書本自動打包機設計,書本自動打包機設計,書本,自動,打包機,設計 上海電機學院 畢業(yè)設計任務書 課 題 一種書本自動打包機設計 專 業(yè) 機械電子工程 年 級 2011級 姓 名 學 號 指 導 教 師 （簽字） 學 院 院 長 （簽字） 2014 年 12 月 8 日 課題 來 源 企業(yè)項目 課 題 的 目 的 、 意 義 傳統(tǒng)的手工打包方式難以滿足書本快速打包、配送的要求。本課題的目標是設計一集書摞自動搬運、包裝紙自動折紙、自動裹包和捆扎等多種功能于一體的圖書自動打包機?？傮w設計思想為機械結構與驅動控制一體化的設計。通過對自動打包機各關鍵部件的設計、計算和選用以及控制系統(tǒng)設計等工作，達到機電類專業(yè)學生畢業(yè)設計綜合能力考察的目的。 要 求 課題的主要技術要求： 主要技術要求： 1. 包裝規(guī)格：16開，32開紙 2. 包裝高度：50cm左右 3. 包裝重量：20kg 4. 包裝速度：10包/分鐘左右 5. 主要工作量要求： 1. 設計計算說明書1.5萬字以上 2. 完成包括總裝配圖、部件圖、主要零件圖在內的圖紙不少于2張A0 3. 主要零件圖總圖幅不少于一張A1 課 題 主 要 內 容 及 進 度 課題主要內容： 學生應利用所學得的知識和課程，查閱相關資料，制定自動打包機的實現(xiàn)方案，確定其工作原理和驅動方式，確定書摞自動推送，包裝紙自動送紙等部分的主要結構形式，對驅動和傳動方式進行選型，對電機減速機構進行設計，最后對整個系統(tǒng)的運動控制進行設計和分析。 設計主要內容： 1. 根據(jù)任務要求確定機械手的結構形式； 2. 機械詳細設計，包括主要零部件設計計算，強度、剛度校核計算； 3. 根據(jù)要求進行打包機控制單元的設計。 工作進度： 2014.12.10-2014.12.31 明確設計任務，收集相關資料 2015.01.01-2015.01.15 擬訂功能實現(xiàn)原理 2015.01.16-2015.02.15 擬訂總體設計方案 2015.02.16-2015.03.30 機械結構設計、繪制總裝圖 2015.05.01-2015.04.25 主要零部件設計計算，繪制零件圖 2015.04.26-2015.04.30 控制單元設計，繪制控制原理圖 2015.05.1-2015.05.20 撰寫設計計算說明書，答辯 摘 要 圖書的需求迅速增加，特別是在春、秋兩季入學，將迎來高峰。同時，“用工荒”問題日益嚴重，傳統(tǒng)的手工包裝方法很難滿足要求。為了適應這一形勢，本文開發(fā)了一個圖書自動包裝機，提高圖書的包裝效率，減少了操作人員的勞動強度。 本文首先討論了打包機的國內外現(xiàn)狀，然后根據(jù)書籍打包機的設計要求，進行對本包裝機的機械結構設計，詳細介紹了機器的一部分的設計機制，該機制原理圖給出關鍵部分的功能，原理圖描述。本書對包裝機械機構和控制系統(tǒng)的設計，進行了改善和優(yōu)化結構。 關鍵詞：圖書，書本打包機，機械結構，機構原理 III Abstract Books demand increased rapidly, especially in the spring and autumn season two entrance, will usher in the peak. At the same time, "labor shortage" problem is more and more serious, the traditional manual packing methods are difficult to meet the requirements of. In order to adapt to this situation, this paper developed an automatic book packing machine, to improve the efficiency of book packaging, reduce the labor intensity of the operator. This paper first discusses the status quo of machine at home and abroad books packed, then according