冷霜自动灌装机设计李科燃

1 设计任务
1.1 设计题目
冷霜自动灌装机
1.2 工作原理及工艺动作过程
冷霜自动灌装机是通过出料活塞杆上下往复运动上下冷霜灌装入盒内。

主要工艺动作有：
①将空壳送入六工位转盘，利用转盘间歇运动变换不同工位；
②在灌装工位上的灌装机下降灌入冷霜；
③在贴锡纸工位上粘贴锡纸（利用锡纸下降）；
④在盖盒盖工位上将盒盖压下；
⑤送出成品。

1.3 原始数据及设计要求
①冷霜自动灌装机的生产能力：60盒/min。

②冷霜盒尺寸：直径30-50，高度h=10-15mm。

③工作台离地面的距离约1100-1200mm。

④要求机构简单紧凑，运动灵活可靠，易于制造。

1.4 设计任务
①按工艺动作要求拟定运动循环图。

②进行转盘间歇运动机构、冷霜下降机构、锡纸库下降机构、压盖机构。

③机械运动方案的评定和选择。

④按选定的电动机和执行机构运动参数拟定机械传动方案。

⑤画出机械运动方案简图。

⑥对传动机构和执行机构进行运动尺寸计算。

2 系统传动方案设计
2.1 原动机类型的选择
在电动机的选择过程中，通过对该机构进行功率初步计算，确定选择转速为1500r/min的电动机完全可以满足工作要求，而且在同等输出功率的情况下，选择电动机的转速越高，其尺寸和质量也就越小，价格也越低，综合比较之下应选用n=1500r/min的交流异步电动机是可以满足设计要求的。

2.2 主传动机构的选择
在动力传输时，既可以选用由一些标准直齿轮构成的轮系进行动力传递，也可以选用皮带传输。

轮系在进行动力传递的同时还可以起到减速作用，传动比恒定，精确，传动效率高，使用寿命长，但是远距离的传递需要多个齿轮啮合，从而加大了制造成本和整个机构的重量，从经济性和实用性考虑是不合理的。

而相比较之下的皮带传动，传动平稳，噪音小，可缓冲和吸震，但是它传动效率低，寿命较短。

考虑到它加工制造成本较低，故优先选用V带传动。

在获取适应于此机构所需转速所需用的减速装置的选取上，可以选择直齿轮系，也可以选用行星轮系。

由于行星轮系具有易获得较大传动比，而且所需要的齿轮数较少等明显优点，故在此设计中选用2K-H行星轮系完成第一次减速。

在减速装置的确定上，本设计采用两次减速，一次是通过2K-H行星轮系实现i=5的减速，；另一次是通过皮带轮在传递动力的同时完成i=5/3的减速，通过两次减速，从而获得所需要的传动比。

在轴的选取过程中，开始本打算选用一根轴，将凸轮和齿轮全部安装在上面，后来考虑到其承载能力和使用寿命，改为两根轴，一根上面安装凸轮和齿轮，另一根轴上也一样。

两根轴之间采用完全相同的两个标准直齿齿轮啮合来完成动力传递，而不采用皮带传送的原因同上，因此为了获得较平稳，准确的传动，在轴的选取上采用完全相同的两根轴。

3 执行机构运动方案的比较与选择
3.1 执行机构方案的比较
（一）转盘间歇运动机构
⑴凸轮式间歇机构：
优点：结构比较紧凑，定位可靠，精确。

可以通过选择适当的从动盘运动规律来减小动载荷，避免刚性冲击和柔性冲击，承载能力高。

可用于大扭矩的间歇运动场合，分度范围大，使用范围广，设计上限制较少，可以方便地实现各种运动规律。

缺点：凸轮工作曲面复杂，加工难度大，成本高。

从动盘的加工也比较困难，而且装配调整要求严格，因而经济成本较高。

加之若分度数超过24时，预紧易卡死，该机构的优势变得不明显，故舍去。

⑵不完全齿轮：
优点：结构简单，工作可靠，容易制造。

与其他间歇机构相比，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，速度有突变，且加速度也不连续，故冲击
较大，运动不平稳，连续，故舍去。

