机械创新课程设计自动化垃圾桶套袋装置说明书.docx
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机械创新课程设计自动化垃圾桶套袋装置说明书
自动化垃圾桶套袋装置说明书
一：
设计背景
垃圾桶作为我们日常生活中必备的东西已成为家庭生
活的一部分，通常人们在使用垃圾桶时习惯在垃圾桶上套
上一层塑料袋，一是为了倒垃圾时更方便一些，二是给垃
圾桶套上塑料袋可以避免垃圾直接与垃圾桶接触导致部分
残留在垃圾桶上，既不卫生，又导致垃圾桶难以清洗的问
题。
但在使用垃圾桶时需要时常给垃圾桶套袋不免会让人
觉得麻烦，那么可不可以设计一种机械装置能自动给垃圾
桶套上塑料袋呢？
既能方便的给垃圾桶套上塑料袋，又不
会让人觉得不麻烦，自动化垃圾袋套袋装置正是基于这个
背景而设计的解决垃圾筒套袋问题的生活机械。
二：
设计思路
将塑料袋套在垃圾桶上需要完成两个动作，一是要将
折叠的塑料袋拉开，二是要将打开的塑料袋套在垃圾桶上，
才能实现自动套袋。
因此可以大致分为水平和竖直方向的
运动，水平运动将折叠的塑料袋拉开，竖直的运动将打开
的塑料袋套在垃圾桶上，因为丝杠螺母装置可以实现将电
机的旋转运动转换为丝杠的水平运动，故相关运动的实现
可以使用丝杠螺母机构。
套袋的整个过程为首先将折叠的
成卷塑料袋卷在卷筒上，卷筒的电机运动将垃圾袋移动至
指定位置，然后水平丝杠装置相向运动同时垃圾袋两边类
似吸尘器的装置工作形成负压吸住折叠的塑料袋的两面，
接着卷筒反向转动将连在一起的折叠塑料袋分开一个，然
后负压装置向两边水平运动，将折叠的塑料袋拉开，最后
被拉开的塑料袋竖直向下运动，套在垃圾桶上，完成自动
化套袋。
三：
作品简介
自动化垃圾袋套袋装置大体结构如下图所示：
该装置整个工作过程为：
1. 将折叠的成卷塑料袋卷在卷筒上2. 竖直丝杠电机反
向工作，水平丝杠向上运动，将类吸尘器装置由初始位置
上升至适当位置3.卷筒电机工作，卷筒转动将垃圾袋移动
至指定位置，卷筒电机停止工作4.控制水平运动丝杠运动
电机工作，类吸尘器装置相对移动，将折叠的塑料袋压紧
后电机停止工作5.类吸尘器装置风扇电机工作，风扇转
动，在折叠的塑料袋两侧形成负压将塑料袋夹紧，该电机
继续工作6.卷筒电机工作卷筒反向转动将连在一起的折
叠塑料袋分开一个，该电机停止工作7.控制水平运动丝
杠运动电机反向工作，水平丝杠相向运动，将折叠的单个
塑料袋拉开至一定程度，该电机停止工作8.控制竖直方向
运动的电机运动，拉开的塑料袋随将其夹紧的类吸尘器装
置向下运动，至将拉开的塑料袋套在垃圾桶上后，类吸尘
器装置风扇电机停止工作，风扇停止转动，完成套袋工作，
类吸尘器装置回到初始位置，一个工作循环结束。
自动化垃圾袋套袋装置部分结构介绍如下：
1. 底座垃圾桶部分
底座垃圾桶部分为一个整体结构。
除底座和垃圾桶
部分外，还有限制竖直丝杠的两根细杆，支撑卷筒电机
放置的肋板结构以及安装电机的底板结构。
2. 丝杠螺母装置部分
丝杠螺母装置利用丝杠螺母结构可以实现将旋转运
动转化为直线运动的原理，达到水平运动和竖直运动的
结果。
图中红色部分为控制水平丝杠运动的电机，该电
机固定在关节部分零件上（图中标示为蓝色部分，蓝色
部分零件结构如下图所示），该电机转动，然后通过一对
啮合齿轮以及齿轮和水平丝杠的配合，实现水平丝杠的
直线运动。
竖直丝杠通过底部电机和带传动机构实现转动，然
后通过与之配合的蓝色零件和底座部分的两根细杆的限
制作用实现水平丝杠的竖直运动。
关节部分零件结构图（上图中蓝色部分零件）
该关节部分零件的两个大的通孔轴线互相垂直，其中
一个有内螺纹，和竖直丝杠形成配合，而另一个通孔无内
螺纹，与水平丝杠配合，有内螺纹的大通孔旁边有一个小
的通孔，该通孔与底板上细杆配合，起辅助限制竖直丝杠
装置中关节零件的作用，此外该关节部分零件还有安装固
定电机的底板和辅助水平丝杠运动的曲面结构。
3. 类吸尘器装置部分
类吸尘器装置由带有许多细孔结构和带风扇叶的电机
构成。
通过扇叶转动在细孔处形成负压，从而达到吸紧塑
料袋的目的。
4. 电机部分
该自动套袋装置一共使用了 6 个电机（在总的装配
图上标示为红色部分）。
其中带动竖直丝杠转动的电机固
定在底座上，通过带传动机构，垃圾筒两边丝杠共用一
个电机，控制水平丝杠水平运动的电机有两个，分别控
制两个水平丝杠的运动，这两个电机固定在关节部分零
件上，随水平丝杠一起运动，控制转筒的电机固定在底
