1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计自助式奶茶机的结构设计-进杯加料结构设计自助式奶茶机的结构设计-进杯加料摘 要随着我国工业自动化、工业智能化的迅速发展，中国里的一些奶茶行业也逐步进行自动化、智能化升级。本文结合实际，设计了一种全自动的智能化自助式奶茶机结构，这种结构采用了自动逐个落杯进杯、自动运输到指定点加料且准确加料的方案。然而，目前对全自动的自助式奶茶机的应用研究较少，随着奶茶行业自动化，智能化的发展，自动化与智能化的奶茶机有着很好的发展前景，故对其研究和设计有重大的意义。本文首先对奶茶行业市场及现有的自助奶茶售卖机进行研究分析，明确了自助式奶茶机的结构设计方案。根据各结构的设
2、计对整机的结构进行模块划分，然后通过相关技术的参数对自动进杯落杯结构、移动运输结构及加料结构展开分析设计。通过这些结构的零部件进行3D建模与装配、选材料并上色，展现了自助式奶茶机进杯加料的结构的最终模型，而且也检查了全部结构装配的可行性；其次，使用 Simulation软件对这些结构的关键零部件进行了静力学分析，校核了这些结构的静承载能力且对分析中存在的问题进一步完善。本文基于对自动进杯落杯结构、移动运输结构及加料结构的研究分析，设计了一种可全自动智能化的自助式奶茶机。按照实际的结构尺寸并且结合整机的结构设计方案完成零部件的建模和装配，然后通过静力学验证了整机的部分结构设计可行而且基本上能满足
3、使用要求。关键词：落杯进杯结构；运输结构：加料结构；结构设计；有限元分析Structure design of self-service milk tea machine- feeding cup and feedingAbstractWith the rapid development of Chinas industrial automation and industrial intelligence, some milk tea industries in China have been gradually upgraded in automation and intelligence.
4、 In this paper, a kind of automatic intelligent self-service milk tea machine structure is designed based on the actual situation. However, at present, there is little research on the application of automatic self-service milk tea machine. With the development of automation and intelligence in the m
5、ilk tea industry, the automatic and intelligent milk tea machine has a good development prospect, so it is of great significance to its research and design.This paper firstly analyzes the market of the milk tea industry and the existing self-service milk tea vending machines, and defines the structu
6、re design scheme of the self-service milk tea machine. According to the design of each structure, the structure of the whole machine is divided into modules, and then through the parameters of related technologies, the automatic cup feeding and cup dropping structure, mobile transport structure and
