机械原理课程设计——酱类食品灌装机机构及其传动装置的设计

图 1 所示为一种酱类食品灌装机的实物外形图。 酱类食品灌装机在设计过程中，为防止酱类食品变 质，产品密封性要好，在密封后有一定的保压时间。整 机由同一电动机驱动，转盘的转位应准确平稳，整体结 构紧凑、性能可靠、操作简单、外形美观、制造方便。 其工作数据要求如下表：
灌装能力：22 瓶/min 电动机功率：3.0kw 电动机同步转速：1500r/min
图9
? 当凸轮转动的的时候，平板受到弹簧力的作用始终与凸轮相切，平板类似于平底直 hy 动从动件。随着凸轮轮廓曲线的变化，平板做上下往复运动，从而对滑块推来的瓶盖进
行挤压，实现压盖密封的目的。如果没有平板，而是将凸轮直接作用于瓶盖上时，瓶盖
w 可能会由于沿运动切线方向摩擦力的作用而偏离位置。平板的运动曲线如图 10 所示：
酱类食品灌装机机构及其传动装置的设计
机械原理课程设计
设计说明书
酱类食品灌装机机构
及其传动装置的设计
起止日期： 2011 年 6 月 27 日 至 2011 年 7 月 1 日
hy? 学 生 姓 名
w 班
级
学
号
成
绩
指 导 教 师 (签 字 )
机械工程学院（部） 2011 年 7 月 1 日
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酱类食品灌装机机构及其传动装置的设计
? 该机构由凸轮 1、2 分别控制
滑块 1、2 的运动过程。在 0~t1
hy 时间内，滑块 1 和 2 从初始位置
处开始下降，在 t1 时刻，1 和 2 均下降到最大位移处。在 t1~t2 时
w 间内，两个滑块均保持静止。在
t2~t3 时间内，滑块 1 仍然保持静 止，滑块 2 开始上升，其作用是 对空瓶进行定量灌装。在 t3~t4 时 间内，滑块 1 开始和滑块 2 一起 上升回到初始位置。在 t4~t5 时间 内，两个滑块均保持静止。一个 周期的灌装过程完成。滑块 1 和 2 的位移曲线如图 6 所示：
图5
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酱类食品灌装机机构及其传动装置的设计
图6 由从动件的运动规律，即滑块 1、2 的位移曲线，下面可以对凸轮的轮廓曲线进行 设计。 因为凸轮工作的场合是低速、轻载，允许承受刚性冲击，采用一次多项式运动规律
why? 就可满足设计要求。凸轮的轮廓曲线设计如图 7 所示：
图7 经过调整两滑块在上升过程中的的位移差，即 t2~t4 时间内两滑块曲线所围成的面积 （图 8），就可以实现定量灌装。
图中有五个工位可以装夹瓶子，相邻每两个工位之间的夹角为 72°。可以同时进行 输入、灌装、压盖、密封、输出五个工艺动作，节省时间，提高灌装效率。控制转盘间
why? 歇运动的槽轮机构的示意图如图15。
wenku.baidu.com
图 14
图 15
由槽轮机构的工作原理可知，当主动销轮转动一周时，从动槽轮转过一个径向槽，
转过角度 72°。槽轮和转盘是联动的，故转盘也转过 72°，即一个工位。这样，主动
4）进行压盖密封。
2）将空瓶或空罐送至多工位转盘，并能自动转位。
5）进行粘贴商标。
3）能实现定量灌装。
6）将成品送出。
二、原始数据
灌装能力：22 瓶/min
工作行程：80mm
内 容 及 任 务
进
电动机功率：3.0kw
每瓶酱净重：200~400g/瓶
电动机同步转速：1500r/min
三、设计任务及设计要求
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酱类食品灌装机机构及其传动装置的设计
标的转换，有利于提高生产效率； 3）灌装：能实现定量灌装，应根据设计要求确定空瓶灌装阶段停留的时间。又因为酱
类的特殊性，故不能只依靠重力完成，需要采用特殊机构来实现灌装行为； 4）密封：进行压盖密封，密封后应有一定的保压时间； 5）贴标：进行粘贴商标； 6）输送：将灌装，密封，贴标完成后的成品送出。 通过对工作原理和工艺动作的分析，可以初步确定各机构相互位置的示意图如图 2 所示。
why?
