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本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))
題 目
倉儲中的機(jī)器配件紙箱打包機(jī)的設(shè)計(jì)
院 系
班 級
姓 名
學(xué) 號
答辯時間 年 月
目 錄
摘要 3
1 紙箱打包機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢 4
1.1 紙箱打包機(jī)的分類 4
1.2 紙箱打包機(jī)設(shè)計(jì)的方向 4
1.2.1 發(fā)展多品種 4
1.2.2 提高自動化程度 4
1.2.3 提高打包速度 4
1.2.4 改進(jìn)燙頭結(jié)構(gòu) 5
1.2.5 改進(jìn)捆緊機(jī)構(gòu) 5
1.2.6 打包帶環(huán)?；?5
2 紙箱打包機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)及工作原理 5
2.1 功能需求 5
2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo) 6
2.3方案確定及工作原理 6
2.3.1 弓架導(dǎo)帶槽 7
2.3.2 機(jī)頭機(jī)構(gòu) 8
2.3.3 摩擦熔接機(jī)構(gòu) 9
2.3.4張緊機(jī)構(gòu) 10
2.3.5機(jī)架的設(shè)計(jì) 11
3紙箱打包機(jī)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì) 12
3.1凸輪的設(shè)計(jì) 12
3.1.1左頂?shù)厄?qū)動凸輪的設(shè)計(jì) 12
3.1.2中頂?shù)厄?qū)動凸輪的設(shè)計(jì) 15
3.1.3右頂?shù)厄?qū)動凸輪的設(shè)計(jì) 18
3.2摩擦熔接頭的設(shè)計(jì) 21
3.2.2幾何參數(shù)的確定 22
3.2.3熔接熱Q 22
3.3電機(jī)的選擇 22
3.3重要軸的設(shè)計(jì) 24
3.3.1凸輪軸的設(shè)計(jì) 24
3.3.2張緊輪軸的設(shè)計(jì) 26
27
3.4工作時間的計(jì)算 28
3.5打包帶的選擇 28
4 結(jié)論 28
參考文獻(xiàn)： 30
謝 辭 31
倉儲中的機(jī)器配件紙箱打包機(jī)的設(shè)計(jì)
摘要：本文闡述了紙箱打包機(jī)的分類、國內(nèi)外紙箱打包機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。致力于設(shè)計(jì)一種成本低，機(jī)構(gòu)緊湊，操作方便的紙箱打包機(jī)。本文設(shè)計(jì)了紙箱打包機(jī)的工作原理及機(jī)構(gòu)組成。確定了設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了關(guān)鍵參數(shù)及零部件，其中包括機(jī)頭部件，張緊部件，弓架導(dǎo)帶槽，機(jī)架等重要零部件。
關(guān)鍵詞：凸輪機(jī)構(gòu)；自動打包機(jī)；摩擦張緊
The machine parts in the warehouse are designed to be chartered
Abstract: This paper expounds the classification of carton packing and the development of the packing machine at home and abroad. We are committed to designing a cardboard box with low cost, compact and convenient operation. This paper designs the working principle and organization of carton packing machine. The design of the key parameters and components, including the machine head parts, the tensioning parts, the bow guide grooves, the frame, etc., are designed and designed.
Key words: CAM mechanism; Automatic packing machine;
Friction tensioning
1 紙箱打包機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢
我國的包裝機(jī)械行業(yè)取得了世人矚目的進(jìn)步。目前國內(nèi)的紙箱打包機(jī)大都采用熱熔搭接法，這種方法雖然具有粘接強(qiáng)度好，加熱快成本低等特點(diǎn),但對于某些易爆、易燃物品的打包就難以適應(yīng)，如火藥、化纖等物品。由于采用電熱加熱。[1]燙頭的表面溫度分布不均勻而且熱效率低,影響接頭質(zhì)量，增加了能耗，因此為提高燙頭的工作可靠性，必須對燙頭加熱形式進(jìn)行改進(jìn)。介于以上熱燙頭的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了了一種更可靠、安全、環(huán)保的熔接方式—摩擦熔接。
1.1 紙箱打包機(jī)的分類
（1）機(jī)械式的手動紙箱打包機(jī)，即通過杠桿等機(jī)構(gòu)，先按住打包帶，再由工打包，工作人員勞動強(qiáng)度大，且操作不能規(guī)范，打包效果差。
（2）半自動打紙箱包機(jī)，工作時需要要人工手動將打包帶插入機(jī)器后，機(jī)器才會完成收緊帶、粘合、切斷、出帶等一系列打包過程，由于每次打包都需人工手動操作[7]，所以工作效率較低，勞動強(qiáng)度高。
（3）全自動紙箱打包機(jī)，即由工作人員把包裝箱送到工作臺上，觸發(fā)打包開關(guān)后，自動完成全部的打包動作，人工參與較少，故效率高，勞動強(qiáng)度較低。
（4）全自動無人化紙箱打包機(jī)，就是把自動打包機(jī)集成到生產(chǎn)線上，成為一個打包單元，由生產(chǎn)線把包裝物送至打包位置，傳感器感應(yīng)到后發(fā)送信號到打包單元，打包單元自動完成全部的打包動作[6]。
1.2 紙箱打包機(jī)設(shè)計(jì)的方向
1.2.1 發(fā)展多品種
由于社會商品生產(chǎn)的逐漸發(fā)達(dá)和打包機(jī)械在使用過程中所顯示的極大適應(yīng)性，使打包機(jī)械的應(yīng)用越來越廣，除要滿足一般重量，大小和批量的包件打包外，還要求有能適應(yīng)防水，防塵，防爆型打包機(jī)。
1.2.2 提高自動化程度
工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展對包裝打包的自動化程度要求越來越高，研發(fā)設(shè)計(jì)具備燙頭溫度控制，故障報(bào)警。自動打包，自動計(jì)數(shù)等功能。
1.2.3 提高打包速度
為適應(yīng)生產(chǎn)流水線的需要，必須相應(yīng)的提高打包速度。目前我國自動打包機(jī)的普遍水平為每道打包時間3——3 .5秒，最快的為2.8秒，而國外的普遍水平為1.8——2.5秒，最快的0.96秒。
1.2.4 改進(jìn)燙頭結(jié)構(gòu)
塑料帶打包機(jī)是利用塑料打包帶捆緊包件后，使帶的兩端搭接而實(shí)現(xiàn)打包的，如何使帶的二端搭接有多種不同的方法。我國目前使用熱熔搭接法，這種方法雖然具有粘接強(qiáng)度好，加熱快。成本低等特點(diǎn)，對于某些易爆、易燃物品的打包就難以適應(yīng)。 [11]故本次設(shè)計(jì)的熔接方式摩擦熔接,使兩層打包帶這間高速摩擦 使打包帶表面融化,然后被壓緊,從而實(shí)現(xiàn)打包帶融合。
1.2.5 改進(jìn)捆緊機(jī)構(gòu)
目前我國的打包機(jī)主要采用的調(diào)節(jié)張緊力的方法有兩種，調(diào)整張緊臂的擺動角度來實(shí)現(xiàn)調(diào)整和調(diào)整壓縮彈簧對摩擦離合器的壓力，因此改變送帶滾輪的傳動力來實(shí)現(xiàn)捆緊力的調(diào)整，前者屬于定距離型捆緊。而后者則是屬于定力量型，從調(diào)整的范圍和對包件的適應(yīng)性來講。定力量型能更好地實(shí)現(xiàn)有效打包。
1.2.6 打包帶環(huán)保化
研制開發(fā)以紙質(zhì)和無毒可降解的有機(jī)材料為主的打包帶代來替聚丙烯塑料。改變熱熔接方式，傳統(tǒng)的熱熔接的方式粘合打包帶會產(chǎn)生有毒有害氣體對操作者的健康及大氣環(huán)境造成不利影響，研究新的粘合技術(shù)來避免。
2 紙箱打包機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)及工作原理
2.1 功能需求
該打包機(jī)打包的規(guī)格：打包材料是15mm寬1m厚的的PP帶，打包紙箱的尺寸為：長600mm,寬500mm,高400mm ，以及比該尺寸小的紙箱等物件，但改變時要對各運(yùn)動參數(shù)稍做修改，方可進(jìn)行打包。設(shè)計(jì)的打包機(jī)需滿足以下功能要求：
（1）可完成紙箱打包
