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自動洗瓶機機構(gòu) 說明書 機械工程 學(xué)院 機械設(shè)計及其自動化 專業(yè) 08級機自2 班 設(shè)計者 指導(dǎo)教師 鄭立娟 2010 年 6 月 30 日 目 錄 一．題目：自動洗瓶機機構(gòu) 4 1.1 工作原理及工藝動作過程 4 1.2 設(shè)計任務(wù) 4 1.3 原始數(shù)據(jù)及設(shè)計要求 5 二．設(shè)計方案的擬定和比較 5 2.1 設(shè)計方案一：凸輪-鉸鏈四桿機構(gòu) 6 2.2 設(shè)計方案二：凸輪-全移動副四桿機構(gòu) 6 2.3 設(shè)計方案三：六桿機構(gòu) 7 2.4 分析選擇最終方案 7 三．六桿機構(gòu)的設(shè)計分析 9 3.1 六桿機構(gòu)的尺寸設(shè)計 9 3.2 六桿機構(gòu)的運動學(xué)分析 10 3.3 六桿機構(gòu)推桿運動學(xué)分析的驗證 15 四．槽輪機構(gòu)的分析 20 五．洗瓶機機構(gòu)循環(huán)圖 21 ５.１ 洗瓶機構(gòu)循環(huán)路線分析 21 ５.2 洗瓶機機構(gòu)循環(huán)圖 21 六．洗瓶機總體結(jié)構(gòu)簡圖及其工作原理 23 6.1 洗瓶機總體結(jié)構(gòu)簡圖 23 6.2 洗瓶機工作原理 24 七．收獲與體會 26 八．參考文獻 28 一、題目：自動洗瓶機機構(gòu) 1.1 工作原理及工藝動作過程 為了清洗圓形瓶子外面，需要用推桿將瓶子推到指定位置，通過急回運動提高效率，利用刷子旋轉(zhuǎn)將瓶子清洗干凈。 1.2 設(shè)計任務(wù) 1）給出工作原理，原始數(shù)據(jù)及設(shè)計要求。 2）根據(jù)工藝動作要求擬定運動循環(huán)圖。 3）進行各部分傳動機構(gòu)的選型。 4）提出2～3種機械傳動方案。（畫出草圖） 5）進行方案的評定和選擇。 6）對傳動機構(gòu)進行尺寸設(shè)計和計算。 7) 按比例畫出運動簡圖。 8) 對典型機構(gòu)進行運動和動力分析（可應(yīng)用計算機輔助分析手段，例如機構(gòu)仿真）。 9) 提交項目說明書一份。 1.3 原始數(shù)據(jù)及設(shè)計要求 1) 瓶子實際尺寸。大端直徑d=80mm，長200mm。 2) 推頭推進實際距離l=320mm,推瓶機構(gòu)應(yīng)使推頭平穩(wěn)地接觸和脫離瓶子，然后推頭快速返回原位，準(zhǔn)備進入下一次工作循環(huán)。 3) 按生產(chǎn)率的要求，我們規(guī)定返回時的推頭平均速度為工作推進時的推頭平均速度的1.5倍，即推頭行程速比系數(shù)k=1.5。 4) 按整個機構(gòu)的工作要求，我們規(guī)定推進機構(gòu)中原動件曲柄素轉(zhuǎn)為w=1rad/s。 5) 機構(gòu)傳動性能良好，機構(gòu)緊湊，制造方便。。 二、設(shè)計方案的擬定和比較 2.1 設(shè)計方案一：凸輪-鉸鏈四桿機構(gòu) 圖2—1 自由度F=3n－2pl－ph=34－２５－１=１ 2.2 設(shè)計方案二：凸輪-全移動副四桿機構(gòu) 圖2—2 自由度F=3n－2pl－ph=34－24－2=2 2.3 設(shè)計方案三：六桿機構(gòu) 圖2—3 自由度F=3n－2pl－ph=35－27=1 2.4 分析選擇最終方案 由設(shè)計要求知：①推瓶機構(gòu)應(yīng)使推頭平穩(wěn)地接觸和推進瓶子，然后推頭快速返回原位，即回程是個急回運動；②按生產(chǎn)率的要求，我們規(guī)定返回時的推頭平均速度為工作推進時的推頭平均速度的1.5倍，即推頭行程速比系數(shù)k=1.5。 