1、1目 录第一章 设计概述 21.1 设计的目的 21.2 四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置概述 .3第二章 四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置的参数确定 42.1 星形拨轮的设计 42.2 螺杆螺旋线的组合特征 52.3 螺杆螺旋线的基本参数 62.4 组合螺旋线的设计 72.4.1 输入等速段 .72.4.2 螺杆变加速段螺旋线 .82.4.3 螺杆等加速度段螺旋线 .102.4.4 螺杆输出等速段螺旋线 .122.5 螺旋槽轴向剖面的几何形状设计 142.6 利用程序设计的方法输出结果并自动生成图形 162.6.1 Matlab 软件的运用 162.6.2 Pro.e 画图工具的运用 .18
2、第三章 总结 20设计心得 20参考文献 212第一章 设计概述1.1 设计的目的这个课程设计是一个重要的实践性教学环节，也是提高我们这些工科学生工程设计能力的一个重要途径。是让我们这些包装机械专业方向的学生学好专业知识课程和充分利用所学资源进行设计分析的重要方法，对我们以后的学习工作具有非常重大的意义。1.1.1 设计的主要技术参数供送物品为圆柱体：尺寸：直径为 50 mm、高为 100 mm1.1.2 设计任务1、根据有关参数进行计算或编写有关设计计算程序；2、利用程序设计的方法输出结果并自动生成图形；3、画出装配图及其主要零件图；4、完成设计计算说明书。31.2 四段式分件供送螺杆与星形
3、拨轮装置概述目前，在包装工业领域，已广泛应用多种类型的分件供送螺杆装置。这种装置可按某种工艺要求将规则或不规则排列的容器、物料以确定的速度、方向和间距分批或逐个地供送到给定的工位。特别是为了适应包装容器日新月异的变化和提设备生产能力的实际需要，分件供送螺杆装置正朝着多样化、通用化和高速化方向发展，并不断扩大它在灌装、充填、封口、贴标、计量、检测以及自动包装线上的应用，如分流、合流、升起、起伏、转向和翻身等。如图 1.1 为分件单列送正圆柱形及某些异形瓶罐的典型组合装置，从实用角度出发比较系统地阐述了变螺距分件供送螺杆与星形拨轮的理论、设计等关键问题。图 1.1 典型变螺距螺杆与星形拨轮组合装置
4、图分件供送装置结性能的好坏直接影响到产品的质量、工作效率、总体布局和自动化水平。所以，设计应在满足被供送瓶罐形体尺寸、星形拨轮节距及生产能力等条件下，合理确定螺杆直径及长度、螺旋线旋向及组合形式、螺旋槽轴向剖面几何形状和星形拨轮齿廓曲线，进而校核罐受螺杆、导向板、输送带等综合作用后能达到给定的速度和间距，减轻冲击、震动、卡滞现象，实现平稳可靠运动。4第二章 四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置的参数确定2.1 星形拨轮的设计图 2.1 所示为星形拨轮的结构简图。图 2.1 星形拨轮的结构简图为了满足课程设计任务要求，假定设星形拨轮齿数为 ；拨轮的转8bZ速为 =10r/min；拨轮同时传送两个被供
5、送体时入手所需距离为 70mm；因bn被供送体的直径直径为 =50mm，高 ，则取拨轮的节距为2mh10=120mm,设拨轮节圆半径为 ，因为容器以等间距定时供送，则bCbRbZC)2/(b则拨轮的节圆半径为 mRb8.1520拨轮高度依据被供送体的高度为 =60mm.。bh拨轮转速与螺杆转速的关系应满足： ，则螺杆的转速可确定。bznmi/801rn52.2 螺杆螺旋线的组合特征在工件传送过程中，有的能顺利导入螺旋槽，有的却被螺杆端面阻挡甚至同输送过来的其他瓶罐产生冲撞，另外还可能使输出过程出现：“局部断流”现象。面对这些错综复杂的工作状况，为了更好地实现缓冲和“定时整流”的目的，对分件供送