要完成這一功能，系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)1繞帶，2張緊，3切斷熔接這三個主要功能。
（2）自動打包
打包過程中的各項(xiàng)操作，需要人力參與的僅僅是推箱，自動化程度較高，大大降低了人的勞動強(qiáng)度。
（3）較低的設(shè)計(jì)和制造成本
該打包機(jī)合運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù)，減少了許多機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，降低整個打包機(jī)的設(shè)計(jì)和制造成本，使其具有較好的推廣性。
（4）具有緊湊的機(jī)械機(jī)構(gòu)
根據(jù)各部分的運(yùn)動規(guī)律，簡化機(jī)械傳動裝置，合理安排各機(jī)構(gòu)的布局。
2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)
明確設(shè)計(jì)目標(biāo)是打包機(jī)設(shè)計(jì)第一階段的任務(wù)，是打包機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。下面對所研制的打包機(jī)的具體工藝進(jìn)行分析。本打包機(jī)采用平行式打包，即兩道打包帶平行包裹在紙箱上。
打包機(jī)的一次工作過程為：
(1)箱子達(dá)到預(yù)定位置,(2)送帶,(3)打包帶進(jìn)入弓架導(dǎo)帶槽，形成垂直帶圈。(4)收帶,(5)打包帶從弓架導(dǎo)帶槽中拉出,纏繞在紙箱上,(6)收緊,(7)切斷打包帶,(8)摩擦熔接,(9)推出紙箱。
2.3方案確定及工作原理
本次設(shè)計(jì)采用的熔接方式為摩擦熔接。機(jī)頭部件的三個頂?shù)队扇齻€凸輪驅(qū)動。張緊力的調(diào)節(jié)由一個機(jī)構(gòu)巧妙的摩擦離合器實(shí)現(xiàn)。繞帶機(jī)構(gòu)為帶合頁板的弓架導(dǎo)帶槽。機(jī)架為用方鋼焊接而成的機(jī)架結(jié)構(gòu)。將打包機(jī)分為幾個部分，各部分分別完成各自的動作，并協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)打包機(jī)的功能。[15]
5
4
3
1
2
1- 儲帶輪 2-弓架導(dǎo)帶槽 3張緊部件 4機(jī)頭部件 5-機(jī)架
圖1紙箱打包機(jī)三維模型
2.3.1 弓架導(dǎo)帶槽
結(jié)構(gòu)組成：
弓架導(dǎo)帶槽的作用是形成垂直的帶圈，實(shí)現(xiàn)打包帶可以捆扎在紙箱上，其結(jié)構(gòu)由弓架 1-弓架導(dǎo)帶槽，2-合頁板，3-左導(dǎo)帶槽，4-右導(dǎo)帶槽組成。弓架導(dǎo)帶槽的規(guī)格決定了可打包紙箱的大小。本次設(shè)計(jì)的弓架導(dǎo)帶槽可打包的紙箱規(guī)格為600mm×500mm×400。比這個小的紙箱都可以打包。
1- 弓架導(dǎo)帶槽 2-合頁板 3-左導(dǎo)帶槽 4-右導(dǎo)帶槽
圖1弓架導(dǎo)帶槽
工作原理：
打包帶被張緊送帶機(jī)構(gòu)送到右導(dǎo)帶槽4的導(dǎo)帶槽中，通過機(jī)頭機(jī)構(gòu)的頂?shù)逗?，繼續(xù)送帶，通過左導(dǎo)帶槽3進(jìn)圖弓架導(dǎo)帶槽1中，順時針形成一個垂直帶圈，當(dāng)送帶結(jié)束后，張緊輪反轉(zhuǎn)，進(jìn)入退帶張緊階段，打包帶被張緊機(jī)構(gòu)收緊，打包帶克服合頁板的彈簧力，從弓架導(dǎo)帶槽1從只脫出，捆扎在紙箱上，弓架導(dǎo)帶槽的凹槽為一個寬度30mm，高度10m的長方形槽，外部用合頁板封住，截面如圖3所示。[13]
1
2
1-弓架導(dǎo)帶槽 2-合頁板
圖3弓架導(dǎo)帶槽截面
2.3.2 機(jī)頭機(jī)構(gòu)
機(jī)構(gòu)組成：
機(jī)頭機(jī)構(gòu)是由1-止動開關(guān)，2-左頂?shù)叮?-中頂?shù)叮?-摩擦熔接頭，5-切斷刀，6-右頂?shù)叮?-凸輪軸，8-左頂?shù)锻馆?，9-中頂?shù)锻馆啠?0-右頂?shù)锻馆啠?1-凸輪箱體組成。機(jī)頭機(jī)構(gòu)是紙箱打包機(jī)的重要工作機(jī)構(gòu)，由凸輪驅(qū)動推桿，推桿上裝有頂?shù)?，?shí)現(xiàn)對形成垂直帶圈后的打包帶進(jìn)行夾緊，切斷，摩擦熔接等工序。
1-止動開關(guān) 2-左頂?shù)?3-中頂?shù)?4-摩擦熔接頭 5-切斷刀6-右頂?shù)? 7-凸輪軸
8-左頂?shù)锻馆? 9-中頂?shù)锻馆?10-右頂?shù)锻馆? 11-凸輪箱體 12-打包帶
