机械制造行业机械原理旋转型灌装机
设计
目录
设 计 任 务 书
-----------------------------------------------------2
1. 功 设 计 工 作 原 理
--------------------------------------------------4
2. 能分解图，执行机构动作分解图-----------------------6
3. 运 动 方 案 的 选 择 与 比 较
---------------------------------------9
4. 机构运动总体方案图（机构运动简图）-----------------10
5. 工 作 循 环 图
------------------------------------------------------16
6. 执 行 机 构 设 计 过 程 及 尺 寸 计 算
------------------------------18
7. 凸轮设计分段图．轮廓图．设计结果---------------------21
8. 机构运动分析计算机辅助设计流程------------------------25
9. 程序清单（主程序和子程序）------------------------------26
10. 十 一 运 行 结 果 及 运 动 线 图
------------------------------------31
11. 设 计 总 结
--------------------------------------------------------
--32
12 参 考 资 料
----------------------------------------------------------33
江西农业大学大学机械工程学院
机械原理课程设计任务书题号 11
旋转型灌装机
一、设计题目及原始数据
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 1
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。
该机采用电动机驱动，传动方式为机械传动。技术参数见下表。
旋转型灌装机技术参数表
方案号
转台直径 mm 电动机转速
r/min
灌装速度
r/min
A 600 1440 10
B 550 1440 12
C 500 960 10
二、设计方案提示
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。
三、设计任务
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，并在图纸上画出传动系统图；
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；
二、原动机的选择
本设计采用方案 B。故采用电动机驱动，其转速为 1440r/min。
三、传动机构的选择与比较
机械系统中的传动机构是把原动机输出的机械能传递给执行机构并实现能量的分
配、转速的改变及运动形式的改变的中间装置。传动机构最常见的有齿轮传动、带传动、
蜗杆传动等。他们的特点如表 1：
特点 寿命 应用
齿
轮
传
动
承载能力和速度范围大；传动
比恒定，采用卫星传动可获得
很大传动比，外廓尺寸小，工
作可靠，效率高。制造和安装
精度要求高，精度低时，运转
有噪音；无过载保护作用
取决于齿轮
材料的接触
和弯曲疲劳
强度以及抗
胶合与抗磨
损能力
金属切削机床、
汽车、起重运输
机械、冶金矿山
机械以及仪器
等
蜗
杆
传
动
结构紧凑，单级传动能得到很
大的传动比；传动平稳，无噪
音；可制成自锁机构；传动比
大、滑动速度低时效率低；中、
高速传动需用昂贵的减磨材
料；制造精度要求高，刀具费
用贵。
制造精确，
润滑良好，
寿命较长；
低速传动，
磨损显著
金属切削机床
（特别是分度
机构）、起重机、
冶金矿山机械、
焊接转胎等
带
传
动
轴间距范围大，工作平稳，噪
音小，能缓和冲击，吸收振动；
摩擦型带传动有过载保护作
用；结构简单，成本低，安装
要求不高；外廓尺寸较大；摩
擦型带有滑动，不能用于分度
链；由于带的摩擦起电，不宜
用于易燃易爆的地方；轴和轴
承上的作用力很大，带的寿命
较短
带轮直径大，
带的寿命长。
普 通 V带
3500-5000h
