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I 摘 要 紙箱捆扎機(jī)是用捆扎帶捆扎紙箱，完成捆扎作業(yè)的機(jī)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(yīng)熔融或使用包扣等材料連接。本設(shè)計的紙箱自動捆扎 機(jī)捆扎部分，由送帶、退帶張緊機(jī)構(gòu)，捆扎封接機(jī)構(gòu)、壓帶機(jī)構(gòu)、捆扎帶導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成。 本文首先，通過對紙箱自動捆扎機(jī)現(xiàn)狀進(jìn)行全方位調(diào)研，在此基礎(chǔ)上提出了捆扎部 分方案；然后，設(shè)計并校核了各主要構(gòu)成件的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度；最后，通過 AutoCAD 制圖軟 件繪制了機(jī)械手裝配圖、主要零件圖并采用 Pro/E 軟件進(jìn)行三維設(shè)計及運(yùn)動仿真。 通過本次設(shè)計，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識，如：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、材料力學(xué)、 公差與互換性理論、機(jī)械制圖等；掌握了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計方法并能夠熟練使用 AutoCAD 制圖及 Pro/E 軟件進(jìn)行三維設(shè)計軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。 關(guān)鍵字：紙箱，捆扎機(jī)，設(shè)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(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 .......................................................................................................1 1.2.1 國內(nèi)現(xiàn)狀 ......................................................................................................................1 1.2.1 國外狀況 .........................................................................................................................2 1.3 捆扎機(jī)介紹 ............................................................................................................................2 1.3.1 捆扎機(jī)分類 .....................................................................................................................2 1.3.2 結(jié)構(gòu)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(shè)計 ...................................................................................................................5 2.1 設(shè)計要求 ................................................................................................................................5 2.2 方案選擇 ...............................................................................................................................5 2.2.1 送帶、退帶張緊機(jī)構(gòu) .....................................................................................................5 2.2.2 捆扎封接機(jī)構(gòu) .................................................................................................................5 2.2.3 壓帶機(jī)構(gòu)設(shè)計 .................................................................................................................6 2.2.4 捆扎帶導(dǎo)向裝置設(shè)計 .....................................................................................................6 2.2.5 總體方案及原理 .............................................................................................................6 2.3 本章小結(jié) ................................................................................................................................7 第 3 章 主要構(gòu)件的設(shè)計與選擇 ...................................................................................................8 3.1 電動機(jī)的選擇 ........................................................................................................................8 3.2 送退帶機(jī)構(gòu)設(shè)計 ....................................................................................................................8 3.2.1 捆扎機(jī)架的設(shè)計 ............................................................................................................8 3.2.2 傳動軸的設(shè)計 .................................................................................................................9 3.2.3 滾動軸承的選用 ...........................................................................................................12 3.2.4 傳動齒輪的設(shè)計 ...........................................................................................................13 3.2.5 鍵的選用 .......................................................................................................................16 3.2.6 摩擦輪的設(shè)計 ...............................................................................................................17 3.2.7 同步帶的選用 ...............................................................................................................17 3.3 捆扎封接機(jī)構(gòu) ......................................................................................................................19 3.4 壓帶機(jī)構(gòu)設(shè)計 ......................................................................................................................19 3.5 捆扎帶導(dǎo)向裝置設(shè)計 ..........................................................................................................20 3.6 本章小結(jié) ..............................................................................................................................20 IV 第 4 章 基于 PRO/E 的三維設(shè)計及仿真 ....................................................................................21 4.1 PRO/E 三維設(shè)計軟件概述 ...................................................................................................21 4.2 三維設(shè)計 ..............................................................................................................................21 4.3 運(yùn)動仿真 ..............................................................................................................................22 總結(jié) ...............................................................................................................................................23 致 謝 .............................................................................................................................................24 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................................25 1 第 1 章 緒 論 1.1 研究背景及意義 隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對商品的質(zhì)量的要求也在提高，而其中商品的包裝是商 品質(zhì)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(jīng)不能適應(yīng)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(shè)計紙 箱自動捆扎機(jī)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(chǎn)設(shè)備的更新速度，包裝質(zhì)量不高。