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理工學院 畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 姓 名： xxx 學 號： xxxxx 外文出處：Applied Mechanics and Materials Vol.533 (2014) pp 294-297 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導教師評語： 簽名： 年 月 日  研究和自動化控制系統(tǒng)的材料拆分包裝開發(fā)和包裝一體機 楊凱、李忠申和張磊 機械工程與自動化學院、華僑大學,廈門,361021,中國 yangkai1@hqu.edu.cn,lzscyw@hqu.edu.cn,zllxj@vip.163.com 關鍵詞:自動控制系統(tǒng)、分包裝、包裝機、LPC2478、μC/OS-II。 文摘 為了滿足高速度、高精度、高可靠性的包裝機,提供了一種新穎的控制系統(tǒng)。在硬件方面， 主電路由主處理器模塊、存儲器模塊、溫度測量和控制模塊、輸入信號檢測模塊、材料拆分包裝模塊,輸出驅(qū)動模塊、人機界面模塊,系統(tǒng)監(jiān)控模塊,電源模塊,通過JTAG調(diào)試模塊等組成。在軟件方面，多任務操作系統(tǒng)μC/OS-II和圖形用戶界面μC/GUI被成功移植到LPC2478。然后建立了一個實驗平臺。另外還有許多控制任務，包括自動計量、制袋、加載、轉讓、抽真空、封口、數(shù)據(jù)顯示、自動并持續(xù)地在平臺上執(zhí)行。最后結果顯示:機器在一分鐘內(nèi)可以包30包(每5 g),包裝誤差≤0.2 g;包裝合格率≥93%?？傊?系統(tǒng)性能良好。 介紹 隨著人民生活水平的提高,人們對材料包裝提出了更高的要求。一些材料,如食品、藥品包裝不僅需要精確的分割,但還需要真空包裝。然而,在傳統(tǒng)的分割包裝和包裝方式上,工作很重,材料很容易污染,包裝質(zhì)量不好,包裝效率也低。為了實現(xiàn)集成的自動拆分包裝和包裝,以滿足高速度、高精度和高可靠性,迫切需要新型控制系統(tǒng)。因此,研究和開發(fā)拆分包裝和包裝上的控制系統(tǒng)集成機器具有十分重要的意義。那臺機器的自動控制系統(tǒng)提供基于ARM。 控制系統(tǒng)的總體設計 根據(jù)市場需求和小顆粒材料的拆分包裝和包裝特點,包裝流程,包含自動測量,使袋、抽真空和密封的研究?？刂葡到y(tǒng)結構設計,如圖1所示。當拆分包裝和包裝機運行時,包裝材料由材料巧妙地被分割模塊,然后他們被放入到一個現(xiàn)成的內(nèi)袋。之后,袋放入一個外袋,整個包被操縱者轉移到一個真空室,那里的空氣袋將由氣泵疏散。最后,整個袋子被密封。在這些過程中,許多電磁閥被用來控制各種執(zhí)行機構。還有許多傳感器用于檢測材料的重量和位置信息。因此,一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)的形成,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 控制系統(tǒng)的硬件設計 硬件電路由主處理器模塊、存儲器模塊、溫度測量和控制模塊、輸入信號檢測模塊、材料拆分包裝模塊、 輸出驅(qū)動模塊、人機接口模塊、系統(tǒng)監(jiān)控模塊,電源模塊,通過JTAG調(diào)試模塊等構成。其中一些人介紹如下。 主處理器模塊：由NXP半導體設計而成的LPC2478單片機,以ARM7TDMI-S為核心,它是一個高度集成的單片機，用于一個需要先進通信和高質(zhì)量圖形顯示的廣泛的應用程序。 溫度測量和控制模塊：在這臺機器中,成型內(nèi)袋和密封外袋都是在高溫操作。溫度由K-type熱電偶來衡量和LPC2478來控制。電路是圖2所示。熱電偶參考函數(shù)給出如下： E= (1) 它的逆函數(shù)是: (2) 是攝氏溫度的熱電偶,,和E(mV)是相應的電動勢,和E是轉換系數(shù)。[7]。 熱電阻的溫度通過安裝在上面的熱電偶被探測到,并放大了運算放大器OP07。然后這個信號從模擬到數(shù)字信號轉換。按照LPC2478溫度控制規(guī)則,處理結果被輸出到ULN2003，來控制固態(tài)熱繼電器YJGX-3FA的開始。 圖1控制系統(tǒng)結構 圖2溫度測量和控制電路 包裝材料分割模塊：小顆粒材料通過振動給料機轉移到重儲料器,他們通過稱重傳感器探測到的重量是3公斤。這些信號通過A / D轉換器CS5532進行轉換。之后,轉換后的數(shù)據(jù)通過SPI總線轉移到LPC2478。稱重模塊電路圖3所示。由于當前的重量和設置重量之間的差異和改變利率,LPC2478控制振動供料器所輸出的頻率不同。 圖3稱重模塊電路 圖4模塊級聯(lián)圖 模塊級聯(lián)：大部分信號通過直接耦合級聯(lián)連接,但在外部傳感器、執(zhí)行器和模塊電路的信號通過光電隔離耦合級聯(lián)連接，以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。所有模塊示意圖和整體控制系統(tǒng)的原理通過專業(yè)繪圖軟件被繪制。模塊級聯(lián)如圖4所示。 控制系統(tǒng)的軟件設計 實時多任務操作系統(tǒng)μC/OS-II的介紹，是為了設計基于自上而下的結構模型和模塊化設計的控制系統(tǒng)軟件。首先,系統(tǒng)μC/OS-II和圖形用戶界面μC/GUI成功移植到LPC2478并且初始化好。然后主程序開始創(chuàng)建任務?？刂迫蝿罩饕勺詣訙y量、制袋、加載、抽真空、封口和數(shù)據(jù)顯示等,它們通過液晶顯示程序,觸摸屏程序,拆分包裝程序,溫度控制程序、包裝控制程序、通用輸入和輸出程序等進行。其中一些人介紹如下。 液晶顯示程序：LPC2478有自己的LCD控制器。TFT真彩液晶用于顯示包裝的信息,如包裝參數(shù)調(diào)整界面,手動操作界面,實時重量,材料成型內(nèi)包溫度、密封外袋溫度和錯誤消息窗口。圖形用戶界面μC/GUI在系統(tǒng)μC/OS-II中運行,另外人機互交界面非常漂亮。LCD控制流程如圖5所示。 包裝控制程序：根據(jù)包裝的控制要求,有很多輸入和輸出信號的過程。輸入數(shù)據(jù)包括各種開關，傳感器輸出信號，用于檢測包裝機運行過程。然后將產(chǎn)生相應的控制信號通過LPC2478打開電磁閥或啟動電動機。最后的材料將被打包成包。包裝過程流程如圖6所示。 圖5液晶控制流程圖 圖6包裝過程流程圖 測試實驗 硬件和軟件集成到一個如圖7（a）所示的自動控制系統(tǒng)原型。一個拆分包裝和包裝集成的實驗平臺被建立，如圖7所示(b)。在主界面,控制系統(tǒng)可以顯示兩組材料的實時重量,成型溫度內(nèi)袋,密封外袋溫度和它們的設置。用戶可以通過“+ -”按鈕調(diào)整設置。此外,這里有手工操作、包裝參數(shù)調(diào)整,日期和時間顯示等。在測試實驗中,一分鐘里包裝重量和數(shù)量被測量的設置分別是5克,7 g和15 g。每個包被稱重如圖7(c)所示。然后,所有袋的材料重量被計算和記錄。測量點和稱重結果如圖7(d)所示。長期的統(tǒng)計結果顯示:機器可以在一分鐘內(nèi)包30包(每包5 g),包裝誤差≤0.2 g;包裝合格率≥93%。 （a） (b) (c) (d) 圖7(a)電路板的自動控制系統(tǒng),(b)實驗平臺,(c)包裝材料稱重,(d)測量點、稱重結果圖表 結論 按照小顆粒材料的拆分包裝和包裝要求,一個自動控制系統(tǒng)被研究和開發(fā)。主要結論有：a)控制系統(tǒng)的硬件和軟件被設計,研究了實時多任務操作系統(tǒng)μC/OS-II和圖形用戶界面μC/GUI,并成功地移植到LPC2478。b)拆分包裝和包裝一體機的實驗平臺被建立。許多控制任務是自動的,并不斷在平臺上實現(xiàn)。c)包裝內(nèi)袋和外袋包裝在機器上被完成。包裝產(chǎn)品的外觀是一致的。整個控制系統(tǒng)的性能很好。 感謝 這項工作得到了中央大學基礎研究基金(JB-ZR1107)和廈門集美科技計劃項目的支持,中國(20137C01)。 