机械原理课程设计洗瓶机使用说明书Word文档

自动洗瓶机机构
说明书
机械工程学院机械设计及其自动化专业
08级机自2 班
设计者
指导教师郑立娟
2010 年 6 月 30 日
目录
一．题目：自动洗瓶机机构 (4)
1.1 工作原理及工艺动作过程 (4)
1.2 设计任务 (4)
1.3 原始数据及设计要求 (5)
二．设计方案的拟定和比较 (5)
2.1 设计方案一：凸轮-铰链四杆机构 (6)
2.2 设计方案二：凸轮-全移动副四杆机构 (6)
2.3 设计方案三：六杆机构 (7)
2.4 分析选择最终方案 (7)
三．六杆机构的设计分析 (9)
3.1 六杆机构的尺寸设计 (9)
3.2 六杆机构的运动学分析 (10)
3.3 六杆机构推杆运动学分析的验证 (15)
四．槽轮机构的分析 (20)
五．洗瓶机机构循环图 (21)
５.１洗瓶机构循环路线分析 (21)
５.2 洗瓶机机构循环图 (21)
六．洗瓶机总体结构简图及其工作原理 (23)
6.1 洗瓶机总体结构简图 (23)
6.2 洗瓶机工作原理 (24)
七．收获与体会 (26)
八．参考文献 (28)
一、题目：自动洗瓶机机构
1.1 工作原理及工艺动作过程
为了清洗圆形瓶子外面，需要用推杆将瓶子推到指定位置，通过急回运动提高效率，利用刷子旋转将瓶子清洗干净。

1.2 设计任务
1）给出工作原理，原始数据及设计要求。

2）根据工艺动作要求拟定运动循环图。

3）进行各部分传动机构的选型。

4）提出2～3种机械传动方案。

（画出草图）
5）进行方案的评定和选择。

6）对传动机构进行尺寸设计和计算。

7) 按比例画出运动简图。

8) 对典型机构进行运动和动力分析（可应用计算机
辅助分析手段，例如机构仿真）。

9) 提交项目说明书一份。

1.3 原始数据及设计要求
1)瓶子实际尺寸。

大端直径d=80mm，长200mm。

2)推头推进实际距离l=320mm,推瓶机构应使推头平
稳地接触和脱离瓶子，然后推头快速返回原位，
准备进入下一次工作循环。

3)按生产率的要求，我们规定返回时的推头平均速
度为工作推进时的推头平均速度的1.5倍，即推
头行程速比系数k=1.5。

4)按整个机构的工作要求，我们规定推进机构中原
动件曲柄素转为w=1rad/s。

5)机构传动性能良好，机构紧凑，制造方便。

二、设计方案的拟定和比较
2.1 设计方案一：凸轮-铰链四杆机构
图2—1
自由度F=3n－2p l－p h=3×4－２×５－１=１
2.2 设计方案二：凸轮-全移动副四杆机构
图2—2
自由度F=3n－2p l－p h=3×4－2×4－2=2
2.3 设计方案三：六杆机构
图2—3
自由度F=3n－2p l－p h=3×5－2×7=1
2.4 分析选择最终方案
由设计要求知：①推瓶机构应使推头平稳地接触和推进瓶子，然后推头快速返回原位，即回程是个急回运动；②按生产率的要求，我们规定返回时的推头平均速度为工作推进时的推头平均速度的1.5倍，即推头行程速比系数k=1.5。

设计的三种方案均能满足以上的设计要求，但方案一的凸轮-铰链四杆机构在运动过程中，从动件1与连
杆2共线时会形成死点，因此要注意采取度过死点位置的措施，这样会使机构变得复杂，给制造带来不便，故舍弃方案一；方案二的凸轮-全移动副四杆机构由于水平方向轨迹太长，造成凸轮机构从动件的行程过大，而使相应凸轮尺寸过大，致使机构占用空间过大，并且浪费材料，故舍弃方案二；方案三的六杆机构不存在上面两种方案的缺点，在满足设计要求的前提下还有以下优点：
①该机构的运动副全为低副，并且运动副元素间便于润滑，故可传递较大载荷；②运动副元素的几何形状简单，便于加工制造；③运行过程中：推头右行时，速度较低且均匀，可以提高推瓶质量；推头左行时，由于有急回作用，速度较高，可提高生产率。

