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自動洗瓶機 畢業(yè)設計 1 緒論 洗瓶機是用來對待洗瓶子進行洗凈清潔的。隨著科學技術的進步，現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)的需要，市場多元化的產(chǎn)生，普通的洗瓶機已經(jīng)不能滿足市場生產(chǎn)力所需?，F(xiàn)在洗瓶機應用廣泛，不僅在生產(chǎn)制造業(yè)工廠生產(chǎn)線，在生物制藥行業(yè)，科研技術領域等等都可以起到重大作用。所以它不僅在生產(chǎn)制造業(yè)有重要作用，而且在科研制藥行業(yè)發(fā)揮一定作用，并且在生產(chǎn)和生活中的作用領域不斷擴大。 洗瓶機作為一種清洗潔凈工具，在完成清洗的同時，現(xiàn)在要求具有消毒、干燥等功能同時具備，在完成整個工作過程中，對于提高生產(chǎn)能力、保證產(chǎn)品質量、減輕勞動強度、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、加快生產(chǎn)周轉等方面均有著重要的影響。同時也要保證安全生產(chǎn)、減少破損率也有顯著的作用。現(xiàn)在市場上的很多洗瓶機都同時具備很多功能，他的技術已經(jīng)超越了單純的減輕體力勞動這一傳統(tǒng)概念，因為它不僅在清洗程度上有很大的改變，而且具有嚴格的時間、速率概念，根據(jù)系統(tǒng)事實的需要，及時地、迅速地、準確地“將待洗瓶進行準確而徹底的清洗，并完成相應的檢驗指標要求”，否則，就不能適應現(xiàn)代生產(chǎn)的要求。在傳統(tǒng)的灌裝生產(chǎn)線上，相應的其他各個環(huán)節(jié)都做得比較到位，留給人們最的疑問與擔憂就是：能否保證瓶子的干凈衛(wèi)生？人們的觀點就代表市場的需求，那么在洗瓶子的這一個環(huán)節(jié)可以說是還有很多值得研究，是占領市場贏得人們的信任與贊可的大份。而這個就得依賴于先進的清洗消毒工具洗瓶機。 在灌裝生產(chǎn)線的加工生產(chǎn)過程中，對瓶子的清洗主要依靠洗瓶機。隨著現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)能力、規(guī)模的擴大，對這方面的要求越來越嚴苛，對瓶子的清潔程度消毒水平都有了更高的要求，并且對機器的生產(chǎn)能力和效率也有了相當?shù)囊?，使得洗瓶子朝著高生產(chǎn)率高效率自動化的方向發(fā)展。本次的設計就是在這樣的市場要求大環(huán)境下進行的，由于時間有限能力限制，我則主要負責洗瓶機的機械部分，主要包括主工作部件、輔助工作部件的設計。 2 自動洗瓶機的概況 自動洗瓶機作為主要保障灌裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)要求和衛(wèi)生保證的關鍵和重要的環(huán)節(jié)，其工作的穩(wěn)定性、安全性、先進性一直受到人們的高度重視，但受傳統(tǒng)技術的制約，市場上的洗瓶機基本都是大同小異，沒有什么突破性的進展，往往不能兼顧，結合所有比較好的性能于一體。隨著科學技術的不斷進步與發(fā)展，大量先進技術成果的應用，現(xiàn)在洗瓶機也將發(fā)生很大的變化的。 自動數(shù)字洗瓶機是在生產(chǎn)工作過程中不直接進行人工處理的情況下，能自動對瓶子進行徹底的清洗、消毒、干燥等，它的主體是數(shù)字管理中心。