香烟盒包装机机构设计.doc

湖南工业大学

课 程 设 计

资 料 袋
机械工程 学院（系、部） 第 二 学年第 二 学期
课程名称 机械原理课程设计 指导教师 职称 教授
学生姓名 ... 专业班级 .... 学号...........
题 目 香烟盒包装机设计
成 绩 起止日期 2012 年 6 月 11 日～ 2012 年 6 月 15 日

目 录 清 单
序号
材 料 名 称
资料数量
备 注
1
课程设计任务书
1

2
课程设计说明书
1

3
课程设计图纸
若干

张
4

5

6

- 23 -
湖南工业大学 机械原理课程设计

机 械 原 理 课程设计
设计说明书

香烟盒包装机设计

起止日期： 2012 年 6 月 11 日 至 2012 年 6 月 15 日

学生姓名
....
班级
.....
学号
......
成绩

指导教师(签字)

机械工程学院（部）
2012年 6月11 日
目　录

0.设计任务书…………………………………………………………2
1.工作原理和工艺动作分解…………………………………………3
2根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图………………………6
3.执行机构选型与比较………………………………………………7
4.机械运动方案的选择和评定………………………………………9
5.机械传动系统的速比和变速机构…………………………………13
6.包装机的机构运动简图……………………………………………14
7.运动机构的尺度设计………………………………………………15
8包装机机构的三维建模……………………………………………18
9,运动机构的速度与加速度分析……………………………………19
10.参考资料……………………………………………………………22
11.设计总结……………………………………………………………23

湖南工业大学
课程设计任务书
2011 —2012 学年第 2 学期
机械工程 学院（系、部） 机械类 专业 ...... 班级
课程名称： 机械原理课程设计
设计题目： 香烟盒包装机设计
完成期限：自 2012 年 6 月 11日至 2012 年 6 月 15 日共 1 周

内
容
及
任
务

一、设计的任务与主要技术参数
将10包烟装成一条并封口。主要运动包括：将10包烟送到包装工位进行包装、封口。
其余设计参数是：
1）包含成品烟送料、包装纸送料动作。
2）每小时完成包装3600条。
3）包好的烟条送入烟箱包装工序。
二、设计工作量
要求：
1）根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图；
2）构思能实现上述动作要求的成品烟送料机构，包装纸送料机构，包装机构；
3）结合设计要求，比较各方案的优缺点，选定合理的机械运动方案；
4）根据选定的电动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案；
5）画出机械运动方案简图；
6）对传动机构和执行机构进行尺度设计；
7）完成设计计算说明书。
要求有设计说明书一份，相关图纸一至两张。（有条件的要求用三维动画表述）。
进
度
安
排
起止日期
工作内容
6.11-6.12
构思该机械运动方案
6.13-6.14
运动分析及作图
6.15
整理说明书与答辩
主要
参考
资料
［1］ 朱理．机械原理［Ｍ］．北京：高等教育出版社，2010.4：15-200
［2］ 邹慧君．机械原理课程设计［Ｍ］．北京：高等教育出版社，2010.6：15-250
指导教师： 刘扬 2012 年6月11日
设计题目：香烟盒包装机机构设计
1设计原理：
香烟盒包装机是将10包烟装成一条并封口。主要运动包括：将10包烟送到包装工位，在包装工位进行包装、封口。
2设计要求：
①包含成品烟送料、包装纸送料动作。
②每小时完成包装3600条。
③包好的烟条送入烟箱包装工序。

香烟盒包装形状如图1-1所示：

散装成品烟 包装成小包后 烟条装入烟箱

图1-1香烟包装形状图

第1章 工作原理和工艺动作分解
1.1 工作原理和工艺动作分解
根据工艺过程，机构应具有一个电动机三个执行构件（一个送料、一个凸轮机构控制运输爪的升降、一个导杆机构控制往复运动）。
定向送料
原理根据香烟盒的定向控制机构，因为过滤嘴的重量比烟的重量大则此机构会将烟嘴的一端进行排列。
2.根据推板定长计数将香烟进行叠装，第1,3行摆7根，中间的一行摆6根，工3列为一盒，在此过程中，推板的长度应满足大于（n-1）b而小于nb,一般取L=(n-0.5)b(mm)。推板的高度H=(0.8到1.2)h，h为物料的高度。在此过程中，推板每第2次推时，必需要稍微倾斜一点这样就可使包装时第2层为6根，且在包装盒中有间隙,则再重新退回到原先的位置。
待包装的规则块状物料5经定向排列后由输送装置4到达挡板1,2之间，然后计数推板3推送物料到包裹工位。挡料1,2之间的间隔尺寸就是推板3一次计量的物料件数的总宽度，可表示为B=nb+△ ，式中B为挡板1,2之间的距离(mm) ; b为每件规则物料在定向排列方向的宽度(mm) ; n 为推板一次定量物料的件数 ; △为余隙，常取 △大于1而小于1/2b(mm)。