7、feeding structure are analyzed and designed. Through 3D modeling and assembly of the parts of these structures, material selection and color, the final model of the structure of self-service milk tea machine feeding into the cup is presented, and the feasibility of all structural assembly is also ch
8、ecked. Secondly, the Simulation software is used to conduct statics analysis of the key components of these structures, check the static carrying capacity of these structures and further improve the existing problems in the analysis.Based on the research and analysis of the structure of automatic cu
9、p feeding and cup dropping, mobile transportation and feeding, a self-feeding milk tea machine with automatic intelligence is designed. The modeling and assembly of parts are completed according to the actual structure size and the structural design of the whole machine.Keywords: drop cup into cup s
10、tructure; Transport structure: feeding structure; Structural design; Finite element analysis目 录第一章 绪论11.1 背景及意义11.2 国内外的发展现状21.3 主要研究内容3第二章 进杯加料的方案设计42.1总体方案设计42.2自动落杯结构设计方案42.3传送装置的设计方案52.4加料结构设计方案7第三章 结构尺寸的确定93.1落杯结构的尺寸确定93.1.1外壳的设计93.1.2螺旋切片的设计103.1.3驱动电机的选型103.1.4驱动齿轮的选用113.2传动装置的尺寸确定113.3加料结构的尺
11、寸确定143.3.1储料箱体的设计143.3.2箱体机架的设计153.3.3注料嘴的设计153.3.4控制阀门的选用17第四章 三维建模及装配174.1 SolidWorks软件的基本介绍174.2落杯装置建模174.3加料装置建模194.4传送装置建模214.5其余附件及其总装21第五章 有限元分析225.1 建立算例225.2 材质指定235.3 定义约束245.4施加载荷255.5 网格划分265.6运行结果27总结29参考文献30致谢31第一章 绪论1.1背景及意义随着时代的发展，文化的交流日渐频繁，人们的很多习惯都受到了外来地区的影响。人们的饮食习惯也不例外，正发生着翻天覆地的变化，
