第2章 传动方案的拟定

2.1 设计任务及技术参数
2.1.1 设计任务

    根据啤酒瓶的尺寸，设计全自动啤酒瓶清洗装置：其参数要求如下：

（1）推进距离L=600mm，推瓶机构应使推移接近均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子，然后推头快速返回原位，准备进入第二个工作循环。

（2）按生产率每分钟3个的要求，推程的平均速度v=45mm/s，返回时的平均速度为工作时的平均速度的三倍。

（3）机构传动性能良好，结构紧凑，制造方便。

2.1.2 啤酒瓶的参数

    在设计开始之前，首先应明确此次设计所要服务的对象，了解它的数据信息和基本特性。单列啤酒输瓶机的输送对象是啤酒瓶或瓶装啤酒，它的数据信息或物质特性直接决定单列输瓶机的某些结构设计。

    本次设计主要针对啤酒瓶来进行设计，下面简单的介绍一下啤酒瓶的基本数据。

其基本标准外形如图2-1。

图2-1 啤酒瓶外形结构

    由上图所示，结合啤酒瓶的国家标准[9]，可以得知啤酒瓶瓶底尺寸为751.8mm，瓶高2901.8mm。啤酒瓶使用玻璃为制作材料，玻璃材料具有易碎的特性，所以它在移动时不能承受太大冲击震荡。根据实际调查得知，一瓶成品啤酒的重量约为0.6kg。

2.1.3 啤酒瓶洗瓶机设计要求

    啤酒瓶洗瓶机是由推瓶机构、导辊机构和转刷机构共同来完成它的工作的。首先是由推瓶机构以均匀的速度将瓶子推上工作台（导辊），推头的往复运动使瓶子一个一个不间断的送上工作台进行清洗工作，由于瓶子是从静止到具有一定的速度，推头和瓶子之间必然存在着一定的冲击，所以就要考虑推头的材料不能是刚性材料，要用具有一定韧性的塑性材料以保证在工作过程中不至于将瓶子碰碎。第二，瓶子送到工作台的同时导辊已经进入了旋转的状态并且喷水机构也开始对瓶子进行喷水，使瓶子随着导辊的旋转进行圆周运动，安装在导辊上面旋转的转刷能够将瓶子的四周都能够清洗干净。如图所示。

图2-2 洗瓶机工作示意图简图

    在实际工作中，要设计的机器往往比较复杂，其使用要求或工艺要求往往需要很多的功能原理组合成一个总的功能原理。下面我们来分析一下洗瓶机是通过什么功能原理来实现它所要完成的工作的。

首先推瓶机构所采用的功能原理是用机械能迫使瓶子由工作台的一侧运动到另一侧，则要求有一个工作行程为L往返运动的推头，同时推头在工作过程中要匀速，回程时要快速，能够满足此运动规律可以有很多种，如可以设计成曲柄-四杆机构，或凸轮连杆机构等实现其往复运动来完成其工作。要运用此功能原理来满足其工作需要，在运动规律设计方面就要考虑用什么来带动曲柄连杆或凸轮连杆机构的转动，一般我们都用电机来完成此项转动功能。

    其次是转辊机构所运用的是机械的转动规律，也是机械运动中比较简单的运动规律，只需要有一定的转动速度与推瓶机构、转辊机构相配合来实现洗瓶设备的整体工作功能。它是有两个长圆柱型导辊旋转，带动瓶子旋转并且由导辊的一侧移动到另一侧的，其中导辊只完成其中的旋转功能，移动功能是由推瓶机构来实现的。

    最后我们要了解一下转刷机构所采用的功能原理，它与导辊机构相同运用的都是机械的转动规律，与其不同的是转刷机构的旋转要有很高的速度来完成其对瓶子外壁的清洗工作。知道了它的运动规律就要进一步了解它是由什么机构带动完成其所要求的功能的。推瓶机构、导辊机构和转刷机构都是由一台电机来提供所有的机械转动规律的，这就要求我们对它们深入分析、研究各构件之间的运动规律的联系，进而的设计出符合其联动规律的整体设备，来满足我们预期想要实现的目标。