圖4凸輪機(jī)構(gòu)
工作原理:
打開工作開關(guān),打包帶12被張緊裝置推送到弓架導(dǎo)帶槽中,形成垂直帶圈。此后的工作交由凸輪機(jī)構(gòu)完成。凸輪軸上連接有凸輪電機(jī)，凸輪電機(jī)是凸輪模塊的動力系統(tǒng)。當(dāng)打包帶12的自由端觸動止動開關(guān)1就停止送帶。張緊輪電機(jī)反轉(zhuǎn)，進(jìn)入退帶張緊階段。同時右頂?shù)?上升，將打包帶12的自由斷壓緊在墊板上，待退帶張緊階段結(jié)束，2左頂?shù)渡仙?，將打包?2的從動端壓緊在墊板上，中頂?shù)渡仙倪^程中，安裝在中頂?shù)队疫叺那袛嗟?會先將打包帶切斷。中頂?shù)独^續(xù)上升，摩擦熔接頭開始做左右方向的震動，帶動上層打包帶做左右方形的震動，下層打包帶被中頂帶固定，即上下兩層打包帶之間會發(fā)生相對摩擦位移，從而使打包帶表面摩擦融化，中頂?shù)独^續(xù)上升，將兩層打包帶壓緊熔接。熔接過程完成，各頂?shù)稄?fù)位，推出紙箱。要完成這一功能，查的pp帶間的摩擦系數(shù)為0.43，摩擦熔接頭的底部和中頂?shù)俄敳慷紩庸こ鼍W(wǎng)狀的紋路。增加摩擦力，使得兩層打包帶之間可以發(fā)生相對滑動。
2.3.3 摩擦熔接機(jī)構(gòu)
結(jié)構(gòu)組成：
摩擦熔接結(jié)構(gòu)由1-震動軸，2-震動器，3-偏心軸，4-震動摩擦桿組成。本機(jī)摒棄了電加熱燙頭的熔接方式，設(shè)計(jì)了更加安全，環(huán)保，能耗低，熔接更可靠的熔接方式——摩擦熔接。
圖5震動摩擦機(jī)構(gòu)
工作原理：
電機(jī)連接在偏心軸上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，偏心軸就會跟著轉(zhuǎn)動，偏心軸的頂端是一個偏心距為1.5m的偏心輪，在偏心輪的作用下，震動器會以震動軸的軸線做高速擺動，震動器更震動軸用鍵連接，振動軸就會跟隨震動器一起高速擺動，這樣就將電機(jī)的轉(zhuǎn)動改變?yōu)榱艘粋€高速的震動。震動軸上會連接一個震動桿，震動軸的繞軸震動機(jī)會被震動桿轉(zhuǎn)化為一個水平面內(nèi)的左右震動，達(dá)到預(yù)期效果。
如圖2-6所示，當(dāng)熔接頭左右高速震動時，就會帶動上層打包帶一起震動，上相兩層打包帶之間就會發(fā)生摩擦位移，從而使得打包帶的表面摩擦熔化，動停止震動時，兩層打包帶被壓緊熔接。
1- 摩擦熔接頭 2-中頂?shù)?3-打包帶
圖6熔接過程示意圖
2.3.4張緊機(jī)構(gòu)
結(jié)構(gòu)組成：
張緊機(jī)構(gòu)是由1-張緊輪軸，2-軸承，3-摩擦外輪，4-摩擦內(nèi)輪，5-彈簧 6-調(diào)節(jié)螺母，7-壓緊輪組成。本機(jī)的送帶機(jī)構(gòu)，張緊機(jī)構(gòu)為同一個機(jī)構(gòu)，簡化了機(jī)械機(jī)構(gòu)。負(fù)責(zé)繞帶，張緊工作。工作分為個兩階段，送帶階段，退帶張緊階段，由PLC控制。動力來源于電機(jī)。[19]
1-張緊輪軸 2-軸承 3-摩擦外輪 4-摩擦內(nèi)輪 5-彈簧 6-調(diào)節(jié)螺母 7-壓緊輪
圖7張緊機(jī)構(gòu)
工作原理：
打包帶從摩擦外3輪與壓緊輪7之間穿過，送帶時，張緊輪軸1正轉(zhuǎn)，打包帶在摩擦力的作用下送帶。退帶張緊時，張緊輪輪軸反轉(zhuǎn)，打包帶在摩擦力的作用下退帶收緊。
摩擦力的調(diào)節(jié)：
本機(jī)的摩擦力的調(diào)節(jié)為定力量型調(diào)節(jié)，即通過壓縮對摩擦離合器的壓力，因此改變送帶滾輪的傳動力來實(shí)現(xiàn)捆緊力的調(diào)整，摩擦內(nèi)輪與摩擦外輪3組成了一個摩擦離合器。摩擦內(nèi)輪4與張緊輪軸1通過鍵剛性的連接在一起，摩擦外3輪與張緊輪軸1無鍵連接，摩擦外輪3與摩擦內(nèi)輪4通過粗糙的錐面接觸，摩擦內(nèi)輪4通過摩擦力將動力傳遞給摩擦外輪6。通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)螺母7改變彈簧壓縮量，從而改變摩擦外輪3與摩擦內(nèi)輪4的壓力，改變摩擦力。張緊時，當(dāng)打包帶與摩擦外輪3之間的摩擦力小于摩擦內(nèi)輪4與摩擦外輪之間的摩擦力時，摩擦離合器處于合的狀態(tài)。當(dāng)打包帶與摩擦外輪3之間的摩擦力大于摩擦外輪3與摩擦內(nèi)輪4之間的摩擦力時，摩擦內(nèi)輪與摩擦外輪發(fā)生相對滑動，摩擦外輪不再與張緊輪軸1一起轉(zhuǎn)動，此時，摩擦離合器處去離的狀態(tài)，打包帶不在收緊，保護(hù)紙箱不被拉變形。
2.3.5機(jī)架的設(shè)計(jì)
