洗瓶机构设计说明书

机械原理课程设计

说明书

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前 言

在生活中，对于细口瓶的清洗总是有一定困难的，人工操作耗时耗力，效率低下。我们根据细口瓶的外形，设计一种简易高效的洗瓶机。本洗瓶机的工作原理：用槽轮机构间歇性地将污瓶送进、用凸轮连杆机构推动瓶子前进，在前进的过程中齿轮传动双辊机构使瓶子旋转，此时毛刷机构开始清洗瓶子。

本文所设计的洗瓶机，结构简单可行，生产成本低，生产效率高。

目 录

一、本题来源及研究目的和意义 ............................................................................................ 4

1.1课题的来源 ......................................................................................................................... 4

1.2 研究的目的 ........................................................................................................................ 4

1.3研究的意义 ......................................................................................................................... 4

2

二、课题所涉及的问题在国内外现状及分析 .................................................................... 4

2.1 国内现状 ............................................................................................................................ 4

2.2 国外现状 ............................................................................................ 错误!未定义书签。

三、课题设计要求及技术指标 ................................................................................................ 5

3.1设计任务 ............................................................................................................................. 5

3.2细口瓶的参数 ..................................................................................................................... 5

四、方案评价及优选 ................................................................................................................. 5

五、洗瓶机及运动循环图 ........................................................................................................ 8

5.1细口瓶整体说明 ................................................................................................................. 8

5.2洗瓶机工作原理说明 ......................................................................................................... 9

5.3运动循环图及说明 ........................................................................................................... 10

六、机构选型及组合 ............................................................................................................... 11

6.1送瓶机构的选型及组合 ................................................................................................... 11

6.2推瓶机构的选型及组合 ................................................................................................... 13

七、主要零部件的选择及计算 ............................................................................................. 14

八、课程设计体会及建议 ...................................................................................................... 24

一、本题来源及研究的目的和意义

1.1 课题的来源 自选题 1.2 研究的目的

随着社会的发展，人们的生活水平逐渐提高。人们对于日常清洗工作格外重视，而细口瓶的清洗时人们所头疼的。为解决此问题，我们设计了该洗瓶装置。我们所设计的这种洗瓶机有以下优点：

（1）降低劳动强度，提高工作效率；

3

（2）清洗彻底，有效提高卫生的标准；

（3）提升生产效益。使用这种洗瓶机，将会在市场中更具有竞争力，从而占据市场，获得经济利益。 1.3 研究的意义

上世纪六、七十年代时，我国开始慢慢的引入国外洗瓶机，并对洗瓶机仿制和改良完善，即消化吸收与自主创新阶段。此阶段洗瓶机先后经历了很大的变化，单端、卧式双端、立式双端等多种类型。上世纪70年代中期第一代洗瓶机瓶盒排数为16排，主链瓶盒间歇运动，产量最高为800瓶每小时。由于这种洗瓶机具有结构简单，方便制造等优点，在市场上占据了相当长的一段时间。

进入21世纪以来，洗瓶机设备取得了新的技术进步，现在已出现了采用无轴变频传动取代万向联轴节传动的新型传动洗瓶机，除标方式上出现了立式轴流泵喷冲，或对原有离心泵喷淋进行了完善升级。

我们的国内洗瓶机市场发展比其欧美国家落后，而且我们国家的技术在一定程度上跟不上市场发展的需要，导致国内市场上的洗瓶机没有形成一定的强势资源，各个生产厂家技术保密，不能形成很好的信息交换和共享，导致市场上洗瓶机的发展参差不齐，功能不全面。因此急需设计一种新型的洗瓶机。

二、课题所涉及的问题在国内外现状及分析

2.1 国内现状

长期以来，我国洗瓶机行业非常薄弱，形不成规模和水平，致使我国包装工业发展极慢。我国包装机械行业在历经了七十年代的起步、八十年代的发展、九十年代由于包装制品发展的需要而实现了高速度发展。但是由于起步迟、起点低、规模小，我国包装机械总体水平要比发达国家落后20年，国内目前需求量的60%，尤其是技术含量高的技术装备依赖进口。