雖然 國內(nèi)少數(shù)企業(yè)憑借自身的雄厚經(jīng)濟(jì)實力，從國外引進(jìn)了部分全自動打捆設(shè)備，但其高昂 的價格增加了生產(chǎn)成本，絕大多數(shù)企業(yè)仍在使用半自動或人工打包設(shè)備，這樣既使生產(chǎn) 效率降低，也浪費(fèi)了大量勞動力，為此，根據(jù)我國包裝行業(yè)的實際需求和發(fā)展趨勢，研 發(fā)高質(zhì)量，高可靠性的全自動打捆機(jī)以替代進(jìn)口，以非常必要，而且形勢緊迫。 1.2 國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 國內(nèi)現(xiàn)狀 我國包裝機(jī)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(shè)備都是 通過引進(jìn)設(shè)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(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，我國的包裝食品機(jī)械行業(yè)取得了世人矚目的 進(jìn)步。基本上能生產(chǎn)出滿足人民生活需求的各種各樣、各種檔次的產(chǎn)品，并正在不斷努 力、提高、縮小與國外先進(jìn)水平、先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)設(shè)備的差距。在全行業(yè)廣大企業(yè)、科 研單位技術(shù)人員及行業(yè)工作者的共同努力下，新產(chǎn)品、新技術(shù)日益涌現(xiàn)并轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。 我國包裝機(jī)械工業(yè)通過采用國際標(biāo)準(zhǔn)和吸收國外先進(jìn)技術(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)水平、設(shè)計制造和產(chǎn) 品質(zhì)量方面都有了較大的提高。一些企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到或接近國外同類機(jī)器的先進(jìn)水 平。隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國內(nèi)市場對包裝機(jī)械產(chǎn)品的需求量與日俱增，年產(chǎn)量也 逐年提高，包裝饑械企業(yè)數(shù)量越來越多，并且企業(yè)性質(zhì)逐漸從國營轉(zhuǎn)為私營、集體甚至 個體，市場競爭日趨激烈，從過去經(jīng)濟(jì)短缺的賣方市場轉(zhuǎn)變?yōu)橘I方市場。因此產(chǎn)品在技 術(shù)、性能、價格上的競爭更為激烈。 目前我國包裝機(jī)械產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量不穩(wěn)定、性能單一、成本高、技術(shù)含量低的狀 況：隨著我國進(jìn)入世貿(mào)組織(WTO)，國際先進(jìn)的技術(shù)、設(shè)備和管理經(jīng)驗的進(jìn)入勢必會對我 國剛剛發(fā)展起來的包裝機(jī)械工業(yè)造成巨大沖擊，企業(yè)面臨著前所未有的嚴(yán)峻考驗。 與國外捆扎機(jī)械生產(chǎn)技術(shù)水平相比，國產(chǎn)機(jī)差距主要為：品種單一，生產(chǎn)力低。雖 然經(jīng)過二十多年的發(fā)展，但只能生產(chǎn) 20 多個品種，還不及國外一個公司的品種數(shù)，而且 只能生產(chǎn)通用型的產(chǎn)品，如鋼帶自動捆扎機(jī)的生產(chǎn)至今仍是一個空白，無法滿足一些特 殊行業(yè)的需要：據(jù)調(diào)查 2006 年全國產(chǎn)量已達(dá) 19000 臺，但仍太大落后于國外的水平。我 國捆扎機(jī)械的生產(chǎn)起步較晚，主要是靠引進(jìn)國外的整機(jī)經(jīng)消化改進(jìn)二次開發(fā)生產(chǎn)的。因 此在生產(chǎn)中著重于產(chǎn)品的整機(jī)性能而忽視了對零部件的研究，導(dǎo)致在捆扎速度、接頭粘 接方式和送帶軌道等主要技術(shù)性能方面不硬國外先進(jìn)水平。工作可靠性較差，其中特別 是捆扎帶和元器件的質(zhì)量不穩(wěn)對整機(jī)的性能帶來很大的影響。 2 1.2.1 國外狀況 國外捆扎機(jī)械的應(yīng)用 ,起始可追溯到本世紀(jì)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(chǎn)鋼帶捆扎設(shè)備為主 ,但其規(guī)模和生產(chǎn)技術(shù)水平都 還較低。直到上世紀(jì)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(xiàn)實 ,極 大地促進(jìn)了塑料帶捆扎機(jī)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(jī)總產(chǎn)量達(dá) 94 萬臺 , 約占包裝機(jī)械總量 的 19. 5%,總產(chǎn)值達(dá) 300 億日元。每年約有 30%的出口 ,幾乎占領(lǐng)了全部東南亞市場。由 于他們能成功地引進(jìn)和消化吸收別國的經(jīng)驗 ,不斷改進(jìn)發(fā)展。結(jié)構(gòu)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(chǎn)廠家為下島株式會社 ,于 1969 年開始 正式生產(chǎn)自動捆扎機(jī) ,主要從事產(chǎn)品開發(fā) , 產(chǎn)品質(zhì)量控制和推銷工作 ,其零部件加工和裝 配均通過擴(kuò)散的辦法。在國內(nèi)設(shè)有 17 家分公司和 270 個代銷點 , 并在 35 個國家和地區(qū) 設(shè)有代理點。產(chǎn)品品種達(dá) 200 多個 , 正常生產(chǎn)品種為 29 種。美國的 SIGNODE 公司則 是一家以鋼帶捆扎機(jī)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(shè)有分公司該公司自 1913 年就開始從事捆扎機(jī)械的生 產(chǎn) , 為 100 多個國家的工業(yè)產(chǎn)品包裝提供服務(wù) , 并為各國用戶提供 24 小時內(nèi)的配件供 應(yīng)服務(wù) ,他們不僅具有巨大的生產(chǎn)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(jī)械各功能部件的反復(fù)試驗和多方案對比 ,生產(chǎn)出的捆扎機(jī)械具有很好的可靠性和 最佳的經(jīng)濟(jì)壽命 ,雖然價格昂貴 , 但仍然是國際市場上的強(qiáng)手。 1.3 捆扎機(jī)介紹 1.3.1 捆扎機(jī)分類 （1）按捆扎材料分類 ①塑料帶捆扎機(jī)。