冷霜自动灌装机

中 北 大 学

课 程 设 计 说 明 书

学生姓名：李名强 学号：34 学院：中北大学信息商务学院 专业：机械设计制造及其自动化 题目：冷霜自动灌装机 指导教师：马长安 职称：讲师

2015年6月24日

中 北 大 学

课 程 设 计 任 务 书

学院：中北大学信息商务学院

专业：机械设计制造及其自动化 学生姓名：李名强 学号：34 课程设计题目：冷霜自动灌装机 起迄日期：1月19日-1月26日 课程设计地点：教室 指导教师：马长安 系主任：

下达任务书日期：

课程设计任务书

课程设计任务书

冷霜自动灌装机设计说明书

1 工作原理及工艺动作过程

冷霜自动灌装机是通过出料活塞干上下往复运动实现冷霜灌装入盒内。其主要工艺动作有：

1） 将空盒送进六工位盘，利用转盘间歇运动变换不同工位； 2） 在灌装工位上空盒上升灌入冷霜；

3） 在贴锡纸工位上粘贴锡纸（利用锡纸下降）； 4） 在盖盒盖工位上将盒盖压下； 5） 送出成品。 2 原始数据及设计要求

1） 冷霜自动灌装机的生产能力：60盒／min。 2） 冷霜盒尺寸：直径D=30～50mm,高度h=10～15mm。 3） 工作台面里地面的距离约1100～1200mm。

4） 要求机构的结构简单紧凑，运动灵活可靠，易于制造。 3 设计过程

1) 按工位动作要求拟定运动循环图。

四个基本运动： 1. 输送带的连续运动； 2. 六工位盘的间歇转动; 3. 灌装顶杆的往复运动; 4. 贴锡、压盖压杆往复运动。 5. 送出成品。

（一）运动循环图： 运动循环图的设计:

a) 灌装、贴锡、加盖工艺流程：

1) 空盒通过输送带至六工位盘位置1。

2) 六工位盘做间歇转动，每次转动60°，转动是其他机构不执行动作。

3) 当转盘停止时，灌装顶杆上升至工位2进行灌装，同时贴锡、加盖压杆远休结束后进行工艺动作。

4) 灌装机构达到顶端完成灌装后回到初始位置，同时贴锡、加盖杆升到高位，一次循环结束。 b) 工艺过程的执行构件：

1) 送料机构：该机构主要是实现输送带的连续运动，把空盒送入工位，并将成品输出。

2) 槽轮机构：它是在轴II上通过变向连接槽轮，带动六工位盘实现间歇运动。

3) 灌装机构：该机构有固定在轴I上的直动推杆凸轮机构组成，通过高低往复运动实现灌装动作。

4) 贴锡、加盖机构：又凹槽凸轮和压杆及压杆上固定的贴锡、加盖部件组成，通过高低往复运动，一次性完成两个动作。 c) 各执行构件的运动协调：

1) 协调原则：输送带是连续运动，且它置于六工位盘1、5工位下面，既不能于工位盘发生摩擦，也要求它不干涉其它几个机

构的完整运动，所以传动轮尺寸要求有限制。六工位盘间歇时要实现三个执行动作，设计凸轮尺寸不应太大，各动作之间应互不影响，一个是上升、下降，一个是下降、上升，六工位盘转动时，它们不进行任何动作。各构件要准确定位，以免回撞到其它构件。

定标构件的选择：设计时下边两根轴转动同步，但转向相反，选择轴I为定标构件，六工位盘开始转动时为运动循环图的起始点。 2) 计算机械运动循环周期：

因为生产率Q=60盒/min，所以周期T=60s/60=1s，此时定

标构件对应分配轴转角

ϕ=360°。

3) T时间个执行构件的行程区段：

输送带区段：连续传动（0~360°）。

六工位盘区段：六工位盘的转动盒停歇，所占时间比： K=(z-2)/(z+2)=(6-2)/（6+2）=1：2，所以在一个循环周期内，六工位盘1/3（120°）时间转动，2/3（240°）时间停歇。