2.2 送料机构设计
2.2.1 间歇机构设计

    将原动件的连续转动转变为从动件周期性运动和停止的机构叫做间歇机构。如棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构等。

（1）棘轮机构

    棘轮机构的典型结构是由摇杆、棘爪、棘轮、止动爪和机架组成。可将主动摇杆连续往复摆动变换为从动棘轮的单向间歇转动。其棘轮轴的动程可以在较大范围内调节，且具有结构简单、加工方便、运动可靠等特点。但冲击、噪音大，且运动精度低。

 

图2-3 棘轮机构简图

（2） 槽轮机构

    槽轮机构的典型机构是由由主动拨盘、从动槽轮及机架组成。可将主动拨盘的连续转动变换为槽轮的间歇转动。并具有结构简单、尺寸小、机械效率高、能较平稳地间歇转位等特点。

图2-4 槽轮机构简图

（3） 不完全齿轮机构

    不完全齿轮机构是由普通齿轮机构演变而得的一种间歇运动机构。不完全齿轮机构的主动轮的轮齿不是布满在整个圆周上，而只有一个或几个齿，并根据运动时间与停歇时间的要求，在从动轮上加工出与主动轮相啮合的齿。

    不完全齿轮机构设计灵活、从动轮的运动角范围大，很容易实现一个周期中的多次动、停时间不等的间歇运动。但加工复杂；在进入和退出啮合时速度有突变，引起刚性冲击，不宜用于高速转动；主、从动轮不能互换。

（4） 最终选定机构

    在这里通过比较分析，我选择的是槽轮机构，因为它相对简单、效率高、运行平稳而且能达到预计的要求。

图2-5 槽轮机构简图

我设计的是当主动拨盘（缺口圆盘）匀速转一周，从动槽轮转90°，而传动带的导杆也转过90°，而且要等于一个瓶子的长度 。而所用时间是洗瓶装置的一个来回，即：T=20s则有：主动拨盘角速度w=2π/20s=0.314rad/s.

2.2.2 进瓶装置简图

图2-6进瓶装置简图

2.3 推瓶机构设计

    推瓶机构的方案：根据前述设计要求,推瓶机构应为一具有急回特性的机构,为了提高工作效率,一是行程速比变化系数K尽量大一些;在推程(即工作行程)中,应使推头作直线运动,或者近似直线运动,以保证工作的稳定性,这些运动要求并不一定都能得到满足,但是必须保证推瓶中推头的运动轨迹至少为近似直线,以此保证安全性。

    推头的运动要求主要是满足急回特性,能满足急回特性的机构主要有曲柄滑块机构,曲柄转动导杆机构和曲柄摆动导杆机构。

运用前述设计的思想方法,再考虑到机构的急回特性和推头做往复直线运动的特点， 所以根据要求，本机构采用了摆动导杆机构。

实现要求的机构方案有很多，我们可用多种机构组合来实现。

2.3.1 凸轮－铰链四杆机构的方案

    如图2-7所示，铰链四杆机构的连杆2上点M走近似于所要求的轨迹，M点的速度由等速转动的凸轮通过构件3的变速转动来控制。由于此方案的曲柄1是从动件，所以要注意度过死点的措施。

图2-7 凸轮－铰链四杆机构的方案

2.3.2五杆组合机构方案

    确定一条平面曲线需要两个独立变量。因此具有两自由度的连杆机构都具有精确再现给定平面轨迹的特征。点M的速度和机构的急回特征，可通过控制该机构的两个输入构件间的运动关系来得到，如用凸轮机构、齿轮或四连杆机构来控制等等。图2-8所示为两个自由度的五杆低副机构，l、4为它们的两个输人构件，这两构件之间的运动关系用凸轮、齿轮或四连杆机构来实现，从而将原来

两自由度机构系统封闭成单自由度系统。

图2-8 五杆组合机构方案

2.3.3凸轮连杆机构组合机构

    图2-9  所示为凸轮连杆组合机构，该机构实现X，Y方向的运动，分别采用了一个摆动推杆盘形凸轮机构和一个直动推杆盘形凸轮机构组成了一个复合机构。

图2-9 凸轮-全移动副四连杆机构的方案

3.2.4 最终选定推瓶方案

    方案一中机构是凸轮－铰链四杆机构，凸轮为原动件（由蜗轮带动），通过滚子及连杆带动机构做运动。其急回特性由凸轮控制。在该方案中有5个活动构件，其中有一个高副，自由度为1，有确定的运动。但是它的杆比较多，容易产生误差，不能实现精确的运动。

