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自動(dòng)洗瓶機(jī)機(jī)構(gòu) 說(shuō)明書 機(jī)械工程 學(xué)院 機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化 專業(yè) 08級(jí)機(jī)自2 班 設(shè)計(jì)者 指導(dǎo)教師 鄭立娟 2010 年 6 月 30 日 目 錄 一．題目：自動(dòng)洗瓶機(jī)機(jī)構(gòu) 4 1.1 工作原理及工藝動(dòng)作過(guò)程 4 1.2 設(shè)計(jì)任務(wù) 4 1.3 原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)要求 5 二．設(shè)計(jì)方案的擬定和比較 5 2.1 設(shè)計(jì)方案一：凸輪-鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) 6 2.2 設(shè)計(jì)方案二：凸輪-全移動(dòng)副四桿機(jī)構(gòu) 6 2.3 設(shè)計(jì)方案三：六桿機(jī)構(gòu) 7 2.4 分析選擇最終方案 7 三．六桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析 9 3.1 六桿機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì) 9 3.2 六桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 10 3.3 六桿機(jī)構(gòu)推桿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的驗(yàn)證 15 四．槽輪機(jī)構(gòu)的分析 20 五．洗瓶機(jī)機(jī)構(gòu)循環(huán)圖 21 ５.１ 洗瓶機(jī)構(gòu)循環(huán)路線分析 21 ５.2 洗瓶機(jī)機(jī)構(gòu)循環(huán)圖 21 六．洗瓶機(jī)總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及其工作原理 23 6.1 洗瓶機(jī)總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 23 6.2 洗瓶機(jī)工作原理 24 七．收獲與體會(huì) 26 八．參考文獻(xiàn) 28 一、題目：自動(dòng)洗瓶機(jī)機(jī)構(gòu) 1.1 工作原理及工藝動(dòng)作過(guò)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(guò)急回運(yùn)動(dòng)提高效率，利用刷子旋轉(zhuǎn)將瓶子清洗干凈。 1.2 設(shè)計(jì)任務(wù) 1）給出工作原理，原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)要求。 2）根據(jù)工藝動(dòng)作要求擬定運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖。 3）進(jìn)行各部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選型。 4）提出2～3種機(jī)械傳動(dòng)方案。（畫出草圖） 5）進(jìn)行方案的評(píng)定和選擇。 6）對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)和計(jì)算。 7) 按比例畫出運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。 8) 對(duì)典型機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析（可應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助分析手段，例如機(jī)構(gòu)仿真）。 9) 提交項(xiàng)目說(shuō)明書一份。 1.3 原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)要求 1) 瓶子實(shí)際尺寸。大端直徑d=80mm，長(zhǎng)200mm。 2) 推頭推進(jìn)實(shí)際距離l=320mm,推瓶機(jī)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(jìn)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(shí)的推頭平均速度為工作推進(jìn)時(shí)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(gè)機(jī)構(gòu)的工作要求，我們規(guī)定推進(jìn)機(jī)構(gòu)中原動(dòng)件曲柄素轉(zhuǎn)為w=1rad/s。 5) 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性能良好，機(jī)構(gòu)緊湊，制造方便。。 