分件供送螺桿設(shè)計.doc

湖南工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書2013 2014 學(xué)年第 一 學(xué)期 機(jī)械工程 學(xué)院（系、部） 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 專業(yè) 班級課程名稱： 包裝機(jī)械設(shè)計 設(shè)計題目： 分件供送螺桿的設(shè)計 完成期限：自 20 年 12 月 23 日至 20 年 12 月 27 日共 1 周內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù)供送物品為圓柱體，直徑為7mm，螺桿轉(zhuǎn)速n=50轉(zhuǎn)/min，撥輪節(jié)距cb=11mm二、設(shè)計任務(wù)1、根據(jù)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算或編寫有關(guān)設(shè)計計算程序；2、利用程序設(shè)計的方法輸出結(jié)果并自動生成圖形；3、畫出零件圖；4、完成設(shè)計計算說明書。三、設(shè)計工作量1. 供送螺桿三維模型一個、零件圖一張。2. 設(shè)計計算說明書一份。進(jìn)度安排起止日期工作內(nèi)容2013.12.232013.12.23設(shè)計方案的分析及選擇2013.12.232013.12.25參數(shù)的設(shè)計計算或程序編寫；建立三維模型2013.12.262013.12.27繪制零件圖；整理、編寫設(shè)計計算說明書主要參考資料1 許林成，趙治華，王冶.包裝機(jī)械原理與設(shè)計m.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，19982 雷伏元.自動包裝機(jī)設(shè)計原理m.天津科技出版社，19863 許林成.包裝機(jī)械m.長沙：湖南大學(xué)出版社，19984 孫鳳蘭，馬喜川.包裝機(jī)械概論m.北京：印刷工業(yè)出版社，19985 尚久浩.自動機(jī)械設(shè)計m.北京：中國輕工業(yè)出版社，2003指 導(dǎo) 教 師 （簽字）： 年 月 日系（教研室）主任（簽字）： 年 月 日目 錄 一、設(shè)計概述21.1設(shè)計的目的21.2 四段式分件供送螺桿與星形撥輪裝置概述3 二、四段式分件供送螺桿與星形撥輪裝置的參數(shù)確定42.1星形撥輪的設(shè)計42.2螺桿螺旋線的組合特征42.3螺桿螺旋線的基本參數(shù)52.4組合螺旋線的設(shè)計62.4.1輸入等速段62.4.2螺桿變加速段螺旋線72.4.3螺桿等加速度段螺旋線82.4.4螺桿輸出等速段螺旋線102.5螺旋槽軸向剖面的幾何形狀設(shè)計122.6利用程序設(shè)計的方法輸出結(jié)果并自動生成圖形142.6.1 matlab軟件的運(yùn)用142.6.2 pro/e畫圖工具的運(yùn)用16 三、設(shè)計小結(jié)18 參考文獻(xiàn)19第一章 設(shè)計概述1.1設(shè)計的目的 這個課程設(shè)計是一個重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，也是提高我們這些工科學(xué)生工程設(shè)計能力的一個重要途徑。是讓我們這些包裝機(jī)械專業(yè)方向的學(xué)生學(xué)好專業(yè)知識課程和充分利用所學(xué)資源進(jìn)行設(shè)計分析的重要方法，對我們以后的學(xué)習(xí)工作具有非常重大的意義。