金属切削机床、
锻压机床、输送
机、通风机、农
业机械和纺织
机械
由上述
几种主 要的传
动装置 相互比
较 可 知，由
于传动 比 较
大，故 选择涡
轮蜗杆 传动，第一
级传动 选择带
传动， 可对电动机起到过载保护的作用。
旋转灌装装机的功能图
链
传
动
轴间距范围大；传动比恒定；
链条组成件间形成油膜能吸
振，对恶劣环境有一定的适应
能力，工作可靠；作用在轴上
的荷载小；运转的瞬时速度不
均匀，高速时不如带传动平稳；
链条工作时，特别是因磨损产
生伸长以后，容易引起共振，
因而需增设张紧和减振装置
与制造质量
有关
5000-15000
h
农业机械、石油
机械、矿山机械、
运输机械和起
重机械等
运动转换功能图
系统方案的形态学矩阵
减速器设计
减速器分为三级减速，第一级为皮带传动，后两级都为齿轮传动。具体设计示意图
及参数如下
1为皮带轮：i1＝3。
2、3、4、5、6为齿轮： z2=20 z3=100
z4=20 z5=80
z6=20
四、执行机构的选择与比较
①送料功能
工件送料出料功能需要采用往复移动机构来实现，下面选用几个备选方案来实现。
(1) 送料主要通过传送带来完成，通过穿过机架的输送带输入瓶子。
（2）送料时主要通过如下图所示的传动轮把瓶子输送到工位 1，另外，为便于输入，
设计如图所示的挡板。
根据以上 2种可执行方案，经过对他们进行比较可得，虽然以上 2种方案都达到了运
动的要求，不过，考虑到传送带传送时虽然比较平稳，但容易打滑，选用方案 2较为合
适，并较为可靠，结构也较为简单，有平稳的运动特性。
②灌装功能
在这里凸轮机构比连杆机构更适用，因为：
1）凸轮机构能实现长时间定位，而连杆机构只能瞬时定位，定位效果差，精度低。
2）凸轮机构比连杆机构更容易设计。
3）结构简单，容易实现
方案如图：
③压盖功能
在这里则连杆机构比凸轮机构更适用，因为凸轮机构
1） 加工复杂，加工难度大。
2） 造价较高，经济性不好。
方案如图：
④出料功能
可以选择连杆机构来实现出料，但考虑到结构的工艺性和制造的方便性，可采用如图
所示的方案。
五、机械系统运动方案的拟定与比较
方案一：
用皮带和定轴轮系减速，由槽轮实现转台的间歇性转动。标准直齿轮槽轮均
便于加工。传送带靠摩擦力工作，传动平稳，能缓冲吸震，噪声小，通过链轮传递给凸
轮使压盖和灌装能够精确进行；槽轮机构能实现间歇性转动且能较好地定位，便于灌装、
压盖的进行。缺点：传动比过大，用定轴轮系传动时，占用的空间过大，使整个机构显
得臃肿，且圆锥齿轮加工较困难高速时不如带传动平稳；链条工作时，特别是因磨损产
生伸长以后，容易引起共振，因而需增设张紧和减振装置。
方案二：
对比以上两种方案方案一的优点是减速机构为三级减速 而方案二为二级减速 能使齿
轮的尺寸减小 不显得庞大，另外在压盖和灌装的传动上 采用链条传动 是运动比较精
确能保证灌装和压盖动作能在确定的时间完成是运动精确，轴间距范围大；传动比恒定；
链条组成件间形成油膜能吸振，对恶劣环境有一定的适应能力，工作可靠；作用在轴上
的荷载小；而方案二是使用长杆这样传动杆过长 起机械特性需要考虑 并且运动不是
很精确。
六、机械系统的运动循环图
1）根据执行构件的运动形式，绘制机械系统运动转换功能图如图 所示。
七、机构的设计与运动和动力分析。
.设计、计算及校核
此凸轮为控制定位工件机构，由于空瓶大约为 100mm，工件定位机构只需 40mm行
程足够，故凸轮的推程设计为 40mm，以下为推杆的运动规律：
为了更好的利用反转法设计凸轮，根据上图以表格的形式表示出位移和转角的关
系。
度数 0°－60° 120° 120°-180° 180°-240° 300° 300°-360°
位移（mm） 0 20 40 40 20 0
基圆：r0=45mm
滚子半径：rr=5
行程：h=40mm
推程角：φ=120°
回程角：φ`=120°
进休止角：φs=60°
远休止角：φs`=60°
最大压力角：αmax=°＜30°
连杆机构的设计及校核
此连杆控制封装压盖机构，由于空瓶高度约为 250mm，故行程不宜超过 300mm，
由此设计如下连杆机构：
曲柄长：a=30mm
连杆长：b=150mm
偏心距：e=0mm
行程：s=60mm
最小传动角：rmin= arccos【e/(b-a）】=0°
间歇机构设计
由于设计灌装速度为 12pcs/min，因此每个工作间隙为 5s，转台每转动 60°用时 5/6s，