參考文獻 [1] H.K.Tonshoff,C.Soehner and G.Isensee: Robotics and Computer-Integrated Manufacturing Vol.13 (1997),p.1-7 [2] M.K.Shivhare,D.P.Rao and N.Kaistha:Chemical Engineering and Processing: Process Intensification Vol.71 (2013),p.115-124 [3] J.Boersma and J.Molenaar:Siam Review Vol.37 (1995),p.406-422 [4] R.M.Wu,D.Liu,J.H.Yu and Y.Z.Xiao: Advanced Materials Research Vol.80-81 (2011),p.1315-1319 [5] Z.Y.Peng, H.Z.Li and J.M.Liu:Advanced Materials Research Vol.320 (2011), p.487-491 [6] Information on http://www.cn.nxp.com/documents/data_sheet/LPC2478.pdf [7] T.Y.Wang,C.Q.Hua: Microcomputer Information Vol.19 (2003),p.62–63(In Chinese) [8] J.J.Labrosse:MicroC/OS -Ⅱ The Real-Time kernel, Second Edition (CMP Books, USA 2002). [9] B.B.Guan,L.G Tian,Z.Z.Cheng,Z.L.Chen and X.L.Wu:Applied Mechanics and Materials Vol.303-306 (2013),p.1485–1488 — 45 — 理工學院 畢業(yè)設計前期工作材料 學生姓名： xxxxx 學 號： xxxxxxxxx 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 題 目： 茶葉自動包裝機設計 指導教師： xxxxxxxxx 材 料 目 錄 序號 名 稱 數(shù)量 備 注 1 畢業(yè)設計選題、審題表 1 2 畢業(yè)設計任務書 1 3 畢業(yè)設計開題報告〔含文獻綜述〕 1 4 畢業(yè)設計外文資料翻譯〔含原文〕 1 5 畢業(yè)設計中期檢查表 1 201 年 月  說明： 畢業(yè)設計（論文）中期檢查工作結束后，請將該封面與目錄中各種材料合訂成冊，并統(tǒng)一存放在學生“畢業(yè)設計（論文）資料袋”中（打印件一律用A4紙型）。 — 24 — 本科生畢業(yè)設計（論文）選題、審題表 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 選題教師 教師姓名 專業(yè)技術職 務 正高 副高 中級 √ 申報課題 名稱 茶葉自動包裝機設計 課題性質(zhì) A B C D E 課題來源 A B C √ √ 課題簡介 和要求 對于茶葉、小顆粒包裝等行業(yè)，其產(chǎn)品最后都要裝成一定規(guī)格的包裝，本題目就是針對這一行業(yè)，完成茶葉或顆粒狀物料按照一定的設定值稱量并打包。 本題目包括袋子成型，茶葉稱量，袋子熱封、切斷等動作， 符合國家規(guī)定的精度標準。 要求1）通過查閱資料，了解設備的用途、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢等，完成前期資料（開題報告、外文翻譯）的撰寫； 2）安裝并學習繪圖軟件，為下一步設計做準備； 3）通過對設備動作的分析，及相關的計算，對比不同的可采納的方案的優(yōu)缺點，確定自己要采用的方案，進行總裝配圖設計； 4）優(yōu)化系統(tǒng)結構，進行零件圖的設計及相關的校核。 5）完成設計說明書的撰寫。 6）提供完整設計資料一套。 所在專業(yè)審定意見： 負責人(簽名)： 2015年 1 月 5 日 本課題由 同學選定，學號： — 25 — 理工學院 畢業(yè)設計(論文)開題報告 題 目： 茶葉自動包裝機設計 學生姓名： xxxxx 學 號： xxxxxxxxxxx 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： xxxxxx 20xx 年 x月 x日  開題報告填寫要求 1．開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效； 2．開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見； 3．“文獻綜述”應按論文的格式成文，并直接書寫（或打印）在本開題報告第一欄目內(nèi)，學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于10篇（不包括辭典、手冊）； 4．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2010年2月26日”或“2010-02-26”。 — 41 — 畢業(yè)設計（論文）開題報告 文獻綜述 1、我國包裝機械行業(yè)的現(xiàn)狀 1.1 我國包裝機械的發(fā)展歷程 中國包裝機械起步較晚，起于上個世紀70年代，北京市商業(yè)機械研究所通過研究日本的包裝機械，制造了中國第一臺包裝機。包裝機械經(jīng)過20多年的發(fā)展，已成為機械工業(yè)中十大行業(yè)之一，為我國包裝工業(yè)快速發(fā)展提供了有效的保障。雖然包裝機械自改革開放之后，得到了迅速的發(fā)展，但是統(tǒng)計顯示，我國包裝機械品種只有1300多種，而且大部分還基本停留在測試、仿制階段，自行開發(fā)能力弱，不能滿足市場需求。 1.2 我國包裝機械存在的問題 我國食品包裝機械大部分以單機控制為主，應用PLC和工控機、DCS及現(xiàn)場總線技術不到設備總數(shù)的10％。食品和包裝生產(chǎn)線的傳動以機械傳動為主，控制技術和驅(qū)動技術的綜合應用水平低，系統(tǒng)不能達到最優(yōu)化設計。由于生產(chǎn)企業(yè)技術水平不高，傳感和檢測技術、定位控制、在線監(jiān)測等得不到充分應用，與國外先進控制技術有較大的差距。我國包裝機械生產(chǎn)企業(yè)的技術裝備水平偏低、設備陳舊、效率低、精度差等問題，使得企業(yè)缺乏市場竟爭力。 2、國內(nèi)外包裝機械的發(fā)展趨勢 在今天的快節(jié)奏的商業(yè)環(huán)境,食品生產(chǎn)商開發(fā)有效和高效的包裝過程是至關重要的。目前，國際包裝機械市場競爭激烈，包裝機械發(fā)展的總體趨勢是趨于“三高”—高速、高效、高質(zhì)量。發(fā)展重點趨向于能耗低、自重輕、結構緊湊、占地空間小、效率高、外觀造型適應環(huán)境和操作人員心理需求、環(huán)保需求等。新的合金材料、高分子材料、復合材料、無機非金屬材料等新材料也得到了推廣應用，食品包裝機械的集成化、智能化、網(wǎng)絡化、柔性化將成為未來發(fā)展的主流。 機電一體化的迅速發(fā)展，使自動化包裝機設備的需求激增，未來數(shù)年對各種包裝機械的需求將會快速增長。自動化產(chǎn)品在食品包裝機械行業(yè)中應用的市場潛能巨大。 2014年我國包裝機械使用自動化產(chǎn)品的市場增長4.90%，2015年自動化產(chǎn)品在包裝機械的市場增長率在5.0%左右。包裝機械行業(yè)自動化市場的增長率如圖1所示： 圖1 包裝機械行業(yè)自動化市場增長（2011-2015） 自動化改變著包裝機械行業(yè)的制造方法及其產(chǎn)品的傳輸方式，實現(xiàn)自動控制的包裝系統(tǒng)能夠極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，有效減輕職工的勞動強度并降低能源和資源的消耗。國際上食品包裝機械自動化發(fā)展趨勢體現(xiàn)在如下五個方面： 一是對生產(chǎn)效率要求越高越好。這樣可以降低產(chǎn)品的成本，滿足交貨期要求。高速包裝機要求工序相關銜接，整個生產(chǎn)線按生產(chǎn)及包裝工序排列要做到倒序啟動，順序停機。如冷灌裝生產(chǎn)線從塑料原料自動上線到飲料灌裝、大包裝碼垛全部自動在封閉車間內(nèi)進行。二是可適應產(chǎn)品的更新變化。包裝機械具有很高的柔性和靈活性，生產(chǎn)線允許在一定的尺寸范圍內(nèi)包裝物的大小可以變化，變更產(chǎn)品及包裝不至于更換昂貴的包裝生產(chǎn)線。三是設備常見故障迅速排除。解決方案預先輸入電腦，當設備出現(xiàn)常見的故障時可以自行診斷，亦可實行遠程診斷并排除故障。四是要求具有自動識別功能。一方面可以通過自動識別包裝材料的厚度、硬度、反彈力等，調(diào)整機械手動作幅度。