它是用于中、小重量包裝箱的捆扎機(jī)。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(jī)。它用鋼帶作捆扎材料，因鋼帶強(qiáng)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(jī)。因塑料帶易于加熱熔融，故多適用 于塑料帶接頭。根據(jù)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(jī)。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(jié)構(gòu)特點分類 ①基本型捆扎機(jī)。它是適用于各種行業(yè)的捆扎機(jī)，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(cè)置式捆扎機(jī)。捆扎帶的接頭部分在包裝件的側(cè)面進(jìn) 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(chǎn)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(jī)。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(jī)。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(jī)。它的帶子軌道為水平布置，對包裝件進(jìn)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(jī)。一般置于包裝件頂面，當(dāng)帶子包圍包裝件一圈后，用該機(jī)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(jī)。依靠手工操作實現(xiàn)捆扎鎖緊，多用塑 料帶捆扎。它結(jié)構(gòu)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(jī)。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(jī)。在工作臺上方有帶子軌道框架，當(dāng)包 裝件進(jìn)入捆扎工位時，即自動進(jìn)行送帶纏帶、拉帶緊帶、 固定切斷等工序。該機(jī)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(zhuǎn)向需靠人工進(jìn)行。 ④全自動捆扎機(jī)。該機(jī)能在無人操作和輔助的情況下自動完成預(yù)定的全部捆扎工序， 包括包裝件的移動和轉(zhuǎn)向，適于大批量包裝件的捆扎。 1.3.2 結(jié)構(gòu)及原理 捆扎機(jī)可分半自動捆扎機(jī)機(jī)和自動捆扎機(jī)，它的工作原理比纏繞機(jī)簡單。 捆扎機(jī) （打包機(jī)）是使用捆扎帶纏繞產(chǎn)品或包裝件，然后收緊并將兩端通過熱效應(yīng)熔融或使用 包扣等材料連接的機(jī)器。捆扎機(jī)（打包機(jī)）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(yùn)輸、貯存中不因捆扎不牢而散落，同時還應(yīng)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(zhuǎn)退帶，將多余的塑料帶退回儲 帶盒，并勒緊被捆物。隨后，機(jī)械手夾住塑料帶，將包件進(jìn)一步勒緊至所調(diào)緊度。 2．切帶粘合：導(dǎo)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(jī)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(fù)位，完成捆扎。 4．送帶：送帶輪正轉(zhuǎn)把塑料帶由儲帶盒送入軌道，準(zhǔn)備下一次捆扎。 5．卸載。 以上是單道捆扎的過程，當(dāng)機(jī)器處于連動狀態(tài)時，送帶完畢后便直接進(jìn) 入退帶張緊程序，按上述程序循環(huán)連續(xù)進(jìn)行。 打包物體基本處于紙箱捆扎機(jī)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(dāng)位置，加熱片伸進(jìn)兩帶子中間，中 頂?shù)渡仙?，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(jī)，以紙箱、塑料包裹為捆扎對象對象，研發(fā)的主要內(nèi)容包括: 送、退帶捆緊機(jī)構(gòu)的研究、剪切、熨燙機(jī)構(gòu)的設(shè)計、氣動執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計、捆扎形式的 選擇，捆扎材料的選用等。 紙箱捆扎機(jī)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(jié)、復(fù)位。整個紙箱捆扎機(jī)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(shè)計 2.1 設(shè)計要求 設(shè)計紙箱自動捆扎機(jī)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(zhǔn)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(shè)計合理、做到定位可靠，符合生產(chǎn)要求、結(jié) 構(gòu)及操作簡單，維護(hù)維修方便。機(jī)構(gòu)設(shè)計時，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，考慮零件的加 工性能及加工成本，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件。 2.2 方案選擇 2.2.1 送帶、退帶張緊機(jī)構(gòu) 送帶、退帶張緊機(jī)構(gòu)主要完成捆扎帶送入和退出，由電機(jī)、摩擦輪、齒輪、同步帶 輪、小軌道等部件組成。送退帶機(jī)構(gòu)原理示意圖如圖 2.2 所示，在機(jī)器進(jìn)入工作準(zhǔn)備狀態(tài) 時，捆扎帶通過摩擦輪正轉(zhuǎn)，依靠摩擦力使捆扎帶從儲帶箱中拉出送入軌道；當(dāng)帶碰到 觸動開關(guān)后，壓緊機(jī)構(gòu)的第一壓頭將帶端壓緊，同時電機(jī)帶動摩擦輪開始反轉(zhuǎn)，將多余 的帶從軌道中拉出退入儲帶箱中，已達(dá)到使紙箱捆緊的目的。 圖 2.1 送退帶機(jī)構(gòu)原理示意圖 2.2.2 捆扎封接機(jī)構(gòu) 捆扎封接機(jī)構(gòu)原理示意圖如圖 2.3 所示。