旋转式灌装机

二．设计要求

三．设计方案及其系统机构原理

四．工艺过程分解

五．系统运动简图及运动循环图

六．机构尺寸设计

七．总结

八．参考资料

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一．设计题目 设计旋转型灌装机。在转动工作台上对包装容器（如玻璃瓶）连续灌装流体（如饮料、酒、冷霜等），转台有多工位停歇，以实现灌装、封口等工序。为保证在这些工位上能够准确地灌装、封口，应有定位装置。如图8.4中，工位1：输入空瓶；工位2：灌装；工位3：封口；工位4：输出包装好的容器。 固定工作台14传送带23转台 图4 旋转型灌装机

该机采用电动机驱动，传动方式为机械传动。技术参数见表7。 表7 旋转型灌装机技术参数

转台直径 电动机转速 灌装速度 方案号 mm r/min r/min A 600 1440 10 B 575 1440 11 C 550 1440 12 D 525 960 11 E 500 960 10 2

二．设计任务

2.1设计要求

1.旋转型灌装机应包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等三种常用机构。 2.设计传动系统并确定其传动比分配。

3.图纸上画出旋转型灌装机的运动方案简图，并用运动循环图分配各机构运动节拍。 4.电算法对连杆机构进行速度、加速度分析，绘出运动线图。图解法或解析法设计平面连杆机构。

5.凸轮机构的设计计算。按凸轮机构的工作要求选择从动件的运动规律，确定基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。对盘状凸轮要用电算法计算出理论廓线、实际廓线值。画出从动件运动规律线图及凸轮廓线图。 6.齿轮机构的设计计算。 7.编写设计计算说明书。

8.学生可进一步完成：平面连杆机构（或灌装机）的计算机动态演示等。

2.2设计提示

1.采用灌瓶泵灌装流体，泵固定在某工位的上方。

2.采用软木塞或金属冠盖封口，它们可由气泵吸附在压盖机构上，由压盖机构压入（或通过压盖模将瓶盖紧固在）瓶口。设计者只需设计作直线往复运动的压盖机构。压盖机构可采用移动导杆机构等平面连杆机构或凸轮机构。

3.此外，需要设计间歇传动机构，以实现工作转台间歇传动。为保证停歇可靠，还应有定位（锁紧）机构。间歇机构可采用槽轮机构、不完全齿轮机构等。定位（锁紧）机构可采用凸轮机构等。

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三．设计方案

分析

根据给定题目，我们选定方案A，转台直径为600mm，电机转速为1440r/min,灌装速度为10r/min，可以得出灌装速度为1罐/S。在六工位工作台上，每过一秒都要转动一个工位，进而得知槽轮主动轮的转速为1r/s，而六工位转台每一个工位相对其转动中心的转角为60°，再根据槽轮的运动规律得知，主动轮在每一秒钟转动过程中，只有60°的转动用来驱动槽轮从动轮做转动，其余300°的转动用来定位。所以，1s的之间内，有1/6s的时间工位转动，5/6s的时间工位静止。而灌装和封盖的过程均要在这5/6s的时间内完成，以此为前提，进行我们的设计。

灌装机各执行机构包括实现转台间歇转位的转位机构，实现输瓶、灌装、送盖、压盖、输出运动的机构。各执行机构必须满足工艺上的运动要求。此方案执行构件的功能逻辑图如下图所示：

根据各机构的逻辑运动关系，空间相容性，各机构的时间上的协调性，以及机构的简易程度，我们确定了两组方案，并提出了不同的灌装与封口的执行机构，下面我会做出详细地介绍。

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方案一

功能原理图如下

注：灌装的过程也可以采用定量泵。

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方案二

功能原理图如下 送料 减速 转台间歇 灌装 送盖 压盖 运料

匀速运动 运动速度缩小 间歇运动 运动方向交替变换 运动轨迹确定 运动轨迹确定 匀速运动 皮带传动 齿轮传动 槽轮传动 平面凸轮机构 平面连杆机构 曲柄滑块机构 皮带传动

经过分析，我们发现方案一更为有效的保证了灌装的效率，而且比较简便，在各机构间的协调配合关系上更为优越，我们采用方案一。

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四．工艺过程分解（方案一）

1.减速装置

通过对于设计方案的分析，电机同时要带动凸轮，旋转工作台，封盖旋转工作台，做转动。对于旋转工作台，主动轮的转速为1r/s，电机转速为1440/60=24r/s，因为考虑到旋转工作台只是推动容器在固定工作台上做滑动，受力及做功并不大，再加上尽量使机械结构较为简单，我们决定使用直齿圆柱齿轮，直齿圆柱齿轮传递传动比为1:24。