另一方面，通過探頭掃描各種形狀不同的產(chǎn)品，確定物料位置后，用不同的機械手準確無誤地將物品按準確的位置及方向放好，排除人工操作的視覺及手指的疲勞。五是盡量減少環(huán)境污染。減少噪聲、粉塵污染，并盡量減少廢棄物。食品原料在加工時不僅收獲主要產(chǎn)品，還收獲附加產(chǎn)品，如玉米加工，產(chǎn)品除了玉米淀粉外，還有玉米油、色拉油、人造黃油、葡萄糖、玉米蛋白及飼料等。 3、當前茶葉自動包裝機的特點 眾所周知，茶葉包裝的最基本要求是封密、避光、避氣、避濕，所以考究茶葉精禎包裝、保證原質(zhì)品味、攜帶使用便捷是直接激發(fā)消費者購求欲望的動力。茶葉自動包裝機所選的包裝材料十分重要，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，為了達到避光、防潮等效果，成品茶要用兩層包裝來保證密封性，外層是塑料袋，內(nèi)層是鋁箔袋。在簡裝包裝茶產(chǎn)品中，目前大多采用鍍鋁復合袋，這種包裝的密封遮光效果好。對于密封，茶葉包裝機本身設計也要嚴格要求，為了使茶葉的保質(zhì)期延長，包裝機要能對包裝袋進行良好的密封，并且還要能夠真空密封。 茶葉自動包裝機集自動制袋、裝袋、密封于一體，茶葉自動包裝機采用微電腦控制技術，自動控溫，自動設定袋長，自動穩(wěn)定送膜，以達到最佳包裝效果。和分裝機配套使用，很好的解決了茶葉定量后內(nèi)袋包裝的問題。提高了工作效率，降低了勞動強度，讓用戶真正感受科技創(chuàng)新的魅力。 4、茶葉自動包裝機面臨的問題 相對其他行業(yè)，目前可用的專門針對茶葉的各種包裝設備及技術的整體水平比較落后。在包裝茶封口和自動包裝機方面的問題尤為突出。在包裝茶的封口方面，鋁箔袋或者塑料袋都采用熱封的方式。在封裝過程中，包裝材料加熱會產(chǎn)生少量異味。因茶葉本身具有極強的吸附性，熱封產(chǎn)生的異味會對茶葉的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。在自動包裝機方面凈含量控制得不夠精準。企業(yè)不得不增加茶葉的量以保證凈含量不出現(xiàn)負偏差，使得生產(chǎn)過程中茶葉的損耗很大。面臨這些問題，包裝及其加工設備供應商必須能夠盡快研發(fā)出更加安全更加精確的適合茶葉產(chǎn)品的包裝產(chǎn)品及相關設備，這樣才能滿足茶葉自動包裝行業(yè)的需求。 參考文獻 1 韓占華,郭飛.自動化在包裝機械中的應用和展望.2014. 49～52. 2 安然.自動化水平是食品包裝領域的關鍵——訪中國食品科學技術學會食品機械分會副秘書長林亞玲. 2011. 18～19. 3 鄢臘梅.我國包裝機械的現(xiàn)狀分析及國際市場的開拓.中國包裝工業(yè)市場展望.2001. 11～14. 4 Smooth integration for packaging machinery.World Pumps.Vol.11 （2013），p.22 5 宋慧欣.自動化，包裝機械發(fā)展的必然趨勢. 2014. 40～41. 6 侯評梅.自動化技術將大力拓展我國食品包裝機械的未來空間. 2009. 32～33. 7 程遠.淺析機械自動化在農(nóng)業(yè)及食品包裝領域的應用.2010. 50～51. 8 錢程.包裝機械在食品工業(yè)發(fā)展的共性.2007. 22～23. 9 劉釗，杜起洪.淺談茶葉的包裝.2006. 46～48. 10 茶葉自動包裝機的工作原理與技術特點.百度百科：http://baike.baidu.com/ 11 王麗.茶葉包裝設備及技術整體水平亟待提高——記北京張一元茶葉有限責任公司.2010. 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段及途徑 對于茶葉、小顆粒包裝等行業(yè)，其產(chǎn)品最后都要裝成一定規(guī)格的包裝，本課題就是針對茶葉包裝這一行業(yè)，將茶葉按照一定的設定值稱量并打包。其中包括袋子成型，茶葉稱量，袋子熱封、切斷、封口等動作。本課題要研究或解決的問題，便是根據(jù)茶葉包裝過程中的包裝機械的一系列動作，選擇設計出合理的包裝機械機構。 通過對茶葉自動包裝機研究，可把整個包裝過程分為兩大部分：一是袋子的自動成型，二是茶葉的裝填和封口。 首要任務是袋子的自動成型。袋子的成型過程包括塑料膜的導引、袋子的縱向熱封、橫向熱封和切斷。為了解決這些問題，擬采用滾輪引導塑料膜，成型的導向環(huán)將塑料膜翻折、成型，再用加熱的滾壓輪對袋子進行縱封、橫封和牽引，最后用帶刀片的滾壓輪對袋子進行切斷。袋子自動成型的機械結構如圖一所示： 圖一 袋子自動成型機構 針對茶葉的進料、稱量過程，應使進料的過程不影響稱量，要求茶葉平穩(wěn)進料，擬采用螺旋推進方式進料，用帶重量傳感器的稱重漏斗對茶葉進行準確稱量?？紤]到茶葉包裝過程中的衛(wèi)生情況，袋子的拿取、撐口、放下等過程，可用氣缸裝置，應用大氣壓的原理實現(xiàn)。最后用氣缸帶動的加熱鐵塊進行袋子的密封。整個進料、稱量、裝袋、封口的機械結構如圖二所示： 圖二 進料、稱量、裝袋、封口機構 袋子的自動成型機構，茶葉的裝填和封口機構，整個動作流程需要一定的先后順序，可用PLC控制氣缸等動力源，實現(xiàn)茶葉包裝的自動化。 畢業(yè)設計（論文）開題報告 指導教師意見： 指導教師： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）中期檢查表 學生姓名 學 號 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 選題情況 課題名稱 茶葉自動包裝機設計 難易程度 偏難 適中 √ 偏易 工作量 較大 √ 合理 較小 符合規(guī)范化的要求 任務書 有 √ 無 開題報告 有 √ 無 外文翻譯質(zhì)量 優(yōu) 良 √ 中 差 學習態(tài)度 出勤情況 好 √ 一般 差 工作進度 快 √ 按計劃進行 慢 中期工作匯報及解答問題情況 優(yōu) √ 良 中 差 前期資料齊全，設計態(tài)度好，能夠積極地工作，對于遇到的問題能夠通過與老師和同學的交流以及查閱資料來解決。 檢查人 年 月 日 — 40 — 理工學院 畢 業(yè) 設 計 學生姓名： xxxx 學 號： xxxxxxxxx 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 題 目： 茶葉自動包裝機設計 指導教師： xxxxxxxxxxxxxxxx 評閱教師： xxxxxx 20xx 年 x 月 河北科技大學理工學院畢業(yè)設計成績評定表 姓 名 xxxxx 學 號 成 績 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 題 目 茶葉自動包裝機設計 指導教師評語及成績 指導教師： 年 月 日 評閱教師評語及成績 評閱教師： 年 月 日 答辯小組評語及成績 答辯小組組長： 年 月 日 答辯委員會意見 答辯委員會主任： 年 月 日 注：該表一式兩份，一份歸檔，一份裝入學生畢業(yè)設計說明書中。 畢 業(yè) 設 計 中 文 摘 要 本文主要介紹了一種包裝機械——茶葉自動包裝機的工作原理及其設計過程，對其傳動系統(tǒng)的參數(shù)進行計算和主要傳動部件的選擇與強度校核，通過對茶葉自動包裝機的工作狀態(tài)考慮，選擇合適的氣缸和馬達。其包裝材料為包裝塑料薄膜，只有在一定溫度下才能正常粘合，這是通過加熱熱封輥和熱封塊來實現(xiàn)的。 本機進行茶葉自動包裝的過程主要有袋子成型、切斷，茶葉稱量，袋子熱封等動作，可劃分為兩大系統(tǒng)：制袋系統(tǒng)、裝袋系統(tǒng)。制袋系統(tǒng)的工作主要通過電機帶動傳動部件實現(xiàn)，裝袋系統(tǒng)的動作主要通過對氣缸的控制實現(xiàn)，裝袋過程中設有稱量斗，負責每袋的定量稱量裝袋。 本機的特點是能自動獨立完成制袋，可提前制袋儲備起來，供裝袋使用，也可獨立制袋，銷售包裝。 