旋转型灌装机机械设计制造及其自动化专业课程设计.doc

机械原理课程设计
旋转型灌装机

目录

1. 设计题目 …………………………………………………………………………2
1.1 设计条件 …………………………………………………………………………2
1.2 设计任务 …………………………………………………………………………3
1.3 设计思路 …………………………………………………………………………3

2.原动机的选择 …………………………………………………………………………3

3.传动比分配 …………………………………………………………………………3

4.传动机构的设计 …………………………………………………………………………4
4.1 减速器设计 …………………………………………………………………………4
4.2 第二次减速装置设计 …………………………………………………………………………5
4.3 第三次减速装置设计 …………………………………………………………………………5
4.4 齿轮的设计 …………………………………………………………………………6

5.方案选择 …………………………………………………………………………8
5.1 综述 ……………………………………………………………………………8
5.2 选择设计方案 ……………………………………………………………………………8
5.3方案确定 ……………………………………………………………………………10

6．机械运动循环图 ……………………………………………………………………………11

7．凸轮设计、计算及校核 ……………………………………………………………………………12

8．连杆机构的设计及校核 ……………………………………………………………………………13

9．间歇机构设计 ……………………………………………………………………………15

10.整体评价 ……………………………………………………………………………16

11．设计小结 ……………………………………………………………………………17

12.参考资料 ……………………………………………………………………………17

主要结果
1.设计题目
设计旋转型灌装机。在转动工作台上对包装容器（如玻璃瓶）连续灌装流体（如饮料、酒、冷霜等），转台有多工位停歇，以实现灌装、封口等工序。为保证在这些工位上能够准确地灌装、封口，应有定位装置。如图1-1中，工位1：输入空瓶；工位2：灌装；工位3：封口；工位4：输出包装好的容器。

图1-1 六工位转盘
1.1设计条件

该机采用电动机驱动，传动方式为机械传动
旋转型灌装机技术参数
方案号
转台直径
mm
电动机转速
r/min
灌装速度
r/min
A
600
1440
10
B
550
1440
12
C
500
960
10
n转速=每小时生产定额/（转盘的模孔数*60）=（60*60）/（6*60）=10r/min

1.2设计任务
1.旋转灌装机一般应包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等三种常用机构。
2.设计传动系统并确定其传动比（皮带传动传动比i≈2，每级齿轮传动传动比i≤7.5）
3.绘制旋转型灌装机的运动方案简图，并用运动循环图分配各机构节拍。
4.解析法对连杆机构进行速度，加速度分析，绘出运动线图。图解法或解析法设计平面连杆机构。
5.在图纸上画出凸轮机构设计图（包括位移曲线，凸轮轮廓线和从动件的初始位置）；要求确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径，确定凸轮轮廓线。
6.设计计算其中一对齿轮机构。
7.编写设计计算说明书一份。

1.3 设计思路
1.采用灌装泵灌装流体，泵固定在某工位的上方。
2．采用软木塞或金属冠盖封口，它们可以由气泵吸附在压盖机构上，由压盖机构压入（或通过压盖模将瓶盖紧固在瓶口）。设计者只需设计作直线往复运动的压盖机构。压盖机构可采用移动导杆机构等平面连杆机构或凸轮机构。
3.此外，需要设计间歇传动机构，以实现工作转台的间歇传动。为保证停歇可靠，还应有定位（缩紧）机构。间歇机构可采用槽轮机构、不完全齿轮机构等。定位缩紧机构可采用凸轮机构等。

2原动机的选择
本身设计采用方案A。故采用电动机驱动，其转速为1440r/min。

3传动比分配
原动机通过三次减数达到设计要求。第一次减速，通过减速器三级减速到20r/min,其传动比分别为2、6、6。第二次减速，夹紧装置，转动装置及压盖装置所需转速为10r/min,另设计一级减速，使转速达到要求，其传动比分别为2。第三次减速，传送带滚轴直径约为10cm，其转速为5r/min即可满足要求，另设两级减速，传动比都为2即可。

4传动机构的设计

4.1减速器设计
减速器分为三级减速，第一级为皮带传动，后两级都为齿轮传动。具体设计示意图及参数如下

1为皮带轮：i1＝2。
2、3、4、5、6为齿轮： z2=20 z3=120
z4=20 z5=120
z6=20

i32=z3/z2=120/20=6
i54=z5/z4=120/20=6
n1=n/(i1*i32*i34)=1440/(2*6*6)=20r/min

4.2第二次减速装置设计
减速器由齿轮6输出20r/min的转速，经过一级齿轮传动后，减少到10r/min。
6、7为齿轮：z6=20 z7=40
i76=z7/z6=40/20=2
n2=n1/i76=20/2=10r/min

4.3第三次减速装置设计
减速器由齿轮6输出20r/min的转速，经两级减速后达到5r/min,第一级为齿轮传动，第二级为皮带传动。具体设计示意图及参数如下：

6、8为齿轮：z6=20 z8=40
9为皮带轮：i9=2
i86=z8/z6=40/20=2
n3=n1/(i86*i9)=20/(2*2)=5r/min
4.4齿轮的设计

