机械原理课程设计-易拉罐装箱机.docx

机械原理课程设计

东华大学

班级
学号
姓名

2015年7月4日-7月12日
1 课程设计题目 4
1.1 设计题目 4
1.2 设计任务和要求 4
2方案设计及功能分析 5
2.1 打码设计方案 5
2.2 双层装箱设计方案 6
3 工艺流程图及工艺原理图 10
3.1工艺流程图 10
3.2工艺原理图 11
4 运动配合图及运动循环图 12
4.1运动配合图 12
4.2 运动循环图 13
5 执行机构及传动机构选型 15
5.1 执行机构选型 15
5.2传动机构选型 16
6 装置运动简图 17
7 主要机构的设计及参数的计算 17
7.1圆柱凸轮设计及计算 17
7.2 1号支撑板盘型凸轮的设计及计算 19
7.3 2号支撑板盘型凸轮机构的设计及计算 19
7.4 空箱挡板盘型凸轮机构的设计及计算 20
7.5 传送带功率的计算 20
8 电机的选择及与分配轴传动的计算 21
8.1电机的选择及效率的计算 21
8.2电机与分配轴传动比的计算 22
9 小组总结 22
参考文献 24

1 课程设计题目
1.1 设计题目
易拉罐打码装箱机用于自动生产线的最后一道工序。前道工序将罐装好的易拉罐送入导轨，由打码装箱机自动完成以下动作。
（1） 在每罐成品的罐底打印生产日期及批次等字码；
（2） 将易拉罐装入纸箱；
（3） 满箱后纸箱推离，空纸箱就位。
原始数据如下：
（1） 生产率为3000罐/h；
（2） 每12罐分为两叠装满一箱；
（3） 推箱和送空箱用一个机构控制，送空箱速度为推满箱速度的1.3倍以上。
1.2 设计任务和要求
（1） 对易拉罐打码装箱机进行功能分析，并对各执行机构进行选型，合理安排各执行机构的运动配合关系。
（2） 绘制易拉罐打码装箱机的运动方案示意图或机构运动简图及运动循环图。
（3） 若采用凸轮机构，则需设计该凸轮机构，包括选定从动件运动形式和运动规律，确定凸轮基圆半径，计算和绘制凸轮廓线，校核凸轮机构最大压力角。
（4） 若采用连杆机构，则需对连杆机构进行选型和尺寸设计，给出机构的最大压力角，机会运动特性系数（若有急回特性）；
（5） 选择齿轮传动机构的齿数，并计算传动比；
（6） 对易拉罐打码装箱机进行三维造型进行三维造型和运动仿真，并画出输出构件的位移，速度和加速度曲线。
（7） 编写设计计算说明书。

2方案设计及功能分析
2.1 打码设计方案
方案（1）：

采用凸轮+连杆的设计方案，并列凸轮为力封闭。类似于订书机的传动机构，输出杆上装有类似于盖章的装置。当传送带上的易拉罐到达指定位置时，传送带停止，然后凸轮开始转动，输出杆夹紧，从而在易拉罐的底部印上码条。
方案（2）：采用激光扫描打码装置
优劣分析：方案（1）需要增加传送带的运动规律，而且在打码的时候需要机构停止，降低了生产效率。采用方案（2）的激光扫描打码运用了机电一体化技术，能够在易拉罐在传送带上高速运动的同时完成打码，效率非常高。这也是目前工厂大多使用的方法。
综上所述：采用方案（2）更为合理。
2.2 双层装箱设计方案
在双层装箱这个方案里我们有机械臂入箱和推杆入箱两种方案，下面进行优劣分析。
机械臂入箱所采用的工艺流程少，速度较快。但考虑到是易拉罐而非瓶子外形，所以无法采用气囊吸附机构，只能采用夹持机构控制入箱。但采用夹持机构为保证易拉罐不掉落所需力较大，失误率高的勇士也可能会导致易拉罐外表形变，从而影响产品质量。机械臂在放置同时或多或少会产生振动，如果罐内装碳酸饮料，也会影响产品质量。如果采用推杆的方式，尽管运动流程较复杂，但运动平稳，失误率小，对产品质量的保障也高。
综上所述，推杆方案较为合理
方案（1）：