12、奶茶饮食文化正风靡全国。大小小的奶茶店已遍布城市的大街小巷，奶茶行业的发展势如破竹。奶茶起源于中国北方游牧民族，是他们民族的一种日常饮品，至今最少已有千年历史。自元朝起传遍世界各地，中亚国家，印度，阿拉伯，英国，马来西亚，新加坡等地区都有不同种类奶茶流行。蒙古高原和中亚地区的奶茶千百年来从未改变，至今仍然是日常饮用及待客的必备饮料。其他地区则有不同口味的奶茶，如印度奶茶以加入玛萨拉的特殊香料闻名；发源于香港的丝袜奶茶和发源于台湾的珍珠奶茶也独具特色。奶茶兼具牛奶和茶的双重营养，是家常美食之一，风行世界。奶茶品种包括了奶茶粉，冰奶茶，热奶茶，甜奶茶，咸奶茶等。近年来，因此，奶茶行业的竞争也从同质
13、化变得多样化、智能化。商家都想方设法的如何优化奶茶制造流程，研究设备如何更短时间内的生产奶茶，提高奶茶销量。智能化生产与销售引领着消费者,提供个性化，智能化服务,扩大服务的范畴,减少了生产成本，提高了经营者的收益,是奶茶产业的发展方向。因此，对于整个奶茶行业的蓬勃发展，有必要研究与制造奶茶的设备，了解其中的机械设计原理，寻求更好的改进方案以提高奶茶生产率，具有十分重要的意义。如图1.1所示，咖啡机与奶茶果汁机等已经可以在同一台机上实现各自的功能。图1.1咖啡茶饮一体机1.2国内外的发展现状目前在国内，奶茶行业已经到了火热化的发展阶段。中国饮料年产量以超过20的年均增长率递增，饮料市场已成为中国
14、食品行业中发展最快的市场之一。在饮料行业当中，奶茶更是以巨大的优势占领饮料市场销量份额。特别进90年代以后，世界茶饮以7.0%的年增长速度递增，被誉为新时代饮料而风靡世界。我国茶饮饮料市场也增长迅速，2000年产量达185万吨，市场份额直逼碳酸饮料、瓶装水，成为我国饮料市场中的一道亮丽的风景线。国内的奶茶店也风靡在全国各地，比较知名的奶茶店由喜茶、奈雪之茶、益禾堂，其中益禾堂近年来更是发展迅速，靠着性价比和大学校园的品牌优势，分店开的数不胜数，在奶茶行业上独树一帜。目前在国内看来，没有任何一种饮料能够取代奶茶饮料的位置，奶茶饮料将会长期的市场占有率。而在国外，奶茶依然在很多亚太国家饮品市场中占
15、有很高的人气，特别是日本等国家。奶茶的种类、口味更是层出不穷，以独特的包装和口感吸引众多消费者购买。根据2019年1月到6月上半年的日本饮料市场统计数据，选择奶茶饮品占据总饮料种类排行榜的首位，达到了36.7%.在日本，奶茶饮料市场的火热也带动奶茶行业的发展，在日本东京银座，在20182019短短两年间便多了两百多家奶茶店。即便东京银座的铺租在全日本商业街上有着最高的称号，但在高昂的租金下依然诞生一大批奶茶店，奶茶行业在日本饮食市场上的火热可见一斑。而在台湾，奶茶行业相比中国内地更为火爆。早年来，一大批知名的台湾奶茶店加盟到中国内地，引起内地饮料市场的一番风云。知名的奶茶店例如一点点、CoCo
16、奶茶便是从台湾引领过来的。台湾的年轻人尤其喜欢喝奶茶，走在大街小巷上，随处可见年轻人、下班的公务员都排着长队在奶茶店买奶茶，而台湾的奶茶店更是推陈出新。图1.2全球奶茶销售额1.3 主要研究内容自助式奶茶机是能根据人们的需求自动生产奶茶的机器。自助式奶茶机是商业自动化的常用机器设备，有着很好的经济效益和社会效益，适合广泛推广使用。自助式奶茶机不受时间、场地的限制，能够节省人力成本、门店的成本，方便极交易，工作效率高。是一种现代化的商业智能化、自动化的销售形式，也被誉为全天候营业的小超市。自助式奶茶机很好的提供了便捷的奶茶服务。本课题主要研究一种自助奶茶机。传统的奶茶店需要人力将奶茶加料、包装。
17、因此在奶茶的制造过程会造成时间的浪费，增加工损和人力成本。而自助一体奶茶机正是为了解决生产效率而提出的一种全自动化设备。在本次设计中，主要研究设计奶茶落杯装置、加料装置，还有产品运输装置。通过三者的装配组装成一体式自助奶茶机。研究内容：1. 自助式奶茶机的旋转落杯结构设计，确保落杯结构受控制，每次只落下一个杯子，实现自动落杯功能。且使得整个落杯工序的时间大大缩短，大幅度的提高工作效率。另外，也减少了整个装置所需的组件数量，使得其结构更加简单稳定、造价更加低廉而且节省空间。2. 自助式奶茶机杯子的运输装置设计，通过落杯装置进杯落杯后，需要对杯体输送到某个指定位置。在此过程中需要设计自动化传输装置