關鍵詞： 包裝機 自動 獨立 3 畢 業(yè) 設 計 外 文 摘 要 Title Tea automatic packing machine Abstract This paper mainly introduces a kind of automatic packaging machinery, tea packaging machine working principle and the design process, the parameters of transmission system is calculated and the choice of the main transmission parts and strength check, through the automatic packaging machine of tea consider working status, choose appropriate cylinders and motors. Its packaging materials for packaging plastic film, and only under a certain temperature to normal adhesion, this is done by heating heat sealing roller and heat sealing piece. The process of the machine for the tea packing mainly has the bag forming, cutting, weighing, tea bag heat sealing action, can be divided into two systems: bag, bag system. Bag making systems work mainly by motor drives the driving part, bagging system movement mainly through the control of the cylinder, bagging process with weighing hopper, responsible for quantitative weighing of each bag bag. The machine can automatically is the feature of bag making, independently can bag reserves up ahead, for the use of bag, can also be independent of bag making, sales package. Bag bag keywords automatic packaging machine independent system Key Words ： Packaging machine automatic independent 本科畢業(yè)設計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 目 錄 1 緒論 1 1.1 本課題的目的和意義 1 1.2 國內(nèi)外包裝機械發(fā)展狀況 2 1.3 本人的設計任務 4 2 茶葉自動包裝機的總體結構設計 6 2.1 自動制袋、稱量、熱封、切斷工藝流程圖 6 2.2 立式連續(xù)型茶葉自動包裝機的總體機構設計 7 3 茶葉自動包裝機的設計計算及校核 11 3.1 電動機的計算選型 11 3.2 計算總傳動比，并分配各級傳動比 12 3.3 計算傳動部件的轉速以及動力參數(shù) 13 3.4 V帶的計算選型 15 3.5 減速器的計算選型 19 3.6 直齒圓錐齒輪的設計計算及校核 19 3.7 凸輪的設計及計算 23 3.8 滾子鏈的設計計算 29 3.9 直齒圓柱齒輪的設計 32 3.10 縱封輥及牽引輥的設計 35 3.11 主軸的設計計算 36 3.12 螺旋推料的設計計算 38 3.13 氣缸的選型 40 3.14 稱重傳感器的選型 40 4 茶葉自動包裝機的使用操作 43 結束語 44 致 謝 45 參 考 文 獻 46 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 47 頁 共 47 頁 1 緒論 1.1 本課題的目的和意義 當今社會正在飛快的發(fā)展，科技正在飛速進步，消費者對產(chǎn)品的要求也不斷的提高。隨著近些年國際包裝機械的迅猛發(fā)展，消費者對包裝機械傳動系統(tǒng)自動化程度和位置跟蹤精度的要求也不斷提高。包裝機械的科技含量越來越高，新興的一些科學技術正在逐漸應用其中，如：微電子技術、信息處理技術、新傳感器技術、激光技術等等。這些技術在包裝機械中需求越來越多，應用也越來越廣泛，這給從事包裝機械設計研究的工程師帶來了很大挑戰(zhàn)，要求他們有更高的才能素質(zhì)，同時也給他們帶來了機遇。高素質(zhì)的人才，加上新興的科學技術，包裝機械的前景勢必一片光明，智能、快速、精準、柔性、易操作、環(huán)保終將成為它的代名詞。 最近幾年，由于人們的消費水平提高，我國的包裝機械行業(yè)的發(fā)展迅速，但是橫向來看，與發(fā)達國家的包裝機械產(chǎn)品相比，仍然有20年左右的技術差距。我國投入市場使用的一些包裝機械產(chǎn)品中，所含的科學技術并不高，屬于低端產(chǎn)品。但在發(fā)達國家，他們所生產(chǎn)的包裝機械，已經(jīng)廣泛地應用了很多先進的科學技術，如：遠距離遙控技術、激光技術、信息處理技術、自動柔性補償技術等等。同發(fā)達國家相比，我國的包裝機械的差距主要表現(xiàn)在精度低、可靠性和穩(wěn)定性低、零件壽命短等。包裝機械的技術落后，嚴重影響著我國包裝工業(yè)快速穩(wěn)定的發(fā)展，進而影響著一系列產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。就如我所研究的茶葉自動包裝機來說，茶葉自動包裝機的落后，會影響茶葉包裝工業(yè)的發(fā)展，深一步更影響茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 中國作為世界經(jīng)濟發(fā)展增長最快國家之一，包裝行業(yè)也在迅速發(fā)展。尤其是在中國加入WTO以后，中國包裝機械行業(yè)在經(jīng)濟全球化的影響下，面臨著許多機遇和挑戰(zhàn)。為了跟上時代的步伐，只有努力學習并引進發(fā)達國家的優(yōu)秀科學技術，才能是我國的包裝機械在世界上占有一席之地。 茶葉包裝是一個新興的行業(yè)，中國茶葉文化源遠流長，人們對茶葉的需求量很大，在市場的激烈競爭下，茶葉包裝行業(yè)脫穎而出。對于商品的包裝，人們對其主要有兩個方面要求，第一是對于商品的包裝，要求外觀漂亮，吸引消費者，并且包裝質(zhì)量要可靠，不能出現(xiàn)任何形式的破損。第二方面，確保商品包裝所裝商品重量精確，裝多會增加生產(chǎn)商的成本，裝少會損害消費者的利益，損害生產(chǎn)商的信譽，要求包裝行業(yè)的計量誤差在一定范圍之內(nèi)，一般誤差在千分之五以內(nèi)。正因為包裝的商品重量計量影響著生產(chǎn)商和消費者的利益，所以商品的包裝計量誤差是包裝機械行業(yè)時時刻刻不能忽略的一個重要標準。上面曾提到我國包裝機械精度低，而發(fā)達國家的包裝機械精度更高，這就要求我國包裝機械學習發(fā)達國家包裝機械的優(yōu)點，引進先進的科學技術，不斷地提高我國包裝機械的精準度，使我國包裝機械在世界上占有一席之地，趕上世界水平，甚至超過世界水平，以提高我國包裝機械行業(yè)的市場競爭力。 1.2 國內(nèi)外包裝機械發(fā)展狀況 1.2.1 包裝機械概述 包裝機械是能夠進行對產(chǎn)品的一系列包裝過程的機械。包裝機械的應用范圍很廣，它有很多優(yōu)點，具有自動化、體積小、易安裝、易操作、精度高、效率高等特點。包裝機械所完成的包裝工序大致上可以分為以下幾類：封口、裝填、裹包、灌裝、打標、清洗、 干燥、捆扎、殺菌等等。因為包裝過程中會遇到這些包裝工序，所以包裝機械種類也五花八門。產(chǎn)品包裝很大程度上影響著產(chǎn)品是否能夠暢銷，因此包裝機械一定要保證傳動裝置緊湊、精度高，才能確保包裝的美觀漂亮。 當今食品行業(yè)越來越注重包裝外表，包裝機械行業(yè)自然而然成為了一個較大行業(yè)，它在包裝工業(yè)中起著非常大的作用，并占有著重要地位。包裝機械使得包裝過程得以快速、精準的完成，為包裝行業(yè)提供了必要的生產(chǎn)設備，是商品得以暢銷的必要條件。而對于包裝小顆粒產(chǎn)品的包裝機械，它能夠使這些顆粒狀產(chǎn)品方便使用，便于攜帶，并且使這些產(chǎn)品更加美觀，吸引消費者眼球。 1.2.2 國外包裝機械的發(fā)展現(xiàn)狀 世界上包裝機械的四大強國當屬美國、德國、意大利和日本。 美國的包裝機械發(fā)展歷史比較悠久，是世界上為數(shù)不多的國家，該國的包裝機械已經(jīng)有了一套獨立的成熟的包裝機械系統(tǒng)。美國的包裝機械種類繁多，產(chǎn)量也很大，均排世界首位。