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I 摘 要 紙箱捆扎機是用捆扎帶捆扎紙箱，完成捆扎作業(yè)的機器。工作時使用捆扎帶纏繞紙 箱，然后收緊并將兩端通過熱效應熔融或使用包扣等材料連接。本設計的紙箱自動捆扎 機捆扎部分，由送帶、退帶張緊機構，捆扎封接機構、壓帶機構、捆扎帶導向機構組成。 本文首先，通過對紙箱自動捆扎機現狀進行全方位調研，在此基礎上提出了捆扎部 分方案；然后，設計并校核了各主要構成件的結構及強度；最后，通過 AutoCAD 制圖軟 件繪制了機械手裝配圖、主要零件圖并采用 Pro/E 軟件進行三維設計及運動仿真。 通過本次設計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計、材料力學、 公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了機械產品的設計方法并能夠熟練使用 AutoCAD 制圖及 Pro/E 軟件進行三維設計軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。 關鍵字：紙箱，捆扎機，設計，仿真 II Abstract The carton strapping machine is a machine that straps the carton with strapping and completes the binding operation. When working, use strapping tape to wrap the carton, then tighten and connect the ends through thermal effect melting or using buckles and other materials. The binding part of the carton automatic strapping machine designed by this paper is composed of the belt feeding, the withdrawal and tension mechanism, the binding and sealing mechanism, the compression belt mechanism and the binding belt guiding mechanism. First of all, through a comprehensive survey of the status of the carton automatic binding machine, a partial binding scheme is put forward on this basis. Then, the structure and strength of the main components are designed and checked. Finally, the assembly drawing of the manipulator, the main part drawing of the main parts and the three-dimensional Pro/E software are drawn through the AutoCAD drawing software. Design and motion simulation. Through this design, we have consolidated the professional knowledge of the University, such as mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and interchangeability theory, mechanical drawing, and so on. It has mastered the design method of mechanical products and is able to use AutoCAD drawing and Pro/E software to carry out three- dimensional design software skillfully. It is of great significance. Key words: Cartons,Bundling machines, Design, Simulation III 目 錄 摘 要 ................................................................................................................................................I ABSTRACT....................................................................................................................................II 目 錄 .............................................................................................................................................III 第 1 章 緒 論 ...............................................................................................................................1 1.1 研究背景及意義 ....................................................................................................................1 1.2 國內外研究及發(fā)展現狀 .......................................................................................................1 1.2.1 國內現狀 ......................................................................................................................1 1.2.1 國外狀況 .........................................................................................................................2 1.3 捆扎機介紹 ............................................................................................................................2 1.3.1 捆扎機分類 .....................................................................................................................2 1.3.2 結構及原理 .....................................................................................................................3 1.4 本課題所做的主要工作 ........................................................................................................4 第 2 章 總體方案設計 ...................................................................................................................5 2.1 設計要求 ................................................................................................................................5 2.2 方案選擇 ...............................................................................................................................5 2.2.1 送帶、退帶張緊機構 .....................................................................................................5 2.2.2 捆扎封接機構 .................................................................................................................5 2.2.3 壓帶機構設計 .................................................................................................................6 2.2.4 捆扎帶導向裝置設計 .....................................................................................................6 2.2.5 總體方案及原理 .............................................................................................................6 2.3 本章小結 ................................................................................................................................7 第 3 章 主要構件的設計與選擇 ...................................................................................................8 3.1 電動機的選擇 ........................................................................................................................8 3.2 送退帶機構設計 ....................................................................................................................8 3.2.1 捆扎機架的設計 ............................................................................................................8 3.2.2 傳動軸的設計 .................................................................................................................9 3.2.3 滾動軸承的選用 ...........................................................................................................12 3.2.4 傳動齒輪的設計 ...........................................................................................................13 3.2.5 鍵的選用 .......................................................................................................................16 3.2.6 摩擦輪的設計 ...............................................................................................................17 3.2.7 同步帶的選用 ...............................................................................................................17 3.3 捆扎封接機構 ......................................................................................................................19 3.4 壓帶機構設計 ......................................................................................................................19 3.5 捆扎帶導向裝置設計 ..........................................................................................................20 3.6 本章小結 ..............................................................................................................................20 IV 第 4 章 基于 PRO/E 的三維設計及仿真 ....................................................................................21 4.1 PRO/E 三維設計軟件概述 ...................................................................................................21 4.2 三維設計 ..............................................................................................................................21 4.3 運動仿真 ..............................................................................................................................22 總結 ...............................................................................................................................................23 致 謝 .............................................................................................................................................24 參考文獻 .......................................................................................................................................25 1 第 1 章 緒 論 1.1 研究背景及意義 隨著我國經濟的發(fā)展，人們對商品的質量的要求也在提高，而其中商品的包裝是商 品質量的重要部分。