書本自動打包機(jī)設(shè)計含19張CAD圖

書本自動打包機(jī)設(shè)計含19張CAD圖,書本,自動,打包機(jī),設(shè)計,19,cad 摘 要 目前我國對圖書的需求日益增加，尤其是在學(xué)生入學(xué)的季節(jié)，與此同時，隨著勞動力的匱乏，手工打包的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法已經(jīng)不能滿足需求。所以，該篇論文就這一問題，設(shè)計出一款書本打包機(jī)，解決圖書需求增加，并提高效率，較少勞動強(qiáng)度。 該論文首先分析國內(nèi)外打包機(jī)現(xiàn)狀，然后再根據(jù)具體設(shè)計需求，設(shè)計打包機(jī)的具體機(jī)械結(jié)構(gòu)，對關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計檢驗校核，并設(shè)計出打包機(jī)的控制系統(tǒng)。 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. 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(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展 1 1.2.1國外研究現(xiàn)狀 2 1.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.3 本文研究內(nèi)容 4 第2章 書本打包機(jī)總體設(shè)計 5 2.1主要技術(shù)要求 5 2.2書本打包機(jī)總體工藝設(shè)計 5 2.3機(jī)械結(jié)構(gòu)功能分解與分析 6 2.4 本章小結(jié) 7 第3章 本章標(biāo)題 8 3.1機(jī)構(gòu)功能要求 8 3.2運動機(jī)構(gòu)的選擇 9 3.3槽型凸輪設(shè)計 10 3.4齒輪齒條設(shè)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(qiáng)度校核 13 3.5軸的設(shè)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(shè)計 15 第4章 打包機(jī)其他機(jī)構(gòu)設(shè)計 16 4.1送紙機(jī)構(gòu)設(shè)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(jī)構(gòu)設(shè)計 20 4.2.1裹紙 20 4.2.2折上頁 20 4.2.3折下頁 22 4.2.4折前角與上下邊 22 4.3捆扎機(jī)原理 23 4.3.1送帶 23 4.3.2抽 23 4.3.3切燙 23 4.4輔助設(shè)備 24 結(jié)論 25 參考文獻(xiàn) 26 致 謝 27 第1章 緒論 1.1 選題背景及其意義 我國對印刷品的需求量正在增長迅速，長期以來，我國的各地的印刷部門對圖書的打包方式基本都是人工打包的形式，但是結(jié)合實際，傳統(tǒng)手工打包的方法已經(jīng)不再適應(yīng)當(dāng)前現(xiàn)狀，為了提高生產(chǎn)效率以及質(zhì)量，我們必須要設(shè)計出工作穩(wěn)定，快速，便捷，經(jīng)濟(jì)，性能優(yōu)越，成本較低的打包機(jī)。這種打包機(jī)是一種可以完成推書→送紙→裹書→折上邊→折下邊及折后角→折上下角及前角→捆扎于一體的圖示自動打包系統(tǒng)，本篇論文致力于設(shè)計出一種將書本自動搬運、包裝紙自動折疊、書本的自動打包和捆扎等多種功能的自動打包系統(tǒng)，推動我國圖書自動打包機(jī)及包裝工業(yè)自動化的發(fā)展。 1.2 文獻(xiàn)綜述（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢） 1.2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國包裝機(jī)械起步較晚，因此，在此之前，只有對火柴盒、紙袋等簡單的生活用品進(jìn)行簡單的包裝。改革開放以后，包裝行業(yè)發(fā)展迅速，廣泛運用于各個行業(yè)，據(jù)統(tǒng)計，中國包裝行業(yè)在近五年總產(chǎn)值將突破六千億，而且每年的增長速度一般維持在15%左右。有紫宏、新邵和飛達(dá)等知名企業(yè)。 圖1 現(xiàn)有書本打包機(jī) 河北省石家莊內(nèi)燃機(jī)配件廠開發(fā)出了SDB—J型平裝書籍打包機(jī)。該設(shè)備可以自動出紙，并且當(dāng)沒有本書或者沒有包裝紙的時候，機(jī)器會自動停止，并且有過載保護(hù)功能，即有過載情況也會自動停止。該書籍打包機(jī)的工作示意圖。主要性能為：包裝速度：8包／分鐘；包裝用紙：定量為70g／m 以上卷筒牛皮紙，紙張幅寬380～410mm；卷筒紙最大直徑約為490mm；給紙高度：690～790mm；包裝高度：180～210mm；包裝規(guī)格：平裝32開本。 上海紫宏機(jī)械有限公司也開發(fā)出了SK20書刊打包機(jī)，該書本打包機(jī)通過內(nèi)部一系列的凸輪轉(zhuǎn)動而帶動各連桿、橫切刀具來完成。 SK20打包機(jī)的書刊輸送部分：將書刊置于傳動帶上，傳動帶其兩側(cè)安裝有導(dǎo)向桿，可使書本自行對齊。供紙部分：包裝紙由兩對摩擦輪從上方送下，下方的摩擦輪線速度比上方的速度快，以確保紙張足夠張力。