設(shè)計的三種方案均能滿足以上的設(shè)計要求，但方案一的凸輪-鉸鏈四桿機構(gòu)在運動過程中，從動件1與連桿2共線時會形成死點，因此要注意采取度過死點位置的措施，這樣會使機構(gòu)變得復(fù)雜，給制造帶來不便，故舍棄方案一；方案二的凸輪-全移動副四桿機構(gòu)由于水平方向軌跡太長，造成凸輪機構(gòu)從動件的行程過大，而使相應(yīng)凸輪尺寸過大，致使機構(gòu)占用空間過大，并且浪費材料，故舍棄方案二；方案三的六桿機構(gòu)不存在上面兩種方案的缺點，在滿足設(shè)計要求的前提下還有以下優(yōu)點：①該機構(gòu)的運動副全為低副，并且運動副元素間便于潤滑，故可傳遞較大載荷；②運動副元素的幾何形狀簡單，便于加工制造；③運行過程中：推頭右行時，速度較低且均勻，可以提高推瓶質(zhì)量；推頭左行時，由于有急回作用，速度較高，可提高生產(chǎn)率。綜合以上分析，選擇方案三為洗瓶機機構(gòu)的最終方案。 三、六桿機構(gòu)的設(shè)計分析 3.1 六桿機構(gòu)的尺寸設(shè)計 圖3—1 根據(jù)原始數(shù)據(jù)及設(shè)計要求知：推頭推進距離=320mm，推頭行程速比系數(shù)k=1.5,設(shè)計六桿機構(gòu)原動件曲柄，從動件，如上圖所示，機構(gòu)的極位夾角，搖桿擺角，鉸鏈A和鉸鏈C之間的距離，由幾何關(guān)系可知, mm,搖桿CD的長度mm，為使機構(gòu)的傳遞效率比較高，要求推桿在整個行程中有較小的壓力角。如圖所示當(dāng)FG的中點位于導(dǎo)路所在直線上時，滿足上述要求。 導(dǎo)路至鉸鏈C的距離 按照以上尺寸，用ProE做出六桿機構(gòu)的三維立體圖演示運動情況，經(jīng)驗證，符合要求，說明設(shè)計的六桿機構(gòu)各構(gòu)件的尺寸大小合適。 3.2 六桿機構(gòu)的運動學(xué)分析 用解析法對六桿機構(gòu)進行運動學(xué)分析 由設(shè)計要求知：原動件曲柄的角位移＝t＝t＝t 1.在圖3—2中，設(shè)原動件曲柄長度lAB=l1，鉸鏈A與鉸鏈C之間的距離lAC=l4,點B與點C之間的距離lBC=S, 圖3—2 （1） 桿CD角位移分析。 機構(gòu)的復(fù)數(shù)矢量方程為 ① 由此可得滑塊位移和角位移為 （2）桿ＣＤ角速度分析。 將式①對時間求導(dǎo)，得 ② 上式兩端同乘以，得 由上式可得滑塊速度和桿ＣＤ角速度為 （3）桿ＣＤ角加速度分析。 將式②對時間求導(dǎo)，得 ③ 上式兩端同乘以，得 由上式可得滑塊加速度和桿ＣＤ角加速度為 ２.在圖3—3中,設(shè)桿CD的長度lCD=l2,桿DE的長度lDE=l3,點Ｏ與點Ｃ之間的距離lOC=l5,點Ｏ與點Ｅ之間的距離lOE=h 圖3—3 （1）推桿位置分析， 機構(gòu)的復(fù)數(shù)矢量方程為 ④ 由上式可得推桿位移h和桿DE角位移 （2）推桿速度分析。將式④對時間求導(dǎo)，得 ⑤ 上式兩端同乘以，得 由上式可得推桿速度和桿DE角速度 （3）推桿加速度分析，將式⑤對時間求導(dǎo)，得 上式兩端同乘以，得 由上式可得推桿加速度和桿DE角加速度 　　分析完畢 3.3 六桿機構(gòu)推桿運動學(xué)分析的驗證 選取一系列時間t的值，分別代入3.2中求出的推桿位移、速度、加速度關(guān)系式中，求出對應(yīng)的一系列推桿位移、速度、加速度的值，用描點法分別作出推桿位移、速度、加速度與時間t的關(guān)系圖像，經(jīng)驗證與用ProE生成的六桿機構(gòu)推桿位移、速度、加速度與時間t的關(guān)系圖像一致，說明用解析法對六桿機構(gòu)進行的運動學(xué)分析是正確的。 以下分別是用ProE做出六桿機構(gòu)的三維立體圖后生成的推桿位移、速度、加速度與時間的關(guān)系圖像以及推桿運動學(xué)分析圖像。 