隨著勞動力成本的提高，傳統(tǒng)的人工捆扎已經不能適應企業(yè)的高效 率低成本的需求。同時使用刀片切割扎帶對勞動者來說具有一定危險。因此需要設計紙 箱自動捆扎機來解決以上問題。 目前，我國很多企業(yè)的包裝水平跟不上生產設備的更新速度，包裝質量不高。雖然 國內少數企業(yè)憑借自身的雄厚經濟實力，從國外引進了部分全自動打捆設備，但其高昂 的價格增加了生產成本，絕大多數企業(yè)仍在使用半自動或人工打包設備，這樣既使生產 效率降低，也浪費了大量勞動力，為此，根據我國包裝行業(yè)的實際需求和發(fā)展趨勢，研 發(fā)高質量，高可靠性的全自動打捆機以替代進口，以非常必要，而且形勢緊迫。 1.2 國內外研究及發(fā)展現狀 1.2.1 國內現狀 我國包裝機械工業(yè)是在改革開放以后發(fā)展起來的。由于起步較晚，大部分設備都是 通過引進設備消化吸收研制出來的。行業(yè)從無到有，從小到大，逐步發(fā)展起來 。隨著我 國食品工業(yè)、包裝工業(yè)和農業(yè)的迅速發(fā)展，我國的包裝食品機械行業(yè)取得了世人矚目的 進步。基本上能生產出滿足人民生活需求的各種各樣、各種檔次的產品，并正在不斷努 力、提高、縮小與國外先進水平、先進技術、先進設備的差距。在全行業(yè)廣大企業(yè)、科 研單位技術人員及行業(yè)工作者的共同努力下，新產品、新技術日益涌現并轉化為生產力。 我國包裝機械工業(yè)通過采用國際標準和吸收國外先進技術，在標準水平、設計制造和產 品質量方面都有了較大的提高。一些企業(yè)的產品質量達到或接近國外同類機器的先進水 平。隨著國民經濟的不斷發(fā)展，國內市場對包裝機械產品的需求量與日俱增，年產量也 逐年提高，包裝饑械企業(yè)數量越來越多，并且企業(yè)性質逐漸從國營轉為私營、集體甚至 個體，市場競爭日趨激烈，從過去經濟短缺的賣方市場轉變?yōu)橘I方市場。因此產品在技 術、性能、價格上的競爭更為激烈。 目前我國包裝機械產品普遍存在質量不穩(wěn)定、性能單一、成本高、技術含量低的狀 況：隨著我國進入世貿組織(WTO)，國際先進的技術、設備和管理經驗的進入勢必會對我 國剛剛發(fā)展起來的包裝機械工業(yè)造成巨大沖擊，企業(yè)面臨著前所未有的嚴峻考驗。 與國外捆扎機械生產技術水平相比，國產機差距主要為：品種單一，生產力低。雖 然經過二十多年的發(fā)展，但只能生產 20 多個品種，還不及國外一個公司的品種數，而且 只能生產通用型的產品，如鋼帶自動捆扎機的生產至今仍是一個空白，無法滿足一些特 殊行業(yè)的需要：據調查 2006 年全國產量已達 19000 臺，但仍太大落后于國外的水平。我 國捆扎機械的生產起步較晚，主要是靠引進國外的整機經消化改進二次開發(fā)生產的。因 此在生產中著重于產品的整機性能而忽視了對零部件的研究，導致在捆扎速度、接頭粘 接方式和送帶軌道等主要技術性能方面不硬國外先進水平。工作可靠性較差，其中特別 是捆扎帶和元器件的質量不穩(wěn)對整機的性能帶來很大的影響。 2 1.2.1 國外狀況 國外捆扎機械的應用 ,起始可追溯到本世紀初期 ,如美國的 SIGNODE 公司、德國的 CYKLOP 公司等就涉足捆扎行業(yè) ,以生產鋼帶捆扎設備為主 ,但其規(guī)模和生產技術水平都 還較低。直到上世紀的五十年,塑料材料的問世 , 使以塑料帶作為捆扎材料成為現實 ,極 大地促進了塑料帶捆扎機的發(fā)展 。較早的如日本的下島株式會社、株式會社 ,日魯工業(yè) 株式會社等。至 2001 年 ，日本的塑料帶捆扎機總產量達 94 萬臺 , 約占包裝機械總量 的 19. 5%,總產值達 300 億日元。每年約有 30%的出口 ,幾乎占領了全部東南亞市場。由 于他們能成功地引進和消化吸收別國的經驗 ,不斷改進發(fā)展。結構較為簡單 , 可靠性高 , 在國際市場上有很大的競爭能力。其中最大的生產廠家為下島株式會社 ,于 1969 年開始 正式生產自動捆扎機 ,主要從事產品開發(fā) , 產品質量控制和推銷工作 ,其零部件加工和裝 配均通過擴散的辦法。在國內設有 17 家分公司和 270 個代銷點 , 并在 35 個國家和地區(qū) 設有代理點。產品品種達 200 多個 , 正常生產品種為 29 種。美國的 SIGNODE 公司則 是一家以鋼帶捆扎機為主 , 塑料帶、聚酯帶捆扎工具為輔的跨國公司 , 屬于美國 ITW 上市公司。在美國和其他六個國家設有分公司該公司自 1913 年就開始從事捆扎機械的生 產 , 為 100 多個國家的工業(yè)產品包裝提供服務 , 并為各國用戶提供 24 小時內的配件供 應服務 ,他們不僅具有巨大的生產能力 ,而且還有一支精益求精的研制和開發(fā)隊伍 ,通過 對捆扎機械各功能部件的反復試驗和多方案對比 ,生產出的捆扎機械具有很好的可靠性和 最佳的經濟壽命 ,雖然價格昂貴 , 但仍然是國際市場上的強手。 1.3 捆扎機介紹 1.3.1 捆扎機分類 （1）按捆扎材料分類 ①塑料帶捆扎機。它是用于中、小重量包裝箱的捆扎機。所用塑料帶主要是聚丙烯 帶，也有尼龍帶、聚酯帶等。 ②鋼帶捆扎機。