to the requirement of design books balers, carries on the design to the book packing machine mechanical structure, introduces in detail the mechanism of part design of the machine, the key part of the mechanism principle diagram is given, the schematic diagram of the function were described. The design of the book packing machine mechanism and control system, the structure of the improvement and optimization. Key Words: Books, books balers, mechanical structure, mechanism 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒論 1 1.1引言 1 1.2 國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展 1 1.2.1國外研究現(xiàn)狀 1 1.2.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.3 本文研究內容 4 第2章 書本打包機總體設計 5 2.1主要技術要求 5 2.2書本打包機總體工藝設計 5 2.3機械結構功能分解與分析 6 2.4 本章小結 7 第3章 本章標題 8 3.1機構功能要求 8 3.2運動機構的選擇 9 3.3槽型凸輪設計 10 3.4齒輪齒條設計 12 3.4.1幾何尺寸計算 12 3.4.2重合度校核 13 3.4.3齒輪強度校核 13 3.5軸的設計 13 3.5.1確定最小軸徑 14 3.5.2軸的校核 14 3.5連桿的設計 15 第4章 打包機其他機構設計 16 4.1送紙機構設計 16 4.1.1傳動原理分析 16 4.1.2摩擦計算 18 4.1.3紙張檢測原理分析 19 4.2包角機構設計 20 4.2.1裹紙 20 4.2.2折上頁 20 4.2.3折下頁 21 4.2.4折前角與上下邊 22 4.3捆扎機原理 22 4.3.1送帶 23 4.3.2抽 23 4.3.3切燙 23 4.4輔助設備 24 結論 25 參考文獻 26 致 謝 27 第1章 緒論 第1章 緒論 1.1引言 進入21世紀，基于計算機及電子的自動化技術快速發(fā)展，人們對傳統(tǒng)設備的自動化性能改進提出了新的要求。隨著生活水平的提高，人們也越來越注重精神生活的追求及子女的教育水平，因此書籍等印刷品的數(shù)量迅速增長，2010年年以來，我國圖書出版業(yè)的年產值已經(jīng)突破萬億元大關。出版業(yè)的發(fā)展，帶動了印刷機械、包裝機械等設備的需求。 書籍的印刷具有季節(jié)性，多集中于大中小學校的開學前的階段，這就要求，書籍印刷企業(yè)必須具備較強的生產能力。為保證書籍在轉運過程不被損壞，業(yè)內普遍的做法是將一定規(guī)格的書籍進行打包。書籍的包裝是制約書籍生產的一大問題，目前，國內的多數(shù)印制廠多采用人工包裝的方式，包裝質量差，包裝效率低，隨著用工成本的增加，部分企業(yè)還容易出現(xiàn)“用工荒”問題，從而無法滿足生產需求。一些有實力的印刷企業(yè)從國外引進了部分全自動包裝設備，但是使用和維護成本較高，間接地提高了企業(yè)的成本。因此行業(yè)內迫切需要研發(fā)性價比較高的自動打包設備。 書本打包設備是一種典型的機電一體化產品，集書摞自動搬運、輸送、書摞包裝紙 自動折紙、書摞自動裹包和自動捆扎等多種功能于一體[1]。自動書本打包機的研制具有重要的理論意義和極強的現(xiàn)實意義，不但可以促進包裝工業(yè)自動化和現(xiàn)代化的發(fā)展，還可以提高印刷企業(yè)的包裝效率和包裝質量，降低生產成本[2]。 