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洗瓶机推瓶机构设计说明书


南京农业大学工学院 南京农业大学工学院

洗瓶机推瓶机构设计 说明书



题:

洗瓶机推瓶机构



级:

机制 85



号:

3318521

>姓

名:

指导教师:

周永清



业:

机械设计制造及其自动化

2011 年 6 月 25 日

机械创新设计计算说明书
设计题目: 1 . 设计题目 洗瓶机推瓶机构的改进设计 2 . 工作原理及工艺动作过程 为了清洗圆形瓶子外面,需将瓶子推入同时转动的导辊上,导辊带动瓶子旋 转,推动瓶子沿导辊前进,转动的刷子就将瓶子清洗。 推瓶机构的主要动作,将到位的瓶子沿着导辊推动,瓶子推动过程利用导辊 转动将瓶子旋转以及将刷子转动。 3 . 技术要求
瓶子尺寸(直径* 瓶子尺寸(直径*长) 工作行程 生产率 急回系数 K 电动机转速

100mm*200mm .设计任务 4 .设计任务

600mm

15 个/s

3

1440r/min

1)设计机构运动简图,绘制运动方案及运动循环图 2)分析推杆的运动特性 3)用 sam 软件对推瓶机构进行仿真,绘出推杆的位移,速度,加速度线图。 4)撰写设计说明书

方案探索: 小组从推瓶机构需实现水平运动入手,从《机械原理》和《金工实习》及课程题目指导中确 定如下几种初步方案。

方案二

方案 12

在这 12 个方案中,我们又进行了筛选。 根据组员的知识水平,把一些过于复杂及机构特性 不是很好的剔除。重点分析了:
方案 12

方 案 11

方 案 十

方案 11:曲柄摇杆机构 曲柄摇杆机构
这一机构很容易就满足了急回和行程要求。 当杆 长 424.4mm;杆 长 70.72mm; 固定铰链 1、3 之间的距离为 100mm 时即能满足要求。 对于生产率亦很容易实现。 只要给曲柄一个适 合的速度即可以。 从上面的尺寸可以看出, 这样一个机构尺寸也 不是很大。最长的一根杆不超过 0.5m,这个 机构近乎完美。 这么一个机构, 我们为什么不选择呢?仔细看 看图上的轨迹,在两个极位,即推杆刚刚碰上 瓶子和离开瓶子的两个位置。 连杆曲线没有 任何的弧度,右图的速度分析亦可看出,在推 杆运动的开始和终止的瞬时,速度均有突变, 理论上将出现无穷大的加速度和惯性力。 这使 得推杆与瓶子间的冲击为刚性冲击。这很可能导致瓶子破碎。瓶子破碎不仅影响经济效益, 更重要的是,碎片掉在机器里,影响机器的正常工作。 此外,我们不难知道,摆杆末端并非做直线运动,必须在杆上套上一端为滑块的直杆,还需 要一个导轨保证直杆做水平运动。这使运动链变长,不够紧凑。将出现三个明显的不好的结 果。一是:制造成本增加;二是:误差累积变打,机构使用时间长了,一些构件只要有很小 的变形都可能引起极大地误差,维修费用会比较高。三是:滑块与导杆之间都有摩擦,不仅 降低了机械效率,发生自锁的概率也大大增加。发生自锁是个很严重的问题,整个机构突然 不能运动,将导致发动机温度急剧上升,有可能烧毁电机,甚至烧毁整个电路系统。此外也

可能使杆件折断。这些都是不可预料的严重后果。 从匀速这个要求考虑,推杆并不做匀速运动。这可能使得在工作过程中,推杆脱离瓶子。瓶 子会在摩擦的影响下停下,杆件又能与瓶子接触,这就会使杆件与瓶子发生多次刚性冲击, 瓶子被击碎的可能就更大了。

方案 12: 凸轮铰链四杆机构 2:
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 求的行程速度系数比 K=3。
这个方案曾今让我们充满激情。但 经过细致考虑后我们还是放弃了。 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 11 中,刚性冲击、摆杆不做匀速直线运动,自锁问题。但这个方案也不能 完美。 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 11 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。实验测量的误差是无法避免的,这点是很难达到标准的。 急回系数虽然能够满足,却很难实现。小组成员检验过,只靠这个四杆机构,不可能 在满足轨迹的前提下,还能满足急回系数。需要满足急回要求,还得靠凸轮机构的补充。 速度控制方面。由凸轮传递到推杆末端,需要有中间杆件的传递。这在设计速度的时 候会带来很大的麻烦,还需要分析中间杆件的速度。 从制造成本来看。这么复杂的机构,不仅材料要很多,工艺要求也较精细。特别是凸 轮的生产,会比杆件的生产复杂得多。这会大大增加制造成本。 维修方面。任一零件坏了都将导致机器无法运转,由于零件较多,机器坏的概率理论 上增大。 设计方面。如此多的问题需要解决,在短短的 2 星期内很难完成。四杆机构、凸轮机 构,四杆机构跟凸轮机构的配合,速度分析,机构自锁等等,这些都是比较耗时间的。 综合以上种种原因,我们最终放弃了这个方案。