機(jī)架決定了紙箱打包機(jī)的整體尺寸與可打包紙箱的規(guī)格，機(jī)架承載著紙箱打包機(jī)的各個部件，使得紙箱打包機(jī)的功可以實(shí)現(xiàn)，機(jī)架的設(shè)計(jì)，我采用的是型材，40mm×40mm，壁厚為5mm的方形鋼管焊接而成，用型材焊出一個長1000mm，寬800mm，高700mm的長方體。頂部用螺栓連接紙箱打包機(jī)的工作臺，工作臺上用螺栓連接弓架導(dǎo)帶槽，機(jī)架的內(nèi)部安裝機(jī)頭部件，張緊部件。機(jī)架的底面與兩個側(cè)面及背面用厚度為4mm的板材封住，正面為5mm板材設(shè)計(jì)的門，可以打開，紙箱打包機(jī)的工作部件安裝在機(jī)架上方五分之一處，機(jī)架下方五分之四的空間被設(shè)計(jì)成一個儲物柜。
1- 儲帶輪 2-工作臺面 3機(jī)架
圖8機(jī)架
3紙箱打包機(jī)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)
3.1凸輪的設(shè)計(jì)
凸輪機(jī)構(gòu)為機(jī)頭部件的核心零件，凸輪的設(shè)計(jì)決定了整個紙箱打包機(jī)的的功能能否實(shí)現(xiàn)，凸輪的精度決定了紙箱打包機(jī)的打包質(zhì)量。本機(jī)的凸輪共有三個，每個凸輪都有自己獨(dú)立的功能，三個凸輪協(xié)同工作，共同實(shí)現(xiàn)打包機(jī)的功能。[20]
3.1.1左頂?shù)厄?qū)動凸輪的設(shè)計(jì)
左頂?shù)吨饕?fù)責(zé)在完成二次張緊后將打包帶的從動端夾緊，如圖3-1所示，根據(jù)左頂?shù)秳幼鲿r序?qū)⒆箜數(shù)厄?qū)動凸輪輪廓分成六部分：區(qū)段1 和2 分別為一次上升期和一次休止期，用于在退帶時對打包帶形成托舉力，以免退帶時打包帶纏繞某些零件；區(qū)段3和4 分別為二次上升期和二次休止期，用于將打包帶從動端夾緊；區(qū)段5 和6 分別為回程期和近休止期，此時已完成打包帶的切割、燙合等動作，左頂?shù)痘氐匠跏嘉恢玫却乱恢芷?。[20]
圖9左頂?shù)锻馆?
左頂?shù)厄?qū)動凸輪基圓半徑，滾子半徑，從動件運(yùn)動位移方程為：
（1）一次上升期，升程，凸輪運(yùn)動角
從動件位移方程
其中，
（2）一次休止期，凸輪運(yùn)動角，從動件位移方程
（3）二次上升期，升程，凸輪運(yùn)動角
從動件位移方程
（4）二次休止期，凸輪運(yùn)動角，從動件位移方程
（5）回程期，升程，凸輪運(yùn)動角
從動件位移方程
（6）三次休止期，凸輪運(yùn)動角，從動件位移方程
綜上，從動件位移方程
（3-2）
由式知，凸輪理論輪廓坐標(biāo)為
（3-3）
取凸輪運(yùn)動角步長為為1° ，得到左頂?shù)厄?qū)動凸輪理論輪廓曲線，如圖 3-4 中曲線 1，將曲線 1 導(dǎo)入 CAD 中偏置滾子半徑后得到凸輪實(shí)際輪廓曲線，滾子直徑為9.5m
圖10左頂?shù)锻馆嗇喞?
3.1.2中頂?shù)厄?qū)動凸輪的設(shè)計(jì)
中頂?shù)吨饕?fù)責(zé)將打包帶頂緊在摩擦熔接桿表面使其充分熔融，并在熔融后將熔融區(qū)域夾緊在一起使其焊接牢固。[20]根據(jù)中頂?shù)秳幼鲿r序?qū)⒅许數(shù)厄?qū)動凸輪輪廓分為五部分：
區(qū)段1 和2 分別為一次上升期和一次休止期，用于將上下兩層打包帶頂在摩擦燙頭表面使其充分熔融，同時將打包帶從動端切斷；區(qū)段
區(qū)段3為二次上升期此時，用于將摩擦熔融后的的上下兩層打包帶繼續(xù)壓緊，使其充分融合
區(qū)段4和5為回程期和近休止期，用于打包結(jié)束凸輪在彈簧作用下復(fù)位。
圖11中頂?shù)锻馆?
（1）一次上升期，升程，凸輪運(yùn)動角，從動件位移方程為下：
（2）一次休止期，凸輪運(yùn)動角，從動件位移方程為，其中，.
（3）二次上升，升程，凸輪運(yùn)動角，從動件位移方程為
其中，
（4）二次休止期，凸輪運(yùn)動角，從動件位移方程為，其中，
。
（5）
其中，
（7）二次回程期，升程，凸輪運(yùn)動角，從動件位移方程為
其中
綜上，從動件位移方程
（3-4）
凸輪理論輪廓坐標(biāo)為
（3-5）
3.1.3右頂?shù)厄?qū)動凸輪的設(shè)計(jì)
右頂?shù)队糜谠诖虬鼛蛶У轿缓髮⒋虬鼛ё杂啥藠A緊，右頂?shù)厄?qū)動凸輪輪廓較為簡單，根據(jù)右頂?shù)秳幼鲿r序，將右頂?shù)厄?qū)動凸輪輪廓分為四部分，[21]如圖 3-9
所示：區(qū)段1和2 分別為推程期和遠(yuǎn)休止期，在打包周期開始時右頂?shù)读⒖躺仙龑⒋虬鼛ё杂啥藠A緊；區(qū)段3 和4 分別為回程期和近休止期，在打包周期結(jié)束后右頂?shù)痘貜?fù)原位。[20]
圖12右頂?shù)锻馆?
