机械原理课程设计说明书.docx
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机械原理课程设计说明书
课程设计说明书
设计题目：
洗瓶机推瓶机构的设计
专业：
班级：
设计人：
学号：
山东科技大学
2010年7月10日
课程设计任务书
学院机械电子工程学院专业班级姓名
一、课程设计题目：
洗瓶机推瓶机构
二、课程设计主要参考资料
[1]课程设计指导书
[2]孙桓，陈作模.机械原理[M].7版.北京：
高等教育出版社，2006
[3]熊滨生。
现代连杆机构设计[M].北京：
化学工业出版社。
2005.12
[4]邹慧君，傅祥志等．机械原理[M]．北京：
高等教育出版社，1999
[5]申永胜.机械原理教程[M]．北京：
清华大学出版社,1999
三、课程设计应解决主要问题
（1）通过机构设计满足推头推瓶的运动要求
（2）优化结构设计，提高可行性以及机构工作的稳定性
四、课程设计相关附件（如：
图纸、软件等）
（1）A3结构原理图
（2）课程设计说明书一份
五、任务发出日期：
2009.07.05任务完成日期：
2009.07.10
指导教师签字：
系主任签字：
指导教师对课程设计的评语
指导教师签字：
年月日
目录
1课程设计任务1
1.1设计题目1
1.2设计要求1
1.3原始数据1
2机械系统运动功能系统图2
2.1功能描述2
2.2机械系统运动分析2
3系统方案拟定与比较3
3.1方案一3
3.2方案二6
3.3方案三10
3.4方案比较14
4选定方案运动尺寸确定16
5课程设计总结17
参考文献18
1课程设计任务
1.1设计题目
洗瓶机推瓶机构
1.2设计要求
洗瓶机主要由推瓶机构、导辊机构、转刷机构组成。
如图1所示，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把瓶子向前推进时，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。
图1洗瓶机工作示意图
1.3原始数据
方案号
瓶子尺寸
（直径×长）
（mm）
工作行程
（mm）
生产率
（个/s）
急回系数
K
电动机转速
（r/min）
A
Φ100×200
600
15
3
1440
2机械系统运动功能系统图
2.1功能描述
瓶子放在两导辊上，尺寸为直径×长度﹦Φ100×200，推瓶机构的推头M在导辊始端平稳地接触瓶子，又以接近均匀的速度推动瓶子，行程为600mm，在到达脱导辊末端时，推头又平稳地脱离瓶子，然后推头快速返回原位，准备第二个工作循环。
2.2机械系统运动分析
在一个运动周期内，推杆在推瓶阶段左近似匀速直线运动，推程为600mm。
在返程时。
推杆的轨迹要高于推瓶阶段的轨迹（大于瓶子的半径）以此满足在返回时不会碰到瓶子。
为提高工作效率，推杆返回的平均速度大于推瓶阶段的平均速度。
据此可画出如下的推头M运动轨迹，如图2。
图2机械的机构运动循环图（推头的轨迹）
3系统方案拟定与比较
3.1方案一
方案一为凸轮—全移动副四杆机构推瓶装置，该机构原理如图3。
图3凸轮—全移动副四杆机构
3.1.1工作原理
该方案利用凸轮与其远休止和近休止时推杆的运动规律来完成推瓶任务。
左侧的凸轮控制推杆的水平运动；右侧的凸轮负责推杆的升降。
两者之间的转速满足一定的关系，以满足下列运动：
左侧凸轮在推程阶段，右侧凸轮正好处于近休止阶段，此时推杆做水平运动，完成推瓶运动；左侧凸轮在远休止阶段时，右侧凸轮正处于推程阶段，此时推杆上升，左侧凸轮在回程阶段，推杆返回原位。
两凸轮配合，实现推头的运动规律。
3.1.2推瓶机构
图4凸轮推杆机构
如图4所示，此机构靠左侧凸轮的旋转实现推杆的水平运动。
在凸轮的推程阶段，推杆实现水平的推瓶运动，在凸轮的回程阶段，推杆返回到原位置。
在进休止和远休止阶段，推杆实现上升和下降。
3.1.3驱动机构
图5齿轮—带轮机构
由工作原理可知，两凸轮的转速相等，考虑到两凸轮的距离比较大，可选用带轮如图5所示。
3.1.4尺寸的确定
现根据传动要求确定凸轮的尺寸：
电动机转速n2=1440r/min;根据生产率15个/s，可确定凸轮A的运动周期T=1/15,得nA=1440r/min
凸轮A与凸轮B是同步的，nA=nB=1440r/min
