較為簡單，這一級的變速直接采用蝸輪蝸桿的減速傳動，但是考慮到蝸輪蝸桿的傳動效率低，最終仍然改為直齒圓柱齒輪傳遞傳動比為1:20。為了使灌口和封蓋裝置的上下運動與轉(zhuǎn)臺的間歇轉(zhuǎn)動相配合，與之連接的凸輪必須同時以1.2r/s的速度進行轉(zhuǎn)動

7、，可以電機經(jīng)過減速后運動要通過無減速連接同時傳輸給凸輪的轉(zhuǎn)動軸，但是考慮到凸輪為主要施力裝置，蝸輪蝸桿的傳動由于機械效率較低導致能量的流失，故可以考慮使用直齒圓柱齒輪的嚙合減速裝置。封蓋裝置與轉(zhuǎn)動工作臺的原理類似，要求其封蓋旋轉(zhuǎn)工作臺每秒轉(zhuǎn)動一個工位，則其帶動槽輪的主動輪同樣以1.2r/s的速度旋轉(zhuǎn)，所以將減速后的轉(zhuǎn)軸運動通過不減速的傳動傳遞給其槽輪主動輪的轉(zhuǎn)軸即可。.容器輸入裝置如圖所示固定工作臺以圖示的結(jié)構(gòu)進行制造，外圓輪廓直徑為650mm傳送帶貫穿其內(nèi)部，寬度為100mm使得固定工作臺呈現(xiàn)“工”字形，傳送帶下方為固定工作臺支撐，擋板和工作平面的關(guān)系如圖上。固定工作臺與旋轉(zhuǎn)工作臺安裝后如圖

8、所示：旋轉(zhuǎn)工作臺的大圓直徑要小于固定工作臺，大小為600mm，槽口相對于轉(zhuǎn)動中心為六等陣列分布，轉(zhuǎn)動工作臺的槽口寬度和深度要與容器的直徑相等（80mm），槽口開1.5*45的倒角，旋轉(zhuǎn)工作臺的初始位置如圖，要保證有兩個槽口與下面固定工作臺的開口相重疊。工作原理：傳送帶上容器以一字排列的形式傳送過來，由于傳送帶延伸至固定工作臺圓形輪廓以內(nèi)一段距離，容器由于帶傳動會自動進入槽內(nèi)并與槽底緊貼，由于槽深與其直徑相等，故只能且剛好容下一個容器，后面的容器不會因為轉(zhuǎn)動工作臺的轉(zhuǎn)動而出現(xiàn)卡夾的現(xiàn)象，并且容器在送料時不必遵循等間距的排列，降低工作難度。倒角的出現(xiàn)是為了容器能更好進入，轉(zhuǎn)動工作臺直徑之所以小于固

9、定工作臺，是因為在其外圍固定工作臺面上還要設(shè)置擋板機構(gòu)以實現(xiàn)容器的精確定位。旋轉(zhuǎn)工作臺多工位旋轉(zhuǎn)間歇功能旋轉(zhuǎn)工作臺的間歇轉(zhuǎn)動由六位槽輪的間歇轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，如圖所示：槽輪的主動輪與電機減速后的轉(zhuǎn)軸剛性連接，以1.2r/s的速度勻速轉(zhuǎn)動，槽輪則實現(xiàn)60/5/6s的間歇轉(zhuǎn)動，并且在后5/36s內(nèi)實現(xiàn)定位卡緊功能，槽輪與轉(zhuǎn)動工作臺同軸剛性連接，轉(zhuǎn)臺就實現(xiàn)了每5/6秒一個工位的間歇轉(zhuǎn)動。.各個工位精確定位的功能容器的定位功能通過轉(zhuǎn)動工作臺的凹槽與固定工作臺的擋板共同完成。如圖所示：與轉(zhuǎn)動工作臺配合后如圖：擋板曲率半徑600mm，與固定工作臺剛性連接，與旋轉(zhuǎn)工作臺間隙配合，保證旋轉(zhuǎn)工作臺的通常轉(zhuǎn)動，而且盡量緊