座的肋板装置上，然后类吸尘器装置中控制风扇转动的
两个电机固定在该装置上。
各电机在不同时刻工作具体情况如下表所示，为简
电机
编号
工作
过程
A
B
C
D
E
F
1
——
——
——
——
——
——
2
-
-
-
——
——
——
3
——
——
——
——
——
+
4
——
+
+
——
——
——
5
——
——
——
+
+
——
6
——
——
——
+
+
-
7
——
-
-
+
+
——
8
-
——
——
+
+
——
化表达，工作过程依次编号 1~8，电机编号 A~F,其中控制
竖直丝杠运动的电机，即底座部分下边的电机编号 A,控
制水平丝杠水平移动的两个电机依次编号 B，C，控制类
吸尘器装置中风扇转动的两个电机依次编号 D，E，控制
转筒转动的电机编号 F，此外“+”表示电机正转，“-”
表示电机反转，“——”表示电机停止工作，各电机具体
工作状态如下表所示：
四：
数据处理
齿轮的设计与校核:
此设计的齿轮是控制丝杠沿左右方向移动的，驱动齿轮的电机
为步进电机，齿轮不做减速之用，传动比为 1，且为开式齿轮传动。
设水平丝杠所受最大轴向力为 F=100N。
1. 选定齿轮类型，精度等级，材料，齿数。
1）如图所示传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。
2）机器转速不高，故选用 7 级精度（GB 10095—88）。
3）材料选择。
大小齿轮都选 45 钢（调质）硬度为 240HBS。
4）选小齿轮齿数 Z1=28，大齿轮齿数 Z2=1×28=28。
2. 按齿根弯曲强度校核
齿根弯曲强度的校核公式为
𝑚 ≥
3
2𝑘𝑇1 𝑌𝐹𝑎𝑌𝑆𝑎
∅𝑑𝑍12 [𝜎𝐹]
1）计算齿轮传递的转矩
𝑇1
2= 100 × 19 ×
tan （15° + 57.22°）
2
d2 为螺旋传动中径，d2=19mm;
𝛼
为螺纹在中径处的升角;
𝜑𝑣为当量摩擦角，𝜑𝑣 = tan
‒ 1 𝑓
cos 𝛽
1.5
2）由《机械设计》图 10-20c 查得大小齿轮的弯曲强度极限
𝜎𝐹𝐸 = 380𝑀𝑃𝑎；
3）由图 10-18 取弯曲疲劳寿命系数 KFN=2，取应力循环次数
N=5×104。
4）由表 10-7 选取齿宽系数∅𝑑 = 1。
5）计算弯曲疲劳许用应力。
取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式（10-12）得
𝑆 =
2 × 380
1.4 𝑀𝑃𝑎 = 542.86𝑀𝑃𝑎
6）计算载荷系数 K。
𝐾 = 𝐾𝐴𝐾𝑉𝐾𝐹𝛼𝐾𝐹𝛽 = 1 × 1.1 × 1 × 2.5 = 2.75
7）查齿形系数。
由表 10-5 查得 𝑌𝐹𝑎1 = 𝑌𝐹𝑎2 = 2.55。
8）查取应力矫正系数。
由表 10-5 查得 𝑌𝑆𝑎1 = 𝑌𝑆𝑎2 = 1.61。
9）设计计算
𝑚 ≥ 3 2 × 2.75 × 2962.5 2.55 × 1.61
542.86
）
𝑚𝑚 = 0.68𝑚𝑚
模数满足设计要求
3. 几何尺寸计算
（1）计算分度圆直径
𝑑1 = 𝑑2 = 𝑧𝑚 = 28 × 1 = 28𝑚𝑚
（2）计算中心距
2= 28𝑚𝑚
（3）计算齿轮宽度
𝑏 = ∅𝑑𝑑1 = 0.5 × 28 = 14𝑚𝑚
五：
作品评价
该自动化垃圾袋套袋装置具有自动给塑料桶套袋的作用，
可以解决人工给垃圾桶套袋的麻烦，更加方便人们的生活，想
法独特，有一定的实用价值，但也有一些不足之处，主要表现
以下方面：
1. 该装置的部分零件比较难以加工，比如底座垃圾筒部分，关
节部分零件等。
2. 由于该装置使用较多伺服电机及其协调控制装置，所以装置
整体造价较高，经济型不好。
3. 该装置对塑料垃圾带大小规格有一定使用限制。
4. 整个装置总体占地面积较大，有一定的不方便性。
5. 对于套袋过程中意外停电，塑料垃圾袋破损等意外事故缺乏
较好的补救机制。
6.该装置中各个伺服电机的协调运动控制比较复杂。
六：
参考文献
1.机械设计（八版）. 濮良贵等.北京:
高等教育出版社,2006
2.机械原理（七版）. 孙恒等.北京:
高等教育出版社,2006
3.机械设计手册. 成大先等.北京:
化学工业出版社,2005
4.机械加工工艺手册. 王先逵.北京:
机械工业出版社,2006
5.机电一体化系统设计.赵松年等.机械工业出版社，2004
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