洗瓶机推瓶机构设计

机械原理课程设计

洗瓶机推瓶机构设计学院：计算机与信息科学学院

专业：机械设计制造及其自动化

姓名：陈夷康

指导教师：李玉梅

2015年12月10日

目录

摘要

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，对洗瓶机推瓶机构的电机、减速器等主要的传动系统进行了设计选择，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：洗瓶机, 推瓶机构，凸轮机构，铰链四杆机构

第一章绪论

研究背景

随着社会的发展，生活节奏的加快，人们对于生活水平要求的越来越高，科技也不断发展，在工业，生活中科技含量已经逐渐体现。本设计主要是针对自动洗瓶机的推瓶机构进行设计。

由于工业生产和社会生活的需要，大量的玻璃瓶、塑料瓶需要进行回收清洗后再利用，节省了大量制瓶洗所需要的费用同时也提高了工业生产的生产效率。然而就在此时也出现了回收后再清洗的问题。产品盛载是车间的最后一道关键工序，因此玻璃瓶的供应速度也就决定了总的生产效率的高低。从而产生了对洗瓶机设备的研究与改进工作。

洗瓶机器设备的出现并且运用到实际生产中，改变了人工刷洗的传统工艺，实现了自动化生产方式，达到了减少劳动力、节约费用、提高工作效率、增加企业经济效益之目的。并且得到了广大用户的支持和好评，而且使得化、制药、食品等行业的生产率产生了质的飞跃。

自动洗瓶机目前已经广泛应用于啤酒及饮料生产线上。该机构的主传动是由电机变频同步控制。进出瓶分别采用导辊和凸轮连杆组合机构来控制，该机构结构简单、传动平稳、可靠、噪音小，并且有进出瓶自动回程功能。由导辊的旋转及推头的推送，通过导辊的上方的毛刷将瓶子的外侧刷洗干净。

论文讨论内容

①洗瓶机的工作原理

②推瓶机构的型式组合

③推瓶机构的运动规律设计

④机构的分析和综合

第二章设计题目

推瓶机构的功能原理及工作原理

2.1.1工作原理

洗瓶机主要是由推平机构、导辊机构、转刷机构组成。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，如图2-1洗瓶机有关部件位置示意图。

图2-1 洗瓶机有关部件的位置示意图

2.1.2功能原理

首先推瓶机构所采用的功能原理是用机械能迫使瓶子由工作台的一侧运动到另一侧，则要求有一个工作行程为M往返运动的推头，同时推头在工作过程中要匀速，回程时要快速，能够满足此运动规律可以有很多种，如可以设计成曲柄-四杆机构，或凸轮连杆机构等实现其往复运动来完成其工作。要运用此功能原理来满足其工作需要，在运动规律设计方面就要考虑用什么来带动曲柄连杆或凸轮连杆机构的转动，一般我们都用电机来完成此项转动功能。

其次是转辊机构所运用的是机械的转动规律，也是机械运动中比较简单的运动规律，只需要有一定的转动速度与推瓶机构、转辊机构相配合来实现洗瓶设备的整体工作功能。它是有两个长圆柱型导辊旋转，带动瓶子旋转并且由导辊的一侧移动到另一侧的，其中导辊只完成其中的旋转功能，移动功能是由推瓶机构来实现的。

原始数据和设计要求

①瓶子尺寸：大端直径d=80mm，长200mm。

②推进距离l=600mm。推瓶机构应使推头M以接近均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子，然后，推头快速返回原位，准备第二个工作循环。

③按生产率的要求，推程平均速度为v=45mm/s，返回时的平均速度为工作行程的3倍。

④机构传动性能良好，结构紧凑制造方便。

第三章系统方案总体设计

系统运动方案构思

实现推瓶机构的推头在工作过程中作近似直线运动轨迹，回程轨迹形状不限，但要有急回运动特性。由上述运动要求，单一的常用的基本机构不容易实现，可以采用组合机构来实现。在设计组合机构时，一般可首先考虑选择满足轨迹要求的机构，而运动时的速度要求则通过改变基础机构主动件的运动速度来满足，也就是让它与一个输出变速度的附加机构组合。

