酱类食品灌装机机构及其传动装置的设计书

机械原理课程设计
设计题目： ___________________ ________系_________________专业_______班设计者___________________________________ 指导教师_______________________________
年月日
课程设计任务书
内容及任务一、设计的主要技术参数：
灌装能力（瓶∕min）：21瓶∕min
电动机功率∕kW：2.9 kW
电动机同步转速∕（r∕min）：1500 r∕min
工作行程∕mm ：80 mm
每瓶酱净重（g/瓶）；200~400
工作条件：两班制，使用年限10年，非连续单向运转，载荷平稳，小批量生产，运输链速度允许误差±3％±5%.
二、设计任务：1.按工艺动作要求拟定机构运动循环图；2. 进行转盘间歇运动机构.定量灌装机构，压盖密封机构，粘贴机构的选型；3. 选择合理的机械运动机构；4.拟定机械传动方案，执行机构参数；5. 画出机构运动方案简图：6. 计算总传动比，传动系统设计及其主要传动件尺寸计算。

三、每个学生应在教师指导下，独立完成以下任务：
（1）减速机装配图1张；
（2）零件工作图2~3张；
（3）设计说明书1份（6000~8000字）。

进度安排
起止日期工作内容
6.25‐6.26 传动系统总体设计及其画出设计的图；
6.27‐6.28 设计传动零件的设计图及其参数计算；
6.29‐6.30 酱类食品灌装机机构及其传动装置的运动简图的整理、整理
说明书
7.1 整理课程设计
主要[1] 朱理．机械原理［Ｍ］．北京：高等教育出版社，2008：15-200
[2] 戴娟.机械原理课程设计指导书[M]. 北京；高等教育出版社.2011
[3] 邹慧君.机械原理课程设计手册[M].北京.高等教育出版社.1998
参
考
资
料
指导老师（签字）：老三2011年6 月25 日
系（教研室）主任（签字）：2011 年7 月 1 日
目录
0.设计任务书 (1)
1.工作原理和工艺动作分析 (2)
2.工艺动作和协调要求拟定运动循环图 (3)
3.执行机构选型 (4)
4.机械运动方案的选择和评定 (5)
5.机构运动简图 (6)
6.械传动系统的速比和变速机构 (7)
7.参考资料 (11)
8.设计总结 (12)
1.工作原理和工艺动作分解
1.工作原理分析
灌装机构的工作原理图如图1-1所示，当灌装机构向上运动，利用大气压强，将酱料压出，六位工作盘上（如图1-2）的空罐接入酱料，工作盘旋转到第二位，压盖机构向下压，不完全齿轮上顶，完成压盖密封动作，再旋转到下一个位，进行粘贴商标，贴完商标，即可旋转的送出位，将完成的酱罐送上皮带。

在此过程中完成了自动转位，定量灌装，压盖密封，粘贴商标四个动作。

图1-1灌装机构的工作原理示意图
图1-1灌装机构的工作原理示意图
2.工艺动作分析
在工作的过程中，电动机带动各机构的运动，顶杆机构上下反复的运动完成加料动作，间歇机构进行自动转位动作，带动完成压盖，粘贴商标的动作：
1）将灌装物料输送至料斗（料腔），可利用机械加入料斗中；
2）将空瓶或空瓶送至多工位转盘，并能自动转位；
3）能实现定量灌装利用偏置曲柄顶杆机构，使活塞上下运动，将酱料压入空瓶中；
4）压盖密封压盖机构在电动机的驱动下，下压完成密封动作，间歇机构自
动转位，即可完成下一步动作；
5）粘贴商标 利用顶杆机构和凸轮机构将商标粘贴在罐上；
6）送出成品 自动转位机构将成品送上传送带完成送出。

在完成酱类食品灌装的过程中，有灌装动作，自动转位动作，压盖密封动作，粘贴商标动作四个动作为重点，所以也要重点考虑：灌装机构，间歇机构（自动转位机构），压盖密封机构，粘贴机构。

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图1-3 灌装机构的运动传递路线 2.工艺动作和协调要求拟定运动循环图
拟定运动循环图的目的是确定各机构执行构件动作的先后顺序、相位，以
利于设计、装配和调试。