主機(jī)部分：設(shè)備底部開槽，光電開關(guān)感應(yīng)紙張到位，然后通過圓角輥，折板,壓板來進(jìn)行折角，折邊的功能。該機(jī)器主要性能指標(biāo)：可包書本規(guī)格：180mm×110mm，200mm×130mm，235mm×190mm，300mm×210mm；每包高度：230mm；打包速度：15-20包/分鐘。 但是，上面兩家企業(yè)的設(shè)備會經(jīng)常出現(xiàn)卡紙，工序轉(zhuǎn)接停頓，效率低、噪聲大和操作不靈便等缺陷。所以并沒有得到市場的認(rèn)可。因此，在解決書本的自動打包的問題上，依然還要有很大的改進(jìn) 1.2.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀 目前，在國外的自動包裝機(jī)械水平，打包技術(shù)較為成熟的國家有德國，日本，美國。在這三國之中，技術(shù)比較領(lǐng)先的為美國。如美國的Barry-wehmillre公司等。其中Barry-wehmillre公司的書本打包機(jī)外部結(jié)構(gòu)簡單，所占空間較小，效率高等。但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且體積偏小，在各個機(jī)構(gòu)執(zhí)行配合時有問題，經(jīng)常出現(xiàn)包紙張褶皺的現(xiàn)象。 在技術(shù)方面，德國處于領(lǐng)先地位，該國生產(chǎn)的打包設(shè)備自動化水平高，效率較高，并且性能也相對穩(wěn)定，使其成為世界上最大的包裝設(shè)備出口國。德國的MSK公司生產(chǎn)的書本打包機(jī)，相對于美國Barry-wehmillre公司生產(chǎn)的打包機(jī)，其每個動作相對獨立，協(xié)調(diào)性很好，在生產(chǎn)過程中，可以同時對多摞書進(jìn)行打包，大大提高了打包效率，但是其缺點是所占面積比較大。 美國Barry-wehmillre包裝機(jī)械 目前，德國是最大的包裝機(jī)械的出口國，其工藝和性能均較為先進(jìn)，特色是完整、速度快、機(jī)械化程度高等優(yōu)點。其中SETIZ、MSK品牌較為知名[4]，如圖，為德國MSK書本打包機(jī)，這臺機(jī)器的每個操作都是比較獨立的，每個動作都能有很好的協(xié)調(diào)性，可同時進(jìn)行多個書本的打包。 德國MSK書本打包機(jī) 日本的包裝機(jī)械是后來發(fā)展起來的，他們善于模仿和創(chuàng)新的能力，使其發(fā)展速度較快，日本本國較強(qiáng)的制造裝備業(yè)以及使用電氣控制及傳感器器件，使其操作簡單，并且具有好的穩(wěn)定性。富士油壓精機(jī)株式會社是日本比較有名的打包機(jī)械制造商。日本富士油壓精機(jī)會社生產(chǎn)的書本打包機(jī)AP-7BV，該打包機(jī)其性能指標(biāo)如下：打包速度：8包/分鐘，最大包裝質(zhì)量20kg，設(shè)備總重900kg，包裝高度：80mm～270mm，設(shè)備總重900kg，包裝高度：85mm～275mm。但成本較高，并且維修費用業(yè)較高，其噪音也較大。 日本富士油壓精機(jī)書本打包機(jī) 通綜合上面幾國書本打包機(jī)，國外在書本打包機(jī)中運用了以下技術(shù)： （1）柔性化技術(shù)，一臺設(shè)備可以打包多種規(guī)格的書本，提高了打包設(shè)備柔性； （2）優(yōu)化作業(yè)空間，降低勞動強(qiáng)度，減少因設(shè)備原因而引起作業(yè)者的不便與不適，使得作業(yè)者能方便而迅速地完成作業(yè)； （3）傳感器技術(shù)，提高了書本打包的精度、重復(fù)性與穩(wěn)定性。 我國打包機(jī)械裝備與國外技術(shù)相比，還是有一定的差距： （1）自動化程度低 書本的自動進(jìn)料與搬運還是需要人工參與； （2）包裝質(zhì)量差 包裝紙張經(jīng)常會出現(xiàn)重疊輸送或送不出的問題；紙張在輸送時，發(fā)生褶皺現(xiàn)象； （3）設(shè)備占地面積較大 對機(jī)械傳動依賴較高，試圖單單使用機(jī)構(gòu)傳動來完成所有任務(wù)，沒有合理的電氣控制，使得設(shè)備體積龐大，對打包車間提出了更高要求。 1.3 本文研究內(nèi)容 本篇論文的主要研究內(nèi)容是在目前的機(jī)械包裝的基礎(chǔ)上，結(jié)合給的技術(shù)要求以及參數(shù)等，再設(shè)計出一款書本打包設(shè)備，再對此書本打包設(shè)備的推書機(jī)構(gòu)、取紙機(jī)構(gòu)及包角機(jī)構(gòu)來進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析與計算，然后再對相應(yīng)機(jī)構(gòu)畫出CAD二維圖。 27 第2章 書本打包機(jī)總體設(shè)計 如下，為書本打包機(jī)所需的技術(shù)參數(shù)與技術(shù)，再根據(jù)要求，設(shè)計出包裝思路，設(shè)計工藝流程。再對各個步序進(jìn)行詳細(xì)的分析，得到其數(shù)據(jù)，功能等后，再進(jìn)行下一步的設(shè)計。 2.1主要技術(shù)要求 1. 包裝規(guī)格：大小16、32開紙 2. 包裝高度：80~110cm 3. 包裝重量：15~25kg 4. 包裝速度：8包/分鐘 5. 送紙進(jìn)紙動作流暢，折邊與折角，包裝棱角清晰，不損壞書本； 6. 裝有自動壓書板結(jié)構(gòu)，將書本壓實壓緊，且具有緩沖減震功能，當(dāng)抱樹的高度不同使，可自動調(diào)節(jié)。 7. 可自動對書摞進(jìn)行捆扎； 8. 