停留 25/6s，由此设计如下槽轮，完成间歇运用，以达到要求
此机构为槽轮机构用以实现转台的间歇运动
左边为带销转盘，右边为槽轮，左边带销转盘转一圈，右边槽轮转动 60°。
槽轮与通过轴传给转台使转台也进行间歇运动
八、机械系统运动方案简图
如图所示为机械系统运动方案运动简图。如图 1
①电机 1通过皮带轮传到 2，2通过轴传到 3，3又传到齿轮 4，齿轮 4通过轴传到
轮 5转动，齿轮 5又带动齿轮 6，从而形成三级减速。如图 6
②斜齿轮 7传给斜齿轮 9 ，与斜齿轮 9同轴的齿轮 10又带动齿轮 11，齿轮 11又
通过轴传给传动轮 17，用来传递瓶子。 如图 4
③ 与斜齿轮 7同轴的带轮 8以相同角速度转动通过皮带传给带轮 18用来运输瓶
子。与左边带轮 18同轴的链轮 19通过链条与链轮 20连接，链轮通过轴传给齿轮和凸
轮 21，凸轮通过导杆 27进而完成灌装过程。如图 2
④ 齿轮 21传递给齿轮 22，齿轮 22又传给齿轮 23 ，曲柄 24和齿轮 23是一体的，
曲柄与连杆 25相连，连杆 25与滑块 26连接 ，滑块进行竖直运动，传递盖子，进而完
成压盖过程。如图 3
⑤与斜齿轮 9同轴的齿轮 12传给 齿轮 13，齿轮 13通过轴传到销轮 14，销轮 14
每转 6转带动槽轮转 1转进而使机构完成间歇传送瓶子，以保证工作时间。如图 4
图 1
1.电动机同轴带轮 2.带轮 3.齿轮 4.减速齿轮 8.斜齿轮 9.斜齿轮 14.带销轮
15.槽轮 16.转台 17.传送盘 18.链轮 19.链轮 20.链轮 21.凸轮 24.曲柄
26.压盖器 27.推杆 其他均为齿轮
图 2
此机构为灌装机构实现液体的灌装
凸轮的基圆半径为 45 滚子半径为 5 推程角为 120 近休角为 60 回程角为 120 远
休角为 60
当滚子在近休和远休角位置时活塞不动 当到推程角时 活塞向下运动把容器内的液
体压入瓶
中，推程为 40 从容器中压出的液体正好把瓶子装满 当到回程角时 弹簧把导杆向上
压把液体
从外面吸入容器 接着进入近休角 从而进入循环
图 3
此机构为压盖机构用以实现瓶子的封口压盖
机构中运用曲柄滑块机构以实现瓶子的压盖
曲柄的长度为 30 连杆的长度为 150 齿轮半径为 60
齿轮与曲柄为一体的 齿轮带动曲柄运动
当瓶子进入压盖这个工位时滑块 26正好从最高位置到
最下位置从而完成工件的压盖过程
图 4
此机构为转台 转台绕着轴旋转 用以带动瓶子进行工位变换实现从灌装到压盖再到运
出的流水生产
此机构的运动为间歇运动
图上转台半径为 550 两个工位的夹角为 60度
每隔 5秒换一个工位 停止 25/6s 运动 5/6s
图上阴影位置为挡板为了便于输入和输出瓶子
当空瓶从左边进入时由于左边挡板位置使瓶子沿着挡板进入工位 1
当要求输出瓶子时 右边挡板正好与此位置的运动方向平行 从而使瓶子沿着挡板运出
图 5
此机构为传送圆盘 圆盘上有三个缺口 用以卡紧瓶子
其转速为 12r/min每转 1一圈用时 5s正好与转台工位转换时间按相同
此机构的作用是把传送带上的空瓶子 一个一个的送上工位 1
此机构的独特之处是运用挡板来控制瓶子的传送路线
图 6
此机构为此旋转灌装机的减速部分 该机构采用三级减速第一级减速采用皮
带传送即 皮带减速采用皮带传送能提高机器的稳定性
II级机构和 III级机构采用齿轮减速进而使电动机的 1440r/min减到
240r/min
I级减速 1为皮带轮：i1＝3。Φ1=60 Φ2=180
3、4、5、6为齿轮： II级减速机构 i2=5
包括齿轮 3和齿轮 4
z3=20 Φ3=30
z4=100 Φ4=150
III级减速机构
i3=4包括齿轮 5和齿轮 6
z5=20 Φ5=40
z6=80 Φ6=160
第三部分 计算机调试机构
一、 凸轮形状，运动调试
12. 夹紧凸轮计算：
已知 r基圆=45mm， r滚子=5mm，推程 h=40mm。
设置凸轮类型
凸轮基本参数
运动分段
教学演示
－ 坐标轴
－ 基圆
－ 理论廓线
－ 内包络线
－ 外包络线
动画演示
二、曲柄滑块机构的运动分析
上图为一曲柄滑块机构 已知 L2=150mm L3=30mm 3和 4为同一机构
n3=12r/min
程序流程图
连杆程序
Private Sub Command1_Click()
Dim b(6), c(6), d(3), t As String
pai = Atn(1#) * 4 / 180