⑶槽轮机构：
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。

（二）灌装机灌装，贴锡纸压盒盖机构
⑴连杆、凸轮组合机构：
优点:力均衡，传动精确，动力充足，安全可靠。

缺点:机构复杂，所占空间大，不利于设计制造。

故舍去。

⑵曲柄推杆机构：
优点：结构简单，制造容易，省材，压力小，承载能力较大，磨损小。

缺点：易产生惯性力，无间歇运动。

故舍去。

⑶直动滚子推杆封闭式凸轮机构：
优点：结构简单，传动精确，可靠。

可满足使用要求。

缺点：易磨损，制造较一般凸轮难，但是综合比较之下，这种机构最为合适。

（三）成品顶起运出机构
⑴曲柄滑块机构：
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的优点。

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，特别是当运动副磨损之后，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，故舍去。

⑵几何封闭凸轮机构：
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，而且机构简单紧凑，机构可承重较大，运动平稳。

缺点：凸轮廓线与推杆之间为点线接触，易磨损，不能较好的缩短空程的时间，影响效率，故舍去。

⑶直动滚子盘形凸轮机构:
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，而且机构简单紧凑。

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。

3.2 执行机构方案的确定
在实现六工位转盘机构的间歇转动工序中，有槽轮，不完全齿轮及凸轮式间歇机构可以选取。

由于不完全齿轮啮合传动的开始和终了时，速度有突变，且加速度也不连续，故冲击较大，运动不平稳，连续，故在此处不合适。

凸轮式间歇机构凸轮工作曲面复杂，加工难度大，成本高。

从动盘的加工也比较困难，而且装配调整要求严格，因而经济成本较高。

从经济性角度考虑，舍去。

而对于槽轮机构，它在克服上述缺点的基础上，具有结构简单，外形尺寸小，机构效率高，并能够稳定的，间歇的进行转位，而且转位精确性较高，虽然存在柔性冲击，但是由于在此处应用时对转速要求不高，故此缺点可以忽略，相比较之下，应该选用槽轮机构。

在实现灌装机下降工序中，选用凸轮机构，由于连杆、凸轮组合机构复杂，所占空间大，不利于设计制造。

故舍去。

直动滚子推杆封闭式凸轮机构结构简单，传动精确，可靠。

可满足使用要求。

在实现贴锡纸和压盒盖两道工序时，本打算选用两个凸轮，各自单独工作，后来觉得选用一个凸轮，就可以同时完成这两道工序，而且运动比较协调一致，从经济性和使用性考虑，选用一个凸轮，其具体装置见选型中。

在实现成品顶起运出工序中，选用凸轮机构，是因为此处灌装是为了配合六工位转盘的工作，必须有精确的运动规律，而凸轮机构的最大有点就是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，而且机构简单紧凑。

在此设计中选用余弦运动规律的凸轮。

相比较之下的连杆机构，占用的空间面积比较大，运动规律不容易把握，而且具有急回特性，故选用凸轮机构。

4 系统总体运动方案的比较分析确定
4.1系统总体运动方案的比较分析
三种方案的比较
4.2系统总体运动方案的确定
根据前面原动机类型的选择，主传动机构的选择，执行机构方案的比较与确定，可知方案一最可行，设计最简单可行，根据所要求的任务，设计其机构运动简图如下：
1.电动机 14 17凸轮拨杆机构
2. 2K-H行星轮系 16.工位盘
7.窄V带传输 18.凸轮顶杆机构
8 15.封闭式凸轮机构 19.灌装机构
9 10.直齿轮 20.贴锡加盖机构11 12.锥齿轮
13.槽轮机构
5 拟定工作循环图
5.1 运动循环图的设计:
a)灌装、贴锡、加盖工艺流程：
1)空盒通过输送带至六工位盘位置1。