最终的抉择( 最终的抉择(方案 13) )
此机构与方案 12 中的四杆机构很相似。 可谓孪生兄 弟。此机构的思想主要依据了高等教育出版社出版 的《机械原理》第七版第 122 页图 8-38。 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。这就不会产生方 案 11 的在工作过程中,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。很容易即能实现。 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。 维修方便。机构只由四杆机构组成。很简约,零件少。整个机构坏的几率小。即使坏了也容 易拆御。每个零件都是杆件,加工制造简单,坏了,更换新的也很方便。因此维修起来非常 方便。 制造成本低。机构基本上是由最简单的四杆机构组成。整个机构的尺寸也不是很大。制造成 本将很低。整个机构具有对称性,可以放到洗瓶机构内部,能节约很大的空间。对整个洗瓶 机构的外形也有很大的帮助。 这使整个机构的制造成本再降一个台阶。 应该是所有这类机构 中最低的。 设计简单。机构只是由简单的四杆机构组成,且有两根杆的长度一定,只需根据急回系数 K 计算出极为夹角。再由连杆的行程即可算出另外两根杆的距离。整个机构即可设计完毕。

最终方案的设计尺寸设计
首先,我们要设计出机构的杆长(方案 13) ,使其满足我们需要的传动关系,来满足 实验要求。如上图不妨先假设杆 BC=CD=CE=R,AB=r,ab 与 AD 间的距离为 h,机构能达到 题目要求的行程速度系数比(急回系数)K=3,所以极位夹角 θ = 180° 根据极位夹角 90 度,画出图形的两种情形,可得:

(k ? 1) =90。 =90。由此 (k + 1)

(2R+r)^2+(2R-r)^2=d^2 (d 为 E 点的水平行程 ab) 根据相似三角形,我们又有(2R+r)(2R-r)=dh. 根据要求我们需要推杆的行程是 600mm,即 d=600mm。 这样可以用 h 的函数式来表示 R 和 r 了。即 R^2=22500+75h;r^2=90000-300h。通过不等式关系 r^2>0 和 R>r 得 180<h<300。 则我们任给一个 h, 就会有一组对应的 R 与 r。 h 等于 250mm, R=203.1mm, 令 则 r=122.5mm。 通过计算,机架 AD=154.5mm。满足我们的实验数据。 洗瓶机的技术要求中,生产率为 15 个/s,电动机转速为 1440r/min,曲柄转一个周期,就 相当于工作一个瓶子,因此可以计算出传动比 i=5:8,可以通过齿轮的齿数比,来满足技术 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, SAM 软件中, 在 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,非常满足我们的要求。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。

机 构 运 动 循 环 图:


机构 运动 循环图

实习心得
最后两周是我们的机械创新设计的实习课,组员是我和黄攀同学,我们选取了推瓶机 的推瓶机构作为研究对象。 通过不断的查询相关资料和对实验原理的分析, 我们制定了很多

的方案,有各式各样的机构(上文各图已给出) 。我们两个经过精心的分析对比删选,权衡 各种机构之间的优缺点,最终确定了我们认为的最理想的方案。由于我们小组的成员较少, 我们的时间也比较紧张,不过之间的合作却十分紧密,人少也让我更多的参与到了实习中, 做了更多的事,经历的也更多。 这是我们学习机械原理以来,唯一的一次将理论付诸于实践行动,中间也遇到了大量 的麻烦,比如说对方案的确定。四杆机构本是最简单的机构,但要使运动达到水平匀速,且 满足急回要求,对我们这些初学者确实有点困难。首先要保证目标运动为水平,刚开始我们 是想要用导轨进行平衡的,但又要考虑到行程要求和避免卡死,这种机构容易出现问题,只 好准备换种方案了。而简单的利用几何封闭作为约束,来控制行程时(例如方案 4,5) ,会 使构件的尺寸非常的大,且笨重,根本就不切合实际。而且我们相互讨论时也遇到了相当多 分歧,但最终还是统一了意见,选择了我们认为最合理的方案。 这次实习虽然没有像往常一样有样品可以提供操作,仍然属于是接近理论的尝试,但 对于我们来说收获还是蛮大的,首先我们是亲身体验,自己动手的。而且我们学会了更多的 方法来处理实际中遇到的计算。 也看到了团队合作的重要性。 现在是处于学期末的复习阶段, 这种实习可以使我们对机械原理的理解更加具体, 有利于我们对课本内容的概括总结。 总之 这次实习真的让我感觉受益匪浅! 我认为这次实习只是一次简单的尝试, 对机械原理的知识 的认识,我们也只是九牛一毛,为此,我们需要不断地努力,不断地探索学习。


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