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欧洲杯机械原理课程设计-旋转型灌装机设

2021-01-20 12:10

  贵州大学机械工程学院机械原理课程设计说明书 题号11 旋转型灌装机 学院: 机械工程 专业: 姓名学号: 指导导师: 日期: Theory 目录一、机械原理课程设计任务书 题号11 3.1综述 3.2选择设计方案 3.2.3、机械系统运动转化功能图....................................................................-18 3.3方案确定 6.1减速器的设计 6.2齿轮的设计 八、机构设计..............................................................................................................-25 九、整体评价..............................................................................................................-32 十、Pro/e建模分析 十一、设计小结 贵州大学机械工程学院机械原理课程设计任务书 题号11 旋转型灌装机 一、设计题目及原始数据 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 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。 该机采用电动机驱动,传动方式为机械传 动。技术参数见下表。 旋转型灌装机技术参数表 方案号 转台直径 mm 电动机转速r/min 灌装速度r/min 6001440 10 5501440 12 500960 10 二、设计方案提示 1.采用灌瓶泵灌装流体,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。 传送带固定工作台 转台 旋转型灌装机Theory 3.此外,需要设计间歇传动机构,以实现工作转台间歇传动。为保证停歇可靠,还应有定位(锁紧)机构。间歇机构可采用槽轮机构、不完全齿轮机构等。定位(锁紧)机构可 采用凸轮机构等。 三、设计任务 1.旋转型灌装机应包括连杆机构、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分配,并在图纸上画出传动系统图; 3.图纸上画出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运动节拍; 4.电算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.凸轮机构的设计计算。按凸轮机构的工作要求选择从动件的运动规律,确定基圆半径, 校核最大压力角与最小曲率半径。对盘状凸轮要用电算法计算出理论廓线、实际廓线值。画 出从动件运动规律线.齿轮机构的设计计算; 7.编写设计计算说明书; 二、设计背景 进入21 世纪以来,市场愈加需要各种各样性能优良、质量可靠、价格低廉、 效率高、能耗低的机械产品,而决定产品性能、质量、水平、市场竞争能力和经 济效益的重要环节是产品设计。机械产品设计中,首要任务是进行机械运动方案 的设计和构思、各种传动机构和执行机构的选用和创新设计。