洗瓶机推平机构设计

湖南人文科技学院课程设计报告

课程名称：机械原理课程设计

设计题目：洗瓶机推瓶机构设计

系别：机电工程系

专业：机械设计制造及其自动化

班级：

学生姓名:

学号:

起止日期:

指导教师:

教研室主任：

摘要

本设计由*** **** ** *******四人小组共同讨论合作完成。洗瓶设备主要用于制药、化工、食品等行业灌装前的瓶子清洗机构装置，洗瓶机的推瓶机构的功能是利用推头平稳的将瓶子送进的一个过程，在急回到原点，反复运动。推瓶机构原理是利用铰链四杆机构和凸轮组合成一个洗瓶机推瓶机构，通过凸轮和铰链四杆机构本身特性来完成平稳送瓶和机构急回。经过多个方案对比分析，确定比较合适的方案为凸轮铰链四杆机构，对其进行了参数设计。本设计对推瓶机构传动系统进行了设计和选择：首先，对洗瓶机推瓶机构进行了选择，同时对推瓶机构的凸轮—铰链四杆机构进行了具体参数化设计，使的它的运动状态和运动规律能更好的实现其实际的工作。最后通过对凸轮的轮廓曲线的调整和对铰链四杆机构杆长的局部修改，使推瓶机构的运动状态、工作行程等更加平稳流畅。

关键词：推瓶机构；凸轮机构；铰链四杆机构

目录

引言 (1)

第一章课程设计任务 (2)

1.1设计题目 (2)

1.2数据与要求 (2)

1.3设计任务 (2)

第二章方案选择 (4)

2.1功能分解 (4)

2.2方案一 (5)

2.3方案二 (5)

2.4方案的对比与选择 (6)

第三章凸轮铰链四杆机构的设计 (7)

3.1铰链四杆机构的设计 (7)

3.2凸轮的设计 (9)

3.3凸轮铰链四杆机构的组合运动图 (14)

第四章机构运动分析 (15)

4.1铰链四杆机构运动分析 (15)

4.2凸轮机构运动分析 (15)

心得体会 (16)

参考文献 (17)

致谢 (18)

附录 (19)

引言

洗瓶设备主要用于制药、化工、食品等行业灌装前瓶子清洗的机构装置。所以对于如今这个工业化的社会，机械起着不可磨灭的作用。在本次的设计中，除了对我们所学到的知识能够掌握和理解外，还需要有一定的动手能力和实际操作能力。在设计相关的机构中，加深了对凸轮机构和连杆机构的了解，让我们不但对以后的相关设计积累了经验，也对如今社会机械的需求有了一定的了解。

对于本次的课程设计，需要小组成员相互合作一起完成。在经过大家的讨论后，决定了任务的分配以及完成时间的安排，并且决定大家要有确定的工作地点和时间。为了确保这次的课程设计能够按时的完成，我们将所有的工作进行了细致的计划，计划是花五天的时间完成本次课程设计。第一天确定所需要的原始数据以及每个人需要完成的任务，再花费两天的时间进行数据的计算和完成需要的运动简图以及机构简图。最后剩余的时间进行文档的修改和答辩。除了小组的总计划之外，每个人也需要对于自己的任务进行计划，确保每天的进程。至于任务分配，一人负责电子文档，两个人负责数据的确定及相关的的计算，还有一个人负责画图。

在这次的课程设计中，关键的是凸轮轮廓的确定和基本尺寸的计算以及四杆机构的基本尺寸的计算。这次的课程设计是我们四个人的初次合作，也是第一次接触这方面的相关作业，对每一个人来说都是很大的挑战。在这次的课程设计中，除了需要掌握基础知识还需要借助于参考资料。

在资料的收集方面，负责不同任务的人员负责搜集自己需要的相关资料。可以在图书馆借相关的书籍或者是上网查找。最后大家将自己找到的资料汇总，然后每人一份，这样有利于大家的理解和方便大家的掌握并且节省时间，提高工作效率。

机械原理课程设计就是使学生全面、系统掌握和深化了解机械原理课程的基本方法和重要环节，是培养学生机械运动方案设计，创新设计以及应用计算机对工程实际中各种机构进行分析和设计能力的一门课程。