18、以此来减少人工劳动力、提高生产效率。因此需要研究传输装置的结构设计，做到杯子在运送过程中不发生颠覆、碰撞，消除不良情况地发生，降低损品率。有条不紊地安全输送到指定区域。3. 自助式奶茶机的加料结构设计，研究设计奶茶等液体饮料的喷嘴，使得液体能够缓缓地流到奶茶杯中而不发生喷溅。控制液体的流动速度、喷射装置的设计。以及考虑到喷嘴老化造成管道堵塞等故的解决、储存液体的容器大小的设计等。第二章 进杯加料的方案设计2.1总体设计方案本课题设计内容为自助奶茶机的进杯加料结构的设计，此自助奶茶机的进杯加料结构包含三大部分：一是自助奶茶机落杯进杯的结构设计，实现螺旋下杯，确保准确落杯。二是自助奶茶机的杯子传送
19、装置设计，要求皮带输送，且运输平稳。三是自助奶茶机的加料结构设计，实现控制加料，准确加料。图2.1为总体设计的方案示意图。加料装置杯子传送装置自动落杯进杯装置控制加料，准确加料皮带输送，运输平稳螺旋下杯，准确落杯图2.1 总体设计方案示意图2.2自动落杯结构设计方案方案一：该结构为凸轮落杯结构，结构如图2.2所示。该结构由储杯体、凸轮、挂钩和传动部分组成，该结构可通过电机带动传动部分的齿轮来带动凸轮和挂钩工作，从而实现自动落杯功能。但结构设计要求结构和原理简单合理，成产成本低廉，且该结构复杂和零件挂钩存有着一定的安全隐患，因此不选用该方案。图2.2凸轮落杯结构方案二：该结构为双螺旋落杯结构，结
20、构如图2.3所示。该结构由外壳、螺旋切片、驱动齿轮、落杯齿轮和电机组成。双螺旋落杯结构在外壳左右两边都安装有螺旋切片、驱动齿轮、落杯齿轮和电机，驱动齿轮安装在电机的电机轴上，螺旋切片则固定在落杯齿轮上。可通过同时控制两个电机来实现同步转动，从而带动驱动齿轮与落杯齿轮的啮合带动螺旋切片进行落杯工作。两个电机通过控制进行间隙运转，螺旋切片由于切片螺旋结构从而做一个有规律的旋转运动；螺旋切片从最上端转至最下端形成一个旋转周期，当第一个杯子落下时螺旋的落杯切片正好可以卡住第二个杯子，就这样，使一个杯子通过螺旋形状的螺旋切片从外壳的落杯孔掉落下去，从而实现自动落杯。该方案可通过选用两个步进电机来实现控制
21、该结构的启动与停止，进而实现每次只落下一个杯子的功能。还有该结构清晰简洁，设计合理可行，每个杯子通过落杯齿轮上连接着圆柱形螺旋切片，使其杯子下落的方位精准，下落的杯子个数也得以控制；可精确控制步进电机的旋转速度，保正每次只落下一只杯子；该装置的实用性非常强，运行可靠，零件组件少，使用效果好，工作效率高，而且降低了生产成本，故采取该方案作为自动落杯结构的设计。图2.3双螺旋落杯结构2.3传送装置的设计方案方案一：该结构为圆盘传送结构，结构如图2.4所示。该结构主要由旋转圆盘、转动轴和电机组成，在圆盘四周挖接杯圆孔，在旋转圆盘中心安装有转动轴，该轴由驱动电机来带动。该结构通过电机进行间歇运动，来带
22、动旋转圆盘，从而实现自助式奶茶机杯子的传送功能。但因为考虑到同组设计的组员要进行下一步的设计，而杯子在该方案中需要进一步设计才可以取出来为下一个组员做设计的准备。而且若采取该方案需要设计较大的旋转圆盘，导致整体结构偏大，占用机构空间及成本增加。所以不选用该方案。图2.4圆盘传送结构方案二：该结构为皮带轮传送结构，结构如图2.5所示。该方案结构由传送带、滚筒、电机和减速机组成。该皮带轮传送结构通过控制伺服电机进行运动，来带动滚筒转动，从而带动传送带运动，以实现自助式奶茶机的杯子自动传送功能。该方案可在奶茶杯子准确落在传送带后，通过控制伺服电机的启动与停止动作，使得奶茶杯子传送到指定位置来进行下一
23、步加料工作。该方案结构设计主要是通过调整各项的相关数值来实现速度控制的准确定位，较小的超调量，能很快达到稳定的状态，有着很强的抗干扰能力。而且该方案结构实现自动化的设计，减少人为搬运，提高生产效率，还有该结构的设计原理简单合理，结构简单可靠，故障率低，维护成本减少。故采取该方案作为自助式奶茶机传送装置的设计。图2.5皮带轮传送结构简图2.4加料结构设计方案方案一：该结构为气缸控制加料结构，结构如图2.6所示。该结构由储料桶、料管、注料嘴和气缸控制部分组成，奶茶等液体料在储料桶存放，由于自重液体会往下有一定的压力，故此方案就是利用这个原理进行设计。当奶茶等料流到料管时，通过驱动气缸运动，就可以打