传送带将第一层易拉罐送入可以一起移动的3道隔层中，没道隔层的中央有一个用于支撑的杆，当易拉罐如隔层后，隔层一起向左移动，使边缘与杆重合进而使易拉罐下落到有底的下方各层中。然后在以同样的方式将第二批易拉罐下落进而形成第二层，最后用一定高度的推杆将两层易拉罐推入箱中。

方案（2）：

将易拉罐平放到传送带上，将空箱传送到可升降且倾斜的平台上，然后让第一层滚入箱中后停止，之后平台下降一个易拉罐的高度，传送带继续传递，继而让第二层滚入箱中。

方案（3）：

存在与方案（1）类似的隔板，在隔板下有平行运动的支撑板1和垂直运动的支撑板2.传送带将易拉罐送入隔板到达支撑板1上，传送带停止。支撑板1水平抽离，到达支撑板2上，支撑板2下降一个易拉罐高度，支撑板1伸入，传送带继续传递，将下一批易拉罐送到支撑板1上，支撑板1抽离，然后支撑板2上便有2层易拉罐，支撑板2上升，用推杆推入箱中。

方案（4）

步骤与方案（3）大体相同，只不过在第二层到达支撑板1，支撑板1抽离之后，支撑板2下降1个易拉罐高度，随后用推杆推入箱中。
优劣分析：方案（1）可以实现两层的堆叠，但是要用易拉罐下落的方式有些不妥，一会产生冲击，损害产品的质量；二会增加机构的磨损程度。方案（2）尽管采用了空箱倾斜放置的方式，但第二层滚入后也会卡在缝隙之中导致整个机构运动停止，同时也不易放置推杆。方案（3）与方案（4）大体相同，但方案（4）更容易放置推杆。
综上所述，我们小组认为方案（4）为最佳方案。

3 工艺流程图及工艺原理图
3.1工艺流程图
传送带上的易拉罐以6罐为一组，在传送过程中进行打码，打码之后有如下流程。

3.2工艺原理图
罐传送带
同步带
锥齿轮

罐挡板
盘型凸轮
同步带

支撑板1
盘形凸轮

放大杆
锥齿轮

电动机

支撑板2
放大杆
盘型凸轮

分配轴

推板
放大杆
圆柱凸轮
同步带

传送带23
同步带

盘型凸轮
箱挡板
锥齿轮

4 运动配合图及运动循环图
4.1运动配合图

4.2 运动循环图

5 执行机构及传动机构选型
5.1 执行机构选型
（1） 推杆机构：间歇运动机构——圆柱凸轮

因为推杆所需行程较大，所以采用圆柱凸轮。凸轮机构结构简单，运动传递的平稳性高，设计时只需画出轮廓线即可。但正常尺寸的圆柱凸轮依然不能满足行程要求，所以还需加放大杆机构。

（2）1，2号支撑板：间歇运动机构——盘型凸轮
分配轴通过锥齿轮与放大杆相连再与盘型凸轮相连。盘型凸轮设计结构简单，只需画出轮廓线即可。

（3）空箱挡板：间歇运动机构——盘型凸轮
分配轴通过锥齿轮传递运动到盘型凸轮
总结：因此装置设计多个机构的间歇运动，且彼此有相互关系，故执行机构选用凸轮机构，计算方便，设计便捷，并且直观。有时如果需要过大的行程，需用放大杆将运动放大。
5.2传动机构选型
1.经过计算（后续会说明），由于分配轴和电机转速相差比较大，我们选择3次降速：分别为皮带输出降速，蜗轮蜗杆降速，同步带降速。
2.在罐传送带传送方式中我们有两种方案：
方案（1）：因为罐的输送为间歇运动，所以我们选择用不完全齿轮对传送带进行传送。

