洗瓶机设计说明书

2012/6/15

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指导教师：

同 组 人：

太原理工大学 机械工程学院

作品设计说明书

推瓶机

摘要

机械创新设计是指机械工程领域内的创新设计，它涉及到机械设计理论与方法的创新、制造工艺的创新、材料及其处理的创新、机械结构的创新、机械产品维护及其管理等许多领域的创新。机构创新设计的内容可分为三大类，即机构的创新、机构应用的创新设计和机构组合的创新设计。本课程与机械原理、机械设计联系起来，可以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的能力，培养综合运用所学知识，理论联系实际，独立思考与分析问题的能力和创

新能力。

洗瓶机系统主要由推瓶机构、导辊机构和转刷机构组成。其总体运行思想是由进瓶机构把瓶子送到两个同向转动的导辊上，导辊带动瓶子转动。推瓶机构的推头将瓶子向前推进时，导辊上方的转刷机构就把瓶子外面洗干净。瓶子由出瓶机构送出，然后进入下一循环。

我们设计了一个简单的洗瓶机构，由传送带作进瓶机构，输入瓶子后，由推头推着瓶子的大端沿着两个导辊的轴向移动，在推头推动瓶子的同时，瓶子表面被转刷洗净。当走完导辊后，瓶子就顺着出瓶轨道滑到箱子里面。由于专业知识不是很充足，所以设计过程有很多的缺陷，可能实用性不是太强，但是我们还是从当中学到了很多知识。

关键词：洗瓶机；推瓶机构；导辊机构；转刷机构；传送带；推头

目录

摘要 (2)

一、设计任务............................ 错误！未定义书签。

1.1设计题目 ......................... 错误！未定义书签。

1.2洗瓶机的原始数据及技术要求 (4)

1.3设计任务 (5)

二、机械运动方案设计 (5)

2 . 1分析技术要求 (5)

2.2推瓶机构选择 (6)

2.2.1摆动导杆机构 (7)

2.2.2五杆机构 (8)

2.2.3凸轮铰链四杆机构 (9)

2.2.4全移动副四杆机构 (9)

2.2.5曲柄摇杆机构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10

2.2.6 最终选定推瓶方案 (11)

三、洗瓶装置设计 (11)

3.1洗瓶装置简图 (11)

3.2 洗瓶装置实物图 (13)

四、推瓶机构设计 (14)

4.1机构简介 (14)

4.2 机构尺寸计算 (14)

4.3推瓶机构实物图 (18)

五、运动协调设计 (19)

六、推瓶洗瓶机构总体设计图 (19)

6.1 总体机构简图 (19)

6.2总体实物图 (19)

七、方案评估 (20)

八、机械创新课程设计总结 (21)

一、设计任务

1.1设计题目

洗瓶机主要是由推瓶机构、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1所示。

1.2洗瓶机的原始数据及技术要求

（1）、瓶子尺寸：长度L=200mm，大端直径D=80mm。

（2）、推进距离S=600mm，推瓶机构应使推移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，准备进入第二个工作循环。（3）、按生产率的要求，推程的平均速度v=45mm/s，返回时的平均速度

为工作时的平均速度的三倍。

1.3设计任务

学生要根据慧鱼搭接机构进行洗瓶机的机构设计，并提出四种设计方案

并经分析比较后选定一种并设计。

（1）按上述动作要求拟定运动循环图；

（2）进行推瓶机构、洗瓶机构和导辊转动机构的选型；

（3）拟定机构的运动方案，并进行分析评价；

（4）绘制机构运动简图；

（5）对机械传动系统和执行机构进行运动学计算；

（6）控制程序设计；

（7）编写设计说明书。

二、机械运动方案设计

2.1 分析设计要求

由题目可知：洗瓶机主要由推瓶机构、导辊机构、转刷机构组成。设计的推瓶机构应使推头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。

根据设计要求，推头M可走图1 所示轨迹，而且推头M在工作行程中应作匀速直线运动，在工作段前后可有变速运动，回程时有急回。

对这种运动要求，若用单一的常用机构是不容易实现的，通常要把若干个基本机构组合起来，设计组合机构。

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（基础机构），而沿轨迹运动时的速度要求，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。

2.2 推瓶机构选择

推瓶机构的方案：根据前述设计要求,推瓶机构应为一具有急回特性的机构,为了提高工作效率,一是行程速比变化系数K尽量大一些;在推程(即工作行程)中,应使推头作直线运动,或者近似直线运动,以保证工作的稳定性,这些运动要求并不一定都能得到满足,但是必须保证推瓶中推头的运动轨

迹至少为近似直线,以此保证安全性。

推头的运动要求主要是满足急回特性,能满足急回特性的机构主要有曲柄滑块机构、摆动导杆机构、凸轮机构和转动导杆机构。运用前述设计

的思想方法,再考虑到机构的急回特性和推头做往复直线运动的特点，所以根据要求，本机构采用了曲柄摆动导杆机构。

2.2.1 摆动导杆机构

这一机构很容易就满足了急回和行程要求，只要给定杆①，②适合的尺寸及固定铰链1,3合适的距离即能满足要求。对于生产率亦很容易实现，

只要给曲柄一个适合的速度即可。

摆动导杆机构

该装置简单易行，很容易实现，并且急回特性容易更改，根据要求很容易设计出符合要求的推瓶机构，效率较高。但是导杆上的点运动轨迹并非是直线运动，需再搭接一滑块，结构简单可靠。