综合以上分析，选择方案三为洗瓶机机构的最终方案。

三、六杆机构的设计分析
3.1 六杆机构的尺寸设计
图3—1
根据原始数据及设计要求知：推头推进距离
l =320mm ，
推头行程速比系数k=1.5,设计六杆机构原动件曲柄95AB l mm =，从动件70DE l mm =，如上图所示，机构的极位夹角1180361k k θ-=
⨯=+。

，摇杆摆角1==36DCD φθ=∠。

，铰链A 和铰链C 之间的距
离
95307.4sin18
sin 2AB
AC l l mm φ
===。

，由几何关系可知, 1320
DD l ==mm,摇杆CD 的长度1602517.8sin18
sin sin 22CD l DG
l φ
φ====。

mm ，为使机构的传递效率比较高，要求推杆在整个行程中有较小的压力角。

如图所示当FG 的中点位于导路所在直线上时，满足上述要求。

导路至铰链C 的距离()12
CG CF CG y l l l =+
- ()1cos18cos182
CD CD CD l l l =+-。

505.1mm =
按照以上尺寸，用ProE 做出六杆机构的三维立体图演示运动情况，经验证，符合要求，说明设计的六杆机构各构件的尺寸大小合适。

3.2 六杆机构的运动学分析
用解析法对六杆机构进行运动学分析
由设计要求知：原动件曲柄的角位移
1ϕ＝1ωt ＝ωt ＝t
1.在图3—2中，设原动件曲柄长度l AB =l 1，铰链A 与铰链C 之间的距离l AC =l 4,点B 与点C 之间的距离l BC =S,
图3—2
（1） 杆CD 角位移分析。

机构的复数矢量方程为
1214
i i l e se l ϕϕ+= ①
由此可得滑块位移S 和角位移2ϕ为
12
2
2
14141(2cos )
S l l l l ϕ=+-
[]
211411arctan sin /(cos )l l l ϕϕϕ=--
（2）杆ＣＤ角速度分析。

将式①对时间求导，得
12
2.
1120
i i i il e iS e
S e ϕϕϕω+ω+= ②
上式两端同乘以2
i e ϕ-，得
12)
.
(1120
i il e
iS S ϕϕ-ω+ω+=
由上式可得滑块速度S 和杆ＣＤ角速度2ω为
.
1112sin()
S l ϕϕ=ω-
21112cos()/l S
ϕϕω=-ω-
（3）杆ＣＤ角加速度分析。

将式②对时间求导，得
12
2
2
2.
..
2211
22220
i i i i i l e S e
i e
iS e
e s s ϕϕϕϕϕ-ω-ω+ω+ε+= ③
上式两端同乘以2
i e
ϕ-，得
12.
..
()22
11
22220
i l e
S i iS s s ϕϕ--ω-ω+ω+ε+=
由上式可得滑块加速度..
S 和杆ＣＤ角加速度2ε为
..
2
2
1
1
122cos()l S s ϕϕ=ω
-+ω
.
2211122sin()2/l s
s ϕϕ⎡⎤ε=ω--ω⎢⎥⎣⎦
２.在图3—3中,设杆CD 的长度l CD =l 2,杆DE 的长
度l DE =l 3,点Ｏ与点Ｃ之间的距离l OC =l 5,点Ｏ与点Ｅ之间的距离l OE =h
图3—3
（1）推杆位置分析， 机构的复数矢量方程为 3290325i i i he l e l e l ϕϕ++=。

④
由上式可得推杆位移h 和杆DE 角位移3ϕ
()1
2
22
352222
cos sin h l l l l ϕϕ⎡⎤=---⎣⎦
()12
22
35223522
cos arctan cos l l l l l ϕϕϕ⎡⎤
---⎣
⎦=-
（2）推杆速度分析。

