機械創(chuàng)新設計(設計實例論文)

1、機械創(chuàng)新設計說明書設計題目：洗瓶機推瓶機構設計組號：院 系專 業(yè)：指導教師：目錄1， 設計目的及意義由于工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的需要，大量的玻璃瓶、塑料瓶需要進行回收清洗后再利用，節(jié)省了大量制瓶洗所需要的費用同時也提高了工業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)效率。然而就在此時也出現(xiàn)了回收后再清洗的問題。產(chǎn)品盛載是車間的最后一道關鍵工序，因此玻璃瓶的供應速度也就決定了總的生產(chǎn)效率的高低。從而產(chǎn)生了對洗瓶機設備的研究與改進工作。隨著啤酒市場不斷地發(fā)展變化，酒瓶種類、標紙和粘接劑品種不斷增加，特別是現(xiàn)在的頭標鋁箔紙的出現(xiàn)，給洗瓶設備和工藝提出了新的更高的要求在長期使用多種洗瓶機的過程中。為了適應現(xiàn)在啤酒回收瓶的洗滌要求，我們同

2、該洗瓶機的制造廠家進行了廣泛地討論和研究，對洗瓶機適時地進行了一系列的技術改進。      洗瓶機器設備的出現(xiàn)并且運用到實際生產(chǎn)中，改變了人工刷洗的傳統(tǒng)工藝，實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)方式，達到了減少勞動力、節(jié)約費用、提高工作效率、增加企業(yè)經(jīng)濟效益之目的。并且得到了廣大用戶的支持和好評，而且使得化、制藥、食品等行業(yè)的生產(chǎn)率產(chǎn)生了質的飛躍。洗瓶機推瓶機構的原理方案分析：（1）功能分解：（2）功能描述原理解法瓶子移動外部推力；傳送帶傳送等清洗刷子清洗;高壓水清洗等功能原理分析表（3）求功能元解洗瓶機推瓶機構形態(tài)學矩陣功能元功能元解12345動力源電動機汽油機

3、柴油機液動機氣動馬達移物傳動齒輪傳動蝸桿傳動帶傳動鏈傳動清洗毛巾清洗高壓水清洗刷子清洗2.設計題目2.1推瓶機推瓶機構的改進設計洗瓶機主要是由推瓶機構、導輥機構、轉刷機構組成。待洗的瓶子放在兩個同向轉動的導輥上，導輥帶動瓶子旋轉。當推頭M把瓶子推向前進時，轉動著的刷子就把瓶子外面洗凈。當前一個瓶子將洗刷完畢時，后一個待洗的瓶子已送入導輥待推。如圖1所示。圖1 洗瓶機工作示意圖2， 原理方案設計3.1功能分析為了完成設計任務需要三個階段：通過組合機構使推頭M以接近均勻的速度推瓶，平穩(wěn)地接觸和脫離瓶子，然后推頭快速返回原位，準備第二個工作循環(huán)；導輥及其上方的轉動的刷子不停的轉動，完成瓶子外圍的清洗

4、。3.2功能原理分析根據(jù)使用要求或工藝要求設計機構時，首先考慮的是采用什么功能原理來實現(xiàn)這些要求。顯然，采用不同的功能原理，其所要求的運動規(guī)律設計必然也不同。首先了解一下洗瓶機構：附下圖所示是洗瓶機有關部件的工作情況示意圖。待洗的瓶子放在兩個轉動的導輥上，導輥帶動瓶子旋轉。當推頭M把瓶推向前進時，轉動著的刷子就把瓶子外面洗凈。當前一個瓶子將洗涮完畢時，后一個待洗的瓶子已進入導輥待推。原始設計數(shù)據(jù)和設計要求：(1) 瓶子尺寸：大端直徑D=80mm，長200mm，小端直徑d=25mm，(如圖2-2所示)(2) 推進距離l=600mm，推瓶機構應使推頭M以接近均勻的速度推瓶，平衡地接觸和脫離瓶子，然