第一章课程设计任务1.1 设计题目

设计洗瓶机推瓶机构，如图1-1 所示

图1-1 洗瓶机工作示意图

待洗的瓶子放在两个同向转动的导辊上，导辊带动瓶子旋转。当推头M把瓶子推向前进时，转动着的刷子就把瓶子外面洗净。当前一个瓶子将洗刷完毕时，后一个待洗的瓶子已送入导辊待推，准备进入第二个工作循环。

1.2 数据与要求

洗瓶机的技术数据要求见表1-1。

表1-1 洗瓶机的技术数据要求

1.3设计任务

1.洗瓶机推瓶机构应包括凸轮、平面连杆机构等常用机构或组合机构；

2.设计传动系统并确定其传动比分配；

3.画出机器的机构运动方案简图和运动循环图；

4.设计组合机构实现运动要求，并对从动杆进行运动分析。也可以设计平面连杆机构以实现运动轨迹，并对平面连杆机构进行运动分析。绘出运动线图；

5.其他机构的设计计算；

6.编写设计说明书。

第二章方案选择

2.1功能分解

本机器的功能是自动洗瓶。它的运动功能可分解为三种工艺动作

1).推瓶

推头M均匀速度推瓶，设计推瓶机构，且构件在工作行程中作匀速直线运动，在工作前后可有变速运动，回程时有急回特性。

2).转瓶

导辊有齿轮带动，通过与瓶子之间的摩擦带动瓶旋转。

3).刷瓶

刷子在轮系机构带动下以恒速旋转，用以洗刷瓶子。

注：以上三种动作同时进行，彼此的运动不发生干涉。

如图2-1所示为机构的系统功能图

图2-1 系统功能图

利用设计目录并根据技术、经济及相容性的要求，确定三个工艺动作的执行构件——推头、刷子、导辊，分别选择相应的机构以实现各项运动功能。

表2-1 为实现机构功能的机构选型表

表2-1 洗瓶机的机构选型

2.2方案一

凸轮-铰链四杆机构方案：

图2-2 凸轮-铰链四杆机构

如图2-2所示，凸轮-铰链四杆机构为一个自由度的机构，其连杆2上的点M 走近似于所要求的轨迹，点M 的速度由等速转动的凸轮驱动构件3的变速转动来控制。由于曲柄（构件1）为从动件，故必须采取渡过死点的措施，这就要求添加其他构件使其顺利去除死点的干扰。

2.3方案二

凸轮-滑块组合机构方案：

图2-3 凸轮-滑块组合机构

如图2-3所示为两个自由度的凸轮-滑块机构，该机构可精确实现预定轨迹要求。但是由于机构工作行程要求为600mm，所以使用这样的机构必定会造成凸轮尺寸过大，所占用的空间过大，造成不必要的空间浪费。除此之外，凸轮机构相对于连杆机构的使用寿命短、使用能耗高以及其平衡难以保证等缺点都显而易见。

2.4方案的对比与选择

根据上面所给出的两种设计方案，我们经过讨论并从中选出较优方案进行最终的设计。

首先是凸轮-铰链四杆机构：此机构结构简单、体积小，安装后便于调试而且从经济性角度来看，也很合适。其中凸轮轴能很好协调推头的运动且工作平稳。推头M能够近似的完成所要求的工作行程轨迹，主要由各推杆的长度比例及凸轮的形状来实现推头回程速度比和推程。因为本设计中使用的连杆不多，而且速度不是很快，这种方案可以满足设计要求。

其次凸轮-全移动副四连杆机构的方案是两自由度机构，构件2上的M点可精确实现给定的轨迹，构件2的运动速度和急回特征由凸轮控制。这个机构方案的缺点是因水平方向轨迹太长，造成凸轮机构从动件的行程过大，而使相应凸轮尺寸过大，不符合实际要求，空间过大。

根据上述方案的评定，最终选择凸轮-铰链四杆机构作为本次设计的推瓶机构方案。

第三章凸轮铰链四杆机构的设计

3.1铰链四杆机构的设计

方案一为凸轮-铰链四杆机构方案，该机构原理如图3-1所示，图3-2是其初始状态。

图3-1凸轮-铰链四杆机构

该方案利用四杆构件上的一点M的轨迹满足要求，故利用其作为推瓶机构的推头。而机构有凸轮作为主动件的目的是为了满足M点运动速度的要求，在推头与瓶子刚接触和脱离时M点的速度近为零，而在作直线运动时速度平稳,并且利用凸轮可以满足M点的机构特性。当凸轮转角处于0~60度时，此时四杆机构静止，M点刚好与瓶子脱离；而当凸轮转角在60~120度时，M点沿着一段

