機械原理課程設計灌瓶泵

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題目11 洗瓶機

11.1 設計題目

圖17 洗瓶機工作示意圖

設計洗瓶機。如圖17 所示，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，後一個待洗的瓶子已送入導輥待推。

洗瓶機的技術要求見表17。

表17 洗瓶機的技術要求

方案號
瓶子尺寸

（長×直徑）

mm，mm
工作行程

mm
生產率

個/s
急回系數k
電動機轉速

r/min

A
φ100×200
600
15
3
1440

B
φ80×180
500
16
3.2
1440

C
φ60×150
420
18
3.5
960

11.2設計任務

1.洗瓶機應包括齒輪、平面連桿機構等常用機構或組合機構。

2.設計傳動系統並確定其傳動比分配。

3.畫出機器的機構運動方案簡圖和運動循環圖。

4.設計組合機構實現運動要求，並對從動桿進行運動分析。也可以設計平面連桿機構以實現運動軌跡，並對平面連桿機構進行運動分析。繪出運動線圖。

5.其他機構的設計計算。

6.編寫設計計算說明書。

7.學生可進一步完成：洗瓶機推瓶機構的計算機動態演示等。

11.3設計提示

分析設計要求可知：洗瓶機主要由推瓶機構、導輥機構、轉刷機構組成。設計的推瓶機構應使推頭M以接近均勻的速度推瓶，平穩地接觸和脫離瓶子，然後，推頭快速返回原位，准備第二個工作循環。

根據設計要求，推頭M可走圖18 所示軌跡，而且推頭M在工作行程中應作勻速直線運動，在工作段前後可有變速運動，回程時有急回。

圖18 推頭M運動軌跡

對這種運動要求，若用單一的常用機構是不容易實現的，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。

實現本題要求的機構方案有很多，可用多種機構組合來實現。如：

1.凸輪－鉸鏈四桿機構方案

如圖19 所示，鉸鏈四桿機構的連桿2上點M走近似於所要求的軌跡，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。由於此方案的曲柄1是從動件，所以要注意度過死點的措施。

圖19 凸輪－鉸鏈四桿機構的方案

2.五桿組合機構方案

確定一條平面曲線需要兩個獨立變數。因此具有兩自由度的連桿機構都具有精確再現給定平面軌跡的特徵。點M的速度和機構的急回特徵，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20 所示為兩個自由度五桿低副機構，1、4為它們的兩個輸入構件，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，從而將原來兩自由度機構系統封閉成單自由度系統。

a) b)

c) d)

圖20 五桿組合機構的方案

3.凸輪-全移動副四桿機構

圖21 所示全移動副四桿機構是兩自由度機構，構件2上的M點可精確再現給定的軌跡，構件2的運動速度和急回特徵由凸輪控制。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21 凸輪-全移動副四連桿機構的方案

4.優化方法設計鉸鏈四桿機構

可用數值方法或優化方法設計鉸鏈四桿機構，以實現預期的運動軌跡（圖18 ）運動軌跡的具體數值由設計者畫圖確定，一般不要超過9個點的給定坐標值。

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圖17 洗瓶機工作示意圖
設計洗瓶機。如圖17 所示，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，後一個待洗的瓶子已送入導輥待推。
洗瓶機的技術要求見表17。
表17 洗瓶機的技術要求
方案號 瓶子尺寸
（長×直徑）
mm，mm 工作行程
mm 生產率
個/s 急回系數k 電動機轉速
r/min
A φ100×200 600 15 3 1440
B φ80×180 500 16 3.2 1440
C φ60×150 420 18 3.5 960