将式④对时间求导，得
32.
90
33220i i i e il e il e h
ϕϕ+ω+ω=。

⑤
上式两端同乘以3
i e ϕ-，得
323(90)
()33220i i he
il il e ϕϕϕωω--++=。

由上式可得推杆速度h 和杆DE 角速度3ω
().
22233
sin sin l h ϕϕϕω-=
()()222332333
sin cot cos l l ϕϕϕϕϕω---⎡⎤⎣⎦
ω=
（3）推杆加速度分析，将式⑤对时间求导，得
3322..
90223333222220i i i i i e il e l e il e l e h ϕϕϕϕ
+ε-ω+εω-ω=。

上式两端同乘以3
i e
ω-，得
(
)()
(
)
3
23
23..
90223333222
220
i i i e
il l il e l e h ϕϕ
ϕϕϕ---+ε-ω+εω-ω=。

由上式可得推杆加速度h 和杆DE 角加速度3ε ()()
22..
33222322233
sin cos sin l l l h ϕϕϕϕφω+ε-+ω-=
()()()()222332223222332223222333
sin cos cot cos sin l l l l l l ϕϕϕϕϕϕϕϕϕ⎡⎤ω+ε-+ω--ε-+ω-⎣⎦ε=
分析完毕
3.3 六杆机构推杆运动学分析的验证
选取一系列时间t的值，分别代入3.2中求出的推
杆位移h、速度
.
h、加速度..h关系式中，求出对应的一系
列推杆位移h、速度
.
h、加速度..h的值，用描点法分别作
出推杆位移h、速度
.
h、加速度..h与时间t的关系图像，
经验证与用ProE生成的六杆机构推杆位移h、速度.h、加速度..h与时间t的关系图像一致，说明用解析法对六杆机构进行的运动学分析是正确的。

以下分别是用ProE做出六杆机构的三维立体图后生成的推杆位移、速度、加速度与时间的关系图像以及推杆运动学分析图像。

推杆位移—时间关系图像
图3—4
推杆速度—时间关系图像
图3—5
推杆加速度—时间关系图像
图3—6
推杆运动学分析图像
图3—7
四、槽轮机构的分析
图4—1
如图4—1所示，设1φ为槽轮每次运动时所转过的转角，2φ为槽轮转动1φ时主动拨盘所转过的角度。

由槽轮上均匀分布的径向槽的数目z=4，可得 1φ=π－2φ=π－2π/z=π/2
设计主动拨盘的角速度和原动件曲柄的角速度相
同皆为1rad s ，转动一周的时间为2π/1=6.28s,故槽轮
的转动时间为 6.28/4=1.57s，即主动拨盘转动一周过程中，槽轮相应的转动90
°。

五、洗瓶机机构循环
５.１洗瓶机构循环路线分析
1.首先确定执行机构的运动循环时间T执。

即可选取推瓶机构中原动件曲柄进行研究，其运动循环时间T执=2π/w=2π/1rad=6.28s
2.确定组成运动循环的各个区域：
（1）推瓶机构：根据原始数据中推头行程速比系数k=1.5,即可确定推瓶机构运动循环时间分配为T执=T推程+T回程=3.77+2.51=6.28s与此相应的曲柄转角（即分配转角）φ推程φ回程=216°+144°=360°
（2）洗瓶机构：主动拨盘的角速度和原动件曲柄的角速度相同皆为1rad s，转动一周的时间为2 /1=6.28s,主动拨盘转动一周过程中，槽轮相应的转动90°，对应的转动时间为1.57s
（3）转刷机构：始终进行转动
５.２洗瓶机构循环图
图5—1
六、洗瓶机总体结构简图及其工作原理
6.1 洗瓶机总体结构简图
图6—1
6.2 洗瓶机工作原理
洗瓶机总体机构简图如上，用一个电动机带动齿轮
曲柄原动件和槽轮机构中的主动拨盘的转速一致，带动瓶子转动的底盘和转刷的转速一致。