10、貼。擋板的高度不低于旋轉(zhuǎn)工作臺，不得超過其兩倍厚度。工作原理：當容器由皮帶傳入旋轉(zhuǎn)工作臺凹槽內(nèi)后，旋轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)動會帶動容器一起滑動，當容器轉(zhuǎn)動后由于失去的傳送帶的約束，可能會因為離心作用或者不穩(wěn)定因素出現(xiàn)不能精確對心的情況，此時擋板的作用在于限制了容器的位置，使其在很小的范圍內(nèi)移動保證了容器與凹槽圓弧圓心的對齊，實現(xiàn)了較為精確的定位。為后續(xù)灌裝和封蓋提供條件。.對容器的灌裝封口壓力結(jié)構(gòu)（凸輪機構(gòu)）壓力封口和灌裝由凸輪機構(gòu)實現(xiàn)，如圖所示：凸輪的設(shè)計后面詳細說明，其轉(zhuǎn)速為1.2r/s，每轉(zhuǎn)一周壓板會伴隨凸輪上下運動一次，壓板上有一“接灌口處”，將流體灌口直接通入并且固定，灌口的中心位于第二工位之

11、上并且與第二工位凹槽圓弧的圓心共線。這樣可以實現(xiàn)灌口與壓板的同步上下運動，控制灌口與固定工作臺平面的高度可以保證灌輸?shù)馁|(zhì)量。壓板的另一端與換蓋吸蓋裝置的上表面的接觸，完成封蓋的壓力工作?；匚粡椈傻脑O(shè)置是為了使得壓力裝置的上表面與凸輪緊密接觸。.送蓋、吸蓋、壓蓋裝置換蓋及吸蓋裝置由如圖所示的零件完成轉(zhuǎn)輪上每120開一孔，氣泵可通入進行吸蓋，封蓋處的孔中心要與下面轉(zhuǎn)動工作臺凹槽圓弧的圓心共線，轉(zhuǎn)軸處開方形孔，使轉(zhuǎn)輪可以在配套的方形軸上上下滑移，并且隨著方形軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，初始位置如圖所示。罐蓋由傳送帶傳至吸蓋口下一定距離（基本與容器口同高），呈緊密排列?？刂妻D(zhuǎn)輪間歇轉(zhuǎn)動的裝置由圖所示槽輪機構(gòu)完成槽

12、輪主動輪與電機經(jīng)減速后主動軸剛性連接，轉(zhuǎn)速為1.2r/s，使得槽輪每5/6s轉(zhuǎn)動120進而帶動與其同軸的轉(zhuǎn)輪5/6s轉(zhuǎn)動一個工位。槽輪另一表面的軸心處剛性連接一方形軸，方形軸可以與槽輪一起轉(zhuǎn)動，方形軸同時通過轉(zhuǎn)輪的方形孔并與其間隙配合，保重滑動的通暢。壓蓋及回位的原理如圖所示：凸輪推動的壓板與轉(zhuǎn)輪上表面接觸，并作用于轉(zhuǎn)輪的封蓋口上方，轉(zhuǎn)輪隨壓板的上下運動而在方軸上上下滑動，并且在向上回位和遠休止的過程中通過方軸隨槽輪轉(zhuǎn)動。控制凸輪的推程可以完成封蓋的動作。工作原理：在凸輪推程的過程中，轉(zhuǎn)輪隨壓板而下降一定距離，封口吸有一瓶蓋，完成封蓋的同時，吸蓋口在瓶蓋傳送處吸起瓶蓋，此時凸輪回程，轉(zhuǎn)輪上升同

13、時槽輪帶動其轉(zhuǎn)動一個工位，而后再次完成一次封蓋的吸蓋過程，如此往復(fù)實現(xiàn)與容器同步的封蓋動作。根據(jù)上述執(zhí)行構(gòu)件的運動形式，可繪制出該方案的機械系統(tǒng)運動轉(zhuǎn)換功能圖：2、運動方案總圖該系統(tǒng)由2個電動機驅(qū)動。電動機1帶動齒輪1轉(zhuǎn)動，齒輪1再與齒輪2嚙合，實現(xiàn)1:20的減速，此時，齒輪2一方面將此運動傳給與其同軸的錐齒輪3和銷輪，錐齒輪3與錐齒輪4嚙合，傳動比1:1，4再帶動與其同軸的凸輪轉(zhuǎn)動，為灌裝、壓蓋機構(gòu)的上下往復(fù)運動提供動力來源。銷輪帶動六角槽輪間歇性轉(zhuǎn)動，5/6s轉(zhuǎn)動一個工位，轉(zhuǎn)動工作臺與六角槽輪同軸，進而實現(xiàn)了每秒一個工位的間歇性轉(zhuǎn)動。另一方面，齒輪2與等齒齒輪5嚙合，與齒輪5同軸的齒輪帶動