以自动转位机构（间歇机构）每转完成一个运动循环所以拟订运动循环图
时，以转盘的转角作为横坐标(0°、360°)，以各机构执行构件的位移为纵坐标作出位移曲线。

运动循环图的位移曲线主要着眼于运动的起迄位置，根据上述表述作出灌装机构，压盖密封机构，粘贴机构的运动循环图如图1-4所示。

图1-4灌装机构运动循环图
3.执行机构选型
根据间歇机构（自动转位机构），灌装机构，压盖密封机构和粘贴机构这四个执行构件的动作要求和结构特点可以选择一些常用机构选型的形态学矩阵，如表1.1所示。

可以计算出酱类灌装机机构及其传动装置的运动方案数目N 。

表1.1机构选型的形态学矩阵
转盘间歇机构 齿轮机构 凸轮间歇机构 棘轮机构 槽轮机构 灌装机构 偏置曲柄滑块
机构
凸轮间歇机构 滑块摇杆机构 凸轮间歇机构 压盖密封机构 偏置曲柄滑块
机构
直动从动件凸轮机构 凸轮间歇机构 凸轮间歇机构 粘贴机构 偏置曲柄滑块
机构 偏置曲柄机构 滑块摇杆机构 直动从动件固定凸轮机
构
㈠ 转盘间歇机构的选型
（1）凸轮间歇机构
图2-1凸轮间歇机构示意图
优点：结构比较紧凑，定位可靠，精确。

可以选择适当的盘形从动件来减少电动机 转盘的间歇机构 压盖密封机构 粘贴商标机构
灌装机构 运动分支
减速器
动载荷，避免刚性冲击和柔性冲击，承载力大，可用于大扭矩间歇运动场合，分度范围大，适用范围广，设计限制少，可用于各种运动规律。

缺点：凸轮工作曲面复杂，加工难度大，加工成本高，装配调整要求严格，经济成本高，预紧容易自锁，所以不用。

(2)不完全齿轮机构
图2-2不完全齿轮机构示意图
优点：结构简单，工作可靠，容易制造。

与其它间歇机构相比，其从动轮每转一周的停歇次数，运动和停歇的时间比例，可在较宽广的范围内调节。

缺点：啮合传动的开始和终了时，速度有突破，且加速度也不连续，故冲击较大，运动不平稳，连续，所以不用。

（3）槽轮机构
图2-3槽轮机构示意图
优点：结构简单，工作可靠，容易制造。

转位迅速，其机械效率高，故能平稳地，间歇地进行转位。

缺点：其运动规律不能选择，调节性能差，在拨销进入和脱出槽轮时会产生柔性冲击，故常使用于速度要求不太高的运动中，我们所需要设计的冷霜自动灌装机中的六工位转盘转速为6°每秒，转速不高，此缺点可以忽略，故比较合理，因而选用此机构作为自动转为机构。

㈡装灌机构
（1）偏置曲柄滑块机构
图1
图2
图2-4 偏置曲柄滑块机构示意图（图1和图2）
优点：就其理想的运动特性来说，此机构完全能实现直线往复移动。

如果连杆设计得当，此机构具有传递平稳运动精确地优点。

缺点：由于连杆机构的运动链较长，各运动副的运动误差可能会引起机构较大的误差累积，但总体上很好的把握机构的运动，所以选择这个机构为灌装机构。

（2）凸轮间歇机构
图2-5 凸轮间歇机构示意图
优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各项预期的运动规律，而且机构间紧凑。

缺点：凸轮廓线与推杆之间为点线接触，易磨损，磨损后传动不平稳，需经常更换，造成经济成本高，所以不用。

㈢自动压盖机构
（1）偏置曲柄滑块机构
图2-6偏置滑块机构
优点：就其理想的运动特性来说，此机构完全能实现直线往复移动。

如果连杆设计得当，此机构具有传递平稳运动精确地优点。

缺点：由于连杆机构的运动链较长，各运动副的运动误差可能会引起机构较大的误差累积，特别适当运动副磨损之后，运动副间隙难以补偿，而且由于运动副尺寸过大，会导致机构体积增大，没有停歇时间，不能进行压盖后的保压功能，所以不用。