2.2.2五杆机构

这一机构能够满足运动所需的轨迹，并且机构也十分简单，但是这一机构的不足之处却也很明显，其机构的运行分析十分的复杂，且不易得到匀速的运行，故在实际中应用较少。其简图如下：

五杆机构

2.2.3 凸轮铰链四杆机构

此洗瓶机的推瓶机构运用凸轮机构使推头的运动可以由凸轮的外轮

廓线来确定，而连杆机构可以使凸轮的推程放大，达到设计题目要求的行程这种方案也可以满足设计要求。轨迹要求，传动比要求，急回特征和系数要求均可满足。也没有方案2.2.1中刚性冲击、摆杆不做匀速直线运动，

自锁问题。

但这个方案虽然不会出现摩擦自锁，但却多了机构自锁。原动件不为最短杆，当1,2杆重合，亦即在两个极限位置。四杆机构出现死点，曲柄会被完全卡死，如果不在设计中解决这一问题，其后果不亚于方案2.2.1自锁所导致的。而解决机构自锁问题通常只能采用飞轮或者引入其他机构。这一机构本身就有点复杂。加上解决机构自锁的装置后，其复杂性更大。此外，凸轮的轮廓的设计有很大的难度，需要与四杆机构的运动严格一致，否则也会使四杆机构无法走完整个完整行程而失败。再有，机构无法通过力封闭来带动四杆机构，只能通过几何封闭，这样也会给机构带来不必要的麻烦，比如说会增大机构内的摩擦，影响机构的质量及效率。

2.2.4全移动副四杆机构

如图所示，全移动副四杆机构是两自由度机构，构件2

上的点M可精确再现给定的轨迹，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。

2.2.5曲柄摇杆机构

这一连杆曲线具有对称性。如图所示，当满足BC=CD=CE时，其连杆上E点所生成的连杆曲线即为对称连杆曲线，该连杆曲线的对称轴垂直于机架AD。对称连杆曲线有一段非常近似于圆弧或直线的线段，适合用作

近似圆弧或直线的机构。图示机构在ab段能非常近似等速的精确直线运动。可利用这一段来完成我们的推瓶机构的需要。下面逐项分析该机构的

优点。

从连杆曲线看：中间有一较长的近似直线的线段，且这一段连杆末端运动近似匀速。这就不会产生在工作过程中，推杆与瓶子脱离的可能，能满足设计中匀速直线的要求，急回特性，只需要使1、2杆两个重合位置之间的夹角为90°即可。无机械自锁现象：主动件为曲柄，在两个极限位置，连杆与曲柄重合，发生自锁时，曲柄能自行解决这一现象。使机构正常循环运转。速度控制：因连杆与摇杆的周期一样。曲柄转一圈，连杆刚好走一个来回，即完成一次推瓶工作。要满足相关的工作效率要求，只要使曲柄的速度满足一定的要求即可。因曲柄是做圆周运动，只要算电动机与曲柄的速度比即可求得传动比。机械效率高：整个机构运动链很简单，没有其他冗余的部分。链接上只有几个必要地铰链，摩擦降到最小。冲击为柔性冲击。由图中的连杆曲线，我们知道在两个极限位置有一定的弧度。在与瓶子接触时将慢慢进入，为柔性约束。对瓶子冲击很小，不至于破坏瓶子。机构只由四杆机构组成，零件少，每个零件都是杆件，加工制造简

单，制造成本低。

2.2.6最终选定推瓶方案

我们选择的是方案2.2.4，它相对简单，具有很多其他方案不具有的优点，而且能达到预计的要求，运行速度也较为均匀，且在实验室中易于组

装。

三、洗瓶装置设计

3.1 洗瓶装置简图

洗瓶装置的特点是刷子、导辊的运动是相互独立的，故分别通过齿轮传动机构由电动机带动；此外，由于刷子和导辊的转速不需太精确，故选用结构简单、成本低、安装容易得带传动机构（由于实验室设备的原因，

我们用齿轮机构代替带传动）。

关于传动比问题：刷子的转速不能过高，否则会与瓶子摩擦产生过多的无用功，同时也会减缓瓶子的前进速度。导辊的转速不能过低，否则不能保证瓶子洗净（当然也不能过高，理由同上）。