1.1.1設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù) 供送物品為圓柱體：尺寸：直徑為75mm、高為100mm，螺桿轉(zhuǎn)速n=500轉(zhuǎn)/min，撥輪節(jié)距cb=112mm。1.1.2設(shè)計任務(wù) 1、根據(jù)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算或編寫有關(guān)設(shè)計計算程序； 2、利用程序設(shè)計的方法輸出結(jié)果并自動生成圖形； 3、畫出裝配圖及其主要零件圖； 4、完成設(shè)計計算說明書。1.2 四段式分件供送螺桿與星形撥輪裝置概述目前，在包裝工業(yè)領(lǐng)域，已廣泛應(yīng)用多種類型的分件供送螺桿裝置。這種裝置可按某種工藝要求將規(guī)則或不規(guī)則排列的容器、物料以確定的速度、方向和間距分批或逐個地供送到給定的工位。特別是為了適應(yīng)包裝容器日新月異的變化和提設(shè)備生產(chǎn)能力的實際需要，分件供送螺桿裝置正朝著多樣化、通用化和高速化方向發(fā)展，并不斷擴(kuò)大它在灌裝、充填、封口、貼標(biāo)、計量、檢測以及自動包裝線上的應(yīng)用，如分流、合流、升起、起伏、轉(zhuǎn)向和翻身等。如圖1.1為分件單列送正圓柱形及某些異形瓶罐的典型組合裝置，從實用角度出發(fā)比較系統(tǒng)地闡述了變螺距分件供送螺桿與星形撥輪的理論、設(shè)計等關(guān)鍵問題。圖1.1典型變螺距螺桿與星形撥輪組合裝置圖 分件供送裝置結(jié)性能的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、工作效率、總體布局和自動化水平。所以，設(shè)計應(yīng)在滿足被供送瓶罐形體尺寸、星形撥輪節(jié)距及生產(chǎn)能力等條件下，合理確定螺桿直徑及長度、螺旋線旋向及組合形式、螺旋槽軸向剖面幾何形狀和星形撥輪齒廓曲線，進(jìn)而校核罐受螺桿、導(dǎo)向板、輸送帶等綜合作用后能達(dá)到給定的速度和間距，減輕沖擊、震動、卡滯現(xiàn)象，實現(xiàn)平穩(wěn)可靠運(yùn)動。二、四段式分件供送螺桿與星形撥輪裝置的參數(shù)確定2.1星形撥輪的設(shè)計圖2.1所示為星形撥輪的結(jié)構(gòu)簡圖。圖2.1星形撥輪的結(jié)構(gòu)簡圖 為了滿足課程設(shè)計任務(wù)要求，假定設(shè)星形撥輪齒數(shù)為；撥輪的轉(zhuǎn)速為；撥輪同時傳送兩個被供送體時入手所需距離為70mm；因被供送體的直徑直徑為=75mm，高mm，撥輪的節(jié)距為=112mm,設(shè)撥輪節(jié)圓直徑為，因為容器以等間距定時供送，則 則撥輪的節(jié)圓半徑為 mm 撥輪高度依據(jù)被供送體的高度為=60mm。 撥輪轉(zhuǎn)速與螺桿轉(zhuǎn)速的關(guān)系應(yīng)滿足：， 則撥輪的轉(zhuǎn)速可確定。 2.2螺桿螺旋線的組合特征 在工件傳送過程中，有的能順利導(dǎo)入螺旋槽，有的卻被螺桿端面阻擋甚至同輸送過來的其他瓶罐產(chǎn)生沖撞，另外還可能使輸出過程出現(xiàn)：“局部斷流”現(xiàn)象。面對這些錯綜復(fù)雜的工作狀況，為了更好地實現(xiàn)緩沖和“定時整流”的目的，對分件供送來說，就不宜采用螺距全是的等螺距螺桿，而應(yīng)在螺桿的進(jìn)中附近配備可調(diào)式減速裝置，使瓶罐自動減速相互靠近，以便逐個依次順利地導(dǎo)入螺旋槽內(nèi)，接著再增速達(dá)到預(yù)定間距，借助撥輪有節(jié)奏地引導(dǎo)到包裝工們。因此，當(dāng)螺桿應(yīng)用于高速度分件定時供送時，其螺旋線最標(biāo)準(zhǔn)的組合模式最好是四段式：1. 