毕业设计（论文）-自动纸杯成型机构设计与控制.doc

自动纸杯成型机构设计与控制摘 要现如今经济的迅猛发展人们的生活水平也得到很大的改善，人们更加追求方便快捷的生活。一次性的餐具在我们的生活中应用越来越广泛，然而，保护环境正至上而下的实施，以往的塑料产品正逐步被市场所淘汰。制造并使用绿色环保的纸杯已经大势所趋，它每年的使用量与日俱增。因此，全自动纸杯机市场前景好，有用武之地，故对其做详细的研究。本文首先了解其工艺流程，通过送纸、冲抵、加热、卷底、滚花、卷边等工序完成一个纸杯的制作。然后，根据各执行机构的要求选择合适的机构来实现此动作。接着，组装各个机构就得到纸杯成型机的整体设计，并且设计出它的传动系统图。实现上述各种动作主要有凸轮机构，槽轮机构，曲柄滑块机构及一些间歇机构。下一步是对各零件包括轴、凸轮、链轮、弧面凸轮分度机构等经行计算和校核。最后，在solidworks的基础上绘画出各三维模型，调整尺寸和布局，检查干涉，对其做进一步优化。最后用solidworks软件的机构模块对设计的纸杯机构进行运动分析，分析凸轮对精确性，平稳性，冲击的影响，保证纸杯的质量。关键词：纸杯成型机，机构，运动分析 design and control of automatic paper cup forming machineabstractnowadays, the rapid development of economy has greatly improved peoples living standards, people more pursue convenient life.disposable tableware in our life application is more and more extensive, however, the protection of the environment is the first and the implementation of the past, plastic products are gradually being eliminated by the market.the production and use of green paper has its annual usage represent the general trend, grow with each passing day.therefore, automatic paper cup machine has good market prospects, so play, do a detailed research on it.firstly, we need to understand the process, through feeding, offset, heating, volume at the end, rolling flower, crimping process completion of the production of a paper cup.then, according to the executive agencys request to choose the right body to achieve this action.then, the various agencies have assembled the whole design of paper cup forming machine, and is designed to map its transmission system.the main mechanisms of the above are cam mechanism, groove wheel mechanism, crank slider mechanism and some intermittent mechanism.the next step is for each component includes a shaft, cam, sprocket, etc. the indexing cam mechanism is calculated and checked.finally, on the basis of solidworks, the 