这要求设计者综合 应用各类典型机构的结构组成、运动原理、工作特点、设计方法及其在系统中的 Theory 作用等知识,根据使用要求和功能分析,选择合理的工艺动作过程,选用或创新机构型式并巧妙地组合成新的机械运动方案,从而设计出结构简单、制造方便、 性能优良、工作可靠、实用性强的机械产品。 旋转型灌装机:待灌瓶由传送系统或人工送入灌装机进瓶机构。瓶子由灌装 机带动绕主立轴旋转运动进行连续灌装,转动近一周时瓶子装满,然后由转盘送 入压盖机进行压盖。这种灌装机在食品饮料行业应用最为广泛,如汽水、果汁、 啤酒、牛奶的灌装,此机主要由流体输送(即供料系统)、容器输送(即供瓶系 统)、灌装阀、大装盘、传动系统、机体、自控等部分组成,其中灌装阀是保证 灌装机能否正常工作的关键。 机械原理课程设计是使学生较全面、系统掌握和深化机械原理课程的基本原 理和方法的重要环节,是以运动方案设计为主,让学生根据所给要求,通过对所 学知识综合运用,运用简单的机构组成,独立提出运动设计方案,经分析、比较 后确定最佳方案,以发挥学生的主观力和创造力。 三、方案的选择 3.1 综述 根据旋转型灌装机的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、零 件间的组装和形状尺寸等方面进行构思分析、设计来定方案。并通过对原动机的 选择,传动比的分配, 传动方式来设计机构,然后又分析其运输、装罐、压紧、换盖等细节而得出各种 不同的方案,然后通过计算比较,从经济、适用、简便、绿色等全方面考虑来确 定出最佳方案。 3.2 选择设计方案 本组根据其功能分解和相对应的功能分析选择来确定设计方案。 3.2.1、功能逻辑图和功能原理解图 Theory 根据设计要求和灌装机的工作原理,为了便于设计分析并实现其运动总功能的要求,我们可将其功能分解为如下分功能: 产品传送与输出功能。根据机械系统运动逻辑功能图,根据原动件与执行构件之间的运动关系,并 由给定的条件,各机构的相容性,各机构的空间布置,类似产品的借鉴,从多种 功能原理解中设计出两个较为实际可行的方案。现述方案为本组的最优方案,其 功能原理解如下图: 容器夹紧功能 送盖功能 容器传送、输出功能 换盖功能 灌装功能 对容器的封口功能 吸盖功能 容器输入、传送功能容器定位功能 转台多工位停歇转动功能 Theory 传动带传送减速 齿轮传送 转台间歇转动 槽轮机构 灌装 平面凸轮机构 封口 平面凸轮机构 滑动杆机构3.2.2、功能原理的工艺过程分解 容器输入与传送功能:要实现容器的输入与传送功能,我们想到了如图3.2.2-1 所示的连杆机构, 原动件AB 连续转动,使ED 摆动,通过EF 杆的作用使5 范围内来回运动,从而把容器推送至工位1,但是考虑到这种推送运动冲击大,对轻质容器,玻璃容 器等来说是应该避免的,同时这样的连杆机构设计复杂,所以在此我们尽量不选 用这种推送机构。 Theory 3.2.2-1为了达到容器的输出与传送的目的,同时使我们的设计过程简单化,所以我 们选择采用皮带传送的方式。如图3.2.2-2 所示,并且这种传送方式在实际生产 活动中被大量采用。 容器定位功能:可以实现容器定位的机构很多,在这里我们设计了下图3.2.2-3 所示 的方式实现定位功能。 Theory 图3.2.2-3定位示意图 怎样实现旋转工作台的间隙转动呢?可以实现间隙转动的机构有棘轮间 隙运动机构,槽轮间隙 机构,凸轮间隙机构,不完全 齿轮间隙机构,偏心轮分度定 位机构等,综合考虑各因素, 我们选用如图3.2.2-4 所示的 槽轮间隙机构。槽轮机构将旋 转运动转换为单向间隙转动。 如图右所示,槽轮机构由主动 拨盘,从动槽轮和机架组成。 主动拨盘以等角速度W1 作连续 回转,当拨盘上的圆销未进入 槽轮的径向槽时,由于槽轮的 内凹槽止弧被拨盘的外凸锁止弧卡住,使槽轮在停歇时不能产生游动,并获得定 位。