6、来说，就不宜采用螺距全是 的等螺距螺杆，而应在螺杆的进bC中附近配备可调式减速装置，使瓶罐自动减速相互靠近，以便逐个依次顺利地导入螺旋槽内，接着再增速达到预定间距，借助拨轮有节奏地引导到包装工们。因此，当螺杆应用于高速度分件定时供送时，其螺旋线最标准的组合模式最好是四段式： 输入等速段，螺距小于 ，有助于稳定的导入口bC 变加速度段，加速度由零增至某最大值，以消除冲击。 等加速段，与输送带拖动瓶罐的摩擦作用力相适应，采用等加速运动规律使之增大间距，以保证在整个供送过程中与螺旋槽有可靠的接触摸点而不易晃动和倾倒。 输出等速段，使螺距等于 ，以改善星形拨轮齿槽的结构形式及其啮bC入状态，这对供送导
7、形瓶罐尤为重要。62.3 螺杆螺旋线的基本参数 参阅图 2.2,所示为四段式变螺距螺杆。通常螺杆的前端多呈圆锥台形，而后端则有同瓶罐主体半径 相适应的过渡角，以利改善导入效果，缓和输入输出两端的陡振和磨损，延长使用寿命。设螺杆的内外直径各为 为,2,0RDrd使螺旋槽对瓶罐产生适宜的侧向力，一般取 R=（0.71.0） （ ） 。图 2.2 变螺距螺杆对供送正圆柱形容器，其圆弧半径为 =25mm，螺杆的内外半径分别为 、0rR，则可取（ 2-1）0rR至于 的值，一般情况下主要根据螺杆芯部及其支轴的结构尺寸等因素加0r以确定。实际中也可从满足某种工艺要求的角度来考虑这个问题，例如供送安瓿，为防
8、止倾倒挤碎，应选用较大的螺杆内径和较小的螺旋角。因为设计要求供送主体瓶灌的尺寸为：直径为 =50mm，高 。为满足设计任务要2mh10求，我们先暂取供送螺杆的内径为 ，根据式（2-1）取螺杆的外径r40mR5072.4 组合螺旋线的设计2.4.1 输入等速段螺杆等速段的螺距应取为(2-2)201S式中 两相邻容器间的平均间隙（一般为几毫米，主要与容器加工精度有关）暂取 ，则螺杆等速段的螺距为m10 mS601501设等速段螺旋线的最大圈数为 （通常取为 11.5） ，中间任意 ，我们在这取i i1mi，对应螺旋角 DS01tan（2-3）式中 D 为螺杆的直径，D=2R=100mm.则螺旋角
9、0.1910 （2-4）106t对其单头外螺旋线，因其展开图形为一条斜直线，故相应的周向展开长度， （2-5）1iLmim314轴向长度 ， （2-0SHS61016）供送速度 (2-7)srDn/80in/ta0101 对于图 1.1 所示的变螺距螺杆与星形拨轮组合供送装置，包装容器的供入速度 另有控制要求：r当 时，依靠送带对包装容器的摩擦拖动作用加速，以接近于螺0r杆的初始供送速度。当 时，借助于可调式波形尼龙板或刷板等缓冲装置使其减速。0r据此可求得供入段的输送长度gLdrr20（2-8）式中 容器与输送带的滑动摩擦因数d螺杆等速段包装容器与输送带的最大速差 m（2-9）nSCbm)(
10、0101设计时，要尽量小 值，拨轮节距和螺杆转速都不宜过大，以免加快链板工作表面磨损，引起容器强烈的振动。82.4.2 螺杆变加速段螺旋线针对满足包装容器供送平稳的要求，选取该段螺杆的供送加速度 ，使2a由零值依正弦函数变化规律增加到某一最大 ,则2a a（2-10）mtca212sin相应的供送速度及轴向位移为：（2-11）22122coscttdtm（2-12）322122in4ttttH式中 、 分别表示被供送容器移过行程 及其最大值 所需的时间。2tm 2Hm2由边界条件得知：当 时， ， ；而当 时，02t2 s/80mt2，故可确定各待定系数： ， ， 。将 、 、a2 ac1mt
