机械设计制造及其自动化毕业论文-医用瓶盖冲塞机的设计与研究.doc

（2011届）毕业设计题目：医用瓶盖冲塞机的设计与研究学院：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：机械071学号：200733315121姓名：苏立擂指导教师：刘楚辉教务处制 年月日III嘉兴学院毕业设计说明书诚 信 声 明我声明，所呈交的论文是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。我承诺，论文中的所有内容均真实、可信。 论文作者签名： 签名日期： 年 月 日授 权 声 明 学校有权保留送论文交的原件，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部或部分内容，可以影印、缩印或其他复制手段保存论文，学校必须严格按照授权对论文进行处理，不得超越授权对论文进行任意处置。论文作者签名： 签名日期： 年 月 日医用瓶盖冲塞机的设计与研究摘 要首先，介绍了国内外的发展状况，了解了现今医药包装设备发展的程度和我国这方面的不足之处，明确了今后发展的方向。其次，分析了整个设备的构成，从整体上提高设备工作的可靠性，确定了各个机构的基本功能及作用。为了最大程度的提高设备的可靠性，然后，对各个主要机构进行了分析，具体包括理盖机构、送盖机构、冲裁机构、塞纸机构和送纸机构。画出了总装配图和部分机构的装配图，进行强度校核的计算。最后总结了所设计的医用瓶盖充塞机相对于已有设备所作的改进、存在的不足之处以及将来发展的方向。关键字：安全，冲塞机，机构分析，设计Medical cap plugging Machine Design and Research Abstract First, the paper introduces the development situation, to understand the current level of development of pharmaceutical packaging and our shortcomings in this regard, a clear direction for future development.Secondly, the analysis of the entire device structure, enhance the overall reliability of production equipment, from the overall coordination of equipment collaborate with each other, set the basic functions of the various agencies and functions.Then, one by one body on the analysis, the greatest degree of improve equipment reliability, including the reasons covered bodies, send cover body, blanking institutions, insert paper bodies, feed bodies.Draw assembly drawing of some agencies, a general assembly drawings, calculation of the strength check.Concluded the development of the device relative to the previous place, but also on the inadequacies of