輸入等速段，螺距小于，有助于穩(wěn)定的導(dǎo)入口。2. 變加速度段，加速度由零增至某最大值，以消除沖擊。3. 等加速段，與輸送帶拖動瓶罐的摩擦作用力相適應(yīng)，采用等加速運(yùn)動規(guī)律使之增大間距，以保證在整個供送過程中與螺旋槽有可靠的接觸摸點而不易晃動和傾倒。4. 輸出等速段，使螺距等于，以改善星形撥輪齒槽的結(jié)構(gòu)形式及其嚙入狀態(tài)，這對供送導(dǎo)形瓶罐尤為重要。2.3螺桿螺旋線的基本參數(shù) 參閱圖2.2,所示為四段式變螺距螺桿。通常螺桿的前端多呈圓錐臺形，而后端則有同瓶罐主體半徑相適應(yīng)的過渡角，以利改善導(dǎo)入效果，緩和輸入輸出兩端的陡振和磨損，延長使用壽命。設(shè)螺桿的內(nèi)外直徑各為為使螺旋槽對瓶罐產(chǎn)生適宜的側(cè)向力，一般取r=（0.71.0）（）。圖2.2四段式變螺距組合螺桿計算簡圖對供送正圓柱形容器，其圓弧半徑為，螺桿的內(nèi)外半徑分別為、r，則可取 （ 2-1）至于的值，一般情況下主要根據(jù)螺桿芯部及其支軸的結(jié)構(gòu)尺寸等因素加以確定。實際中也可從滿足某種工藝要求的角度來考慮這個問題，例如供送安瓿，為防止傾倒擠碎，應(yīng)選用較大的螺桿內(nèi)徑和較小的螺旋角。因為設(shè)計要求供送主體瓶灌的尺寸為：直徑為=75mm，高mm。為滿足設(shè)計任務(wù)要求，我們先暫取供送螺桿的內(nèi)徑為mm，根據(jù)式（2-1）取螺桿的外徑mm。2.4組合螺旋線的設(shè)計2.4.1輸入等速段螺桿等速段的螺距應(yīng)取為 (2-2)式中 兩相鄰容器間的平均間隙（一般為幾毫米，主要與容器加工精度有關(guān)）暫取mm，則螺桿等速段的螺距為mm設(shè)等速段螺旋線的最大圈數(shù)為（通常取為11.5），中間任意，我們在這取，對應(yīng)螺旋角 （2-3）式中d為螺桿的直徑，d=2r=120mm. 則螺旋角 （2-4）對其單頭外螺旋線，因其展開圖形為一條斜直線，故相應(yīng)的周向展開長度 ，mm （2-5）軸向長度 ，mm （2-6）供送速度 mm500r/min=666.67mm/s (2-7)對于圖1.1所示的變螺距螺桿與星形撥輪組合供送裝置，包裝容器的供入速度另有控制要求：當(dāng)時，依靠送帶對包裝容器的摩擦拖動作用加速，以接近于螺桿的初始供送速度。當(dāng)時，借助于可調(diào)式波形尼龍板或刷板等緩沖裝置使其減速。據(jù)此可求得供入段的輸送長度 （2-8）式中 容器與輸送帶的滑動摩擦因數(shù)螺桿等速段包裝容器與輸送帶的最大速差 （2-9）設(shè)計時，要盡量小值，撥輪節(jié)距和螺桿轉(zhuǎn)速都不宜過大，以免加快鏈板工作表面磨損，引起容器強(qiáng)烈的振動。2.4.2螺桿變加速段螺旋線針對滿足包裝容器供送平穩(wěn)的要求，選取該段螺桿的供送加速度，使由零值依正弦函數(shù)變化規(guī)律增加到某一最大,則 （2-10）相應(yīng)的供送速度及軸向位移為： （2-11） （2-12）式中、分別表示被供送容器移過行程及其最大值所需的時間。 由邊界條件得知：當(dāng)時，mm/s；而當(dāng)時，故可確定各待定系數(shù)：，。將、各值代入式（2-12），得 （2-13）設(shè)該段螺旋線的最大圈數(shù)為2），我們?nèi)?，其中任意為，由于。上式可改寫?（2-14）可以證明，該段螺旋線的展開圖形是由一條斜直線和一條按擺線投影規(guī)律變化的曲線疊加而成的曲線。 由于此段外螺旋線的周向展開長度=753.6mm。