1.2 國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展 1.2.1國外研究現(xiàn)狀 圖1.1 美國Barry-wehmillre包裝機械 國外對包裝設備的研究較早，技術已經(jīng)較為成熟，一些公司已經(jīng)擁有比較完備的產品系列，并積極來發(fā)新品。美國的包裝機械產業(yè)歷史比較悠久，產品種類和數(shù)量居全球之首，其包裝工業(yè)總產值占國民生產總值的3%[3]。比較知名的公司，如Lantech Inc、ITW、ANGELUS、Barry-wehmillre、Beinis、SA-SIBSPA等公司都具有較強的市場競爭力，其設備特點是高精尖，與計算機技術精密結合，但是一般成本較高，價格昂貴。如圖1-1所示，是Barry-wehmillre公司的包裝機械，該設備具有自動化程度高，工作速度快等特點，但因結構比較復雜，各執(zhí)行機構在協(xié)調配合時，經(jīng)常會出現(xiàn)包裝紙張褶皺問題。 德國是世界最大的包裝機械出口國，包裝機械在制造工藝和技術性能等方面都比較先進，其特點是具備成套、高速、自動化程度高，可靠性好。比較知名的公司有SETIZ、MSK等[4]，如圖1-2所示，是德國的MSK書本打包機，該設備每個動作都相互比較獨立，動作協(xié)調性得到了很好的提升，可以同時打包多摞書本，工作效率較高，但是其占地面積較大，對車間要求較高。 圖 1.2 德國MSK書本打包機 圖1.3 日本富士油壓精機書本打包機 日本是包裝機械的后起之秀，其設備的主要特點是穩(wěn)定性好、自動化程度較高、操作簡便。比較知名的公司有古川株式會社、富士油壓精機株式會社等，如圖1-3所示，是日本富士油壓精機會社生產的AP-78V打包機，該打包機其打包速度可達每分鐘8包，最大包裝質量20噸，設備自動約900KG。但是該設備使用了空氣壓縮機，噪音較大。 此外，意大利、韓國等國家的包裝產業(yè)也具有一定實力?？偲饋砜?，國外對包裝設備的研究多集中在機電一體化、結構優(yōu)化、生產效率提高及提高設備可靠性等方面，其表現(xiàn)出來的主要發(fā)展趨勢有：（1）成套設備供應能力增強；（2）產品適應性好，具有好的柔性和靈活性；（3）普遍采用仿真設計技術；（4）包裝工藝流程的自動化及智能化程度越來越高。 1.2.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀 　 我國的打包機從20世紀80年代中期開始發(fā)展，最初在書籍、報刊發(fā)行部門獲得推廣，近年來發(fā)展異常迅速，已成為十大機械行業(yè)之一，產品廣泛應用于輕工、食品、外貿、印刷、化工、紡織等行業(yè)。2011年，全國包裝機械數(shù)量已達110.8萬臺（套），產值為443億元，據(jù)中國機械工業(yè)聯(lián)合會公布的數(shù)據(jù)，在十二五期間，國內包裝機械平均增速可達16%，總產值有望突破6000億元，目前，國內較為知名的企業(yè)有紫宏、新邵、飛達等。 但是，我國包裝機械企業(yè)規(guī)模偏小，技術裝備不很完善，管理水平比較低，自我發(fā)展和技術設計開發(fā)能力較弱，產品品種單一[5]。主要表現(xiàn)在：生產效率低、能耗高、穩(wěn)定性和可靠性差，產品造型落后，外觀粗糙，基礎件和配套件壽命低；產品的技術含量、附加值較低；新產品開發(fā)周期長，不能及時響應市場的需求，及時提供市場、用戶所急需的產品。石家莊內燃機配件廠開發(fā)出一款SBD-J型平裝書籍打包機[6]，能實現(xiàn)紙張的自動識別，具有過載保護功能，包裝速度可達8包/min，其工作流程如圖1-5所示。上海紫宏機械開發(fā)出SK20書本打包機[7]，打包速度可達20包/min，可對四種規(guī)格書籍進行包裝，如圖1-6所示。但是上述兩種產品經(jīng)常發(fā)生諸如卡紙、工序流傳不暢等問故障，降低了工作效率，還容易產生噪音，不能從真正意義上解決書籍印刷企業(yè)的自動包裝問題，因此沒能得到較好的推廣。 　　 圖1.4 石家莊內燃機配件廠打包工作機示意圖 圖1.5 SK20書刊打包機 包裝行業(yè)的發(fā)展取決于包裝機械的發(fā)展，相對于國外產品，我國的包裝機械還有一定的差距，具體表現(xiàn)在：（1）包裝外觀質量得不到保證，捆扎力度控制不好；（2）諸如搬運、打捆等工序可能會需要人工介入，不能實現(xiàn)完全自動化；（3）新材料、新工藝推廣較少，產品更新速度慢，且可靠性較差；（4）單機設備多，流水線設備少，智能化控制程度還較低?？