它用鋼帶作捆扎材料，因鋼帶強度高， 主要用于沉重、大型包裝箱。 （2）按接頭方式分類 ①熔接式捆扎機。因塑料帶易于加熱熔融，故多適用 于塑料帶接頭。根據加熱的方式不同，又分為電熱熔接、 超聲波熔接、高頻熔接、脈沖熔接等。 ②扣接式捆扎機。它采用一種專用扣接頭，將捆扎帶的 接頭夾緊嵌牢，多用于鋼帶。 按結構特點分類 ①基本型捆扎機。它是適用于各種行業(yè)的捆扎機，其臺 面高度適合于站立操作。多用于捆扎中，小包裝件，如紙箱、 鈣塑箱、書刊等。 ②側置式捆扎機。捆扎帶的接頭部分在包裝件的側面進 行，臺面較低。適于大型或污染性較大包裝件的捆扎，若加 3 防銹處理，可捆扎水產品、腌制品等；若加防塵措施，可捆扎粉塵較多的包裝件。 ③加壓捆扎機。對于皮革、紙制品、針棉織品等軟性、彈性制品，為使捆緊，必須 先加壓壓緊后捆扎。加壓方式分氣壓和液壓兩種。 ④開合軌道捆扎機。它的帶子軌道框架可在水平或垂直方向上開合，便于各種圓筒 狀或環(huán)狀包裝件的放入，爾后軌道閉合捆扎。 ⑤水平軌道捆扎機。它的帶子軌道為水平布置，對包裝件進行水平方向捆扎。它適 用于諸如托盤包裝件的橫向捆扎。 ⑥手提捆扎機。一般置于包裝件頂面，當帶子包圍包裝件一圈后，用該機將帶子拉 緊鎖住。它用手動操作，靈活輕便。 （3）按自動化程度分類 ①手動捆扎機。依靠手工操作實現捆扎鎖緊，多用塑 料帶捆扎。它結構簡單、輕便，適于體積較大或批量很小 包裝件的捆扎。 ②半自動捆扎機。用輸送裝置將包裝件送至捆扎工位， 再用人工將帶子纏繞包裝件，最后將帶子拉緊固定。它工 作臺面較低，很適合大型包裝件的捆扎。 ③自動捆扎機。在工作臺上方有帶子軌道框架，當包 裝件進入捆扎工位時，即自動進行送帶纏帶、拉帶緊帶、 固定切斷等工序。該機帶子軌道框架固定，一般適合于尺 寸單一、批量較大的包裝件捆扎。捆扎時，包裝件的移動和轉向需靠人工進行。 ④全自動捆扎機。該機能在無人操作和輔助的情況下自動完成預定的全部捆扎工序， 包括包裝件的移動和轉向，適于大批量包裝件的捆扎。 1.3.2 結構及原理 捆扎機可分半自動捆扎機機和自動捆扎機，它的工作原理比纏繞機簡單。 捆扎機 （打包機）是使用捆扎帶纏繞產品或包裝件，然后收緊并將兩端通過熱效應熔融或使用 包扣等材料連接的機器。捆扎機（打包機）的功用是使塑料帶能緊貼于被捆扎包件表面， 保證包件在運輸、貯存中不因捆扎不牢而散落，同時還應捆扎整齊美觀。 1. 退帶張緊：一夾頭上升夾住塑料帶頭，送帶輪反轉退帶，將多余的塑料帶退回儲 帶盒，并勒緊被捆物。隨后，機械手夾住塑料帶，將包件進一步勒緊至所調緊度。 2．切帶粘合：導向板從兩層塑料帶中間退出，同時，電燙頭同步插入兩層帶之間， 接著二夾頭上升夾住塑料帶另一端帶頭，切刀切斷帶子，并將帶頭推向燙頭與之接觸， 受熱熔化（表面） ，隨即電燙頭快速退出，切刀繼續(xù)上升將表面已熔化的兩層塑料帶壓在 承壓板上，并冷卻凝固，兩帶粘合（YKM－WY 機沒有燙頭，啟動摩擦完成粘合） 。 3．脫包：承壓板退出捆扎好的塑料帶圈，各夾頭復位，完成捆扎。 4．送帶：送帶輪正轉把塑料帶由儲帶盒送入軌道，準備下一次捆扎。 5．卸載。 以上是單道捆扎的過程，當機器處于連動狀態(tài)時，送帶完畢后便直接進 入退帶張緊程序，按上述程序循環(huán)連續(xù)進行。 打包物體基本處于紙箱捆扎機中間，首先右頂體上升，壓緊帶的前端，把帶子收緊 4 捆在物體上，隨后左頂體上升，壓緊下層帶子的適當位置，加熱片伸進兩帶子中間，中 頂刀上升，切斷帶子，最后把下一捆扎帶子送到位，完成一個工作循環(huán)。 1.4 本課題所做的主要工作 本文研制的紙箱打捆機，以紙箱、塑料包裹為捆扎對象對象，研發(fā)的主要內容包括: 送、退帶捆緊機構的研究、剪切、熨燙機構的設計、氣動執(zhí)行系統(tǒng)的設計、捆扎形式的 選擇，捆扎材料的選用等。 紙箱捆扎機的工作過程包括六個主要步驟:送帶、頂緊、退帶拉緊、再頂緊、切帶、 加熱、頂緊粘結、復位。整個紙箱捆扎機的研究也主要圍繞這幾個重要的動作來展開。 5 第 2 章 總體方案設計 2.1 設計要求 設計紙箱自動捆扎機包括兩部分，一是送箱部分，二是捆扎部分。送箱部分要求箱 子能整齊有序的排列，且方向一致，才能保證后序捆扎時準確無誤。捆扎部分要求捆扎 時能夠不破壞箱子，使其保留完整。要求設計合理、做到定位可靠，符合生產要求、結 構及操作簡單，維護維修方便。機構設計時，在滿足性能要求的基礎上，考慮零件的加 工性能及加工成本，盡量采用標準件和通用件。 2.2 方案選擇 2.2.1 送帶、退帶張緊機構 送帶、退帶張緊機構主要完成捆扎帶送入和退出，由電機、摩擦輪、齒輪、同步帶 輪、小軌道等部件組成。送退帶機構原理示意圖如圖 2.2 所示，在機器進入工作準備狀態(tài) 時，捆扎帶通過摩擦輪正轉，依靠摩擦力使捆扎帶從儲帶箱中拉出送入軌道；當帶碰到 觸動開關后，壓緊機構的第一壓頭將帶端壓緊，同時電機帶動摩擦輪開始反轉，將多余 的帶從軌道中拉出退入儲帶箱中，已達到使紙箱捆緊的目的。 圖 2.1 送退帶機構原理示意圖 2.2.2 捆扎封接機構 捆扎封接機構原理示意圖如圖 2.3 所示。捆扎帶在進行捆扎時，其帶頭和帶尾都需要 用夾壓機構進行夾緊，以便完成熱熔搭接工作。夾壓機構共有三個壓頭，由安裝在同一 軸上的三個凸輪分別控制，其中的第一壓頭夾壓帶頭，第二壓頭夾壓帶尾，兩層帶中間 先由隔離器隔開，然后再由隔離器引導熨頭進入兩層帶子中間，以待熱熔搭接。 捆扎帶收緊捆繞在包裝件上后，為了使它在流通過程中不松散，就必須將捆扎帶的 兩端構成牢固的連接，才能保證捆扎的可靠與安全。捆扎帶在封接壓頭，即第三壓頭的 作用下，由電熱板對其加熱使帶表面熔融，然后經過加壓冷卻而得到熔接連接。 6 圖 2.2 捆扎封接機構原理示意圖 2.2.3 壓帶機構設計 本次壓帶機構采用氣缸，即待系統(tǒng)檢測到捆扎帶送達到位后，氣缸頂桿定出壓住捆 扎帶。 