二、設(shè)計(jì)方案的擬定和比較 2.1 設(shè)計(jì)方案一：凸輪-鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) 圖2—1 自由度F=3n－2pl－ph=34－２５－１=１ 2.2 設(shè)計(jì)方案二：凸輪-全移動(dòng)副四桿機(jī)構(gòu) 圖2—2 自由度F=3n－2pl－ph=34－24－2=2 2.3 設(shè)計(jì)方案三：六桿機(jī)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(jì)要求知：①推瓶機(jī)構(gòu)應(yīng)使推頭平穩(wěn)地接觸和推進(jìn)瓶子，然后推頭快速返回原位，即回程是個(gè)急回運(yùn)動(dòng)；②按生產(chǎn)率的要求，我們規(guī)定返回時(shí)的推頭平均速度為工作推進(jìn)時(shí)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(jì)的三種方案均能滿足以上的設(shè)計(jì)要求，但方案一的凸輪-鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，從動(dòng)件1與連桿2共線時(shí)會(huì)形成死點(diǎn)，因此要注意采取度過(guò)死點(diǎn)位置的措施，這樣會(huì)使機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜，給制造帶來(lái)不便，故舍棄方案一；方案二的凸輪-全移動(dòng)副四桿機(jī)構(gòu)由于水平方向軌跡太長(zhǎng)，造成凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的行程過(guò)大，而使相應(yīng)凸輪尺寸過(guò)大，致使機(jī)構(gòu)占用空間過(guò)大，并且浪費(fèi)材料，故舍棄方案二；方案三的六桿機(jī)構(gòu)不存在上面兩種方案的缺點(diǎn)，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下還有以下優(yōu)點(diǎn)：①該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副全為低副，并且運(yùn)動(dòng)副元素間便于潤(rùn)滑，故可傳遞較大載荷；②運(yùn)動(dòng)副元素的幾何形狀簡(jiǎn)單，便于加工制造；③運(yùn)行過(guò)程中：推頭右行時(shí)，速度較低且均勻，可以提高推瓶質(zhì)量；推頭左行時(shí)，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(jī)機(jī)構(gòu)的最終方案。 三、六桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析 3.1 六桿機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì) 圖3—1 根據(jù)原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)要求知：推頭推進(jìn)距離=320mm，推頭行程速比系數(shù)k=1.5,設(shè)計(jì)六桿機(jī)構(gòu)原動(dòng)件曲柄，從動(dòng)件，如上圖所示，機(jī)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(zhǎng)度mm，為使機(jī)構(gòu)的傳遞效率比較高，要求推桿在整個(gè)行程中有較小的壓力角。如圖所示當(dāng)FG的中點(diǎn)位于導(dǎo)路所在直線上時(shí)，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(jī)構(gòu)的三維立體圖演示運(yùn)動(dòng)情況，經(jīng)驗(yàn)證，符合要求，說(shuō)明設(shè)計(jì)的六桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的尺寸大小合適。 3.2 六桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 用解析法對(duì)六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 由設(shè)計(jì)要求知：原動(dòng)件曲柄的角位移＝t＝t＝t 1.在圖3—2中，設(shè)原動(dòng)件曲柄長(zhǎng)度lAB=l1，鉸鏈A與鉸鏈C之間的距離lAC=l4,點(diǎn)B與點(diǎn)C之間的距離lBC=S, 圖3—2 （1） 桿CD角位移分析。 機(jī)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(duì)時(shí)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(duì)時(shí)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(zhǎng)度lCD=l2,桿DE的長(zhǎng)度lDE=l3,點(diǎn)Ｏ與點(diǎn)Ｃ之間的距離lOC=l5,點(diǎn)Ｏ與點(diǎn)Ｅ之間的距離lOE=h 圖3—3 （1）推桿位置分析， 機(jī)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(duì)時(shí)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(duì)時(shí)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(jī)構(gòu)推桿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的驗(yàn)證 選取一系列時(shí)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(duì)應(yīng)的一系列推桿位移、速度、加速度的值，用描點(diǎn)法分別作出推桿位移、速度、加速度與時(shí)間t的關(guān)系圖像，經(jīng)驗(yàn)證與用ProE生成的六桿機(jī)構(gòu)推桿位移、速度、加速度與時(shí)間t的關(guān)系圖像一致，說(shuō)明用解析法對(duì)六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是正確的。 以下分別是用ProE做出六桿機(jī)構(gòu)的三維立體圖后生成的推桿位移、速度、加速度與時(shí)間的關(guān)系圖像以及推桿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析圖像。 