3d model is painted, the size and layout are adjusted, and the interference is checked, and the interference is further optimized.finally with solidworks software mechanism module to design paper cup body motion are analyzed. the quality analysis of cam for precision, stability, impact ensure cups.keywords: paper cup machine, mechanism, motion analysis 目 录摘要abstract第一章 绪论11.1 课题背景11.2 设计意义21.3 纸杯成型机国内外发展现状31.4 纸杯和纸杯成型机的发展概述4 1.4.1纸杯的外形和纸质经历了四个阶段的变化。41.5 论文研究的主要内容4第二章 全自动纸杯成型机的方案设计52.1 概述52.2 特点52.3 主要技术参数52.4 设备组成62.5 生产流程62.6 全自动纸杯成型机的各个结构分析72.6.1吸纸机72.6.2供纸机构82.6.3卷封机构82.6.4推纸机构92.6.5冲底机构92.6.6滚花机构102.6.7压边机构102.6.8顶出机构112.7 纸杯机成型机加工部份的运动要求112.8 绘制工作循环图122.8.1确定各机构的运动循环122.8.2确定各机构每次执行某个动作所用的时间122.9 间歇机构的选择142.10 总体布局14第三章 各部分选型和设计18 3.1 传动方案的设计183.1.1结合图说明纸杯成型机的传动过程：19 3.2 选择电动机203.2.1总的传动比的计算公式：203.2.2各轴转速203.2.3各轴功率213.2.4各轴转矩21 3.3 带及带轮的设计计算223.3.1计算功率223.3.2选取v带类型223.3.3确定带轮的基准直径223.3.4确定中心距和带长233.3.5验算主动轮上小轮的包角233.3.6计算窄v 带的根数z233.3.7确定初拉力 243.3.8计算带对轴的压力24 3.4 链条及链轮的设计计算243.4.1计算传动比243.4.2 初定中心距243.4.3计算链节数243.4.4链节距和排数253.4.5中心距和链节数253.4.6验算链速263.4.7链传动的润滑及布置26 3.5 轴的设计计算263.5.1选择轴的材料。263.5.2求输出轴的功率,转速及扭矩。263.5.3初步估算最小轴径273.5.4轴的结构设计27 3.6 凸轮机构的设计和计算及偏心轮的选择303.6.1从动件的运动规律的确定313.6.2凸轮机构基本尺寸的确定313.6.3凸轮材料323.6.4凸轮轮廓线的设计323.6.5凸轮强度的校核33 3.7 弧面凸轮分度间歇机构的设计计算343.7.1弧面凸轮分度间歇机构主要参数尺寸的确定343.7.2弧面分度凸轮间歇机构的结构设计35总结36致谢37参考文献3838第一章 绪论1.1 课题背景现如今推崇健康是人们普遍的愿望，并且环保意识有很大的提高。走可持续发展战略已经上升到一种国策，从国家到几层没人有不关心和自身利益息息相关的生活用品。发展绿色环保产品已经成为了一种趋势，因为以往的塑料产品不仅难以降解，并且塑料产品里面存在发泡剂，会损坏大气层。掩埋或者焚烧都不是处理白色污染问题的明智途径。白色污染会破坏土壤结构，污染水源，回收或再处理难度大。并且，国家现在也颁布了限塑令，在其他欧美国家早就已经限制使用塑料餐具。我国在这几年也相继提出，国家环保局，铁道部和其他相关部门在一些一线城市如北京、上海都相继颁布严格的法令禁止使用塑料袋。所以就只能另找出路选择其他的材料的餐具来弥补这个使用量，因此纸杯就应运而生，纸杯以它环保，方便，美观等优点逐步受到青睐，使用纸杯已经成为了一种趋势，一种势不可挡的新潮流。纸杯有塑料别无可比拟的优点，首先它塑料杯相比干净，环保不存在环境污染问题，可以回收利用，掩埋降解都很方便。其次，它可以印刷，机械加工，具有加工性外形可靠美观。其次，它跟塑料产品相比，加工成本低，原材料丰富且低廉，利润比较丰厚。还有纸杯容易携带，方便，简单。