24、开料管连接部分的通道，这样奶茶就会流下来，然后通过注料嘴对杯子进行加料。该结构可通过控制气缸伸缩运动的时间来保证加到杯子里的奶茶量，实现自动化加料。但该方案结构的气缸控制部分若长期使用会产出摩擦，会带来诸多问题，比如会连接着气缸的运动块经长期摩擦会变薄且会产生废屑，变薄会导致奶茶流下的时候会发生溅出，产生的废屑有可能会随着奶茶一同流到奶茶杯子里，这无疑是对人体健康有着一定的安全隐患。而且该方案结构设计原理不合理，维护成本增加。所以不选用该方案。图2.6气缸控制加料结构方案二：该结构为阀门控制加料结构，结构如图2.7所示。该方案结构主要由三个部分组成，即储料部分和出料部分，还有控制部分。储料部分
25、由储料箱体、箱体盖子和箱体支架组成，储料箱体可以储存一定容量调制好的奶茶，箱体盖子阻挡了灰尘的进来，整体安装移动方便。出料部分由注料嘴和料管组成，注料嘴的喷嘴型状设计成台阶圆锥的形式，这种喷嘴型状往下喷射奶茶等液体时，会更好的使液体快速顺畅地流注下来，而且减少了液体流注到杯子的时候外溅飞出，保证了从出料部分的喷射料嘴喷射出来的液体与流注完后的杯子盛装的液体一样多。控制部分则是由一个电磁控制阀门组成，电磁控制阀门能够实现多项功能的设定，且工作效率高。当电磁控制阀门通电时，阀体芯就会吸合，同时电磁阀就会打开；当电磁控制阀门断电后，阀芯因自重及阀芯弹簧作用下落，电磁阀关闭，如图2.8所示。该结构的加
26、料方式用的是常压法，常压法通常也叫纯重力法，也就是在常压的状态下，奶茶等液体依靠本身的重量流进到固定容器内。大概全部能自由流动的而且不含气液体都可以用这种常压法来加料灌装。该方案结构的工作过程：奶茶等液体储放到储料箱体里，储料桶里的奶茶可以直接流到料管里，电磁控制阀门安装在注料嘴的水平料管之间，能够很好地控制奶茶的流出与停止流出。该结构可以通过电磁控制阀门的通电时间来控制对奶茶杯子加料灌装的量，从而实现自助式奶茶机的自动加料和准确加料。该结构的设计合理，原理简单可行，运行可靠，稳定性高，零件组件少，成本低廉，故采取该方案作为加料结构的设计。图2.7阀门控制加料结构图2.8电磁控制阀门的工作原理
27、图第三章 结构尺寸的确定3.1 落杯结构的尺寸确定3.1.1外壳的设计根据对市面上现存的奶茶杯进行调研，并查阅相关资料和奶茶杯供应商信息，我们发现杯口直径为98，高度为130的奶茶杯大小合适且最受消费者欢迎，因此本次设计的奶茶落杯加料结构也是基于这个尺寸的奶茶杯进行相关设计，杯子的具体尺寸如图3.1所示。图3.1奶茶杯子落杯结构外壳的设计首先根据奶茶杯子的外型尺寸对外壳的落杯内孔进行设计，初步确定落杯内孔为100mm，孔厚度为5mm。整体体积不宜设计过大，所以外壳总长为670mm。考虑到上管道要存放一定量的杯子，所以上管道长度为500，加了一个盖子厚度为5mm。下管道为落杯管道，故无需设计太长
28、为100mm。中间安装盘初步确定总长为220mm，宽度165mm。如图3.2所示。图3.2外壳尺寸图3.1.2螺旋切片的设计根据市面上奶茶的自动落杯机的落杯切片数据得出，落杯切片的螺旋片厚度由上到下逐渐变大，落杯切片的螺旋片下端的厚度为3.2-4.2mm，上端的厚度为0.6-1.1mm。故设计螺旋切片下端的厚度为3mm，上端的厚度为0.8mm。螺旋切片与中心圆柱的距离长度跟杯子唇边长度而设计为3mm。螺旋切片整体高根据杯子与杯子之间的间隙距离而设计为9mm，这个高度设计太短的话，有可能分杯不成功，过长则浪费材料，影响整体尺寸加大。中心圆柱的圆直径为20mm。如图3.3所示。图3.3螺旋切片尺