5、后，推頭快速返回原位，準備第二個工作循環(huán)。 (3) 按生產(chǎn)率的要求，推程平均速度為v=50mm/s，返回的平均速度為工作行程三倍。 (4) 機構傳力性能良好，結構緊湊，制造方便。 根據(jù)設計要求，推頭M可走附下圖所示軌跡，而且在l=600mm工作行程中作勻速運動，在其前后作變速運動，回程時有急回運動特性。對這種運動要求。通常，要用若干個基本機構組合成的組合機構，各司其職，協(xié)調(diào)動作，才能實現(xiàn)。在選擇機構時，一般先考慮選擇滿足軌跡要求的機構(基礎機構)，而沿軌跡運動時的速度要求，則往往通過改變基礎機構主動件的運動速度來滿足。 圖2-1工作行程示意圖 圖2-2瓶子規(guī)在實際

6、工作中，要設計的機器往往比較復雜，其使用要求或工藝要求往往需要 很多的功能原理組合 成一個總的功能原理 圖2-3 工作示意圖來完成，根據(jù)上訴，我們來 圖2-3 工作示意圖分析一下洗瓶機是通過什么功能原理來實現(xiàn)它所要完成的工作的。首先推瓶機構所采用的功能原理是用機械能迫使瓶子由工作臺的一側運動到另一側，則要求有一個工作行程為L往返運動的推頭，同時推頭在工作過程中要勻速，回程時要快速，能夠滿足此運動規(guī)律可以有很多種，如可以設計成曲柄-四桿機構，或凸輪連桿機構等實現(xiàn)其往復運動來完成其工作。要運用此功能原理來滿足其工作需要，在運動規(guī)律設計方面就要考慮用什么來帶動曲柄連桿或凸輪連桿機構的轉動，一般我們都

7、用電機來完成此項轉動功能。其次是轉輥機構所運用的是機械的轉動規(guī)律，也是機械運動中比較簡單的運動規(guī)律，只需要有一定的轉動速度與推瓶機構、轉輥機構相配合來實現(xiàn)洗瓶設備的整體工作功能。它是有兩個長圓柱型導輥旋轉，帶動瓶子旋轉并且由導輥的一側移動到另一側的，其中導輥只完成其中的旋轉功能，移動功能是由推瓶機構來實現(xiàn)的。最后我們要了解一下轉刷機構所采用的功能原理，它與導輥機構相同運用的都是機械的轉動規(guī)律，與其不同的是轉刷機構的旋轉要有很高的速度來完成其對瓶子外壁的清洗工作。知道了它的運動規(guī)律就要進一步了解它是由什么機構帶動完成其所要求的功能的。推瓶機構、導輥機構和轉刷機構都是由一臺電機來提供所有的機械轉動

8、規(guī)律的，這就要求我們對它們深入分析、研究各構件之間的運動規(guī)律的聯(lián)系，進而的設計出符合其聯(lián)動規(guī)律的整體設備，來滿足我們預期想要實現(xiàn)的目標。3.3工作原理分析洗瓶機是由推瓶機構、導輥機構和轉刷機構共同來完成它的工作的。根據(jù)上面洗瓶機工作情況示意圖，首先是由推瓶機構以均勻的速度將瓶子推上工作臺（導輥），推頭的往復運動使瓶子一個一個不間斷的送上工作臺進行清洗工作，由于瓶子是從靜止到具有一定的速度，推頭和瓶子之間必然存在著一定的沖擊，所以就要考慮推頭的材料不能是剛性材料，要用具有一定韌性的塑性材料以保證在工作過程中不至于將瓶子碰碎。第二，瓶子送到工作臺的同時導輥已經(jīng)進入了旋轉的狀態(tài)并且噴水機構也開始對瓶

9、子進行噴水，使瓶子隨著導輥的旋轉進行圓周運動，安裝在導輥上面旋轉的轉刷能夠將瓶子的四周都能夠清洗干凈。3.4原動機的選擇原動機是機械系統(tǒng)的驅動部分，按能量轉換性質的不同分為第一類原動機和第二類原動機。其中第一類原動機分為：蒸汽機、柴油機、汽油機、水輪機、燃氣輪機；第二類原動機分為：電動機、液動機、氣動機。在這里我選擇應用最為廣泛的電動機為原動機，因為成本低、運轉費用少、維護要求較少、功率適用范圍廣等優(yōu)點。這里用轉速為1440 r/min的電動機。3.5系統(tǒng)運動方案構思運動規(guī)律設計得不同，綜合出的機構也就完全不同，這是容易理解的。但是不同的機構卻可以實現(xiàn)同一運動規(guī)律，滿足同樣的使用要求，因此就需