適用電源：220V±10%，50HZ，工作溫度：0~50℃。 2.2書本打包機(jī)總體工藝設(shè)計 依據(jù)2給出的技術(shù)參數(shù)與要求，可知書本打包機(jī)有推書、包書、上折角、下折角等及捆扎等幾大步驟，再對一部分步驟進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計與計算。例如推書機(jī)構(gòu)，再例如一摞書推過來的時候有的是整齊的，但也有的是不齊的，所以在設(shè)計推書機(jī)構(gòu)時要考慮橫向和縱向的整齊，也就是要有橫向和縱向兩種推書功能。然后還需要裝置將包裝紙輸送下來與指定位置，進(jìn)行包三面的操作，所以此處就應(yīng)該有需紙張分離機(jī)構(gòu)。再進(jìn)行折角工序，要能使上下前后左右的幾個方位能完全折好，還要為節(jié)約成本以及考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，要使打包機(jī)結(jié)構(gòu)合理可行，盡可能方便。 綜上所述，我們將書本打包機(jī)的工藝流程分為如下圖所示：推書——對中——送紙——裹紙——折上邊——折下邊——折后角——折上下角及前角——捆扎。推書板機(jī)構(gòu)我們運用正向推書，側(cè)向松鼠的結(jié)構(gòu)，從而簡化整個推書過程。 圖 2-1 書本打包機(jī)的工藝原理圖 2.3機(jī)械結(jié)構(gòu)功能分解與分析 通過上述工藝過程來看，我們確定該書本打包機(jī)的主要部分有：推書機(jī)構(gòu)、送紙及裹紙機(jī)構(gòu)、折角機(jī)構(gòu)三部分。推書機(jī)構(gòu)我們用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來設(shè)計，送紙及裹紙機(jī)構(gòu)主要運用凸輪進(jìn)行搓紙操作，然后再用一對輥輪的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)送功能，當(dāng)送出多張紙的時候，可反轉(zhuǎn)將多出來的紙送回去。折角機(jī)構(gòu)可用上折板，下折板及固定擋板等來實現(xiàn)，主要結(jié)構(gòu)如下圖所示。 1—書本；2—推書機(jī)構(gòu)；3、下折板；4、左右折板； 5、捆扎機(jī)；6、送紙機(jī)構(gòu)；7、上折板 圖2-2 書本打包機(jī)總體結(jié)構(gòu) 分析各部件所實現(xiàn)的功能，（1）書本1由推書機(jī)構(gòu)2推送到指定的位置；（2）紙盒內(nèi)的紙張由送紙機(jī)構(gòu)6分離并取出，將紙張送到指定位置；（3）推書板前進(jìn)，將書本推進(jìn)紙張內(nèi)，實現(xiàn)裹三面功能，當(dāng)三面裹好之后，上折板7壓下，此時上面就折好了；（4）上邊折好后，下折板3向上翻折，實現(xiàn)折下邊及折后角的功能；（5）上下邊以及后角都被折后后，推書板2推著書本1通過固定折板4，來實現(xiàn)折上下角以及前角的功能。（6）至此，書本包裹完成，在通過捆扎機(jī)5進(jìn)行捆扎即可。 2.4 本章小結(jié) 本章通過對書本打包機(jī)的數(shù)據(jù)參數(shù)以及技術(shù)要求，擬定了工藝流程以及設(shè)計總體結(jié)構(gòu)方案。并畫出示意圖，以后再進(jìn)行詳細(xì)的分析計算。 第3章 本章標(biāo)題 3.1機(jī)構(gòu)功能要求 推書機(jī)構(gòu)是將書本推送到指定位置，在實現(xiàn)書本自動捆扎的過程中，起到很重要的作用。其工藝步驟可分為：首先主控會發(fā)出命令，通過主傳動系統(tǒng)來使槽形凸輪7轉(zhuǎn)動，再由凸輪帶動擺桿9再經(jīng)過連桿1帶動齒輪5運動，其沿著下齒條進(jìn)行滾動，此時齒輪會帶動上齒條進(jìn)行水平運動，當(dāng)要實現(xiàn)推出功能的時候，上齒條就會向左進(jìn)行水平移動，至此，推書過程完成。機(jī)構(gòu)示意圖如下圖所示： 圖3.1 推書機(jī)構(gòu)示意圖 推書機(jī)構(gòu)設(shè)計 （1）推書機(jī)構(gòu)的運動周期循環(huán):推書機(jī)的一個循環(huán)周期為主軸回轉(zhuǎn)一周。所以推書機(jī)構(gòu)的運動時間可以用主軸的轉(zhuǎn)角大小來表示。推書占主軸旋轉(zhuǎn)的120°，也就是整個推書動作的1/3周期。退回動作占小于主軸旋轉(zhuǎn)的100°，即1/3個周期。靜止的動作占主軸轉(zhuǎn)角的140°，大于1/3個周期。每個動作的工藝與主軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系如下圖3.1所示。 主軸轉(zhuǎn)角 推書機(jī)構(gòu)執(zhí)行滑塊的動作 主軸轉(zhuǎn)角 推書機(jī)構(gòu)執(zhí)行滑塊的動作 0°~120° 推書前進(jìn) 120°~220° 滑塊退回 220°~360° 滑塊靜止 圖3.2 縱向推書機(jī)構(gòu)運動循環(huán)圖 （2）推書機(jī)構(gòu)要采用加速，減速相等的速度來進(jìn)行推書前進(jìn)和退回。 3.2運動機(jī)構(gòu)的選擇 由于推書機(jī)構(gòu)推書的過程是一個較為緩慢的過程，而退回時為空載退回，所以設(shè)計過程要使退回時的速度比推書的過程要快，所以，如圖3.3三種方案所示，整個過程要有急回的過程和等速的過程。 (a) 間歇運動機(jī)構(gòu) (b) 傳動運動機(jī)構(gòu) (c) 直線運動機(jī)構(gòu) 圖3.3 三種運動方案 這三種運動方案中，第一種，間歇運動機(jī)構(gòu)由凸輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)組成。第二種，由渦輪蝸桿，圓柱齒輪，圓錐齒輪組成傳動運動機(jī)構(gòu)；第三種由凸輪機(jī)構(gòu)或曲柄滑塊織成直線運動機(jī)構(gòu)。其特點見表3.2。 表3.2 三種機(jī)構(gòu)比較 三種機(jī)構(gòu) 間歇運動機(jī)構(gòu) 傳動運動機(jī)構(gòu) 直線運動機(jī)構(gòu) 槽輪機(jī)構(gòu) 不完全齒輪 凸輪機(jī)構(gòu) 圓柱齒輪 圓錐齒輪 蝸輪蝸桿 曲柄滑塊 凸輪機(jī)構(gòu) 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(fù)雜，成本高 易磨損，加工成本高 只可同向傳動 加工復(fù)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 對比以上三種推書機(jī)構(gòu)，再結(jié)合設(shè)計需洲旋轉(zhuǎn)帶動其平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，通過來回擺動槽形凸輪來實現(xiàn)往復(fù)運動，再通過連桿帶動齒輪求，我們選用間歇運動機(jī)構(gòu)，其中選擇槽形凸輪機(jī)構(gòu)。我們設(shè)計其工藝過程：凸輪由株齒條做間歇的往復(fù)運動。將推書板固定在上齒條上，通過連桿跟著上齒條做往復(fù)循環(huán)運動。運動簡圖如圖3.3所示。 圖3.3 推書機(jī)構(gòu)運動簡圖 3.3槽型凸輪設(shè)計 凸輪機(jī)構(gòu)是由機(jī)架，從動檢，凸輪三部分組成，三者之間的運動是相對的，并且具有很好的適應(yīng)能力，性能穩(wěn)定，并且結(jié)構(gòu)較為簡單并且能準(zhǔn)確的進(jìn)行控制等，并且其能很好地和其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行配合，來實現(xiàn)復(fù)雜的運動。其被廣泛的運動于紡織機(jī)，印刷機(jī)，內(nèi)燃機(jī)等各種自動機(jī)器中。并且要求推書機(jī)構(gòu)在一個推程中要先進(jìn)行等加速運動，再進(jìn)行等減速運動所以該凸輪機(jī)構(gòu)為一偏置槽形凸輪機(jī)構(gòu)。 下面我們將對推書機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并且要其傳動性能較好，能實現(xiàn)勻速推書和快速退回的功能，機(jī)構(gòu)凸輪的輪廓線是否可行，也會影響該機(jī)構(gòu)的正常工作，因此我們將對該機(jī)構(gòu)的工作要求和工作原理進(jìn)行分析，再用解析法，按照其工作要求，來解析并繪制凸輪輪廓曲線方程，并畫出其輪廓線。 我們可以建一個如圖3.4所示的坐標(biāo)系xNy： 圖3.4 機(jī)構(gòu)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(fù)數(shù)形式表示：，寫成歐拉形式則為：，。消去得：。所以，理論上，該凸輪輪廓方程：。是凸輪的向徑，為搖桿擺角，是中間變量。 的求解方法可用如下方法。圖3.4中四邊形NABC為封閉的，其矢量方程式為：，將其用復(fù)數(shù)的形式表示為：，的確定是由機(jī)構(gòu)的安裝尺寸來決定的。 展開得：，。消去得：，其中，，，，為對應(yīng)的桿長，的尺寸由安裝時的尺寸決定。通過上面公式，聯(lián)合求解，即可求出凸輪的輪廓線方程。極位夾角我們假設(shè)為（的求解由確定的形成速度變化系數(shù)來確定），將設(shè)定為推書齒輪的工作行程，再講的推書齒輪工作行程和凸輪向徑角度平均分成N，那么=，可將推書齒輪的位移表示為，式中，設(shè)其等分?jǐn)?shù)為，其范圍（0，N）。 然后再根據(jù)和從動件的位移方程，畫其廓線圖，如圖3.5。 （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(shè)計 在機(jī)器中，其傳遞動力的一種主要方式就是齒輪傳動，在旋轉(zhuǎn)運動和實現(xiàn)直線運動的轉(zhuǎn)換方面，會起到很好的作用。其傳動地優(yōu)點有：由于齒條齒廓為直線，所以在齒廓上的每個點的壓力角都一樣，并且在整個運動過程中，都會有相同的標(biāo)準(zhǔn)齒形角，根據(jù)推書機(jī)構(gòu)的要求，選擇選擇齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)，齒輪選擇圓柱直齒輪，其如下表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） 齒頂高：； （2） 分度圓直徑：； （3） 分度圓齒厚：; （4） 齒頂圓直徑：； （5） 齒根圓直徑：； （6） 基圓直徑：。 3.4.2重合度校核 齒輪齒條傳動的優(yōu)點有結(jié)構(gòu)較為緊湊，并且其重合度的大小也會有嚴(yán)格規(guī)定。因此，我們要對其重合度進(jìn)行校核。 根據(jù)參數(shù)的要求，我們可知，所以重合度為： 因為齒輪齒條重合度一般在1.5~2.0之間即可，所以計算出的重合度1.78滿足要求。 3.4.3齒輪強(qiáng)度校核 因為該齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)應(yīng)用在推書機(jī)構(gòu)中，其運動速度較低，并且工作具有季節(jié)性，故循環(huán)次數(shù)小，齒輪接觸疲勞強(qiáng)度忽略不計，點蝕，彎曲疲勞強(qiáng)度等問題，并且相對于齒輪傳動，該傳動方式的單齒受力較小，重合度較高，所以，我們只對齒輪受力進(jìn)行分析校核。 