11、a2023c1c2各值代入式（2-12） ，得3c（2-13）mmittatH22202 sn4)(设该段螺旋线的最大圈数为 2） ，我们取 ，其中任意1(2通 常 取 为i 2mi为 ，由于 =2s。上式可改写成2imi20nttm22,（2-)2si(42201 mtaiSH14）可以证明，该段螺旋线的展开图形是由一条斜直线和一条按摆线投影规律变化的曲线叠加而成的曲线。由于此段外螺旋线的周向展开长度 =628mm。将此值mDiLi222,代入式（2-14） ，得9（2-15）)2sin(4tan22012 mmLiLH视 为自变量，对上式求导，可求出该段外螺旋线的螺旋角2L 2(2-16)
12、cos1(tantan 22012 mmiRidL其最大值为(2-17)nimm2012tat根据式（2-14） ，可求出该段限定区间（ ）内的任意螺距值i(2-18) mmiiiniaS 2222012 4sn)1(cos4再将 和 值分别代入式（2-10）和（2-11） ，导出该段的加速度及速度的计算1c2式：(2-19)mia22sn(2-20)i202cos1(2-21)mmmDnia2202ta由于可知，当其他条件一定时，变加速段的外螺旋螺旋角、螺距和供速度均随螺旋圈数的增大而增大。若取 则 ， ， 符合螺,2i01202,a杆的前两段的位移、速度及加速度曲线的衔要求。102.4.3
13、 螺杆等加速度段螺旋线设螺杆等加速度段的供送加速度 ，则相应的供送速度及轴向位移为a3(2-22)43ctd(2-23)534233ttH式中 被供送容器移过行程 所需要的时间3t 3由边界条件可知：当 时， =0， ，故可确定各特定各系数：03t m23， 。将 和 值代入（2-23） ，得mc24054c5(2-24)2323taHm设等加速度段螺旋线的最大圈数为 通常取（35） ，我们取 ，中i 43mi间任意值 ，由于 = ，且令当量螺距mi303tni(2-25)2012203taniaSDSmm由式（2-23 ） ，解出等加速段的位移为(2-26)320134iinH可见，等加速段
14、螺旋线的展开图形是一条斜直线和一条抛物线规律变化的曲线叠加机而成的曲线。将此段外螺旋线展开长度： , 代入上式，可3DiLmim12563求得轴向位移(2-27)23223tannaHm视 为自变量，对上式求导，刚等加速度段外螺旋线的螺旋角及其最大值3L分别为：11(2-28)2323tantanDidLHm(2-29)Cibm2323tt由以上两式导出(2-30)mbiSna3201可得等加速段的加速度为： 22/.6)4(8sm这表明，等加速段的供送加速度与螺杆转速度的平方成正比；当星形拨轮节距和等速度段螺距保持定值时，适当地增加后两段螺旋线的总圏数，有助于降低螺杆的供送加速度，或提高螺杆
15、转速。根据式（2-26） ，可求得等加速段限定区间（ ）内的任意螺距值mi31(2-31)2(4)(301013mbiiSCS其最大值(2-32)bmbbmi)2(3013再将 值代入式(2-22)得4C(2-33)(2)(3230103 iiSCnmmb其最大值(2-34)mD33tan以上表明，当其他条件一定时，螺杆等加速度段的外螺旋线螺旋角、螺距和供送速度同样随螺旋圈数的增大而增大。若取 则 ， ，,03ima23m23，符合螺杆后两段的位移、速度及加速度曲线的衔接要求。a3122.4.4 螺杆输出等速段螺旋线对输出等速段，为改善星形拨轮齿槽的结构形式及其啮入状态，使该段螺距 =120m