2.2 国外现状

拥有发达技术的国外企业促进了洗瓶机市场在国外的发展。新技术的发展也给洗瓶机的市场带来一股新的活力，特别是大量的企业采用新的计算机技术，二维的CAD早已在制造业普及，三维的设计也在慢慢推广。电气设计部分采用ED 等先进设计手段，引入定子调压和变频调速，PLC 参与系统控制，采用了大量高新传感元器件，实现了定位准确，操控方便，其安全可靠性也逐步提高。通

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过专家系统的应用，极大地推进了创新设计的进程，并且利用系统论和信息论等现代计算机应用技术研究成果，使得洗瓶机的创新设计开始向数字化化方向发展。

三、课题设计要求及技术指标

3.1 设计任务

根据细口瓶的尺寸，设计全自动瓶洗装置，其参数要求如下： 设计槽轮机构和凸轮机构，使其间歇式地运输瓶子、推动瓶子。 （1）推瓶机构以均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子，然后推头快速返回原位，准备进入第二个工作循环。

（2）机构传动性能良好，结构紧凑，制造方便。 3.2 细口瓶的参数

在设计开始之前，首先应明确此次设计所要服务的对象，了解其数据信息和基本特性。洗瓶机的对象是细口瓶，它的数据信息或物质特性直接决定洗瓶机的某些结构的设计。

本根据实际测量得知瓶底直径为70±1mm，瓶高285±1mm，口径20mm。

四、方案评价及优选

对于洗瓶机最为关键的推瓶机构部分，我们小组提出了如下三种方案，并对三种方案的优劣分别进行了分析，最后通过专家打分进行了方案优选。 方案一：五杆组合机构

确定一条平面曲线需要两个变量。因此具有两自由度的连杆机构都具有精确再现给定平面轨迹的特征。点M的速度和机构的急回特征，可通过控制该机构的两个输入构件间的运动关系得到。如下图所示5杆机构

5

该机构是一个四连杆机构和一个导杆机构合成的5杆机构，急回特征较明显，各杆均承受冲击作用。 方案二：凸轮全移动副机构

如下图所示，全移动副机构是两自由度机构，构件2上M点可精确再现给定的轨迹，构件2的运动速度和急回特征由凸轮控制。

方案三：凸轮铰链四杆机构

如下图所示，铰链四杆机构的连杆2上点M走近似于所要求的轨迹，M点的速度有等角速度转动的凸轮通过构件3的变速转动来控制。曲柄一为从动件。

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方案评价：

方案一：5杆组合机构在运动中动载荷和冲击载荷大，对于机构的寿命有较大影响。且机构所占空间大。

方案二：全移动副机构可以精确表达运动轨迹。但是由于水平运动方向轨迹太长，造成凸轮从动件的行程过大，相应的凸轮尺寸偏大。而且该方案使用了两个凸轮机构，一定程度上增加了设计难度。在制造中提高了成本。

方案三：该方案无法精确表达运动轨迹，但是在实际过程中对于瓶子的运动平稳性影响不大。在设计过程中，四杆机构设计简单，成本低，经济性好。

方案优选（专家打分法）

方案一 方案二 方案三 机构功能的质量 5 5 4 机构结构的合理性 4 4 5 机构的经济性 4 3 5 7

机构的实用性 3 4 4 总分 16 16 18

五、洗瓶机工作原理及运动循环图

5.1 洗瓶机整体说明：

洗瓶机是由进瓶机构、推瓶机构、导辊机构和转刷机构共同完成工作的。首先是推瓶机构以均匀的速度将瓶子推上导辊，推头的往复运动使瓶子一个个不间断的送上工作台进行清洗工作，由于瓶子是从静止到具有一定的速度，推头和瓶子之间必然存在着一定的冲击，所以用橡胶制作推头，保证在工作过程中尽可能减少瓶子的破碎率。第二，瓶子送到工作台的同时导辊进入旋转的状态并且开始清洗瓶子。整体结构如下图所示。

8

1.带轮 2.皮带 3.小齿轮 4.V带 5.电机 6.减速器 7.减速器齿轮 8.传动齿轮 9.皮带 10.涡轮蜗杆 11.凸轮机构 12.曲柄滑块机构 13.导辊 14.导辊齿轮 15.锥齿轮 16导辊齿轮 17.内洗瓶机构 18.槽轮机构 19.涡轮蜗杆