方案（2）：罐传送带为连续传动，用一个有间歇运动的挡板，即罐传送带挡板来控制整个罐传送带上易拉罐的间歇运动。
优劣分析：如果对传送带进行间歇运动控制，会导致整条生产线运动不连续，不稳定。同时会增加易拉罐之间间距，使之不紧凑，进而导致装箱时产生差错。使用挡板的方式，不仅可以对易拉罐实现间歇运动的控制，同时也可以是整个生产线不间断，罐之间无间距。
综上所述，方案（2）更为合理。
3. 空箱与满箱传送带的运动传递的运动传递
考虑到空箱与满箱传送带与分配轴之间的距离较大，所以我们选择同步带传送。

6 装置运动简图
7 主要机构的设计及参数的计算
基本要求：成产速度：3000个/h
250箱/h
最终速度周期为14.4s/箱
7.1圆柱凸轮设计及计算
（1） 基本尺寸计算
圆柱凸轮采用正弦加速度运动规律。
圆柱凸轮的输出机构为推板，推板有动作的区域为280—360度。
展开后长度为 r=1935mm

最终的参数为：回程S=65×3×2=390mm
半径r=1936≈2000mm
直径d=3872≈4000mm
由于凸轮尺寸较大，制造不现实，所以采用2个杠杆放大机构。
比例：1:5
所以r实际的值=r×=80mm
（2） 功率的计算
纸板与支撑板之间的摩擦因素μ=0.6
摩擦力f=μG=0.6×4.32×9.8=25.40N
惯性力F1=ma=4,32×=8.3N
F==706N（考虑到机械效率摩擦角不选30度而是40度）
T= P=24W

7.2 1号支撑板盘型凸轮的设计及计算
（1） 基本尺寸的计算
行程S=65×2=130mm
盘型凸轮同样采用正弦加速度运动规律，取盘型凸轮的最大压力角α=30.

α=arctan（）
推程S=130÷2
（可忽略）
取S=130
得到基圆r=130mm（无偏执）
（2） 功率的计算
摩擦因数μ=0.1
f1=ma=1.38N
f2=360×12×9.8×0.1=4.32N
转矩T=（f1+f2)×r×2=0.69N.M（可忽略）

7.3 2号支撑板盘型凸轮机构的设计及计算
（1）基本尺寸的计算
行程S=230mm
与1号支撑板盘型凸轮机构的计算方式相同得到基圆r=230mm
经2倍放大后r=115mm.
（2） 效率及功率的计算
2号支撑板对罐的力F=G-ma
当板下降时有负载且a=0时F最大
F=12×360×9.8=42.33N
因为此处有2倍放大杆 放大后的力F1=84.66N
最大力矩T=F×r×tan(30)=8.39N.M
功率P==3.66W
7.4 空箱挡板盘型凸轮机构的设计及计算
（1） 基本尺寸的计算
行程S=4mm
与1号支撑板凸轮的原理相同，求得基圆半径r=4mm
（2） 效率与功率的计算
应为空箱挡板只起到格挡作用并无负载，所以他的功率损耗不予考虑。
7.5 传送带功率的计算
我们认为，传送带与罐之间的摩擦为最大静摩擦，且摩擦因数μ=0.6
设：罐传送带上有n组12个罐子
空箱传送带一次只有一箱
满箱传送上有n组
受力：罐传送带F1=n×2×360×9.8×μ=25.40n
空箱传送带F2=25.40.
满箱传送带F3=25.40n
罐传送带的线速度为v,在个周期内：
时间t=s
行程L=3×65=195mm
线速度v==0.12m/s
角速度
所以，传送带轮的半径
输出角速度为2倍得到的=136mm
我们让满箱传送带的速度与罐传送带的速度相同，则根据要求空箱传送带的速度为满箱传送带速度的1.3倍
所以 空箱传送带轮的半径=1.3倍 满箱传送带轮的半径=176mm
所以 满箱传送带力矩T1=罐传送带力矩T2=0.136×12×0.36×9.8×n=3.45n
空箱传送带力矩T3=0.176×12×9.8×0.6=4.49N/M
所以 满箱与罐传送带的功率=30nW
空箱传送带的功率=3.84W