综上诸多优点越来越受到各大生产厂家和消费者的喜爱。2012年的时候一年的纸杯消耗量就有150亿只，然而纸杯在一次性餐具市场的占有率才20%，由此可见，纸杯有很大的潜力。据统计局的数据分析可知，纸杯消耗量正在以每年20%的增长速度持续增长，并且纸杯是酒店，旅馆，商场，家庭，餐馆，政府机构必不可少的一次性用品。每年任何时候都需要，根本不存在缺乏市场的问题，由此可见纸杯的潜力和发展空间可见一斑。既然有这么大的市场就需要工欲善其事必先利其器，研发出高效，性能优良的纸杯机就是当务之急，实现自动化来满足日益增长的需要。图1-1 纸杯成型机1.2 设计意义纸杯机是生产纸杯的必须机器，现如今既然纸杯的消费量很大，市场潜力惊人，利润空间大，那么改进现在的纸杯机就可以满足市场的需求。我国的纸杯机是从韩国的纸杯机上发展起来的，消化吸收了立式纸杯机的长处，但是任然存在些许多不足。目前国家对生产绿色环保产品的厂商给予了大力支持，出台的文件和政策很好的说明了这一点。因此，研发改进先在的纸杯机就很有意义，引进国外先进的生产技术，集众人之所长研究新一代纸杯机，以其高效率，生产质量优，成本低等特点相信会改变现状的格局，让我过的纸杯机技术有个质的飞越。下面探讨下立式纸杯机的缺点：（1）采用中封机构我国现在的纸杯机基本都是采用中封机构，淋膜层的融化粘和这个工序是不可或缺的。一般加工这个工序的时间是0.8秒，杯身重合一起后热封头开始接触加热，并且要停顿好一会，接着凸轮机构带动烫条上下运动实现中封，这个动作耗时0.4秒。然而一个纸杯的生产时间才1.2秒，其中大部分的时间都耗在了热封的停顿上，很是影响生产效率，这就是韩式纸杯机的缺陷。所以，就需要采用多工位中封机构，既然热封的时间必不可少，那就浪费在纸杯的运输过程中。烫条在第一个工位的时候接触，0.8秒的运输后到了第七工位，接着就完成了整个热封动作释放。故只用0.4秒的时间就可以生产一个纸杯，大大的压缩了加工时间，提高了生产效率。（2）利用卧式机构 立式纸杯成型机的纸杯高度完全由凸轮的运动行程距离决定的，在卷边工序时要从杯模底部运动到杯模的上部，纸杯越高杯模也就相应变长，更换杯模相对容易然而凸轮是不易实现更换的，这样加工的纸杯尺寸变化范围就很窄通用性不高。卧式机构就不存在此缺点，凸轮的行程是一定的只需调整模具的大小就实现不同的加工范围。表1-1 纸杯近年来使用量1.3 纸杯成型机国内外发展现状 纸杯成型机分为立式和卧式两种，欧洲和美国的纸杯成型机构的水平，和纸杯成型机是基于韩国的模式发展，对于垂直。立式纸杯成型机，具有成本不高，操作容易，结构简易等长处。但社会在进步市场日新月异，用户的要求更加苛刻，纸杯的应用领域也拓展了，导致这种机行不能适应发展的需要。韩国纸杯成型机主要有以下两方面的不足：（1）产量低韩式纸杯机虽然结构和原理都很简单，但是它因为采用中封机构，延长了加工时间，导致每分钟生产纸杯的个数提不高。一，在杯体的形成需要纵向接缝粘接，叠层封热封需要足够的时间温度和pe膜有效地结合在一起。二、这种机器中封工序只有一个工位，效率低没有多工位快。两个因素导致制造一个纸杯花费时间久，产量低，已经远远不能满足市场的需求。（2）杯型变化范围小随着社会的不断发展，纸杯的应用场合也逐渐多起来。餐饮业，家用纸杯，冷热饮，方便面碗，形状多种多样，尺寸变化大，各个场合纸杯的要求性能也不近相同。容量变化从2盎司到50盎司；高度变化从20mm到300mm。杯型的这一变化就要求纸杯成型机能按照客户的需求在不改变整体机构的情况下更换少数部件制造各式各样的产品，也就是有较高的柔性。由于韩式纸杯机采用立式结构，这样凸轮的行程就受到限制，生产的纸杯的高度也就是一定的，加工的高度区间也限制了，不能满足市场日新月异的变化需求。我国早期引进韩国部分纸杯成型机，一批韩国纸杯成型机的早日出台，基于改进和优化的一些机构，来满足日益增长的市场需要。1.4 纸杯和纸杯成型机的发展概述纸杯自被发明以来，受到各国的青睐，在许多国家和地区被推广和使用。它之所以被广泛使用有如下优点优点：1、 纸杯环保卫生、简单方便、不会污染环境。二、纸杯成型机效率高、结构简单、性能好、耗能小、操作方便等。所以，目前在餐饮业、家用方面得到很好的使用，它的这些特点也正是政府所推崇的。1.4.1纸杯的形成和发展经历了四个阶段。（1） 圆锥形纸杯圆锥形纸杯是最原始的一种杯子，它产量低全靠手工。