十多年里，美國在世界上一直占據(jù)著包裝機械最大生產(chǎn)國和消費國的王冠。美國的包裝機械效率高、精度高，并融入了尖端的科學技術，包裝機械采用了微電子技術、信息處理技術，與計算機完美結合，使得包裝機械變得更加智能化。增長速度最快的包裝機械產(chǎn)品種類當屬填充類機械、封口類機械和成型類機械。自從二十世紀九十年代，美國的包裝機械行業(yè)始終保持著穩(wěn)定快速的發(fā)展。 德國的包裝機械行業(yè)在技術和性能方面處于領先地位，該國的包裝機械計量精度非常的精準。由于德國的啤酒出名，很多包裝機械的誕生都是為此服務。目前，針對啤酒等灌裝產(chǎn)品的包裝機械，德國的更加具備高效率、高自動化、高精度的特點，德國的這些包裝機械受到了全球的一致認可。德國一些較大的包裝機械企業(yè)應用了光電感應技術，使得包裝精度大大提高。這些企業(yè)所生產(chǎn)的大型自動包裝機械包裝容積很大，并且集多種包裝工序于一體，如：制袋、稱重、填充、抽真空、密封等，大大方便了人們的操作，也使得的包裝機械更加智能化。多年來，德國的包裝機械行業(yè)一直在穩(wěn)定快速的增長，所生產(chǎn)的包裝機超過80%用于出口，是世界上包裝機械出口最大的國家。 意大利的包裝機械行業(yè)也很厲害，是繼德國之后，世界上包裝機械第二出口大國，僅次于德國，有近80%用于出口。意大利的包裝機械以食品商業(yè)方向居多，該國的包裝機械性能可靠，價格便宜，十分受用戶的歡迎。 關于日本的包裝機械行業(yè)，起步發(fā)展比美國和德國晚。二十世紀六十年代前，日本的包裝機械企業(yè)連六十家都不到，而且所生產(chǎn)的包裝機械科技含量比較低，只能進行一些簡單的商品包裝，如：煙、糖果等。日本包裝機械行業(yè)真正快速起步增長的時期，是在二十世紀六十年代到七十年代。隨后的十年，包裝機械的增長速度有所下降，但同世界包裝機械行業(yè)發(fā)展速度相比，還是相對較快，增長率達13%。到了八九十年代，日本包裝機械保持穩(wěn)定的增長同時，開始更加注重科技的投入，在包裝機械控制中采用微電子技術，另外還將模塊化技術、機器人技術等等先進的科技應用到包裝機械當中，使得該國的包裝機械生產(chǎn)效率和生產(chǎn)精度大大提高，并更加智能化，在國際市場中競爭力大大提高。二十世紀六十年代到九十年代，日本包裝機械行業(yè)的發(fā)展顯著，總的歷程經(jīng)歷了引進、吸收、發(fā)展三大過程。 從這四個國家來看，它們的包裝機械行業(yè)發(fā)展形勢都非常的好，它們在發(fā)展包裝機械的同時，十分看重對先進的科學技術的應用，用高科技成果同世界競爭。這些高效率、高智能、高精度、高可靠性、高技術含量的包裝機械的不斷出現(xiàn)，使得世界各國紛紛效仿美國、德國、意大利和日本。創(chuàng)造新型的包裝機械，已經(jīng)成為了世界包裝機械發(fā)展的主導潮流。因此，我國包裝機械行業(yè)要想在世界上站穩(wěn)腳跟，就必須效仿美國、德國、意大利和日本，對包裝機械應用先進的科學技術，使其更高效和智能。 1.2.3 我國包裝機械發(fā)展狀況 當前我國經(jīng)濟正在快速穩(wěn)定的增長，人民的生活水平同前十年相比有了質(zhì)的提高，人們不但消費在不斷提高，消費質(zhì)量也在提高，消費者現(xiàn)在對產(chǎn)品的外包裝是否美觀、包裝是否環(huán)保、包裝是否密封結實越來越看重。 雖然在這種社會背景下，人們的精神需求給我國包裝機械行業(yè)帶來了很多機遇，但考慮到我國包裝機械現(xiàn)有的科技實力，我國包裝機還比較落后，想要滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求，還要面臨著巨大的挑戰(zhàn)。 我國包裝機械行業(yè)屬于正在發(fā)展中的行業(yè)，企業(yè)不大，管理水平還不算成熟，技術研發(fā)人員欠缺，技術裝備都不是很成熟。新的包裝機械產(chǎn)品研發(fā)時間長，同快速發(fā)展變化的市場不能進行同步，大大折扣了包裝機械的生產(chǎn)價值。另外，許多企業(yè)不是在追求包裝機械的科技上的提高，而是在低技術含量的產(chǎn)品中進行改裝設計，大大浪費了企業(yè)的精力和時間，這些外表不同，本質(zhì)相同的包裝機械也會造成企業(yè)的低價競爭，損害企業(yè)的利益。 我國生產(chǎn)的包裝機械質(zhì)量并不穩(wěn)定，科學技術含量很低，而且成本高。在世界激烈的競爭中，發(fā)達國家技術先進的包裝機械嚴重的沖擊著我國的包裝機械行業(yè)。這也使我國的包裝機械行業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。 不管是消費者消費質(zhì)量的需求，同行業(yè)競爭的壓力，或是國際包裝機械之間的競爭，都是不容忽視的，想要解決這些難題，唯有引進先進的科學技術，努力的創(chuàng)新，以提高包裝機械的精準度和效率，并使其更加智能化。 1.3 本人的設計任務 本次設計的茶葉自動包裝機要能過對茶葉或顆粒狀物料按照一定的質(zhì)量進行稱量并打包，裝成一定規(guī)格的包裝。 該茶葉自動包裝機的設計包括袋子成型，茶葉稱量，袋子熱封、切斷等動作。結合市場的茶葉包裝，對茶葉包裝機做出基本參數(shù)要求： 工作時間 16 h/天 工作壽命 5年 計量速度 120袋/min 計量精度 ±5% 計量規(guī)格 50g 茶葉包裝袋規(guī)格如下： 長×寬×高 100×40×270（mm） 包裝所需包裝塑料膜規(guī)格如下： 寬度 300 mm 一卷直徑 400 mm 2 茶葉自動包裝機的總體結構設計 茶葉自動包裝機的種類很多，按總的布局大致上可歸為兩大類：臥式自動包裝機和立式自動包裝機。如圖2.1（a）（b）所示： 圖2-1（a）臥式自動包裝機 圖2-1（b）立式自動包裝機 茶葉自動包裝機按照制袋的運動過程來劃分，可分為間歇式包裝機械和連續(xù)式包裝機械。 間歇式茶葉自動包裝機效率低，尺寸結構大，但精度高；連續(xù)式茶葉包裝機效率高，傳動結構緊湊。在這里，本人將對茶葉包裝機按照立式連續(xù)型進行總體結構設計?？紤]到現(xiàn)實中可能需要產(chǎn)品的一機多用，我決定將茶葉自動包裝機的制袋和裝袋過程分開設計，滿足茶葉自動包裝機的基本要求外，還能夠獨立的制袋，銷售包裝袋。 2.1 自動制袋、稱量、熱封、切斷工藝流程圖 茶葉包裝機的自動制袋、稱量、熱封、切斷工藝流程如圖2-2所示。 圖2-2 工藝流程圖 2.2 立式連續(xù)型茶葉自動包裝機的總體機構設計 2.2.1 塑料膜輸送裝置、袋子成型裝置和物料供給系統(tǒng) 2.2.1.1 塑料膜輸送裝置 茶葉自動包裝機在制袋過程中，連續(xù)性長時間的工作，為了滿足塑料膜的供應，減少塑料膜的占地空間，采用卷筒式的包裝塑料膜卷。在制袋過程中，首先要將包裝膜展開，此時包裝膜卷會跟隨相應轉動。為了保證在包裝膜卷轉動過程中始終保持穩(wěn)定，可將包裝膜卷軸孔處與軸過盈配合，同時為了方便包裝膜卷的每次裝夾，可將轉動軸與機架設計成快速安放型，如圖2-3。 圖2-3 快速安放型結構 考慮到在制袋過程中，塑料膜需要進行兩次的成型引導，為了防止機械在牽引塑料膜過程中使已成型的塑料膜在力的作用下變形，可將引導輥和牽引輥同時受力，使其同時起著引導和牽引的作用。如圖2-4所示，引導輥和縱封輥同時受力。 圖2-4 引導輥和縱封輥 關于包裝膜的輸送過程，還需要考慮一個非常重要的問題，就是每次開機啟動，塑料膜都會瞬間受到一個力的沖擊，這使得包裝機械的精準度大大降低。為了解決這一難題，我采用了一種緩沖機構，它靠活動軸自身的重力，緩沖掉開機啟動時的沖擊。當開機啟動時，迅速繃緊的塑料膜會牽引活動軸上升，減緩包裝膜的緊繃。緩沖機構如圖2-5。 圖2-5 緩沖機構 2.2.1.2 袋子成型裝置 當前，市場上的茶葉包裝機主要是在制袋的過程中裝袋，因此，多以翻領成型器和象鼻成型器為主，這些成型器能夠保證制袋的過程中進行裝袋。 我所設計的茶葉自動包裝機，制袋的過程不需裝袋，只需進行兩次成型，因此，我采用了兩種成型器。第一種成型器進行包裝膜的第一次成型，需要將包裝膜由片狀翻折成U型，結構模型如圖2-6，包裝膜從成型器縫隙中間通過；第二種成型器進行包裝膜的第二次成型，將包裝膜由U型再次翻折，結構模型如圖2-7，成型器伸入以翻折的包裝膜內(nèi)部，將包裝膜再次成型。 圖2-6 初次成型器 圖2-7 最終成型器 2.2.1.3 物料供給系統(tǒng) 目前的茶葉自動包裝機計量多采用定容法計量，定容法計量有很多形式，如對液體產(chǎn)品，可進行容杯式計量，對粉末或顆粒狀產(chǎn)品，可以使用轉鼓式計量、螺旋推料式計量和柱塞式計量等。