灌装顶杆行程区段：ϕ1=120°（停）、ϕ2=90°（上升）、

ϕ3=60°（停）、ϕ4=90°（下降）。

ϕ1=120°ϕ2=90°贴锡、加盖机构行程区段：（停）、（下

降）、ϕ3=60°（停）、ϕ4=90°（上升）。 4) 绘制运动循环图：

1. 圆周式循环图： 2. 直线式循环图：

°

上杆

止 动

压

停

停

传 杆 顶 下

盘 上

续

转 杆

顶压带

停

停°

输

盘送

杆

顶

°

3. 直角坐标式循环图

分配轴转角 ： 0° 120° 210° 270° 360°

（二）机构的初步选型

㈠转盘间歇运动机构 槽轮机构：

优点：结构简单，工作可靠，容易制造。转位迅速，其机械效率高，故能平稳地，间歇地进行转位。

缺点：其运动规律不能选择，调节性能差，在拨销进入和脱出槽轮时会产生

柔性冲击，故常使用于速度要求不太高的运动中，我们所需要设计的冷霜自动灌装机中的六工位转盘转速为6°每秒，转速不高，此缺点可以忽略，故比较合理，因而选用此机构。 ㈡空盒上升机构 直动滚子盘形凸轮机构

:

优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各项预期的运动规律，而且机构简单紧凑。

缺点：凸轮廓线与推杆之间为点线接触，易磨损，但是综合比较之下，这种机构最为合适。 ㈢贴锡纸 压盒盖机构

优点：结构简单，传动精确，可靠。可满足使用要求。

缺点：易磨损，制造较一般凸轮难，但是综合比较之下，这种机构最为合适。 直动滚子推杆封闭式凸轮机构：

（三）运动尺寸计算及分析： 1）电动机的选择：

从机构所要实现的运动要求着手。

每秒生产一个成品，这样要保证六工位盘在一秒内完成停止转动两个动作。 经过考虑，在运动循环图中，将停止时间定为2/3秒，六工位转动的时间则为1/3秒，六工位盘与从动槽轮同轴，有相同的运动情况，故主动拨盘转动2/3圈所用的时间为1/3秒。它的转速可以求出，（2/3）r/（2/3）s=1 r/s。

通过轴之间的传速关系，不难看出，两根主轴利用锥齿轮变向后，转速仍为一圈每秒。再加上皮带传动，周转轮系两个小系统的变速(它们的变速比均为5：1)，可得电动机的转速为:1×5×5=25r/s=1500r/min。 ①电动机类型和结构形式的选择：

电动机主要有Y、YZ、YZR系列，无特殊需要，一般选取Y系列的三相交流异步电动机；而YZ、YZR系列一般用于频繁启动，制动和换向，具有较小的转动惯量和较大的过载能力。我们所设计的冷霜自动灌装机对于工作无特殊要求，选用Y系列三相交流异步电动机。 ②电动机功率的确定：

工作所需功率Pw=Fv/1000KW=1700*3.925/1000=6.63KW

电动机至工作机的总效率为η=η1*η2*η3=0.98*0.96*0.94=0.884 所需电动机的功率Pd=Pw/η=7.52KW。 ③电动机转速的确定：

参考《机械设计手册》可知，电动机在同一额定功率下有几种同步转速可供选用，同步转速越高，尺寸重量越小，价格越低，且效率越高。设计时可优先选取同步转速为1500r/min和1000r/min的电动机，在我们的设计中，选用n=1500r/min的电动机。 ① 电动机型号的确定：

电动机确定型号时应该满足下列条件：P≧K*Pd KW. 查表选取Y132M-4型电动机，其具体参数如下所示

与同类电动机比较，选取功率为P=7.5 KW。

2）行星轮系传动比的计算：

2K-H行星轮系（负号机构）

m=2.5 z1=40 z2=60 z3=160

z3

i13=1-i1H=-z1

H

160z3

ii1H=1+z1=1+40=5

3）V带传动的设计及参数选择：

1.确定计算功率Pca（KW）： 查表得工作情况系数Ka＝1.3 2.选择带型：

由于Pca＝9.75KW，小带轮转速n1＝1500r/min，确定选用SPZ型。 3.确定带轮基准直径：

n1D2查表取主动轮基准直径D1＝50mm，根据公式i＝n2≈D1，从动轮基准直径为

P=K

ca

a

P=1.3*7.5＝9.75KW

2500mm。

验证带的速度V=∏D1n1/60/1000=3.925 带的速度合适。 4.确定窄V带的基准长度和传动中心距： 根据0.7（D1+D2）＜

a

＜2（D1+D2），初步确定中心距

a

=550mm。

根据公式计算所需的基准长度：

L

'd

=2

a

a

D2-D1+∏/2（D1+D2）+/4

2

=1589.182mm

查表选取带的基准长度Ld=1400mm 计算实际中心距a=

a

+（Ld-Ld）/2=455.409mm

'