为了使灌口和封盖装置的上下运动与转台的间歇转动相配合，与之连接的凸轮必须同时以1r/s的速度进行转动，可以电机经过减速后运动要通过无减速连接同时传输给凸轮的转动轴，但是考虑到凸轮为主要施力装置，蜗轮蜗杆的传动由于机械效率较低导致能量的流失，故可以考虑使用直齿圆柱齿轮的啮合减速装置。

封盖装置与转动工作台的原理类似，要求其封盖旋转工作台每1s转动一个工位，则其带动槽轮的主动轮同样以1r/s的速度旋转，所以将减速后的转轴运动通过不减速的传动传递给其槽轮主动轮的转轴即可。

2.容器输入输出装置

固定工作台以图示的结构进行制造，外圆轮廓直径为650mm。传送带贯穿其内部，宽度为100mm使得固定工作台呈现“工”字形，传送带下方为固定工作台支撑，挡板和工作平面的关系如图上。 固定工作台与旋转工作台安装后如图所示：

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旋转工作台的大圆直径要小于固定工作台，大小为600mm，槽口相对于转动中心为六等阵列分布，转动工作台的槽口宽度和深度要与容器的直径相等（80mm），槽口开1.5*45的倒角，旋转工作台的初始位置如图，要保证有两个槽口与下面固定工作台的开口相重叠。 工作过程：

传送带上容器以一字排列的形式传送过来，由于传送带延伸至固定工作台圆形轮廓以内一段距离，容器由于带传动会自动进入槽内并与槽底紧贴，由于槽宽与其直径相等，故只能且刚好容下一个容器，后面的容器不会因为转动工作台的转动而出现卡夹的现象，并且容器在送料时不必遵循等间距的排列，降低工作难度。 倒角的出现是为了容器能更好进入，转动工作台直径之所以小于固定工作台，是因为在其外围固定工作台面上还要设置挡板机构以实现容器的精确定位。

3.旋转工作台多工位间歇转动功能

旋转工作台的间歇转动由六位槽轮的间歇转动实现，如图所示：

槽轮的主动轮与电机减速后的转轴刚性连接，以1r/s的速度匀速转动，槽轮则实现60°/s的间歇转动，并且在后5/6s内实现定位卡紧功能，槽轮与转动工作台同轴刚性连接，转台就实现了每秒一个工位的间歇转动。

4.各个工位的精确定位功能

容器的定位功能通过转动工作台的凹槽与固定工作台的挡板共同完成。如图所示

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并与转动工作台配合工作

挡板曲率半径600mm，与固定工作台刚性连接，与旋转工作台间隙配合，保证旋转工作台的通常转动，而且尽量紧贴。挡板的高度不低于旋转工作台，不得超过其两倍厚度。

工作原理：当容器由皮带传入旋转工作台凹槽内后，旋转工作台的转动会带动容器一起滑动，当容器转动后由于失去的传送带的约束，可能会因为离心作用或者不稳定因素出现不能精确对心的情况，此时挡板的作用在于限制了容器的位置，使其在很小的范围内移动保证了容器与凹槽圆弧圆心的对齐，实现了较为精确的定位。为后续灌装和封盖提供条件。

5对容器的灌装封口压力结构（凸轮机构）

压力封口和灌装由凸轮机构实现，如图所示

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凸轮的设计后面详细说明，其转速为1r/s，每转一周压板会伴随凸轮上下运动一次，压板上有一“接灌口处”，将流体灌口直接通入并且固定，灌口的中心位于第二工位之上并且与第二工位凹槽圆弧的圆心共线。这样可以实现灌口与压板的同步上下运动，控制灌口与固定工作台平面的高度可以保证灌输的质量。流体灌口可由一个流体管道和一个定时泵构成，每过5/6S定时泵开一次，在1/6S后关闭，保证与旋转工作台的运动同步。 压板的另一端与换盖吸盖装置的上表面的接触，完成封盖的压力工作。回位弹簧的设置是为了使得压力装置的上表面与凸轮紧密接触。

6.送盖与压盖机构

转轮上每120°开一孔，气泵可通入进行吸盖，封盖处的孔中心要与下面转动工作台凹槽圆弧的圆心共线，转轴处开方形孔，使转轮可以在配套的方形轴上上下滑移，并且随着方形轴的转动而转动，初始位置如图所示。罐盖由传送带传至吸盖口下一定距离（基本与容器口同高），呈紧密排列。

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控制转轮间歇转动的装置由图所示槽轮机构实现

槽轮主动轮与电机经减速后主动轴刚性连接，转速为1r/s，使得槽轮每1s转动120°进而带动与其同轴的转轮1s转动一个工位。槽轮另一表面的轴心处刚性连接一方形轴，方形轴可以与槽轮一起转动，方形轴同时通过转轮的方形孔并与其间隙配合，保重滑动的通畅。 压盖及回位的原理如图所示