由此得出曲柄导杆滑块机构构件运动线图：

第2章.根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图
拟定运动循环图的目的是确定各机构执行构件动作的先后顺序、相位，以利于设计、装配和调试。

曲柄导杆机构
控制水平向左
控制水平向右
凸轮机构
高度不变
控制向下运动
高度不变
控制向上运动

图2-1香烟盒包装机的机构运动循环图

第3章.执行机构选型与比较
实现推包机构可以使用偏置滑块机构、往复移动凸轮机构、盘形凸轮机构、导杆机构、凸轮机构机构、双凸轮机构、摇杆机构滑块机构及组合机构。
方案一：用偏置滑块机构与凸轮机构的组合机构，偏置滑块机构与往复移动凸轮机构的组合（图2）。在此方案中，偏置滑块机构可实现行程较大的往复直线运动，且具有急回特性，同时利用往复移动凸轮来实现推头的小行程低头运动的要求，这时需要对心曲柄滑块机构将转动变换为移动凸轮的往复直线运动。

图 2 偏置滑块机构与往复移动凸轮机构的组合

如果采用直动推杆盘形凸轮机构或摆动推杆盘形凸轮机构，可有另两种方案（图3、图4）。

图 3 偏置滑块机构与盘形凸轮机构的组合之一

图4 偏置滑块机构与盘形凸轮机构的组合之二

方案二：采用导杆机构与凸轮机构的组合机构

图5、导杆机构与凸轮机构的组合机构
方案三：双凸轮机构与摇杆滑块机构的组合

第4章.机械运动方案的选择和评定
方案一：双凸轮机构与摇杆滑块机构的组合，（见图2）

图2双凸轮机构与摇杆机构滑块机构的组合

方案一的运动分析和评价：
该机构由凸轮1和凸轮2，以及5个杆组成。机构一共具有7个活动构件。机构中的运动副有7个转动副，4个移动副以及两个以点接触的高副。其中机构的两个磙子存在两个虚约束。由此可知：
机构的自由度 F=3n-2Pl+Ph-p' =1
机构中有一个原动件，原动件的个数等于该机构的自由度。所以，该机构具有确定的运动。在原动件凸轮1带动杆3会在一定的角度范围内摇动。通过连杆4推动杆5运动，然后连杆6在5的推动下带动推头做水平的往返运动，从而实现能推动被包装件向前运动。同时凸轮2在推头做回复运动的时候通过向上推动杆7，使连杆的推头端往下运动，从而实现推头在给定的轨迹中运动。该机构中除了有两个凸轮与从动间接触的两个高副外，所有的运动副都是低副。在凸轮与从动件的接触时，凸轮会对从动件有较大的冲击，为了减少凸轮对从动件冲击的影响，在设计过程中把从动件设计成为滚动的从动件，可以间接增大机构的承载能力。同时，凸轮是比较大的工件，强度比较高，不需要担心因为载荷的过大而出现机构的断裂。在整个机构的运转过程中，原动件1是一个凸轮，凸轮只是使3在一定角度的往复摆动，而对整个机构的分析可知，机构的是设计上不存在运转的死角，机构可以正常的往复运行。机构中存在两个凸轮，不但会是机构本身的重量增加，而且凸轮与其他构件的连接是高副，而高副承载能力不高，不利于实现大的载荷。 而整个机构连接不够紧凑，占空间比较大。