For fi = 0 To 360 Step 10
Fi1 = fi * pai
Call 单杆运动分析子程序(0, 0, 0, 0, 0, 0, , 0, Fi1, , 0,
_
xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy)
Call RRP运动分析子程序(1, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy, 0, 0, vPx, vPy,
aPx, aPy, _
, 0, 0, 0, xC, yC, vCx, vCy, aCx, aCy, fi2, omega2, epsilon2, sr,
vsr, asr)
t = t + "Fi1= " + Str(fi) + vbCrLf
t = t + "xC(m)= " + Str(xC) + vbCrLf
t = t + "vC(m/S)= " + Str(vCx) + vbCrLf
t = t + "aC(m/S2)= " + Str(aCx) + vbCrLf
t = t + "omega3(rad/S)= " + Str(omega3) + vbCrLf
t = t + "omega2(rad/S)= " + Str(omega2) + vbCrLf
t = t + "epsilon3(rad/S)= " + Str(epsilon3) + vbCrLf
t = t + "epsilon2(rad/S)= " + Str(epsilon2) + vbCrLf
t = t + vbCrLf
Next fi
= t
End Sub
Sub 单杆运动分析子程序(xA, yA, vAx, vAy, aAx, aAy, S, theta, fi, omega,
epsilon, _
xm, ym, vmx, vmy, amx, amy)
xm = xA + S * Cos(fi + theta)
ym = yA + S * Sin(fi + theta)
vmx = vAx - S * omega * Sin(fi + theta)
vmy = vAy + S * omega * Cos(fi + theta)
amx = aAx - S * epsilon * Sin(fi + theta) - S * omega ^ 2 * Cos(fi + theta)
amy = aAy + S * epsilon * Cos(fi + theta) - S * omega ^ 2 * Sin(fi + theta)
End Sub
Sub atn1(x1, y1, x2, y2, fi)
Dim pi, y21, x21
pi = Atn(1#) * 4
y21 = y2 - y1
x21 = x2 - x1
If x21 = 0 Then '判断 BD线段与 x轴的夹角
If y21 > 0 Then
fi = pi / 2
ElseIf y21 = 0 Then
MsgBox "B、D两点重合，不能确定"
Else: fi = 3 * pi / 2
End If
Else
If x21 < 0 Then
fi = Atn(y21 / x21) + pi
ElseIf y21 >= 0 Then
fi = Atn(y21 / x21)
Else: fi = Atn(y21 / x21) + 2 * pi
End If
End If
End Sub
Sub RRP运动分析子程序(m, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy, xP, yP, vPx, vPy, aPx,
aPy, _
L2, fi3, omega3, epsilon3, xC, yC, vCx, vCy, _
aCx, aCy, fi2, omega2, epsilon2, sr, vsr, asr)
Dim pi, d2, e, F, yCB, xCB, E1, F1, Q, E2, F2
pi = Atn(1#) * 4
d2 = ((xB - xP) ^ 2 + (yB - yP) ^ 2)
e = 2 * (xP - xB) * Cos(fi3) + 2 * (yP - yB) * Sin(fi3)
F = d2 - L2 ^ 2
If e ^ 2 < 4 * F Then
MsgBox "此位置不能装配"
GoTo n1
Else
End If