選40Cr，硬度300HBS，調(diào)質(zhì)處理，取，再取，因其單項傳動，所以取。因為，取，彎曲應(yīng)力。齒數(shù)，，，，，，，。，則：，所以齒輪彎曲強(qiáng)度符合要求。 3.5軸的設(shè)計 由第二章可知，設(shè)計的打包速度為8包/min，因此，齒輪軸的轉(zhuǎn)速為8r/min，選擇電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為960轉(zhuǎn)，功率10KW，采用變頻器控制轉(zhuǎn)速。 3.5.1確定最小軸徑 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： 其中：——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位Mpa； ——抗彎截面系數(shù)，單位mm3； ——扭矩，單位N·mm； ——功率，單位kW； ——轉(zhuǎn)速，單位r/min； ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位Mpa； ——截面處軸的直徑，單位mm； 求得直徑，材料選45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表取，將轉(zhuǎn)速及功率帶入得軸徑。根據(jù)設(shè)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 在通常的校核中，一般去軸上最大承受的扭矩和彎矩的界面強(qiáng)度，這里取， 用公式計算軸的應(yīng)力：， 其中： ——彎矩，單位N·mm； ——計算應(yīng)力，單位Mpa； ——抗彎截面系數(shù)，單位mm3； ——扭矩，單位N·mm； ——對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力，單位Mpa； 由圖3.6可以看出，齒輪端或連桿端為危險截面，通過設(shè)計數(shù)據(jù)易知，，所形成的扭矩為：，由于彎矩應(yīng)力，此處扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對稱環(huán)應(yīng)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，所以滿足條件，并且劉有一部分余量。 圖3.6 齒輪軸的受力 3.5連桿的設(shè)計 圖3.7 連桿機(jī)構(gòu)示意圖 如圖3.7所示，B是連桿的一般位置，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(shè)R為等效曲柄半徑，d為連桿長度，，當(dāng)機(jī)構(gòu)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(guān)系可列出，，，根據(jù)關(guān)系式可?。?，。 第4章 打包機(jī)其他機(jī)構(gòu)設(shè)計 4.1送紙機(jī)構(gòu)設(shè)計 4.1.1傳動原理分析 (a) 紙張輸送 （b）分離輪反轉(zhuǎn) 1-搓紙輪；2-拾紙輪；3-分離輪；4-電容傳感器 圖4.1 送紙機(jī)構(gòu)示意圖 圖4.1為送紙機(jī)構(gòu)，其實現(xiàn)的功能為取紙和送紙，主要就是要將包裝紙通過搓紙輪從紙盒中取出來，使紙張單張出來。無4.1表示了該機(jī)構(gòu)主要的組成部分，外加步進(jìn)電機(jī)組成。采用牛皮紙包裝，其摩擦力大，所以在整個過程中，我們可以采用摩擦傳動的方式來實現(xiàn)功能。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，其主要工藝流程為首先用搓紙輪將紙張從紙盒中分離出來，再經(jīng)過電容檢測裝置，當(dāng)出來的是單張紙時，則有上圖4.1（a）所示，離合器與分離輪斷開，拾紙輪2運動，紙張開始輸送。當(dāng)兩張出紙時，分離輪3與離合器結(jié)合，反方向運轉(zhuǎn)，將多出來的紙張送回紙盒內(nèi)。為了控制分離輪的反轉(zhuǎn)與停止，我們在分離輪3上我們安裝一個電磁式離合器。 （a）單紙受力分離模型 （b）多紙受力分離模型 圖4.2 送紙機(jī)構(gòu)紙張分離模型 材料之間的轉(zhuǎn)動慣量、摩擦系數(shù)、包裝紙的質(zhì)量、輪與包裝紙相對運動速度等因素，這些都是送紙機(jī)構(gòu)的傳動要綜合考慮的。如上圖4.2所示，我們對送紙機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)建模進(jìn)行分析，其中包括各部分，對單張紙及多張紙的受力進(jìn)行了分析。 單張紙送紙過程的動力學(xué)方程： (4.1) 上式中，為送紙輪的角速度，為分離輪的角速度，為送紙輪的轉(zhuǎn)動慣量，為分離輪的轉(zhuǎn)動慣量，為送紙輪的扭矩，分離輪的扭矩，為送紙輪的半徑，為分離輪的半徑。 每個表面接觸方程為： (4.2) 從（4.1）可知，分離輪和送紙輪之間，與方向相反，大小相等，在這里我們使的值趨近于0，這樣可以使傳動趨于平穩(wěn)。再使，。根據(jù)公式（4.2）得出。所以據(jù)上所述，使分離輪和送紙輪的轉(zhuǎn)動慣量達(dá)到盡可能的相同，已達(dá)到傳動平穩(wěn)的效果。 