14、三角槽輪轉(zhuǎn)動，換蓋轉(zhuǎn)盤與其同軸，實現(xiàn)了換蓋轉(zhuǎn)盤的間歇性轉(zhuǎn)動。工作時空瓶沿傳動皮帶做勻速直線運動，被帶入轉(zhuǎn)動工作臺凹槽內(nèi)，工作臺旋轉(zhuǎn)時，帶動空瓶轉(zhuǎn)至下一個工位，凹槽與固定工作臺的擋板實現(xiàn)定位，保證灌裝和封蓋的順利進行。工作時，工作臺每轉(zhuǎn)動60，凸輪旋轉(zhuǎn)一周，帶動壓板完成一次灌裝和封蓋，并且在回程和近休止的時候換蓋盤完成一次120的旋轉(zhuǎn)，工作臺停歇時，凸輪進入推程，壓板向下運動，遠休時完成灌裝和壓蓋，同時吸蓋，當凸輪回程和近休時，工作臺轉(zhuǎn)動，壓板的換蓋盤通過彈簧回位，同時換蓋盤完成120的工位轉(zhuǎn)動，如此往復(fù)。3、運動循環(huán)圖該機械系統(tǒng)運動方案有4個執(zhí)行構(gòu)件需要進行運動協(xié)調(diào)設(shè)計。為了能比較直觀的表示各

15、構(gòu)件的運動在分配軸上所處的相位、起始時間和先后順序，我們在下圖所示的運動循環(huán)圖中，按比例分別繪制了六角槽輪、旋轉(zhuǎn)工作臺、凸輪、灌裝機構(gòu)、壓蓋機構(gòu)、三角槽輪和壓蓋轉(zhuǎn)盤的運動。由于整體機構(gòu)的工作周期為5s，所以循環(huán)圖中，旋轉(zhuǎn)工作臺每轉(zhuǎn)一個工位（60）表示5/6s。在這5/6s中，工作臺在5/36s內(nèi)實現(xiàn)工位的轉(zhuǎn)換，25/36s內(nèi)停歇。灌裝封口機構(gòu)在一次工位轉(zhuǎn)換過程中，完成一次灌裝及封口的動作。在工作臺旋轉(zhuǎn)的同時，凸輪回程和近休，在彈簧的回復(fù)力作用下，壓板向上運動回復(fù)至原位，壓蓋轉(zhuǎn)盤通過三角槽輪和彈簧回復(fù)力實現(xiàn)向上回位并旋轉(zhuǎn)換位；工作臺停歇時，凸輪推程，壓板及壓蓋轉(zhuǎn)盤一起向下運動，并在凸輪遠休時進行

16、灌裝、封口、壓蓋轉(zhuǎn)盤的吸蓋工作。考慮到工作的安全性，為了實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)工作臺的順利換位，可以在安裝時，讓凸輪回程略微提前，工作臺再接著旋轉(zhuǎn)，避免瓶口和壓板發(fā)生碰撞。三、尺寸設(shè)計1、凸輪設(shè)計凸輪設(shè)計如圖所示：凸輪按照圖的方位逆時針旋轉(zhuǎn)。聯(lián)系實際生產(chǎn)與各部件的位置關(guān)系，設(shè)定瓶口距泵口的間距為7cm，泵口的上下間歇往復(fù)運動時凸輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的，凸輪與推桿不存在偏距，所以可知，凸輪的推程為7cm，泵口完成一次推程和回程需在工作臺停歇的時間內(nèi)，即5/6s。要求推程時，實力緩慢平穩(wěn)，并在遠休時有充足時間進行指定工作，所以設(shè)定推程角200，遠休角100，回程角+近休角60。但是原來設(shè)計的凸輪輪廓含有凹角，會產(chǎn)生