全自動數(shù)字洗瓶機是采用機械式操作過程，依托數(shù)字系統(tǒng)進行控制管理，通過數(shù)字化處理能自動控制洗瓶機，進行相關的作業(yè)，能自動、徹底、準確、迅速地對待洗瓶進行清洗、消毒、干燥并且計量。隨著數(shù)字化自動化的不斷運用與普及，必是洗瓶機的最大發(fā)展趨勢，故僅就自動洗瓶機的發(fā)展趨勢做一些初步的分析與探討。 2.1 自動洗瓶機發(fā)展總趨勢 現(xiàn)代自動洗瓶機的發(fā)展主要趨勢之一就是自動化，速率高速化，功能全面化，人機結合靈活化，隨著社會發(fā)展對制造業(yè)的要求也在不斷提高，這不僅表現(xiàn)在對產(chǎn)品數(shù)量的要求上，更是表現(xiàn)在對產(chǎn)品的質量與要求方面，由于市場發(fā)展的需求推動和促進了洗瓶機的技術改造和技術進步，自動化技術、數(shù)字化技術的結合應用，對自動洗瓶機的精確化和自動化提出了更高的要求。而制造業(yè)的大力發(fā)展，也促進了市場對產(chǎn)品的需求增加。 我們先來看看國內(nèi)對自動洗瓶機的需求： 中國全自動洗瓶機項目市場需求結構分布 從上面的需求結構分布圖可以看出，越是生產(chǎn)要求高的、制造業(yè)較發(fā)達的地區(qū)，對洗瓶機的需求也是高于其他的地區(qū)。但隨著國家相關政策的推進與實施，全國各地的發(fā)展必將各有千秋，基礎制造業(yè)的大力發(fā)展，灌裝企業(yè)、生物工程、制藥企業(yè)等等都亟需洗瓶機的幫助來完成相應的工作要求，可見整體市場對自動洗瓶機的需求是有廣闊的空間的。 我們再來看看市場需求狀況： 自動洗瓶機市場需求與供給 從上表同樣可以看出市場對洗瓶機的需求是不斷上漲，因此開發(fā)研究洗瓶機的潛力大有作為。 2.1.1 國內(nèi)形勢 洗瓶機從其誕生至今已經(jīng)有百年多的歷史，隨著人們的要求越來越高和科學技術的發(fā)展的不斷進步，各種新的科技都可以在其身上看到影子。特別是二戰(zhàn)以后，科技水平發(fā)展迅猛，新的科技力量和理念不斷誕生，并且應用越來越普遍。作為機械生產(chǎn)的一員，對洗瓶機的研究和改革創(chuàng)新也是不斷取得新的成果。 我們的國內(nèi)洗瓶機市場發(fā)展比其歐美國家落后，而且我們國家的技術在一定程度上跟不上市場發(fā)展的需要，導致國內(nèi)市場上的洗瓶機沒有形成一定的強勢資源，各個生產(chǎn)廠家技術保密，不能形成很好的信息交換和共享，導致市場上洗瓶機的發(fā)展參差不齊，功能不全面。 目前有很多的國內(nèi)企業(yè)采取與發(fā)達技術的國家企業(yè)合作，一起促進了洗瓶機市場在國內(nèi)的發(fā)展。新技術的發(fā)展也給洗瓶機的市場帶來一股新的活力，特別是大量的企業(yè)采用新的計算機技術，二維的CAD早已在制造業(yè)普及，三維的設計也在慢慢推廣。電氣設計部分采用ED 等先進設計手段，引入定子調壓和變頻調速，PLC 參與系統(tǒng)控制，采用了大量高新傳感元器件，實現(xiàn)了定位準確，操控方便，其安全可靠性也逐步提高。通過專家系統(tǒng)的應用，極大地推進了創(chuàng)新設計的進程，并且利用系統(tǒng)論和信息論等現(xiàn)代計算機應用技術研究成果，使得洗瓶機的創(chuàng)新設計開始向數(shù)字化化方向發(fā)展。 根據(jù)現(xiàn)實和發(fā)展，設計手段越來越體現(xiàn)出精確化、自動化、虛擬化與快捷的特點?，F(xiàn)代的洗瓶機正朝著機電一體化、自動化、數(shù)字化、個性化方向發(fā)展。