當(dāng)送至裝置搓紙輪送出的紙為兩張紙的時候，其力學(xué)方程為： （4.3） 以下為第一張紙相對送紙輪、第二張紙相對第一張紙、分離輪相對于第二張紙的相對運動方程如下： （4.4） 4.1.2摩擦計算 摩擦輪示意圖如圖4.3所示，主動輪轉(zhuǎn)速，從動輪轉(zhuǎn)速（r/min），主動軸轉(zhuǎn)矩（N·m），滑動率（%），可靠性系數(shù)，摩擦系數(shù)，傳遞功率。 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 在送紙的時候有可能會出現(xiàn)多張紙一起送出的情況，當(dāng)出現(xiàn)多張紙的時候，我們可以看做一個整體，那么就是一張紙變厚。所以，通過電容的檢測，就能感應(yīng)出是否出現(xiàn)了重復(fù)輸送紙張的情況。改變紙張厚度，此處采用平行板式。電容也會改變。圖4.4所示為為檢測紙張是否重復(fù)輸出的簡圖。 其電容量公式如下所示： （4.5） 其中： —包裝紙上表面到電極的距離； —電容極板面積（單個極板）； —包裝紙下表面到電極的距離； —包裝紙厚度； —包裝紙上表面到電極板之間介質(zhì)的介電常數(shù)； —包裝紙的介電常數(shù)； —包裝紙下表面導(dǎo)電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)； ，時，電容量公式（4.5）也可以變成： （4.6） 介電常數(shù)和為定值的時候，此時包裝紙的厚度及介電常數(shù)來決定極板電容值。當(dāng)介電常數(shù)為定值的時候，可以通過式（4.6）就可計算出來包裝紙的厚度。 4.2包角機(jī)構(gòu)設(shè)計 4.2.1裹紙 圖4.5書本包裹示意圖 紙張通過上述的送紙機(jī)構(gòu)送出之后，在導(dǎo)紙板的引導(dǎo)下，紙張會向下輸送，紙張到達(dá)指定位置的時候，傳感器會感應(yīng)紙張到位，發(fā)出信號，夾緊電磁鐵，使紙張固定。此時推書板推動書本向前前進(jìn)，以此來對書本進(jìn)行裹三面的操作，此處用蘭達(dá)電磁鐵有限公司的H2004525吸盤式電磁鐵。如圖4.5所示。在這里要注意的是，送紙機(jī)構(gòu)運動的速度一定要比推書機(jī)構(gòu)運動的速度要快。 4.2.2折上頁 在之前裹三面過后，即要包裹第四個面，當(dāng)前三個面包裹完成之后，推板后退回到初始位置。之后書本上方的上折板通過凸輪驅(qū)動，向下運動，第四頁的上半頁向下翻折，折板末端會輕微向外翻折，起到導(dǎo)向的作用。 折上半頁的凸輪采用平底凸輪，壓力角為0，避免發(fā)生自鎖現(xiàn)象，并且能減小摩擦，并且增大傳動效率。 折板運動要穩(wěn)定，均勻，速度要適中，所以選擇舵機(jī)來驅(qū)動平底凸輪進(jìn)而控制折板的旋轉(zhuǎn)角度的大小以及旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。進(jìn)而帶動上折板的運動。在這里選用盛輝金屬舵機(jī)MG996。其實物如下圖所示。該舵機(jī)采用花鍵與凸輪連接在一起，受力面積大，并且采用多級減速，使其轉(zhuǎn)矩較大較穩(wěn)定，響應(yīng)快，精度高，能轉(zhuǎn)動指定角度。為了不使凸輪與書本發(fā)生擦碰，凸輪采用往返90°的轉(zhuǎn)動形式，也就是舵機(jī)往復(fù)90°轉(zhuǎn)動的形式工作。凸輪的結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示。 因凸輪的運動范圍為0~90°，即，并且將的范圍內(nèi)做成對稱的形式。并且令凸輪的基圓半徑R為10cm，其轉(zhuǎn)動點到最高點的距離為60cm， 所以其移動距離D為50。所以凸輪的上下移動范圍用方程來表示即為 書摞被包裹三面后，需要開始第四面的包裹，電機(jī)帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，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。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]。凸輪基園半徑為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(nèi)做成與對稱的形狀，則得到凸輪在的工作范圍內(nèi)的運動方程： （4.7） （b）平底凸輪機(jī)構(gòu)簡圖 圖4.6 折上頁示意圖 4.2.3折下頁 圖4.8 折下頁示意圖 折下半頁及折后角機(jī)構(gòu)設(shè)計，下半頁采用折板，也是利用舵機(jī)帶動折板轉(zhuǎn)動，當(dāng)折下半頁的時候，舵機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)90°，此時下半頁折上去，會稍微覆蓋上半頁。然后舵機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°，此處舵機(jī)同樣采用上面盛輝金屬舵機(jī)MG966，并且使用花鍵連接。然后將上下頁折向書本內(nèi)側(cè)。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。折前角和折上下邊機(jī)構(gòu)設(shè)計，推板推動書本向前運動，先將書本前角向兩側(cè)折疊，通過機(jī)構(gòu)固定擋板兩邊的導(dǎo)向作用來完成，固定擋板末端會向外翻出，起起到一定的導(dǎo)向作用。 然后書本再繼續(xù)向前推進(jìn)，首先在下開口槽的作用下，書本包裝紙的下邊向上翻折。再繼續(xù)向前推進(jìn)，在上開口槽的作用下，書本包裝紙的上邊向下翻折。