捆扎帶在進(jìn)行捆扎時，其帶頭和帶尾都需要 用夾壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行夾緊，以便完成熱熔搭接工作。夾壓機(jī)構(gòu)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(dǎo)熨頭進(jìn)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(gòu)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(jīng)過加壓冷卻而得到熔接連接。 6 圖 2.2 捆扎封接機(jī)構(gòu)原理示意圖 2.2.3 壓帶機(jī)構(gòu)設(shè)計 本次壓帶機(jī)構(gòu)采用氣缸，即待系統(tǒng)檢測到捆扎帶送達(dá)到位后，氣缸頂桿定出壓住捆 扎帶。 2.2.4 捆扎帶導(dǎo)向裝置設(shè)計 本次捆扎帶導(dǎo)向裝置采用橢圓形，導(dǎo)向軌道材料選用橡膠板，橡膠板至于門架內(nèi)， 待退帶機(jī)構(gòu)拉緊時捆扎帶從軌道內(nèi)拉出綁緊紙箱。 2.2.5 總體方案及原理 紙箱捆扎機(jī)的結(jié)構(gòu)：目前使用的臺式自動捆扎機(jī)，其構(gòu)造包括機(jī)架、丙烯帶圈筒、 儲帶箱、帶子的進(jìn)給和張緊機(jī)構(gòu)、帶子的接合機(jī)構(gòu)、拱形導(dǎo)軌、傳動機(jī)構(gòu)和自動控制裝 置等部分組成。 捆扎機(jī)工作流程：紙箱捆扎機(jī)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(dāng)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(guān)，機(jī)械裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)保證反時針方向收帶，達(dá)到一定的捆緊力后焊 接，稍后切刀上頂切帶，最后機(jī)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(jī)構(gòu)完成送帶、收帶、拉緊等動作；在夾壓、熨燙機(jī)構(gòu)作用下完成紙箱粘結(jié)鎖緊， 防止紙箱的打滑松動。本捆扎機(jī)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(xiàn)打捆過程的半自動化。 7 圖 2.3 機(jī)械系統(tǒng)總體方案的原理圖 2.3 本章小結(jié) 本章主要根據(jù)打捆機(jī)的工作流程提出了紙箱捆扎機(jī)的總體設(shè)計方案，主要內(nèi)容包括: （1）給出了紙箱捆扎機(jī)的技術(shù)參數(shù)和要求; （2）提出了打捆機(jī)的系統(tǒng)總體設(shè)計方案。 8 第 3 章 主要構(gòu)件的設(shè)計與選擇 3.1 電動機(jī)的選擇 電動機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，現(xiàn)代各種生產(chǎn)機(jī)械都廣泛應(yīng)用電機(jī)來驅(qū)動。 在生產(chǎn)上主要用的是交流電動機(jī)，特別是三相異步電動機(jī)。它被廣泛地用來驅(qū)動各種金 屬切削機(jī)床、起重機(jī)、鍛壓機(jī)、傳動帶、鑄造機(jī)械、功率不大的通風(fēng)機(jī)及水泵等。 1、三相異步電動機(jī)的構(gòu)造 三相異步電動機(jī)分成兩個基本部分：定子（固定部分）和轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)部分） 。三相異 步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子根據(jù)構(gòu)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(zhuǎn)子構(gòu)造上的不同，它們的工作原理是一樣的。鼠籠式電動機(jī)由于構(gòu)造上簡單，價 格低廉，工作可靠，使用方便，就成為生產(chǎn)上應(yīng)用最廣泛的一種電動機(jī)。 2、電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理 圖 3.8 是三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的原理圖，圖中 N，S 表示兩極旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子中 只示出兩根導(dǎo)條。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場向順時針方向旋轉(zhuǎn)時，其磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，導(dǎo)條中就 感應(yīng)出電動勢。在電動勢的作用下，閉合的導(dǎo)條中就有電流。這電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作 用。而使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受到電磁力 F。電磁力的方向可應(yīng)用左手定則來確定。電磁力產(chǎn)生電磁 轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動起來。 圖 3.8 電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理圖 3、三相異步電動機(jī)的選擇 要為一生產(chǎn)機(jī)械選配一臺電動機(jī)，首先要考慮電動機(jī)的功率，合理選擇電動機(jī)的功 率具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。如果電動機(jī)的功率選大了，雖然能保證正常運(yùn)行，但是不經(jīng)濟(jì)。 因為這不僅使設(shè)備投資增加和電動機(jī)未被充分利用，而且電動機(jī)經(jīng)常不是在滿載荷下運(yùn) 行，它的效率和功率也都不高。如果電動機(jī)的功率選小了，就不能保證電動機(jī)和生產(chǎn)機(jī) 械的正常運(yùn)行，不能充分發(fā)揮機(jī)械的效能，并使電動機(jī)由于過載而過早地?fù)p壞。 