the equipment, and the future direction of development.Keyword：Security, plugging machine, institutional analysis, design目录摘 要IAbstractII1 绪论.1 1.1前言.1 1.2研究现状.1 1.2.1 国外的发展概况 .1 1.2.2 国内的发展概况 .4 1.3 本课题的主要内容及意义.5 1.3.1 主要研究内容 .5 1.3.2本课题的意义 .52瓶盖冲塞机械机构总体设计.62.1简介.62.2总体设计.63 理盖机构和送盖机构.83.1振动料斗的机械原理及机构组成.83.2 瓶盖的定向设计.93.3 瓶盖在轨道上的运动分析.103.4 送盖机构.113.4.1简述.113.4.2 瓶盖前进的动力源.123.4.3 轨道的设计.143.4.4 送盖机构的力学分析与电机选择.144 送铝箔片机构.154.1 传送机构的设计.154.2 传动轴强度校核.154.3 控制电机的选择.195冲裁机构和塞纸机构.205.1 曲柄滑块机构和偏心轮机构.205.2 冲裁机构设计.215.3 冲裁机构运动学分析.225.4 冲裁电机选择.245.5 主动轴扭转强度核.255.6 塞纸机构. .256结论.27参考文献.28致谢.29附录.30351 绪论1.1前言改革开放30年来，中国自动冲塞机市场从无到有，从小到大、从总量快速扩张到结构明显升级，逐步形成了有中国特色的多样化、多层次的消费市场。自动冲塞机市场规模比改革初期扩大了几倍乃至几十倍，其发展成就令世人瞩目。2010年中国自动冲塞机市场发展迅速，产品产出持续扩张，国家产业政策鼓励自动冲塞机产业向高技术产品方向发展，国内企业新增投资项目投资逐渐增多。投资者对自动冲塞机行业的关注越来越密切，这使得自动冲塞机行业的发展需求增大1。由于目前生活水平的提高，人们对健康的日益重视，医疗器械必将越加热销，医用产品的市场肯定会越来越大。随着医保政策的推出，更加迎来发展的春天。1.2研究现状1.2.1国外包装机械发展概况 随着世界科技的发展，发达国家已经把核能技术、微电子技术、激光技术、生物技术和系统工程融入了传统的机械制造技术中。新的合金材料、高分子材料、复合材料、无机非金属材料等新材料也得到了推广应用，包装机械的集成化、智能化、网络化、柔性化将成为未来发展的主流。 随着科技的发展包装机械在各国都在广泛使用，占领着市场的主导地位。下面就简单介绍下国外各国的发展情况: 日本包装机械起初主要是引进、消化欧美设备，之后着力开发自己的新技术。主要集中在计算机和辅助马达驱动两种关键技术上。其包装机械制造厂以中小型企业为主，而食品包装机械占据全部产品的51，主要针对国内市场6。 意大利生产的包装机械中，40%是食品包装机械，如糖果包装机、茶叶包装机、灌装机等。意大利包装机械行业的最大优势就在于可以按照用户的要求进行设计和生产，并能保证很好地完成设计、生产、试验，实现监督、检验、组装、调整和用户需求分析等。产品的特点是外观考究、性能优良、价格便宜7。美国的包装机械大多数用计算机控制，使包装机械向高速度、高效率、高质量的方向发展。对商品包装材料所需的温度、强度、电压和包装的数量等都编成程序输入电脑，进行自动控制。这不仅可以提高包装机械的使用效率，提高包装机械的精密度和准确度。美国的包装机械向注重经济、自动、高效和多功能方向发展。如微处理程序控制、调控系统、传感、光电等装置，在美国的包装机械设备上广为应用，既提高了工作效率，又改进了包装质量。例如，有一种充填机，在同样的条件下不受包装材料和包装物体形态差异的限制，只要稍加调试，即可适应各种形状包装容器的充填8。德国在包装机械设计、制造、技术性能方面居于领先地位。产品以高速度、高可靠性、高包装质量、高度自动化、高成套性等方面享誉全球。