（2）凸轮间歇机构
图2-7凸轮间歇机构示意图
优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各项预期的运动规律，而且机构间紧凑，在压盖完成时具有一段间歇时间，可实现保压。

缺点：凸轮廓线与推杆之间为点线接触，易磨损，但是综合比较之下，这种机构最为合适，所以选择这个机构作为压盖密封机构。

㈣自动粘贴商标机构
（1）偏置曲柄滑块机构
图2-8偏置曲柄滑块机构示意图
优点：就其理想的运动特性来说，此机构完全能实现直线往复移动。

如果连杆设计得当，此机构具有传递平稳运动精确地优点。

缺点：由于连杆机构的运动链较长，各运动副的运动误差可能会引起机构较大的误差累积，特别适当运动副磨损之后，运动副间隙难以补偿，而且由于运动副尺寸过大，会导致机构体积增大，所以不用。

(2)直动从动件固定凸轮机构
图2-9直动从动件固定凸轮机构示意图
优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各项预期的运动规律，而且机构间紧凑。

缺点：凸轮廓线与推杆之间为点线接触，易磨损，综合比较，所以选择这个机构作为粘贴商标机构。

4.机械运动方案的选择和评定
经过对各种机构的评估优选，特别是满足预订的运动要求，从这些选型中剔除明显的不合理方案，最后的出两个较好的运动方案。

如表2-2所示。

运动方案转盘间歇机构灌装机构压盖密封机构粘贴商标机构
方案一槽轮机构凸轮间歇机构偏置曲柄滑块
机构直动从动件固定凸轮机构
方案二槽轮机构凸轮间歇机构凸轮间歇机构直动从动件固
定凸轮机构
综上所述，两种运动方案的主要区别在于选择两种不同的压盖密封机构，如图3-1所示主要的区别。

图3-1.1 方案一
图3-1.2 方案二
图3-1方案一和方案二的主要运动区别示意图
图3-1.1所示的是偏置曲柄滑块机构，利用曲柄的转动带动三角架的转动使重物上、下运动，将瓶盖压在酱罐上，完成压盖密封动作。

图3-1.2所示为凸轮间歇机构，为了保证滚子和凸轮充分接触，在凸轮上安装弹簧，当凸轮转动时，带动三角架转动使重物上、下反复运动，完成这一位置上的压盖密封动作。

比较：1. 方案一的压盖密封机构，传动系统运动链短，曲柄滑块机构满足运动要求的尺寸综合难度大，方案二的传动系统结构简单，且机构综合容易，可以精确满足运动要求。

2.方案一当压盖完成时，由于曲柄滑块机构的垂直位移时刻
在变，没有保压时间，方案二在压盖完成时，有一段间歇运动时间，可以满足保压时间的要求，防止了酱类食品的变质。

综合各方面的优势，所以选择方案二作为压盖密封机构。

5.机构运动简图
按已经选定的四个执行机构和机械传动系统，画出酱类食品灌装机机构机械运动方案示意图，如图4-1所示。

图4-1机械运动方案示意图
6.机械传动系统的速比和变速机构
1.变速机构的运动分析
图5-1
根据图5-1得到下列数据：
（1） 1为皮带轮：i 1＝2，
2、3、4、5、6为齿轮： z 2=20 z 3=100 z 4=20 z 5=140 z 6=20
i 32=z 3/z 2=140/20=7， i 54=z 5/z 4=100/20=5
n 1=n/(i 1*i 32*i 34)=1500/(2*7*5)=14r/min
（2）减速器由齿轮6输出14 r/min 的转速，经过一级齿轮传动后，减少到7/min 6、7为齿轮：z 6=20 z 7=40，i 76=z 7/z 6=40/20=2，
（3）n 2=n 1/i 76=7∕2=r/min
所以转盘旋速为3.5r/min 时，每分钟灌装的瓶数为21瓶。