由于刷瓶与转瓶功能的实现分别只有一种齿轮传动来实现的，因此，方案的确定的关键是对推瓶执行机构组合的确定。

实现要求的机构方案有很多，可用多种机构组合来实现。如：

1.凸轮－铰链四杆机构方案

图3-1凸轮－铰链四杆机构的方案

如图3-1所示，铰链四杆机构的连杆2上的点M走近似于所要求的轨迹，点M的速度有等速转动的凸轮驱动构件3的变速运动来控制。由于此方案的曲柄1是从动件，所以要注意采取度过死点的措施。该机构的缺点是凸轮独立于连杆机构，占用空间较大，结构不紧凑。

2.五杆组合机构方案

图3-2 五杆组合机构的方案

确定一条平面曲线需要两个独立变量。因此具有两自由度的连杆机构都具有精确再现给定平面轨迹的特征。点M的速度和机构的急回特征，可通过控制该机构的两个输入构件间的运动关系来得到，如用凸轮机构、齿轮或四连杆机构来控制等等。图3-2 所示为两个自由度五杆低副机构，1、4为它们的两个输入构件，这两构件之间的运动关系用凸轮、齿轮或四连杆机构来实现，从而将原来两自由度机构系统封闭成单自由度系统。

但此方案中完全采用平面连杆设计，杆数较多，虽然容易制造，但由于推程较长，必然会导致机构上的动载荷和惯性力难平衡，会有累积误差，且效率低，所以舍弃方案。

拟定执行机构方案

根据上节所给出的二种设计方案，我们来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回程速度比和推程。但缺点是四杆机构的低副之间存在间隙，杆较多，容易产生误差，累积误差大，不能实现精确运动。冲击、震动较大，一般适用于低速场合。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。

其次五杆组合机构的方案五杆组合机构方案，此方案所需要的杆件繁多，设计烦琐，实际机构尺寸过大，不是很合理的一个设计方案，性价比也不高。

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，如图3-3所示：

图3-3

第四章凸轮及铰链四杆机构的设计

凸轮设计

（一）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，但也有作往复摆动或移动的。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。

（二）凸轮机构中的作用力

直动尖顶推杆盘形凸轮机构在考虑摩擦时，其凸轮对推杆的作用力 F 和推杆所受的载荷(包括推杆的自重和弹簧压力等) G 的关系为

F =

G /［cos(α+φ1) - (l+2b/l)sin(α+φ1)tanφ2］

（三）凸轮机构的压力角

推杆所受正压力的方向(沿凸轮廓线在接触点的法线方向)与推杆上作用点的速度方向之间所夹之锐角，称为凸轮机构在图示位置的压力角，用α表示

在凸轮机构中，压力角α是影响凸轮机构受力情况的一个重要参数。在其他条件相同的情况下，压力角α愈大，则分母越小，作用力 F 将愈大；如果压力角大到使作用力将增至无穷大时，机构将发生自锁，而此时的压力角特称为临界压力角αc ，即

αc ＝arctan{1/[(1+2b/l)tan φ2]}-φ1

为保证凸轮机构能正常运转，应使其最大压力角αmax 小于临界压力角αc 。在生产实际中，为了提高机构的效率、改善其受力情况，通常规定凸轮机构的最大压力角αmax 应小于某一许用压力角[α]。其值一般为：推程对摆动推杆取[α] ＝35o ～45o ；回程时通常取[α]′ ＝70o ～80o 。

（四）根据以上设计内容确定出凸轮设计曲线图如线图（图4-1）所示

图4-1凸轮设计曲线图

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r0=50m ，沟槽宽20mm ，凸轮厚25mm, 孔r=15mm ,滚子半径 r=10mm 。

凸轮的理论轮廓曲线的坐标公式为：

x=（r 0+s ）sin δ，y=（r 0+s ）cos δ （A ）

（五）求凸轮理论轮廓曲线：

①推程阶段 δ01=216o=π S 1=h[（δ1/δ01）-sin （2πδ1/δ01）/（2π）]

h[（2δ/π）-sin(4δ1)/(2π)]