图5-1 洗瓶机整体图

5.2 洗瓶机工作原理说明：

首先需将瓶子放入传送带2上，通过进瓶机构间歇的送到导辊轨迹上，通过凸轮连杆组合机构带动毛刷插入瓶子，毛刷在导杆的推动和旋转下边前进边清洗内表面，推动瓶子沿导辊前进，再由外面转动的刷子将瓶子外表面洗净[10]。

由下列工艺动作过程来实现上述功能： （1）皮带做间歇直线运动； （2）瓶子由皮带滑动到导辊； （3）内表面毛刷匀速推进瓶子内；

（4）推头作直线或者近似直线运动,将瓶子沿导辊推到指定的位置； （5）推头沿直线运动推动瓶子移动的程中,瓶子同时跟着两同向转动的导辊转动；

（6）当瓶子沿导辊移动时将瓶子的外表面就清洗干净；

（7）离开皮带,而推瓶机构急回至推瓶初始位置,进入下一个工作循环； （8）洗好的瓶子由斜面滑下，进入匀速转动的皮带送出。

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实际工作中，要设计的机器往往比较复杂，其使用要求或工艺要求往往需要很多的功能原理组合成一个总的功能原理。以下介绍洗瓶机是通过什么功能原理来实现其所要完成的工作的。

推瓶机构所采用的功能原理是用机械能迫使瓶子由工作台的一侧运动到另一侧。要完成这个功能就需要有一个工作行程为L往返运动的推头，同时推头在工作过程中要匀速，工作完回程时要快速。能够满足此运动规律的常见机构有曲柄-四杆机构或者凸轮连杆机构 。

其次是转辊机构所运用的是机械的转动规律，也是机械运动中比较简单的运动规律，只需要有一定的转动速度与推瓶机构、转辊机构相配合来实现洗瓶设备的整体工作功能。它是由两个长圆柱型导辊旋转，带动瓶子旋转并且由导辊的一侧移动到另一侧的，其中导辊只完成其中的旋转功能，移动功能是由推瓶机构来实现的。

最后是转刷机构所采用的功能原理，它与导辊机构相同运用的都是机械的转动规律，与其不同的是转刷机构的旋转要有很高的速度来完成其对瓶子外壁的清洗工作。推瓶机构、导辊机构和转刷机构都是由一台电机来提供所有的机械转动规律的，这就要求我必须对它们深入分析、研究各构件之间运动规律的联系，进而的设计出符合其联动规律的整体设备，来满足预期想要实现的目标。

5.3 运动循环图及说明：

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图中红线为槽轮的运动轨迹，横坐标为凸轮转角，对于纵坐标，槽轮转过90°纵坐标增加1个单位：蓝线为推杆的进给运动轨迹，横坐标为凸轮转角，对于纵坐标，推杆进行一次推瓶或收杆过程纵坐标变化1个单位。

六、机构选型及组合

6.1 送瓶机构的选型及组合 6.1.1 间歇机构设计

槽轮机构由具有径向槽的槽轮2、带有圆销A的拨盘1和机架组成。拨盘1作匀速转动时，驱使槽轮2作时转时停的间歇运动。拨盘1上的圆销A尚未进入槽轮2的径向槽时，由于槽轮2的内凹锁住弧β时被拨盘1的外凸圆弧α卡住，故槽轮2 静止不动。图中所示位置是当圆销A开始进入槽轮2的径向槽时的情况。这时锁住弧被松开，因此槽轮2受圆销A驱使沿逆时针转动。当圆销A开始脱出槽轮的径向槽时，槽轮的另一内凹锁住弧又被拨盘1的外凸圆弧卡住，致使槽轮2又静止不动，直到圆销A再进入槽轮2的另一径向槽时，两者又重复上述的运动循环。这一机构构造简单，机械效率高，并且运动平稳。

图6-1 槽轮机构示意图

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1.拨盘 2.槽轮 图6-2 槽轮机构简图

6.1.2 送瓶机构及其与原动机连接部分设计

图6-3 送瓶机构简图

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图6-4 槽轮机构、送瓶机构与原动机连接部分简图

因为我们组选用槽轮间歇机构作为进瓶主要构件，负责把瓶子传送到洗瓶装置上。因为按照生产率为3/min得到每洗一个要20s，所以设计主动拨盘转一周所需时间为20s，这样从动拨盘就每20s转动90°，再让它转过90°时的路程等于一个瓶子的长度即285mm，则可以确定主动带轮1的直径，因为

