一种易拉罐环保回收装置的结构设计（全套含CAD图纸）
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1 绪论
1.1 引言
我国作为世界第二大经济体，在经济快速发展的同时，资源的消耗量也是与日俱增。在石油、天然气、煤等燃料迅速消耗的同时，铁铝等工业原料的消耗也是巨大的。近几十年来，铝材料的应用在世界范围内都是越来越广泛的，铝及其合金有广阔的消费前景。但在中国经济迅速发展的同时，关于铝环境污染愈来愈严重，人与自然的矛盾愈加尖锐，环保问题已经到了不容忽视的程度。因为铝及其合金产品有很大的用途，但科学研究表明铝对人是有害的，能够造成记人体忆力衰退。所以铝制品的回收，不仅仅是为了经济效益，也是为了保护环境和人体健康。
1.2 背景和意义
世界各地的易拉罐消费量大约在1500万左右，约消耗约2000000吨铝，占世界总铝消费量的15%。与巨大的易拉罐消耗相对应的却是回收方面的欠缺，事实上，目前国内外相关企业面对易拉罐已经开发了各种回收设备，如易拉罐破碎机，易拉罐切割机，易拉罐分拣机等，但是这些机器面对的都是已经经过商贩回收来的易拉罐，已经经过了一道回收工序，这无疑增加了回收成本，降低了做易拉罐回收企业的积极性。所以生产一台自助式的易拉罐环保回收机显得格外重要，将它安置在人流量较大的地方，行人只需要将易拉罐放入就可以自动实现易拉罐压扁回收。易拉罐压扁机对易拉罐压缩后，其体积只有原来的四分之一，这也将大大延长易拉罐装满存储箱的时间。
1.3 易拉罐压扁机的关键技术
本次易拉罐压扁机设计的关键部分是，易拉罐压缩机构。在本设计中，压缩易拉罐采用的是曲柄压力机构。曲柄压力机构是四杆机构的一种演变，在冲压加工中,曲轴通过连杆将转动转化为直线运动传递给滑块,当滑块在下死点附近时受到最大的压力，曲轴所受载荷最大。
曲柄压力机构由曲轴、连杆、冲压头组成，用导轨对连杆的往复运动进行约束。对心式的曲柄机构结构较偏心式而言，结构相对紧凑。故而，选择对心曲柄滑块机构。
1.4 研究内容及创新点
本课题需要重点研究的对象包括：曲柄压力机构，凸轮推送机构和送料机构。本次设计的关键是：在独立设计好这三个机构的同时也要协调好这三个机构的运动关系，力求做到完美配合。
以往相似的研究中，作者大多采用多动力源和很多的传感器来实现机构动作的协调。毫无疑问这种设计是非常简单的，但是实际上机械零件繁多，较多的电机使得不同电机的运动很难协调，而且容易发生故障。电机的转速比有一点小小的偏差就会导致运动发生干涉，甚至零件直接破坏，带来安全隐患。
本次设计创新之处就在于整个机器只有一台步进电机，一个动力源驱动三个机构共同协调运动，并能完美配合、精确定位，这就使机器的结构紧凑，即使电机的转速发生波动，机器运动也不会受到较大影响，更没有安全隐患的顾虑。这样的设计思路使得本次设计的中心落在机械结构的设计上而不是传感器电路的设计上。
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2 总体方案设计
2.1 易拉罐压扁机的基本设计思路
本次易拉罐压扁机的设计包括送料装置、易拉罐压扁机构、纸巾推送机构等，其中又以送料装置和易拉罐压扁机构的设计为主要部分。易拉罐的空罐投入口位于机器的上表面，易拉罐经传送通道直接落在料斗中
图2.1 易拉罐压扁机流程图
当易拉罐进入送料装置后，步进电机启动，给整个传动系统提供动力，使曲轴系完成易拉罐的压缩；送料装置完成间歇送料；推送装置完成纸巾的推出。间歇送料装置位于机架的托盘上，已被压缩的易拉罐会随着送料装置的转动而转动。在转动过程中，已被压扁的易拉罐将通过机架托盘上的通孔直接掉落到位于托盘正下方的存储箱中，由此易拉罐的一次回收便完成了。
2.2 主要机构的布局设计
易拉罐压扁机主要包括送料装置、易拉罐压扁机构、纸巾推送机构等。把上述各机构的设计归纳为机架系、传送系、传动系和曲轴系。机架主要起到固定和支撑各机构和部件的功能。传送系主要由两个可供易拉罐通过的圆柱通道构成，它的作用主要是将易拉罐传送到指定位置。传动系统主要由锥齿轮传动机构、间歇传动机构和凸轮传动机构组成。步进电机通过联轴器和轴一相连，传递运动和能量。轴二通过锥齿轮和轴一相连，负责带动凸轮机构推送纸巾和传递间歇运动。轴三通过不完全齿轮组和轴二相连，负责带动易拉罐的间歇运动。曲轴系统主要由冲压头、连杆和曲轴组成，它与轴一相连，完成易拉罐的压缩运动。
2.3 传动系统的整体设计
可供选择的常用机械传动方式有:
带传动