②远休阶段δ02=36°=π/5 S 2=

③回程阶段δ03=72°=2π/5

S 3=10h δ33/δ033-15h δ34/δ034+6h δ35/δ035

=270h δ33/π3-1215h δ34/π34+1458h δ35/π5 δ3=[0，2π/5]

④近休阶段δ02=36°=π/5 s 4=0 δ4=[0，π/5]

⑤推程段的压力角和回程段的压力角

将以上各相应值代入式（A ）计算理论轮廓曲线上各点的坐标值。在计算中时应注意：在推程阶段取δ=δ1，在远休阶段取δ=δ01+δ2，在回程阶段取δ=δ01+δ02+δ3，在近休阶段取δ=δ01+δ02+δ03+δ4。计算结果见表4-1。. 根据推瓶机构原理，推瓶机构所需达到的工作要求来设计凸轮，凸轮的基本尺寸在近休时尺寸为50mm,达到最远距离是尺寸为。

（六）求工作轮廓曲线

有公式的x ′=x-r r cos θ y ′=y-r r sin θ

其中： ()()()22///

/sin δδδθd d d d d d y x x += ① 推程阶段 []πδ.21,01=

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

????

?- ②远休阶段 []5/0π，

③回程阶段 []5/2,0π

④近休阶段 []5/,0π

计算结果可以得凸轮工作轮廓曲线个点的坐标见下表4-1：

表4-1

铰链四杆机构的尺寸设计

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

在极为是的特性。又已知的行程速比系数K和摇杆摆角φ=69度，在由图4-2查的最小传动角的最大值maxγmin及β的大小在计算各杆的长度。

图4-2

查表可知maxγmin=45o，β=75o则：

θ =180o（K-1）/（K+1）=90o

a/d=sin(?/2)sin(θ/2+β)/cos(?/2-θ/2)

b/d= sin(?/2)sin(θ/2+β)/sin(?/2-θ /2)

(c/d)2=(a/d+b/d)2+1-2(a/d+b/d)cosβ

选定机架长度d就可以确定其他各干长度。

根据推瓶的行程来确定各杆的长度及摆角大小，摇杆所转的角度

=69度，行程速比系数

K=3。得

L1=

L2=

L3=

L3a=

L4=500mm

L4a=200mm

连杆机构中的运动副一般均为低副。其运动元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑较好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭。能很好的保证工作可靠性。

对于四杆机构来说，当其铰链中心位置确定后，各杆的长度也就确定了，用作图法进行设计，就是利用各铰链之间的相对运动的几何关系，通过作图法确定各铰链的位置，从而得出各杆的长度。图解法的优点是直观，简单，快捷，对三个设计位置下的设计十分方便，其设计精度也能满足工作要求。根据第3章四杆机构的尺寸来设计铰链四杆机构。

第5章传动系统的总体布局即部件的选择设计

主传动系统

机器是执行机械运动的装置，用以变换或传递能量、物料和信息。其中传递机械运动的实体部分称为机构。机器是由多个机构组成的，由各个机构所能完成的功能组合在一起所实现的共同的功能，是一个组合体。

首先机器是由动力源、传动系统、执行系统和操控系统组成。我们要研究它就要把它拆开来一步一步的分析，根据第3章我们所讨论的机构设计方案，最终确定了凸轮—四杆铰链机构。

洗瓶机设备的主要传动系统有：皮带轮传动系统、减速器传动系统、齿轮传动系统和凸轮-四杆铰链传动系统。

一、电动机构造简单、工作可靠、控制简便、维护容易，一般生产机械上大多采用电动机驱动。

电动机已经系列化，设计中只许根据工作机所需要的功率和工作条件，选择电动机的类型和机构型式、容量、转速，并确定电的具体型号。

电动机类型和型式可以根据电源种类（直流、交流）、工作条件（温度、环境、空间尺寸）和载荷特点（性质、大小、启动性能和过载情况）来选择。

工业上广泛应用Y系列三相交流异步电动机。它是我国80年代的更新换代产品，具有高效、节能、震动小、噪声小和运行安全可靠的特点，安装尺寸和功率等级符合国际标准，适合于无特殊要求的各种机械设备。对于频繁启动、制动和换向的机械，宜选用转动惯量小、过载能力强、允许有较大震动和冲击的YZ型YZR型。

