玻璃印花机.docx
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玻璃印花机
机械原理课程设计
设计计算说明书
设计题目：
玻璃瓶印花机构及传动装置
设计者：
学号：
专业班级：
机械工程及自动化班
指导教师：
完成日期：
20年月日
天津理工大学机械工程学院
目录
一设计题目
1.1设计目的…………………………………………………………1
1.2设计题目…………………………………………………………1
1.3设计条件及设计要求……………………………………………2
二执行机构运动方案设计
2.1功能分解与工艺动作分解………………………………………2
2.2方案选择与分析…………………………………………………3
2.3执行机构设计……………………………………………………12
2.4机械系统方案设计运动简图……………………………………17
三传动系统方案设计
3.1传动方案设计……………………………………………………18
3.2电动机的选择……………………………………………………19
3.3传动装置的总传动比和各级传动比分配………………………21
3.4传动装置的运动和动力参数计算………………………………21
四设计小结……………………………………………………………23
五参考文献……………………………………………………………25
一设计题目
1.1设计目的
机械原理课程设计是我们第一次较全面的机械设计的初步训练，是一个重要的实践性教学环节。
设计的目的在于，进一步巩固并灵活运用所学相关知识；培养应用所学过的知识，独立解决工程实际问题的能力，使对机械系统运动方案设计（机构运动简图设计）有一个完整的概念，并培养具有初步的机构选型、组合和确定运动方案的能力，提高我们进行创造性设计、运算、绘图、表达、运用计算机和技术资料诸方面的能力，以及利用现代设计方法解决工程问题的能力，以得到一次较完整的设计方法的基本训练。
机械原理课程设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个构件的尺寸等进行构思、分析和计算，是机械产品设计的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明。
为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，我们参加了此次的机械原理课程设计。
1.2设计题目：
玻璃瓶印花机构及传动装置
玻璃瓶印花机需要完成三个执行动作：
置瓶座（玻璃瓶用人工依顺序装放于座中）作单向间歇（向左）直线移动；定位压块作水平方向的往复移动，以便压紧瓶颈端面或松开；下端装有上墨系统的印花弧形图章上下往复移动。
通过三个执行动作的配合完成玻璃瓶印花工作。
印花过程的工作要求是：
当置瓶座中的玻璃瓶由输送链（或带）移进工作位置后，停止前进，压瓶定位压块开始左移，并压紧瓶颈，使得玻璃瓶固定。
此时，上方的印花弧形图章已向下移动，并压在瓶子柱面上，停止片刻后，印花完毕。
然后，图章上移，定位压块右移松开，输送链带着瓶移开工作位置，后一个瓶又进入工作位置，开始第二次的印花循环过程。
印花后的瓶经烘干后，自动装入专用包装箱内。
1.3设计条件及设计要求
分配轴转速n（r/min）
15
分配轴转矩M（N·mm）
1850
玻璃瓶单程移距（mm）
115
印花图章上下移距（mm）
52
定位压块左右移距（mm）
25
（1）工作条件：
2班制，工作环境良好，有轻微振动；
（2）使用期限十年，大修期三年；
（3）生产批量：
小批量生产（<20台）；
（4）带传动比i≤3；
（5）采用Y型电动机驱动。
（6）分配轴：
与减速器输出轴相连接（各执行机构的输入轴）
二、执行机构运动方案设计
2.1功能分解与工艺动作分解
1）功能分解
为了实现玻璃瓶印花的总功能，将功能分解为：
玻璃瓶输送功能、玻璃瓶定位功能、印花功能。
2）工艺动作过程
要实现上述分功能，有下列工艺动作过程：
（1）利用间歇机构带动传送链（带）将玻璃瓶输送到指定位置，玻璃瓶到位后，间歇机构停歇等待下一循环。
（2）玻璃瓶定位机构向左移动，压紧瓶颈，使得玻璃瓶固定。
（3）印花机构向下移动，压在瓶子柱面上，停止片刻后，印花机构上移。
（4）玻璃瓶定位机构向右移动，松开瓶颈。
（5）间歇机构带动传送链（带）将玻璃瓶移开工作位置，开始第二次印花循环过程。
2.2方案选择与分析
1.方案选择
1）印花机构
方案一：
连杆复合机构
方案二：
连杆复合机构
方案三：
曲柄滑块机构
方案四：
凸轮连杆复合机构
方案五：