𝜋

s=4𝐷1 =285mm

得出 𝐷1=363.1mm

进瓶机构传动过程：进瓶机构借助大齿轮带动上图中小齿轮，又由小齿轮带动轴旋转，再由轴带动蜗轮蜗杆，然后蜗轮蜗杆带动上面的齿轮，再由齿轮带动间歇机构槽轮完成瓶子的输进。

6.2 推瓶机构的选型及组合

推瓶机构应为一个具有急回特性的机构,为了提高工作效率,一是行程速比变化系数K尽量大一些；在推程(即工作行程)中,应使推头作直线运动,或者近似直线运动,以保证工作的稳定性。推头的运动要求主要是满足急回特性,能满足急回特性的机构主要有曲柄滑块机构,曲柄转动导杆机构和曲柄摆动导杆机构。运用前述设计的思想方法，再考虑到机构的急回特性和推头做往复直线运动的特点，我们选择凸轮连杆机构作为为推瓶机构设计方案。

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七、主要零部件的选择与计算

7.1 电动机的选择 7.1.1选择电动机的类型

Y系列电动机具有防止灰尘、铁屑或其他杂物侵入电动机内部之特点，B级绝缘，工作环境温度不超过+40摄氏度，相对湿度不超过95%，海拔高度不超过1000m，额定电压380V，频率50Hz。

YZR系列为绕线转子电动机，YZ系列为笼型转子电动机。冶金及起重用电动机大多采用绕线转子，但对于30Kw以下电动机以及在起动不是很频繁而电网容量又许可满压起动的场所，也可采用笼型转子。

按照工作要求和条件，选用Y系列电机。通过考虑安全生产，生产效率等问题，选择Y132M2-6型电动机。 7.1.2确定电动机转速

根据工作条件，确定电动机转速为960r/min。 7.2 凸轮机构的设计 凸轮的基本参数 7.3.1.压力角的选择

在凸轮机构中压力角α是一个重要参数。在其他条件相同的情况下，压力角α越大，则作用力F将越大；如果α大到使分式中的分母为0，F将增至无限大，此时机构将发生自锁，此压力角成为临界压力角αc。

在实际生产中，为了提高机构的效率，改善其受力情况，通常规定凸轮机构的最大压力角应小于某一许用压力角[α],对于我们的凸轮机构，我们选择的是滚子直动推杆机构，所以取[α]为30°。

7.3.2.凸轮基圆半径的确定

图示凸轮机构中，导路位于右侧。运动规律确定之后，凸轮机构的压力角α与基圆半径r0直接相关。 P点为相对瞬心OP= v/ω= [ds/dt] / [dδ/dt] =[ds/dδ]

由△BCP得:

tgα=(OP-e)/BC =(ds/dδ-e)/(s0+s)

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其中： s0=(r2o-e2)1/2

所以 基圆半径受到以下三方面的： ① 基圆半径rb应大于凸轮轴的半径rs；

② 应使机构的最大压力角αmax小于或等于许用压力角[α]； ③ 应使凸轮实际廓线的最小曲率半径大于许用值，即ρsmin ≥[ρs]。 7.3.3.根据公式设计图轮廓线

凸轮的轮廓主要尺寸是根据四杆机构推头所要达到的工作行程和推头工作速度来确定的，初步定基圆半径r0=120mm，起始角度40°，凸轮厚25mm, 滚子半径rr=20mm, 摆杆长度为110mm，连心线长度为140mm

凸轮的理论轮廓曲线的坐标公式为：

（A）

xr0ssin，

yr0scos

7.3.4.求凸轮理论轮廓曲线：

如图所示，补偿凸轮机构为滚子摆动从动件盘装凸轮机构。该摆杆中心的最初位置为B0，当凸轮转过θ角后，根据反转法，O（A）点转至O（B）点。取凸轮轴心为坐标原点，连心线为X轴。

凸轮理论廓线上一点可由以下公式求得

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式子中，L为连心线长度，l为摆杆长度 7.3.5.凸轮的工作廓线：