优点:结构简单，造价低廉，制造和安装精度要求相对较低；可以实现较大中心距之间的传动；振动小，噪声低，传动平稳；在高速级可以起到缓冲吸震、过载保护的作用。
缺点:由于弹性滑动存在，皮带传动没有固定的传动比；整体尺寸大，需要安装大的地方；效率低，寿命短。
齿轮传动
优点:效率高，寿命长，传动可靠、稳定；传动比固定；不仅可实现平行轴之间的传动，也可以实现任意角相交轴和交错轴之间传动。
缺点:加工和安装精度高，成本贵；传动距离有限。
因为曲柄压缩机构和间歇送料机构之间有严格的传动比要求，并且还要实现相交轴之间的传动，故而本次设计选用的是齿轮传动。传动示意图如图2.2所示：
图2.2 易拉罐压扁机传动示意图
本次传动装置的动力源选用能根据脉冲信号转过相应角度的步进电动机。如图2.5所示，步进电机和轴一通过联轴器相连，传递运动和能量。轴二通过锥齿轮和轴一相连，负责带动凸轮机构推送纸巾和传递间歇运动。轴三通过不完全齿轮组与轴2连接，并负责驱动进给机构的间歇运动。曲柄压力机构与轴一相连，负责将易拉罐压缩至指定厚度。
2.3.1 关键传动部件的配合设计
为了保证送料装置和压罐装置严格的相对位置，必须保证传动系统中严格的传动比。因而本次设计采用齿轮传动而放弃了造价低廉但传动比不稳定的带传动。锥齿轮的传动比为1:1，曲轴和轴一用联轴器连接，所以两轴具有相同的速度，而不完全齿轮组的传动比为1:4。所以，曲轴转一圈，轴三转1/4圈。
图2.3 关键部件运动位置关系图
如图2.3所示,回收机启动时，冲压头位于上止点，不完全齿轮组刚好脱离啮合；当曲轴旋转90°，冲压头行至中间位置，不完全齿轮组的主动轮转过90°，送料装置禁止不动；当曲轴旋转180度时，冲压头行至下止点，完成罐的压缩运动，不完全齿轮组主动轮转过180度，仍不送料；当曲轴轴转270°后，冲压头上行至中间位置，不完全齿轮组的主动轮转过270°，此时不完全齿轮组恰好开始啮合；当曲轴转过360°后，即完成一个工作循环，不完全齿轮组的主动轮旋转360°，从动轮完成送料，并将已被压扁的易拉罐经机架托盘上的通孔送走，同时将未压缩的易拉罐送至曲柄冲压头下方。上述运动在完成一次冲压的同时，也为下次压缩的送料做好了准备。
2.4 易拉罐传送通道的整体设计
如图2.3所示，易拉罐经机器上方的入口放入后，靠自身的重力通过出口，即识别旋转台的正上方。当多个易拉罐同时放入机器时，为了防止卡死进而引发机器故障，必须保证每次落入识别旋转台上的易拉罐只有一个。因此，在上、下传输通道的设计都装有传感器，分别的作用是：当传感器1检测物体的进入后发送信号给继电器，继电器带动挡板密封入口，阻碍物品的再次进入。大约3秒后，挡板复位。传送道下方传感器2的主要作用是，当物品通过传感器2时，传感器发送信号给出口下方识别装置，识别装置开始工作。经过识别装置确认是易拉罐后，易拉罐将通过另一仅含传感器2的相似通道，步进电机开始工作。
图2.4 易拉罐传送通道示意图
3 曲轴系的计算
3.1 易拉罐压缩要求和所需压力
3.1.1 易拉罐参数测量
本次易拉罐压扁机的设计，主要针对市场上流通很广的罐装饮品如，“可口可乐”，“雪碧”，“红牛”等。对多种易拉罐的参数进行了准确测量，结果见表3.1（单位：mm）：
表3.1 易拉罐罐身参数表
项目
罐体高
易拉罐直径
盖面直径
底盖面厚度
侧壁厚度
十次测量均值
115.60
66.08
53.72
0.28
0.13
本次设计的要求是，经过压缩使易拉罐的高度h=30mm。
3.1.2 易拉罐压扁所需压力
由于实验条件限制，且身边恰好有体重计，所以采用人力踩扁易拉罐的方式在体重计上读取示数，估算出易拉罐压扁所需压力。易拉罐置于体重计上，在易拉罐的轴向上施加人的重力，直至易拉罐压扁。全程用手机录制体重计示数，方便实验结束后读取示数。易拉罐从开始受力直至被压扁，途中易拉罐开始变形的一瞬间，读数有一明显跃迁，该示数便为本次实验所测力。测量12只“可口可乐”易拉罐，其读数如下表3.2(单位：kg):
表3.2 压扁易拉罐所需质量
读数为质量，需要换算为力，取g=10N/Kg。
（3.1）
本次实验只是选用了“可口可乐”易拉罐作为实验对象，实际生活中却有各式各样的易拉罐，为了避免取样不足，取压扁力
（3.2）
取压扁力P=2.1KN。根据上诉的实验和计算，确定Pg(曲柄压力机构公称压力)=1.9P=4KN足以压扁绝大部分易拉罐。为了计算方便和增大曲柄压力机构的可靠性，认为易拉罐的罐体高H=120mm，直径D=70mm。
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