v觀包裝機械的發(fā)展歷史，我國的包裝機械產業(yè)要比發(fā)達國家落后將近20年，要想快步追趕，應該從虛擬樣機設計、機構功能多元化、結構設計標準化、控制智能化等方面入手，實現(xiàn)包裝機械專而精的發(fā)展。 1.3 本文研究內容 本文的主要研究內容是分析目前國內的包裝機械發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎上結合給定的設計參數(shù)要求，設計一款新型的包書設備，并分別就該設備的推書機構、取裹紙機構及包角機構進行必要的計算與機構分析，最后繪制出相關部件的二維圖。論文涉及的主要內容如圖1-5所示。 圖1.5 論文主要研究內容 27 第2章 書本打包機總體設計 在進行打包機設計之前，首先要明確技術要求，然后依據(jù)要求，構思工序路線，繪制工藝流程圖。最后將各工藝進行功能分解，得到各分步驟的功能要求后，就可以進行詳細設計。 2.1主要技術要求 主要技術要求： 1. 包裝規(guī)格：16開，32開紙 2. 包裝高度：50cm左右 3. 包裝重量：20kg 4. 包裝速度：10包/分鐘左右 5. 具有自動壓書功能，高度可調節(jié)； 6. 送紙動作順暢，折角包裝棱角分明； 7. 可自動對書摞進行捆扎； 8. 適用電源：220V，50HZ交流電，工作溫度：0~40℃。 2.2書本打包機總體工藝設計 根據(jù)2.1中確定的技術性能要求，確定打包機具有推書、裹書、折角及捆扎等幾大步驟，其中有些工序還需要進一步細化。比如推書，一摞書傳送過來時有可能是整齊的，也有可能是參差不齊的，因此需要推書機構具有縱向和橫向兩種推書功能。再如包裝紙在裹包前需要將紙張送于書摞旁，因此還需要紙張分離機構。到折角工序，還需要考慮前后左右?guī)讉€方位全部能折好，而且為提高機構的可靠性，結構還要盡可能簡化。 根據(jù)上述分析，將書本打包機的工作流程暫定為如圖2-1所示：推書——送紙——裹紙——折上邊——折下邊及后角——折上下角及前角——捆扎。推書機構采用側向送書，正向推書的機構，使推書機構盡可能簡化。而捆扎則可以借用市場上成熟的捆扎機，比如SD-101型自動捆扎機，減小設計的難度。 圖 2-1 書本打包機的工藝原理圖 2.3機械結構功能分解與分析 通過工作流程分析，可以確定需要設計的主要部件有：推書機構、送裹紙機構、折角機構三大部分。推書機構計劃采用曲柄搖桿機構實現(xiàn)，折角機構計劃采用上下及左右折板實現(xiàn)，送裹紙機構計劃采用凸輪實現(xiàn)搓紙，并通過一對輥輪的正反轉實現(xiàn)分紙功能，其主要結構如圖2-2所示。 1—書本；2—推書機構；3、下折板；4、左右折板； 5、捆扎機；6、送紙機構；7、上折板 圖2-2 書本打包機總體結構 各部分的主要功能如下：（1）推書機構2將書本1推送到指定的位置；（2）送紙機構6將紙張從從紙盒中取出并分離，送紙到位；（3）當書本1被三面包裹后，上折板7壓下，折好上側邊；（4）上側邊折好后，下折板3開始壓折下側邊；（5）上下側邊都被壓折后，推書機構2推送書本1經(jīng)過左右折板4，借助其中的側縫使左右被壓折。（6）壓著好的圖書1通過捆扎機5進行捆扎。 2.4 本章小結 本章首先介紹了書本打包機的技術要求，根據(jù)設計要求，制定了機構設計系統(tǒng)的總體方案。并繪制了總體圖，為以后章節(jié)的詳細設計做了引導。 第4章 本章標題 第3章 本章標題 3.1機構功能要求 推書機構是實現(xiàn)圖書自動化捆包的重要功能單元之一，其工作過程可表述為：由主控裝置發(fā)出電信號指令，經(jīng)主傳動系統(tǒng)傳遞的運動驅使槽形凸輪轉動，凸輪推動擺桿經(jīng)連桿帶動齒輪沿下齒條滾動，且齒輪同時帶動上齒條作水平移動，于是上齒條正向推動推書板向前推書，完成正向推書過程[8]。其機構示意圖如圖3.1所示： 圖3.1 推書機構示意圖 設計推書機構的要求: （1）推書運動循環(huán):整套推書機構的運動以主軸回轉一周為一個循環(huán)周期。因此可以用主軸的轉角表示推書機構從動件(推頭或滑塊)的運動時間。