2.2.4 捆扎帶導向裝置設計 本次捆扎帶導向裝置采用橢圓形，導向軌道材料選用橡膠板，橡膠板至于門架內， 待退帶機構拉緊時捆扎帶從軌道內拉出綁緊紙箱。 2.2.5 總體方案及原理 紙箱捆扎機的結構：目前使用的臺式自動捆扎機，其構造包括機架、丙烯帶圈筒、 儲帶箱、帶子的進給和張緊機構、帶子的接合機構、拱形導軌、傳動機構和自動控制裝 置等部分組成。 捆扎機工作流程：紙箱捆扎機采用聚丙烯塑料帶作為捆扎材料，打捆完成后用熱熔 搭接法將捆扎帶加熱粘貼。當捆扎物人工擱置在規(guī)定的位置后，手動將捆扎帶塞入焊接 處并觸動微動開關，機械裝置和執(zhí)行機構保證反時針方向收帶，達到一定的捆緊力后焊 接，稍后切刀上頂切帶，最后機械送帶，完成一個捆件的捆扎過程 。在捆扎過程中，由 送退帶機構完成送帶、收帶、拉緊等動作；在夾壓、熨燙機構作用下完成紙箱粘結鎖緊， 防止紙箱的打滑松動。本捆扎機以氣動系統(tǒng)作為打捆系統(tǒng)加熱裝置的主要執(zhí)行件，以可 編程序控制器作為控制單元實現打捆過程的半自動化。 7 圖 2.3 機械系統(tǒng)總體方案的原理圖 2.3 本章小結 本章主要根據打捆機的工作流程提出了紙箱捆扎機的總體設計方案，主要內容包括: （1）給出了紙箱捆扎機的技術參數和要求; （2）提出了打捆機的系統(tǒng)總體設計方案。 8 第 3 章 主要構件的設計與選擇 3.1 電動機的選擇 電動機的作用是將電能轉換為機械能，現代各種生產機械都廣泛應用電機來驅動。 在生產上主要用的是交流電動機，特別是三相異步電動機。它被廣泛地用來驅動各種金 屬切削機床、起重機、鍛壓機、傳動帶、鑄造機械、功率不大的通風機及水泵等。 1、三相異步電動機的構造 三相異步電動機分成兩個基本部分：定子（固定部分）和轉子（旋轉部分） 。三相異 步電動機的轉子根據構造上的不同分為兩種型式：鼠籠式和繞線式。鼠籠式和繞線式只 是在轉子構造上的不同，它們的工作原理是一樣的。鼠籠式電動機由于構造上簡單，價 格低廉，工作可靠，使用方便，就成為生產上應用最廣泛的一種電動機。 2、電動機的轉動原理 圖 3.8 是三相異步電動機轉子轉動的原理圖，圖中 N，S 表示兩極旋轉磁場，轉子中 只示出兩根導條。當旋轉磁場向順時針方向旋轉時，其磁力線切割轉子導條，導條中就 感應出電動勢。在電動勢的作用下，閉合的導條中就有電流。這電流與旋轉磁場相互作 用。而使轉子導條受到電磁力 F。電磁力的方向可應用左手定則來確定。電磁力產生電磁 轉矩，轉子就轉動起來。 圖 3.8 電動機轉子轉動原理圖 3、三相異步電動機的選擇 要為一生產機械選配一臺電動機，首先要考慮電動機的功率，合理選擇電動機的功 率具有重大的經濟意義。如果電動機的功率選大了，雖然能保證正常運行，但是不經濟。 因為這不僅使設備投資增加和電動機未被充分利用，而且電動機經常不是在滿載荷下運 行，它的效率和功率也都不高。如果電動機的功率選小了，就不能保證電動機和生產機 械的正常運行，不能充分發(fā)揮機械的效能，并使電動機由于過載而過早地損壞。 根據執(zhí)行機構摩擦輪的功率和轉速情況，選擇電動機型號：Y 160L-6 額定功率： 11KW；滿載轉速： 970r/min 3.2 送退帶機構設計 3.2.1 捆扎機架的設計 1 機架材料的選擇 9 由于碳素結構鋼的韌性良好，沖壓和焊接性能良好，是一般機械制造中的主要材料， 廣泛應用于制作一般機械零件，如支架、機架及焊接件等用的角鋼、槽鋼、墊板，因此 選取捆扎機機架的材料為 Q235A。 2 機架結構的設計 機架與支承件不僅起著連接和支承各種零部件相互位置的的作用，而且還其要保證 捆扎過程的平穩(wěn)。進退帶機構的機架由機架底板、側板和兩塊橫板組成，通過螺栓連接， 起著固定主、從動軸、以及齒輪、摩擦輪的作用；捆扎機構機架由兩個機架底板、主機 架側板和輔助機架側板組成，起著固定凸輪軸和凸輪的作用。 3.2.2 傳動軸的設計 送退帶機構的齒輪傳動軸和凸輪軸都采用平鍵。電動機正常工作的轉速為 n0=960r/min。根據帶輪的傳動比為 i1=2：1 和齒輪的傳動比為 i2=1：1 得傳動軸的轉速 n1=n0/i1=960/2(r/min)=480r/min；功率 P1=10KW。從動軸的轉速 n2=n1/i2=480r/min； 功率 P2=10KW。因此各軸的轉速如下： 齒輪主傳動軸 1： n1=480r/min 齒輪從傳動軸 2： n2=480r/min 1． 確定軸 1 最小直徑 軸的扭轉強度條件為： （3-1）][2.0 953TTdnPW????? 式中： ——扭轉切應力，單位 MPa；T? T ——軸所受的扭距，單位 N*mm； ——軸的抗扭截面系數，單位 ；W3m n ——軸的轉速，單位 r/min； P ——軸傳遞的功率。單位 KW； d ——計算截面處軸的直徑，單位 mm； [ ]——許用扭轉切應力，單位 MPaT? 由上式可得軸的直徑 30333 ][2.095][2.095nPAnPdTT ??????? 選取軸的材料為 45 鋼，調質處理。A 0 查表取 112，P=10KW ，n=480r/min 帶入得： 軸最小直徑的初始值：d 19.65mm。? 根據送退帶機構軸上各齒輪、摩擦輪以及帶輪與支架以及相互之間的尺寸關系確定 軸 1 的各部分軸徑及長度如圖 3.1： 10 圖 3.1 軸 1 2.確定其它兩根軸的尺寸 用同樣方法確定軸 2 和軸 3 的尺寸如下； 圖 3.2 軸 2 圖 3.3 凸輪軸 3.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1?? 