推桿位移—時(shí)間關(guān)系圖像 圖3—4 推桿速度—時(shí)間關(guān)系圖像 圖3—5 推桿加速度—時(shí)間關(guān)系圖像 圖3—6 推桿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析圖像 圖3—7 四、槽輪機(jī)構(gòu)的分析 圖4—1 如圖4—1所示，設(shè)為槽輪每次運(yùn)動(dòng)時(shí)所轉(zhuǎn)過(guò)的轉(zhuǎn)角，為槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)主動(dòng)撥盤所轉(zhuǎn)過(guò)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(jì)主動(dòng)撥盤的角速度和原動(dòng)件曲柄的角速度相同皆為1，轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間為2/1=6.28s,故槽輪的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為6.28/4=1.57s，即主動(dòng)撥盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周過(guò)程中，槽輪相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)90。 五、洗瓶機(jī)機(jī)構(gòu)循環(huán) ５.１ 洗瓶機(jī)構(gòu)循環(huán)路線分析 1.首先確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)時(shí)間T執(zhí)。即可選取推瓶機(jī)構(gòu)中原動(dòng)件曲柄進(jìn)行研究，其運(yùn)動(dòng)循環(huán)時(shí)間T執(zhí)=2π/w=2π/1rad=6.28s 2.確定組成運(yùn)動(dòng)循環(huán)的各個(gè)區(qū)域： （1）推瓶機(jī)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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)時(shí)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(jī)構(gòu)：主動(dòng)撥盤的角速度和原動(dòng)件曲柄的角速度相同皆為1，轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間為2/1=6.28s,主動(dòng)撥盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周過(guò)程中，槽輪相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)90，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為1.57s （3）轉(zhuǎn)刷機(jī)構(gòu)：始終進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng) ５.２ 洗瓶機(jī)構(gòu)循環(huán)圖 圖5—1 六、洗瓶機(jī)總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及其工作原理 6.1 洗瓶機(jī)總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖6—1 6.2 洗瓶機(jī)工作原理 洗瓶機(jī)總體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如上，用一個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪變速箱，通過(guò)齒輪變速箱中齒輪系來(lái)獲得不同的轉(zhuǎn)速，曲柄原動(dòng)件和槽輪機(jī)構(gòu)中的主動(dòng)撥盤的轉(zhuǎn)速一致，帶動(dòng)瓶子轉(zhuǎn)動(dòng)的底盤和轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)速一致。傳送帶作為運(yùn)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(shí)現(xiàn)。以下是洗瓶機(jī)的工作原理： 曲柄原動(dòng)件和槽輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)撥盤以勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，二者轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間皆為6.28s，即一個(gè)循環(huán)的時(shí)間為6.28s。推桿推動(dòng)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(shí)槽輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)撥盤帶動(dòng)槽輪，槽輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)勻速轉(zhuǎn)過(guò)90，歷經(jīng)1.57s將瓶子送到轉(zhuǎn)刷處，瓶子在底盤的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)刷以相同的轉(zhuǎn)速緊貼瓶子逆向轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行第一次洗瓶過(guò)程，洗瓶時(shí)間為4.71s。推桿返回后隨即推送下一個(gè)瓶子歷經(jīng)3.77s到轉(zhuǎn)盤固定瓶子的槽中，推桿返回，此時(shí)第一個(gè)瓶子的第一次洗瓶過(guò)程結(jié)束。