11.2設計任務
1.洗瓶機應包括齒輪、平面連桿機構等常用機構或組合機構。
2.設計傳動系統並確定其傳動比分配。
3.畫出機器的機構運動方案簡圖和運動循環圖。
4.設計組合機構實現運動要求，並對從動桿進行運動分析。也可以設計平面連桿機構以實現運動軌跡，並對平面連桿機構進行運動分析。繪出運動線圖。
5.其他機構的設計計算。
6.編寫設計計算說明書。
7.學生可進一步完成：洗瓶機推瓶機構的計算機動態演示等。
11.3設計提示
分析設計要求可知：洗瓶機主要由推瓶機構、導輥機構、轉刷機構組成。設計的推瓶機構應使推頭M以接近均勻的速度推瓶，平穩地接觸和脫離瓶子，然後，推頭快速返回原位，准備第二個工作循環。
根據設計要求，推頭M可走圖18 所示軌跡，而且推頭M在工作行程中應作勻速直線運動，在工作段前後可有變速運動，回程時有急回。

圖18 推頭M運動軌跡
對這種運動要求，若用單一的常用機構是不容易實現的，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。
實現本題要求的機構方案有很多，可用多種機構組合來實現。如：
1.凸輪－鉸鏈四桿機構方案
如圖19 所示，鉸鏈四桿機構的連桿2上點M走近似於所要求的軌跡，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。由於此方案的曲柄1是從動件，所以要注意度過死點的措施。

圖19 凸輪－鉸鏈四桿機構的方案
2.五桿組合機構方案
確定一條平面曲線需要兩個獨立變數。因此具有兩自由度的連桿機構都具有精確再現給定平面軌跡的特徵。點M的速度和機構的急回特徵，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20 所示為兩個自由度五桿低副機構，1、4為它們的兩個輸入構件，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，從而將原來兩自由度機構系統封閉成單自由度系統。

a) b)

c) d)
圖20 五桿組合機構的方案
3.凸輪-全移動副四桿機構
圖21 所示全移動副四桿機構是兩自由度機構，構件2上的M點可精確再現給定的軌跡，構件2的運動速度和急回特徵由凸輪控制。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21 凸輪-全移動副四連桿機構的方案
4.優化方法設計鉸鏈四桿機構
可用數值方法或優化方法設計鉸鏈四桿機構，以實現預期的運動軌跡（圖18 ）運動軌跡的具體數值由設計者畫圖確定，一般不要超過9個點的給定坐標值。
 推瓶機構
我們設計的推瓶機構是一個具有急回特性的大推程機構，有以下幾種機構可以滿足設計要求：
1 、連桿機構 2 、凸輪機構
3 、組合機構 4 、不完全齒輪齒條機構

通過對幾種機構特點的分析，我們選擇了不完全齒輪齒
條機構作為推瓶機構

在此機構的基礎上，可以通過一系列的變化來實現要求的機構運動特性

不完全齒輪機構
如圖所示機構，由處在同一軸上的兩個不完全齒輪（齒輪1 1′）來實現齒輪2在一個周期內有正反兩個方向的轉動；輸出到與齒輪2同軸的齒輪，通過齒輪齒條的嚙合，即得到齒條回程運動速度為推程運動速度的3倍，具有急回運動特性。

此機構具有很多優點
 具有一般齒輪機構的特點，即傳動效率高、傳動比准確、工作安全可靠等。
 可以通過計算準確得到輸出齒輪的轉速，進而得到齒條的准確運動速度。
 可以通過兩個不完全齒輪的齒數比來得到推程和回程時的速度比。
此機構的輸出齒輪雖然在一個運動周期內存在正轉和反轉兩個方向的轉動，但因為運動周期較長、轉速較小，不會產生很大的沖擊。

洗瓶機構由一對同向轉動的導輥和三隻刷子轉動的轉子所組成。為了清洗圓形瓶子外面，需將瓶子推人同向轉動的導輥上，可以帶動瓶子旋轉，同時導輥上開有螺紋，推動瓶子沿導輥前進，轉動的刷子就將瓶子洗凈。在導輥軸向上依次排列3把可旋轉的刷子，保證在整個導輥長度上對瓶子進行清洗，確保瓶子的清潔。