方案二是五杆组合机构的方案，此方案所需要的杆件繁多，设计烦琐，实际机构尺寸过大，不是很合理的一个设计方案，性价比也不高。

方案三的运动和急回特性主要也是靠凸轮来控制，但是这种控制相当不精确，只适用于行程较小的运动，如果行程过大的话，凸轮的尺寸必须做的很大，从经济和实用的角度来看都不太合适。

要准确的实现给定运动规律及运动轨迹，凸轮机构是首选，因为盘形凸轮轮廓就是根据从动件运动规律来设计的，而任意平面轨迹总可以用

X=x()

Y=y()

    表示，因此把两个凸轮机构组合起来就可以准确实现轨迹。而四杆机构在运动规律、运动轨迹设计中是用逼近的办法来做的，所以较难准确实现。

所以综上所述选择方案三——轮连杆机构组合机构为最后设计的方案。

3.2.5 进瓶设计说明

    进瓶机构传动：进瓶机构借助大齿轮带动上图中小齿轮，又由小齿轮带动的轴旋转，再由轴带动蜗轮蜗杆，然后蜗轮蜗杆带动其上的齿轮，再由齿轮带动间歇机构槽轮完成瓶子的输进。

3.2.6 运动协调设计

    在这里我选用的是槽轮间歇机构来进行瓶子的进瓶主要构件，负责把瓶子传送到洗瓶装置上。因为按照生产率为3/min得到每洗一个要20s，所以设计主动拨盘转一周所需时间为20s，这样从动拨盘就每20s转动90°，再让它转过90°时的路程等于一个瓶子的长度即290mm，则可以确定主动带轮1的直径D1，因为s= =290mm，所以R1≈369.4mm。

2.4 导辊机构设计
2.4.1 推瓶起点设计

（1）起点时的简图

图2-10推瓶装置起点简图

（2） 推瓶起点设计说明

    上图是刚刚开始推瓶时候，推杆回到最左端，此时，刚好进瓶装置送下一个瓶，内刷子随推杆插入瓶子内，刷毛尽量选用软性材料，方便内刷子插入瓶内，这样随着凸轮带动推杆内刷子伸进瓶子内，等推头挡板抵到瓶口时，瓶子才受到推杆的推力，推头才会推动瓶子运动，进行外表面的清洗，一直到导辊完。

2.4.2 推瓶终点设计

（1） 终点时设计简图

  图2-11推瓶装置终点简图

（2） 推瓶终点设计说明

    上图是推瓶推到终点的时候，推杆推到最右端，此时，瓶子在推杆的作用下，走到导辊末端，在重力的作用下，瓶子沿内刷子随刷杆滑入瓶子出瓶轨道内，刷杆和刷毛尽量选用软性材料，方便瓶子滑入出瓶滑道内，这样随着凸轮带动推杆往回运动，内刷子退出瓶子内，瓶子滑出内刷子后，瓶子落到出瓶滑道内，推头继续做回复运动，不过要避免死点的产生，才能稳定的进行下一个瓶子内外表面的清洗，一直循环工作。

2.5 毛刷机构设计
2.5.1 外洗瓶毛刷装置简图

图2-12 洗瓶装置简图

    外洗瓶毛刷装置由三个毛刷轮组成，三个毛刷轮由齿轮带动，其传动方案如上图2-12所示。

2.5.2 内洗瓶毛刷装置简图

    在这里我特意将推头设计成可以清洗瓶子内表面的刷子，它比瓶子的内径稍大一些，瓶子在进瓶机构的输送下开始进入洗瓶机构，在推头的作用下，后面又有洗外表面刷子的阻力，内刷子就可以很轻松的插入瓶内，待到推头的挡板抵到瓶口之后就可以推着瓶子走了。随着导辊的转动，瓶子内外表面都可以得到很好的清洗。