至此，整個書本打包過程已經(jīng)完成，再進(jìn)行捆扎操作。 4.3捆扎機(jī)原理 選擇捆扎機(jī)及其工作原理，為了使打包好的書本便于保管，運輸和裝卸，故將其進(jìn)行捆扎，繩子用PP帶，方便使用。 在這里捆扎機(jī)我們直接選用成品，在這里選用SD-101型自動捆扎機(jī)。捆扎機(jī)參數(shù)： 設(shè)備尺寸 1400mm×610mm×1550mm 弓架尺寸 860mm×600mm 功率 0.86KW 捆包速度 2.3s/次 打包尺寸 最小95mm×35mm；最大860mm×580mm PP帶 寬度10、12、18mm；厚度0.5~1.0mm 此捆扎機(jī)的主要工作過程為送帶，抽帶，切燙。捆扎用電機(jī)采用直流電機(jī)。送帶，首先，直流電機(jī)帶動下滾輪逆時針運動，在摩擦力的作用下，使PP帶順著導(dǎo)槽運動，待其碰到制動器的微動開關(guān)時，前端壓頭會壓住PP帶的前端，以便接下來的收緊捆扎運動。 為了能使PP帶在導(dǎo)槽中能夠順暢的滑動，其圓弧半徑要盡量大一點，防止PP帶在中途纏繞，且為了能使PP帶能夠捆扎在書本上，其導(dǎo)槽設(shè)計成活動式封閉結(jié)構(gòu)，當(dāng)觸動微動開關(guān)，電機(jī)驅(qū)動下滾輪順時針旋轉(zhuǎn)，PP帶受到牽引力作用，會強(qiáng)行擠壓柔性帶，使PP帶順利從導(dǎo)槽中脫離，PP帶脫離后，柔性帶又恢復(fù)原狀。 抽帶，推書板將書本推到指定位置后，下滾輪順時針旋轉(zhuǎn)，用摩擦力將PP帶從導(dǎo)槽中拉出，并且在拉力的作用下，PP帶張緊，纏繞在書本表面，在滾輪的傳動軸上裝有扭矩傳感器，當(dāng)檢測到扭矩突然增大的時候，帶輪停止旋轉(zhuǎn)。 切燙，目的是將PP帶切斷，粘結(jié)在一起。當(dāng)滾輪順時針旋轉(zhuǎn)停止之后，后端壓頭壓住PP帶后端，后端壓頭同時也起到電加熱板的作用，在加熱的同時，切斷壓頭也對PP帶進(jìn)行加壓切斷，完成捆扎過程。 1-上襯板；2-止動器；3-導(dǎo)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(jī)構(gòu)原理圖 至此，一摞書的打包過程就結(jié)束了，拿走書本進(jìn)行下一摞書本的打包。 書本打包機(jī)外形設(shè)計，書本打包機(jī)外形尺寸設(shè)計，應(yīng)考慮到多種因素，方便操作，設(shè)備簡單，減少成本等。 打包機(jī)工作空間，打包機(jī)的設(shè)計要盡量做到人性化，要能使操作者容易上手，操作輕松，減少操作者在操作機(jī)器時產(chǎn)生的不適以及勞動強(qiáng)度，并且根據(jù)人體的平均尺寸來對機(jī)器進(jìn)行設(shè)計。 在打包過程中，工作人員在工作的時候要經(jīng)常搬運書本，操作按鈕，并且要經(jīng)常走動，座椅采用立姿作業(yè)，并且機(jī)器的高度也要根據(jù)人體身高以及作業(yè)方式來確定，作業(yè)方式分為精密作業(yè)，一般作業(yè)，重荷作業(yè)，該類屬于重荷作業(yè)，并且男女肘高也不一樣，取平均值100cm，因為是重荷作業(yè)，所以機(jī)器工作臺距離地面的 高度H=100-10=90cm?？刂泼姘宓奈恢每梢栽O(shè)置在與工作臺旁邊的位置，并且便于操作，要有一定角度，可以選擇與工作平臺成40°角左右的位置。 綜上所述，打包機(jī)的主要形狀基本可以確定了。 4.4輔助設(shè)備 書本需要經(jīng)過機(jī)器輸送到推書板處，這里可以采用上海悅美機(jī)械制造有限公司的擋板式爬坡皮帶輸送機(jī)，該機(jī)器可以只一個方向運作，防止書本下滑，機(jī)器底部配備滾輪，可以進(jìn)行設(shè)備轉(zhuǎn)移，如圖4.13所示。 圖4.12SD101型捆扎機(jī) 圖4.13 擋板式爬坡皮帶輸送機(jī) 結(jié)論 本篇論文是針對書本的自動打包而設(shè)計的一款機(jī)器，首先，對國內(nèi)外打包機(jī)械的技術(shù)，成品及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析與介紹。然后根據(jù)其具體的參數(shù)要求制定總體方案，接著，用三菱的FX2N系列PLC控制系統(tǒng)對整個打包機(jī)進(jìn)行控制設(shè)計。該篇論文主要完成以下工作： 1、 分析國內(nèi)外打包機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀，確定打包機(jī)設(shè)計意義。 2、 根據(jù)具體技術(shù)參數(shù)要求，確定總體方案，分別設(shè)計了推書機(jī)構(gòu)，送紙機(jī)構(gòu)，折上頁結(jié)構(gòu)，折下頁機(jī)構(gòu)，折后角及前角機(jī)構(gòu)，折上下邊機(jī)構(gòu)，以及對書本的捆扎也進(jìn)行了分析。 3、 結(jié)合書本打包機(jī)設(shè)計方案以及其工作方式，運用三菱FX2N系列PLC對其進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計，控制紙張送出，三相異步電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制推書板運動，再控制步進(jìn)電機(jī)帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，帶動上折板的上下移動，在對下折板進(jìn)行180°的往返運動控制。