这种杯子牢固性不好，因为是用手工把杯底和杯身用胶水直接粘起来的。此外它凭借增加杯身褶皱来提高强度和耐用性导致产量低，逐渐被市场淘汰。（2）涂蜡纸杯生活质量的提高，人们也注意杯子的外部形象，在杯壁上印刷图案。涂蜡纸杯比圆锥纸杯有如下益处：一、把纸杯内壁涂上蜡，这样水就不和杯纸直接接触，不会损坏它的耐用性和粘合性，密封性得到提高。二、涂蜡后杯的质量也增加同时增加了承载能力。（3）直壁双层杯随着时间的推移，人们对纸杯更加挑剔，除了基本的要求外还要可以携带打包。所以，直壁双层杯应运而生。纸杯的密封性和防漏性会因为杯身涂了布乳胶而改善，性能也大大增强。除此之外，双层杯能够盛装热饮符合消费者的需求。（4）聚乙烯涂料纸杯随着生产科技的逐步提高，增强密封挡杯，改善产品质量，提高生产效率，减少生产成本，聚乙烯涂层的杯子中的开始应用。之后纸杯的性能得到显著提高，适用范围扩大。1.5 论文研究的主要内容全自动纸杯成型机的主要工序分为如下几个步骤:送纸、杯身成型、纵缝封合、杯底成型、预热、加热、翻底、杯底滚花、杯口卷边、退杯等。论文要设计送纸机构、卷封机构、推纸机构、冲底机构、滚花机构和压边机构等。（1） 按照机械原理和机械设计所学知识，确定上述各个机构的运动简图，设计多种不同的方案，选择各个条件都最适合的一个方案。（2） 对选择的最优方案用solidworks绘出三维模型，检查尺寸和布局，然后进行干涉检查优化方案。（3） 确定整个传动系统图，明白每个位置传动装置和动力转速。（4） 对各零件进行设计和校核，确定尺寸和选型。第二章 全自动纸杯成型机的方案设计2.1 概述全自动纸杯成型机具有多个工序，主要工序有自动送纸、杯身成型、纵缝封合、冲底、预热、加热、翻底、滚花、卷边、卸杯等连续工序。本设备是制造纸杯的专用设备，具有结构简单，效率高，耗能低，操作方便等特点。2.2 特点（1）全自动，操作简单全自动纸杯成型机各个连续工序连接紧凑，全自动生产，工人只需提供物料和整理制作好的纸杯。（2） 耗能低，效率高纸杯成型机总功率只有6kw，耗能低。机器整洁美观，不污染环境。（3） 柔性好 机器能够通过替换模具来生产不同规格的纸杯。（4） 体积小 纸杯成型机外形尺寸，占地面积不大。2.3 主要技术参数 纸杯规格：盎司 纸杯材料：一面淋膜 纸杯规格: 纸杯生产能力： 只/分 电源： 总功率： 外形尺寸：2.4 设备组成全自动纸杯成型机总体结构由五部分组成。第一部分：主要完成对杯体的传输，杯壁成型和成型传送到第二部分；第二部分：主要实现杯底形成,杯底输送，成型杯和杯底结合，成型杯的自动传输和卸货；第三部分：主要包括预热、加热、翻底、滚花、卷边、卸杯等工序。第四部分：主要包括电动机选型、传动带、链轮的型号，确定整个传动系统图。第五部分：机器外壳。全自动纸杯成型机的动作均由典型的四杆机构、凸轮机构链传动机构、平行四边形机构、液压系统、控制系统组成。2.5 生产流程如图所示纸杯生产工艺流程图（1） 纸坯落料 供纸机构把放在纸杯机首端供纸架上已经加工好的扇形纸坯提供原料，并且在下料底部安置了吸盘，保证是单张下料。（2） 杯身成型 坯料到达指定的位置后，通过抱合机构制作杯身。首先凸轮的转动，带动中间连杆支撑着坯料，起到固定作用。接着凸轮继续转动，推动左右这对连杆接着竖直向上运动，驱动抱合手把纸坯围着纸杯模具滚成纸杯杯身。最后，热封头插入热封是多亏了在连接缝处留有一定的空隙。（3） 纵缝封合 首先，纸坯运动到特定的位置，然后通过往复运动将抱合手把纸滚压到杯身模具上。然后，旁边的偏心轮开始工作，热封头上下运动进行热封把中缝缝合。最后，当完成上述动作后就开始退回一个周期结束。（4） 杯底成型 杯底的材质和杯身相同，通常以卷筒形式送出。当滚筒传送到相应的位置，用一套复合模冲底下降到杯底，然后由机械手将赶在杯底到顶部的模具表面。然后由翻转机构把杯身摘下来，从大口进入放在有杯底的套合模具上，接下来就是先预热在加热使杯底内腔的周壁向内翻，让杯身和杯底卷到一起。（5） 杯底内壁滚花 内壁滚花前需要对底部进行两次加热，先预热整个杯子的杯身下半部分，温度一般为还可以起到消毒作用。然后再进行主热，先将杯身底部翻底部分和杯底向内凹的部分衔接在一起，当温度加热到至后杯底和杯身套合。经过滚花作用的杯子，杯底和杯身套合严密，密封性好，并且杯底壁的材料均匀分布，是杯子制作过程中的关键环节。