图2
三、根据工艺动作顺序和协调要求 拟定运动循环图
对于酱类食品灌装机的运动循环图，主要是确定输入、灌装、密封、贴标、输出等执行
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酱类食品灌装机机构及其传动装置的设计
构件的先后顺序、相位，这样有利于对各执行机构进行设计、装配和调试。 酱类食品灌装机的灌装机构为主机构，以它的原动件位于初始位置的时刻为起点，以横
与之前的压盖机构相比，贴标机构只需要用很小的力去挤压，而且不需要一段时间 的保压，经过讨论我们采用了圆柱凸轮机构。这样就可以将电动机的旋转运动转变为滑 块水平方向的往复运动。运动设计简单，且能很好的实现贴标所要求的工艺动作。
why? 贴标机构的工作原理图如图12所示：
图 12 当圆柱凸轮绕轴旋转时，通过杆件的传动，可以实现滑块１在水平方向上左右移动。 当滑块２位于最左端的极限位置时，商标纸在瓶子上方的空间里通过皮带轮的摩擦传 动，以一定的速度传送到瓶子右侧。同时，滑块１也一起运动到最左端的极限位置，通 过与瓶子侧面的轻微挤压，便可以将标签粘贴到瓶子上。正在粘贴的标签相对之前的位
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酱类食品灌装机机构及其传动装置的设计
灌装机构 转盘
压盖机构 贴标机构 输送机构
曲柄滑块机构
凸轮机构
平面连杆机构
槽轮机构
不完全齿轮机构 凸轮式间歇运动机构
曲柄滑块机构
平面连杆机构
凸轮机构
凸轮机构 圆柱凸轮机构
带传动机构
曲柄滑块机构
（一） 灌装机构的选择
在酱类食品灌装机的设计过 程中，需要保证每次灌装的酱类 质量一定，采用单独的曲柄滑块 机构或者平面连杆机构很难能够 保证定量的效果。如果根据内燃 机的原理加以变化，恰当的采用 凸轮机构，则能保证灌装过程中 的定量效果。灌装机构的示意图 如图 5 所示。
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酱类食品灌装机机构及其传动装置的设计
图8
（二） 压盖机构的选择
经过小组内两个人的讨论，压盖机构可以采用曲柄滑块机构，凸轮机构。两者比较 起来采用凸轮机构更加容易设计和实现，且在压盖过程中能够保证瓶盖的受力大小稳定 过渡，避免了可能存在的猛烈挤压。又因为凸轮在转动过程中对瓶盖由切向的摩擦力， 可能导致瓶盖沿着切线方向由相对滑动，造成压盖过程中的误差，故设计了图 9 中所示 的执行机构。
《机械原理》课程设计任务书
2010—2011 学年第二学期
机械工程 课程名称： 设计题目：
学院
机械大类 专业
机械 0907 班
机械原理课程设计
酱类食品灌装机机构及其传动装置的设计
完成期限：自 2011 年 6 月 27 日至 2011 年 7 月 1 日 共 1 周
一、工作原理及工艺动作简介
1）将灌装物料输送至料斗（料腔）。
图1 工作行程：80mm 每瓶酱净重：200~400g/瓶
? 酱类食品灌装机传动装置的设计也有如下要求： hy 1） 工作条件：两班制，非连续单向运转，工作环境良好，有轻微震动。
2） 使用期限：十年，大修期三年； 3） 生产批量：小批量生产（少于 10 台）
w 4） 生产条件：一般机械厂制造，可加工 7~8 级精度的齿轮及蜗轮。
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酱类食品灌装机机构及其传动装置的设计
置有一段向左的位移且被拉紧，当商标纸倾斜到与切刀接触的位置时就会被切断。一个 瓶子的贴标过程结束。滑块１和滑块２的位移曲线完全相同，如图所示：
图 13
（四） 自动转位机构的选择
自动转位机构是整个酱类食品灌装机的重要构件，它具有协调灌装机构，压盖机构， 贴标机构和输送机构的作用。联系其它的工艺动作顺序和运动循环图，我们小组选用了 槽轮机构来实现转盘的自动转位。转盘的示意图如图 14。
安
2011.6.29~2011.6.30 机构尺度设计、运动分析
排
2011.6.30~2011.7.01 动力分析、绘制机构运动方案简图
2011.7.01~2011.7.01 整理设计说明书、设计小结
主 ［1］ 朱理．机械原理［Ｍ］．北京：高等教育出版社，2010：99-277 要 ［2］ 戴娟．机械原理课程设计指导书［Ｍ］．北京：高等教育出版社，2011：1-161 参 考
5） 动力来源：电力，三相交流（220V/380V）。
6） 工作转速允许误差：±3%~5%。
7） 开式圆锥齿轮传动比 i≤4，带传动比 i≤3.5。
二、工作原理和工艺动作分解