方案二：偏置滑块机构与盘形凸轮机构组合，（见图3）

图3偏置滑块机构与盘形凸轮机构的组合

方案二的运动分析和评价：
方案二的机构主要是由一个偏置滑块机构以及一个凸轮机构组合而成的。偏置滑块机构主要是实现推头的往复的直线运动，从而实现推头在推包以及返回的要求。而凸轮机构实现的是使推头在返程到达C点的时候能够按照给定的轨迹返回而设计的。这个组合机构的工作原理主要是通过电动机的转动从而带动曲柄2的回转运动，曲柄在整周回转的同时带动连杆3在一定的角度内摆动，而滑块4在水平的方向实现往复的直线运动，从而带动连着推头的杆运动，完成对被包装件的推送过程。在推头空载返回的过程中，推头到达C点时，凸轮的转动进入推程阶段，使从动杆往上运动，这时在杆5和杆6连接的转动副就成为一个支点，使杆6的推头端在从动件的8的推动下向下运动，从而使推头的返程阶段按着给定的轨迹返回。这个机构在设计方面，凸轮与从动件的连接采取滚动从动件，因为采用了滚动从动件，这样不但能够让从动件与凸轮之间的连接更加紧凑，而且凸轮是槽型的凸轮，能减轻凸轮对它的冲击，从而提高了承载能力。而采用的偏置滑块机构能够实现滑块具有急回特性，使其回程速度高于工作行程速度，以便缩短空回程的时间，提高工作效率。但此机构的使用的是槽型凸轮，槽型凸轮结构比较复杂，加工难度大，因此成本会比较高。

方案三：偏置滑块机构与往复移动凸轮机构的组合，（见图4）

图4偏置滑块机构与往复移动凸轮机构的组合

方案三的运动分析和评价：
用偏置滑块机构与凸轮机构的组合机构，偏置滑块机构与往复移动凸轮机构的组合（图4）。此方案通过曲柄1带动连杆2使滑块4实现在水平方向上的往复直线运动，在回程时，当推头到达C点，在往复移动凸轮机构中的磙子会在槽内相右上方运动，从而使杆7的推头端在偏置滑块和往复移动凸轮的共同作用下沿着给定的轨迹返回。在此方案中，偏置滑块机构可实现行程较大的往复直线运动，且具有急回特性，同时利用往复移动凸轮来实现推头的小行程低头运动的要求，这时需要对心曲柄滑块机构将转动变换为移动凸轮的往复直线运动。但是，此机构所占的空间很大，切机构多依杆件为主，结构并不紧凑，抗破坏能力较差，对于较大载荷时对杆件的刚度和强度要求较高。 会使的机构的有效空间白白浪费。并且由于四连杆机构的运动规率并不能按照所要求的运动精确的运行只能以近似的规律进行运动。

方案四：采用导杆机构与凸轮机构的组合机构（图5）

图 5 导杆机构与凸轮机构的组合机构

方案四的运动分析和评价：
图5导杆机构与凸轮机构的组合机构相对于其它的设计机构显的简单的多，采用平底从动件，多数平底与其速度方向垂直，因此受力情况好，传动效率高，与凸轮接触面间易形成锲形油膜，易润滑，结构维护简单、体积小，重量轻，但不能与内凹或直线轮廓工作，且平底不能太长。多用于高速小型凸轮机构。该设计若L过大则机身过高，对于L较小是比较好的设计。
综合对四种方案的分析，方案四结构相对不是太复杂，而且能满足题目的要求，最终我选择方案四。

第5章.机械传动系统的速比和变速机构
系统的输入输出传动比 ，即要求设计出一个传动比的减速器，使输出能达到要求的转速。
其传动系统设计如下图：电动机连接一个直径为10的皮带轮2，经过皮带的传动传到安装在二级减速器的输入段，这段皮带传动的传动比为，此时转速为。
从皮带轮1输入到一个二级减速器，为了带到要求的传动比，设计齿轮齿数为，,,,。
验算二级减速器其传动比
整个传动系统的传动比
则电动机转速经过此传动系统减速后能满足题目要求推包机构主动件的转速。

第6章.包装机的机构运动简图
综合本组.....、.....同学的机构选型，做出包装机的总体机构运动简图，如图6-1所示
b
c
a

e
4
5
3
2
1
d

图6-1包装机的总体机构运动简图

经计算得自由度F=1,该机构有一个主动件，所以该机构可以正常运转。
功能元分解
由运动简图可知此机构可分解为俩个运动，凸轮机构控制运输爪的升降，导杆机构控制往复运动，俩者的配合及凸轮的设计可以达到abcde的轨迹。如图6.1中1、2为主动件，2、3、4和5的导杆机构，可以完成a、b、c间或c、d间的往复运动，1的凸轮与4机构的平底接触，可以使整个4机构上下往复运动，从而有abc与cd间的高度差，通过设计凸轮的参数，配合导杆机构完成整个abcde的运动轨迹。