二、因为本传动的工作状况是：载荷平稳、单向旋转。所以选用常用的封闭式Y（IP44）系列的电动机。

电动机容量（功率）选得合适与否，对电动机的工作和经济性都有影响。当容量小于工作要求是，电动机不能保证工作机的正常工作，或使电动机因长期过载发热量大而过早的损坏；容量过大则电动机的价格高，能量不能充分利用，经常处于不满载的运行，起效率和功率因数都较低，增加电能消耗，造成很大的浪费

电动机的容量主要根据电动机运行时的发热条件来决定。电动机的发热与其运行状有关。对于长期连续运转、载荷不变和变化很小、常温下工作的机器，只要所选电动机的额定功率Ped等于或略大于所需电动机功率Pd，即Ped≥Pd，电动机在工作时就不会过热，而不必校验发热和起动力矩。具体计算步骤如下：

①工作机所需功率Pw?Pw＝

②电动机的输出功率Pd＝Pw/η

η＝＝

Pd＝

三、根据电动机所需额定功率选择合适的电动机转速，初选为同步转速为1000r/min的电动机。

四、计算总的传动比

由电动机的满载转速nm和工作机主动轴转速nw可确定传动装置应有的总传动比为：i＝nm/nw

nm =960

nw＝

i＝合理分配各级传动比

先选定带轮传动比i带=2，减速器传动比i=,齿轮传动比i=,由于减速箱是同轴式布置，所以i1＝

i2。因为i＝，取i＝25，i1＝i2 =5；速度偏差为%<5%，所以可行。

根据第3章确定的电动机功率，根据要求选择和设计皮带轮所得计算结果如下表所示：

设计普通V带轮轮缘参数

减速器是位于原动机和工作机之间的机械传动装置。由于其传递运动准确可靠，结构紧凑，效率高，寿命长，且使用维修方便，得到广泛的应用。常用的减速器目前已经标准化，使用者可根据具体

的工作条件进行选择。课程设计中的减速器设计工厂是根据给定的条件，参考标准系列产品的有关资

料进行非标准化设计减速器类型很多。按传动件类型的不同可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速

器、蜗杆减速器、齿轮蜗杆减速器和行星轮减速器；按传动级数的不同可分为一级减速器、二级减速

器和多级减速器；按传动布置方式不同可分为展开式减速器、同轴式减速器和分流式减速器；按传递

功率的大小不同可分为小型减速器、中型减速器和大型减速器等。

oC,低于0oC启动前润滑油应加热到5oC，可正反双向转动。

QJ型减速器分为卧式（W）和立式（L），在这里为了合理安排安装空间，选用卧式（W）。

外形安装尺寸选择:

/mm

承载能力查的（连续工作型）：

根据i=25查的输出转矩为，许用输入功率为，输入转矩为，输出轴轴伸许用径向载荷Fr=15000N ,实际传动比为。.所选减速器符合要求。

总结

本论文是对洗瓶机的推瓶机构的功能原理和工作原理进行详细的分析和设计，并且对其传动系统进行了设计。首先，对洗瓶机推瓶机构的电机、减速器、带轮及其齿轮传动等主要的传动系统进行了分析与设计，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。对洗瓶机的整个工作过程做了详细的阐述，并且根据设计过程的凸轮转动结合连杆的实际运动规律绘制了工作循环图，使洗瓶机的各步的运动状态、工作过程等更好的体现出来。

本次课程设计推瓶机构的设计过程中，应用到机械设计，机械原理，机械设计手册等相关方面的教材，通过设计，凸轮铰链四杆机构首先是凸轮—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回程速度比和推程。但缺点是四杆机构的低副之间存在间隙，杆较多，容易产生误差，累积误差大，不能实现精确运动。冲击、震动较大，一般适用于低速场合。符合本次设计要求。

本通过本次设计的调研、软件的学习、计算机的运用等都有了进一步的提高，并且结合以往学习的专业课知识，从不同的角度对机器进行了分析与研究，开阔了视野，增长了知识，也对我国现在的工业生产与车间的生产技术有了更深入的了解。此次设计的工作量大，是一次设计更是一次锻炼，为以后步入工作打下了坚实的基础。

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