If m = 1 Then
sr = Abs((-e + (e ^ 2 - 4 * F) ^ ) / 2)
Else: sr = Abs((-e - (e ^ 2 - 4 * F) ^ ) / 2)
End If
xC = xP + sr * Cos(fi3)
yC = yP + sr * Sin(fi3)
yCB = yC - yB
xCB = xC - xB
Call atn1(xB, yB, xC, yC, fi2)
E1 = (vPx - vBx) - sr * omega3 * Sin(fi3)
F1 = (vPy - vBy) + sr * omega3 * Cos(fi3)
Q = yCB * Sin(fi3) + xCB * Cos(fi3)
omega2 = (F1 * Cos(fi3) - E1 * Sin(fi3)) / Q
vsr = -(F1 * yCB + E1 * xCB) / Q
vCx = vBx - omega2 * yCB
vCy = vBy + omega2 * xCB
E2 = aPx - aBx + omega2 ^ 2 * xCB - 2 * omega3 * vsr * Sin(fi3) _
- epsilon3 * (yC - yP) - omega3 ^ 2 * (xC - xP)
F2 = aPy - aBy + omega2 ^ 2 * yCB + 2 * omega3 * vsr * Cos(fi3) _
+ epsilon3 * (xC - xP) - omega3 ^ 2 * (yC - yP)
epsilon2 = (F2 * Cos(fi3) - E2 * Sin(fi3)) / Q
asr = -(F2 * yCB + E2 * xCB) / Q
aCx = aBx - omega2 ^ 2 * xCB - epsilon2 * yCB
aCy = aBy - omega2 ^ 2 * yCB + epsilon2 * xCB
n1: End Sub
Private Sub Command2_Click()
Dim b(6), c(6), d(3), xC1(360), vCx1(360), aCx1(360)
pai = Atn(1#) * 4 / 180
" 贵州大学机械工程与自动化学院 机械原理课程设计 "
" 机械电子工程 刘传盛 080803110345"
For fi = 0 To 360 Step 10
Fi1 = fi * pai
Call 单杆运动分析子程序(0, 0, 0, 0, 0, 0, , 0, Fi1, , 0,
_
xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy)
Call RRP运动分析子程序(1, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy, 0, 0, vPx, vPy,
aPx, aPy, _
, 0, 0, 0, xC, yC, vCx, vCy, aCx, aCy, fi2, omega2, epsilon2, sr,
vsr, asr)
xC1(fi) = xC
vCx1(fi) = vCx
aCx1(fi) = aCx
Next fi
ForeColor = QBColor(0)
(-10, 100)-(370, -100)
(0, 0)-(360, 0), ForeColor
(0, -100)-(0, 100), ForeColor
ForeColor = QBColor(4)
(0, xC1(0) * 100)
For fi = 0 To 360 Step 10
-(fi, xC1(fi) * 300 - 55), ForeColor
Next fi
ForeColor = QBColor(9)
(0, vCx1(0) * 100)
For fi = 0 To 360 Step 10
-(fi, vCx1(fi) * 800), ForeColor
Next fi
ForeColor = QBColor(10)
(0, aCx1(0) * )
For fi = 0 To 360 Step 10
-(fi, aCx1(fi) * 900), ForeColor
Next fi
End Sub
分析结果及画运动图曲线
设计总结
在新年即将来临之际，我和我的小组共同完成了大学期间第一件作品，可以说是一
件