因为M点在最左点和最右点的水平位移为600mm,则凸轮A表面距凸轮轴的最大距离与最小距离之差为600mm,即此时左凸轮的行程为600mm。
由于急回系数K为3，故可设推程运动角为：
180°；远休止角为：
60°；回程运动角为：
60°；近休止角为：
60°。
凸轮A设计如图6。
图6凸轮A图7凸轮B
现根据传动要求确定凸轮B的大小
电动机转速n2=1440r/min，根据生产率15个/s，可确定凸轮A的运动周期T=1/15,得nA=900r/min。
凸轮A与凸轮B是同步的，nA=nB=900r/min。
凸轮B的设计如图7。
3.2方案二
方案二为凸轮—铰链四杆机构方案，该机构原理如图8所示，图9是其初始状态。
图8凸轮—铰链四杆机构
3.2.1工作原理
该方案利用四杆构件上的一点M的轨迹满足要求，故利用其作为推瓶机构的推头。
而机构有凸轮作为主动件的目的是为了满足M点运动速度的要求，在推头与瓶刚接触与脱离时M点的速度近为零，而在作直线运动时速度平稳,并且利用凸轮可以满足M点的机会特性。
当凸轮转角处于0~60度时，此时四杆机构静止，M点刚好与瓶子脱离；而当凸轮转角在60~120度时，M点沿着一段弧线回去；而当转角在120~180度时四杆机构又处于静止状态，此时M点回到M’点刚好于瓶子接触；当转角在180~360度时，M点推着瓶子沿着直线运动一直达到起始点，如此循环下去。
图9凸轮—铰链四杆机构循环图
3.2.2机构尺寸的确定:
此机构的原型来自于一曲柄摇杆机构：
图10曲柄摇杆机构
由于MM'=420mm;∠BAD=45°;∠BAB'=90°;且由于M''D垂直平分MM'；且当∠BAD=45°时，AB与BM共线；故AM'=420mm;AD=210mm;
AB+BM=594mm。
又在△AB'M'中，已知：
∠M'AB'=135°;由余弦定理可得：
B’M’=495mm;AB=99mm。
又在四边形AB''M''D中有AB''=99mm；AD=210mm;B''M''=495mm;且AD⊥DM''故：
[（495-BC）2+4202-CD2]／[2（495-BC）×420]=0.849;
在由于在△ACD中有AC=99+BCmm;AD=210mm;∠CAD=45°；故可由余弦定理有：
CD2=（99+BC）2+2102-
×210（99+BC）;
有上面两式可确定BC=302mm;CD=293mm.
到现在故可确定∠CDE=75°;DE的长度可自定为80mm。
而凸轮的设计只能满足近似要求：
由于急回系数K为3，故可设推程运动角为：
180°；远休止角为：
60°；回程运动角为：
60°；近休止角为：
60°。
3.2.3驱动机构
由于凸轮的转速为960r/min;而电机的转速同为960r/min；故可凸轮直接可有电机带动。
3.3方案三
为曲柄摇杆—凸轮机构推瓶装置，该机构原理如图11所示。
图11曲柄摇杆—凸轮机构
3.3.1工作原理
电动机的转速通过减速齿轮传递给原动件曲柄，曲柄做匀速圆周运动，并通过滑块带动摇杆运动，摇杆通过滑块与推杆相连。
推杆的升降通过下方的圆柱凸轮来控制。
推瓶行程：
曲柄转过3π\2时，摇杆从最左端摆到最右端，带动滑块水平移动600mm，曲柄的转速通过传动系统与圆柱凸轮的转速相等，故圆柱凸轮也转过3π\2，（凸轮的设计如图），推杆不会上升，只会水平移动，完成推瓶行程。
返回行程：
曲柄继续转动，转过π\2，推杆返回，同时，圆柱凸轮推动推杆上升，完成返程。
3.3.2推瓶装置
推瓶装置为曲柄摇杆—凸轮机构，如图12所示，
图12推瓶装置
曲柄做匀速圆周运动，带动摇杆运动，摇杆上的滑块与推杆连接，实现推杆的推瓶和回程运动。
3.3.3传动机构
该机构为齿轮系—带轮，如图13所示，齿轮Z2装载电动机主轴上，Z2与齿轮Z1外啮合，齿轮Z3通过带轮与齿轮Z1相连，Z3与锥齿轮共轴，锥齿轮Z4与锥齿轮啮合。
电动机转动，最终将转速传递给锥齿轮Z4,Z4带动圆柱凸轮实现旋转。
图13齿轮系—带轮传动机构
现根据传动要求确定齿轮的大小
电动机转速n2=1440r/min，根据生产率15个/s，可确定曲柄的运动周期T=1/15,得n1=900r/min。
z1/z2=1440/900=8/5
根据实际应用及齿轮大小可确定z1=120z2=75，因圆柱凸轮的转速与曲柄一样，故Z3=Z4=Z1=120
3.3.4圆柱凸轮的设计