上为一对标准直齿轮（传动装置中的齿轮6和齿轮7）。具体参数为：z6=20，z7=40，m=5mm，α=20°。

中心距：a=m(z6+ z7)/2=5*(20+40)/2=150mm
分度圆半径：r6= a*z6/（z7+z6）
=180*20/（20+40）
=50mm
r7= a*z7/（z7+z6）
=180*40/（20+40）
=100mm
基圆半径：rb6=m *z6*cosα=5*20*cos20°=47mm
rb7=m*z7*cosα=5*40*cos20°=94mm
齿顶圆半径：ra6=(z6+2ha*)*m/2=(20+2*1)*5/2=55mm
ra7=(z7+2ha*)*m/2=(40+2*1)*5/2=105mm
齿顶圆压力角：αa6=arccos【z6cosα/（z6+2ha*）】
=acrcos【20cos20°/（20+2*1）】
=31.32°
αa7=arccos【z7cosα/（z7+2ha*）】
=acrcos【40cos20°/（40+2*1）】
=26.50°
基圆齿距：pb6=pb7=πmcosα=3.14*5*cos 20°=14.76mm
理论啮合线：N1N2
实际啮合线：AB
重合度：εa=【z6(tanαa6-tanα)+z7(tanαa7-tanα)】/2π
=【20(tan31.32°-tan20°)+40(tan26.50°-tan20°)】/2π
=1.64
εa＞1
这对齿轮能连续转动

5.方案选择

5.1综述
待灌瓶由传送系统(一般经洗瓶机由输送带输入)或人工送入灌装机进瓶机构,转台有多工位停歇，可实现灌装、封口等工序。为保证在这些工位上能够准确地灌装、封口，应有定位装置。

我们将设计主要分成下几个步骤：
1．输入空瓶：这个步骤主要通过传送带来完成，把空瓶输送到转台上使下个步骤能够顺利进行。
2．灌装：这个步骤主要通过灌瓶泵灌装流体，而泵固定在某工位的上方。
3．封口：用软木塞或者金属冠通过冲压对瓶口进行密封的过程，主要通过连杆结构来完成冲压过程。
4．输出包装好的容器：步骤基本同1，也是通过传送带来完成。
以上4个步骤 由于灌装和传送较为简单 无须进行考虑，因此，旋转型灌装机运动方案设计重点考虑便在于转盘的间歇运动、封口时的冲压过程、工件的定位，和实现这3个动作的机构的选型和设计问题。

5.2选择设计方案

机构
实现方案
转盘的间歇运动机构
槽轮机构
不完全齿轮
封口的压盖机构
连杆机构
凸轮机构
工件的定位机构
连杆机构
凸轮机构

根据上表分析得知 机构的实现方案有 2*2*2=8种实现方案

为了实现工件定位机构，比较凸轮机构和连杆机构之间的优缺点；
因为：
1）凸轮机构能实现长时间定位，而连杆机构只能瞬时定位，定位效果差，精度低。
2）凸轮机构比连杆机构更容易设计。
3）结构简单，容易实现。
所以，在这里凸轮机构比连杆机构更适用。

为了实现封口的压盖机构，比较凸轮机构和连杆机构之间的优缺点；
因为凸轮机构，
1） 加工复杂，加工难度大。
2） 造价较高，经济性不好。
所以在这里连杆机构比凸轮机构更适用。

为了实现转盘的间歇运动机构，比较槽轮机构和不完全齿轮之间的优缺点；
因为：
1） 与其他间歇运动机构相比，不完全齿轮机构结构简单。
2） 主动轮转动一周时，其从动轮的停歇次数，每次停歇的时间和每次传动的角度等变化范围大，因而设计灵活。
3） 而且它一般适用于低速、轻载的场合，并且主动轮和从动轮不能互换。
所以在这里我们选择不完全齿轮来实现转盘的间歇运动。

综上可知：转盘的间歇运动机构，我们选择不完全齿轮机构；封口的冲压机构，我们选择连杆机构；工件的定位机构，我们选择凸轮机构。

5.3方案确定

转盘的间歇运动机构为不完全齿轮机构，封口的冲压机构为连杆机构，工件的定位机构为凸轮机构

6．机械运动循环图

.
7．凸轮设计、计算及校核

此凸轮为控制定位工件机构，由于空瓶大约为100mm，工件定位机构只需60mm行程足够，故凸轮的推程设计为60mm，以下为推杆的运动规律：

为了更好的利用反转法设计凸轮，根据上图以表格的形式表示出位移和转角的关系。

度数
0°-90°
105°
120°
120°
-300°
315°
330°
-360°
位移（mm）
0
30
60
60
30
0

基圆：r0=480mm
滚子半径：rr=30
行程：h=60mm
推程角：φ=30°
回程角：φ`=30°
进休止角：φs=120°
远休止角：φs`=180°
最大压力角：αmax=28°＜30°