凸轮推动的压板与转轮上表面接触，并作用于转轮的封盖口上方，转轮随压板的上下运动而在方轴上上下滑动，并且在向上回位和远休止的过程中通过方轴随槽轮转动。控制凸轮的推程可以完成封盖的动作。

工作原理：在凸轮推程的过程中，转轮随压板而下降一定距离，封口吸有一瓶盖，完成封盖的同时，吸盖口在瓶盖传送处吸起瓶盖，此时凸轮回程，转轮上升同时槽轮带动其转动一个工位，而后再次完成一次封盖的吸盖过程，如此往复实现与容器同步的封盖动作。

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根据上述执行构件的运动形式，可绘制出该方案的机械系统运动转换功能图：

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五．系统运动简图及运动循环图

1.运动简图

该系统由2个电动机驱动。电动机1带动齿轮1转动，齿轮1再与齿轮2啮合，实现1:24的减速，此时，齿轮2一方面将此运动传给与其同轴的锥齿轮3和销轮，锥齿轮3与锥齿轮4啮合，传动比1:1，4再带动与其同轴的凸轮转动，为灌装、压盖机构的上下往复运动提供动力来源。销轮带动六角槽轮间歇性转动，1s转动一个工位，转动工作台与六角槽轮同轴，进而实现了每秒一个工位的间歇性转动。另一方面，齿轮2与等齿齿轮5啮合，与齿轮5同轴的销轮带动三角槽轮转动，换盖转盘与其同轴，实现了换盖转盘的间歇性转动。

工作时空瓶沿传动皮带做匀速直线运动，被带入转动工作台凹槽内，工作台旋转时，带动空瓶转至下一个工位，凹槽与固定工作台的挡板实现定位，保证灌装和封盖的顺利进行。 工作时，工作台每转动60°，凸轮旋转一周，带动压板完成一次灌装和封盖，并且在回程和近休止的时候换盖盘完成一次120°的旋转，工作台停歇时，凸轮进入推程，压板向下运动，远休时完成灌装和压盖，同时吸盖，当凸轮回程和近休时，工作台转动，压板的换盖盘通过弹簧回位，同时换盖盘完成120°的工位转动。如此往复。

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2.运动循环图

该机械系统运动方案有4个执行构件需要进行运动协调设计。为了能比较直观的表示各构件的运动在分配轴上所处的相位、起始时间和先后顺序，我们在下图所示的运动循环图中，按比例分别绘制了六角槽轮、旋转工作台、凸轮、灌装机构、压盖机构、三角槽轮和压盖转盘的运动。

由于整体机构的工作周期为6s，所以循环图中，旋转工作台每转一个工位（60°）表示1s。在这1s中，工作台在1/6s内实现工位的转换，5/6s内停歇。灌装封口机构在一次工位转换过程中，完成一次灌装及封口的动作。在工作台旋转的同时，凸轮回程和近休，在弹簧的回复力作用下，压板向上运动回复至原位，压盖转盘通过三角槽轮和弹簧回复力实现向上回位并旋转换位；工作台停歇时，凸轮推程，压板及压盖转盘一起向下运动，并在凸轮远休时进行灌装、封口、压盖转盘的吸盖工作。考虑到工作的安全性，为了实现旋转工作台的顺利换位，可以在安装时，让凸轮回程略微提前，工作台再接着旋转，避免瓶口和压板发生碰撞。

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六．机构尺寸设计

1.凸轮设计

凸轮设计如图所示： 基圆半径为30mm 最小曲率半径为30mm 最大压力角为90度 凸轮按照图的方位逆时针旋转。 联系实际生产与各部件的位置关系，设定瓶口距泵口的间距为7cm，泵口的上下间歇往复运动时凸轮的连续转动实现的，凸轮与推杆不存在偏距，所以可知，凸轮的推程为7cm，泵口完成一次推程和回程需在工作台停歇的时间内，即5/6s。 要求推程时，用力缓慢平稳，并在远休时有充足时间进行指定工作，所以设定推程角200°，远休角100°，回程角+近休角60°。

但是原来设计的凸轮轮廓含有凹角，会产生刚性冲击，对零件有很大的损害，影响精度并且减少寿命。所以综合考虑凸轮轮廓和角度，设计出推程角120°，远休100°，近休60°，这样不但保证了这样不仅保证了凸轮轮廓的合理，还有足够的时间压盖，灌料和进行吸盖盘的旋转工作。并且在推程回程与远休的转换处，在保证精度的同时，加入了圆角，增加适当的弧度减缓冲击，增加运动平稳性。

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2.槽轮尺寸

此六角槽轮为带动旋转工作台实现旋转间歇运动，由旋转工作台半径来假设六角槽轮半径100mm。圆柱销与槽轮中心线相切，槽轮两槽间夹角为60°。由几何关系可求出圆柱销半径为100tan30°mm，两轮中心间距为100/cos30°mm。