连杆复合机构
方案六：
滚子弹簧凸轮机构
方案七：
凸轮滚子连杆复合机构
表2印花机构部分运动方案定性分析
方
案
号
主要性能特征
功能
功能质量
经济适用性
运动变换
印花时间
工作平稳性
磨损与变形
效率
复杂性
加工装配难度
成本
运动尺寸
１
满足
长
平稳
强
高
较简单
较难
低
较大
２
满足
长
平稳
强
较高
较简单
较难
低
较小
３
满足
较短
一般
一般
高
较简单
易
低
较小
４
满足
长
一般
一般
高
复杂
较难
高
较大
５
满足
短
一般
一般
高
复杂
较难
较高
较大
６
满足
较短
一般
一般
高
复杂
易
低
较小
７
满足
较长
较平稳
强
较高
复杂
较难
较高
较大
对以上方案初步分析如表4。
从表中的分析结果不难看出，方案1,2,4,5，的性能明显较差；方案7尚可行，因此3,6这两个方案可作为被选方案，待运动设计，运动分析和动力分析后，通过定量评价选出最优方案。
2）玻璃瓶输送机构
方案一：
不完全齿轮机构
方案二：
外槽轮机构
方案三：
不完全齿轮机构
方案四：
外啮合齿式棘轮机构
表3玻璃瓶输送机构部分运动方案定性分析
方案号
功能
经济适用性
间歇送进
工作平稳性
磨损与变形
效率
复杂性
加工装配难度
成本
运动尺寸
1
有
平稳
一般
较高
较复杂
较难
较高
较大
2
有
平稳
强
较高
较复杂
较难
较高
较大
3
有
平稳
一般
较低
复杂
最难
高
较小
4
有
平稳
一般
较低
复杂
难
高
较大
对以上方案初步分析如表3。
从表中的分析结果不难看出，方案4的性能较差；方案1,2较好.而方案2可为最优方案。
3）玻璃瓶定位机构
方案一：
曲柄滑块机构
方案二：
连杆复合机构
方案三：
齿轮齿条机构
方案四：
凸轮滚子连杆复合机构
方案五：
槽凸轮机构
方案六：
连杆复合机构
方案七：
槽轮滑块机构
方案八：
三角正弦机构
表4玻璃瓶定位机构部分运动方案定性分析
方
案
号
主要性能特征
功能
功能质量
经济适用性
运动变换
增力
固定时间
工作平稳性
磨损与变形
效率
复杂性
加工装配难度
成本
运动尺寸
１
满足
较强
较长
一般
强
较高
简单
简单
低
较大
２
满足
弱
短
有冲击
一般
较高
复杂
难
高
较大
３
满足
强
较长
一般
一般
高
简单
易
低
较大
４
满足
较强
短
一般
强
较高
复杂
较难
较高
较小
５
满足
强
长
平稳
一般
高
简单
较难
较高
较大
６
满足
较强
较长
一般
强
较高
复杂
较难
较高
较小
７
满足
弱
较短
较平稳
一般
较高
简单
简单
低
较大
对以上方案初步分析如表4。
从表中的分析结果不难看出，方案2，4，6的性能明显较差；方案3，5,8尚可行，方案8有较好综合性能，因此5.8这两个方案可作为被选方案，待运动设计，运动分析和动力分析后，通过定量评价选出最优方案。
2.执行机构运动方案的形成
机器中各工作机构都可按前述方法构思出来，并进行评价，从中选出最佳的方案。
将这些机构有机地组合起来，形成一个运动和动作协调配合的机构系统。
为使各执行构件的运动、动作在时间上相互协调配合，各机构的原动件通常由同一构件（分配轴）统一控制。
1）曲柄滑块印花机构，外槽轮输送机构，槽凸轮定位机构
如图1所示，印花机构是由曲柄滑块组成的。
输送机构由不完全齿轮机构完成。
定位机构由槽凸轮机构组成。
通过控制摇杆的长度可以控制定位的时间和滑块的移动距离。
弹簧滑块机构可以供给玻璃瓶足够的压力使其定位。
图1
2）凸轮—弹簧印花机构，不完全齿轮输送机构，三角正弦定位机构
如图2示，印花机构是由凸轮机构和弹簧组合而成的。
输送机构由外槽轮机构完成。
定位机构由三角正弦机构构成。
图2
3．机构组合方案的确定
根据所选方案是否能满足要求的性能指标，结构是否简单、紧凑；制造是否方便；成本是否低等选择原则。
经过前述方案评价，采用系统工程评价法进行分析论证，确定方案1）是上述两个方案中最为合理的方案。
2.3执行机构设计
1.执行机构设计
执行机构分别为：
①曲柄滑块印花机构
②不完全齿轮输送机构
槽凸轮定位机构
印花机构的设计:
凸轮机构的设计；
输送机构的设计:
槽轮机构的设计；
定位机构的设计:
摇杆机构的设计；
1）印花机构的设计
曲柄滑块机构设计
设计要求印花图章上下移距为52mm，设曲柄长为L1，连杆长为L2。
建立几何关心得出L1=26mm，L2=52mm。
经分析列出以下结果：
（绿色为位移曲线，红色为速度曲线，蓝色为加速度曲线）
该机构的最小传动角ａ=60°，滑块最大速度v=146.0137mm/s，滑块最大加速度a=975mm/s2.