弧线回去；而当转角在120~180度时四杆机构又处于静止状态，此时M 点回到M '点刚好与瓶子接触；当转角在180~360度时，M 点推着瓶子沿着直线运动一直达到起始点，如此循环下去。

图3-2 凸轮-铰链四杆机构循环图

铰链四杆机构按照给定的急回要求设计，利用解析法求解此类问题时，主要利用机构在极位时的特性。 又求得AB 杆的极位夹角为

()

11

2

K K ππ

θ-=

=

+ （3-1）

设AM '=600mm ；AD =300mm; 且由于M''D 垂直平分 MM'；MM'=600mm; ∠BAB'=90°;所以∠BAD =45°;且当∠BAD =45°时，AB 与BM 共线；

AB +BM =600

。

又在△AB'M'中，∠M'AB '=135°;由余弦定理可得：B ’M ’=500

mm; AB =100

。

又在四边形AB''M''D中有AB''

=100 mm；AD=300 mm;B''M'

=500 且AD⊥DM''故：

2

22

600

0.849

BC CD

+-

=(3-2)

再由于在△ACD中有AC=100 BC mm;AD=300 mm; ∠CAD=45°

；故可

由余弦定理有：

(

)()

2

22

300300

CD BC BC

=+?(3-3) 由上面3-2、3-3两式可确定BC=431 mm;CD=419 mm。

故可确定∠CDE=75°;DE的长度可自定为80 mm。

又测得摇杆摆角φ=53°

3.2 凸轮的设计

（1）凸轮机构的组成

凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。凸轮通常作等速转动，但也有往复摆动或移动的。推杆是被凸轮直接推动的构件。因为在凸轮机构中推杆多是从动件，故又常称其为从动件。凸轮机构就是由凸轮、推杆和机架三个主要构件所组成的高副机构。

（2）凸轮的轮廓确定

凸轮的轮廓主要尺寸是根据四杆机构推头所要达到的工作行程和推头工作

速度来确定的，初步定基圆半径

40

r mm

=，沟槽宽20mm，凸轮厚25mm, 孔15

r mm

= ,滚子半径10

r

r mm

=。

1 摆动滚子推杆盘形凸轮轮廓设计的数学模型

如图1所示为摆动滚子从动件盘形凸轮机构．已知基圆半径0

r、摆杆长度l，中心距a和从动件的运动规律()

ψψ?

=，选取oxy坐标系，如图3-3所示。

图 3-3 摆动滚子推杆盘形凸轮机构 2 求凸轮理论轮廓曲线

根据洗瓶机推瓶机构的运动要求，需要中速轻载，则确定推杆的运动规律为等加速等减速，则可得:

凸轮的理论轮廓曲线的坐标公式为:

()δsin 0s r x +=， ()δcos 0s r y += (3-4) a)推程阶段 01δπ=

()()()[]πδπδδδ2//2sin /0110111-=h s

=()()()[]

πδπδ2/4sin /21-h []πδ,01= (3-5) b ）远休阶段 023

π

δ=

402=s []3/,02πδ= (3-6) c)回程阶段 3

03π

δ=

3310δh s =303/δ35

035

34

034

3/6/15δδδδh h +- 55

34

34

333

3/1458/1215/270πδπδπδh h h +-=

[]3/,03πδ= (3-7) d) 近休阶段 3

02π

δ=

04=s []3/,04πδ= (3-8) e)推程段的压力角和回程段的压力角 s

r d d s +=0/arctan

δ

α (3-9) 将以上各相应值代入式（3-4)中，计算理论轮廓曲线上各点的坐标值。在计算 时应注意：

在推程阶段取1δδ=，在远休阶段取201δδδ+=，在回程阶段取

30201δδδδ++=，在近休阶段取4030201δδδδδ+++=。

3 求工作轮廓曲线：

有公式的 θcos 'r r x x -= θsin r r y y -=' (3-10) 其中： ()()()22////sin δδδθd d d d d d y x x += (3-11） ()()()22///

/cos δδδθd d d d d d y x y +-= （3-12）

a)推程阶段 []πδ,01=

()()101cos sin //δδδδs r d d d d x x ++=

()[]()1011cos sin 4cos 12δδδπs r h ++?