根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)摩擦輪的功率和轉(zhuǎn)速情況，選擇電動機(jī)型號：Y 160L-6 額定功率： 11KW；滿載轉(zhuǎn)速： 970r/min 3.2 送退帶機(jī)構(gòu)設(shè)計 3.2.1 捆扎機(jī)架的設(shè)計 1 機(jī)架材料的選擇 9 由于碳素結(jié)構(gòu)鋼的韌性良好，沖壓和焊接性能良好，是一般機(jī)械制造中的主要材料， 廣泛應(yīng)用于制作一般機(jī)械零件，如支架、機(jī)架及焊接件等用的角鋼、槽鋼、墊板，因此 選取捆扎機(jī)機(jī)架的材料為 Q235A。 2 機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計 機(jī)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(jìn)退帶機(jī)構(gòu)的機(jī)架由機(jī)架底板、側(cè)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(jī)構(gòu)機(jī)架由兩個機(jī)架底板、主機(jī) 架側(cè)板和輔助機(jī)架側(cè)板組成，起著固定凸輪軸和凸輪的作用。 3.2.2 傳動軸的設(shè)計 送退帶機(jī)構(gòu)的齒輪傳動軸和凸輪軸都采用平鍵。電動機(jī)正常工作的轉(zhuǎn)速為 n0=960r/min。根據(jù)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(zhuǎn)速 n1=n0/i1=960/2(r/min)=480r/min；功率 P1=10KW。從動軸的轉(zhuǎn)速 n2=n1/i2=480r/min； 功率 P2=10KW。因此各軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： （3-1）][2.0 953TTdnPW????? 式中： ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位 MPa；T? T ——軸所受的扭距，單位 N*mm； ——軸的抗扭截面系數(shù)，單位 ；W3m n ——軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)切應(yīng)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(diào)質(zhì)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(jù)送退帶機(jī)構(gòu)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(guān)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(jìn)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(qiáng)度。取 ，用公式1?? 3-2 計算軸的應(yīng)力： （3-2）WTMca 22)(???? ——軸的計算應(yīng)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(shù)，單位 。計算公式如 3-3：3m （3-3）3 24 45.93])()([Dzbdd?????? 從軸的結(jié)構(gòu)圖 3.1 可以看到軸的危險截面，現(xiàn)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(diào)質(zhì)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(yù)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(dāng)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(shè)計 傳動齒輪組的設(shè)計是設(shè)計送退帶機(jī)構(gòu)的重要部分，傳動齒輪設(shè)計的是否合理，直接 14 影響送退帶機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性能，以及捆扎質(zhì)量。 1．確定計算公式及各參數(shù)值 （1）輸入功率為 10KW,齒輪的轉(zhuǎn)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(diào)質(zhì)） ，硬度為 280HBS，選擇齒輪齒數(shù)均為 Z=24， 由公式（3-5 ）： （3-5）??21 3 )(2. HEdt ZTKd?????? 查機(jī)械設(shè)計手冊確定 3-5 公式內(nèi)的各計算數(shù)值 （2）試選載荷系數(shù)：Kt＝1.3 （3）計算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩： ；mNT?????4 5109.4810.9 （4）齒寬系數(shù)： ；d? （5）材料的彈性影響系數(shù)： ；MPaZE.19 （6）按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ；PaH701lim?? （7）計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) ；91107.260??hjLnN （8）接觸疲勞壽命系數(shù) ；5.HNK （9）計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1%，安全系數(shù) 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(shù) ；mzdt3.2? 齒高 ； ht1745. ；63b （5）計算載荷系數(shù) 7 級精度，查得動載系數(shù) ；直齒輪，假設(shè) 。查得08.1?Kv mNbFKtA/10/? 。查得使用系數(shù) ，得：2.1??FHKA ；267.1023... ????dH?? 由 b/h=9.1， ，查得 ；故載荷系數(shù)6275?FK ；.??HVA （6） 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，得： ；mKdtt 01.48 31 （7）計算模數(shù)： 。zm05.21? 3．按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計 彎曲強(qiáng)度設(shè)計公式為 （3-6）??)(2 3FSadyYZKT??? 