（6） 杯口成型 将基本加工好的杯子取下套在用来卷边的模具上，通过卷边机构使杯口成型，完成整个杯子的制作。2.6全自动纸杯成型机的各个结构分析2.6.1吸纸机目的就是把纸坯从供纸架上吸到传送平台上。曲柄摇杆机构的曲柄做圆周运动带动带动活塞做上下运动间歇的吸纸，并且每次只吸一张。工作原理：首先将偏心轮转化成曲柄1和连杆2，然后摇杆和滑块不变。2做圆周运动,曲轴带动连杆3，然后带动摇臂1做摆动，带动滑块作往复运动，从而完成预定动作。图2-2 吸纸机构2.6.2供纸机构将从供纸架上吸下来的纸传送的指定的位置。它通过曲柄滑块机构将圆周运动转化为滑块的往复运动。工作原理：曲柄1做圆周运动带动连杆2转动，连杆2的运动驱动摇杆3的左右摆动，接着通过连杆4带动滑块做往复运动。曲柄1和连杆2有两次共线的位置，当运动到左极限重合位置时，滑块在下料机构的末端，曲柄运动推动纸坯向前运动。然后当转动到右边共线的位置时，滑块5在卷封机构的始端，整个过程紧凑，完全能达到预定位置的目的。图2-3 供纸机构2.6.3卷封机构卷封机构是纸杯成型机中相当重要的机构，其由两部分组成，一是先杯身成型，二是中缝热封。杯身成型时通过凸轮来实现，中缝热封则是由槽轮来完成。工作原理：凸轮在推程阶段，推动滑块向上移动，由于滑块和角钢连接在一起，同样也推动角钢向上移动。然后推动弹簧给它一个向上的力，首先是中间的托板先到达顶部，顶住纸坯达到固定的目的。接着，凸轮继续向上运动，带动连杆1和3推动抱合器实现转动，完成纸杯杯身成型。最后利用凸轮合槽轮之间的相角差实现槽轮的衔接运动，槽轮的转动转化为热封头的上下往复运动去热封中缝。随后在弹簧的作用下，杆2开始下降，从而形成了一个工作循环。图2-4 卷封机构2.6.4推纸机构将卷封好的纸杯通过此机构推动纸杯向前，运送到八工位转盘中进行接下来的工序。工作原理：曲柄1圆周运动带动连杆2和摇杆3摆动，接着带动连杆4转化为滑块5的往复运动，此原理和送纸机构的原理相似。图2-5 推纸机构2.6.5冲底机构将卷筒纸冲出标准大小的杯底。工作原理：偏心轮机构就是把圆周运动变成连杆所需要的直线运动。曲柄1转动带动连杆2和摇杆3，转化为摇杆3的转动，接着传输到连杆4，带动滑块5做上下的往复运动，这样就冲出杯底放在八工位的孔中。图2-6 冲底机构2.6.6滚花机构滚花轴水平移动把纸杯压紧在滚花轮和滚花缸壁之间，接着绕着滚花缸中心线转动，贴着杯身底部滚动来实现滚花的目的。工作原理：凸轮轴1转动带通从动件2做上下的往复运动，从而滚花传动轴2也做竖直的直线运动。滚花传动轴和连杆3连接，带动滚花轴4在水平方向做直线往复运动。因为滚花传动轴和滚花轴之间是没有联系的，他们都绕着各自的中心线转动，带动滚花轮顶向滚花靠模的一侧，同时挤压杯底滚花部位，从而实现滚花的目的。图2-7 滚花机构2.6.7压边机构到压边工序后，前顶爪此时向下运动，顶着模具套筒使其向下运动，靠模具套筒内部的圆弧布局让杯口向外翻转，从而达到压边的目的。工作原理：曲柄1做整周的回转，带动连杆2运动，从而使滑块3在竖直方向做往复直线运动。连杆4与前顶爪5和后顶爪6连接，使其做上下的往复运动，间歇的压边。图2-8 压边机构2.6.8顶出机构顶出机构就是把已经加工好的杯子从八工位转盘中顶出并叠加。工作原理：曲柄滑块机构将曲柄的圆周运动转化为竖直方向的往复直线运动。曲柄1转动，通过连杆2带动滑块3在竖直方向做往复直线运动，从而顶出纸杯。图2-9 顶出机构2.7 纸杯机成型机加工部份的运动要求预热、主热工序当顶杆把杯底顶到纸杯底部后，工序盘继续转动，运动到预热和主热工位时，凸轮转动带动平台上移，这是环形的加热体就从下往上均匀的加热杯底，并且还要在杯底和杯身底部重合的地方停留一段时间。卷底工序经过加热的纸杯再转45度到达卷底盘，这个卷底盘是一直做圆周旋转运动的，当靠近杯子时挤压杯子的外围这样可以使其受力均匀，同时卷底盘也自下往上移动，一点点的把杯底部的部分卷到杯的内侧。滚花工序到达滚花工序时，滚花盘是和卷底盘一样不停的做轴向旋转运动，工序盘上移，杯的外壳进入滚花轮和滚花盘的缝隙中，这时滚花轮挤压褶皱的底部以杯子中心线为中心旋转，匀称的滚压结合处，完成一周的滚花后又下移，退出。卷边工序这个工序是没有圆周运动的，并且是从上往下的往复运动，与上述的机构不同，但是原理是一样的。模具上有个卷边圆环，竖直方向运动时压着杯口卷边。退杯工序退杯机构很容易，只需给已经加工好的杯底一个向上的力即可就可以实现退杯工序。