29、寸图3.1.3驱动电机的选型自助式奶茶落杯结构的驱动电机根据分开杯子与杯子之间所需要的力来初步选型，根据实际情况与市场调查，分开两个直径98mm、长130mm叠在一起杯子大概需要2N.M。根据以上的数据，选出一个转矩比2N.M大的电机，根据精确控制动作的母的，驱动电机该选用步进电机，可以满足我们每一步所需的控制。初选86系列两相开环步进电机，型号：ZJT15-1.8-S-8-L118，步距角为1.8，由于原始的步进电机接口问题，为方便安装及后期维护需要，选择通过一对21齿对21齿的齿轮组进行控制，每转动200个步距角完成一次机器动作，从而达到精确控制动作的目的。步进电机相关参数如下表3.1所示
30、表3.1步进电机参数额定电流（A）马达电压（V）额定转矩（N.m）转子惯量（）转速（rpm）速度扭矩（N.m）4.23.788.727001504.673.1.4驱动齿轮的选用自助式奶茶机落杯机的结构设计用于传动的齿轮装置采用的是直齿轮结构，Z1为电机驱动齿轮，Z2为落杯齿轮。该齿轮装置采用的是直齿轮结构初定数据如下：Z1和Z2的齿数传动比为21：21，Z1和Z2的齿数传动比为1：1，模数m=1，压力角=20，有效齿宽b=5mm，齿顶高系数h a*=1，顶隙系数 c*=0.25。齿轮组由两个21齿和21齿的齿轮的中心距为：a=(m*z1+m*z2)/2=42/2=213.2 传动装置的尺寸确
31、定传送带是中间零件，它能够在一定范围中根据需求来选择长度和宽度，以适应中心距要求高的工作条件。传动装置根据杯子的外型尺寸来设计皮带的宽度为120mm，长度为1400mm，还有根据实际情况，初步确定皮带与工作物总质量mL为6Kg，滑动摩擦系数u为0.1。滚筒的设计直径D为80mm，滚筒质量m2为0.2kg。如图3.4所示。图3.4传动装置尺寸传动装置皮带轮的间歇运动结构初步确定以下参数，如表3.2所示：表3.2间歇运动结构参数传送带和滚筒的机械效率n=0.9减速机机械效率nG=1减速比i=5每次定位时间t=2.8s每次运动距离L=0.1m加速时间比A=15%根据以上确定好的结构参数来对整个传动装
32、置进行计算，通过皮带轮间歇运动电机选型计算表格得出以下计算数据：(1) 速度曲线加速时间：(2) 电机转速减速机输出角加速度： =（L/D）2/t0（t-t0）=2.501rad/减速机输出轴转速：电机输出轴角加速度：m=*i=12.505rad/电机输出转速:(3) 计算负载转矩减速机轴负载：=5.88N减速机轴负载转速：TL=F*D/2n=0.261333Nm电机轴负载转速：=0.052267Nm(4) 计算电机轴加速转矩皮带和工作物的惯量：=0.0096kg滚筒的惯量：JM2=1/8(m2*)折算到减速机轴的负载惯量：=0.00992kg电机惯量：折算到电机轴的全负载惯量：J=JL/+J
33、m=0.000428kg电机轴加速转矩：=0.00535Nm(5) 必须转矩安全系数：S=2必须转矩：=0.115233Nm(6) 负荷与电机惯量比惯量比:N1=JL/(*Jm)=12.8根据以上数据，故传送装置初选松下A6交流伺服电机，型号为 MHMF022L1V2M，相关参数如下表 3.3所示：表3.3伺服电机参数电源设备容量（KVA）0.5额定输出（W）200额定电流（A）1.4瞬时最大电流（A）6.9额定转速（r/min）3000最高转速（r/min）6500转子惯量（）0.31对应转子惯量的推荐负载惯量比30倍以下3.3 加料结构的尺寸确定3.3.1储料箱体的设计自助式奶茶机的加料结
34、构中储料箱体的设计，设计一种能够储存一定容量奶茶的储料装置，该设计箱体的长度与宽度均为400mm，高度为500mm，厚度5mm。该储料箱体可以储存的容量为：=400mm400mm500mm=80000000 =0.08根据储料箱体的结构还设计了该箱体的盖子，箱体盖子可阻挡了灰尘等物质的进来，保证了储料箱体里奶茶的安全，且安装移动方便。该箱体盖子的长度与宽度均为400mm，厚度为10mm，为了方便取出与盖上该箱体盖子，还设计了一个手柄。整个储料箱体的设计如图3.5所示。图3.5储料箱体尺寸3.3.2箱体机架的设计储料箱体机架的设计采用40mm40mm的方形管焊件而成，机架的长度与宽度可根据储料箱