使用這種方法生產(chǎn)效率高，但物料內(nèi)部可能有密有疏，這使得包裝一定質(zhì)量的誤差很大。 為了滿足包裝產(chǎn)品的質(zhì)量精度，首先要考慮產(chǎn)品的密度的疏密，為了排除密度不同對包裝質(zhì)量的影響，我采用稱重傳感器直接測量質(zhì)量，而不是通過容積計算。但使用直接稱量質(zhì)量法，物料下落的沖擊避免不了，為了減小物料下落沖擊帶來的質(zhì)量誤差，就要保證物料均勻的下落。 因此，在直接稱量的基礎上，采用螺旋推料，稱量的結果反饋給螺旋軸，使每次稱量能夠進行調(diào)整補償，這使包裝計量精度大大提高。 螺旋推料裝置和稱量裝置如圖2-8和圖2-9。 圖2-8 螺旋推料裝置 圖2-9 稱量裝置 2.2.2 傳動系統(tǒng)方案的設計 要完成茶葉包裝的一系列過程，即制袋、下料、稱量、裝袋、封口等動作，需要對每個動作細化，采用合適的機構完成該動作。 由于下料、稱量、裝袋、封口與制袋獨立，下料、稱量、裝袋封口等一系列動作可采用氣缸和擺動氣馬達帶動。制袋過程細分可化為牽引、導向壓實、縱向封口、橫向封口和切斷等動作，可采用電動機帶動，通過一根主軸進行齒輪傳動，實現(xiàn)這些一系列動作。制袋的過程機械傳動簡圖見圖2-10。 圖2-10 制袋過程機械傳動簡圖 動力由電動機輸出，經(jīng)過帶傳動，傳遞給蝸輪蝸桿減速器，再由減速器輸出到主軸上，再通過主軸傳動，形成四路傳動。一路通過直齒圓錐齒輪和直齒圓柱齒輪，將動力傳動到引導牽引輥上，引導牽引包裝膜；一路通過直齒圓錐齒輪和直齒圓柱齒輪，將動力傳動到縱向封口輥上；牽引包裝膜并對其進行縱封；一路通過直齒圓錐齒輪將動力傳遞給鏈輪，再通過鏈傳遞將動力傳遞給引導牽引輥，引導牽引包裝膜；一路通過凸輪，將旋轉運動轉變?yōu)橥鶑偷闹本€運動，帶動橫封塊、切斷刀，完成橫封、切斷動作。 3 茶葉自動包裝機的設計計算及校核 3.1 電動機的計算選型 因為引導牽引輥和縱封輥拉動包裝塑料膜的拉力不大，設包裝塑料膜拉力最大20 N，5個輥轉速相同，同時作用，因此，5個輥平分對包裝塑料膜的拉力，每個輥牽引力F=4 N。 包裝袋子高220 mm,包裝機制袋速度60袋/min,即牽引輥轉速n=60 r/min。 包裝塑料膜牽引速度 m/min 已知每個輥的牽引力F和牽引速度V，則輥子軸所需功率為： 查機械設計手冊的機械傳動效率表，可知：齒輪傳動效率 ，V帶傳動效率 ，鏈傳動效率 ，蝸輪蝸桿減速器傳動效率 ，軸承傳遞效率 ，聯(lián)軸器傳遞效率 。 由此，可得動力從電機傳遞到各個輥的總效率： 式3-1 傳遞到Ⅰ、Ⅲ軸上的傳遞總效率 =0.97×0.96×0.99×0.8×0.99 =0.68 式3-2 傳遞到Ⅱ、Ⅳ軸上的傳遞總效率 =0.97×0.96×0.99×0.8×0.99 =0.71 傳遞到Ⅴ軸上的傳遞總效率 式3-3 =0.97×0.96×0.96×0.99×0.8×0.99 =0.65 所以電動機所需提供的工作功率為 式3-4 根據(jù)所算功率查電機手冊，因為茶葉包裝機械多為包裝企業(yè)使用，使用電壓為380V,所以，選用三相異步電動機Y90S-4-B35，參數(shù)如下表3-1。 表3-1 三相異步電動機Y90S-4-B35參數(shù) 電動機 額定功率 額定電壓 轉速 效率 Y90S-4-B35 1.1 kw 380 V 1400 r/min 78% 式3-5 根據(jù)電動機的輸出功率進行校核： =1.1×0.78=0.858 kw > 所以，所選電動機符合要求。 3.2 計算總傳動比，并分配各級傳動比 3.2.1 總傳動比的計算 茶葉包裝機制袋機構的總傳動比為： 3.2.2 分配各級傳動比 式3-6 考慮到包裝機械的實際運動，初定： =1.17 =20 =0.5 =1 3.3 計算傳動部件的轉速以及動力參數(shù) 3.3.1 計算各軸及鏈輪軸轉速 V軸： Ⅰ軸： =120 r/min III軸： =120 r/min VI軸： =120 r/min II軸： =120 r/min IV軸： =120 r/min 鏈輪軸： =120 r/min 3.3.2 計算各軸及鏈輪軸的輸入功率 V軸： 式3-7 =1.1×0.96×0.8×0.99×0.78 =0.65 kw Ⅰ軸： 式3-8 =1.1×0.96×0.8×0.99×0.78×0.99×0.97 =0.61 kw III軸： =1.1×0.96×0.8×0.99×0.78×0.99×0.97 =0.61 kw VI軸： =1.1×0.96×0.8×0.99×0.78×0.99×0.97 =0.61 kw II軸： 式3-9 =1.1×0.96×0.8×0.99×0.78×0.99×0.97 =0.59 kw IV軸： =1.1×0.96×0.8×0.99×0.78×0.99×0.97 =0.59 kw 鏈輪軸： 式3-10 =1.1×0.96×0.8×0.99×0.78×0.99×0.97×0.96 =0.57 kw 3.3.3 計算各軸及鏈輪軸的輸入轉矩 三相異步電動機軸的輸出轉矩為： =9.55×10 式3-11 =9.55×10=5.858×10 N·mm V軸： = 式3-12 =5.858×10×0.8×0.99×1.17×20=1.085×10 N·mm Ⅰ軸： = 式3-13 =1.085×10×0.97×0.99×0.5=5.158×10 N·mm III軸： = =1.085×10×0.97×0.99×0.5=5.158×10 N·mm VI軸： = =1.085×10×0.97×0.99×0.5=5.158×10 N·mm II軸： = =5.158×10×0.97×0.99×1=4.904×10 N·mm IV軸： = =5.158×10×0.97×0.99×1=4.904×10 N·mm 鏈輪軸： = =5.158×10×0.96×0.99×1=4.853×10 N·mm 將以上計算的轉速、輸入功率和輸入轉矩進行整理，歸納成表3-2。 表3-2 各軸轉速、輸入功率和輸入轉矩 軸名 功率P/kw 轉矩T/(Nmm) 轉速n/(r/min) V軸 0.65 1.085×10 60 Ⅰ軸 0.61 5.158×10 120 III軸 0.61 5.158×10 120 II軸 0.59 4.904×10 120 IV軸 0.59 4.904×10 120 VI軸 0.61 5.158×10 120 鏈輪軸 0.57 4.853×10 120 3.4 V帶的計算選型 本設計中，需要將功率從電機傳遞到減速器，因此需要用V帶或是滾子鏈等與三相異步電動機和減速器相連。因所選電動機轉速為1400 r/min,轉速相對較高，V帶更適合中高速傳遞，所以，選用V帶進行從電機到減速器之間的傳遞。 已知用V帶由電動機帶動，電動機額定功率由表3-1可知，P=1.1 kw，小帶輪與電機軸相聯(lián)，轉速n=1400 r/min。一天工作16小時。 傳動比=1.17，因此，大帶輪轉速=1200 r/min。 3.4.1 確定計算功率 通過機械設計手冊查表，得工作情況系數(shù)K=1.1，可得功率P： =1.1×1.1=1.21 kw 3.4.2 選擇V帶的型號 根據(jù)上面所計算出的P=1.21 kw和小帶輪的轉速n=1400 r/min，通過普通V帶選型圖，選用Z型帶。 3.4.3 計算確定V帶輪的基準直徑d,并計算帶速 1) 根據(jù)V帶的選型，查表，選取小帶輪的基準直徑d d=71 mm 2) 計算V帶的帶速V V= m/s 計算的V帶帶速V在5 m/s~30 m/s之間，所以V帶帶速符合要求。 3）設計計算大帶輪的基準直徑d。 d=82.83 mm 根據(jù)查表選取d=80 mm。 則從動輪的實際轉速為： n′= 式3-14 取=0.02 n′==×1400×（1-0.02） =1217.65 r/min 轉速誤差為： =-1.47% 所計算誤差在-5%到+5%之間，故符合要求。 3.4.4 計算確定大小帶輪的中心距a，計算選擇V帶的基準長度L 根據(jù)初定中心距公式，得 0.7（d+d）a 式3-15 0.7×（71+80）a2×（71+80） 105.7a302 mm 初步計算確定大小帶輪的中心距a=200 mm。 根據(jù)公式，計算相應的V帶帶長L，得： L 式3-16 2×200+×（71+80）+ 637.29 mm 通過查表，選取V帶的基準長度L=630 mm。 通過公式計算，計算大小V帶輪的實際中心距a: =196 mm 通過公式計算，計算大小V帶輪中心距a變動范圍： =(196-0.015×630)=186.55 mm =(196+0.03×630)=214.9 mm 3.4.5 計算驗算小帶輪上的包角 故包角符合要求。 