自動檢測、自動數(shù)據(jù)處理（運算、判斷、存儲、記憶）、自動顯示、自動控制、故障診斷和自動保護及維護等功能得到了大量的應用。因此洗瓶機產(chǎn)品創(chuàng)新設計是以降低設計成本，提高設計速度，縮短設計周期為目的，包括降低成本設計、可靠性設計、快速設計、并行設計、數(shù)字化設計、智能設計、廣義優(yōu)化設計等現(xiàn)代設計技術。 2.1.2 發(fā)展趨勢 隨著新世紀全球工業(yè)格局的新變化和我國工業(yè)技術水平的快速發(fā)展，洗瓶機市場近年來異常的活躍起來，現(xiàn)代計算機控制技術飛速發(fā)展，使得洗瓶機的設計在綜合考慮控制系統(tǒng)安全、可靠性、操作的舒適性、機構及結構廣義優(yōu)化等方面有了更高層次的要求，因此洗瓶機的設計必須從原來的常規(guī)設計模式中跳出來，用新觀點、新原理、新方法新技術、新工藝來設計適應新形勢的新產(chǎn)品，未來洗瓶機的設計是基于現(xiàn)代設計理論和方法，應用微電子、信息、管理等現(xiàn)代科學技術，以提高產(chǎn)品質量、用戶滿意的價格和造型、提高產(chǎn)品的功能、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。 在產(chǎn)品設計過程中采用面向成本設計技術和并行的成本估算技術是使產(chǎn)品成本降低的關鍵，其中重點要研究的是成本結構分析技術和價值工程分析技術，且需要構造多種專用的設計知識庫和成本數(shù)據(jù)庫來精確地并行估算成本。做到產(chǎn)品成本的即時反應，通過設計方案的調整實現(xiàn)設計階段控制產(chǎn)品成本的真實實現(xiàn)。洗瓶機的創(chuàng)新并不總等同于用較高的成本去發(fā)明新的零部件，利用標準構件，甚至標準件和外購件同樣也可以組合成新產(chǎn)品，這也是一種創(chuàng)新。 下面是總結的近幾年洗瓶機的主要發(fā)展趨勢： (1) 具有零部件集成化、機構簡潔化、結構全面優(yōu)化的整機設計； (2) 滿足個性用戶的特殊要求的個性化設計； (3) 滿足市場多樣性和低成本要求的具有新技術特征的洗瓶機新系列產(chǎn)品的模塊化設計； (4) 具有自分析、自調整、自糾錯的智能化操作的全自動、半自動操作形式的高度機電一體化的洗瓶機設計； (5) 采用新的傳感技術具有高精度稱量和定位系統(tǒng)的洗瓶機設計； (6) 準確對位技術的應用； (7) 采用參數(shù)化專家系統(tǒng)的快速反應設計； (8) 基于成本即時反應的經(jīng)濟性DFC（Design For Cost）設計； (9) 極短交貨期要求采用并行設計及并行工程技術的設計； (10) 基于產(chǎn)品全壽命周期的方便維護維修的設計及免維護設計； (11) 大型單臺復雜產(chǎn)品的虛擬設計及動態(tài)仿真的實現(xiàn)； (12) 采用廣義優(yōu)化技術的設計； (13) 洗瓶機動力學（疲勞壽命的分析研究）研究成果的廣泛應用。 目前國內(nèi)外在洗瓶機創(chuàng)新研究方面的主要研究內(nèi)容有如下幾個方面： (1) 創(chuàng)新設計技術 開展對洗瓶機傳動型式創(chuàng)新、結構構造創(chuàng)新和功能原理創(chuàng)新等方面理論及技術基礎研究，為此著重研究新材料、新工藝、新的傳動裝置，從而通過對不同設計方案的優(yōu)選、分解和組合來產(chǎn)生新的設計方案，不斷推出傳新創(chuàng)新設計成果。 (2) 降低成本的設計技術 在產(chǎn)品設計過程中采用面向成本設計技術和并行的成本估算技術是使產(chǎn)品成本降低的關鍵，其中重點要研究的是成本結構分析技術和價值工程分析技術，且需要構造多種專用的設計知識庫和成本數(shù)據(jù)庫來精確地并行估算成本。做到產(chǎn)品成本的即時反應，通過設計方案的調整實現(xiàn)設計階段控制產(chǎn)品成本的真正實現(xiàn)。 (3) 快速設計技術 極短交貨期的市場需求要求開展基于網(wǎng)絡的協(xié)同（異地）設計技術、并行工程技術究，這樣可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。其中，系列化、模塊化設計技術、人工智能技術、產(chǎn)品專設計系統(tǒng)技術和虛擬制造技術也是快速設計的所要研究的重要內(nèi)容。 (4) 智能設計技術研究 洗瓶機智能CAD（ICAD）技術和人機智能化設計系統(tǒng)技術的研究，使得面向CIMS的智能設計走向智能設計的高級階段。原理方案智能設計；協(xié)同求解；基于實例的推理；知識獲取、表達和利用等技術也是智能設計技術所要研究的重要內(nèi)容。 洗瓶機創(chuàng)新設計是洗瓶機技術水平不斷提高和發(fā)展的源泉，充分利用現(xiàn)代信息技術成果和現(xiàn)代管理手段，綜合現(xiàn)代設計技術將對洗瓶機技術發(fā)展起到極大的推動作用，洗瓶機技術已處于快速發(fā)展階段，誰的創(chuàng)新設計搞得好，誰就掌握了技術優(yōu)勢，誰就掌握了市場。 3 設計任務 3.1 設計內(nèi)容： 洗瓶機主要工作部件機械部分（轉軸、間歇運動實現(xiàn)） 3.2 設計參數(shù)： 1． 額定生產(chǎn)能力：3600瓶/小時 2．適應瓶子直徑： ≤100毫米 瓶口直徑20—40毫米各類玻璃瓶 3.最大瓶子高度：≤300毫米 4. 每個瓶重：≤0.25㎏ 5．瓶子在機內(nèi)停留時間（3600瓶/小時）： 8秒 3.3 設計目的： 本次進行的洗瓶機的設計主要參照是《機械設計規(guī)范》及《浸沖式洗瓶機QB/T1305-91》 對洗瓶機的主軸進行設計計算，從方案論證到具體設計計算，充分借助現(xiàn)代設計技術，發(fā)揮計算機在現(xiàn)代設計中的作用，提高了設計的質量，縮短了設計周期，保證了工作效率。 4 主要結構 對于自動洗瓶機來說，最重要的是實現(xiàn)其的自動功能，主要又一根主軸來實現(xiàn)，它是整個洗瓶機的主要結構，結合相關的其它設備，組成了整個系統(tǒng)。 4.1 凸輪式間歇運動機構 4.1.1 工作原理 凸輪式間歇運動機構由主動輪、從動轉盤和機架組成。由主動圓柱凸輪圓柱面上的不閉合曲線槽，在轉動中撥動從動盤上端面的均布圓銷，使圓盤做間歇運動。 4.1.2 間歇式凸輪機構的設計 凸輪轉動一周的時間為t1=2s，凸輪溝槽中螺旋角不為零的部分所對應的角度為θ=180，則從動盤的運動時間為 td==1s 靜止時間 tj==1s 取： 圓銷數(shù)z=8 轉盤半徑R2=150㎜ 圓銷直徑d=40㎜ 圓柱凸輪平均半徑R1=40㎜ 且82α=2π 則： 凸輪曲線的升程 h==99.5㎜ 凸輪輪廓直線段寬度 b1==74.8㎜ 中心距 a==138.6㎜ 凸輪曲線的畫法如圖：（1）間歇式凸輪的參數(shù)示意圖（2）凸輪曲線的畫法。 