推書動作占時1/3周期，相當于主軸旋轉120°； 快速退回動作占時小于1/3周期，相當于主軸旋轉100°；停止不動占時大于1/3周期，相當于主軸轉角140°。每個循環(huán)縱向推書機構從動件的工藝動作與主軸轉角的關系如表3.1所示。 表3.1 推書機構運動要求 主軸轉角 推書機構執(zhí)行滑塊的動作 主軸轉角 推書機構執(zhí)行滑塊的動作 0°~80° 推單摞書前進 120°~220° 滑塊退回 80°~120° 推四摞書前進，并折后角 220°~360° 滑塊停止不動 圖3.2 縱向推書機構運動循環(huán)圖 （2）推書前進和退回時，要求采用等加速、等減速運動規(guī)律。 3.2運動機構的選擇 推書機構向前推書時是一個較緩的過程，而回退時屬于空載，為節(jié)約時間，應該回退速度較快，這就要求執(zhí)行元件在行程中等速直線且具有急回特性。有三種運動方案可以實現(xiàn)這一要求，如圖3.3所示。 (a) 間歇運動機構 (b) 傳動運動機構 (c) 直線運動機構 圖3.3 幾種運動方案 其中間歇運動機構可由槽輪機構或不完全齒輪、凸輪機構組成；傳動運動機構可由圓柱齒輪、圓錐齒輪或蝸輪蝸桿；直線運動機構可由曲柄滑塊或凸輪機構織成。其具體特點詳見表3.2。 表3.2 各運動機構比較 縱橫推進機構 間歇運動機構 傳動運動機構 直線運動機構 槽輪機構 不完全齒輪 凸輪機構 圓柱齒輪 圓錐齒輪 蝸輪蝸桿 曲柄滑塊 凸輪機構 簡單、易實現(xiàn)，成本低 運動精確 運動精確，無沖擊 易實現(xiàn)同向變速 不同方向傳動和變速 垂直方向傳動 加工簡單成本低 運動精確，無沖擊 運動不精確 沖擊，加工復雜，成本高 易磨損，加工成本高 只可同向傳動 加工復雜 成本高，角度不易改變 占空間，對桿長要求高 易磨損，加工成本高 綜上，根據(jù)設計要求，通過三種機構的對比，選擇間歇性運動機構當中的槽形凸輪機構。具體的運動過程：主軸轉動帶動凸輪做旋轉平穩(wěn)，間歇作用下往復擺動凸輪搖臂往復運動，連桿帶動齒輪齒條機構間歇直。推書塊固定在齒條齒條的運動做往復運動實現(xiàn)推書動作，齒輪齒條機構主要是增加推書滑塊行程。其運動簡圖如圖3.3所示。 圖3.3 推書機構運動簡圖 3.3槽型凸輪設計 凸輪機構是由凸輪、從動件和機架組成的，三者作相對運動。凸輪機構具有結構簡單緊揍控制準確有效、性能穩(wěn)定和適應性強等優(yōu)點，而且與其它機構配合可以實現(xiàn)復雜的運動要求，因此應用非常廣泛，特別是在印刷機、紡織機、內燃機以及各種自動機中應用更加普遍。推書機構要求等加速等減速運動，所謂等加速等減速運動，即從動件在一個推程中先作等加速運動，后作等減速運動，故推書機構中的凸輪機構設計為一偏置槽形凸輪機構。 對推書機構進行設計時，要求機構的傳力性能好，推書滑塊勻速推書并快速退回，推書機構凸輪廓線設計是否合理，對該類機構的正常工作影響很大，所以下面將在對該類機構工作原理和工作要求進行分析的基礎上，用解析法分析符合工作要求的凸輪輪廓曲線方程[9-10]，并繪制凸輪廓線圖。 建立如圖3.4所示的坐標系xNy： 圖3.4 機構安裝及輪廓尺寸簡圖 由封閉向量三角形△NKM得矢量方程式：，以復數(shù)形式表示：，寫成歐拉形式則為：，。消去得：。所以，凸輪的理論輪廓線方程為：。其中，為凸輪向徑，為搖桿擺角，是中間變量。 可用如下方法求解。在圖3.4中的封閉四邊形NABC的封閉矢量方程式為：，以復數(shù)形式表示：，其中，由機構安裝尺寸確定。 展開得：，。消去得：，其中，，，，為相應桿長，由機構安裝尺寸確定。聯(lián)解上式即可求得凸輪輪廓曲線方程。假設機構的極位夾角為（可由給定的形成速度變化系數(shù)求出），推書齒輪的工作行程為，取凸輪向徑角度和相同的等分數(shù)為N，則凸輪向徑的轉角可表示為，推書齒輪的位移，其中為其等分數(shù)，取值范圍為（0，N）。 根據(jù)凸輪曲線方程及從動件位移方程，繪制出凸輪廓線圖如圖3.5所示。 （a）理論輪廓線 （b）實際輪廓線 圖3.5 凸輪輪廓線和運動規(guī)律 3.4齒輪齒條設計 齒輪傳動是傳遞機器動力和運動的一種主要形式，是實現(xiàn)旋轉運動和直線運動相互轉換的一種極佳傳功方案。齒輪齒條傳動的特點是：齒條齒廓為直線，齒廓上各點具有相同的壓力角，且在傳動過程中始終保持相同的標準齒形角，和與其它傳動相比，具有傳遞的功率大、速度范圍廣、效率高、工作可靠、壽命長、結構緊湊、能保證恒定傳動比等特點[11-12]。