2.装灌机构和压盖密封机构的尺寸综合及运动分析
灌装机构和压盖密封机构选用的是凸轮间歇机构，从动件从距凸轮转动中心最远的位置运动到距凸轮转动中心最近的地方时，凸轮所转过的角度为δ，如图5-3所示。

图5-3凸轮机构转动规律
基圆半径 ： r0=400 mm
滚子半径： r=30 mm
行程： H=300 mm
推程角：δ0=60°
回程角：δ1 =60°
近休止角：δ2=90°
远休止角：δ3=150°
最大压力角：α=30°
得到凸轮机构转速： w=2.198/s
3.粘贴机构的尺寸综合分析
粘贴机构采用直动从动件固定凸轮机构，已知从动件的行程为h=100mm 。

由运动循环机构图可得到凸轮的位移曲线，如图5-4所示。

图5-4凸轮机构位移曲线
图5-5直动从动件固定凸轮机构
根据凸轮机构的位移曲线设计直动从动件凸轮机构，如图5-5所示，其中固定凸轮采用固定槽，棍子的运动沿着预定的轨迹，可以达到工作的行程，完成粘贴动作。

4.转盘间歇机构的尺寸综合
转盘间歇机构采用单圆销槽轮机构实现间歇运动，如图5-6所示。

已知主盘的转速为3.5r/min,中心距a=300mm,按工位要求槽数为Z=6。

槽轮机构的几何尺寸计算：
1）槽间角2Φ2,2Φ2=360°/z=60°
2）槽轮运动角2Φ1，2Φ1=180°-2Φ2=120°
3）圆销回转半径R1，R1=asinΦ2=300×sin30°=150mm
4）槽轮半径R2，R2=acosΦ2=300×cos30°=260mm
5）锁止弧张角γ，γ=360°-2Φ1=360°-120°=240°
6）圆销半径r, 取r=R1/6=25mm
7）槽轮齿顶厚e, 取e=5mm
8）锁止弧半径Rs , Rs=R1-r-e=(150-25-5)mm=120mm
9)槽轮槽深h, h≥R2-(a-R1-r)=[260-(300-150-25)]mm=135 ,
取h=140mm
10)运动系数k, k=1/2-1/Z=1/3
11)R1与a的比值λ, λ=R1/a=150/300=0.5
12)槽轮机构的运动分析
槽轮角位移：ψ2=arctan[λsinψ1/(1-λcosψ)]
槽轮角速度：ω2=dψ2/dt=[λ(cosψ1-λ)/(1-2λcosψ1+λ2)] ω1
槽轮角加速度：ε2=d2ψ2/dt2=[λ(λ2-1)sinψ1/(1-2λcosψ1+λ2)2] ω12
其中，ω1=2πn1/60 rad/s=3.1416 rad/s
图5-6槽轮机构
7.参考文献
[1] 朱理．机械原理［M］．北京：高等教育出版社，2008：15-200
[2] 戴娟.机械原理课程设计指导书[M]. 北京；高等教育出版社.2011
[3] 邹慧君.机械原理课程设计手册[M].北京.高等教育出版社.1998
[4] 王三民，机械原理与设计课程设计[M].北京。

机械工业出版社，2005.
8.课程设计小结
俗话说“纸上学来终觉浅，绝知此事要躬行”，这话一点不假。

这次做课程设计，让我深刻地认识到自己所存在的诸多不足：1)，理论知识储备不足，在运用中出现各类计算问题2)，所学制图软件疏于练习，在设计过程中严重阻碍进度同时所绘图样质量不理想3).动手能力过弱，在脑子里空有想法而设计起来时捉襟见肘。

不过话说回来，这次课程设计的收获也不小。

通过这次设计终于让我迈出了运用理论知识去设计简单机器的第一步，中间的过程是坎坷的，心情是复杂的。

我深刻体会到团队合作的重要性，深刻体会到一个人要敢想更要敢于迈出行动的步子，在整个过程中都要胆大心细，努力地想方设法地去克服种种困难。

同时在这个过程中也很好地锻炼了我的动手能力和独立思考并完成设计的能力，这将是我成长成才的巨大财富。

在这里我要向老师和帮助过我的同学表示衷心的感谢。

8。