当圆柱销带动槽轮旋转至与中心线重合时，假设槽轮槽宽30mm，可得出槽轮基圆半径为 （100/cos30°-100tan30°）mm。

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此三角槽轮为带动压盖转盘实现旋转间歇运动，由压盖转盘半径来假设三角槽轮半径50mm。圆柱销与槽轮中心线相切，槽轮两槽间夹角为120°。

由几何关系可求出圆柱销半径为50tan60°mm，两轮中心间距为50/cos60°mm。当圆柱销带动槽轮旋转至与中心线重合时，假

设槽轮槽宽6mm，可得出槽轮基圆半径为（50/cos60°-50tan60°）mm。

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3.齿轮设计

减速齿轮1：模数1，齿数20，标准齿轮 （齿顶高系数1，顶隙系数0.25，压力角20°，）齿轮分度圆直径D=mz=1*20=20mm

减速齿轮2、5：模数1，齿数480，标准齿轮 齿轮分度圆直径D2=1*480=480mm 具体参数为：z1=20，z2=480，m=21m，α=20° 中心距：

a=m(z1+ z2)/2=1*(20+480)/2=250mm 分度圆直径：d1=m*z1=1*20mm=20mm D2= =m*z2=1*480=480mm

基圆直径：db1=m *z1*cosα=1*20*cos20°=18.79mm db2=m*z2*cosα=1*480*cos20°=451.05mm

齿顶圆半径：da1=(z1+2ha*)*m/2=(20+2*1)*1/2=11mm da2=(z2+2ha*)*m/2=(480+2*1)*1/2=241mm

齿顶圆压力角：αa1=arccos【z1cosα/（z1+2ha*）】 =acrcos【20cos20°/（20+2*1）】 =31.3213° αa2=arccos【z2cosα/（z2+2ha*）】

acrcos【480cos20°/（480+2*1）】=20.64°

基圆齿距：pb1=pb2=πmcosα=3.14*1*cos 20°=2.95mm

重合度：εa=【z1(tanαa4-tanα)+z2(tanαa5-tanα)】/2π =【20(tan31.3213°-tan20°)+480(tan20.64°-tan20°)】/2π =1.75 εa＞1 可连续传动

同理 锥齿轮3、4:模数3，齿数90，标准锥齿轮 齿轮比1:1啮合，可以连续传动

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4.其他机构尺寸设计

旋转工作台半径为300mm，假设瓶子直径为80mm，工作台中心距瓶心220mm。

瓶高250mm，固定工作台与旋转工作台间距为150mm，吸盖转盘厚度30mm，压盖滑块长度为160mm，压盖滑块距瓶口100mm。

由此可得出凸轮推程为70mm，压盖转盘半径为100mm，瓶盖直径20mm，盘心至吸瓶盖中心为70mm。

弹簧在自由状态下长度为100mm，最大压缩量为80mm。

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七.总结

在减速机构中，我们选择了齿轮为减速装置。在此主要是考虑到：蜗轮蜗杆的传动功率小，损耗功率大。且在传动中啮合面易磨损。传动比大，会自锁。若采用皮带轮传动虽然传动比较平稳，结构也相对简单，制造和安装精度不像啮合传动严格，且中心距调节范围较大。但是皮带轮传动过程中传动有弹性滑动和打滑，传动效率低和不能保持准确的传动比，皮带轮的寿命较短。而齿轮传动的传递功率大，传动效率高，传动比大并且精确，机构所需空间较小，使用寿命长，可靠性强。综合分析，我们采用齿轮啮合传动实现传动减速装置。

在执行机构中，在带动工作台做间歇旋转运动时，综合各种间歇运动机构，我们采用槽轮机构来实现，在此我们根据旋转工作台的形状采用六角槽轮。它构造简单，外形尺寸小，机械效率高，并且能较平稳地进行转位，虽然存在柔性冲击，但是在此系统中不需要大载荷，所以采用它。

在压盖吸盘的间歇旋转运动中，通过对压盖吸盘的设计来决定用三角槽轮。 在实现灌装压盖的往复直线运动时，我们采用凸轮的旋转，利用凸轮的推程来实现。凸轮的转速可以与工作台的转动动力源一致，以便速度的同步可以精确控制。而通过设计凸轮的推程角，远休角，回程角，近休角来实现各角度对应执行构件的动作。并且凸轮的推程可以通过具体的工作构件得出。

在传输空瓶与瓶盖时采用皮带传输，传动平稳，并可让空瓶保证一定的间隙。它相对于其他的装置简单很多。

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八．参考文献

《机械原理 第三版》 申永胜主编

《机械原理课程设计手册》 牛鸣岐、王保民等主编 《CAD制图》

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