其设计尤其针对大型企业量身打造。主要特点体现在工艺流程和自动化程度越来越高、提高生产效率的同时降低生产成本、产品机械和包装机械一体化、提升产品的柔性和灵活性、普遍使用计算机仿真技术等诸多方面。是世界上最大的包装机械出口国9。加拿大的包装机械制造业以其灵活性的生产方式和可靠的质量享誉国际市场，尤其擅长制造用于大量不同流水线速度的设备，擅长设计弹性很大的设备。并且，加拿大的出口商在量身定做塑料设备方面建立了市场优势，为客户提供灵活、创新、定做式解决方案10 11。总体说来，国外的包装机械行业发展有如下几个特点12：(一)、生产高效率。生产线高度自动化，生产规模大型化，以获得最佳劳动生产率和经济效益； (二)、资源的高利用率，高度的综合利用和发展循环经济；(三)、产品高度重视节能，重视降低成本；(四)、高新技术实用化，提高生产效率，产品上水平、上档次；(五)、科研成果商品化，使包装机械产品向知识密集化、技术综合化，产品智能化等方面发展。国外医药包装机械普遍而言在包装机械行业中的市场占有比例并不高。也很少有相关的文献记载和报道。 1.2.2 国内包装机械及医药包装设备研究概况随着我国经济的日益发展壮大，包装工业也快速发展，但是在我国包装工业快速发展的进程中，大量高技术含量的设备生产线还以进口为主。例如塑料薄膜双向拉伸设备，一条生产线就近1亿元，从上世纪七十年代开始引进，到目前为止，国内相继进口该类生产线100余条。还有乳制品行业大量使用的无菌包装盒、灌装设备等大都为国外公司生产的。国内包装机械行业对国外高端技术生产设备的过度依赖，已成为制约我国包装工业持续、稳定发展的一个绊脚石。因为大多数包装产品的技术含量体现在加工工艺和技术装备上，工艺是核心，装备是关键，而包装设备在装工艺中居于主导地位。虽先进设备的引进大大加快了我国包装工业的发展速度，但是，我们不能依赖国外的高端技术与技术装备，这是因为国外的技术装备价格昂贵，一些中小企业无力引进，不利于我国包装行业技术水平的整体提高；不利于发展自己的知识产权，不利于培育自己的专业设计人员，长此以往我们只能跟在别人后面，这将丧失发展的控制权和市场的主动权13。我国和其它国的在这方面的差距主要出于以下几方面：141)产品技术方面：控制技术和产品可靠性方面较差，且技术更新的速度太慢，新技术、新材料、新工艺推广的范围太窄。整体水平比发达国家要落后20年，现在我国包装机械产品中仅有5左右能够达到发达国家90年代初期的水平.还有20的产品仅能和国外80年代的产品相比，其余60左右仅能达到国外70年代的水平。我国的包装机械在产品的开发、性能、质量、可靠性、价格、服务等方面与进口产品在竞争中处于劣势，抵挡不了进口产品的大量涌入。在进口设备中，一般是技术含量高或大型设备，大都是国内不能制造或达不到使用技术要求的。如无菌包装机大型高速饮料灌装机、贴标机、组合电子秤等。有的设备国内虽然也能制造，但可靠性不好，生产出的食品质量、保质期等都不如进口设备，如冰淇淋包装机。包装机械进出口比例相差太大，以1998年为例：包装机械进出口总额148亿美元，进口总额144亿美元，比1997年增长213，出口仅为045亿美元，比1997年还下降89，进口为出口比例的近33倍。从1998年我国出口产品看，我国出口的大多是低档次、低附加值或劳动密集型产品，而进口产品都是大型成套设备和高技术含量的产品。2)产品品种方面: 目前国外包装机械产品的品种大约有2300多种，成套数量多，并且不断有新技术、新产品出现。国外的包装机械产品一方面向高精度、大型化发展，另一方面向多功能方向发展。如意大利ILAPAK公司的小剂量颗粒包装机采用机械转鼓式计量，连续式封合并裁切，一机多工位，包装速度可达120袋分，其控制系统采用微机和可编程控制器。与发达国家相比，我国包装机械产品品种及配套数量少，只有1300多种。