中心距可调范围：amax =a+0.03Ld=497.409mm

a

min

=a-0.015Ld=434.409mm

5.验证主动轮上的包角a1：

a1=180°-（D2-D1）/a*57.3°=154.8°>120° 主动轮上的包角合适。 6.计算窄V带的根数Z： 由式子知 Z=Pca/（Δ

p

+Δ

p

）kz

k，由已知条件查表得p

l

=3.26KW，

p

=0.23KW，kz=0.93，kl=0.96，于是z=3.26，取z=4根。

7.计算初拉力F0：

F0=500Pca/zV（2.5/kz-1）+qV

8.计算作用在轴上的压力Q： Q=2*zF0sin(a1/2)=4271N。

2

，带入数据算得F0=547N。

4）轴的相关计算：

一、轴的测定

轴的设计包含材料，确定结构和计算工作能力（强度刚度震动稳定性）等内容。 一般步骤是：

①选择材料，②轴径概略计算，③结构设计，④强度校核，⑤刚度校核，⑥震动稳定性计（高速转轴）。

Ⅰ.本系统的轴材料主要采用45号钢。 它的机械性能为： 正火热处理，

毛坯直径d为25～100mm， 硬度170～207，

拉伸强度限σB 600 拉伸屈服限σs 300 弯曲疲劳限σ-1 240

扭转疲劳限τ-1 140 (N∕mm) Ⅱ.a.按扭转强度进行计算: 对于实心轴，其强度条件式：

2

τ=T/WP=（9550*103*(P/n)）/0.2d3 （单位：MPa≤ [τ]）;

改成计算轴的直径的设计计算公式为：

3p/np/n/0.2[]9550⨯10/0.2[τ]d≧=×=c(mm)

2

mmτ对于45号钢，C=107～118（[]=40～30 N/）。

d≧7.8/1500×112=19.403 b.按扭转刚度进行计算： Ⅲ.圆柱轴扭转角υ:

Φ=Tl/GI=[9550×10×p/n×l]/G∏d/32(rad)

取钢的剪切弹性模量G=81000 N∕mm d≥（91～108） d≧[91～108p/n](mm)=27.122mm

2

2

34

轴承的选择

滑动轴承和滚动轴承都可用于支撑轴及轴上零件，以保持轴上的旋转精度，并减少转轴与支承之间的摩擦和磨损。滑动轴承在一般情况下摩擦损失较大，使用维护和润滑也比较复杂，而且对实际系统的分析所需启动力矩不大，轴向尺寸小。承载能力和抗冲击能力不必太大。也没有剧烈冲击震动。所以选用滚动轴承。

要选择合适的轴承，必须知道的参数为，锥齿轮上的圆周力，径向力，轴向力。轴颈直径我们采用d=40mm。轴承转速为60r/min，工作稳定，它预期的寿命为20000小时。采用角接触轴承，先确定轴承型号。

5）执行构件相关参数的确定：

1.由于六工位要实现每次60°较的间歇转动，所以，槽数设为z=6。

2.圆销数n的选择:

在实际工作中，我们所要达到的运动效果为在六工位盘停止转动的时间内完成灌霜、贴纸，压盖三道工序。因此，应使停止的时间长于转时。即保证k＜0.5，但不应太短。若拨盘上均布n个销则一周内槽轮被播n次。若拨盘上均布n个销，则一周内槽轮被拨n次，运动系数是单销的n倍。

k=n（1/2-1/z）≤1 n≤2z/(z-2)

因为z已等于6，可得n=1或2或3。 当n=1时，k=1/2-1/z =1/2-1/6=1/3 当n=2时，k=2×1/3=2/3 当n=3时，k=1

出于产品的实际考虑，选n=1 3．应用比较广泛的外槽轮（径向槽均布）

4.利用书上公式，试求出加速度与角加速度的最大值。

5.计算几何尺寸。拨盘轴的直径d1与槽轮轴直径d2的限制条件。

ω/ω=λ

2

1（cosα-λ）/（1-2λcosα+λ）

2

2

2

α/ω

2

21

=λ{（λ-1）sinα}/（1-2λcosα+λ）

代入求得最大值λ=R/L

ω

2

=[λ(1-λ)/(1-2λ+λ)]

2

2

ω=ωλ

1

1

/1-λ

α=ω

2

21

λ(λ-1) sinα/(1-2λcosα+λ）。

2

目录

1 工作原理及工艺动作过程 .................................................................. 5 2 原始数据及设计要求 .......................................................................... 5 3 设计过程 .............................................................................................. 5 （一）运动循环图： .......................................................................... 6 （二）机构的初步选型 ...................................................................... 9 （四）运动尺寸计算及分析： ........................................................ 11 1）电动机的选择： .................................................................... 11 2）行星轮系传动比的计算： .................................................... 12 3）V带传动的设计及参数选择： ............................................ 13 4）轴的相关计算： .................................................................. 14 5）执行构件相关参数的确定： ………………………... ..15