推桿位移—時間關(guān)系圖像 圖3—4 推桿速度—時間關(guān)系圖像 圖3—5 推桿加速度—時間關(guān)系圖像 圖3—6 推桿運動學(xué)分析圖像 圖3—7 四、槽輪機構(gòu)的分析 圖4—1 如圖4—1所示，設(shè)為槽輪每次運動時所轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)角，為槽輪轉(zhuǎn)動時主動撥盤所轉(zhuǎn)過的角度。由槽輪上均勻分布的徑向槽的數(shù)目z=4，可得 =－=－2/z=/2 設(shè)計主動撥盤的角速度和原動件曲柄的角速度相同皆為1，轉(zhuǎn)動一周的時間為2/1=6.28s,故槽輪的轉(zhuǎn)動時間為6.28/4=1.57s，即主動撥盤轉(zhuǎn)動一周過程中，槽輪相應(yīng)的轉(zhuǎn)動90。 五、洗瓶機機構(gòu)循環(huán) ５.１ 洗瓶機構(gòu)循環(huán)路線分析 1.首先確定執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)時間T執(zhí)。即可選取推瓶機構(gòu)中原動件曲柄進行研究，其運動循環(huán)時間T執(zhí)=2π/w=2π/1rad=6.28s 2.確定組成運動循環(huán)的各個區(qū)域： （1）推瓶機構(gòu)：根據(jù)原始數(shù)據(jù)中推頭行程速比系數(shù)k=1.5,即可確定推瓶機構(gòu)運動循環(huán)時間分配為T執(zhí)=T推程+T回程=3.77+2.51=6.28s與此相應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角（即分配轉(zhuǎn)角）φ推程φ回程=216+144=360 （2）洗瓶機構(gòu)：主動撥盤的角速度和原動件曲柄的角速度相同皆為1，轉(zhuǎn)動一周的時間為2/1=6.28s,主動撥盤轉(zhuǎn)動一周過程中，槽輪相應(yīng)的轉(zhuǎn)動90，對應(yīng)的轉(zhuǎn)動時間為1.57s （3）轉(zhuǎn)刷機構(gòu)：始終進行轉(zhuǎn)動 ５.２ 洗瓶機構(gòu)循環(huán)圖 圖5—1 六、洗瓶機總體結(jié)構(gòu)簡圖及其工作原理 6.1 洗瓶機總體結(jié)構(gòu)簡圖 圖6—1 6.2 洗瓶機工作原理 洗瓶機總體機構(gòu)簡圖如上，用一個電動機帶動齒輪變速箱，通過齒輪變速箱中齒輪系來獲得不同的轉(zhuǎn)速，曲柄原動件和槽輪機構(gòu)中的主動撥盤的轉(zhuǎn)速一致，帶動瓶子轉(zhuǎn)動的底盤和轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)速一致。傳送帶作為運輸瓶子的導(dǎo)軌，這樣可以減小送瓶的阻力，有利于平穩(wěn)送瓶的實現(xiàn)。以下是洗瓶機的工作原理： 曲柄原動件和槽輪機構(gòu)的主動撥盤以勻速轉(zhuǎn)動，二者轉(zhuǎn)動一周的時間皆為6.28s，即一個循環(huán)的時間為6.28s。推桿推動瓶子，并在在傳送帶的輔助下經(jīng)3.77s將瓶子送到轉(zhuǎn)盤固定瓶子的槽中，然后推桿返回，經(jīng)2.51s返回原位置。與此同時槽輪機構(gòu)的主動撥盤帶動槽輪，槽輪帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動勻速轉(zhuǎn)過90，歷經(jīng)1.57s將瓶子送到轉(zhuǎn)刷處，瓶子在底盤的帶動下轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)刷以相同的轉(zhuǎn)速緊貼瓶子逆向轉(zhuǎn)動進行第一次洗瓶過程，洗瓶時間為4.71s。推桿返回后隨即推送下一個瓶子歷經(jīng)3.77s到轉(zhuǎn)盤固定瓶子的槽中，推桿返回，此時第一個瓶子的第一次洗瓶過程結(jié)束。