缺少高精度和大型化包装机械产品，在钢制两片罐成型设备、高精度电子计量装置、高速电阻焊机、大型中空容器成型机械等方面仍属空白。3)生产技术与企业管理方面：目前，国外包装机械企业大多采用了CADCAM技术，数控加工中心和柔性制造系统的应用也较广泛。发达国家包装机械企业的技术、生产、销售等管理工作基本实现了计算机化。而我国的包装机械生产企业的技术装备水平偏低、设备陈旧、效率低、精度差等问题较突出，从而造成了企业缺乏市场竞争力。我国未来的发展将呈现以下特点：1）生产规模：小批量少品种大批量多品种变批量。2）资源配置：劳动密集型设备密集型信息密集型知识密集型。3）生产方式：手工机械化单机自动化刚性流水自动线柔性自动线智能自动线。4）工艺方法：重视加工前后处理、重视工艺装备，使制造技术成为集工艺方法、工艺装备、工艺材料为一体的成套技术。5）过程控制：把对物流、检验、包装、储存过程的控制作为制造技术的组成部分。6)建立产品循环系统：设计生产准备加工制造销维修回收利用，整个过程形成一个良性循环15。以国内同类型的包装机械来说，图l-1是舟山市普陀双鱼药机包装厂研制的BCS-120120I型自动冲塞机。用于制药、食品、化工等行业的塑料瓶及玻璃容器，在封口过程中，将盘带状铝箔片，先冲裁成圆片，自动塞入瓶盖。已经是国内少有的冲裁塞一次性连续完成的设备。但其生产能力只有40、60个/分钟，其速度只是国外同样设备的1/3，1/4。但其功能，可靠性，自动化程度已经属于国。内相当领先的水平了16。 图1-1 BCS-120/120型自动冲塞机 图1-2 SZ-1型自动塞纸机图1-2是黑龙江迪尔制药机械有限责任公司研制的SZ-1型自动塞纸机。主要用于医药行业的片、丸类药品装瓶后的塞纸工序。该机能自动完成送瓶、送纸、剪纸、制纸片预变形、塞纸全部过程。通用性好，能适应几种常用规格瓶和纸带盘。已经是国内市场非常具有竞争力的一款设备。但是制约其大范围推广的还是4060瓶/分钟的较低生产速度。经过市场调研，在冲塞机这一款医用包装机械中，还有若干小厂家也有生产。但是其性能和技术水平均难以达到BCS-120/120I型的水准。自动化程度最低的，冲裁圆铝箔片功能由机器完成，而塞入盖是由人手工操作。相对先进一点的设备，也是先冲裁铝箔片，然后理好，进入下一个工序，用类似吸盘的装置，每次吸5片圆铝箔，然后同时塞入五个瓶盖。自动化程度相对提高了，但是冲裁和塞的动作分成两步，系统集成化程度较低。这些机械无论是在可靠性还是稳定性方面都难以达到要求，而且机器使用寿命短。最关键的是加工速度相当低，最快也只有60-70个/分钟。1.3 本课题的主要内容及意义1.3.1主要研究内容1）了解医用瓶盖冲塞机的应用与研究现状，要求总结现有系统的优点与不足。2）研究并掌握医用瓶盖冲塞机的机械结构与工作原理。3）设计出一种新的双排式进盖机制，保证铝箔片冲裁和瓶盖能在很短时间间隔内按顺序完成。要求完成医用瓶盖冲塞机的机械结构设计，绘制各零件图和整机装配图。对关键机构进行分析，据此选择合适的控制电机，使机器工作稳定可靠。1.3.2 本课题的意义随着全球化的提高，国外企业进入中国市场，国内一些无力竞争的包装机械企业将被国外企业收购、兼并、甚至破产，其垄断化的趋势将越来越明显，并且垄断的范围逐渐从香烟，饮料包装机械产品扩大到其他包装机械产品2既要把握市场机遇，又要抵御国外包装机械强国的冲击，研发具有自主知识产权的先进设备，就成了当务之急。研制医用瓶盖冲塞机对提高国内医药包装行业的技术水平、实现对医药用瓶盖快速高效的冲塞、提高生产率和合格产品率有十分重要的意义。此外，医用瓶盖冲塞机还能实现计数、错误报警等一系列功能。通过提出一种新的机械结构，从而大幅提升瓶盖冲塞机的加工速度，具有非常重要的实用价值；在中国已经加入WTO之际，通过自主研发，让国内包装机械跟国外先进水平的对抗中，在质量和价格上能更多一些竞争力；为医疗卫生部门提供合乎医疗卫生标准的封装瓶盖；在包装行业蓬勃发展的今天，能高度冲塞、稳定可靠、基本实现无人操作、价格相对较低的瓶盖冲塞机，是有很大市场经济潜力的5。