通过分析讨论，我们取刷子的转速n1=700r/min，导辊的转速n2=90r/min，再根据电动机的转速为 1440r/min可得：12

i=3

3424

i=

353516

i=

3

由此可得符合要求的转速。下面是实物图展示：

3.2 洗瓶装置实物图

洗瓶机构实物图

四、推瓶机构设计

4.1 机构简介

此机构为曲柄摇杆机构的变形，图中AB为曲柄，BE为连杆，CD为连架杆，为了更加方便使推头沿直线移动，我们在该曲柄摇杆机构后面又加入一Ⅱ级杆组，这样推头可以满足直线运动的要求。曲柄AB以合适的速度转动，便可使推头近似匀速的推动瓶子进行洗涤过程。给各根杆以合适的尺寸，便可满足运动位移的要求，并能产生快速退回运动，从而既提

高洗涤质量，又可提高生产率。

4.2 机构尺寸计算

设BC=CE=CD=R,AB=r ，ab 与AD 间距离为h 。为了使推块能够快速退回，

我们取曲柄连杆机构的行程速比系数K=3，即

3180180=-+a

a 由此可得 a =90°，即极位夹角为90°，由此画出机构运动的两个极限

位置，根据两极限位置的几何关系可知：

根据相似三角形可得：

根据要求，我们需要推杆的行程是600mm ，即d=600mm ，这样可以用h

的函数来表示R 和r 。即

这样便可得出 R=203.1mm ，r=122.5mm

通过计算可得出 AD=154.5mm

便可满足设计要求。

按生产率的要求，推程的平均速度v=45mm/s ，返回时的平均速度为工作时的平均速度的三倍。以这样的速度进行清洗工作，则每洗一个瓶子

所需的时间为

所以，每分钟所洗的瓶子数为

因为曲柄每转一转，推头便往返一次，即完成一次清洗过程，所以应使曲柄每分钟转3.375r 即可我们可以选择合适的电动机，选用齿轮系作为传动系，并选取合适的传动比（大传动比时可选蜗轮蜗杆传动）。综上所述，通过给每根杆以适当的尺寸及适当的速度，便可以满足清洗的要求。

运用SAM软件，我们对我们的计算数据和方案进行了验证。满足了急回条件，在行程中，轨迹也类似直线（有计算误差没排除）。另外，在SAM 软件中，我们对推杆顶端水平方向的速度进行了分析（如下图）。

在前3/4段，推杆的速度接近匀速，且速度相对较小平滑，可以避免杆头与瓶子分离，或者产生刚性冲击，满足我们的要求。而在后1/4段，速度急剧变化，达到了急回的效果，并且根据仿真图像中可以看到这样设计的效果很理想，只需改善一下尺寸，使图像更平滑就可以了。

4.3推瓶机构实物图

推瓶机构实物图

五、运动协调设计

由于刷子，导辊及推瓶机构的运动是相互独立的，因此机构上并不存在运动协调问题，所以不需要进行运动协调的验算。

六、推瓶洗瓶机构总体设计图

6.1总体机构简图

装置的机构简图

6.2总体实物图

装置总体实物图

七、方案评估

该机构能够初步完成推瓶洗瓶运动，此机构具有以下优点：⑴连杆曲线：中间有一较长的近似直线的线段，且这一段连杆末端运动近似匀速。这就不会产生在工作过程中，推杆与瓶子脱离的可能，能满足设计中匀速直线的要求。⑵急回特性，只需要使1、2杆两个重合位置之间的夹角为90°即可。⑶无机械自锁现象：主动件为曲柄，在两个极限位置，连杆与曲柄重合，发生自锁时，曲柄能自行解决这一现象，使机构正常循环运转。

⑷速度控制：因连杆与摇杆的周期一样。曲柄转一圈，连杆刚好走一个来回，即完成一次推瓶工作。要满足相关的工作效率要求，只要使曲柄的速度满足一定的要求即可。因曲柄是做圆周运动，只要算电动机与曲柄的速度比即可求得传动比。⑸机械效率高：整个机构运动链很简单，没有其他冗余的部分。链接上只有几个必要地铰链，摩擦降到最小。⑹冲击为柔性冲击：由图中的连杆曲线，我们知道在两个极限位置有一定的弧度。在与瓶子接触时将慢慢进入，为柔性约束。对瓶子冲击很小，不至于破坏瓶子。

⑺机构只由四杆机构组成，零件少，每个零件都是杆件，加工制造简单，制造成本低。但是该机构也存在不可忽视的缺点：（1）机械结构的运行行程较短，若达到所需行程，需较大结构尺寸；（2）结构尺寸具体大小设计

困难，只能根据实际情况择优选择。

八、机械创新课程设计总结

机械创新设计课程是机械原理课程和机械设计课程之后的一门课程，它是一门更注重创新的课程，并提出反求设计的思路，给人们对事物进行

创新性设计提供了方法步骤。

这次实验我们虽然没有进行实物的搭接，但是模型搭接更加有利与我们的创新思维，使我们收获颇丰，最主要的是这是我们亲自动手，自行设计的。而且我们学会了更多的方法来处理实际中遇到的问题，也看到了团队合作的重要性。这次对推瓶洗瓶机构的设计，使我对设计方法有了更深的了解，从中我还进一步熟悉了好几种制图软件，使我对这些软件产生了

更加浓厚的兴趣。

总之，在这次课程设计实践中，我们始终保持积极地心态，并从中受

益匪浅。