当圆销进入槽轮径向槽时,槽轮受圆销的驱使而转动。当圆销离开径向槽时, 锁止弧又被卡住,槽轮又静止不动。直至圆销再次进入槽轮的另一个径向槽时, 又重复上述运动。所以,槽轮作时动时停的间隙运动。 3.2.2-4槽轮间隙机构 Theory 容器夹紧功能:因为要对容器进行灌装,封口压盖,所以在灌装工位和封口压盖工位 时要对容器进行夹紧固定,防止容器在灌装时不准确,欧洲杯封口压盖时跳动,导致封 口压盖错位,产生废品,而浪费材料和经费。出于此目的,我们设计了下面几种 夹紧方案: 方案一:如图2.2.2-5 所示,在工位2 和工位3 外加装两个凸轮,用于对 容器进行夹紧固定,工作原理是当容器到达工位2 和工位 时,凸轮处于远休位置,此时凸轮的远休轮廓刚好对容器进行夹紧,等灌装和封口 压盖完成时,凸轮远休结束,此时容器没有被夹紧,只要旋转工作台转 动,则容器跟随其一起转动。 图2.2.2-5 凸轮夹紧示意 方案二:如图 2.2.2-6 所示,本方案采用圆环来是实现容器在灌装和封口压 盖工位处的夹紧固定,工作原理是当容器在工位1 处被旋转工作台带进时,容器 就被圆环夹紧,容器随着旋转工作台的转动而转动,容器一直处于夹紧状态。 Theory 图2.2.2-6夹紧圆环示意 方案三:如图 2.2.2-7 所示,方案三我们采用图示两凸台,凸台在灌装工位和封口压 盖工位处与容器相切,容器刚好被运送至灌装工位和封口压盖工位时就被夹紧, 此时旋转工作台进入间隙停止期,利用这段间隙,灌装设备和封口压盖设备刚好 可以对容器进行灌装和封口压盖。 图2.2.2-7 斜台夹紧示意图 比较上述三个方案,方案一采用两个凸轮对容器进行夹紧,可以很好的实现 夹紧功能,但是凸轮设计复杂,加工困难,并且两个夹紧凸轮与旋转工作台运动 的协调与配合过程设计复杂,难度大,同时也会使机器整体构造复杂化。方案二 Theory 中的夹紧圆环会使容器在整个加工过程中出于夹紧状态,容器与夹紧圆环摩擦严重,可能会使容器变形,甚至破裂,并且这样的摩擦状态会增加系统的无用功率, 降低机械系统的运动功率因素,增加能耗,不利于低碳城市与工业加工的建设。 相比之下,方案三不仅可以较好的实现容器在连个工位处的夹紧,而且在整个过 程中只有在夹紧处容器和夹紧摩擦大,系统的有效功率利用高。同时夹紧斜台的 设计过程简单,加工制造也方便。 综上所述,我们采用方案三中的夹紧凸台对容器在灌装工位和封口压盖工位 处进行夹紧固定,从而到达防止容器的跳动,以及加工错位和误差的产生。 方案一:如图 2.2.2-8 所示,采用图示的凸轮机构,由凸轮的连续转动实 现灌装活塞的上下往复运动,由于弹簧的作用当凸轮近休时,活塞往上 运动,此时灌装容器吸入液体,凸轮继续运动,推动活塞向下运动,此 时灌装机构对空容器进行灌装,如此往复运动就可实现灌装功能。 图2.2.2-8 凸轮式灌装机构示意 Theory 如图2.2.2-9所示,本方案采用连杆机构来实现灌装功能。 图2.2.2-9 虽然连杆机构制造简单,但是其设计过程复杂,所以我们采用方案 一来实现灌装功能。 封口压盖功能:如下图2.2.2-10,这是我们设计的封口压盖机构,此机构为凸轮机构, 齿轮连续转动带凸轮连续转动,从而实现封口压盖机构的上下往复运动,进 而对容器进行封口压盖。 Theory 图2.2.2-10凸轮封口压盖 换盖功能方案一: 如图 2.2.2-11 所示,转轮上每 120 一孔,气泵可通入进行吸盖封处的中心要与下面转 动工作台凹槽圆弧的心共 线,转轴处开方形孔使轮可以在配套上 动工作台凹槽圆弧的心共线,转轴处开 方形孔使轮可以在配套上 动工作台凹 槽圆弧的心共线,转轴处开方形孔使轮 可以在配套上 上下滑移,并 上下滑移, 上下滑移,并上下滑移,并 且随着 方形轴的转动而,初始位置如图所示。 