传送带作为运输瓶子的导轨，这样可以减小送瓶的阻力，有利于平稳送瓶的实现。

以下是洗瓶机的工作原理：
ωrad s 曲柄原动件和槽轮机构的主动拨盘以1
=
匀速转动，二者转动一周的时间皆为6.28s，即一个循环的时间为6.28s。

推杆推动瓶子，并在在传送带的辅助下
经 3.77s将瓶子送到转盘固定瓶子的槽中，然后推杆返回，经2.51s返回原位置。

与此同时槽轮机构的主动拨盘带动槽轮，槽轮带动转盘转动匀速转过90
°，历经1.57s将瓶子送到转刷处，瓶子在底盘的带动下转动，转刷以相同的转速紧贴瓶子逆向转动进行第一次洗瓶过程，洗瓶时间为4.71s。

推杆返回后随即推送下一个瓶子历经 3.77s到转盘固定瓶子的槽中，推杆返回，此时第一个瓶子的第一次洗瓶过程结束。

转盘再次匀速转动90°，将第一个瓶子送到第二次洗瓶位置，将第二个瓶子送到第一个洗瓶位置，两个瓶子在转刷的转动下洗瓶4.71s。

推杆返回原位置后推送第三个瓶子，到达指定位置后，推杆再次返回，转盘再次转动90°，第三个瓶子到达第一次洗瓶位置进行洗瓶过程，第二个瓶子到达第二次洗瓶位置进行第二次洗瓶过程，第三个瓶子到达退瓶位置推出转盘，完成洗瓶过程，洗瓶时间共计9.42s。

以此类推，进行洗瓶过程。

七、收获与体会
经过这次的课程设计,我们又温习了一下机械原理课上所学的知识,并且尝试着把自己所学的书本知识和实践相结合.在最初进行设计时,我们曾主观认为这些东西是很简单的,但是一步步的深入设计后，才发现每一步都需要缜密的的思考与精密的计算，扎实的基础知识是很必要的。

在设计过程中，我们考虑过三种方案，分别为：凸轮-铰链四杆机构、凸轮-全移动副四杆机构、六杆机构。

但凸轮-铰链四杆机构在运动过程中，从动件1与连杆2共线时会形成死点，要注意采取度过死点位置的措施，这样会使机构变得复杂，给制造带来不便；凸轮-全移动副四杆机构由于水平方向轨迹太长，造成凸轮机构从动件的行程过大，而使相应凸轮尺寸过大，致使机构占用空间过大，并且浪费材料；六杆机构不存在上面两种方案的缺点，在满足设计要求的前提下还具有以下优点：①该机构的运动副全为低副，并且运动副元素间便于润滑，故可传递较
大载荷；
②运动副元素的几何形状简单，便于加工制造；③运行过程中：推头右行时，速度较低且均匀，可以提高推瓶质量；推头左行时，由于有急回作用，速度较高，可提高生产率。

所以，最后我们选择了六杆机构。

在进行课程设计的同时,我们又额外学到了不少的东西,例如间歇机构中的槽轮机构的用途以及设计.,而且在实践中学到的东西更容易让我牢记.而且在三维造型软件方面,也掌握到了一些以前不了解的一些窍门以及功能.
另外,经过这次实习,我真正感受到了实践的重要性,有一些想出来的东西我总是自然而然的认为它们正确,等到真正把自己所想的东西造出来时才发现,它们根本不能动,更不用说按给定规律动,可见以前的一些东西我掌握的过于浅薄.而且这种设计很能考察我们的分析问题、解决问题的能力,以及全方位考虑问题的能力.例如，平行放置的两导辊的转动方向如何，这一类的细节问题在一开始时我都忽略了不少。

还有，经过这次设计实践，我体会到了交流的重要性。

一个人的思路总会有些狭窄，就像刚开始我看我自己的设计总认为一定行得通，十分自信，但在造完型后和别的组的同学相互交流观摩之后，才恍然发现自己的设计存在着不少的漏洞，以至最后花大量的时间来修缮，但还不能把方案做的尽善尽美。

如果这一步放在设计的初期就进行的话，就能利于我更好地完成任务。

所以下次设计时我一定会重视与别人交流，多汲取别人想法中的精华，争取把任务完成的更好。

八、参考文献
1.机械原理/安子军主编.-北京：国防工业出版社，2009.8
2.机械原理课程设计／陆凤仪主编. ——机械工业出版社， 2002.
3.画法几何与机械制图/贾春玉，郑长民主编．—2版. 北京：中国标准出版社，2008
整理为word格式。