35、体的尺寸而设计为400mm400mm，高度为300mm。为了使机架受力均匀，在机架上方中间还多加了一条横方形管焊件。图3.6储料箱体建模3.3.3注料嘴的设计奶茶加料结构注料嘴的设计，首先根据市场调研，得出类似注料管的直径大多数为20mm，然后根据此数据设计了一个注料嘴结构。该结构的水平料管直径为20mm，长度为120mm。垂直注料管的上半部分直径为40mm，长度为50mm，下半部分注料管直径为20mm，长度为62mm，且注料嘴的喷嘴型状设计成台阶圆锥的形式。如图3.7所示。图3.7注料嘴尺寸3.3.4控制阀门的选用出料部分由出料阀门组成，出料阀门选用的是常闭型的直动型2通电磁阀。相关参数如下
36、表3. 4所示：表3.4直动型2通电磁阀各项参数名称直动型2通电磁阀孔直径8型号VX232JA电磁线圈数单线圈品牌SMC日本工作压力差范围null-0.3MPa适用流体水等液体防护等级IP65种类电磁式绝缘等级B驱动种类直动式主体材质SUS切换种类常闭型功耗10.5第四章 三维建模及装配4.1 SolidWorks软件的基本介绍我所采用的建模软件为达索公司的solidworks2016。常见的三维设计软件有CATIA、solidworks、PROE、UGCAXA和3Dmax等，其中前两者为法国的达索公司开发，CATIA主要用在航空航天及汽车整车外形设计，其独到的算法可以利用很小的资源绘制出多变
37、的曲面，而SOLIDWORKS在机械设计领域运用较广，学习solidworks是每一位机械工程师必备的技能之一，无论是实体建模、钣金制造、模具开发，solidworks都有一套独特的算法，能够简单快捷地建立出机械模型。PROE在机械设计上也有较多运用，算法精湛，特别是在机床加工领域，它可以快速建立出每一个走刀的工步，十分强大。国外的三维软件发展进程及更新迭代非常迅速，国内的CAXA也是一款有自主只是产权的国产三维软件，特别适合中国工程师的思维习惯。因此，此次的建模也是基于 solidworks2016，利用这个软件可以前期先建立构型再进行细化，达到我们建立整个奶茶机的所有机械构型的根本目的。利
38、用solidworks建立起来的三维模型，后利用工程图模块建立出二维图纸，再导成DWG格式的AUTOCAD二维模型，在AUTOCAD2014里进行相关标注和修改，达到从概念模型到实际运用加工的根本目的。4.2 落杯装置建模（1）落杯结构的外壳结构建模如图4.1所示。整个落杯装置的外型结构由下筒安装盘、上筒安装盘和盖子组成，下筒安装盘和上筒安装盘由螺母进行栓接固定，达到固定效果从而使整个框架稳固可靠，不受自身电动件和转动件的影响。图4.1落杯结构的外壳结构建模（2）螺旋切片建模如图4.2所示，首先，根据本文中第三章的螺旋切片的设计内容，得出螺旋切片的外型尺寸数据，利用螺旋切片的外型尺寸进行三维建
39、模。图4.2螺旋切片建模（3）落杯结构总装模型如图4.3所示，根据选用齿轮的大小，进行齿轮的建模，然后对驱动齿轮和落杯齿轮进行啮合配合，得到一个齿轮传动装置。选取相应的步进电机，利用供应商提供的相关尺寸进行三维逆向建模，再根据落杯结构的外型结构建模和螺旋切片建模得出的模型来进行最后的装配，并完善相应的连接结构，这样整个落杯装置的建模就完成了。 图4.3落杯结构总装模型4.3 加料装置建模（1）加料装置的储料箱体建模如图4.4所示。根据第三章储料箱体的设计得出的设计尺寸对该储料箱体和箱体盖子进行建模。图4.4储料箱体模型（2）储料箱体的机架建模如图4.5所示。图4.5机架建模（3）加料装置的注料