罐盖由传 送带且随着方形轴的转动而, 初始位置如图所示。罐盖由传 着方形轴的转动而,初始位置如图所示。罐盖由传送带至吸盖口下一定距离(基 本与容器同高),呈紧密排列。 至吸盖口下一定距离(基本与容器同高),呈紧 密排列。但是该方案较复杂,增加了空间的拥挤度,使之变得更加麻烦,不宜采 方案二:为使空间变得宽敞,简便,更优化,可使用如图2.2.2-12所示装置, 与实现压盖机构的凸轮1 同轴的杆上用锥齿轮连接一个垂直杆,下方连接凸轮2 图2.2.2-11 Theory 2.2.2-12换盖机构 Theory 2.2.2-13换盖凸轮 Theory 2.2.2-14换盖凸轮运动位移分析 产品输出与传送功能:在产品的输出与传送上,我 们像容器的输入一样采用输出挡板 和输出传送带。如图2.2.2-15 所示, 容器到达图示出口位置时,输出挡板 将容器往输出传送带方向推挡,同时 容器是随着旋转工作台一起旋转的, 在合成力的作用下,容器被带至输出 传送带上,进而传送到下个加工工 2.2.2-15输出示意图 Theory 3.2.3、机械系统运动转化功能图根据上述执行构件的运动形式,可绘制出该方案的机械系统运动转换功能图: 电机 3.3 方案确定 方案一:如图3.3.1 所示,我们在换盖机构上采用的是在与实现压盖功能的凸 同轴的杆上直接连接一根垂直杆,杆下方与凸轮相连,随着杆的转动带动着凸轮2 转动而压缩弹簧以实现换盖功能,但很困难实现,存在一个很大的误差。 所以需要再进行改进,以实现方案最优化。 销轮的连续转动变为六角槽轮的 单向间歇运动 凸轮的连续转动变为灌料口的直 线往复运动 凸轮的连续转动变为压 盖处的往复直线运动 凸轮转轴转动变为换盖处的往 复运动 传送带的转动变为传输瓶子的 单向直线方案二:经反复探讨得出改进方案如图3.3.2 所示,在其他机构不变情况下, 将换盖机构上与实现压盖机构的凸轮 同轴的杆上相连的垂直杆改为用锥齿轮连接,下方连接凸轮2 的转动中心,随着连杆的转动而带动凸轮2 转动而压缩弹 簧以实现间隙换盖功能。 Theory 图3.3.2总结:该系统由一个电动机驱动。电动机带动齿轮1转动,齿轮1再与双联齿 轮2啮合,实现的4:1减速,此时,双联齿轮2将此运动传给与其同轴的齿轮3,齿 轮3与齿轮4啮合,传动比4:1,齿轮4再带动与其同轴的锥齿轮5转动,锥齿轮5 与齿轮6啮合,为灌装、压盖机构的上下往复运动提供动力来源。齿轮4带动其同 轴的销轮,销轮带动六角槽轮间歇性转动,1s转动一个工位,转动工作台与六角 槽轮同轴,进而实现了每秒一个工位的间歇性转动。另一方面,与凸轮同轴的锥 齿轮7与锥齿轮8啮合,锥齿轮8带动曲柄滑移动,实现了换盖转盘的间歇性转动。 工作时空瓶沿传动皮带做匀速直线运动,被带入转动工作台凹槽内,工作台 旋转时,带动空瓶转至下一个工位,凹槽与固定工作台的挡板实现定位,保证灌 装和封盖的顺利进行。 工作时,工作台每转动60,凸轮旋转一周,带动压板完成一次灌装和封盖, 并且在回程和近休止的时候换盖盘完成一次往复运动,工作台停歇时,凸轮进入 推程,压板向下运动,远休时完成灌装和压盖,当凸轮回程和近休时,工作台转 动,压板的换盖盘通过弹簧回位,同时换盖盘完成一次往复运动。如此往复。 Theory 四、原动机选择本方案选用的是C 组的数据,电动机转速为960r/min. 五、传动比分配 原动机通过二次减数达到设计要求。第一次减速,通过减速器减速到4r/s, 其传动比为 4。第二次减速,其传动比为 4,达到转动装置及压盖装置所需转速 1r/s. 