2）定位机构设计
曲柄机构设计
设计要求定位压块左右移距为25mm。
凸轮的基圆半径为r1=30mm，滚子半径r2=5mm，回程角和推程角Φ1，Φ2为150°.远休止角为Ψ1=60°，近休止角Ψ=0°为了防止出现刚性冲击，故采用等加速等减速运动规律。
设计结果如图所示。
滚子位于最小位移处
滚子位于最大位移处
（绿色为位移曲线，红色为速度曲线，蓝色为加速度曲线）
滚子轮廓线
3）输送机构的设计
外槽轮机构的设计
其φ1角取90°。
根据设计要求玻璃瓶单程移距为115mm。
因此πD/4=115，所以的D≈146.5mm
2.运动循环图
印花图章
定位压块
智瓶座移动
主动件旋转15o，印章开始离开玻璃瓶，向上方移动。
主动件旋转120o，定位压块向右移动，离开玻璃瓶。
主动件旋转135o，传送带带动玻璃瓶向左移动。
主动件旋转165o，印章停止移动。
主动件旋转180o，定位压块开始向左移动。
主动件旋转195o，印章开始向下方移动。
主动件旋转225o，传送带停止运转。
主动件旋转240o，定位压块压紧玻璃瓶，并停止移动。
主动件旋转345o，印花图章接触玻璃瓶，停止移动，开始印花过程。
开始下一个循环。
2.4机械系统方案设计运动简图
三维立体图
CAD三维立体图
三、传动系统方案设计
3.1传动方案设计
传动系统位于原动机和执行系统之间，将原动机的运动和动力传递给执行系统。
除进行功率传递，使执行机构能克服阻力作功外，它还起着如下重要作用：
实现增速、减速或变速传动；变换运动形式；进行运动的合成和分解；实现分路传动和较远距离传动。
传动系统方案设计是机械系统方案设计的重要组成部分。
当完成了执行系统的方案设计和原动机的预选型后，即可根据执行机构所需要的运动和动力条件及原动机的类型和性能参数，进行传动系统的方案设计。
在保证实现机器的预期功能的条件下，传动环节应尽量简短，这样可使机构和零件数目少，满足结构简单，尺寸紧凑，降低制造和装配费用，提高机器的效率和传动精度。
根据设计任务书中所规定的功能要求，执行系统对动力、传动比或速度变化的要求以及原动机的工作特性，选择合适的传动装置类型。
根据空间位置、运动和动力传递路线及所选传动装置的传动特点和适用条件，合理拟定传动路线，安排各传动机构的先后顺序，完成从原动机到各执行机构之间的传动系统的总体布置方案。
机械系统的组成为：
原动机→传动系统（装置）→工作机（执行机构）
原动机：
Y系列三相异步电动机；
传动系统（机构）：
常用的减速机构有齿轮传动、行星齿轮传动、蜗杆传动、皮带传动、链轮传动等，根据运动简图的整体布置和各类减速装置的传动特点，选用二级减速。
第一级采用皮带减速，皮带传动为柔性传动，具有过载保护、噪音低、且适用于中心距较大的场合；第二级采用齿轮减速，因斜齿轮较之直齿轮具有传动平稳，承载能力高等优点，故在减速器中采用斜齿轮传动。
根据运动简图的整体布置确定皮带和齿轮传动的中心距，再根据中心距及机械原理和机械设计的有关知识确定皮带轮的直径和齿轮的齿数。
故传动系统由“V带传动+二级圆柱斜齿轮减速器”组成。
原始数据：
已知工作机（执行机构原动件）主轴：
转速：
nW=15（r/min）
转矩：
Mb=1850（N.m）
3.2电动机的选择
1）选择电动机类型
按已知工作要求和条件选用Y系列一般用途的全封闭自扇冷式笼型三相异步电动。
2）选择电动机容量
a．工作轴输出功率：
PW=Mω/1000（KW）
ω=πnW/30=15π/30=1.57080（rad/s）
PW=Mω/1000=1850*1.57080/1000=2.90597KW
注：
工作轴——执行机构原动件轴。
b．所需电动机的功率：
Pd=PW/ηa
ηa----由电动机至工作轴的传动总效率
ηa=η带×η轴承3×η齿轮2×η联
查表可得：
对于V带传动:
η带=0.96
对于8级精度的一般齿轮传动：