將此值代入式（2-14），得 （2-15）視為自變量，對上式求導(dǎo)，可求出該段外螺旋線的螺旋角 (2-16)其最大值為 (2-17)根據(jù)式（2-14），可求出該段限定區(qū)間（）內(nèi)的任意螺距值 (2-18) 再將和值分別代入式（2-10）和（2-11），導(dǎo)出該段的加速度及速度的計算式： (2-19) (2-20) (2-21)由于可知，當(dāng)其他條件一定時，變加速段的外螺旋螺旋角、螺距和供速度均隨螺旋圈數(shù)的增大而增大。若取則，符合螺桿的前兩段的位移、速度及加速度曲線的銜要求。2.4.3螺桿等加速度段螺旋線設(shè)螺桿等加速度段的供送加速度，則相應(yīng)的供送速度及軸向位移為 (2-22) (2-23)式中 被供送容器移過行程所需要的時間由邊界條件可知：當(dāng)時，=0，故可確定各特定各系數(shù)：，。將和值代入（2-23），得 (2-24)設(shè)等加速度段螺旋線的最大圈數(shù)為通常?。?5），我們?nèi)?，中間任意值，由于=，且令當(dāng)量螺距 (2-25)由式（2-23），解出等加速段的位移為 (2-26)可見，等加速段螺旋線的展開圖形是一條斜直線和一條拋物線規(guī)律變化的曲線疊加機(jī)而成的曲線。將此段外螺旋線展開長度：,mm代入上式，可求得軸向位移 (2-27)視為自變量，對上式求導(dǎo)，剛等加速度段外螺旋線的螺旋角及其最大值分 別為： (2-28) (2-29)由以上兩式導(dǎo)出 (2-30)可得等加速段的加速度為：mm/這表明，等加速段的供送加速度與螺桿轉(zhuǎn)速的平方成正比；當(dāng)星形撥輪節(jié)距和等速度段螺距保持定值時，適當(dāng)?shù)卦黾雍髢啥温菪€的總圏數(shù)，有助于降低螺桿的供送加速度，或提高螺桿轉(zhuǎn)速。根據(jù)式（2-26），可求得等加速段限定區(qū)間（）內(nèi)的任意螺距值 (2-31)其最大值 (2-32)再將值代入式(2-22)得 (2-33)其最大值 (2-34)以上表明，當(dāng)其他條件一定時，螺桿等加速度段的外螺旋線螺旋角、螺距和供送速度同樣隨螺旋圈數(shù)的增大而增大。若取則，符合螺桿后兩段的位移、速度及加速度曲線的銜接要求。2.4.4螺桿輸出等速段螺旋線對輸出等速段，為改善星形撥輪齒槽的結(jié)構(gòu)形式及其嚙入狀態(tài)，使該段螺距=112mm，設(shè)等速段螺旋線的最大圈數(shù)為（通常取為11.5），中間任意，我們在這取，對應(yīng)螺旋角 （2-35）根據(jù)邊界條件可得供送速度式中d為螺桿的直徑，d=2r=120mm. 則螺旋角 （2-36）對其單頭外螺旋線，因其展開圖形為一條斜直線，故相應(yīng)的周向展開長度 ，mm （2-37）軸向長度 ，mm （2-38）最后，為便于設(shè)計計算和機(jī)械加工，將式（2-30）的值分別代入式（2-14）和式（2-26）(以此類推)，經(jīng)整理得： (2-39) (2-40) (2-41) (2-42)綜上所述，螺桿輸入等速段的最大軸向長度僅與螺距和圈數(shù)有關(guān)，變加速段和等加速段的最大軸向長度、與撥輪節(jié)距、螺距及圈數(shù)、有關(guān)，螺桿輸出等速段的最大軸向長度僅與螺距和圈數(shù)有關(guān)。則通過上式（2-40）可得變加速段的長度為mm通過式（2-42）可得等加速段的長度為mm 至此，可求出供送螺桿三段式組合螺旋線展開圖形的軸向及周向全長： (2-43) (2-44)即螺桿螺旋線軸向和周向長度各為 mm =3014.4mm2.5螺旋槽軸向剖面的幾何形狀設(shè)計通常，采用作圖法和解析法來確定螺旋槽軸向剖面的幾何形狀和基本參數(shù)。設(shè)計螺旋槽的宗旨是要按照供送物件主體部位的形狀、大小及預(yù)選的螺桿內(nèi)外直徑和螺距，來確定螺旋槽軸向剖面幾何圖形及其寬度。這些，對實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的供送運(yùn)動以及檢測螺桿的設(shè)計制造質(zhì)量有重要的意義。