（1）推程期，升程 ，凸輪運(yùn)動角，從動件運(yùn)動方程為
其中，
（2）遠(yuǎn)休止期，凸輪運(yùn)動角，從動件運(yùn)動方程為
其中，
（3）回程期，升程，凸輪運(yùn)動角，從動件運(yùn)動方程為
其中，
（4）近休止期，凸輪運(yùn)動角，從動件運(yùn)動方程為
其中，
綜上，從動件位移方程
（3-9）
凸輪理論輪廓坐標(biāo)為
（3-10）
取凸輪運(yùn)動角步長為，即右頂?shù)厄?qū)動凸輪理論輪廓曲線，如圖 3-10 曲線 1 所示將曲線 1 導(dǎo)入 CAD 偏置從動件滾子半徑后得到凸輪實(shí)際輪廓曲線，如曲線 2 所示。
圖13右頂?shù)锻馆嗇喞?
圖14左動刀凸輪三維模型 圖15中頂?shù)锻馆喨S模型
圖16右頂?shù)锻馆喨S模型
3.2摩擦熔接頭的設(shè)計(jì)
擦熔接時，摩擦熔接頭高速振動的振幅為a，則每次擺動的單向行程為2a
設(shè)摩擦的回轉(zhuǎn)半徑為r
摩擦熔接時，摩擦帶動上位帶高速振動。使上下位帶之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，摩擦生熱。 此時紙箱已捆緊，帶除受正壓力外，還受捆緊力的作用，
所以振幅不宜過大，一般取。
摩擦熔接時，摩擦的平均線速度
3.2.2幾何參數(shù)的確定
最大擺角和偏心距e及R的確定
設(shè)定e=1.5mm,由偏心軸和震動器的繪圖測出最大擺角=3°。
最大擺角經(jīng)過震動桿后，摩擦熔接頭的左右擺動的距離為3mm。
3.2.3熔接熱Q
設(shè)帶的截面寬b為15mm，熔接長度l=20mm，聚丙烯帶的密度ρ=9.2×10-4 ,并假設(shè)二層帶子各熔融mm,則熔融質(zhì)量。m=0.4?b?l?ρ=0.11g
熔接熱
式中 -比熱，取0.4
-加熱溫度，聚丙烯帶熔比溫度為165℃ ，取180℃，工作溫度約200℃.
Q=0.4×180×0.11 =7.92cal=32J.
3.3電機(jī)的選擇
在紙箱自動打包機(jī)中我選用了三個電機(jī),它們分別是:凸輪電機(jī)A,用于三個頂?shù)兜纳舷峦鶑?fù)運(yùn)動及打包帶的切斷;張緊電機(jī)B,用于收送帶和張緊帶;震動電機(jī)C,使打包帶熔接,要求電機(jī)有高轉(zhuǎn)速;
(1)凸輪電機(jī)的選擇
要選擇電機(jī)就要知道它所受的力，所以首先要知道電機(jī)帶動的部件的質(zhì)量
凸輪的質(zhì)量 將凸輪近似的看做一個半徑為r的圓，鋼密度ρ=7.9g/cm3
m = ρ v
= ρπr2h
= 7.9×3.14×2.5×2.5×1
= 155
三個頂?shù)兜馁|(zhì)量 m = ρ v
= (2×2×2＋2×2×2×1＋2×2×1)×7.9×3
= 380
設(shè)切帶力為5N 鋼摩擦系數(shù)μ=0.005
F = m頂?shù)叮蘊(yùn)＋F切
= 380＋380×0.005＋500
= 882
凸輪可近似看做半徑為r=L=0.025m,三個凸輪等效半徑r=0.075m
M = FL
= 8.82×0.075
= 0.06615
M = 9549 P/ n > 0.5876
9549×0.08 / 1200 = 0.6366 > 0.5876
因?yàn)橐刂仆馆喌霓D(zhuǎn)速，所以選擇伺服電機(jī) 查表,最終選擇SGM7J-02AFC6S伺服電機(jī)。額定功率200W 。
（2）張緊電機(jī)的選擇
由機(jī)構(gòu)知收帶時的力大于送帶時的力，只用計(jì)算收帶時的力，因此用收帶力來選電機(jī)，設(shè)收緊力為F=15N ，查得PP 帶與張緊輪輪的摩擦系數(shù)μ=1.0——4.0 這里取3.0。
電動機(jī)受的力F=f + F1 = F1μ+ F1=15×3+15= 60，
L為張緊輪的半徑 L=2.5，
M = F L = 60×0.025 = 1.5
M = 9549 P / n > 1.1.5
9549× 0.75 / 2830 = 2.5 > 1.5
因此查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊,選擇SGM7J-08AFC6S 伺服電機(jī)。額定功率750W,額定轉(zhuǎn)速2820r/min。工作轉(zhuǎn)速220r/min。
（3）震動電機(jī)C的電機(jī)選擇
電機(jī)C用于產(chǎn)生高速的振動，本身不承受很大的載荷，只要求有高的轉(zhuǎn)速，因此查光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)使用手冊（下冊），最終選用70SL01兩相交流伺服電動機(jī)，轉(zhuǎn)速為6000轉(zhuǎn)/分鐘。額定功率1000W。
3.3重要軸的設(shè)計(jì)
3.3.1凸輪軸的設(shè)計(jì)