η齿轮=0.97
对于一对滚动轴承：
η轴承=0.99
对于弹性联轴器：
η联轴器=0.99
则
ηa=η带×η轴承3×η齿轮2×η联
=0.96×0.994×0.972×0.99
=0.876
∴ Pd=PW/ηa=2.90597/0.876=3.31732KW
查各种传动的合理传动比范围值得：
V带传动常用传动比范围为i带=2～4，双级圆柱齿轮传动比范围为i齿=9～16，则电动机转速可选范围为
nd=i带×i齿2×nW
=（2～4）（9～16）×nW
=（18～64）×nW
=（18～64）×15
=270～960r/min
符合这一转速范围的同步转速有600r/min750r/min，根据容量和转速，由有关手册查出三种适用的电动机型号，同步转速为600r/min的电动机的额定功率远远大于所需功率，因此只能在同步转速为750r/min中选择适合的电动机。
方案
电动机型号
额定功率ped/kw
电动机转速/r/min
电动机质量/kg
同步
满载
1
Y160M1-8
4
750
720
105
2
Y160M2-8
5.5
750
720
115
3
Y160L-8
7.5
750
730
79
由表中三种方案，综合考虑电动机和传动装置的尺寸、结构和带传动及减速器的传动比，认为方案3的传动比较合适，所以选定电动机的型号为Y160L-8.
Y160L-8电动机数据如下:
额定功率：
7.5Kw
满载转速：
n满=730r/min
同步转速：
750r/min
3.3传动装置的总传动比和各级传动比分配
1．传动装置的总传动比
i总=n满/nW=730/15=48.7
2．分配各级传动比
根据《机械设计课程设计》表2.2选取，对于三角v带传动,为避免大带轮直径过大,取i12=3；
则减速器的总传动比为i减=i总/i带=48.7/3=16.2
对于两级圆柱斜齿轮减速器,按两个大齿轮具有相近的浸油深度分配传动比,取ig=1.3id
i减=ig×id=1.3i2d=16.2
i2d=16.2/1.3=12.479
id=3.533
ig=1.3id=1.3×3.533=4.592
注：
ig-高速级齿轮传动比；
id–低速级齿轮传动比；
3.4传动装置的运动和动力参数计算
计算各轴的转速：
电机轴：
n电=730r/min
Ⅰ轴nⅠ=n电/i带=730/3=243.33r/min
Ⅱ轴nⅡ=nⅠ/ig=243.33/4.592=52.99r/min
Ⅲ轴nⅢ=nⅡ/id=52.99/3.533=15r/min
计算各轴的输入和输出功率：
Ⅰ轴：
输入功率PⅠ=Pdη带=3.31732×0.96=3.18kw
输出功率PⅠ=3.18η轴承=3.18×0.99=3.15kw
Ⅱ轴：
输入功率PⅡ=3.15×η齿轮=3.15×0.97=3.05kw
输出功率PⅡ=3.05×η轴承=3.05×0.99=3.03kw
Ⅲ轴输入功率PⅢ=3.03×η齿轮=3.03×0.97=2.94kw
输出功率PⅢ=2.94×η轴承=2.94×0.99=2.90kw
计算各轴的输入和输出转矩：
电动机的输出转矩Td=9.55×106×Pd/n电=9.55×106×3.31732/730
=43.397×103N·mm
Ⅰ轴：
输入转矩TⅠ=9.55×106×PⅠ/nⅠ=9.55×106×3.18/243.33
=124.805×103N·mm
输出转矩TⅠ=9.55×106×PⅠ/nⅠ=9.55×106×3.15/243.33
=123.628×103N·mm
Ⅱ轴：
输入转矩TⅡ=9.55×106×PⅡ/nⅡ=9.55×106×3.05/52.99
=549.679×103N·mm
输出转矩TⅡ=9.55×106×PⅡ/nⅡ=9.55×106×3.03/52.99
=546.047×103N·mm
Ⅲ轴输入转矩TⅢ=9.55×106×PⅢ/nⅢ=9.55×106×2.94/15