另處，還為合理確定螺桿的外半徑提供了依據(jù)。對于此課程設(shè)計，我采用解析法確定螺旋槽軸向剖面的幾何形狀和基本參數(shù)。正圓柱形包裝容器與螺桿的相貫運(yùn)動。如圖2.3所為正圓柱形瓶罐與螺桿作相貫運(yùn)動的分析圖。2.3正圓柱形瓶罐與螺桿作相貫運(yùn)動的分析圖過正圓柱形容器與螺桿的軸心線引直角坐標(biāo)系，且使坐標(biāo)面與螺桿外螺旋線交于點i。令該螺距計算值為s（可在其左右兩側(cè)各量取半個螺距來確定），為簡化計算，將此段變螺距螺旋線近似看成等螺距螺旋線。其次，在容器表面上任到一母線，與坐標(biāo)面相交于點。令該母線沿以為半徑的相應(yīng)等螺距內(nèi)螺旋線由初始位轉(zhuǎn)置mn移過距離，又滾過角度，而至一新位置。此時它同i點軸向剖面相截的跡點為，則四圖示幾何關(guān)系得 （2-45）式中 （2-46） （2-47）上式表明不同的值對應(yīng)著不同的跡點曲線，即函數(shù)。因此，是曲線族方程的參數(shù)，將上式改寫為 （2-48）關(guān)于曲線族包絡(luò)線參數(shù)方程的一般求法，可導(dǎo)出偏導(dǎo)數(shù)使它與聯(lián)立，解得；這兩個式子即為曲線族的切點方程或包絡(luò)方程，可近似畫出所求作的螺旋槽軸向剖面幾何形狀。由直接寫出理論上，即sec0，故得從而可導(dǎo)出曲線簇包絡(luò)線的坐標(biāo) 若取，則點m的坐標(biāo)改為，同理，上式中也就在改為，在此條件下，若、r、s均已選定，可用試探法或解析作圖法求出值（其變化范圍為。 考慮到以上各式是將變螺距螺旋線按所選點及所限定區(qū)間近似看作等螺距螺旋線推導(dǎo)出來的，所以，根據(jù)曲線族包絡(luò)線確定的螺旋槽軸向剖面幾何形狀對軸線必然成對稱的。因而求出螺旋槽寬度為由上式可見，變螺距螺桿螺旋槽的寬度必定隨著螺距的增大而增大。上述分析表明，供送正圓柱形容器，決定螺旋槽軸向剖面幾何形狀及其寬度的主要因素是、r、s。嚴(yán)格講，變螺距螺桿螺旋槽的各軸向剖面幾何形狀，在寬度上互不相等，隨著螺距的增大，此種差異也越明顯。2.6利用程序設(shè)計的方法輸出結(jié)果并自動生成圖形2.6.1 matlab軟件的運(yùn)用因為matlab具有強(qiáng)大的繪圖功能，本節(jié)我對分件供送螺桿的設(shè)計采用程序設(shè)計的方法進(jìn)行編程。對被供送體的速度、加速度和位移的變化進(jìn)行分析。由前面的分析，我對位移、速度，加速度變化函數(shù)編程可得以下matlab程序：cb=input(請輸入撥輪節(jié)距cb=);n=input(請輸入螺桿的轉(zhuǎn)速n=);s01=input(請輸入等速段螺距長度s01=);a=(pi*n2*(cb-s01)/(2*2+4*pi)%勻加速時候的加速度figurei1m=1;i2m=2;i3m=4;i4m=1;i1=0:0.001:i1m;h1=s01*i1;%等速段軸向位移h1m=s01i2=i1m:0.001:i1m+i2m;h2=h1m+s01*(i2-i1m)+(4*(i2m)2*(cb-s01)/(pi*(2*i2m+pi*i3m)*(pi*(i2-i1m)/(2*i2m)-sin(pi*(i2-i1m)/(2*i2m);h2m=(s01+(2*i2m*(pi-2)*(cb-s01)/(pi*(2*i2m+pi*i3m)*i2mi3=i1m+i2m:0.001:i1m+i2m+i3m;h3=h1m+h2m+(s01+(pi*(cb-s01)/(2*(2*i2m+pi*i3m)*(4*i2m)/pi+(i3-3).