2 瓶盖冲塞机总体设计2.1 简介一部机器的质量基本取决于设计质量。制造过程对机器质量所起的所用，本质上就在于实现设计时所规定的质量。因此，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。本设备采用双排式同时进盖机制，振动上料器的理盖机构，简单的卡轮送盖机构，消极定向原理，滚筒送铝箔片等简洁的设计。这些设计拥有投入少，效率高，生产方便，容易维护等优点。本章将一一介绍其工作原理及机构组成。2.2 总体设计有别于传统作坊及单排机械机构，本课题振动料斗理盖，然后用卡轮双排送盖，双刀口冲裁铝箔片，电磁阀控制两个活塞同时塞纸等设计。本设备可以分为：理盖机构，送盖机构，送纸机构，冲裁机构和塞纸机构五大部分。其流程如图2-1所示。 图2-1 机械加工工序流程图这五部分的具体功能如下：理盖机构：将杂乱无章的瓶盖整理成一排，剔除不合格的瓶盖重新排列，使所有的盖口朝上，以便于铝箔片的压入。送盖机构：将整理出来的瓶盖传送到塞纸机构的地方，所以要保证传送的速度用于冲塞的时间间隔，并且作为瓶盖前进的动力源。送铝箔片机构：这个机构是将卷着的铝箔片压成平面，然后送入冲裁机构，控制的电机必须保证配合冲裁机构的冲刀。冲裁机构：当瓶盖到达预定位置时，冲裁铝箔片，使之落到瓶盖上面。就是这个动作决定了这个过程的加工速度，各个机构将的协调是整个机器平稳运行的保证。塞纸机构：此设备的目的是将落在瓶盖上的纸片压入瓶盖里，并保证瓶盖翻转的时候不会掉出来。这个设备的动作应该与冲裁机构同步。整个机器的中心在于冲裁和压入两个动作中。为了完成这两个动作，必须保证瓶盖送到冲刀刀头下的时候，瓶盖的圆心要对正冲刀得圆心，塞入铝箔片的时候，塞杆的圆心也要对正铝箔片的圆心，这里需要准确定位，这个将在接下来的导轨章节提及。另外瓶盖前进的速度要和冲裁和压入的速度调节好，本课题采用1对刀头，冲裁一次，冲塞一次，这里的电机选择要准确。为了解释时间以及简化设备，我采用塞入机构和冲裁机构连接的设计，由于两个机构连接在一起。3 理盖机构和送盖机构3.1 振动料斗的机械原理及机构组成本课题中理盖机构主要是由振动料斗组成。它是利用振动的定向机构自动定向送料的料斗。振动料斗常用于机床上下料装置，在仪器仪表和电子元件等行业中较多应用。振动料斗工作比较平稳，适用于已经过部分精加工的各类小型工件。振动料斗具有一定的通用性，当用于尺寸，重量相近的不同工件时只需要更换定向机构。 （a） （b） (c) 1 料盘；2 弹簧；3 电磁振动器；4 底盘；5 减振底脚图3-1 振动上料器外形及结构示意图 动料斗由料斗、定向机构、支承弹簧、电磁铁和底座等组成。料斗多数为圆盘式(也有直槽式)，圆盘内侧有螺旋上升的斜料槽。定向机构设置在料槽近出口处，工件经过出口时沿斜料槽进行定向运动。支承弹簧通常为3或4根板弹簧，倾斜安装。电磁铁作为振动源，接交流电源或通以半波整流的脉动电流。衔铁装在料斗底部，气隙可以调节。通电后，电磁铁以一定频率吸放衔铁，于是带动料斗在倾斜安装的支承弹簧支撑下往复扭转和上下振动。有的振动料斗不用电磁铁激振，而用凸轮、曲柄连杆机构或偏心块等机构产生振动作用。其外形图如图3-1所示。振动送料的原理是借助料槽的微小振动使工件依靠惯性力和摩擦力的综合作用沿料槽斜坡向前向上移动。当料斗作扭转和上下振动时,斗内工件靠离心力向外贴着料斗壁进入螺旋上升的斜料槽底部。斜料槽连同工件在向左运动的同时还稍微向下运动，这时工件与料槽表面的摩擦阻力减小（甚至瞬时腾空），工件惯性力克服摩擦阻力，工件相对料槽向前爬坡滑动。当工件向右时还稍微向上运动,工件与料槽表面的摩擦力加大,摩擦力克服惯性力，工件在斜料槽上并不或仅少许向后滑动。