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 （1）查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ；MPFE40? （2）查得彎曲疲勞壽命系數(shù) ；計算彎曲疲勞許用應(yīng)力87.Nk 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1，得： ；??PaSKFEF34?? （3）計算載荷系數(shù) K 67.1????FVAK （4） 查取齒形系數(shù) ；2.FaY （5）查取應(yīng)力校正系數(shù) 16 ；75.1?SaY （6）計算齒輪的 ，][FSaY???01279.?FSaY 4． 設(shè)計計算 由公式（3-6 ）得： mm2.0518943076..223 ??? 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù) m 大于齒根彎曲疲勞計算的模數(shù)， 由于齒輪模數(shù) m 大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與 齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù) 2.01 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 ，按接觸2? 強(qiáng)度算得的分度圓直徑 ，算出齒輪齒數(shù) ；這樣設(shè)計出的齒輪傳d01.481?24?dZ 動，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到了結(jié)構(gòu)緊湊，避 免浪費(fèi)。 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(qiáng)度校核，按公式(3-7)計算： 17 (3-7)dkLTP120? 查得參數(shù) （許用擠壓應(yīng)力） ，k=0.5h=2.5,L=L-b=13mm2/mNF? 鍵聯(lián)接傳遞的轉(zhuǎn)矩為： mNT??058.1 鍵的工作面壓強(qiáng) P 為 MPaPadkLTPF42.35.2140820???? 鍵聯(lián)結(jié)強(qiáng)度合格。 3.2.6 摩擦輪的設(shè)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(yùn)動和動力的。由 于結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、運(yùn)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(diào) 節(jié)其傳動比，因而有較大的應(yīng)用范圍，成為無級變速的主要元件。但由于在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中 有滑動，影響從動輪的旋轉(zhuǎn)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(xiàn)紙箱的進(jìn)與退，制造摩擦輪的材料應(yīng)該是：彈性模量大、摩擦系數(shù) 高，接觸疲勞強(qiáng)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(jī)采用圓柱摩擦輪傳動，其運(yùn)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(shè)備中送退帶機(jī)構(gòu)用到了同步帶,電機(jī)通過同步帶與送退帶機(jī)構(gòu)連接，達(dá)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(yùn)動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準(zhǔn)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(dá) 50m/s，傳動比可達(dá) 10，效率可達(dá) 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(biāo)準(zhǔn)（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(shù)。當(dāng)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(shè)計選擇的同步帶為輕型 L 單面帶。 在步進(jìn)電機(jī)上運(yùn)用的同步帶寬 15 毫米，由前面的數(shù)據(jù)已知同步帶輪轉(zhuǎn)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(cè) 邊、帶齒的磨損。保證同步帶一定的疲勞強(qiáng)度和使用壽命是設(shè)計同步帶傳動的主要依據(jù)。 因此同步帶傳動設(shè)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(jù)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(jīng)校 核符合捆扎機(jī)的設(shè)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(jī)構(gòu) 捆扎帶在進(jìn)行捆扎時，其帶頭和帶尾都需要用夾壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行夾緊，以便完成熱熔搭 接工作。夾壓機(jī)構(gòu)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(dǎo) 熨頭進(jìn)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(gòu)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(jīng)過加壓冷卻而得到熔接連接。 3.4 壓帶機(jī)構(gòu)設(shè)計 本次壓帶機(jī)構(gòu)采用氣缸，即待系統(tǒng)檢測到捆扎帶送達(dá)到位后，氣缸頂桿定出壓住捆 扎帶，因此本機(jī)構(gòu)關(guān)鍵在于選定合適的壓帶氣缸。 本設(shè)計中用到的氣缸是根據(jù)德國 Festo 公司提供的型號選用的 ，類型根據(jù)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(jù)工作條件，選擇擺動式單耳環(huán)氣缸。 （2）作用力大小 負(fù)載力 F，負(fù)載率 η=70%，氣缸輸出力 F 拉=F\η ，F(xiàn) 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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