圖17 凸輪軸
凸輪軸主要是承載三個凸輪和連接凸輪電機(jī),主要分為三段,裝配關(guān)系從右起:
第一段：l=9mm,d=12mm。裝軸承。
第二段：l=80mm，d=15mm。主要承載三個凸輪，凸輪間有套筒定位。
第三段：l=46mm，d=12mm。靠近軸肩出裝軸承。最左端裝聯(lián)軸器，連接凸輪電機(jī)。
(1)選擇軸的材料
該軸傳遞一般大小功率、轉(zhuǎn)速也不高，作為主動力軸，故該軸的材料可以選擇45鋼。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，由表15-1查得許用應(yīng)力為σ-1b=60MPa。硬度為217—255HBS. 強(qiáng)度極限為σb=650MPa 。
（2）按轉(zhuǎn)矩估算軸徑
根據(jù)公式d≥35T[τ]×311-v4可算得最小軸徑，
其中，T=9550000P/n,[τ]=40,v=d0d
算得dmin=10.65mm
（3）凸輪軸的校核計(jì)算
轉(zhuǎn)矩T由凸輪電機(jī)輸入,T=T’=9550Pn=9550×0.2Kw20r/min=95.5N?m
凸輪軸水平放置,故沒有軸向力Fa,徑向力Fr為軸上零件的重力和軸的自重.
Fr的組成由五個部分,三個頂?shù)兜闹亓?三個凸輪的重力,這里為將三個凸輪簡化為一個半徑為25mm圓做受力分析。四個軸套的重力，三個推桿的重力，軸的自重。
① 凸輪重力：3.14×2.5×2.5×1×7.9×3=465g
② 頂?shù)吨亓Γ?×3×2×7.9=237g
③ 桿的重力：3.14×0.3×0.3×7×3×7.9=47g
④ 軸套重力：3.14×0.1×0.1×1×4×7.9=1g
⑤ 軸的自重：[3.14×0.6×0.6×4.6＋3.14×0.75×0.75×8＋0.6×0.6×0.9]×7.9=160g
Fr=①＋②＋③＋④＋⑤=901g=9N
因?yàn)閮蓚€支反力對稱分布，F(xiàn)N1=FN2=12Fr=4.5N
a-受力分析圖 b-應(yīng)力圖 c-彎矩圖 d-扭矩圖
圖 18凸輪軸的受力圖
根據(jù)彎扭合成強(qiáng)度校核軸
（4）計(jì)算當(dāng)量彎矩
由，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，軸單向運(yùn)轉(zhuǎn)，載荷有沖擊，故其轉(zhuǎn)矩可看成脈動循環(huán)變化，取，則：
Mca=M2+(αT2)2=198+(0.6×95500)2=57300N?mm
對危險(xiǎn)界面強(qiáng)度進(jìn)行校核：
由參考文獻(xiàn)公式查得：
σca=McaW=57300N·mm0.1×123=54.3MPa<[σ-1]
前已選定的軸材料為45鋼，調(diào)制處理，查得故安全。
3.3.2張緊輪軸的設(shè)計(jì)
圖19張緊輪軸
（1）張緊輪軸是張緊部件中的重要零件，承載摩擦輪和連接張緊輪電機(jī)。裝配關(guān)系從右起：
第一段：l=20mm，d=14mm。車出M14的螺紋，裝上M14的調(diào)節(jié)螺母。
第二段：l=31mm，d=14mm。裝摩擦內(nèi)輪與摩擦外輪。
第三段：l=11mm，d=24mm。軸肩。
第四段：l=20mm，d=20mm。裝軸承。
第五段：l=27mm，d=12mm。裝聯(lián)軸器，連接張緊輪電機(jī)。
（2）張緊輪軸的檢核計(jì)算
張緊輪的轉(zhuǎn)速與打包帶的的送帶速度設(shè)定有關(guān)，設(shè)定的打包帶送帶速度為6m/s，摩擦外輪的半徑為25mm。 由公式V=wr。w=2πn。得到n=228r/min
T=9550Pn=9550×0.75228=31.4N·m
張緊輪軸水平放置，沒有軸向力Fa，徑向力Fr為軸上零件的重量及軸的自重。
①軸的自重：[3.14×0.6×0.6×2.7+3.14×1×2＋3.14×1.2×1.2×1.1＋3.14×0.7×0.7×5.5]×7.9=179.8g
②軸上零件重量：3.14×（2.5×2.5-1.4×1.4）×2×7.9=213g
Fr=①＋②=394g=4N，豎直方向僅有軸承的支反力和徑向力Fr，故FN=Fr=4N
a-受力分析圖 b-應(yīng)力圖 c-彎矩圖 d-扭矩圖
圖20張緊 輪受力圖
根據(jù)彎扭合成強(qiáng)度校核軸，算當(dāng)量彎矩，由，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，軸單向運(yùn)轉(zhuǎn)，載荷有沖擊，故其轉(zhuǎn)矩可看成脈動循環(huán)變化，取，則：
Mca=M2+(αT2)2=140+(0.6×31400)2=18840N?mm
由參考文獻(xiàn)公式查得：
σca=McaW=18840N·mm0.1×123=46.5MPa<[σ-1]
已選定的軸材料為45鋼，調(diào)制處理，查得故安全。