3.4.6 計算確定V帶的根數(shù) 通過公式計算，得： 式3-17 通過查表可知，用內(nèi)插法得P=0.30 kw， 通過查表，得=0.02 kw, 通過查表可知，用內(nèi)插法得K=0.99， 通過查表可知，用內(nèi)插法得K=0.96. = 所以，選取V帶根數(shù)為Z=4 根。 3.4.7 計算確定V帶的初拉力F 通過查表，得q=0.06 kg/m 通過公式進行計算： =45.98 N 3.4.8 計算壓軸力F 通過公式，進行計算，得： =2×4×45.98×=367.74 N 3.5 減速器的計算選型 已知大V帶輪的轉速為1200 r/min,即減速器的輸入軸轉速為n=1200 r/min,V軸的轉速n=60 r/min。 所以i==20,在這里，通過根據(jù)傳動比，選擇傳動比20的蝸輪蝸桿減速器，通過查表，選擇WPO80-20蝸輪蝸桿減速器。 3.6 直齒圓錐齒輪的設計計算及校核 通過茶葉自動包裝機傳遞的結構進行分析，制袋過程中，主軸向下一級傳動，需要三組相同的直齒圓錐齒輪傳遞。在這里，對其中一組直齒圓錐齒輪進行設計計算以及校核。 已知兩直齒圓錐齒輪的兩軸交角為90度，單向進行傳遞?？紤]到茶葉自動包裝機的工作環(huán)境，制袋過程中，只在剛剛啟動時，載荷有輕微沖擊，包裝機每天工作16個小時，有五年的工作壽命（250個工作日/年），傳遞的功率即為V軸的輸入功率P=0.65 kw,主動輪轉速即為V軸的轉速n=60 r/min,傳動比為i=0.5。通過對傳動結構簡圖進行分析，小直齒圓錐齒輪設計成懸臂布置，大直齒圓錐齒輪設計成兩端支撐。 3.6.1 選擇大小直齒圓錐齒輪的精度等級，以及材料和齒數(shù) 1） 精度等級的選擇 通過主動輪轉速60 r/min可知，大小圓錐齒輪的傳動速度不是很高，所以，可以選擇精度等級為8級精度。 2）兩齒輪材料的選擇 考慮到在齒輪傳動過程中的直齒圓錐齒輪傳動，小的直齒圓錐齒輪有可能做成齒輪軸，可選用軟齒面?zhèn)鲃印? 通過查表，可將大小直齒圓錐齒輪的材料均選為調(diào)質(zhì)45鋼，令小圓錐齒輪齒面的平均硬度為250HBS,大圓錐齒輪的齒面平均硬度比小圓錐齒輪的平均硬度低40HBS，為210HBS。 3）選擇大直齒圓錐齒輪的齒數(shù)=60,小直齒圓錐齒輪的齒數(shù)=i=60×0.5=30。 4） 計算大小齒輪的齒數(shù)比 計算傳動比誤差 =0<5% 傳動比誤差符合要求。 3.6.2 設計計算 通過設計計算公式進行估算，即 式3-18 1） 查取確定計算公式內(nèi)的各數(shù)值 試選擇載荷系數(shù)K=1.6。 大直齒圓錐齒輪的傳遞轉矩為 T=5.158×10 N·mm 通過查表可知，齒寬系數(shù)通常取0.25~0.35，在這里，選取齒寬系數(shù)=0.3。 通過查表可知，z=189.8 MPa。 經(jīng)查得，小直齒圓錐齒輪=560 MPa, 大直齒圓錐齒輪=520 MPa 通過計算公式，計算大小齒輪的應力循環(huán)次數(shù) =60×60×1×（16×360×5）=1.037×10 =1.037×10÷0.5=2.074×10 已知大小齒輪的應力系數(shù)，可查得: 小直齒圓錐齒輪K=0.95，大直齒圓錐齒輪K=0.95 計算大小圓錐齒輪的接觸疲勞許用應力 通過查表，選取安全系數(shù)S=1，失效概率取1%，由公式得： =560×0.95=532 MPa =520×0.95=494 MPa 大直齒圓錐齒輪的接觸疲勞許用應力數(shù)值小。 2） 計算 計算小直齒圓錐齒輪的分度圓直徑d,將上面計算的中較小的數(shù)值代入計算公式 87.00 mm 試計算在平均分度圓處，得圓周速度 平均分度圓直徑計算： =87.00×（1-0.5×0.3）=62.86 mm 由平均分度圓直徑可得，在平均分度圓處，圓周速度得： =0.39 m/s 計算載荷系數(shù) 通過查表可得，使用系數(shù)K=1; 已知，在平均分度圓處，圓周速度0.39 m/s,所選的精度等級為8級精度，通過動載系數(shù)值圖表進行查取，按圖表中精度等級降一級的精度等級曲線，選取動載系數(shù)K=1.05; 根據(jù)齒間載荷分配系數(shù)表，選取齒間載荷分配系數(shù)=1; 通過查得軸承系數(shù)表，因為小直齒圓錐齒輪采用兩端支撐，大直齒圓錐齒輪采用一端支撐、一端懸臂，所以，選取=1.25，=1.25×1.5=1.875。 所以，可計算載荷系數(shù) K=K=K= 式3-19 =1×1.05×1×1.875=1.969 根據(jù)計算的實際載荷系數(shù)，校正驗算所得的分度圓直徑，通過公式得： d=93.23 mm 計算大小齒輪的模數(shù)m。 m===3.11 mm 通過查表，選取一個模數(shù)標準值，取 m=3 mm 3) 對大小圓錐齒輪的外形尺寸進行設計計算 計算兩個圓錐齒輪大端分度圓直徑 大圓錐齒輪 d=zm=60×3=180 mm 小圓錐齒輪 d=zm=30×3=90 mm 計算確定兩個圓錐齒輪的分錐角 =63.4349 =26.5651 錐距驗算 R==100.63 mm 齒寬的計算 b==30.19 mm 校核齒根強度 校核彎曲強度的式子為： 式3-20 根據(jù)查圖，得 =380 MPa，=340 MPa 通過查圖，取K=K=0.90 許用應力的計算 選取安全系數(shù)S為1.4，通過計算公式，得： =244.286 MPa =218.571 MPa 齒數(shù)當量和齒形系數(shù)計算 =134.16 =33.54 通過查表，用插值法求得 =2.4704，=2.1527 彎曲疲勞強度計算 式3-21 =131.76 MPa<[] =126.80 MPa<[] 通過校核計算，大小圓錐齒輪的強度滿足要求。 3.7 凸輪的設計及計算 3.7.1 凸輪的分類及特點 凸輪在我們的生活中極其的常見，很多機械中，都能看到凸輪的身影，特別是自動化程度很高的機械中，經(jīng)常應用到凸輪機構。由于凸輪機構的結構都非常的簡單，結構緊湊，并且能夠?qū)崿F(xiàn)很多復雜的機械運動規(guī)律曲線，而且，只需設計出凸輪輪廓外形，這對實現(xiàn)一套復雜的往復循環(huán)運動而言，所設計的工作量非常小，所以，凸輪常常被人們采用。 按照凸輪的外形劃分，凸輪可分為盤型凸輪、圓柱型凸輪和移動型凸輪等。如圖3-1所示： 圖3-1（a） 盤型凸輪 圖3-1（b） 移動型凸輪 圖3-1（c） 圓柱型凸輪 按照從動件的形狀來劃分，從動件可分為尖頂型從動件、滾子型從動件和平底型從動件。如圖3-2所示。 圖3-2（a） 尖頂型從動件 圖3-2（b） 滾子型從動件 圖3-2（c） 平底型從動件 3.7.2 凸輪的選型 結合茶葉自動包裝機的制袋過程，可用凸輪機構帶動橫封切斷機構。主軸每轉動一次，拉動包裝膜走兩個包裝袋袋長的長度。所以，主軸每轉動一圈，需要進行兩次橫封切斷，因此，所設計的凸輪需要兩個推程和兩個回程。 考慮到凸輪的工作環(huán)境情況，從動件需帶動橫封切斷機構，受到較大的力，并且需要從動件柔性沖擊，凸輪機構處在低速重載的情況下，所以，選用余弦加速度的運動規(guī)律曲線。 選用滾子型從動件，盤型凸輪，對心布置。 3.7.3 凸輪的計算 1）選擇設定行程 考慮到茶葉自動包裝機的實際制袋運動，令從動件的行程h=20 mm 2）選擇設定凸輪的推程角和回程角 因為凸輪的推程有兩個，回城也有兩個，所以，取推程角=90，回程角=90。 3）根據(jù)從動件位移方程，計算位移 推程位移方程： 式3-22 回程位移方程： 式3-23 等分推程角和回程角，分成6份，根據(jù)位移方程求得： =0: s==0 mm =30: s==5 mm =60: s==15 mm =90: s==20 mm =120: s==15 mm =150: s==5 mm =180: s==0 mm 另一個推程角和回程角的位移與其相同： =210: s==5 mm =240: s==15 mm =270: s==20 mm =300: s==15 mm =330: s==5 mm =360: s==0 mm 將計算的各個角度時的位移歸納成表3-3 表3-3 各個角度對應位移表 /度 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 S/mm 0 5 15 20 15 5 0 5 15 20 15 5 0 3.7.4 凸輪的輪廓設計確定 1）凸輪的基圓半徑確定 根據(jù)凸輪實際運動情況，試確定凸輪的基圓半徑為r=50 mm 2）確定凸輪的理論輪廓、實際輪廓及滾子直徑 根據(jù)凸輪的基圓直徑和從動件的運動規(guī)律曲線，確定凸輪的理論輪廓，凸輪的理論輪廓如圖3-3所示。 