結合特性對比，根據(jù)推書機構的設計要求選用了齒輪齒條傳動機構，其中齒輪為圓柱直齒輪，現(xiàn)設計齒輪齒條參數(shù)如表3.3所示。 表3.3 齒輪齒條參數(shù) 名稱 符號 齒數(shù)（） 齒條（） 模數(shù) 2 2 齒數(shù) 21 287 壓力角 20° 20° 齒頂高系數(shù) 1 1 頂隙系數(shù) 0.25 0.25 3.4.1幾何尺寸計算 （1） 分度圓直徑：； （2） 齒頂高：； （3） 基圓直徑：; （4） 齒根圓直徑：； （5） 齒頂圓直徑：； （6） 分度圓齒厚：。 3.4.2重合度校核 齒輪齒條傳動機構具有傳動效率高和結構緊湊等優(yōu)點，齒輪齒條設計中重合度的大小對設計的合理性和傳動的平穩(wěn)性影響較大。所以對打包機縱向推書機構中齒輪齒條的重合度進行校核驗算是非常重要的。 根據(jù)計算的參數(shù)可以求得，則其重合度為： 查閱相關資料可知，齒輪齒條重合度在1.5~2.0之間較為合理，因此1.78的重合度可以滿足使用要求。 3.4.3齒輪強度校核 該推書機構齒輪齒條的嚙合使用速度較低，且工作具有季節(jié)性，因此應力循環(huán)次數(shù)也較小，因此可以忽略齒輪彎曲疲勞強度、接觸疲勞（點蝕等）強度計算問題。相比直齒輪傳動，齒輪齒條傳動的重合系數(shù)較高，單齒受力較小，因此，這里只對齒輪受力進行分析計算。 齒輪材料選用40Cr，調質處理，硬度300HBS，查表得，取，單向傳動取。因為，所以取，則該材料許用彎曲應力。齒輪齒數(shù)，，，，，，，。，則：，因此齒輪彎曲強度符合要求。 3.5軸的設計 由第二章可知，設計的打包速度為20包/min，因此，齒輪軸的轉速為20r/min，選擇電動機額定轉速為960轉，功率10KW，采用變頻器控制轉速。 3.5.1確定最小軸徑 軸的扭轉強度條件為： 其中：——扭轉切應力，單位為Mpa； ——軸所受的扭矩，單位為N·mm； ——軸所抗彎截面系數(shù)，單位為mm3； ——軸的轉速，單位為r/min； ——軸傳遞的功率，單位為kW； ——計算截面處軸的直徑，單位為mm； ——許用扭轉切應力，單位為Mpa； 由上式可得軸的直徑，軸的材料選用45鋼，調質處理，查表取，將轉速及功率帶入得軸徑。根據(jù)設計需求，將齒輪軸的最小軸徑定位20mm，長度50mm。 3.5.2軸的校核 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強度，取， 用公式計算軸的應力：， 其中：——軸的計算應力，單位為Mpa； ——軸所受的彎矩，單位為N·mm； ——軸所受的扭矩，單位為N·mm； ——軸的抗彎截面系數(shù)，單位為mm3； ——對稱循環(huán)變應力時軸的許用彎曲應力，單位為Mpa； 由圖3.6可以看出，齒輪端或連桿端為危險截面，通過設計數(shù)據(jù)易知，，所形成的扭矩為：，由于彎矩應力，此處扭轉切應力為對稱環(huán)應變力，取折合系數(shù)，則：，查表得可得抗扭界面系數(shù)： ，則： 。滿足=60Mpa的條件，故設計的軸有足夠的強度，并有一定裕量。 圖3.6 齒輪軸的受力 3.5連桿的設計 圖3.7 連桿機構示意圖 如圖3.7所示，B為連桿機構的一般位置，A和C分別為連桿斷電的左右極限位置。因為推書行程為，設R為等效曲柄半徑，d為連桿長度，，當機構處于拉直共線和重合共線兩種位置時，兩岸的推程分別取最大值和最小值。 由幾何關系可列出，，，根據(jù)關系式可?。?，。 第4章 打包機其他機構設計 4.1送紙機構設計 4.1.1傳動原理分析 (a) 紙張輸送 （b）分離輪反轉 1-搓紙輪；2-拾紙輪；3-分離輪；4-電容傳感器 圖4.1 送紙機構示意圖 圖4.1所示為取紙送紙結構示意圖，其任務是將包裝紙從紙盒中取出，并保證單張出紙。主要包括搓紙輪、拾紙輪、分離輪、電容傳感器及步進電機等。因為包裝用紙一般多為牛皮紙，摩擦力較大，故送紙機構設計使用摩擦傳動，該傳動具有結構簡單、壓緊力大等特點。其主要工作流程為搓紙輪將包裝紙從紙盒中搓離，之后紙張經(jīng)過電容檢測裝置，如果是單張進紙，則如圖4.1（a）所示，主動輪帶動紙張輸送，分離輪與離合器分離；如果為多張進紙，則分離輪離合器接合，進行反方向旋轉，同時將多余的紙張退回紙盒?？