这一过程反复进行，工件便在料斗扭转和上下振动的过程中沿着斜料槽一步步爬坡前进。中小型振动料斗的工件移动速度v28米/分，主要与料槽振动斜角和料槽升角有关，一般1025，105。料斗振动系统的自振频率f0应稍大于电磁铁的激振频率f，f0=(1.051.1)f 。f0决定于支承弹簧的刚度和振动系统的质量。为了增加容纳量而又不过多地改变自振频率，可安装固定的附加料斗，使工件不全压在振动料斗上。3.2 瓶盖的定向在后续的工序中，要求瓶盖的瓶口必须朝上，这是这里必须解决的一个问题。我采用在螺旋形供盖处加个小设计。瓶盖在料斗的运动过程中，瓶盖会呈现四个姿势，如图3-2所示。 图3-2 瓶盖在料斗的姿势图其中的三种姿势，即b，c，d都不符合要求，必须剔除。姿势b，c从图中就可以看出，侧立着，必然不能保持平衡，自动会掉落到原料中。对于姿势d我在螺旋道上加一个“E”形口，如图3-3所示。 图3-3 螺旋形供盖上的“E”形缺口从图中很明显可以看出瓶口朝下的瓶盖在经过E形口的时候会掉回原料中。3.3 瓶盖在理盖机轨道上的运动分析在离心力的作用下，运动到螺旋形供盖轨道上的瓶盖会一边靠到料斗的内壁上，一边向上移动：因瓶盖与料斗的内壁是“线接触”，摩擦力很小，所以，在下面的运动分析中就没有考虑该摩擦力对瓶盖的运动的影响。另外，“受力和运动分析”是只截取一小段滑道进行的。电磁铁断电时瓶盖的受力分析：料斗受电磁铁和支撑板弹簧的交替作用，当电磁铁断电时，在弹簧的力作用下，料斗内壁上的滑道以加速度a1向右上方运动，这是的瓶盖受力情况如图3-4所示。 图3-4 电磁铁断电时瓶盖的受力情况由此可得瓶盖的受力平衡方程组为：式中m瓶盖的质量 a1滑道的加速度 滑道的振动升角或瓶盖的抛射角 滑道的升角 F瓶盖与滑道之间的摩擦力摩擦系数N滑道对瓶盖的反作用力电磁铁通电时瓶盖的受力分析：当电磁铁通电时，滑道在电磁力的作用下，以加速度向左下方运动。此时（即电磁铁通电瞬间），瓶盖的受力情况如图3-5所示。 图3-5电磁铁通电时瓶盖的受力分析由此得到瓶盖的受力方程组为： 瓶盖在滑道上的运动分析：在弹簧的作用力下，滑道以加速度向右上方运动时，也带动瓶盖向上运动，而在电场力的吸引下，滑道以加速度向左下方加速度运动时，瓶盖在惯性力的作品用下脱离滑道，继续向上运动（即做瞬时微小的向前跳跃）。当瓶盖脱离滑道时，N =0，由式可得：，所以，瓶盖产生向前跳跃的条件为 ： 3.4 送盖机构3.4.1 简述送盖机构作为一个中间的机构，可以看出它是将上面整理出来的瓶盖，更加精确的整理成一排紧密连接，具有确定位置的队列。作为中间机构，它又必须为后面的加工提供稳定的工作环境。所以它要提供瓶盖前进的动力。并且本课题研究的是双排式的进盖机构，于是，送盖的轨道就有了简单的初始模型，其大致的瓶盖前进的过程示意图如图3-6所示。 图3-6 瓶盖前进的过程示意图 图中黑色的圆圈代表瓶盖，水平方向的线条代表轨道壁。从图中就可以看出，瓶盖的排列形式。3.4.2 瓶盖在送盖轨道上大的运动与定位由于振动料斗理盖机的出口比较高，所以瓶盖是从轨道的高处滑下。因为瓶盖是塑料的，并且轨道是金属材料的，摩擦力将会比较小，这样瓶盖就会前进一段路程。但这样不能完全保证瓶盖的稳定前进，如果会停止不前，将会给后面的加工带来很大的麻烦。还有一个问题就会后面的加工必须要有一个准确的定位，这样冲裁出来的铝箔片才会准确掉入瓶盖中。于是这里我就加入了一个驱动装置，一种简单的卡轮。其外形和工作原理如图3-7所示。 图3-7 卡轮外形结构图因为要求两个卡轮的转速一样，所以采用两个型号一样的步进电动机，其中一个齿轮顺时针旋转，另一个则逆时针旋转。每旋转90的圆心角，这个送盖机构就向前推了一排(2个)瓶盖。旋转一整周，将有4排(8个)瓶盖经过特型齿轮，往前推进，周而复始。