3-2 計算軸的應力： （3-2）WTMca 22)(???? ——軸的計算應力，單位 MPa；c M ——軸所受的彎距，單位 N.mm； T ——軸所受的扭距，單位 N.mm； 11 W ——軸的抗彎截面系數，單位 。計算公式如 3-3：3m （3-3）3 24 45.93])()([Dzbdd?????? 從軸的結構圖 3.1 可以看到軸的危險截面，現將計算出的截面處的 、 及HMV 的值列出表 3-1：總M 表 3-1 載 荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F NFNN5.237,8.3021?? NFFNVN85.4,53.12?? 彎矩 M mH?956 mMV?74 總彎矩 m??30457.1422總 扭矩 T N??.807 畫出軸的載荷分析圖。如圖 3.4： 12 圖 3.4 軸的載荷分析圖 圖 3.4 中 c 截面為危險截面。帶入公式 3-2 中得： MPaWTca 93.56)( 22????? 前已選定軸的材料為 45 鋼，調質處理，查得 。因此， ，故0][1???][1???ca 安全。 3.2.3 滾動軸承的選用 軸兩端選用相同軸承，選用深溝球軸承 6004，查表可知深溝球軸承 6004 的基本額定 動載荷 Cr=9.38KN,基本額定靜載荷 Cro=5.02KN, 軸承的預期計算壽命 Lh=24000 求兩軸 承受到的徑向載荷 Fr1 和 Fr2,將軸系受到的空間力系分解如圖 3.5， 圖 3.5 軸上受力圖 兩個平面力系，其中 Ft=537.3N Fr=220.3N 由受力分析知： 13 = =153.24NvrF1ro2593? 軸承受力圖，如圖 3.6： 圖 3.6 軸承受力分解圖 =Fr- Fr1v=67.06NvrF2 = =374.9NHr1t593? = - ==164.4Nr2tr1 = = N=404.1N1rF22Hrvr 229.14.60? = = N=177.7N2r2rr? 軸承基本額定動載荷計算 額定動載荷 C= P Tndmhf 式中： P—當量動載荷，即 、 中的大值，P= =154.1N 1rF21rF —壽命因子，查表選取 =3.63hf hf —速度因子，查表選取 =0.741n n —力矩載荷因子，由于力矩載荷較小，取 =1.5mf mf —沖擊載荷因子，查表選取 =1.1d df —溫度因子，查表選取 =1.0Tf T 可得： C= 404.1N=3267.6〈0.174.563?rC0 故，所選軸承滿足使用要求。 3.2.4 傳動齒輪的設計 傳動齒輪組的設計是設計送退帶機構的重要部分，傳動齒輪設計的是否合理，直接 14 影響送退帶機構的穩(wěn)定性能，以及捆扎質量。 1．確定計算公式及各參數值 （1）輸入功率為 10KW,齒輪的轉速為 480r/min 選用直齒圓柱齒輪傳動，7 級精度。 選擇齒輪材料為 40Cr（調質） ，硬度為 280HBS，選擇齒輪齒數均為 Z=24， 由公式（3-5 ）： （3-5）??21 3 )(2. HEdt ZTKd?????? 查機械設計手冊確定 3-5 公式內的各計算數值 （2）試選載荷系數：Kt＝1.3 （3）計算齒輪傳遞的轉矩： ；mNT?????4 5109.4810.9 （4）齒寬系數： ；d? （5）材料的彈性影響系數： ；MPaZE.19 （6）按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強度極限 ；PaH701lim?? （7）計算應力循環(huán)次數 ；91107.260??hjLnN （8）接觸疲勞壽命系數 ；5.HNK （9）計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為 1%，安全系數 S=1，得： ；??MPaSHNH6951lim1?? ? 2．計算 試用公式（3-1）算齒輪分度圓直徑 d； ；??ZTKdHEdt 48)(13. 2??????? （1）計算圓周速度 V ；smnV1.206??? （2） 計算齒寬 b ；d92.?? （3） 計算齒寬與齒高之比 b/h 15 模數 ；mzdt3.2? 齒高 ； ht1745. ；63b （5）計算載荷系數 7 級精度，查得動載系數 ；直齒輪，假設 。查得08.1?Kv mNbFKtA/10/? 。查得使用系數 ，得：2.1??FHKA ；267.1023... ????dH?? 由 b/h=9.1， ，查得 ；故載荷系數6275?FK ；.??HVA （6） 按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑，得： ；mKdtt 01.48 31 （7）計算模數： 。zm05.21? 3．按齒根彎曲強度設計 彎曲強度設計公式為 （3-6）??)(2 3FSadyYZKT??? 確定公式內的各計算數值 （1）查得齒輪的彎曲疲勞強度極限 ；MPFE40? （2）查得彎曲疲勞壽命系數 ；計算彎曲疲勞許用應力87.Nk 取彎曲疲勞安全系數 S=1，得： ；??PaSKFEF34?? （3）計算載荷系數 K 67.1????FVAK （4） 查取齒形系數 ；2.FaY （5）查取應力校正系數 16 ；75.1?SaY （6）計算齒輪的 ，][FSaY???01279.?FSaY 4． 設計計算 由公式（3-6 ）得： mm2.0518943076..223 ??? 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數 m 大于齒根彎曲疲勞計算的模數， 由于齒輪模數 m 大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與 齒數的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數 2.01 并就近圓整為標準值 ，按接觸2? 