16、m，设等速段螺旋线的最大圈数为 （通常取为 11.5） ，中bCS4 mi4间任意 ，我们在这取 ，对应螺旋角mi4014mi（2-35）DS0tan根据边界条件可得供送速度 m34式中 D 为螺杆的直径，D=2R=100mm.则螺旋角 （2-36）82.01tan04对其单头外螺旋线，因其展开图形为一条斜直线，故相应的周向展开长度， （2-37）4DiLim314轴向长度， （2-38）40iSHiS2040最后，为便于设计计算和机械加工，将式（2-30）的 值分别代入式（2-a14）和式（2-26）( 以此类推)，经整理得：(2-39)mmbniiiSCiS223201201 sn)(4(
17、2-40)bmiiH23201012 )(2-41)323201013 4)(iiSCSmmb(2-42)mbmiiH33201013 )(综上所述，螺杆等速段的最大轴向长度 仅与螺距 和圈数 有关，变H101Smi1加速段和等加速段的最大轴向长度 、 与拨轮节距 、螺距 及圈数m23bC0、 有关。mi23则通过上式（2-40）可得变加速段的长度为 mHm 5.130242610602 13通过式（2-42）可得等加速段的长度为 mHm 97.384426013 至此，可求出供送螺杆三段式组合螺旋线展开图形的轴向及周向全长：(2-43)mmH43213(2-44)LL1即螺杆螺旋线轴向和周向
18、长度各为=699.5mm12097.385.10641H=2513mm5.346L142.5 螺旋槽轴向剖面的几何形状设计通常，采用作图法和解析法来确定螺旋槽轴向剖面的几何形状和基本参数。设计螺旋槽的宗旨是要按照供送物件主体部位的形状、大小及预选的螺杆内外直径和螺距，来确定螺旋槽轴向剖面几何图形及其宽度。这些，对实现稳定可靠的供送运动以及检测螺杆的设计制造质量有重要的意义。另处，还为合理确定螺杆的外半径提供了依据。对于此课程设计，我采用解析法确定螺旋槽轴向剖面的几何形状和基本参数。正圆柱形包装容器与螺杆的相贯运动。如图 2.3 所为正圆柱形瓶罐与螺杆作相贯运动的分析图。2.3 正圆柱形瓶罐与螺
19、杆作相贯运动的分析图过正圆柱形容器与螺杆的轴心线引直角坐标系 ，且使坐标面xyzo1与螺杆外螺旋线交于点 i。令该螺距计算值为 S（可在其左右两侧各量yoz取半个螺距来确定） ，为简化计算，将此段变螺距螺旋线近似看成等螺距螺旋线。其次，在容器表面上任到一母线，与坐标面 相交于点 。令xylkm,该母线沿以 为半径的相应等螺距内螺旋线由初始位转置 mn 移过距离 k xl，又滚过角度 ，而至一新位置 。此时它同 i 点轴向剖面相截的迹点nm为 ，则四图示几何关系得),(yxj（2-45）secky式中（2-46）x)1(2（2-47）20lrk上式表明不同的 值 对应着不同的迹点曲线，即函数 。
20、ll xfy15因此， 是曲线族方程的参数，将上式改写为l（2-48）02sec, 20 SlxlrylxF关于曲线族包络线参数方程的一般求法，可导出偏导数 使它,0),(1lyxF与 联立，解得 ；这两个式子即为曲线族的切0,ly lfylfx21)(及点方程或包络方程，可近似画出所求作的螺旋槽轴向剖面几何形状。由 直接写出,),(1lxF 0sectan2Skl理论上， 09，即 sec0，显然， 2tanlk从而可导出曲线簇包络线的坐标 )(422lSy2Slx若取 Ryr，则点 m 的坐标改为 ),(rrkl，同理，上式中 也就在改为r，在此条件下， 222Rlskrr rrr cos
21、0若 、 0r、R、S 均已选定，可用多种方法求出 l值（其变化范围为 rl0。考虑到以上各式是将变螺距螺旋线按所选点及所限定区间近似看作等螺距螺旋线推导出来的，所以，根据曲线族包络线确定的螺旋槽轴向剖面几何形状对 y轴线必然成对称的。因而求出螺旋槽宽度 21Q为rrSlxW2由上式可见，变螺距螺杆螺旋槽的宽度必定随着螺距的增大而增大。上述分析表明，供送正圆柱形容器，决定螺旋槽轴向剖面几何形状及其宽度的主要因素是 、 、R、S。严格讲，变螺距螺杆螺旋槽的各轴向0r16剖面几何形状，在宽度上互不相等，随着螺距的增大，此种差异也越明显。2.6 利用程序设计的方法输出结果并自动生成图形2.6.1 M