進瓶機構

出瓶機構

選定方案設計與分析
方案介紹
我們設計的機構是洗瓶機，為了清洗圓形瓶子的外面，主要有以下兩個動作：
 推頭慢速將瓶子推到導輥上，然後快速返回；
 導輥帶動瓶子旋轉，瓶子沿導輥前進，轉動的刷子就將瓶子洗凈。
執行機構中，用不完全齒輪機構得到正反兩個方向的轉動，且正反轉動轉速比為1/3；將這樣的轉速通過同軸的齒輪傳給齒條，轉變為直線運動；在齒條的前端安裝一個摩擦性的推頭，並在特定的位置安裝擋鐵，使推頭在一個周期內完成推瓶和回程。為了提高生產效率，將這樣的裝置平行安裝兩套，利用了推頭在回程時豎直桿倒下不影響另一推頭的特點。洗瓶機構中，用同向轉動的導輥帶動瓶子轉動前進，轉動的刷子清洗瓶的表面。

尺寸方案的設計
1 推進距離l=600mm，按生產率的要求，推程平均速度為45mm/s，返回時的平均速度為工作行程平均速度的3倍。
得轉速 n=3.4 r/min
2通過不完全齒輪機構，可以得到在一個周期內有正反兩個方向的轉動，且正反轉角速度比為3。為了提高生產效率，將機構進行改進，由齒輪2，3分別輸出，且兩齒輪在一條直線上，相差半個周期
不完全齒輪1，1′有齒部分對應的弧度的比為3/1

4 導棍的尺寸
導輥d = 140 mm 轉速 n = 40 r/min
導輥轉速 / 瓶子轉速 = 4 / 7 得瓶子的轉速n= 70 r/min

⑻ 機械原理課程設計 冷霜自動灌裝機，

機械原理課程設計
旋轉型灌裝機運動方案設計

指導教師：庄幼敏
小組成員：
機械0404 王小琛 040800404
機械0404 趙鳳滿 040800405

2007年1月19日

目錄

1. 題目
2. 設計題目及任務 …………………………………………………………………………1
2.1 設計題目 …………………………………………………………………………1
2.2 設計任務 …………………………………………………………………………1

3．運動方案 …………………………………………………………………………2
3.1 方案一 …………………………………………………………………………2
3.1方案二 …………………………………………………………………………2
3.3方案三 …………………………………………………………………………2
3.4 凸輪式灌裝機 …………………………………………………………………………4

4.運動循環圖 …………………………………………………………………………4

5.尺寸設計 …………………………………………………………………………4
5.1 蝸輪蝸桿設計 …………………………………………………………………………5
5.2 齒輪設計 …………………………………………………………………………5
5.3 傳送帶設計 …………………………………………………………………………5
5.4 曲柄滑塊設計 …………………………………………………………………………5
5.5 平行四邊形機構設計 …………………………………………………………………5
5.6 槽輪的設計 …………………………………………………………………………5

6. 電演算法與運動曲線圖 ………………………………………………………………………6
6.1 曲柄滑塊機構運動曲線圖…………………………………………………………………6
6..2 平行四邊形機構的運動曲線圖…………………………………………………………6

7.小結 ……………………………………………………………………………………………8
7.2設計小結……………………………………………………………………………………8

8.參考數目………………………………………………………………………………………8

9.附圖――方案一二機構運動簡圖

一、題目：旋轉型灌裝機運動方案設計
二、設計題目及任務
2．1設計題目
設計旋轉型灌裝機。在轉動工作台上對包裝容器（如玻璃瓶）連續灌裝流體（如飲料 、酒、冷霜等），轉台有多工位停歇，以實現灌裝，封口等工序為保證這些工位上能夠准確地灌裝、封口，應有定位裝置。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。