3.4工作時間的計(jì)算
如果要讓紙箱能夠進(jìn)入帶圈，帶圈必須足夠大。紙箱高度為400mm,形成帶圈時，打包帶需要通過整個導(dǎo)帶槽，并且重疊20mm。送帶長度的計(jì)算，帶要通過整個弓架導(dǎo)帶槽，則帶的長度l=2280mm+20mm=2300mm。張緊電機(jī)B的額定轉(zhuǎn)速為,張緊摩擦外輪的半徑r=25mm。送帶速度，根據(jù)我閱讀的文獻(xiàn)，設(shè)定送帶速度v=6m/s。
則送帶時間t=lv =2.36=0.38s
（1）收帶時間計(jì)算
設(shè)收帶速度也為V收=6m/s
收帶的長度為l收=l-l紙箱周長=2300mm -1800mm=500mm。
則收帶時間為t收=l收v=0.56=0.083s
（2）張緊輪從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的時間間隔 t間隔 =0.5s
（3）收帶接收后，張緊打包帶需要的時間t緊=0.5s
（4）凸輪軸的轉(zhuǎn)速為20r/min=1r/3s。凸輪軸轉(zhuǎn)動一周，三個凸輪就完成一次打包。即機(jī)頭打包的的時間為3s。
綜上所述：一道打包過程的時間t總=t送+t收+t緊+t間+t打=0.38s+0.083s+0.5s+0.5s+3s=4.463s，約等于t總=4.5s
3.5打包帶的選擇
因?yàn)樵摷埾浯虬鼨C(jī)是用在倉儲中的機(jī)器配件的打包，故需要更強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度的打包帶。我選用的打包帶為寬度為15mm，厚度為1mm的聚丙烯打包帶，抗拉強(qiáng)度在8000N左右，熔接燙頭的接口抗拉強(qiáng)度能達(dá)到原帶的80%，為6500N。完全可以適應(yīng)此型打包機(jī)的工作需要。
4 結(jié)論
本文對該自動打包機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。完成的工作主要有：
（1）設(shè)計(jì)了打包機(jī)總體結(jié)構(gòu)
對打包機(jī)的功能進(jìn)行了深入分析，確定了打包機(jī)的各個組成部分，即：機(jī)頭部分、收送帶部分、弓架導(dǎo)帶槽部分。根據(jù)各部分的功能需求，對其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。
（2）設(shè)計(jì)了巧妙的傳動機(jī)構(gòu)，各個部件由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動，省去了復(fù)雜成本高的傳動機(jī)構(gòu)，簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)。
（3）運(yùn)用UG10.0創(chuàng)建了紙箱打包機(jī)的的三維模型和各個零部件的三維模型。運(yùn)用Auto CAD繪出自動紙箱打包機(jī)的裝配圖及零件圖，共計(jì)十九張，一張零號圖，兩張一號圖，五張二號圖，十一張三號圖。
（4）采用機(jī)電一體化控制的方式對系統(tǒng)進(jìn)行控制
系統(tǒng)采用了PLC技術(shù)，使得控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程大為簡化，機(jī)構(gòu)變得簡單，降低了系統(tǒng)的成本，提高了系統(tǒng)的性能。
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謝 辭
時光匆匆，轉(zhuǎn)眼就到了畢業(yè)季，這也是我學(xué)生時代的終點(diǎn)，也是一個新的人生的起點(diǎn)。此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)歷史4個月，當(dāng)我拿到畢業(yè)設(shè)計(jì)題目時就已開始準(zhǔn)備，畢業(yè)設(shè)計(jì)是對我大學(xué)四年最好的總結(jié)，我從對打包機(jī)沒有接觸，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，通過文獻(xiàn)，圖片，視頻，對打包機(jī)的的工作原理及其機(jī)構(gòu)組成有了深刻的了解。對UG,CAD等繪圖工具加深了熟料度。畢業(yè)設(shè)計(jì)對大學(xué)所學(xué)的東西進(jìn)行了應(yīng)用。葉云霞老師對于我們做設(shè)計(jì)的同學(xué)要求都很嚴(yán)格，負(fù)責(zé)，努力做到我們的圖紙零錯誤。
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