22、atlab 软件的运用因为 Matlab 具有强大的绘图功能，本节我对分件供送螺杆的设计采用程序设计的方法进行编程。对被供送体的速度、加速度和位移的变化进行分析。由前面的分析，我对位移、速度，加速度变化函数编程可得以下 Matlab 程序：Cb=input(请输入拨轮节距 Cb=);n=input(请输入螺杆的转速 n=);s01=input(请输入等速段螺距长度 s01=);a=(pi*n2*(Cb-s01)/(2*2+4*pi)%匀加速时候的加速度figurei1m=1;i2m=2;i3m=4;i4m=1;i1=0:0.001:i1m;H1=s01*i1;%等速段轴向位移H1m=s01i2
23、=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/2)*(i2-i1m)/(i2m)*1;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)
24、*(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(位移图)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=120
25、*n;17subplot(3,1,2);plot(i1,v0,i2,v2,i3,v3,i4,v4)xlabel(i);ylabel(v);title(速度图 )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(加速度图)H=H1m+H2m+H3m+H4m将此程序在 Matlab 中运行得到以下结果：请输入拨轮节距 Cb= %由前面的分析知道，我设的拨轮节距为 120mm.在此输入 120 回车%请输入螺杆的转速 n= %螺
26、杆的转速为 80r/min=4/3r/s,在此输入 4/3%请输入等速段螺距长度 s01= %我设计的输入等速段的螺距长度为 60mm%a =20.2279H1m =60H2m =130.5287H3m =388.9744H4m =120H = 699.5031结果与前面计算的结果相吻合。生成的位移、速度、加速度变化曲线图见（图 2.4）182.4 变化曲线图2.6.2 Pro.e 画图工具的运用采用 Pro.e 的强大绘图功能，对变螺距螺杆的实物图进行绘制分析。已知螺杆设计的参数：螺杆外径 D=100mm,螺杆的内径为 do=80mm,供送件的直径为 、螺杆的转速 ，变速圈数为m502min
27、/80r,2,1mi，初始螺距为 S 60mm, 拨轮节距为 。螺杆的全1,43mii Cb0长为 825mm。绘图步聚：步骤 1：创建实体旋转特征。选择“插入” “旋转”命令，进入草图球境后，绘制旋转特征的截面草图。定义旋转角度为 360 ，完成特征的创建。0步骤 2：绘制四段螺旋线。选择“插入” “模型基准” “曲线”命令，在弹出的菜单管理器的“曲线选项”中选择“从方程”然后根据提示选择方程坐标系，并选择笛卡儿坐标系类型，在弹出的记事本界面中，根据螺杆参数编辑螺杆螺旋线方程。得到输入等速段螺旋线，重复以上步骤绘制正弦加速段、等加速段和输出段螺旋线。19各段螺旋线的方程：第一段的方程x=(8