凸轮的工作廓线是圆心在理论廓线上的各点，半径为滚子半径r,半径为滚子

半

径

圆

族

包

络

线

，

其

参

数

方

程

为

将上述公式利用matlab进行编程计算凸轮的理论廓线和实际廓线得： 凸轮轮廓向径

凸轮转角 理论r 实际r 10.0000 129.81 109.9879 20.0000 141.7935 122.1205 30.0000 160.6912 141.2298 40.0000 178.2085 161.82 50.0000 187.9721 168.5558 60.0000 191.0935 171.0935 70.0000 191.0935 171.0935 80.0000 188.8069 168.9766 90.0000 181.7294 162.3633 100.0000 169.2418 150.7480 110.0000 151.8252 134.0118 120.0000 137.6266 119.3157 130.0000 128.8184 109.4827 140.0000 125.8395 105.8395 150.0000 125.8395 105.8395 160.0000 125.8395 105.8395 170.0000 125.8395 105.8395 180.0000 125.8395 105.8395

16

190.0000 125.8395 105.8395 200.0000 125.8395 105.8395 210.0000 125.8395 105.8395 220.0000 125.8395 105.8395 230.0000 125.8395 105.8395 240.0000 125.8395 105.8395 250.0000 125.8395 105.8395 260.0000 125.8395 105.8395 270.0000 125.8395 105.8395 280.0000 125.8395 105.8395 290.0000 125.8395 105.8395 300.0000 125.8395 105.8395 310.0000 125.8395 105.8395 320.0000 125.8395 105.8395 330.0000 125.8395 105.8395 340.0000 125.8395 105.8395 350.0000 125.8395 105.8395 360.0000 125.8395 105.8395

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7.3 连杆机构的设计

根据作图法设计连杆机构，测得曲柄长度为570mm，连杆长度610mm。

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7.4 槽轮机构的设计计算

图7-1 槽轮机构主要几何尺寸关系图

19

图7-2 槽轮机构主要几何尺寸计算关系图

αβαβω1ω2

图7-3 槽轮机构计算示意图

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槽轮槽数： Z=4 取槽轮中心距 L=130mm

从动轮运动角： 2β= =

360°𝑍

360°4

=90°

主动轮运动角： 2α=360°−2β =90°

从动轮轴心到槽口长度： 𝑂2𝐴=Lcosβ =91.92mm

主动曲柄长度： 𝑅1=𝑂1𝐴 =Lsinβ

=91.92mm 拔销半径： 𝑟3=𝑅16

=

91.926

=15.32mm 取15mm

锁止弧半径：𝑅𝐻≪𝑂1𝐴−𝑟3−ℎ=91.92−15−(0.6~0.8)×15 =(.92~67.92) 取65mm

槽轮轮上槽口至槽底深： 𝐿𝑠=𝑂2𝐴−(𝐿−𝑂1𝐴)+r3+δ =91.92−(130−91.92)+15+δ =（68.44+δ）mm 式中δ是预留的间隙（见图3-1）