強度算得的分度圓直徑 ，算出齒輪齒數 ；這樣設計出的齒輪傳d01.481?24?dZ 動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到了結構緊湊，避 免浪費。 5．幾何尺寸計算 1）計算分度圓直徑 ；mZd48? 2）計算中心距 a2)(1? 3）計算齒輪寬度 B=20mm。 6．驗算校核 NdTFt 8.291480.192??? ，合適。mbKtA6.51.8?? 3.2.5 鍵的選用 選用 A 型平鍵（GB/T1096-1979）,按帶輪和齒輪的寬度由手冊查得： mlhb86??? 強度校核，按公式(3-7)計算： 17 (3-7)dkLTP120? 查得參數 （許用擠壓應力） ，k=0.5h=2.5,L=L-b=13mm2/mNF? 鍵聯接傳遞的轉矩為： mNT??058.1 鍵的工作面壓強 P 為 MPaPadkLTPF42.35.2140820???? 鍵聯結強度合格。 3.2.6 摩擦輪的設計 摩擦輪傳動是兩個相互壓緊的滾輪，通過接觸面間的摩擦力傳遞運動和動力的。由 于結構簡單、制造容易、運動平穩(wěn)、噪聲低，過載可以打滑，以及能連續(xù)連續(xù)平滑地調 節(jié)其傳動比，因而有較大的應用范圍，成為無級變速的主要元件。但由于在運轉過程中 有滑動，影響從動輪的旋轉精度，傳動效率較低，作用在軸和軸和軸承上的載荷大，多 用于中小功率傳動。 （1）摩擦輪材料的選擇 由于摩擦輪實現紙箱的進與退，制造摩擦輪的材料應該是：彈性模量大、摩擦系數 高，接觸疲勞強度和耐磨性好，吸濕小，價廉并易于加工，可以選用 GCr15。 （2）本捆扎機采用圓柱摩擦輪傳動，其運動簡圖如 3.9 下； 圖 3.7 摩擦輪傳動示意圖 3.2.7 同步帶的選用 本設備中送退帶機構用到了同步帶,電機通過同步帶與送退帶機構連接，達到降速的 目的。 (1)同步帶的特點 同步帶傳動具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。同步帶傳動由于帶與帶輪是靠 嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準確的傳動比。同步帶通常以 18 鋼絲繩或玻璃纖維繩為抗拉體，氯丁橡膠或聚氨酯為基體,這種帶薄而且輕，故可用于較 高速度。傳動時的線速度可達 50m/s，傳動比可達 10，效率可達 98％。傳動噪音比帶傳 動、鏈傳動和齒輪傳動小，耐磨性好，不需油潤滑，壽命比摩擦帶長。其主要缺點是制 造和安裝精度。 （2）同步帶的形式、型號簡介及選擇 同步帶有單面有齒和雙面有齒兩種，簡稱單面帶和雙面帶。雙面帶又有對稱齒型 （DI ）和交錯齒型（DII ）之分。同步帶齒有梯形齒和弧形齒兩類。同步帶型號分為最輕 型 MXL、超輕型 XXL、特輕型 XL、輕型 L、重型 H、特重型 XH、超重型 XXH 七種。 梯形齒同步帶傳動已有標準（GB11361~11362–89 ） 。在規(guī)定張緊力下，相鄰兩齒中心線的 直線距離稱為節(jié)距，以 p 表示。 圖 3.8 同步帶傳動 節(jié)距是同步帶傳動最基本的參數。當同步帶垂直其底邊彎曲時，在帶中保持原長度 不變的周線，稱為節(jié)線，節(jié)線長以 LP 表示。 同步帶帶輪的齒形推薦采用漸開線齒形，可用范成法加工而成。也可以使用直邊齒 形。 由以上可知本次設計選擇的同步帶為輕型 L 單面帶。 在步進電機上運用的同步帶寬 15 毫米，由前面的數據已知同步帶輪轉速為 960 r/min 和 480r/min,同步帶輪直徑為 80mm 和 160mm。 （3） 、同步帶的失效 同步帶傳動的主要失效形式是同步帶疲勞斷裂，帶齒的剪切和壓潰以及同步帶兩側 邊、帶齒的磨損。保證同步帶一定的疲勞強度和使用壽命是設計同步帶傳動的主要依據。 因此同步帶傳動設計時主要是限制單位齒寬的拉力，必要時才校核工作齒面的壓力。 (4)、同步帶輪的確定 根據同步帶的型號，按照大小帶輪傳動比 1：2 的比例，選取同步帶輪的型號，經校 核符合捆扎機的設計要求。其小帶輪具體尺寸如下圖 3.10； 19 圖 3.9 同步帶輪 3.3 捆扎封接機構 捆扎帶在進行捆扎時，其帶頭和帶尾都需要用夾壓機構進行夾緊，以便完成熱熔搭 接工作。夾壓機構共有三個壓頭，由安裝在同一軸上的三個凸輪分別控制，其中的第一 壓頭夾壓帶頭，第二壓頭夾壓帶尾，兩層帶中間先由隔離器隔開，然后再由隔離器引導 熨頭進入兩層帶子中間，以待熱熔搭接。 捆扎帶收緊捆繞在包裝件上后，為了使它在流通過程中不松散，就必須將捆扎帶的 兩端構成牢固的連接，才能保證捆扎的可靠與安全。捆扎帶在封接壓頭，即第三壓頭的 作用下，由電熱板對其加熱使帶表面熔融，然后經過加壓冷卻而得到熔接連接。 3.4 壓帶機構設計 本次壓帶機構采用氣缸，即待系統(tǒng)檢測到捆扎帶送達到位后，氣缸頂桿定出壓住捆 扎帶，因此本機構關鍵在于選定合適的壓帶氣缸。 本設計中用到的氣缸是根據德國 Festo 公司提供的型號選用的 ，類型根據工作要[2] 求和條件，選擇雙作用單耳環(huán)氣缸。 （1）安裝方式 根據工作條件，選擇擺動式單耳環(huán)氣缸。 （2）作用力大小 負載力 F，負載率 η=70%，氣缸輸出力 F 拉=F\η ，F 推=F\η， 氣體壓力 P=0.6MPa， 由公式 F拉 = （3.6）2dDP?? 20 和F 推 = （3.7）2d-DP?? 由于 F 拉

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