轉(zhuǎn)盤再次勻速轉(zhuǎn)動(dòng)90，將第一個(gè)瓶子送到第二次洗瓶位置，將第二個(gè)瓶子送到第一個(gè)洗瓶位置，兩個(gè)瓶子在轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)動(dòng)下洗瓶4.71s。推桿返回原位置后推送第三個(gè)瓶子，到達(dá)指定位置后，推桿再次返回，轉(zhuǎn)盤再次轉(zhuǎn)動(dòng)90，第三個(gè)瓶子到達(dá)第一次洗瓶位置進(jìn)行洗瓶過(guò)程，第二個(gè)瓶子到達(dá)第二次洗瓶位置進(jìn)行第二次洗瓶過(guò)程，第三個(gè)瓶子到達(dá)退瓶位置推出轉(zhuǎn)盤，完成洗瓶過(guò)程，洗瓶時(shí)間共計(jì)9.42s。以此類推，進(jìn)行洗瓶過(guò)程。 七、收獲與體會(huì) 經(jīng)過(guò)這次的課程設(shè)計(jì),我們又溫習(xí)了一下機(jī)械原理課上所學(xué)的知識(shí),并且嘗試著把自己所學(xué)的書本知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合.在最初進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),我們?cè)饔^認(rèn)為這些東西是很簡(jiǎn)單的,但是一步步的深入設(shè)計(jì)后，才發(fā)現(xiàn)每一步都需要縝密的的思考與精密的計(jì)算，扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)是很必要的。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們考慮過(guò)三種方案，分別為：凸輪-鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)、凸輪-全移動(dòng)副四桿機(jī)構(gòu)、六桿機(jī)構(gòu)。但凸輪-鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，從動(dòng)件1與連桿2共線時(shí)會(huì)形成死點(diǎn)，要注意采取度過(guò)死點(diǎn)位置的措施，這樣會(huì)使機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜，給制造帶來(lái)不便；凸輪-全移動(dòng)副四桿機(jī)構(gòu)由于水平方向軌跡太長(zhǎng)，造成凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的行程過(guò)大，而使相應(yīng)凸輪尺寸過(guò)大，致使機(jī)構(gòu)占用空間過(guò)大，并且浪費(fèi)材料；六桿機(jī)構(gòu)不存在上面兩種方案的缺點(diǎn)，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下還具有以下優(yōu)點(diǎn)：①該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副全為低副，并且運(yùn)動(dòng)副元素間便于潤(rùn)滑，故可傳遞較大載荷；②運(yùn)動(dòng)副元素的幾何形狀簡(jiǎn)單，便于加工制造；③運(yùn)行過(guò)程中：推頭右行時(shí)，速度較低且均勻，可以提高推瓶質(zhì)量；推頭左行時(shí)，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(jī)構(gòu)。 在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的同時(shí),我們又額外學(xué)到了不少的東西,例如間歇機(jī)構(gòu)中的槽輪機(jī)構(gòu)的用途以及設(shè)計(jì).,而且在實(shí)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(guò)這次實(shí)習(xí),我真正感受到了實(shí)踐的重要性,有一些想出來(lái)的東西我總是自然而然的認(rèn)為它們正確,等到真正把自己所想的東西造出來(lái)時(shí)才發(fā)現(xiàn),它們根本不能動(dòng),更不用說(shuō)按給定規(guī)律動(dòng),可見以前的一些東西我掌握的過(guò)于淺薄.而且這種設(shè)計(jì)很能考察我們的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力,以及全方位考慮問(wèn)題的能力.例如，平行放置的兩導(dǎo)輥的轉(zhuǎn)動(dòng)方向如何，這一類的細(xì)節(jié)問(wèn)題在一開始時(shí)我都忽略了不少。 還有，經(jīng)過(guò)這次設(shè)計(jì)實(shí)踐，我體會(huì)到了交流的重要性。一個(gè)人的思路總會(huì)有些狹窄，就像剛開始我看我自己的設(shè)計(jì)總認(rèn)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(jì)存在著不少的漏洞，以至最后花大量的時(shí)間來(lái)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(jì)的初期就進(jìn)行的話，就能利于我更好地完成任務(wù)。所以下次設(shè)計(jì)時(shí)我一定會(huì)重視與別人交流，多汲取別人想法中的精華，爭(zhēng)取把任務(wù)完成的更好。 八、參考文獻(xiàn) 1.機(jī)械原理/安子軍主編.-北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.8 2.機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)／陸鳳儀主編. ——機(jī)械工業(yè)出版社， 2002. 3.畫法幾何與機(jī)械制圖/賈春玉，鄭長(zhǎng)民主編． —2版. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008