2.8 绘制工作循环图2.8.1确定各机构的运动循环设该机器的生产效率是50个/每分，则推算出轴的速度为工作循环用时等于各个执行机构每执行一个动作所耗时间，所以2.8.2确定各机构每次执行某个动作所用的时间a纸杯供纸机构每次执行一个动作所用时间和轴的转速：根据上述的工艺过程，取杯壁纸供送机构的工作行程时间，杯壁筒钩出时间 ，停顿时间为，则相应的分配轴转角分别为 b冲底机构每次执行动作所耗时和轴的转角：根 据上述工艺程，取杯底冲栽机构的工作行程时间，返回行程时间停歇时间为 ，则相应的分配轴转角分别为 c.如上述的计算过程，滚花和卷边机构和上述的工艺相似，故计算过程如下： d绘制各个执行机构在360度的范围内执行动作所占转角。 表2-1 各机构工作循环图2.9 间歇机构的选择 为使工序盘可以实现间歇转位运动，有以下主要间歇机构：（1）槽轮机构：槽轮机构原理很简单，结构清晰明了，工作效率也高，可以实现定转角的转动，但是缺陷是：一、槽轮的槽数一般不是很多，所以没转一次转动的转角很大，不容易调节。二、圆柱销在进入槽口时存在冲击，避免不了。（2）不完全齿轮机构：不完全齿轮是正规齿轮的演变，只不过主动齿有一个或几个齿，从动轮上有若干个和主动轮相啮合的配套齿。它结构简单容易制造，可以根据转为角度和停歇的时间选择加工的齿数，变化范围大，设计灵活。但是，在远距离传动时，尺寸过大不合适。（3）弧面分度凸轮机构： 弧面凸轮分度机构和涡轮蜗杆很相似，弧面分度轮类似于蜗杆，转盘相当于涡轮。它可以更换滚子的个数来调整每次转动的角度和停歇的时间，并且也可以调节滚子和凸轮间隙提高传动精度。但是其制造要求高，成本贵。综合考虑以上间歇机构的优缺点，选择弧面分度凸轮机构。2.10 总体布局图2-10 总体布局图1-机架 2-偏心轮 3-轴承 4-连杆 5-支架 6-纸杯膜 7-工序盘 8-翻底盘 9-滚花盘 10-卷边盘 11-间歇机构 12-链轮 13-主轴 14-凸轮 图2-11 执行机构总体布局图1-机座 2-连杆 3-滑块 4-滑块机构 5-工序盘轴 6-脱杯机构 7-花键轴承 8-带轮 9-电动机2 10-支架2 11-链条 12-花键轴 13-偏心轮 14-减速器 15-链条 16-支架1 17-工序盘 18-电动机1 19-v带 执行机构总体布局图如图所示，纸杯机的动力装置在执行构架的右边，传动顺序如图中的红色虚线部分。电动机1经过v带输出转速和动力给减速器，经减速器调速后通过链条输送给主传动轴，主传动轴旁边还安装了另外个链轮，通过它将动力在传递给间歇装置，因此执行部分的传动图就清晰明了了。电动机2是带动卷底盘和滚花轮的，这两个工序需要的转速不高，从电动机1在分出来不合适，所以另外加了一个电机。电机2需要提前转动以保障加工的质量和效率。图2-12 纸杯机整体装配图第三章 各部分选型和设计3.1 传动方案的设计图3-1 传动流程图 1-电机1 2，13-v带 3-减速器 4，8,21,34,36-链条 6,40-偏心轮 7，28-凸轮 5-连杆 10-滑块 12-电机2 9，14,26,32,35,39-轴 11-轴承 15,16,18,22,23,24,27-链轮 19，25-轴承 17,23-张紧轮 33，37-凸轮 30-槽轮 31-曲柄3.1.1结合图说明纸杯成型机的传动过程：杯壁纸的输送、杯壁封合和输送、工序盘1、2、3的转动，杯底冲压成型、预热、主热、翻底及卸杯都是由电动机1提供动力。滚花和压边是由电动机2提供动力。主电动机1经过v带把动力和转速传递给减速器的输入轴，经减速器减速后通过链条在传递到下一级主轴9，预热主热、卷边都是靠它。然而，卷底是靠电动机2，它也是通过v带传递给轴14，通过链条带动链轮15、16，而15、16的中心轴就是卷底和滚花的中心轴。主轴9两端的偏心轮6负责卸杯工序，凸轮7则负责将平台做上下的往复移动。接着，链条8把转速传给间歇机构20，间歇机构的输出轴带动22、24、 27链轮转动，这三根轴是三个工序盘的中心轴，使其能够衔接配合传动。然后，后面的工序都是后面机构来实现。接着轴26的速度和动力通过链条21传递给轴32，凸轮28完成冲压杯底的动作，凸轮33完成把杯底顶到杯身内部的动作，偏心轮40则负责卸杯。然后链条34把轴32的速度和动力传递给轴35，槽轮30的转动转化为热封头的上下往复运动，然而凸轮37则实现将杯身纸卷压成型的动作。