8．连杆机构的设计及校核

此连杆控制封装压盖机构，由于空瓶高度约为250mm，故行程不宜超过300mm，由此设计如下连杆机构：

曲柄长：a=100mm
连杆长：b=900mm
偏心距：e=500mm
行程：s=220mm
级位夹角：θ= arccos【e/(a+b）】- arccos【e/(b-a）】=10°
最小传动角：rmin= arccos【e/(b-a）】=51.3°
行程速比：k=（180°+θ）/（180°-θ）=1.12＞1

9．间歇机构设计
这里我们采用不完全齿轮机构来完成转盘的间歇运动，下面我们用一张图片来了解不完全齿轮如何完成间歇运动的。

由于设计灌装速度为10r/min，因此每个工作间隙为6s，转台每转动60°用时1s，停留5s，由此设计如下不完全齿轮机构，完成间歇运用，以达到要求。

左边为不完全齿轮，右边为标准齿轮，左边齿轮转一圈，右边齿轮转动60°。具体参数为：z左=6，z右=36，m=5mm，α=20°，θ=60°。

中心距：a=m(z左*360°/θ+ z7)/2=5*(6*6+36)/2=180mm
分度圆半径：r左= r右=a/2=180/2=90mm
基圆半径：rb左= rb右=a*cosα/2=180*cos20°/2=84.6mm
齿顶圆半径：ra左= ra右=(z右+2ha*)*m/2=(36+2*1)*5/2=95mm
齿顶圆压力角：αa左=αa右=arccos【z右cosα/（z右+2ha*）】
=acrcos【36cos20°/（36+2*1）】=27°
基圆齿距：Pb左=Pb右=πmcosα=3.14*5*cos 20°=14.76mm

10.整体评价

在整个系统运用到了连杆机构，不完全机构，凸轮机构等常用机构。完成了从瓶子的传输到灌装，压盖，最后输出的机器。
旋转型灌装机，是同时要求有圆盘的转动和传送带的传送的机构，而且这两部分要相互协调，相互配合工作的过程。
圆盘间歇转动部分：因为在系统的原始要求中需要有间歇转动的特性，而工位为6个，所以在其中首先引入了可以实现间歇转动的典型机构——不完全齿轮。且不完全齿轮的转动速度是圆盘转速的6倍，并且在转动时分别在6个工位进行停歇。
此外，我们采用了连杆机构来完成压盖过程。我们设计的直线往复运动的连杆机构，刚好能够完成这一工作任务。
所以总而言之，我们的设计方案还是可行的。

11．设计小结

这是上大学以来完成的第一次课程设计，虽说万事开头难，我们遇到了很多的困难，但对于我们来说这是一次难得的学习与锻炼的机会。
这次机械原理课程设计历时一个星期，时间上虽有些紧张，做设计的时候考虑的也并不周全，但我们利用这段时间巩固了所学的知识，把所学理论运用到实际设计当中，也充分的锻炼自己的创新能力。在实际的设计过程中，我们也遇到了许多的困难，不过经过我们大家的团结努力，一点点克服了困难，最终设计出了自己的方案。
通过这次机械原理课程设计，掌握了一些常用执行机构、传动机构或简单机器的设计方法和过程，提高了我们综合运用机械原理课程理论的能力，培养了分析和解决一般机械运动实际问题的能力，并使所学知识得到进一步巩固、深化和扩展，对以后的学习也奠定了一定的基础，使我们学得更加轻松，更加高效。
而且，在课程设计的过程中，我们学以致用，用学过的二维画图软件CAD来画出了一些简单的零件，虽然可能很不规范，但是对我们来说，已经把学到的点点滴滴知识都有所运用。这也是一件非常令人有收获的事情了!

12.参考资料
[1] 刘会英 杨志强 张明勤主编 《机械原理（第2版）》 机械工业出版社 2010
[2]裘建新主编 《机械原理课程设计指导书》 高等教育出版社
2005
[3] 韦林 李小红主编 《机械结构分析与设计》 北京理工大学出版社 2009

z2=20
z3=120
z4= 20
z5=120
z6=20
n=1440r/min
i1＝2
i32=6
i54=6
n1=20r/min

z6=20
z7=40
i76=2
n2=10r/min

z6=20
z8=40
i9=2
i86=2
n3=5r/min

z6=20
z7=40
m=5mm
α=20°
a=150mm
r6=50mm
r7=100mm
rb6=47mm
rb7=94mm
ra6=55mm
ra7=105mm
αa6=31.32°
αa7=26.50°
pb6=14.76mm
εa=1.64＞1

r0=480mm
rr=30
h=60mm
φ=30°
φ`=30°
φs=120°
φs`=180°
αmax=28°＜30°

a=100mm
b=900mm
e=500mm
s=220mm
θ=10°
rmin=51.3°
k=1.12＞1

z左=6
z右=36
m=5mm
α=20°
θ=60°
a=180mm
r左= r右=90mm
rb左= 84.6mm
rb右=84.6mm
ra左= ra右=95mm
αa左=αa右=27°
Pb左=14.76mm
Pb右=14.76mm