2)六工位盘做间歇转动，每次转动60°，转动是其他机构不执行动作。

3)当转盘停止时，灌装机构下降至工位2进行灌装，同时贴锡、加盖机构
下降到工位3进行贴锡、加盖；顶杆把成品顶到工位4送出去。

4)灌装机构完成灌装后回到初始位置，同时贴锡、加盖杆回到初始位置，
顶杆也回到原来位置，一次循环结束。

b)工艺过程的执行构件：
1)送料机构：该机构主要是实现输送带的连续运动，把空盒送入工位，并
将成品输出。

2)槽轮机构：它是在轴II上通过变向连接槽轮，带动六工位盘实现间歇运
动。

3)灌装机构：该机构有固定在轴上的直动推杆凸轮机构组成，通过高低往
复运动实现灌装动作。

4)贴锡、加盖机构：又凹槽凸轮和压杆及压杆上固定的贴锡、加盖部件组
成，通过高低往复运动，一次性完成两个动作。

5)顶杆送料机构，通过把成品顶起，送出去。

c)各执行构件的运动协调：
1)协调原则：输送带是连续运动，且它置于六工位盘1、5工位下面，既不
能于工位盘发生摩擦，也要求它不干涉其它几个机构的完整运动，所以
传动轮尺寸要求有限制。

六工位盘间歇时要实现三个执行动作，设计凸
轮尺寸不应太大，各动作之间应互不影响，六工位盘转动时，它们不进
行任何动作。

各构件要准确定位，以免回撞到其它构件。

定标构件的选择：设计时下边两根轴转动同步，但转向相反，选择I为
定标构件，六工位盘开始转动时为运动循环图的起始点。

5.2 计算机械运动循环周期：
因为生产率Q=60盒/min，所以周期T=60s/60=1s，此时定标构件对应
分配轴转角ϕ=360°。

2)T时间个执行构件的行程区段：
输送区段：连续传动（0~360°）。

根据所需要的要求六工位盘1/3（120°）时间转动，2/3（240°）时间停歇。

灌装机构，贴锡、加盖机构行程区段：ϕ1=120°（停）、ϕ2=90°
（下降）、ϕ3=60°（停）、ϕ4=90°（上升）。

顶杆送料机构：ϕ1=120°（停）、ϕ2=90°（上升）、ϕ3=60°（停）、ϕ4=90°（下降）。

3) 绘制运动循环图：
1.圆周式循环图：
2.直线式循环图：
输
送
杆
连
续
拨 动
转 盘 转 转 盘 停
止 压
杆
停
压
杆 下 压
杆 停
压
杆
上
顶
杆 停
顶
杆
上
顶
杆
停
顶
杆
下
°
°
°
°
6 机构设计及尺寸计算
6.1 具体机构设计
（1）槽轮间歇运动机构
设计思路:
选用六槽机构，完成所需要的间歇运动。

（2）冷霜机下降机构，压锡纸压，压锡凸轮机构
设计思路：通过凸轮旋转运动，可带动右边杆件的上下运动。

同时可进一步设计
凸轮的外形，控制杆件的上下静止的时间，通过凸轮槽，可省去弹簧。

6.2 相关尺寸计算
⑴电动机的选择：
从机构所要实现的运动要求着手。

每秒生产一个成品，这样要保证六工位盘在一秒内完成停止转动两个动作。

经过考虑，在运动循环图中，将停止时间定为2/3秒，六工位转动的时间则为1/3秒，六工位盘与从动槽轮同轴，有相同的运动情况，故主动拨盘转动一圈所用的时间为1/3秒。

它的转速可以求出，1r/（1/3）s=3 r/s。

通过轴之间的传速关系，不难看出，两根主轴利用锥齿轮变向后，转速仍为一圈每秒。

再加上皮带传动，周转轮系两个小系统的变速，可得电动机的转速为:3×5×5/3=25r/s=1500r/min。

①电动机类型和结构形式的选择：
电动机主要有Y、YZ、YZR系列，无特殊需要，一般选取Y系列的三相交流异步电动机；而YZ、YZR系列一般用于频繁启动，制动和换向，具有较小的转动惯量和较大的过载能力。