17、剛性沖擊，對零件有很大的損害，影響精度并且減少壽命。所以綜合考慮凸輪輪廓和角度，設(shè)計出推程角120，遠休100，近休60，這樣不但保證了這樣不僅保證了凸輪輪廓的合理，還有足夠的時間壓蓋，灌料和進行吸蓋盤的旋轉(zhuǎn)工作。并且在推程回程與遠休的轉(zhuǎn)換處，在保證精度的同時，加入了圓角，增加適當?shù)幕《葴p緩沖擊，增加運動平穩(wěn)性。2、 槽輪設(shè)計槽輪設(shè)計如圖所示：六角槽輪為帶動旋轉(zhuǎn)工作臺實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)間歇運動，由旋轉(zhuǎn)工作臺半徑來假設(shè)六角槽輪半徑100mm。圓柱銷與槽輪中心線相切，槽輪兩槽間夾角為60。由幾何關(guān)系可求出圓柱銷半徑為100tan30mm，兩輪中心間距為100/cos30mm。當圓柱銷帶動槽輪旋轉(zhuǎn)至與中心線重

18、合時，假設(shè)槽輪槽寬30mm，可得出槽輪基圓半徑為（100/cos30-100tan30）mm。三角槽輪為帶動壓蓋轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)間歇運動，由壓蓋轉(zhuǎn)盤半徑來假設(shè)三角槽輪半徑50mm。圓柱銷與槽輪中心線相切，槽輪兩槽間夾角為120。由幾何關(guān)系可求出圓柱銷半徑為50tan60mm，兩輪中心間距為50/cos60mm。當圓柱銷帶動槽輪旋轉(zhuǎn)至與中心線重合時，假設(shè)槽輪槽寬6mm，可得出槽輪基圓半徑為（50/cos60-50tan60）mm。3、 齒輪設(shè)計減速齒輪1:模數(shù)1，齒數(shù)20，標準齒輪（齒頂高系數(shù)1，頂隙系數(shù)0.25，壓力角20，）齒輪分度圓直徑D=mz=1*20=20mm減速齒輪2、5：模數(shù)1，齒數(shù)4

19、00，標準齒輪，齒輪分度圓直徑D2=1*400=400mm具體參數(shù)為：z1=20，z2=480，m=21m，=20中心距：a=m(z1+z2)/2=1*(20+400)/2=210mm分度圓直徑：d1=m*z1=1*20mm=20mm D2=m*z2=1*400=400mm基圓直徑：db1=m*z1*cos=1*20*cos20=18.79mm db2=m*z2*cos=1*400*cos20=376mm齒頂圓半徑：da1=(z1+2ha*)*m/2=(20+2*1)*1/2=11mm da2=(z2+2ha*)*m/2=(400+2*1)*1/2=201mm齒頂圓壓力角：a1=arccos【

20、z1cos/（z1+2ha*）】 =acrcos【20cos20/（20+2*1）】 =31.32 a2=arccos【z2cos/（z2+2ha*）】 =acrcos【400cos20/（400+2*1）】 =21.12基圓齒距：pb1=pb2=mcos=3.14*1*cos20=2.95mm重合度：a=【z1(tana4-tan)+z2(tana5-tan)】/2 =【20(tan31.32-tan20)+400(tan21.12-tan20)】/2 =2.18錐齒輪3、4:模數(shù)3，齒數(shù)90，標準錐齒輪，齒輪比1:1嚙合，可以連續(xù)傳動。論證過程同上。4、 其他機構(gòu)尺寸設(shè)計旋轉(zhuǎn)工作臺半徑為300mm，假設(shè)瓶子直徑為80mm，工作臺中心距瓶心220mm。瓶高250mm，固定工作臺與旋轉(zhuǎn)工作臺間距為150mm，吸蓋轉(zhuǎn)盤厚度30mm，壓蓋滑塊長度為160mm，壓蓋滑塊距瓶口100mm。由此可得出凸輪推程為70mm，壓蓋轉(zhuǎn)盤半徑為100mm，瓶蓋直徑20mm，盤心至吸瓶蓋中心為70mm。彈簧在自由狀態(tài)下長度為100mm，最大壓縮量為80mm。四、心得體會到此，我們總算完成了對旋轉(zhuǎn)灌裝機的設(shè)計。作為學機械的學生，對機械原理的課程設(shè)計