    另外，值得注意的一点是，内刷子因为要伸到瓶子里面，所以要选用软一点刷子，内刷刷杆设计成管状，并且带有小孔，从端部对刷杆通入气压，可以把毛刷吹起来，同时，气压也有助于吹干净瓶子内表面。

2.7 总体方案设计
2.7.1 方案一总体方案及运动说明

（1）方案一总体方案简图

（2） 方案一运动说明:

    首先动力从电动机输出，因为需要的速度不是很高，所以要经过减速箱减速，再经过带传动传给齿轮1，齿轮一又传给齿轮2带动轴旋转。

    导辊传动：由齿轮3带动齿轮4使外面一根导辊转动；再由齿轮4带动齿轮5，齿轮5 又带动齿轮6使里面那根导辊转动。因为齿轮4和齿轮6大小一样，齿轮5主要是保证两导辊转向一致，这样既保证速度一样，也保证了旋转方向一样。

    进瓶机构传动：进瓶机构借助齿轮4带动齿轮7，又由齿轮7带动的轴旋转，再由轴带动蜗轮蜗杆2，然后蜗轮蜗杆2带动间歇机构槽轮完成瓶子的输进。

    洗瓶机构传动：洗瓶机构是通过齿轮7带动齿轮8，齿轮8带动轴转动，再由轴带动蜗轮蜗杆3，然后再通过蜗轮3传给齿轮9，而齿轮9通过左右各一个小齿轮（齿轮10）传给毛刷，这样也保证了它们三个齿轮转向、转速相同，三个齿轮又把动力传给刷子，通过三个外刷子的旋转来清洗瓶子的外表面。

推瓶机构传动：由蜗杆1带动蜗轮1，再由蜗轮1传给凸轮，再由凸轮带动凸轮--铰链四杆机构来实现推瓶机构往复运动。

2.7.2 方案二总体方案及运动说明

（1）方案二总体方案简图

（2） 方案二运动说明

    首先需将瓶子放入胶带上，通过进瓶机构间歇的送到导辊轨迹上，通过凸轮连杆组合机构带动毛刷插入瓶子，毛刷在导杆的推动和旋转下边前进边清洗内表面，推动瓶子沿导辊前进，再由外面转动的刷子将瓶子外表面洗净。

要实现上述分功能,有下列工艺动作过程:

（1）皮带做间歇直线运动。

（2）瓶子由皮带滑动到导辊。

（3）内表面毛刷匀速推进瓶子内。

（4）推头作直线或者近似直线运动,将瓶子沿导辊推到指定的位置。   

（5）推头沿直线运动推动瓶子移动的程中,瓶子同时跟着两同向转动的导辊转动。

（6）当瓶子沿导辊移动时将瓶子的外表面就清洗干净。

（7）瓶子离开皮带,而推瓶机构急回至推瓶初始位置,进入下一个工作循环。

（8）洗好的瓶子由斜面滑下，进入匀速转动的皮带送出。

2.7.3 方案评估

    下面从运动链的长短、机构的排列顺序、传动比分配、运动副的形式以及机械效率等方面对上面两种方案进行评估：

（1）运动链的长短:两种方案都比较简单，运动链的长度也差不多。

（2）机构的传动方式：两种方案的传动方式都是可行，方案一中，较多的采用了齿轮传动，推瓶机构由凸轮铰链四杆机构组成，毛刷机构由蜗轮蜗杆带动。方案二中有较多的采用了链轮传动，推瓶机构由凸轮连杆机构组成，毛刷机构由锥齿轮机构带动。传动方式方案二明显比方案一更为合理，基于以下三个原因：

A  方案一中较多采用齿轮传动，而各转动轴之间的距离很大，这样势必造成齿轮结构庞大，因此方案二中在适当的位置采用链轮更为合理。

B  方案一中推瓶机构由凸轮铰链四杆机构组成，传动没有方案二中采用凸轮连杆机构精确。

C 方案一中毛刷机构由蜗轮带动，方案二中毛刷机构由锥齿轮带动，方案二的传动效率更高。

（3）运动副的形式：两种方案用的运动副都差不多，但在总体设计上方案二明显比方案一更精确布局也更合理。

    综上所述，方案二更为合理，所以本设计采用传动方案二。

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