紤]到拾紙輪和分離輪的工作要求，中間通過過渡輪進行變向，其中分離輪的傳動軸上安裝有電磁式離合器，以控制分離輪的反轉或停止[13]。 （a）單紙受力分離模型 （b）多紙受力分離模型 圖4.2 送紙機構紙張分離數(shù)學模型 送紙機構的傳動要綜合考慮材料之間的摩擦系數(shù)、轉動慣量、包裝紙的質量、輪與包裝紙相對運動速度等因素。下面對送紙機構數(shù)學建模進行分析，如圖4.2所示，該模型包括包裝紙、送紙輪與分離輪。 單張紙送紙過程的動力學方程： (4.1) 其中與分別為送紙輪和分離輪的轉動慣量，與分別為送紙輪和分離輪的角速度，與分別為其半徑，與分別為其扭矩。 各接觸表面相對運動速度方程： (4.2) 從公式（4.1）可以看出，送紙輪與分離輪，與大小相等，方向相反，為了使傳送平穩(wěn)，即的值趨近于0，應該使，。從公式（4.2）可以得出。根據(jù)這一理論，在設計送紙輪與分離輪時，應盡量使兩輪的轉動慣量相等，這樣可以促使傳動平穩(wěn)。 當搓紙輪搓起多張包裝紙時，其傳送過程動力學方程為： （4.3） 送紙輪相對第一張紙、第一張紙相對第二張紙、第二張紙相對于分離輪的相對運動方程如下： （4.4） 4.1.2摩擦計算 此外，摩擦輪簡圖如圖4.3所示，設與為主動輪與從動輪轉速（r/min），為滑動率（%），為主動軸轉矩（N·m），為傳遞功率，為可靠性系數(shù)，為摩擦系數(shù)。 圖4.3 摩擦傳動簡圖 傳動比： 壓緊力： 作用在軸上的總壓力： 徑向力，軸向力。 4.1.3紙張檢測原理分析 圖4.4 測量示意圖 當多張包裝紙被重疊輸送出去時，如果將其視為一個整體，就等于單張紙的 厚度變大。因此，檢測其厚度值的改變，即可感知出送紙是否出現(xiàn)重疊輸送。傳感器使用平行板式電容，其原理為當兩極板之間的材料或厚度值改變時，電容 值也會隨著發(fā)生改變[14]。圖4.4所示為在電容器極板之間放入被測包裝紙的簡圖。 其電容量公式如下所示： （4.5） 其中： —電容極板面積（單個極板）； —包裝紙上表面到電極的距離； —包裝紙厚度； —包裝紙下表面到電極的距離； —包裝紙上表面到電極板之間介質的介電常數(shù)； —包裝紙的介電常數(shù)； —包裝紙下表面導電極之間介質的介電常數(shù)； 由于，且當時，公式（4.5）還可寫成如下形式： （4.6） 式中是兩電極板間的距離。當電容極板而積，極板距離，被測包裝紙至電極之間介質的介電常數(shù)和一定時，極板電容值就由包裝紙的厚度及介電常數(shù)決定。如果包裝紙的介電常數(shù)一定，包裝紙的厚度就可以通過式（4.6）計算出來。 4.2包角機構設計 4.2.1裹紙 圖4.5書本包裹示意圖 紙張從送紙結構送出后，經(jīng)由導紙板導向，一直向下輸送，當?shù)竭_接紙槽時，光電傳感器感應到紙張到位，出發(fā)電磁鐵加緊紙張。推書機構將書摞向前推送，從而實現(xiàn)書摞的三面包裹，如圖4.5所示。需要注意的是，在包裹過程中，送紙機構的送紙速度需要大于推書機構的推進速度。 4.2.2折上頁 書摞被包裹三面后，需要開始第四面的包裹，電機帶動凸輪旋轉，上折頁板在重力作用下向下移動，從而實現(xiàn)第四面的包裹。凸輪選用平底凸輪，如圖4.6（b）所示，該類凸輪壓力角，不會出現(xiàn)自鎖，傳動效率高[15]。凸輪濟源半徑為R，上下移動距離為D，工作區(qū)只有，為保證凸輪的中心在對稱軸上，將范圍內做成與對稱的形狀，則得到凸輪在的工作范圍內的運動方程： （4.7） （b）平底凸輪機構簡圖 圖4.6 折上頁示意圖 由于折頁板移動速度要求不高，而且具有規(guī)律性，該處的電機選用MG946R型號，。這是一款確定角度驅動器，精度較高，轉矩大，并可以指定旋轉角度。電機與凸輪之間通過花鍵連接，承載力高，受力均勻[16]。實際控制時，使凸輪往復旋轉90°，以避免長軸端與書本的干涉。 4.2.3折下頁 圖4.8 折下頁示意圖 為避免上下頁相互沖突，折下頁工序在折上頁工序之后，折紙板仍采用電機驅動，旋轉180°，將下頁壓折在上頁上然后將多余部分壓在書摞側面，如圖4.8所示。 4.2.4折前角與上下邊 圖4.9 端面折頁示意圖 圖4.9為折前角和上下邊的折疊板。董事會的首要任務是前角的書折，然后將下面的褶皺，最后將上面的褶皺。折疊板主要由固定的折疊板，彈性擋板，推板。