28、0+50)*cos(360*t)y=(80+50)*sin(360*t)z=60*t第二段的方程x=(80+50)*cos(360*2*t)y=(80+50)*sin(360*2*t)z=120*t+16*60/pi/(4+4*pi)*(pi*t/2-sin(pi/2*t)第三段的方程x=(80+50)*cos(360*4*t)Y=(80+50)*sin(360*4*t)z=(60+60*pi/(8+4*pi)*(8/pi+4*t)*4*t第四段的方程x=(80+50)*cos(360*t)y=(80+50)*sin(360*t)z=160*t步骤 3：绘制可变剖面扫描。由于按方程绘制的基准曲
29、线不能作为“扫描切口”命令的扫描轨迹，所以需要曲面相交的方式与三段螺旋线重合的扫描轨迹，两个相交曲面之一为由螺旋线生成的可变剖面扫描，另一个为圆柱面。则需先绘制一条与轴线重合的直线作为扫描用原点轨迹，选择“插入” “可变剖面扫描” ，在操控板中选中“曲面”图标，选择直线和等速段螺旋线作为原点轨迹和 X 轨迹。在草绘环境中绘制过圆心的、长度为 的直线作为扫描剖面，得到对应于等速段的扫描面，0d重复双眼皮步骤绘制正弦加速段和等加速度段扫描面。步骤 4：用“相交”命令生成最终的扫描轨迹。选择“插入” “拉伸”命令，在操控板中选中“曲面”图标，创建一个直径为 的圆柱面。选中步骤 3 所创建的任一扫描面
30、后，选择“插入” “相交”0d命令，根据提示继续选择圆柱面，两面组相交可得到它们的交线曲线链。重复以上步骤可生成整段螺旋线的曲线链。为方便后续造型工作，可将以前步骤生成的曲线和曲面隐藏，只显示曲线链和实体。步骤 5：用“扫描切口”命令完成螺杆模型。选择“插入” “扫描” “切口”命令，在菜单管线理器的“扫描轨迹”选项中选择“选取轨迹” ，在“链”中选择“曲线链” ，并根据提示选取步骤四生成的某段曲线链作为扫描轨迹，并确定截面定义方向和扫描截面的向上方向。在草绘截面时绘制圆作为扫描剖面形状。按被供送件直径参数确定圆直径。最后选择要删除的区域，完成扫描切口特征。最后生成的分件供送变速螺杆实物图见（
31、图 2.5）20图 2.5 变螺距螺杆第三章 总结设计心得本次对分件供送螺杆与星形拨轮装置的设计，前后花了一个星期的时间，在这一个星期的时间里，是一次较全面的设计实践活动，也是一次对所学知识的综合应用。在设计过程中，不仅学到了许多知识，而且还加强了我的工程素质,对我以后的工作学习，有非常重大的意义，这种意义不光是配养了自己和同学一起团队合队协调的能力，更重要的是在这段时间内使自己深刻感受到设计工作的那份艰难。让我知道课程序设计是一项复杂、细致的工作，来不得半点马虎。因此，在整个设计过程中，必须端正工作态度，刻苦钻研、一丝不苟、精益求精，从而逐步培养了我的严谨的工作作风，也只有这样，才可能顺利地
32、通过所学知识把课程设计做好。在设计的过程中，必须得把准备工作做足和做充分，要根据设计任务要求，21考虑周全。在设计的过程中，各种问题会一个接一个地不但的出现，这个问题解决了，另外一个问题又来了，这有时候叫人好痛苦，现在想想，之所以会出现这样那样的问题，那是因为自已对书本上的好多东西撑握得不够好,理论知识的不足。因此，在设计的过程中，需要多翻书，多查资料，只有这样做，才能达到精益求精。最后，我要说的是：做课程设计的过程特别累，不过，这就像农民秋天割麦子，再苦再累无所谓，因为有收获。用一个字来形容就是“值” 。参考文献【1】孙智慧，高德 包装机械 中国轻工业出版社 2010.【2】 许林成，赵治华，王治包装机械原理与设计上海：上海科学技术出版社，1998.【3】 雷伏元.自动包装机设计原理天津：天津科技出版社，1986.【4】 许林成.包装机械长沙：湖南大学出版社，1986.【5】孙凤兰，马喜川包装机械概论北京：印刷工业出版社，1998.