10、要從各種運動性能來評價這些機構，以便從中選擇一個最優(yōu)的機構。根據(jù)上訴的推瓶機構的運動規(guī)律，對這種運動要求，若用單一的常用機構是不容易實現(xiàn)的，通常要把若干個基本機構組合，起來，設計組合機構。在設計組合機構時，一般可首先考慮選擇滿足軌跡要求的機構（基礎機構），而沿軌跡運動時的速度要求，則通過改變基礎機構主動件的運動速度來滿足，也就是讓它與一個輸出變速度的附加機構組合。實現(xiàn)要求的機構方案有很多，可用多種機構組合來實現(xiàn)。如：1.凸輪鉸鏈四桿機構方案如3-1所示，鉸鏈四桿機構的連桿2上點M走近似于所要求的軌跡，M點的速度由等速轉動的凸輪通過構件3的變速轉動來控制。由于此方案的曲柄1是從動件，所以要注意度

11、過死點的措施。 圖3-1凸輪鉸鏈四桿機構的方案2.凸輪全移動副四桿機構圖3-2所示為全移動副四桿機構是兩自由度機構，構件2上的點M可精確再現(xiàn)給定的軌跡，構件2的運動速度和急回特征由凸輪控制；這個機構方案的缺點是因水平方向軌跡太長，造成凸輪機構從動件的行程過大，而使相應凸輪尺寸過大。圖3-2凸輪全移動副四桿機構的方案3. 五桿組合機構方案確定一條平面曲線需要兩個獨立變量。因此具有兩自由度的連桿機構都具有精確再現(xiàn)給定平面軌跡的特征。點M的速度和機構的急回特征，可通過控制該機構的兩個輸入構件間的運動關系來得到，如用凸輪機構、齒輪或四連桿機構來控制等等。圖4所示為兩個自由度的五桿低副機構，l、4為它們

12、的兩個輸人構件，這兩構件之間的運動關系用凸輪、齒輪或四連桿機構來實現(xiàn)，從而將原來兩自由度機構系統(tǒng)封閉成單自由度系統(tǒng)。圖4 五桿組合機構方案 3.6方案的評定及選擇最優(yōu)方案3.6.1方案的評定根據(jù)上節(jié)所給出的三種設計方案，我們來討論并從中選出較優(yōu)方案進行最終的設計。首先是凸輪鉸鏈四桿機構：此機構結構簡單，、體積小，安裝后便于調(diào)試而且從經(jīng)濟性角度來看，也很合適。其中凸輪軸能很好協(xié)調(diào)推頭的運動且工作平穩(wěn)。推頭M能夠近似的完成所要求的工作行程軌跡，主要由各推桿的長度比例及凸輪的形狀來實現(xiàn)推回程速度比和推程。但缺點是四桿機構的低副之間存在間隙，桿較多，容易產(chǎn)生誤差，累積誤差大，不能實現(xiàn)精確運動。沖擊、震

13、動較大，一般適用于低速場合。因為本設計中使用的連桿不多，而且速度不是很快，這種方案可以滿足設計要求。其次五桿組合機構的方案五桿組合機構方案，此方案所需要的桿件繁多，設計煩瑣，實際機構尺寸過大，不是很合理的一個設計方案，性價比也不高。最后凸輪-全移動副四連桿機構的方案是兩自由度機構，構件2上的M點可精確再現(xiàn)給定的軌跡，構件2的運動速度和急回特征由凸輪控制。這個機構方案的缺點是因水平方向軌跡太長，造成凸輪機構從動件的行程過大，而使相應凸輪尺寸過大，不符合實際要求，空間過大。3.6.2方案的選擇根據(jù)上述方案的評定，最終選擇凸輪鉸鏈四桿機構作為本次設計的推瓶機構方案，如圖所示：4，凸輪及鉸鏈四桿機構的

14、設計4.1凸輪的設計4.1.1凸輪基本參數(shù)設計(1) 凸輪機構的組成凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構件。凸輪通常作等速轉動，但也有作往復擺動或移動的。推桿是被凸輪直接推動的構件。因為在凸輪機構中推桿多是從動件，故又常稱其為從動件。凸輪機構就是由凸輪、推桿和機架三個主要構件所組成的高副機構。（2）凸輪機構中的作用力 直動尖頂推桿盤形凸輪機構在考慮摩擦時，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 的關系為F = G /cos(+1) - (l+2b/l)sin(+1)tan2（3）凸輪機構的壓力角 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