*(i3-3);h3m=(s01+(cb-s01)*(4*i2m+pi*i3m)/(2*(2*i2m+pi*i3m)*i3mi4=i1m+i2m+i3m:0.001:i1m+i2m+i3m+i4m;h4=h1m+h2m+h3m+cb*(i4-7);h4m=cb*i4msubplot(3,1,1);plot(i1,h1,i2,h2,i3,h3,i4,h4)xlabel(i);ylabel(h);title(位移圖)v0=s01*n;v2=v0+(2*a*i2m)/(pi*n)*(1-cos(pi*(i2-1)/(2*i2m);v3=v0+(pi*n)*(cb-s01)/(2*i2m+pi*i3m)*(2*i2m/pi+(i3-3);v4=cb*n;subplot(3,1,2);plot(i1,v0,i2,v2,i3,v3,i4,v4)xlabel(i);ylabel(v);title(速度圖)a1=0;a2=a*sin(pi/2)*(i2-1)/i2m);a3=a;a4=0;subplot(3,1,3);plot(i1,a1,i2,a2,i3,a3,i4,a4)xlabel(i);ylabel(a);title(加速度圖)h=h1m+h2m+h3m+h4m將此程序在matlab中運(yùn)行得到以下結(jié)果：請輸入撥輪節(jié)距cb= %由前面的分析知道，我設(shè)的撥輪節(jié)距為112mm.在此輸入112回車%請輸入螺桿的轉(zhuǎn)速n= %螺桿的轉(zhuǎn)速為500r/min=25/3r/s,在此輸入25/3%請輸入等速段螺距長度s01= %我設(shè)計的輸入等速段的螺距長度為80mm%a =421.41h1m =80h2m =165.62h3m =399.45h4m =112h = 757.07結(jié)果與前面計算的結(jié)果相吻合。生成的位移、速度、加速度變化曲線圖見（圖2.4）2.4 變化曲線圖2.6.2 pro/e三維圖的運(yùn)用采用pro/e的強(qiáng)大繪圖功能，對變螺距螺桿的實物圖進(jìn)行繪制分析。已知螺桿設(shè)計的參數(shù)：螺桿外徑d=120mm,螺桿的內(nèi)徑為=90mm,供送件的直徑為mm、螺桿的轉(zhuǎn)速，變速圈數(shù)為，初始螺距為80mm,撥輪節(jié)距為mm。螺桿的全長為757.07mm。繪圖步聚：步驟1：創(chuàng)建實體旋轉(zhuǎn)特征。選擇“插入”“旋轉(zhuǎn)”命令，進(jìn)入草圖環(huán)境后，繪制旋轉(zhuǎn)特征的截面草圖。定義旋轉(zhuǎn)角度為360，完成特征的創(chuàng)建。步驟2：繪制四段螺旋線。選擇“插入”“模型基準(zhǔn)”“曲線”命令，在彈出的菜單管理器的“曲線選項”中選擇“從方程”然后根據(jù)提示選擇方程坐標(biāo)系，并選擇笛卡兒坐標(biāo)系類型，在彈出的記事本界面中，根據(jù)螺桿參數(shù)編輯螺桿螺旋線方程。得到輸入等速段螺旋線，重復(fù)以上步驟繪制變加速段、等加速段和輸出段螺旋線。各段螺旋線的方程：第一段的方程x=(45+37.5)*cos(360*t)y=(45+37.5)*sin(360*t)z=80*t第二段的方程x=(45+37.5)*cos(360*2*t)y=(45+37.5)*sin(360*2*t)z=160*t+16*32/pi/(4+4*pi)*(pi*t/2-sin(pi/2*t)*180/pi)第三段的方程x=(45+37.5)*cos(360*4*t)y=(45+37.5)*sin(360*4*t)z=(80+32*pi/(8+8*pi)*(8/pi+4*t)*4*t第四段的方程x=(45+37.5)*cos(360*t)y=(45+37.5)*sin(360*t)z=112*t步驟3：繪制可變剖面掃描。由于按方程繪制的基準(zhǔn)曲線不能作為“掃描切口”命令的掃描軌跡，所以需要曲面相交的方式與三段螺旋線重合的掃描軌跡，兩個相交曲面之一為由螺旋線生成的可變剖面掃描，另一個為圓柱面。則需先繪制一條與軸線重