最后在通过链条36将动力传给轴39，这里有两个曲柄摇杆机构，分别完成杯身纸的传送和卷压成型后杯身的运输。从上可知，主电动机基本负责了除了卷底和滚花之外的所有动力和转速，通过链条和链轮各轴之间实现了很好的配合和传动，完全符合所需的转速，各个动作都有序的实现了。3.2 选择电动机根据上述传动要求、参数和工作要求，选择电动机为系列三相异步电动机，额定电压为，电动机1的功率为，转速为电动机的功率为，转速为,查机械设计手册得电动机为型，电动机2 为型。3.3 计算总的传动比和分配到各级的传动比3.2.1 总的传动比的计算公式： -电动机满载转速， -工序盘3的转速，从电动机到轴39，一共有七根轴，依次为i，ii，iii ，iv ，v ，vi ，vii，其中轴为减速器输入轴，轴为减速器输出轴，iii ，iv ，v ，vi ，vii依次为传动图中的9,26,32,35,39轴。3.2.2各轴转速 -电动机1满载转速，；，-依次为轴、,v ,vi ,vii，的转速，；，-为各轴与下周间传动比3.2.3 各轴功率 -电动机的输出功率，,-轴i，ii，iii ，iv ，v ，vi ，vii的输入功率，为带传动效率，为减速箱的效率，,为链传动效率；3.2.4各轴转矩 电动机轴的输出转矩，；,轴、输入转矩 。从电动机2经v带输出到一个轴，此轴负责完成卷底和滚花的动作，此处选择传动比为4，则该轴：转速 功率 转矩 3.3 带及带轮的设计计算3.3.1 计算功率 已知电动机的功率p为4kw，查表得工况系数=1.1，故3.3.2选取v带类型 根据为，为1440r/min,应为要求结构紧凑，所以v带的条数不可以太大，查表8-11得v带选用b型。3.3.3 确定带轮的基准直径带轮的直径是个很重要的参数，带轮小那么弯曲应力就大，带轮大就结构不紧凑，传递所需功率时增加带的个数，这样更加合理。因此一般取 由1表5-7和表5-8，取主动轮基准直径=100mm。由公式得 计算从动轮标准直径 根1表8-8将从动轮的直径取为整数，取按1式验算带的速度符合条件3.3.4 确定中心距和带长一般初定中心距为 取中心距。根据1式（5-24）计算带所需的基准长度由1表（5-10）选带的基准长度按1式（5-25）计算实际中心距取中心距为3.3.5 验算主动轮上小轮的包角小轮包角是影响v带传动工作能力的重要因素。则主动轮上的包角合适。3.3.6 计算窄v 带的根数z由1式（5-27）可知由查查1表5-11 和表5-12 得近似值 由查表格得所以取根。3.3.7 确定初拉力 对于自动张紧的v带传动，既能保证传递额定功率时不打滑，又能保证v带传动油一定的寿命3.3.8 计算带对轴的压力 3.4 链条及链轮的设计计算由第 2 部分可知，为了使三个工序盘能够很好的定传动比传动，工序盘同步运动，需要加一个张紧轮，这样传动更加平稳，使用双排链。3.4.1计算传动比 选取小链轮的齿数为，从动轮的齿数也为 3.4.2 初定中心距 3.4.3计算链节数 由公式（5-43）的 去偶数1063.4.4链节距和排数在一定条件下，链节距越大，能传递的功率也越大，但是这样也是有缺点的，动载荷及噪声也随之增大，运动更加不平稳，因此应该尽量选小节距。 其中，-传递的名义功率 -工况系数， -小链轮齿数系数， -链长系数， -多排链系数，查表5-19取查表5-19取根据和从图5-21查出链号08a，查表5-14链节距3.4.5中心距和链节数链节数的计算公式 根据链节数算出链传动的实际中心距为3.4.6验算链速3.4.1 计算工作压力和作用在轴上的拉力 3.4.7链传动的润滑及布置 润滑可以减少磨损、缓冲、吸振、提高工作效率，延长使用寿命。闭式链传动，润滑油牌号两轮中心连线水平3.4.8链条标记3.5轴的设计计算3.5.1 选择轴的材料。主动轴转动传递的扭矩大，因而选用调质处理的45钢，查表可知，。3.5.2求输出轴的功率,转速及扭矩。若取每对齿轮的机械效率，则又于是 3.5.3初步估算最小轴径先按公式初步估算最小轴径，查表可知，当选取的材料为45钢时，取,于是得， 输出轴的最小直径是轴承处轴的直径。3.5.4轴的结构设计拟定轴上零件的装配方案由装配图可知，轴的最细两端都安装了轴承，然后向里安装了凸轮由键连接，接着左侧链轮连接减速箱，负责输入动力和转速。右侧的链轮则负责将动力和速度输出，传递给间歇机构。