固定折疊板和彈性板和折疊板相似，在錐端，使其具有很好的指導作用。推板將被推到折疊板的第一本書的前端，通過擠壓折疊的錐形開口書前。隨后，推板繼續(xù)移動，在導向槽開口的下端，在折疊和包裝紙的下邊緣。后來，在開幕式在導槽的上端，折疊的紙張和包裝的上端。到目前為止，所有牛皮紙書折疊包裝完成。 4.3捆扎機原理 綁定是用繩子帶貨物捆緊，包裝操作方便儲存，運輸，裝卸，包裝的最后一個環(huán)節(jié)。用PP用繃帶機制，PP打包帶：名稱聚丙烯，是一種常見的塑料打火機，PP打包帶是聚丙烯樹脂的主要原料，因其可塑性好，斷裂拉伸，彎曲性能好，重量輕，熱熔膠，使用方便，是加工捆扎，有被廣泛應用于各個領域。 本設計中計劃選用SD-101型自動捆扎機，如圖4.12所示，其參數(shù)如表4-1所示。 表4-1 SD-101型自動捆扎機技術參數(shù) 設備尺寸 1412mm×600mm×1540mm 弓架尺寸 850mm×600mm 功率 0.85KW 捆包速度 2.3s/次 打包尺寸 最小100mm×30mm；最大850mm×600mm PP帶 寬度9、10、12、15、18mm；厚度0.5~1.0mm 因為是直接選用成品，所以只對自動捆扎機做簡要介紹。其工作過程主要有送帶、抽帶、切燙等環(huán)節(jié)[17]，如圖4.10所示。 4.3.1送帶 如圖4.10（a）所示，直流電機驅動滾輪1逆時針旋轉，使PP帶沿導軌架運動，直至PP帶的前端碰觸到制動器的微動開關時停止。這時機器處于待捆扎狀態(tài)。其中導軌架用來引導PP帶做送進運動，為避免PP帶被阻塞，圓弧半徑盡量大一些。為使PP帶可以纏繞在書本上，導槽還需要設計成活門結構，當需要捆扎時，PP帶可以從活門中被拉出，然后活門還可以自動回位。 4.3.2抽 (a)送帶 （b）抽帶 （c）切燙 1-上襯板；2-導向板；3-后端壓頭；4-切斷壓頭；5-前端壓頭；6-滾輪；7-捆扎帶； 8-導軌架；9-書本；10-燙頭 圖4.10 自動捆扎機工作原理圖 如圖4.10（b）所示，捆扎帶有預送機構從帶盤中抽出，由壓輪通過彈簧作用壓在滾輪上，直流電機驅動滾輪座逆時針轉動，依靠摩擦力使捆扎帶從儲帶箱中拉出并送入導軌支架的滑槽內。當包扎帶觸動了微動開關，推書板將書本推至頂定位置時，滾輪開始順時時針方向旋轉，利用摩擦力將PP帶從導軌架中拉出，并纏繞在書本表而，當滾輪的傳動軸上的扭矩傳感器檢測到扭矩突增時，停止旋轉。 4.3.3切燙 切燙的目的是將PP帶切斷后燙帶粘結，當PP帶碰觸到微動開關時，前端壓頭壓住捆扎帶的前端，一邊進行抽帶收緊，其工作原理如圖4.11所示。為保證PP帶處于張緊狀態(tài)，前端壓頭8壓住PP帶的前端，以便于抽帶收緊。后端壓頭4壓緊PP帶后端，為熔接PP帶做準備。壓斷切頭5對PP帶加壓，各丫頭的動作受控于凸輪6，根據(jù)捆扎順序，完成其動作。 1-上襯板；2-止動器；3-導向板；4-后端壓頭；5-切斷壓頭；5-凸輪；7-凸輪軸； 8-前端壓頭；9-捆扎帶 圖4.11 壓帶凸輪機構原理圖 4.4輔助設備 書本的自動化輸送主要依靠皮帶輸送機實現(xiàn)，計劃選用上海悅美機械制造有限公司制造的擋板式爬坡皮帶輸送機，如圖4.13所示。該裝置中配備可阻擋書本下滑的擋板，底部配各萬向輪，可根據(jù)使用環(huán)境而移動。 圖4.12SD101型捆扎機 圖4.13 擋板式爬坡皮帶輸送機 結論 這次畢業(yè)計題目是新型書本打包機的設計，剛拿到這個設計題目時，感覺無從下手，為了能更好的完成這次設計，我查閱了大量的資料，并且，在老師每周定期精心的指導下，我按進度去完成每一階段的任務，最終完成了這款新型的書本打包機的設計。 在設計的過程中，我遇到了很多問題，這些問題有的書上有解決方法，有的根本沒聽說過，但是，在老師的幫助下，我把所有的問題弄明白，老師的責任心讓我印象深刻，從來沒見過這么負責任的老師，非常幸運有機會在老師的指導下做設計，在這里，感謝老師給我們的幫助，感謝所有老師還有同學對我的支持。 再次對各位老師、同學、朋友表示深深的謝意！ 參考文獻 參考文獻 [1] 王章福.包裝分類設計-設計基礎 [M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社2001,14-31. 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