圖1 旋轉型灌裝機

該機採用電動機驅動，傳動方式為機械傳動。技術參數見表1
表1 旋轉型灌裝機技術參數
方案號 轉台直徑
mm 電動機轉速
r/min 灌裝速度
r/min
A 600 1440 10
B 550 1440 12
2.2設計任務
1．旋轉型灌裝機應包括連桿機構、凸輪機構、齒輪機構等三種常用機構。
2．設計傳動系統並確定其傳動比分配。
3.圖紙上畫出旋轉型灌裝機地運動方案簡圖，並用運動循環圖分配各機構運動節拍。
4.電演算法對連桿機構進行速度、加速度分析，繪出運動曲線圖。用圖解法或解析法設計連桿機構。
5．凸輪的設計計算。按凸輪機構的工作要求選擇從動件的運動規律，確定基圓半徑，校核最大壓力角與最小曲率半徑。對盤狀凸輪要用電演算法計算出理論廓線、實際廓線值。畫出從動件運動規律線圖及凸輪廓線圖
6.齒輪機構的設計計算。
7．編寫設計計算說明書。
8.完成計算機動態演示。
2.3 設計提示
1.採用灌裝泵灌裝流體，泵固定在某工位的上方。
2．採用軟木塞或金屬冠蓋封口，它們可以由氣泵吸附在壓蓋機構上，由壓蓋機構壓入（或通過壓蓋模將瓶蓋緊固在瓶口）。設計者只需設計作直線往復運動的壓蓋機構。壓蓋機構可採用移動導桿機構等平面連桿機構或凸輪機構。
3.此外，需要設計間歇傳動機構，以實現工作轉台的間歇傳動。為保證停歇可靠，還應有定位（縮緊）機構。間歇機構可採用槽輪機構、不完全齒輪機構等。定位縮緊機構可採用凸輪機構等。

三、運動方案
3.1 方案一：（機構簡圖見附圖）
用定軸輪系減速，由不完全齒輪實現轉台的間歇性轉動。此方案的優點是，標準直齒輪與不完全齒輪均便於加工。缺點：一方面，傳動比過大，用定軸輪系傳動時，佔用的空間過大，使整個機構顯得臃腫，且圓錐齒輪加工較困難；另一方面，不完全齒輪會產生較大沖擊，同時只能實現間歇性轉動而不能實現自我定位。
3.2 方案二：

灌裝與壓蓋部分採用如圖所示的等寬凸輪，輸送部分採用如圖所示的步進式傳輸機構。缺點：等寬凸輪處會因摩擦而磨損，從而影響精確度；步進式傳輸機構在輸出瓶子的時候，需要一運動精度高的撥桿。
3.3 方案三：
1．如圖所示，由發動機帶動，經蝸桿渦輪減速；通過穿過機架的輸送帶輸入輸出瓶子；

由槽輪機構實現間歇性轉動與定位；壓蓋灌裝機構採用同步的偏置曲柄滑塊機構，另外，在

壓蓋灌裝機構中，分別設置了進料口、進蓋口以及余料的出口，如上圖所示。
此方案為我們最終所選擇的方案。
2.優缺點分析。
優點：蝸輪蝸桿傳動平衡，傳動比大，使結構緊湊；傳送帶靠摩擦力工作，傳動平穩，能緩沖吸震，雜訊小；槽輪機構能實現間歇性轉動且能較好地定位，便於灌裝、壓蓋的進行。
缺點：在平行四邊行機構中會出現死點，在機構慣性不大時會影響運動的進行；由於機構尺寸的限制，槽輪需用另外的電動機來帶動。
3.4 在設計過程中，曾考慮過用下圖的凸輪機構作為壓蓋灌裝機構，從而六個工位連續工作，以提高效率，但考慮到輸送裝置等各方面原因後，放棄了此方案。

四、運動循環圖
以曲柄滑塊機構的曲柄轉過的角度為參考（與槽輪的導輪轉過的角度相同）

工作轉台

停止
轉動

停止

灌裝壓蓋機構的滑塊

退

進

0 60 120 150 180 240 300 360

五、尺寸設計
5.1 蝸輪蝸桿設計：
齒數 模數（mm） 壓力角（0） 螺旋角 直徑（mm）
蝸輪 20 25 20 14.04 100
蝸桿 1 25 20 14.04 500