六、传动机构的设计 6.1 减速器的设计 减速器分为二级减速,两级都为齿轮传动。具体设计示意图及参数如下: 160z3=40 z4=160 21 40160 40160 n1=n/(21 )=960/(1*4*4)=60r/min6.2 齿轮的设计 减速齿轮1:齿数z1=40 减速齿轮2:齿数z2=160 减速齿轮3:齿数z3=40 减速齿轮4:齿数z4=160 (备注:以上4 个齿轮的以下参数均相同并且按标准中心距安装,模数m=2 =0.25,压力角α=20,齿距 分度圆半径:r1=mz12=4022=40 基圆半径:rb1=mz1 cos/2=402cos202=37.59 cos/2=1602cos202=150.35 cos2=402cos202=37.59 cos/2=1602cos202=150.35 齿顶圆半径:Theory ra1=(z1+2h ra2=(z2+2h ra3=(z3+2h ra4=(z4+2h 齿轮重合度:12 tan)+z2( =1.8034 tan)+z4( =1.8012 的以下参数均相同:压力角=20,齿顶高系数h =0.2,模数m=2,齿数z=80,传动比1:1,可以连续传动。论证同上。Theory 6.2.1齿轮示意图 Theory 七、机械运动循环图八、机构设计 8.1、凸轮设计计算及校核 凸轮设计如图所示:由于推程与远休衔接处有微小倒角原因,所以图中出现一 定的误差,实际参数以设定参数为主。 凸轮用于灌装工位,利用远近与休止带动推杆和活塞来实现灌装,联系实际生 产与各部件的位置关系,设定瓶口距泵口的间距为7cm,泵口的上下间歇往复运 动时凸轮的连续转动实现的,凸轮与推杆不存在偏距,凸轮的安装高度为400mm。 所以可知,凸轮的推程为7cm,泵口完成一次推程和回程需在工作台停歇的时间 内,即2/3s。 即我们设定凸轮的数据如下: Theory 近休止角:01 远休止角:02 升程最大压力角:αmax01= 29.86<30 回程最大压力角:αmax02= 29.86<30 运动规律的选择,凸轮按照图的方位逆时针旋转。要求推程时,实力缓慢平稳,并在远休时有充足时间进行指定工作,所以设定推程角110,远休角 120,回程角+近休角130。这样不但保证了这样不仅保证了凸轮轮廓的合理, 还有足够的时间压盖、灌料和进行其他的旋转工作。并且在推程回程与远休的转 换处,在保证精度的同时,加入了倒圆角,增加适当的弧度减缓冲击,以增加运 平稳。 Theory 8.1.1凸轮示意图 Theory 图8.1.2凸轮位移分析(电动机160r/min) 8.2、槽轮尺寸设计与分析 (1)分类:槽轮机构能把主动轮的连续转动转化为从动轮的周期性间歇运动。 常用于各种转位机构中,槽轮机构的基本形式分为外接,内接和球面槽轮三类。 外接槽轮机构的主动轮和从动轮转向相反,槽轮的间歇转位时间长。内齿轮机构 则相反,球面槽轮的停歇时间等于转动时间。所以根据需求在此采用外接槽轮。 按槽的方位不同可以分为: 径向槽轮:它冲击小制作简单,成本低,最为常用,槽轮的动停时间比取决于槽数Z。 非径向槽轮:在槽数不变的条件下,可以用不同的中心距与曲半径的组合来获得不同的停动时间比,但冲击较大。 (2)槽轮尺寸设计 我组采用六角槽轮为带动旋转工作台实现间歇运动,依据工作台的空间选用的槽 轮有关数据如下。槽轮机构可以实现间歇运动来满足工作台运转和间歇灌装和压 盖,而且在间歇的时候依靠槽轮的锁止弧来防止转台依靠惯性继续运动。 Theory 8.3.1槽轮示意图 槽轮机构的几何尺寸计算及选用数据 参数 计算公式或依据 中心距L安装空间确定56 回转半径R R=L*sinα =L*sin( /Z)=28