=1871.8×103N·mm
输出转矩TⅢ=9.55×106×PⅢ/nⅢ=9.55×106×2.90/15
=1846.333×103N·mm
将运动和动力参数计算结果进行整理并列于下表：
轴名
功率p/kw
转矩T（N·mm）
转速n/r·min-1
传动比i
效率η
输入
输出
输入
输出
电机轴
3.317
43.397×103
730
3
Ⅰ轴
3.18
3.15
124.805×103
123.628×103
243.33
4.592
Ⅱ轴
3.05
3.03
549.679×103
546.047×103
52.99
3.533
Ⅲ轴
2.94
2.90
1871.8×103
1846.333×103
15
项目
计算及说明
计算结果
I轴：
输入功率PⅠ1
输出功率pⅠ2
转速nⅠ
输入转矩TⅠ1
输出转矩TⅠ2
Ⅱ轴：
输入功率PⅡ1
输出功率PⅡ2
转速nⅡ
输入转矩TⅡ1
输出转矩TⅡ2
Ⅲ轴：
输入功率PⅢ1
输出功率PⅢ2
转速nⅢ
输入转矩TⅢ1
输出转矩TⅢ2
PⅠ1=Pdη带=3.31732×0.96=3.18kw
PⅠ2=3.18η轴承=3.18×0.99=3.15kw
nⅠ=n电/i带=730/3=243.33r/min
TⅠ1=9.55×106×PⅠ/nⅠ=9.55×106×3.18/243.33=124.805×103N·mm
TⅠ2=9.55×106×PⅠ/nⅠ=9.55×106×3.15/243.33=123.628×103N·mm
PⅡ1=3.15×η齿轮=3.15×0.97=3.05kw
PⅡ2=3.05×η轴承=3.05×0.99=3.03kw
nⅡ=nⅠ/ig=243.33/4.592=52.99r/min
TⅡ1=9.55×106×PⅡ/nⅡ=9.55×106×3.05/52.99=549.679×103N·mm
TⅡ2=9.55×106×PⅡ/nⅡ=9.55×106×3.03/52.99=546.047×103N·mm
PⅢ1=3.03×η齿轮=3.03×0.97=2.94kw
PⅢ2=2.94×η轴承=2.94×0.99=2.90kw
nⅢ=nⅡ/id=52.99/3.533=15r/min
TⅢ1=9.55×106×PⅢ/nⅢ=9.55×106×2.94/15=1871.8×103N·mm
TⅢ2=9.55×106×PⅢ/nⅢ=9.55×106×2.90/15=1846.333×103N·mm
PⅠ1=3.18kw
PⅠ2=3.15kw
n=243.33r/min
TⅠ1=124.805×103N·mm
TⅠ2=123.628×103N·mm
PⅡ1=3.05kw
PⅡ2=3.03kw
n=52.99r/min
TⅡ1=549.679×103N·mm
TⅡ2=546.047×103N·mm
PⅢ1=2.94kw
PⅢ2=2.90kw
nⅢ=15r/min
TⅢ1=1871.8×103N·mm
TⅢ2=1846.333×103N·mm
四、设计小结
这次课程设计，我拿到的题目是玻璃瓶印花机构及传动装置。
其实它就是运用机械原理课上所学过的连杆机构，凸轮，带传动，间歇运动，齿轮传动，链条传动原理等。
针对这次的设计任务所出的题目定制计划，我首先借阅书籍搜集资料，通过资料启发灵感并设计方案，并通过筛选和优化确定最终方案和最终方案的参数。
然后为最终方案的运动分析设计程序，并进行程序的开发和方案的运动分析，接下来对方案进行实体造型仿真，将仿真结果以动画形式输出，最后整理资料编写设计说明书，完成设计任务
在这次设计任务中，我确实遇到了许多自己无法解决的问题，不过通过书籍，互联网和老师的帮助，所有问题得以解决，最终保证了这次设计任务顺利进行。
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