4.2 主軸的設計 4.2.1 電機的選擇：Y132S-6 額定功率：4 KW 滿載轉速：960 r/min 4.2.2 選擇軸的材料：45號鋼 經(jīng)調質處理，其機械性能：=650MPa，=360MPa，=300MPa，=155MPa，=60MPa 4.2.3 軸徑的計算： 總效率 ==0.549 故工作功率 P=P額=2.196KW 選C=110，dmin==90.1 考慮到開鍵槽，將其軸徑增加10%，故其軸的直徑為100㎜ 4.2.4 （1）軸的受力分析： 軸的轉速 n=4 r/min 軸傳遞的轉矩 T1=9.55106=5242950N㎜ （2） 作用在軸上的支反力 d1=200㎜ Ft==52429.5N （3）計算軸的彎矩，并畫出彎矩圖，按M=進行彎矩合成，畫出彎矩圖。 =0 故M===Ftl=9437310N㎜ （4）計算并畫當量彎矩圖 轉矩按脈動循環(huán)變化計算，取=0.6，則 T1=0.65242950 =3145770N㎜ 按Mca=計算，并畫當量彎矩圖。 （5） 校核軸的強度 鍵槽處d1=200㎜ 鍵槽處當量彎矩為 Mca==9947798N㎜ 強度校核：考慮鍵槽的影響，查表得 b=24㎜ t=10㎜ ==88.405 ===186.53 ==56.3MPa 顯然， ≤ 故安全。 （6） 按安全系數(shù)校核 Ⅰ.判斷危險截面 在鍵槽處有應力集中源，且當量彎矩較大，故確定為危險面。 Ⅱ.疲勞強度校核 .鍵槽處截面上的應力： 彎曲應力幅：==106.75MPa 扭轉應力幅：==14.054MPa 彎曲平均應力：=0 扭轉平均應力：==14.054MPa .材料的疲勞極限：根據(jù)=650MPa，=360MPa，查表得 =0.2 =0.1 .截面應力集中系數(shù)：查表得 k=1.825 k=1.625 .表面狀態(tài)系數(shù)及尺寸系數(shù)：查表得 =0.94 =0.60 =0.60 .分別考慮彎矩或扭矩作用時的安全系數(shù)： Sσ==8.7 Sτ==3.61 Sca==3.33＞[S]=2.5 故安全。 結束語 回顧在整個大學階段，我們經(jīng)歷過機械原理課程設計、機械設計課程設計，每次課程設計都讓我學到了很多東西。但那些都是比較基礎的設計，設計的時間比較短，牽涉的內(nèi)容也比較少，而且大家的設計都一樣，基本是循著既有的程序走下來。而這次畢業(yè)設計涉及的內(nèi)容廣，經(jīng)歷的時間長，且個人的發(fā)揮空間大。記得在大二寒假的時候我們到十堰東風發(fā)動機廠去進行過半個月的生產(chǎn)實習，在實習的過程中，我就收集了一些和畢業(yè)設計有關的資料，事實證明金工實習和生產(chǎn)實習對我的畢業(yè)設計起了很大的指導作用。在整個設計的過程中，我都完全按照畢業(yè)設計指導書的要求，完成了對主要機械結構的設計。這其中包括主軸的設計和校核，還有間歇機械運動的實現(xiàn)的一些內(nèi)容，基本完成了預期的目標。但是由于時間有限，加上個人能力原因，設計中難免存在不足的地方，比如說對于以前課程設計所做過的關于減速器、軸承、鍵槽連接以及一些附件部分這次也就是略過；在材料的選取上面，盡可能選取最大的承受極限，造成了材料的浪費，這在我的設計中考慮得比較少；一些細節(jié)地方肯定也有考慮不周全。我只是從滿足工作要求的方面考慮，而忽略了從經(jīng)濟的角度考慮。整個設計過程中指導老師的要求都很嚴格，我們的設計任務也很重，感覺很辛苦，但是我都堅持下來了。設計方案和設計論文經(jīng)過多次的修改和完善才最終定稿，通過畢業(yè)設計，把我大學所學的專業(yè)知識和基礎知識又重新回顧了一遍，對專業(yè)課的理解有了更深入的了解，同時對計算機輔助設計制圖也可以更熟練的掌握。整個設計讓我受益很多，無論是設計中的成功之處還是設計中的失誤，對我以后的學習和工作來說都是一筆寶貴的財富。 Error! 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