第7章机构运动的尺度设计
导杆机构——实现a、b、c或d、e间的往复运动
此处导杆机构中AB=350 mm，为输送爪的输送距离L，OE为摇杆，BC为导杆,长为S=750 mm。
（1）设计简图

图 7.1 导杆机构设计图

（2）设计推导公式

，
，
，

，

由上述式得：

由计算得主动件2的安装位置，和CD的高。

功能二：凸轮机构——实现4机构的上下往复运动
此方案中设计的凸轮两端为圆的一部分,其中，则高(轨迹曲线的CDE段的最高点低于直线段AB的距离至少为H =50 mm)。

（1）设计简图
E
F
D
C
A
B
O

图 7.2 凸轮机构设计图

（2）设计说明
由设计需求知，此轨迹需近似矩形，abc段和de段的直线往复，需将凸轮此时的轮廓设计为圆弧，
由图 7.2 可计算出 ,为输送机构轨迹的abc段作支撑，所以为圆弧， 段为其轨迹的de段作支撑，也为圆弧，让运动变的平稳很多。

第8章包装机的三维建模图
与皱帮弼、陈坤同学的设计汇总，做出包装机的总体结构图，如图8-1所示

图8-1包装机的总体结构图

包装机三维图如图8-2所示
图8-2包装机的装配图

第9章,运动机构的速度与加速度分析
用C语言编程计算曲柄导杆的运动，源程序如下：
#include "stdio.h"
#include "math.h"
#define PI 3.14159265
main()
{
FILE *fp;
int i;
double x=0.080,y,w1=50,z=0.34347; /*定义变量 x、y、z和 ω1 */
double A,p1,p3,w3,a2,a3,v2,s; /*定义变量 a、b、c、f、g 和 ω1 */
fp=fopen("曲柄导杆机构运算结果.out","a+");
fprintf(fp,"p1\tp3\tv2\ts\tw3\ta2\ta3\n"); /*打印表头*/
fclose(fp);
for(i=0;i<=360;i=i+10) /*从0-360°，每5°取一个数值*/
{
p1=PI*i/180; /*将 φ1 转换为弧度*/
A=((x*sin(p1)+z)/(x*cos(p1))); /*式5-1*/
p3=p3=sqrt((A*A)/(1+A*A));
v2=-(x*w1*sin(p1-p3)); /*式5-2*/
s=(x*cos(p1))/(cos(p3)); /*式5-3*/
w3=(x*w1*cos(p1-p3))/s; /*式5-4*/
a2=s*w3*w3-(x*w1*w1*cos(p1-p3)); /*式5-5*/
a3=-((2*v2*w3+x*w1*w1*sin(p1-p3))/s); /*式5-6*/
fp=fopen("曲柄导杆机构运算结果.out","a+");
fprintf(fp,"%d\t%lf\t%lf\t%lf\t%lf\t%lf\t%lf\n",i,p3,v2,s,w3,a2,a3);
/*结果输出到文件*/
fclose(fp);
}
}