并且加入了安全保護(hù)裝置，最后對PLC裝置進(jìn)行了防干擾設(shè)計，以保證打包機(jī)能夠安全平穩(wěn)高效率的運行。 此次我選的畢業(yè)論文的題目是自動書本打包機(jī)的設(shè)計，在剛開始做這個課題的時候，感覺沒有頭緒，不知從何下手，所以為了能更好、更順利的完成這個課題，我去圖書館翻閱了大量資料，也在網(wǎng)上自己買了幾本相關(guān)書籍參考，并且指導(dǎo)老師也很負(fù)責(zé)任，每周都會要求我們和她見一次面，現(xiàn)場指導(dǎo)我們，我嚴(yán)格按照設(shè)計進(jìn)度完成每個任務(wù)，然后完成了整個書本打包機(jī)的設(shè)計。 參考文獻(xiàn) [1] 王章福.包裝分類設(shè)計-設(shè)計基礎(chǔ) [M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社2001,14-31. [2] 劉曉玫，王超，劉國靖.應(yīng)加快發(fā)展我國包裝機(jī)械工業(yè) [J].中國包裝：2003（12）：51 [3] 李斌.剖析SDB-1型平裝書籍打包機(jī)[J].印刷技術(shù)，2007（02）：51-52. [4] 書刊裝訂領(lǐng)域添新秀—紫宏公司SK20書刊包裝機(jī)簡介 [J]. 印刷技術(shù)：2008（11）：74. [5] 魏玉杰，賀紅林.全自動書本打包機(jī)的研究與設(shè)計[J].包裝工程，2012（17）：79-83. [6] KIPPHAN Helmut. Handbook of Print Media[K]. NewYork:Springer—Verlag Berlin Heidelberg，2001. [7] 陳虹，王芳.平裝書籍書籍金屬部件結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 包裝工程，2009（12）：77-79. [8] 許林城.包裝機(jī)械 [M]. 長沙：湖南大學(xué)出版社，1998. [9] 高德.包裝機(jī)械設(shè)計[M].北京：北京化學(xué)工業(yè)出版社，2005. [10] 凌杰.數(shù)碼復(fù)印機(jī)進(jìn)紙機(jī)構(gòu)的研究[D].南京林業(yè)大學(xué)，2009（6）：19~20. [11] 王亮，許瑛.基于平行板式電容傳感器的送紙檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].包裝工程，2012（11）：82~85. [12] 黃穎為.包裝機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M]. 北京：北京化學(xué)工業(yè)出版社，2006. [13] 楊曉清.包裝機(jī)械與設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009. [14] 忠峙.Signode半自動捆扎機(jī) [J]. 上海包裝：1993（4）：42-42. [15] Matsushita Electric Works Ltd, Automation Control Group. FPO programming manual [EB/OL]. (2004-10-05)[2008-09-10]. [16] 三菱電機(jī). MR-J2S-B伺服驅(qū)動器的技術(shù)資料[M. 上海: 三菱電機(jī)自動化上 海有限公司, 2004, 07. [17] 鄧則名, 鄺穗芳等. 電器與可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出 版社, 2004, 102-199. [18]Siemens AG.Working with STEP7 V5.2 Getting Started.2002 [19] 陳嬋娟, 薛愷. 基于PLC的步進(jìn)電動機(jī)單雙軸運動控制的實現(xiàn). 機(jī)械設(shè)計 與制造. 2009(3). [20] He yong yi. A Control System of Material Handling in FMS. Journal of shanghai university. Vol.1.No.1.1997. [21] 張強(qiáng), 文懷興, 陳嬋娟. 數(shù)字量I/O卡在快速成型機(jī)多軸控制中的應(yīng)用[J]. 控制與檢測, 2008, 4（64）: 64-70. [22] Ren Sheng-le. Development of PLC-based Tension Control System. Chinese Journal of Aeronautics20 (2007) 266-271. 致 謝 在整個打包機(jī)的設(shè)計過程中，我也遇到了很多問題，有些問題書本上學(xué)過，有些通過查資料能找到，有些沒聽說過的，不知從何下手，然后老師告訴我應(yīng)該怎么做，幫助我完成了打包機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，由于控制系統(tǒng)學(xué)的不是很好，所以很難下手，指導(dǎo)老師推薦我們?nèi)フ译姎鈱W(xué)院研究生施兢業(yè)學(xué)長，經(jīng)過兩天的悉心學(xué)習(xí)，終于把控制系統(tǒng)做了出來，并且把整個機(jī)器的所有問題都弄明白了，指導(dǎo)老師劉軍人很好，性格也很好，很負(fù)責(zé)任，很有責(zé)任心，三位答辯老師也指出了我的論文中所存在的問題?？梢栽谶@么好的老師手下做完此次畢業(yè)設(shè)計我感到很幸運，在這里，非常感謝各位老師，同學(xué)的幫助與支持。