酱类食品灌装机的主要工艺动作经过分析可知，有以下六个动作： 1）加料：将灌装物料输送至料斗(料腔)，该动作依靠重力作用即可完成，实现自动加料； 2）转盘间歇转动：将空瓶或空罐送至多工位转盘,并能自动转位，实现灌装，密封，贴
?图16 hy 当主动销轮带动从动槽轮 1 转动的时候，从动槽轮 2 静止。即转盘转过 72°，输送
机构静止。当主动销轮带动从动槽轮 2 转动的时候，从动槽轮 1 静止。即转盘静止，即
w 输送机构转过 72°，转盘静止。转盘和输送机构的输送过程示意图如图 17：
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酱类食品灌装机机构及其传动装置的设计
图 10 凸轮除了具有压盖的作用以外，还具有输送瓶盖的作用。此时凸轮是曲柄滑块机构 中曲柄的变形，凸轮通过连杆带动滑块做往复运动，从而将沿垂直于纸面方向送入的瓶 盖推动至预定位置。凸轮的轮廓曲线和曲柄滑块机构的设计如图 11（平板和弹簧省略）：
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酱类食品灌装机机构及其传动装置的设计
图 11
（三） 贴标机构的选择
图 17 传送机构转动之后，转盘转动之前，图中 1 和 2 为空瓶，3、4、5 为半成品，输出 位置无瓶子，7 为成品。当传送机构静止，转盘转动一个工位时， 输入位置无瓶子，2 进行灌装，5 进行输出，6 移动到输出的传送带上。然后转盘静止，传送机构转动一个 工位时，1 移动到输入位置，输出位置的 5 移动到输出的传送带上。这样就实现了不断 的输入空瓶和输出成品的目的。 转盘和输送机构的转角随时间的变化关系如图 18：
hy 7）对传动机构和执行机构进行运动学尺寸计算（可用图解法、解析法或计算机编程完成）。
8）对选定的某一机构进行运动分析，绘制其执行构件的运动线图。
w 起止日期
工作内容
2011.6.27~2011.6.28 工作原理分析、工艺动作分析、执行机构选型和拟定
度
2011.6.28~2011.6.29 运动规律和运动协调设计、绘制运动循环图
销轮转动五个周期后，一件成品就完成了。设计要求灌装能力为 22 瓶/min，即每分钟
从转盘要输出 22 瓶，主动销轮每分钟要转 22 转即可达到设计要求。
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酱类食品灌装机机构及其传动装置的设计
（五） 传送机构的选择
在转盘未转动的时候，需要将空瓶送入工位，将成品送出工位。我们小组首先考虑 的是传送带传送，在传送带传入的末端和传出的始端，用曲柄滑块机构将瓶子送入指定 的工位，但是后来想到在自动转位机构中已经采用了槽轮机构，那么在传送机构中可以 再使用一组槽轮机构，又因为已经使用了一个主动销轮提供动力，故传动机构中可以借 助已有的原动件工作。传动机构中的槽轮机构与自动转为机构的槽轮机构完全相同。综 合起来两者的槽轮机构示意图如图 16：
资 料
指 导 教 师 （签字）： 银金光
2011 年 4 月 25 日
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酱类食品灌装机机构及其传动装置的设计
一、机器的功能和设计要求
酱类食品如芝麻酱、花生酱、草莓酱、甜面酱、辣 椒酱或番茄酱等，因风味独特，深受广大消费者的喜爱， 是餐饮酒店、居家旅行之佳品。酱类食品灌装机是食品 加工企业不可缺少的生产设备。
坐标表示主轴旋转的角度，纵坐标表示各执行构件的位移，机构的运动循环图如图 3 所示。 如果以横坐标表示主轴旋转的时间，纵坐标表示机构旋转的角度，另一部分机构的运动循环 图可以用图 4 表示，其中 T 代表主轴旋转一周所用的时间。
why?
图3
图4
四、机构选型
根据灌装机构、转盘、压盖机构、贴标机构、输送机构这五个执行机构动作要求和结构 特点，可以选择下表中所示的常用机构。
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（自动转位机构）、定量罐装机构、压盖密封机构、粘贴商标机构的选型。 3）结合设计要求，比较各方案的优缺点，选定合理的机械运动方案。 4）拟定机械传动方案，按给定的电动机确定执行机构运动参数。
? 5）画出机械运动方案简图。
6）计算总传动比，传动系统设计及主要传动件尺寸计算。
图 18
五、机械运动方案简图的绘制
hy? 酱类食品灌装机的运动方案简图附在后面。该套运动方案中主要涉及有齿轮机构，锥齿
轮机构，凸轮机构，圆柱凸轮机构，曲柄滑块机构，槽轮机构和皮带传动。其中齿轮机构和 锥齿轮机构用来精确的传递运动；凸轮机构用来实现酱类的定量灌装和压盖密封；圆柱凸轮