程序计算输出结果如下表：

p1
p3
v2
s
w3
a2
a3
0
0.973931
3.308406
0.142335
15.79516
-76.8997
427.9096
10
0.97655
2.875039
0.140716
19.76348
-84.0888
213.9802
20
0.980064
2.359805
0.134972
23.92902
-84.2029
37.44939
30
0.984068
1.777474
0.125139
28.63511
-76.5584
-103.266
40
0.988171
1.14396
0.111381
34.41293
-59.7442
-193.355
50
0.992026
0.476312
0.09401
42.24593
-30.7956
-174.757
60
0.995337
-0.20735
0.0735
54.34885
17.37202
165.5916
70
0.997871
-0.88798
0.050474
77.27121
106.363
1839.189
80
0.999459
-1.54589
0.02569
143.6067
345.3342
14274.48
90
1
-2.16121
0
1.27E+10
4.26E+10
2.06E+20
100
0.999459
-2.71444
-0.02569
-114.365
-482.903
29451.43
110
0.997871
-3.18723
-0.05047
-47.8848
-236.582
9204.737
120
0.995337
-3.56312
-0.0735
-24.7313
-135.842
4821.75
130
0.992026
-3.82849
-0.09401
-12.3256
-72.2183
3040.116
140
0.988171
-3.97335
-0.11138
-4.13896
-24.958
2078.984
150
0.984068
-3.99203
-0.12514
2.01656
12.10866
1466.377
160
0.980064
-3.88376
-0.13497
7.092433
41.07465
1030.563
170
0.97655
-3.65282
-0.14072
11.5836
62.61857
696.5489
180
0.973931
-3.30841
-0.14234
15.79516
76.89969
427.9096
190
0.972597
-2.86403
-0.1399
19.96
83.88297
206.3593
200
0.972868
-2.3365
-0.13354
24.31174
83.4009
24.08391
210
0.974916
-1.74461
-0.12345
29.15865
75.01829
-117.545
220
0.978685
-1.10755
-0.10981
35.00407
57.63849
-201.813
230
0.983798
-0.44362
-0.09284
42.81719
28.554
-170.265
240
0.989526
0.23056
-0.07285
54.81735
-19.2374
188.7397
250
0.99484
0.899796
-0.05024
77.57999
-107.493
1883.475
260
0.998626
1.548966
-0.02566
143.7426
-345.715
14337.83
270
1
2.161209
0
4.22E+09
-1.4E+10
2.29E+19
280
0.998626
2.716893
0.025656
-114.425
482.7066
29528.93
290
0.99484
3.194537
0.050238
-47.917
235.7125
9273.261
300
0.989526
3.573622
0.072848
-24.6678
134.1783
4872.972
310
0.983798
3.837896
0.092844
-12.1407
70.04426
3070.566
320
0.978685
3.977541
0.109805
-3.8549
22.79604
2090.468
330
0.974916
3.989555
0.123445
2.340102
-13.7677
1464.666
340
0.972868
3.876772
0.133543
7.37748
-41.9921
1023.171
350
0.972597
3.646352
0.139899
11.75438
-62.8919
690.4744
360
0.973931
3.308406
0.142335
15.79516
-76.8997
427.9096

由数据得出曲柄导杆滑块机构构件运动线图：

第10章 参考资料
1、《机械原理教程（第二版）》朱理主编，北京：清华大学出版社，2010.4

2、《机械原理课程设计手册》 邹慧君主编，北京：高等教育出版社，2010.6

3、《机械原理辅导与习题（第二版）》申永胜主编，北京：清华大学出版社，2006

4、《机械设计手册机械传动》 成大先主编，北京：北京工业出版社，2004

5、《机械原理课程设计》陆凤仪主编，机械工业出版社，2002

第11章设计总结
作为一名机械系，机械设计制造及其自动化大二的学生，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。
在已度过的大二的时间里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践面？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。在做本次大作业的过程中，我感触最深的当数查阅大量的设计手册了。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅机械设计手册是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是在作设计，但我们不是艺术家。他们可以抛开实际，尽情在幻想的世界里翱翔，我们是工程师，一切都要有据可依.有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。
作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，由于本次大作业要求用AutoCAD制图、VC++编程等，所以我们还要好好掌握这几门软件。虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率好高，记得大一学CAD时觉得好难就是因为我们没有把自己放在使用者的角度，单单是为了学而学，这样效率当然不会高。边学边用这样才会提高效率，这是我作本次课程设计的第二大收获。但是由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。
通过这次设计，我对机械运动原理有了更深一步的了解，机械设计不仅要满足运动轨迹，更要考虑受力程度和工作行程，这些我都感受很深。这次课程设计既学到了知识，又培养了一点创新设计能力，我感到十分满意。
谈谈我的意见和建议：
首先，我觉得老师给我们作类似的课程设计是十分必要的，这不仅可以提起我们对这门课的学习兴趣，同时还可以在专业上用实践锻炼一下我们，使我们不但不在对所学专业感到陌生，而且还可以培养大家的积极性。
其次，我觉得应该培养我们的团队合作精神，让几个人一起作这样的课程设计我想会更好的发挥我们的特长。