在此方案中，圆柱凸轮的设计起了很关键的作用，根据推杆的要求轨迹，推杆的上升距离很大，一般凸轮虽然能够满足上升的条件，但不能达到如此大的距离，凸轮远休止角表较小，而此时轮廓线的半径又要求太大，造成凸轮廓线突变太大，连接不平滑，影响稳定性。
图14圆柱的工作示意图
此方案将凸轮设计成圆柱凸轮，可较好的满足运动条件。
如图15所示。
图15圆柱凸轮的设计图
现根据方案要求计算所用各杆的长度：
根据推程为600mm要求，可确定D'D''=600mm。
根据急回系数为3可确定∠C'BC''=90°,得∠C'AC''=90°。
设AB=150mm,
曲柄BC=ABsin45°BC=75
≈106.1mm
根据实际应用，可设点A与点E之间的水平距离为400mm。
由上述分析可知，该机构在最左和最右位置时的位移为600mm，可以完成水平运动600mm的任务。
用作图法可求出推头的运动循环圈，如图16
图16推头的运动循环圈
3.4方案比较
3.4.1优点比较
（1）在上述两个方案中，方案一、二采用凸轮设计，能够实现推头最佳匀速直线运动，方案二、三采用简单杆件，各杆件以销轴（实际为延长了的铰链）相连，结构简单，材料易于获取，成本较低。
（2）方案三采用齿轮、带轮传动，便于分析计算。
3.4.2缺点比较
（1）方案一中，两凸轮的设计尺寸比较大，由于推杆升程的要求，控制推杆上升的凸轮，需要设计成进休止角是远休止角的倍数，凸轮廓线升降幅度很大，降低了平滑度，影响稳定性。
（2）方案二中，对凸轮的设计较严格。
不便于分析计算。
因采用四杆机构，在机构运动过程中存在死点，采用其他措施，如加飞轮，增加了机构的复杂的程度。
（3）方案三曲柄带动连杆运动而使推头M运动，因而不能保证推头M匀速运动；此方案传动系采用齿轮—带轮传动，较其他两个方案复杂。
4选定方案运动尺寸确定
综合三个方案，我们选择第三个方案。
因为
（1）方案一中，凸轮的尺寸设计的太大，加工不方便；若改变工作行程和急回系数，凸轮就需要重新设计，机构的可改造性不好。
（2）方案二，若改变运动参数，凸轮同样需要重新设计。
（3）方案三可以满足不同的生产要求，运动行程的改变，只需改变推杆的水平位置；急回系数的改变，只需改变曲柄的长度。
在推瓶进程中，虽然不能满足匀速直线运动，但因机架与曲柄极位的夹角较小，可近似满足运动条件。
在接触和脱离瓶子时，推头的速度为零，可满足平稳的接触和脱离。
综上所述，方案三最优，所以选择此方案。
5课程设计总结
为期五天的课程设计结束了，这五天是充实而快乐的，我们在其中学习、复习知识，在其中学习解决问题的方法，感触很大，受益匪浅。
现将课程设计总结如下：
首先，我通过此次课程设计，巩固了所学的基本理论、基本概念和基本知识，进一步理解了机械原理这门课程，知道其在实际应用中的重要性。
并对教材中常见的平面连杆、凸轮等机机构有了更深刻的认识，对系统化设计有了一定的了解。
更重要的是培养了自己分析和解决与本课程有关的具体机械所涉及的实际问题的能力，为以后的课程设计打下了良好的基础。
其次，这次课程设计过程中，我明白个人的力量是有限的。
任何优秀的方案都不是个人的杰作，大家在课程设计中相互帮助，积极讨论，对一些问题大胆发表自己的意见，实现了共同的进步，并最终完成了最优方案。
在以后的工作学习中我们还会有这样和他人一起工作学习的机会，这次课程设计为我们提供了锻炼的机会。
最后，在课程设计中也发现了自己的不足，基础知识不扎实，解析法不熟练，在对机构的仿真模拟分析方面做的远远不够，以后在平时的学习中会不断的学习，提高自己解决问题的能力。
也希望老师以后给我们更多的锻炼机会。
衷心感谢曹老师这一学期对我们的教诲，让我们认识机械原理这门课程，不断提高工程素养，谢谢老师在课程设计中的指导。
我想通过这次课程设计我们实践能力会有一个大的提高，在以后的学习中我们也将继续努力，回报老师和学校。
参考文献
[1]孙桓，陈作模.机械原理[M].7版.北京：
高等教育出版社，2006
[2]熊滨生。
现代连杆机构设计[M]，北京：
化学工业出版社。
2005.12
[3]梁崇高.平面连杆机构的计算设计[M]．北京：
高等教育出版社,1993
[4]邹慧君，傅祥志等．机械原理[M]．北京：
高等教育出版社，1999
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