40、嘴结构建模如图4.6所示。图4.6注料嘴结构模型（4）加料装置的整体模型如图4.7所示，根据本文中第三章的阀门的选用内容，得出阀门的尺寸的数据，利用阀门的尺寸进行三维建模，最后把储料箱体模型、机架模型、注料嘴模型和控制阀门进行装配。让整个加料装置模型更加合理、美观、可靠。图4.7加料装置的整体模型4.4传送装置建模传送装置建模如图4.8所示。首先，根据第三章传送装设计的数据对滚筒进行三维建模，然后通过两个滚筒之间距离的确定，绘制出传送带。图4.8传送装置模型4.5其余附件及其总装加料装置的储料箱体建模如图4.9所示，将建立好的模型进行总装，并做一些尺寸上的调整，加入简化的杯子自动下落和加料装置
41、和传送装置模型，最后整合进整体框架上，并将物料排列完整，完成整体模型。图4.9自助式奶茶机进杯加料整体装配图第五章 有限元分析有限元软件分析步骤分为以下几个步骤：建立算例，材料属性设定，定义约束、施加载荷，网格划分，计算求解和数据输出。5.1 建立算例由于在本次设计中，螺旋切片零件容易受到外部载荷作用而发生变形破坏，因此以螺旋切片结构为分析对象建立静力学分析算例。如图5.1所示。5.1 建立算例模型5.2 材质指定对螺旋结构赋予一定的材质，考虑到机构耐用性及使用寿命，本次设计采用合金钢作为材料。如图5.2所示。螺旋结构为合金钢材质，其主要的力学性能指标为：弹性模量：21000中泊松比：0.28
42、中抗剪切量：79000质量密度：7700图5.2 材质指定5.3 定义约束对螺旋零件添加夹具，使其限制住某一自由度无法移动。由于螺旋结构主要运动为旋转，因此其主要约束面在与轴配合的圆柱面上。模型约束示意图如图5.3所示。图5.3 定义约束5.4 施加载荷螺旋结构的主要受力面为螺旋面，受到的外部载荷主要形式为扭矩。打开“添加载荷”的对话窗口，选中扭矩并令其参数为2.如图5.4所示。图5.4 施加载荷5.5 网格划分最后一步对螺旋零件划分网格，划分网格的作用是根据网格的每个元素的形状和分布自动生成算例算法，网格划分越精细其计算精度越高。如图5.5所示。图5.5 网格划分5.6 运行结果 自动生成计
43、算结果，分别得到应力图、位移图和应变图。综合三图软件计算的数据可以看出，从图5.6应力图可以看出，本机构在正常运行时由于受到的外部载荷很小，因此其应变量很小，最大值为7.165，因此螺旋的变形量可以忽略不记。另外，由5.6的应力可以看出，其大部分区域显示为蓝色区域，说明该部件的受力较为均匀，无危险截面的产生。因此，综合软件算例计算数据，判定其零件符合强度要求。图5.6 应力图图5.7 应变图图5.8 位移图总结本文针对高效率自动奶茶机完成奶茶机的进杯加料的结构设计，包括方向空杯的自动进入、准确加料、顺序加料等动作，实现了自动化。对整个结构各机械结构模块展开设计分析，了解学习了有限元方法，利用有
44、限元分析实现奶茶机的关键零部件的静力学分析，检验了结构设计的合理性，得到一个可靠的结果。并且，利用三维软件完成了设计结构的三维模型建立与装配，并出具了零件图和装配图。参考文献1机械结构设计技巧与禁忌.潘承怡，向敬忠编著.化学工业出版社 20132机械设计实用机构与装置图册：原书第5版/斯克莱特编；-北京：机械工业出版社，2014.103庄宿涛总主编.机械设计基础.成都：西南交通大学出版社，2014.84成大先主编.机械设计手册.化学工业出版社5巩云鹏、田万禄等主编. 机械设计课程设计 . 沈阳：东北大学出版社 20006机械设计实用机构运动仿真图解 第3版.朱金生编，电子工业出版社20197刘
45、鸿文主编. 材料力学. 北京：高等教育出版社19918机械设计手册/上册，机械设计手册联合编写组编，化学工业出版社，19799机械零件课程设计，郭奇亮等主编，贵州人民出版社，1982.110机械设计标准应用手册/第二卷，汪恺主编，北京：机械工业出版社， 1997.811孙志礼，冷兴聚，魏严刚等主编. 机械设计. 沈阳：东北大学出版社 200012哈尔滨工业大学理论力学教研组编. 理论力学. 北京：高等教育出版社 199713高泽远，王 金主编. 机械设计基础课程设计.沈阳：东北工学院出版社 198714机械零件设计手册(第二版)/中册，东北工学院机械零件设计手册编写组编，冶金工业出版社，198215画法几何及工程制图，中国纺织大学工程图学教研室等编，上海科学技术出版社，1984 30