该机构不但能给瓶盖自口进以足够的推力，而且能保证瓶盖在进入冲裁位置时排列整齐，起到定位功能。这个定位功能是通过驱动卡轮的电机与冲裁的电机一起协调所完成的。由于加工的对象是塑料瓶盖，其总重量在20克左右，而且摩擦力也是较小，其产生的扭矩也就非常的小。虽然卡轮是塑料制造的，但也不会使卡轮受太大的扭矩而断裂，这里就不用计算受力校核了。3.4.3 送盖机构轨道的设计对于现在复杂繁多的瓶盖，要设计好轨道，这里可以有必要强调一下关于柔性制造的重要性。柔性制造可以表现为两个方面：第一方面是系统适应外部环境变化的能力，可用系统满足新产品要求的程度来衡量；第二方面是系统适应内部变化的能力，可用在有干扰情况下，系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比来衡量。“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产，其优点是生产率很高，由于设备是固定的，所以设备利用率也很高，单件产品的成本低。但设备价格相当昂贵，且只能加工一个或几个相类似的零件，难于应付多品种中小批量的生产。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替代，一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否有能力在很短的开发周期内，生产出成本低，质量高的不同品种产品的能力。本课题面对复杂的产品型号，最新设计一种大小可调的轨道。它可以适用与多种的瓶盖，这样就侧面的减低了产品加工的成本，在市场剧烈的竞争中，可以适应复杂多变的市场，无形中提高的企业的生存能力。一般的轨道设计如下图3-8所示。从图中可以看出这种轨道只能适应一种瓶盖的加工，非常不符合现在复杂多变的市场。 图3-8 传统的轨道结构图从图中可以看出，传统的导轨只适合一种型号的瓶盖。忘了适应市场的要求，一定会生产不同的型号的瓶盖，也就是说，要更换设备才能适应。这样就会加大生产的成本。为了解决这个问题，我设计了可调节的导轨。其结构图如图3-9所示。 图3-9 可调节导轨结构图从图中可以看出，本课题的导轨只是把两边的导轨壁和导轨底面分离开来，然后用螺栓固定在导轨底面。并且这个螺栓连接是可调的，并没有被卡死。当要求加工新型号的产品时，只要松开螺栓，调节好导轨的宽度，在拧紧螺栓就可以了。因为导轨在水平面上收到的力可以忽略不计，螺栓也就不用计算强度，更加不用强度校核。 3.4.4 送盖机构的力学分析与电机选择步进电机必须为卡轮提供足够的转矩，来克服(1)卡住的瓶盖和轨道的摩擦力；(2)卡轮本身的转动惯量；(3)卡轮位置之后瓶盖列和轨道的磨擦力。才能保证送盖机构能推动瓶盖在轨道上前进。卡轮送盖过程中，瓶盖和金属材质轨道底以及轨道壁产生摩擦阻力，但是因为瓶盖质量太轻(约12克)的缘故，磨擦力几乎可以忽略不计。卡轮材料为聚四氟乙烯，其质量较轻(大约269)，其本身的转动惯量也很小：瓶盖在送到卡轮位置之前，倾斜的轨道能给瓶盖下滑提供动力。在卡轮位置之后的轨道很短(大约34个瓶盖直径的长度)，虽然瓶盖列完全依赖卡轮的拨动才能前进，但是瓶盖列的和轨道底的摩擦阻力也非常小。 图3-10 42BYGH250A型四相步进电机由于扭矩实在太小，不可能超过轴的材料承受范围，因此无需对卡轮的传动轴进行校核。直接选取上海固若金电子有限公司型号为42BYGH250A的四相步进电机，其外形如图3-10所示。他的参数为：额定电压12V，保持转矩0.25N.m，额定电流0.4A，定位转矩，0.12KG.cm，电阻30，步矩角1.8电感37mH，运行矩频特性分别为0.2/300、0.12/500、0.10/1000N.m/Hz。4 送铝箔片机构 4.1 传送机构的设计本设备所用的垫片材料，是单面镀金属膜的纸条，有一定厚度和硬度。