8 电机的选择及与分配轴传动的计算
8.1电机的选择及效率的计算
此装置的所有机构为并联
分配轴上的总功率
各机构机械效率如下

板2
3×滚动轴承
0.98
2×滑动轴承
0.94
槽轮
0.88
罐传送带
锥齿轮
0.88
2×同步带
0.98

推板
槽轮
0.88
4×滑动轴承
0.94
5×滚动轴承
0.98
空满传送带
2×同步带
0.98

所以=114.26W
由此选择电机型号为Y80M1-4：功率P=0.55kw
转速n=1390r/min
机械效率=73%
由电机转速可得与主轴传动比==

8.2电机与分配轴传动比的计算
由于电机与分配轴的转速差距较大，所以选择采用3次降速的方式：
（1） 皮带
（2） 蜗轮蜗杆（符合蜗轮蜗杆的传动比范围）
（3） 同步带

9 小组总结

在这普通平凡的八天时间里，我们有幸一起努力，依靠集体的力量去追求共同的目标，尽管过程坎坷，却不失为一种历练。本次参加机械原理课程设计是我们大学的第一次我们小组的每一个人都感到收获颇丰，知道我们这么多天的努力是没有白费的。特别是在我们的solidworks造型仿真运动成功的那一刻，这种感觉达到了极致。我们这么多年，一直都是在学习理论知识，经过这次课程设计，我们充分认识到理论知识的学习与实践是有很大的差距的。理论知识的学习与考核只是别人提供相关的信息，而设计则则需要自己从多方面考虑，将自己学习的东西学以致用。有时，很多东西想起来是很简单的，但实际操作却不是那么的简单，这次课程设计让我们充分的认识到了这一点，为我们工作提供了一定的经验。
我们小组的题目是易拉罐打码装箱机，刚接触到题目时，我们小组的成员都很开心，觉得这个十分简单，然而，现实与想象总是有差距的，当我们开工时，我们才发现我们其实毫无头绪，根本不知道如何开始。之后我们端正了态度， 上网查看了相关资料与视频，再加上小组成员曾经有去工厂参观的经历，了解到了其中的工作原理，之后经过小组成员的仔细思考和激烈讨论以及指导老师的帮助，我们有了初步的设计方案。在这个过程中，我们充分体会到团体的凝聚力是有多么的重要，我们积极分工，每个人都努力的去完成我们自己的那部分工作，可以这么说，缺少我们其中的任一个人，我们的课程设计都是不能完成的。
在设计过程中，老师给我们的帮助是巨大的。他让我们知道了一些我们自认为非常好的设计实际中并不能行的通，一些机构的设计必须经过严密的推理与计算才能最终成型，而不是一味的凭借自己感觉。这使我们对机械原理，机械设计这个方向的概念越来越清晰，专业素养也随之提高。
在整个设计过程中，我们学以致用，第一次感到自己学过的东西派上了用场。我们用到了CAD、Excel、Word、SolidWorks等软件，翻阅了一些资料，积极的向老师请教过程中遇到的问题，在小组成员的共同努力和指导老师的辅导下，认真的完成了本次课程设计。最终用SolidWorks制作出了三维模型，并通过仿真模拟出了我们的机构运动方案。
虽然过程是辛苦的，我们也遇到了不少的问题，但是我们敢于思考，勇于解决。现在看着这份完整的设计报告，我们感到很欣慰。

参考文献
[1] 孙志宏.周申华.机械原理课程设计[M].上海：东华大学出版社.2015.1.14 3-111页.
[2] 百度文库.常用机械设计机构.
[3] 孙桓.陈作模.葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社.第八版.2013.3 5-328页.
[4] 孟宪源.现代机构手册[M].北京：机械工业出版社2007.
[5] 王三民.朱文俊.机械原理与设计[M].北京：机械工业出版社.2001.
[6] 谢龙汗.杜如虚。SolidWorks 2010[M].北京：清华大学出版社.2012.7 199-203页.
[7] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社.第五版.2010 137-158页