轉(zhuǎn)盤再次勻速轉(zhuǎn)動90，將第一個瓶子送到第二次洗瓶位置，將第二個瓶子送到第一個洗瓶位置，兩個瓶子在轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)動下洗瓶4.71s。推桿返回原位置后推送第三個瓶子，到達指定位置后，推桿再次返回，轉(zhuǎn)盤再次轉(zhuǎn)動90，第三個瓶子到達第一次洗瓶位置進行洗瓶過程，第二個瓶子到達第二次洗瓶位置進行第二次洗瓶過程，第三個瓶子到達退瓶位置推出轉(zhuǎn)盤，完成洗瓶過程，洗瓶時間共計9.42s。以此類推，進行洗瓶過程。 七、收獲與體會 經(jīng)過這次的課程設(shè)計,我們又溫習(xí)了一下機械原理課上所學(xué)的知識,并且嘗試著把自己所學(xué)的書本知識和實踐相結(jié)合.在最初進行設(shè)計時,我們曾主觀認為這些東西是很簡單的,但是一步步的深入設(shè)計后，才發(fā)現(xiàn)每一步都需要縝密的的思考與精密的計算，扎實的基礎(chǔ)知識是很必要的。 在設(shè)計過程中，我們考慮過三種方案，分別為：凸輪-鉸鏈四桿機構(gòu)、凸輪-全移動副四桿機構(gòu)、六桿機構(gòu)。但凸輪-鉸鏈四桿機構(gòu)在運動過程中，從動件1與連桿2共線時會形成死點，要注意采取度過死點位置的措施，這樣會使機構(gòu)變得復(fù)雜，給制造帶來不便；凸輪-全移動副四桿機構(gòu)由于水平方向軌跡太長，造成凸輪機構(gòu)從動件的行程過大，而使相應(yīng)凸輪尺寸過大，致使機構(gòu)占用空間過大，并且浪費材料；六桿機構(gòu)不存在上面兩種方案的缺點，在滿足設(shè)計要求的前提下還具有以下優(yōu)點：①該機構(gòu)的運動副全為低副，并且運動副元素間便于潤滑，故可傳遞較大載荷；②運動副元素的幾何形狀簡單，便于加工制造；③運行過程中：推頭右行時，速度較低且均勻，可以提高推瓶質(zhì)量；推頭左行時，由于有急回作用，速度較高，可提高生產(chǎn)率。所以，最后我們選擇了六桿機構(gòu)。 在進行課程設(shè)計的同時,我們又額外學(xué)到了不少的東西,例如間歇機構(gòu)中的槽輪機構(gòu)的用途以及設(shè)計.,而且在實踐中學(xué)到的東西更容易讓我牢記.而且在三維造型軟件方面,也掌握到了一些以前不了解的一些竅門以及功能. 另外,經(jīng)過這次實習(xí),我真正感受到了實踐的重要性,有一些想出來的東西我總是自然而然的認為它們正確,等到真正把自己所想的東西造出來時才發(fā)現(xiàn),它們根本不能動,更不用說按給定規(guī)律動,可見以前的一些東西我掌握的過于淺薄.而且這種設(shè)計很能考察我們的分析問題、解決問題的能力,以及全方位考慮問題的能力.例如，平行放置的兩導(dǎo)輥的轉(zhuǎn)動方向如何，這一類的細節(jié)問題在一開始時我都忽略了不少。 還有，經(jīng)過這次設(shè)計實踐，我體會到了交流的重要性。一個人的思路總會有些狹窄，就像剛開始我看我自己的設(shè)計總認為一定行得通，十分自信，但在造完型后和別的組的同學(xué)相互交流觀摩之后，才恍然發(fā)現(xiàn)自己的設(shè)計存在著不少的漏洞，以至最后花大量的時間來修繕，但還不能把方案做的盡善盡美。如果這一步放在設(shè)計的初期就進行的話，就能利于我更好地完成任務(wù)。所以下次設(shè)計時我一定會重視與別人交流，多汲取別人想法中的精華，爭取把任務(wù)完成的更好。 八、參考文獻 1.機械原理/安子軍主編.-北京：國防工業(yè)出版社，2009.8 2.機械原理課程設(shè)計／陸鳳儀主編. ——機械工業(yè)出版社， 2002. 3.畫法幾何與機械制圖/賈春玉，鄭長民主編． —2版. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008