周期 T=80s 从动轮运动时间：𝑡𝑑=𝛼×𝑇

𝜋 =(11

2

−𝑍

)×T

=𝑇

4 =20s

从动轮停歇时间：𝑡𝑗=𝑇−𝑡𝑑 =60s

槽轮机构的动停比：k=（m（z-2））/（2z-m（z-2）） =2/（8-2） =1/3

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（ 7.5 V带传动的设计计算 已知条件：

电动机：Y132M2-6 额定电压：380V 额定功率：5.5kw n=960r/min 不使用减速器

V带在载荷变动微小的情况下工作，一天工作16h以上，小带轮转速为960r/min，传动比i=2 7.5.1.确定计算功率 𝑃𝑐𝑎=𝐾𝐴×𝑃

=1.2×5.5=6.6kw

式中：𝑃𝑐𝑎计算功率，kw

𝐾𝐴工作情况系数，根据洗瓶机工作情况及查表得𝐾𝐴=1.2 𝑃所需传递的额定功率，kw 7.5.2.选择V带的带型

根据𝑃𝑐𝑎及小带轮转速𝑛1，选择A型V带。 7.5.3.确定带轮的基准直径d𝑑，并验算带速v （1）初选小带轮的基准直径𝑑𝑑1。

查表得小带轮的基准直径𝑑𝑑1=125mm。 （2）验算带速v。

𝑑11

v=60×1000=6.28m/s

𝜋𝑑𝑛

因为5m/s𝑑𝑑2=i𝑑𝑑1=250𝑚𝑚

查表250mm属于标准值。 7.5.4确定V带中心距a和基准长度𝐿𝑑 （1）初定中心距。

0.7（𝑑𝑑1+𝑑𝑑2）<𝑎0<2（𝑑𝑑1+𝑑𝑑2）

由上式计算选取𝑎0=400𝑚𝑚。 （2）计算带所需的基准长度。

22

𝐿𝑑0

(𝑑𝑑2−𝑑𝑑1)2𝜋

≈2𝑎0+(𝑑𝑑1+𝑑𝑑2)+=1398.8𝑚𝑚

24𝑎0

查表选带的基准长度𝐿0=1430𝑚𝑚。 （3）计算实际中心距𝑎0。

𝐿𝑑−𝐿𝑑0𝑎≈𝑎0+=415.6𝑚𝑚

2

中心距的变化范围为394.2~458.5mm。

57.3°

=162.766°>120° 𝑎7.5.5验算小带轮上的包角𝛼1

𝛼1≈180°−（𝑑𝑑2−𝑑𝑑1）

7.5.6计算带的根数z

（1）计算单根V带的额定功率𝑃𝑟。

由𝑑𝑑1=125mm和𝑛1=960𝑟/𝑚𝑖𝑛，查表得𝑃0=1.38𝑘𝑤。 由𝑛1=960𝑟/𝑚𝑖𝑛，i=2，和A型带，查表得∆𝑃0=0.11𝑘𝑤。 查表得𝐾𝛼=0.955，𝐾𝐿=0.96。

𝑃𝑟=（𝑃0+∆𝑃0）×𝐾𝛼×𝐾𝐿=1.366𝑘𝑤

（2）计算V带的根数z。

z=

取4根。

𝑃𝑐𝑎

=4.8 𝑃𝑟

7.5.7.计算单根V带的初拉力𝐹0

𝐹0=500

7.5.8.计算压轴力𝐹𝑃

𝐹𝑃=2z𝐹0sin

7.5.9.带轮的结构设计

材料选用HT150，由𝑑𝑑1，𝑑𝑑2≤300𝑚𝑚，故小带轮和大带轮都采用腹板式。

𝛼1

=1720𝑁 2（2.5−𝐾𝛼）𝑃𝑐𝑎

+q𝑣2=174𝑁

𝐾𝛼𝑧𝑣7.5.10.主要设计结论

选用A型普通V带5根，带基准长度1430mm。带轮基准直径𝑑𝑑1=125mm，

𝑑𝑑2=250mm，中心距控制在𝑎=394.2~458.5mm。单根带初拉力𝐹0=174𝑁。

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八、课程设计体会及建议

进入大学三年级，我们也开始进行自主的进行一些简单的设计工作了，而这次机械设计课程设计给我们提供了一次很好的机会，在老师讲解了一些课程设计的基础与方法之后，我们小组便风风火火的开始了。最初我们的想法是设计一个内燃机，但是内燃机作为一个传统的机械核心部件，早就在漫长的发展史中趋于完善了，凭我们现在的能力并不能对其作出什么改动，如果使用内燃机的话，我们的锻炼将只会是一些机械零件的参数计算。于是在听了老师的劝告后，我们小组经过协商，放弃了内燃机方案，决定采用洗瓶机结构。洗瓶机属于目前市面上新出现一些设备，且其方案多种多样，便于我们发挥。洗瓶机最为关键的在于推瓶结构，针对这个部分，我们选出了三种方案并进行了讨论，期间不断的发现自己的不足，改进，再发现不足，在比较改进……，整个过程锻炼了我们的思维，也使我们将大学以来学习的机械知识有了更加深入的了解，对知识的掌握更加灵活了，不在是死板的知道各种机构的各自的特性，而是将它们综合起来，达到1+1>2的效果。最后的零部件的设计计算也再次帮助我们复习了一些机构的设计方法。总之，在本次课程设计的过程中，我们学会了知识的灵活运用，团队的合作组织，以及收获了亲手设计一个真正的机械机构的喜悦感和成就感。

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