5.2 齒輪設計（下圖所示的惰輪以及與其嚙合的一對齒輪）——採用標准齒輪

模數（mm） 壓力角（0） 齒數 直徑（mm）
齒輪1 5 20 20 100
齒輪2 5 20 60 300

5.3 傳送帶的設計
速度：V=wr=72r/min*50mm
每兩個瓶子之間的距離S: t=S/v=1/(w1/6 ) 其中 w1為轉台的角速度 12r/min
解得：S＝50mm
5.4 曲柄滑塊機構的計算
由機構整體尺寸，行程為137mmm ，行程速比系數K＝1.4 偏心距為50mmm 具體設計過程見圖解法
5.5 平行四邊形機構的設計
由於已知曲柄長度為50mm，連架桿長度為706.61mm，由平行四邊形定理可得出該機構的尺寸。
5.6 槽輪的設計
L=450mm Ψ=30 ∴ R=LsinΨ ＝225 mm s＝LcosΨ＝389 mm
h≥s－（L－R－r）＝130mm d1≤2（L－s）＝60mm d2＜2（L-R-r）＝100mm
其中 L為中心距 圓銷半徑r＝30mm d1為撥盤軸的直徑 d2為槽輪軸的直徑

六、電演算法與運動曲線圖

6.1 曲柄滑塊機構運動曲線圖
滑塊的位移分析

滑塊的速度分析

滑塊的加速度分析

由上述運動曲線圖知：該機構具有急回特性，由加速度曲線知，該機構沖擊較小。

6.2 平行四邊形機構的運動曲線圖
對A點進行位移、速度、加速度分析：

A點的加速度曲線

位移曲線

速度曲線

由上述曲線可以看出，平行四邊形機構在運動過程中，為勻速運動，加速度會發生突變，因而存在著沖擊。

七、小結

7.1方案簡介
在整個系統運用到了蝸桿蝸輪機構，槽輪機構，偏置曲柄滑塊機構等常用機構。完成了從瓶子的傳輸到灌裝，壓蓋，最後輸出的機器。
旋轉型灌裝機，是同時要求有圓盤的轉動，曲柄滑塊機構的運動和傳送帶的傳送的機構。
圓盤間歇轉動部分：因為在系統的原始要求中需要有間歇轉動的特性，而工位為6個，所以在其中首先引入了可以實現間歇轉動的典型機構——槽輪機構。且槽輪機構的轉動速度是圓盤轉速的6倍，並且在轉動時分別在6個工位進行停歇。
灌裝封口急回部分：灌裝和風口雖然為兩個工位，但其的運動特性是一樣的，只是有一個時間的差值而已。而我們學過的有急回特性的最典型且簡單的機構就是偏置曲柄滑塊機構。因為圓盤的轉動為12r/min，而每一轉有6個瓶子需要進行灌裝和封口的工序，所以需要曲柄的轉速也為72r/min。所以曲柄與發動機的傳動比就為20：1，所以其前面的輪系傳動只需要完成傳動從1440r/min到72r/min的變化，所以，在這之後用了蝸桿蝸輪機構將其傳動比直接變為20：1。但由於在這兩個位置的方向問題，兩個偏置曲柄滑塊為反方向的運動。因為這樣，又在兩個曲柄之間添加了兩對小的齒輪副，以實現其方向的轉換。
7.2設計小結
在真正開始設計這個機構之前，我們曾經有過很多想法，有些很幼稚，甚至不能算是機械專業的學生設計的方案，有些又過於復雜，只能想出來，卻很難實現。這次課程設計，是我們第一次將本學期《機械原理》這門課程中所學的知識綜合運用到實際中，另外對於機械設計也有了初步的認識。這次課程設計，我們用了一個多月的時間，從最初的毫無頭緒到逐漸做出雛形，然後進一步改進。在這整個過程中，我們在實踐中摸索成長，同時也更加清晰地認識到只有認真地掌握好理論知識，在實際應用才能夠得心應手。

八、參考資料
1.《機械原理》（第六版） 孫桓 陳作模 主編 高等教育出版社
2.《機械設計課程設計》（第二版）朱文堅 黃平 編 華南理工大學出版社
3.《機械設計基礎課程設計》 孫德志 張偉華 鄧子龍 編 科學出版社
4.《機械設計與理論》 李柱國 主編 科學出版社
5.《機械設計課程設計》 朱家誠 主編 合肥工業大學出版社