圖3-3 凸輪的理論輪廓線 計算滾子半徑 r=(0.1~0.5)r=19 mm 選取滾子軸承 KR22PP 通過運動傳遞，選取一個凸輪合適的厚度30 mm 根據(jù)凸輪的理論輪廓曲線和滾子的半徑，確定凸輪的實際輪廓曲線，凸輪實際輪廓曲線如圖3-4所示。 圖3-4 凸輪實際輪廓曲線 3.8 滾子鏈的設計計算 3.8.1 鏈在機械中的應用及其分類 鏈在機械傳動中，發(fā)揮著重要作用，很多地方上，有著不可替代的地位。 鏈的種類主要有三種，一種用于傳遞動力，可以稱為傳動鏈；一種主要用于吊起重物，叫做起重鏈；還有一種主要負責物體的移動，用于牽引，成為牽引鏈。這三種鏈如圖3-5所示。 圖3-5（a） 傳動鏈 圖3-5（b） 起重鏈 圖3-5（c） 牽引鏈 3.8.2 鏈的選擇 根據(jù)茶葉自動包裝機的工作需求，一個牽引輥的轉動，需要用到帶或鏈的傳動。由于帶適合高速傳動，但傳動精度不高；鏈卻恰恰相反，適合中低速傳動，傳動精度高?？紤]到茶葉包裝機在這處的傳動，要求傳動精度高，而傳動速度不高，所以，選用滾子鏈。 已知，傳遞的功率為VI軸的輸入功率P=0.61 kw,兩個鏈輪轉速都為VI軸的轉速，n=n=120 r/min,啟動時，有輕微的沖擊。 3.8.3 鏈及鏈輪的計算 1）確定鏈輪、 設鏈的速度V在0.6m/s~3m/s,取=17 則=i=17 2） 中心距、鏈節(jié)數(shù) 設=40P = 式3-24 =97 節(jié) 一般鏈節(jié)取偶數(shù)，所以，=98 節(jié)。 3） 計算功率 式3-25 查表取K=1.1 通過公式得K、: K==0.89 ==0.99 選用單排鏈， 所以，計算得： =0.76 kw 3.8.4 選取鏈條型號和鏈條節(jié)距P 通過功率=0.76 kw和轉速=120 r/min,選取08A型號的鏈條 查表得：P=12.70 mm 3.8.5 實際的中心距′ 通過公式計算： 式3-25 =514.35 mm 取′=514 mm 3.8.6 驗算速度V 0.44 m/s<0.6 m/s 與所設不符，V<0.6 m/s,計算靜強度。 3.8.7 計算靜強度 公式 式3-26 取S=4，根據(jù)鏈條查得=13.8 KN。 查得=1.1 緊邊拉力 =F 式3-26 其中 2773 N =0.029 N 因為鏈輪的兩軸水平布置，取=6， 所以 =6×0.6×9.8×0.514=18.13 N 所以 =F=2773+0.029+18.13=2791.2 N 所以 =4.49>S=4 即鏈條及鏈輪符合要求。 3.8.8 壓軸力 =，取=1.2 式3-27 ==1.2×2773=3327.6 N 3.9 直齒圓柱齒輪的設計 通過茶葉自動包裝機傳遞的結構進行分析，我們需要用到兩組相同的圓柱齒輪。下面，對其中一組齒輪，進行設計計算。 傳遞功率即為Ⅰ軸的輸入功率，所以，P=0.61 kw,兩個齒輪軸向平行，水平放置，一個齒輪懸臂，另一個齒輪兩端采用軸承支撐。 3.9.1 選擇直齒圓柱齒輪的精度等級，以及材料和齒數(shù) 1） 精度等級的選擇 通過主動輪轉速120 r/min可知，齒輪的傳動速度不是很高，所以，可以選擇精度等級為8級精度。 2）兩齒輪材料的選擇 兩齒輪選擇HT300，220HBS的硬度。 3） 齒數(shù)的選定 因為傳動比為1，所以，選定兩齒輪==29 4） 齒數(shù)比 =1=i =0 3.9.2 設計計算 1）通過設計計算公式進行估算，即 式3-28 2）確定數(shù)值 試選擇載荷系數(shù)K=1.5。 傳遞轉矩為 T=5.158×10 N·mm 通過查表，=0.8。 應力循環(huán)次數(shù)計算 =60×120×1×16×360×5=2.074×10。 經(jīng)查得： =0.95 按照齒面硬度，可查得: =130 MPa 許用應力 取S=1.4,由公式得： =88.21 MPa =88.21 MPa 查取、 由表查得： ==1.62 ==2.53 計算 式3-29 =0.0465，=0.0465 3) 計算 模數(shù)的試算 =2.72 mm 分度圓直徑 ==29×2.72=78.88 mm 圓周速度V的計算 =0.25 m/s 齒寬b =0.8×78.88=63.10 mm 齒寬齒高比 齒高： h==2.25×2.72=6.12 mm =10.31 載荷系數(shù) 通過查表，得=1.25 根據(jù)V=0.25 m/s，查得=1.05 查得1 通過查表，得=1.2009 =1.0340 所以， K 式3-30 =1.25×1.05×1×1.0340 =1.357 校核模數(shù) =2.63 mm m=1.1×2.63=2.89 mm 取標準模數(shù)m=3 mm 4) 齒輪的幾何尺寸 分度圓直徑 =29×3=87 mm =29×3=87 mm 中心距 =87 mm 齒寬 b=0.8×87=69.6 mm b=0.8×87=69.6 mm 圓整取 b=70 mm 3.10 縱封輥及牽引輥的設計 3.10.1 牽引輥 由于上面所求的直齒圓柱齒輪中心距為87 mm,牽引輥與圓柱齒輪同軸，所以，兩牽引輥的中心距為87 mm,因為一組牽引輥直徑相同，所以： D=87 mm 所以牽引輪圓周周長為S=Dπ=87×3.14=273 mm270 mm 因為牽引輪2 r/min，袋子也是一分鐘制兩袋，所以，牽引輪轉動一圈，袋子制一袋，即S=袋子高，已知袋子高270 mm,所以，牽引輪直徑符合要求。 包裝帶膜寬300 mm,經(jīng)過U型翻折，寬150 mm,所以牽引輪長度應大于150 mm,取230 mm。 另一組牽引輥應保證包裝膜帶速與上面牽引輥同步，所以，D=87 mm,L取214 mm。 3.10.2 縱封輥 由于上面所求的直齒圓柱齒輪中心距為87 mm,縱封輥與圓柱齒輪同軸，所以，兩縱封輥的中心距為87 mm,因為一組縱封輥直徑相同，所以： D=87 mm 所以縱封輪圓周周長為S=Dπ=87×3.14=273 mm270 mm。 因為縱封輥2 r/min，袋子也是一分鐘制兩袋，所以，縱封輥轉動一圈，袋子制一袋，即S=袋子高，已知袋子高270 mm,所以，縱封直徑符合要求。 縱封寬度為10 mm,可取縱封輥L=15 mm,有10mm長接觸膜帶。 3.11 主軸的設計計算 3.11.1 軸的分類及特點 軸的應用相當普遍，它能很好地傳遞轉矩。 軸的種類很多，根據(jù)外形不同，可將軸分為兩類：曲軸和直軸。如圖3-6所示。 圖3-6（a） 曲軸 圖3-6（b） 直軸 在這里，根據(jù)茶葉自動包裝機的運動，選擇直軸。 3.11.2 材料的選擇 主軸轉速為120 r/min,屬于低速，結合實際情況，主軸的載荷不是很大，可選用45鋼。 3.11.3 主軸的裝配 考慮到主軸上需要裝配零件，這些零件影響著各個軸段的長度，所以，確定主軸的裝配，結構如圖3-7。 圖3-7 主軸的裝配 3.11.4 主軸的尺寸確定及裝配零件的選擇 因為主軸的輸入功率P=0.65 kw,轉速為60 r/min,所以，最小直徑d得： 式3-31 其中，A=110，所以d=19.34 mm 因為軸上需四個鍵槽，所以 d==22.63 mm 最小端通過聯(lián)軸器與減速器相聯(lián)，已知減速器輸出端為32 mm,選取GY5聯(lián)軸器,所以，主軸最小端直徑d=30 mm。 結合主軸的裝配，主軸外形如圖3-8。 圖3-8 主軸 17段：17段與聯(lián)軸器相聯(lián)L=65 mm,d=30 mm。選用鍵10×56。 16段：需要設有定位軸肩，L=10 mm,d=35 mm。 15段：L=11 mm,d=39 mm。 14段：該段裝配軸承，L=14 mm,d=40 mm,軸承選取角接觸軸承7008C。 13段：需要設有定位軸肩，L=40 mm,d=46 mm。 12段：該段裝配凸輪，L=30 mm,d=52 mm。選用鍵16×25。 11段：L=100 mm,d=58 mm。 10段：該段裝配齒輪，L=19 mm,d=64 mm。選用鍵B18×18。 9段： 需要設有定位軸肩，L=8 mm,d=70 mm。 8段： L=200 mm,d=64 mm。 7段： 需要設有定位軸肩，L=8 mm,d=70 mm。 6段： 該段裝配齒輪，L=19 mm,d=64 mm。選用鍵B18×18。 5段：需要設有定位軸肩， L=120 mm,d=58 mm。 4段： 該段裝配齒輪，L=19 mm,d=52 mm。選用鍵B16×18。 3段： 需要設有定位軸肩，L=200 mm,d=46 mm。 2段： 該段裝配軸承，L=14 mm,d=40 mm。軸承選取角接觸軸承7008C， 1段： 該段為螺紋，裝配圓螺母，L=11 mm,d=39 mm。選用圓螺母M39×1.5。 其中兩個角接觸軸承采用面對面式裝配。 3.12 螺旋推料的設計計算 3.12.1 計算螺旋軸徑 （