??

???-= （3-13）

()()101sin cos //δδδδs r d d d d s y +-=

=()[]()1011sin cos 4cos 12δδδπs r h +-???

???- （3-14）

b)远休阶段 []3/,0π

()()202/cos /δπδ++=s r d d x （3-15） ()()202/sin /δπ++-=s r d d y y （3-16） c)回程阶段 []3/,0π

()()()()πδπδδδ++++=303cos sin //s r d d d d s x

= ()()()234333303345

81048407290sin cos h h h r s δδδδπδππππ??-+++++ ???

（3-17）

y d d δ=()()()234333303345

81048407290cos sin h h h r s δδδδπδππππ??

-++-++ ???

（3-18）

d) 近休阶段 []3/,0π

()()403/4cos /δπδ++=s r d d x （3-19） ()()403/4sin /δπδ++-=s r d d y （3-20） 根据上述可得凸轮的轮廓 如下图 3-4

图 3-4 凸轮的轮廓

3.3凸轮-铰链四杆机构的组合运动图

图3-5 凸轮铰链四杆机构组合运动图

下图三个依次为连杆滑块转到凸轮最远距离远休位置时的图（图3-6）所示，连杆滑块转到凸轮最近距离近休位置时的图（图3-7）所示。

当凸轮转到远休位置时，这时通过连杆在凸轮上的滚子推动连杆，铰链四杆机构的摆杆2运动到了最大位置，和机架安装的杆1在一条水平线上。

图3-6 远休止运动状态

当凸轮运动到近休位置时，这时通过在凸轮上连接滚子的连杆推动杆2和杆3运动到一条直线上，这个时候是摆杆回到了初始位置，推头开始推瓶。

图3-7 近休止运动状态

第四章 机构运动分析

4.1铰链四杆机构运动分析

由表1-1可知凸轮的

01440min n r =

2860

n rad s πωπ=

= （4-1） 所以推程阶段时间

188

t s ππωπ=

== （4-2） 所以推头由M 到M ’匀速运动时的速度

600

75v mm s t

=

= （4-3） 又因为凸轮的近休止、远休止和回程阶段的角度都为

3

π

，所以它们所用时间也相同。所以分析推头在M 和M ’两端停留的时间和由M 到M ’返回的时间相等且时间为：

11324

t t s =

= （4-4） 又测得DE 杆的极位夹角为53?

4.2凸轮机构的运动分析

凸轮的工作循环过程如表4-1

表 4-1 凸轮的工作循环过程

心得体会

好不容易做到了这一步，这也标志着我们这次设计即将结束。在还没做设计之前，有点迷茫，有点不知所措，但总觉得书上不是有设计的步骤和方法，按照那个不就可以了吗？还有电子文档的完成，总觉得自己平时也有用的，花费不了多少时间。但是，当自己真正的实际操作时，才会知道什么是“书到用时方恨少”，才明白自己需要加深的不只是对基础知识的掌握，还需要加强的是自己的动手能力。才知道原来自己掌握的东西真的很少，自己还需要不断地充实自己。虽然经常玩电脑，但是从来没有感觉的不会用的的挫败，现在终于体会到了。

当然，收获也是不少的。通过此次课程设计，我们巩固了所学的基本理论、基本概念和基本知识，进一步理解了机械原理这门课程，知道其在实际应用中的重要性。并对教材中常见的平面连杆、凸轮等机机构有了更深刻的认识，对系统化设计有了一定的了解。更重要的是培养了自己分析和解决与本课程有关的具体机械所涉及的实际问题的能力，为以后的课程设计打下了良好的基础。

其次，在这次课程设计过程中，我明白个人的力量是有限的。任何优秀的方案都不是个人的杰作，是大家在课程设计过程中相互帮助，积极讨论，对一些问题大胆发表自己的意见，实现了共同的进步，并最终完成了设计方案。虽然在以后的工作学习中我们还会有这样和他人一起工作学习的机会，但是这次课程设计为我们提供了锻炼的机会。

最后，在课程设计过程中也发现了自己的不足，基础知识不扎实，解析法不熟练，在对机构的仿真模拟分析方面做的远远不够。所以决定在以后的学习中不断的加深理解和学习，提高自己解决问题的能力。也希望老师以后给我们更多的锻炼机会。