我们所设计的冷霜自动灌装机对于工作无特殊要求，选用Y系列三相交流异步电动机。

②电动机转速的确定：
参考《机械设计手册》可知，电动机在同一额定功率下有几种同步转速可供选用，同步转速越高，尺寸重量越小，价格越低，且效率越高。

设计时可优先选取同步转速为1500r/min和1000r/min的电动机，在我们的设计中，选用n=1500r/min的电动机。

①电动机型号的确定：
②查表选取Y132M-4型电动机，其具体参数如下所示
与同类电动机比较，选取功率为P=7.5 KW。

⑵行星轮系（负号）传动比的计算：
2K-H行星轮系（负号机构）m=2.5 z1=40 z2=60 z3=160
i H13=1-i
H
1=-
1
3
z
z
i i
H 1=1+
1
3
z
z
=1+
40
160
=5
⑷轴的相关计算：
一、轴的测定
轴的设计包含材料，确定结构和计算工作能力（强度刚度震动稳定性）等内容。

一般步骤是：
①选择材料，②轴径概略计算，③结构设计，④强度校核，⑤刚度校核，⑥震动稳定性计（高速转轴）。

Ⅰ.本系统的轴材料主要采用45号钢。

它的机械性能为：
正火热处理，
毛坯直径d为25～100mm，
硬度170～207， 拉伸强度限σB 600 拉伸屈服限σs 300 弯曲疲劳限σ-1 240
扭转疲劳限τ-1 140 (N ∕2m m ) Ⅱ.a.按扭转强度进行计算: 对于实心轴，其强度条件式：
τ=T/P W =（9550*310*(P/n)）/0.23d （单位：MPa ≤ [τ]）;
改成计算轴的直径的设计计算公式为：
d ≧3][2.0/τT =][2.0/10955033τ⨯×3/n p =c 3/n p (mm) 对于45号钢，C=107～118（[τ]=40～30 N /2m m ）。

d ≧31500/8.7×112=19.403
⑸执行构件（槽轮相关参数的确定）：
1.由于六工位要实现每次60°较的间歇转动，所以，槽数设为z=6。

2.圆销数n 的选择:
在实际工作中，我们所要达到的运动效果为在六工位盘停止转动的时间内完成灌霜、贴纸，压盖三道工序。

因此，应使停止的时间长于转时。

即保证k ＜0.5，但不应太短。

若拨盘上均布n 个销则一周内槽轮被播n 次。

若n 个
销，则一周内槽轮被拨n 次，运动系数是单销的n 倍。

k=n （1/2-1/z ）≤1 n ≤2z/(z-2)
因为z 已等于6，可得n=1或2或3。

当n=1时，k=1/2-1/z =1/2-1/6=1/3 当n=2时，k=2×1/3=2/3 当n=3时，k=1
出于产品的实际考虑，选n=1 3．应用比较广泛的外槽轮（径向槽均布）
4.利用书上公式，求出加速度与角加速度的最大值。

5.计算几何尺寸。

拨盘轴的直径d1与槽轮轴直径d2的限制条件。

ω2/ω1=λ（cosα-λ）/（1-2λcosα+λ2）
α2/ω21=λ{（λ2-1）sinα}/（1-2λcosα+λ2）
λ=R/L
α2=ω21λ(λ2-1) sinα/(1-2λcosα+λ2）。

参考文献
[1] 孙桓，陈作模．机械原理[M]．北京：高等教育出版社，2005
[2] 侍红岩. 机械原理课程设计指导书. 内蒙古民族大学机械工程学院.
[3] 刘鴻文材料力学：高等教育出版社
[4] 陈志明 Auto Cad机械绘图实例分析：机械工业出版社。