初始状态是卷在轴筒上，就如同日常生活所用卷筒纸。但是在纸条到达冲裁机构时，事先要拉直摊平，再传送到排列好的瓶盖正上方。考虑到在裁减之后，纸条中间会有规则排列的圆形孔洞，如果在冲裁机构后面用拉的方式送纸，可能会因为受力点过小而将纸条拉断。所以本课题拟在冲裁机构之前，用两个圆形滚筒来送纸。如图4-1所示，主动滚筒由步进电机拖动。只要滚筒间距适当，能产生足够的摩擦力，而带动滚筒的电机功率足够，滚筒送纸还能有将原本卷曲的纸条压直的效用。 图4-1 铝箔片传送机构结构4.2 传动轴强度校核滚筒轴在载荷作用下，将产生弯曲或者扭转变形，若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机械应有的工作性能。1 主动轴扭转强度校核轴的扭转强度条件17为： （4-1）其中和分别表示扭转切应力和许用扭转切应力，单位MPa：T表示轴所受扭矩，单位为Nmm；WT表示轴的抗扭截面系数，单位为；n表示轴的转速，单位r/min；P表示轴传递功率，单位Kw；d表示计算截面处轴的直径，单位mm。由上式可得轴的直径必须满足条件： （4-2） 送纸滚筒轴承材料为45钢，=25-45MPa，则Ao=103126，取Ao=103。又直径d IOOmm的轴，有一个键槽时，轴径增大5%7。滚筒运动状态为转135角停一次，总共耗时大概1秒钟，转速n =45r/min。据此计算轴不会被扭断的最小直径为6mm，而设计用轴直径为15mm，因此送纸滚筒的主动轴扭转强度足可满足要求。2. 从动轴弯曲强度校核 P =100N =50N F2=50N 1875N 250N.mm 250N.mm 图4-2 从动轴弯曲强度校核已知轴的弯矩和扭矩后，可针对某些危险截面，作弯扭合成强度校核计算。按照第三强度理论，计算应力。通常由弯矩产生的弯曲应力盯是对称循环应变力，而有扭矩产生的扭转切应力则不是对称循环应变力，为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数，则计算公式为： （4-3）约为0.6 从动轴的截面如图4-3所示。 图4-3 从动轴的截面图根据上面这个图可以得到一下公式18： （4-4） （4-5）弯曲应力 （4-6） 扭转切应力 （4-7）将式(4-4)、(4-5)、(4-6)、(4-7)代入式(4-1)，45钢的许用弯曲应力=55MPa,容易得到设计的轴承满足条件，因此从动轴的弯曲强度可满足要求。4.3 控制电机的选择 根据滚筒的直径尺寸、要求的加工速率、待加工瓶盖的直径等参数，可以计算出带动滚筒的电机额定速度。根据纸片的厚度和硬度，调整两个滚筒之间的距离。通过试验，可以测得带动滚筒送纸所需要的转矩。以磨擦力30N，主动轴直径15mm计，则步进电机负载转矩必须不小于30x7.5=225N.mm，根据上述参数要求，送纸滚筒选取上海固若金电子有限公司型号为57BYG007-4的四相步进电机。其外观如图4-4所示。 图4-4 57BYG007-4型四相步进电机它的参数为：额定电压12V，保持转矩34.3N.m，额定电流0.38A ，定位转矩5.88KG.cm，电阻32，步矩角1.8，电感30mH，运行矩频特性分别为：30/100、30/200、25/400、12/600N.m/Hz。5 冲裁机构和塞纸机构5.1 曲柄滑块机构和偏心轮机构曲柄滑块机构如图5-1所示。它是由铰链四杆机构的演化而来。当机架4和摇杆3的长度同时无限增长，铰链D无限延移时，这时杆3上c点的运动轨迹由左图中弧mm变为直线，杆3的运动变为移动，此运动可用与杆3固连的滑块及机架固联的导轨来实现，就演化为曲柄滑块机构。此机构为含有一个移动副的四杆机构，若不考虑哪个杆作机架，就是含有一个移动副的4构件系统。曲柄滑块机构中滑块C点的运动轨迹称为导路，C点在两个极限位置之间的距离称为行程，用H表