15、點的速度方向之間所夾之銳角，稱為凸輪機構在圖示位置的壓力角，用表示在凸輪機構中，壓力角是影響凸輪機構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為保證凸輪機構能正常運轉，應使其最大壓力角max小于臨界壓力角c 。在生產(chǎn)實際中，為了提高機構的效率、改善其受力情況，通常規(guī)定凸輪機構的最大壓力角max應小于某一許用壓力角。其值一般為：推程對擺動推桿取 35º45º ； 回程時通常取 70

16、6;80º。（4）根據(jù)以上設計內(nèi)容確定出凸輪設計曲線圖如線圖（圖4-1）所示。 圖4-1凸輪設計曲線圖凸輪的輪廓主要尺寸是根據(jù)四桿機構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）求凸輪理論輪廓曲線： a)推程階段 01=216º=1.2 = b）遠休階段 º= 7.5 c)回程階段 º ³³ d) 近休階段 º= e)推程段的壓力角和回程段的壓力角 將以上各相應值代入式

17、（A）計算理論輪廓曲線上各點的坐標值。在計算中時應注意：在推程階段取，在遠休階段取，在回程階段取，在近休階段取。計算結果見表4-1。.根據(jù)推瓶機構原理，推瓶機構所需達到的工作要求來設計凸輪，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： a) 推程階段 =b) 遠休階段 c) 回程階段 d) 近休階段 計算結果可以得凸輪工作輪廓曲線個點的坐標見下表4-1： 表4-1 x y 0º 5º 10º 350º 355º 360º0.04.3598.705-8.682-4.3

18、580.050.049.82649.37049.24649.81050.0 0.0 3.602 7.409-6.946-3.4860.0 40.0 39.855 39.45539.39239.847 40.04.1.2凸輪的建模根據(jù)上一節(jié)內(nèi)容凸輪的基本尺寸利用Pro/E軟件做的凸輪機構，如下圖所示（圖4-2）所示。 左圖 圖4-24.2鉸鏈四桿機構的設計4.2.1鉸鏈四桿機構尺寸設計 鉸鏈四桿機構按照給定的急回要求設計，利用解析法求解此類問題時，主要利用機構在極為是的特性。又已知的行程速比系數(shù)K和搖桿擺角=69度，在由圖4-3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4-

19、3查表可知maxmin=45º，=75º則： =180º（K-1）/（K+1）=90ºa/d=sin(/2)sin(/2+)/cos(/2-/2)b/d= sin(/2)sin(/2+)/sin(/2- /2)(c/d)²=(a/d+b/d)²+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，搖桿所轉的角度=69度，行程速比系數(shù)K=3。得L1=477.64mm L2=290.22mmL3=577.3L3a=229.3L4=500mmL4a=200mm連桿機構中的運動副一般均

20、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，且連桿機構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，用作圖法進行設計，就是利用各鉸鏈之間的相對運動的幾何關系，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，對三個設計位置下的設計十分方便，其設計精度也能滿足工作要求。根據(jù)第3章四桿機構的尺寸來設計鉸鏈四桿機構。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Pro/E軟件繪制連桿機構圖如下，這三幅圖分別為連桿滑塊在凸輪上轉到近休時連桿機構的位置

21、（圖4-4所示, 連桿滑塊轉到凸輪遠休時連桿機構的位置（圖4-5）所示。圖4-4 圖4-54.3凸輪鉸鏈四桿機構組合運動圖下圖三個依次為連桿滑塊轉到凸輪最遠距離遠休位置時的圖（圖4-6）所示， 連桿滑塊轉到凸輪最近距離近休位置時的圖（圖4-7）所示。當凸輪轉到遠休位置時，這時通過連桿在凸輪上的滾子推動連桿，鉸鏈四桿機構的擺桿2運動到了最大位置，和機架安裝的桿1在一條水平線上。 圖4-6 當凸輪運動到近休位置時，這時通過在凸輪上連接滾子的連桿推動桿2和桿3運動到一條直線上，這個時候是擺桿回到了初始位置，推頭開始推瓶。 圖4-75,結構設計6，機械整體運動簡圖 7，結論對洗瓶機的推瓶機構的功能原理和工作原理進行詳細的分析和設計，并且對其傳動系統(tǒng)進行了設計。首先，對洗瓶機推瓶機構的電機、減速器、帶輪及其齒輪傳動等主要的傳動系