安装的时候先安装两个链轮，接着双侧凸轮，最后是轴承和偏心轮。本结构安装简单，受力均匀。确定轴的各段直径和长度轴的各段长度和直径如下所示：a装轴承和偏心轮段 b 装凸轮段 c装链轮段 d 中间段 轴上零件的周向定位链轮，凸轮，偏心轮的周向定位是靠平键连接。为保证链轮和轴配合有良好的对中性，所以选择链轮与轴的配合代号为。同样，凸轮与轴的连接仍然用平键连接，配合代号为。盈配合来是保证滚动轴承和轴的周向定位的可靠方式，此处选。考虑轴的结构工艺性考虑轴的结构工艺性，可以通过查表得到轴肩的圆角半径，轴端倒角取，在同一母线的键槽就是为了便于加工。图3-2 主轴轴的强度验算先作出轴的受力计算简图，取集中荷载作用于齿轮齿宽的中点。计算齿轮上作用力的大小低速级大齿轮的分度圆直径为 则 计算轴承的支反力a 水平面上支反力 b 垂直面上支反力 画弯矩图截面c处的弯矩a 水平面上的弯矩图 b 垂直面上的弯矩图 c 合成弯矩m 画扭矩图 画计算弯矩图因为是单向回转，所以扭矩为脉动循环，则截面e处的当量弯矩为 图3-3 主轴弯扭应力图按弯扭合成的总应力来校核轴的强度由图可知截面e的当量弯矩最大，所以校核该截面的强度 故安全。3.6 凸轮机构的设计和计算及偏心轮的选择凸轮是典型的间歇运动机构，它可以使从动件按照特定的位移，速度和加速度规律运动，是纸杯机中运用广泛的一种机构。凸轮的作用就是把圆周运动转化为竖直方向的上下往复运动，它结构简单，运行可靠。设计凸轮就需要了解，从动件的运动规律和从动件运动与凸轮转角之间的对应关系曲线。其次，还应知道凸轮设计中的压力角、自锁和偏心还是对心的结构。最后，选择合理的参数，结合运动规律确定凸轮的外形轮廓。3.6.1 从动件的运动规律的确定根据第二章运动分析可知，凸轮处的运动基本都是向上工进加工向下返回。在加工过程段有稍微的停留，所以推算出从动件的运动规律：“推程远休止回程近休止”从而实现上下的往复运动。本设计的凸轮机构是低速凸轮机构，要求不能有冲击，那么速度和加速度的起点和终点都得是连续的，故采用修正型等速运动规律，即可用消除等速运动规律的刚性冲击，又能实现机械等速运动的优点。图3-4 修正等速运动规律3.6.2 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮压力角查机械设计手册得，对于对心式盘型凸轮机构，许用压力角，推程和回程的压力角都应小于许用压力角凸轮基圆半径 查机械设计传动手册得，对心式的从动件凸轮机构的基圆为： 所以取滚子的半径3.6.3 凸轮材料凸轮材料选为ht200，表面采用渗碳淬火，硬度为，滚子的材料为表面经过淬火处理，硬度为3.6.4凸轮轮廓线的设计首先确定从动件的运动规律，如下图所示：图3-5 从动件运动规律曲线图3-6 凸轮轮廓作图方法如下：（1） 选取1:2的比例尺，做出从动件的位移曲线，将推程和回程阶段位移曲线的横坐标各等分成6份分别得到点1,2,6和8,913.（2） 取同样的比例尺，以o为圆心，以为半径做基圆，并根据从动件的尖点确定起始位置。（3） 自开始在基圆推程段和回程段等分成12份，与基圆的交点分别为。连接圆心和各点形成射线。（4） 在射线上从基圆开始向外截取线段分别得到（5） 将点连成光滑的曲线，即得到理论轮廓线。（6） 以理论轮廓线为圆心，以滚子半径为半径作一系列的滚子圆，然后作这簇滚子圆的内包络线，它就是凸轮的实际轮廓线。3.6.5 凸轮强度的校核对凸轮和滚子进行接触疲劳强度校核滚子从动件盘形凸轮的强度校核公式为：其中：凸轮在接触点和从动件的法向力， n ；凸轮与从动件的接触宽度， mm ；综合曲率半径。-凸轮轮廓在接触点处的曲率半径，mm ；-从动件在接触点处的曲率半径，mm;,分别为凸轮和从动件接触点处材料的弹性模量,根据机械设计手册，该凸轮机构的极限接触应力为带入数据得凸轮的接触应力为：所以满足接触应力条件。3.7 弧面凸轮分度间歇机构的设计计算弧面凸轮分度间歇机构，它的凸轮轴和从动盘轴是相互交错的。从动盘上装有若干个转子，弧面凸轮由突脊，凸轮旋转时驱动从动盘分位转动，但是当其运动到停歇段时转盘是不动的只有转子在转。弧面凸轮分度间歇机构和涡轮蜗杆很相近，弧面凸轮类似蜗杆，转盘相当于涡轮，它也分单头、双头。根据转动要求，这里选择八转子转盘。首先，滚子4按照传动要求和工位数设定具体的数目，且均匀的分布在从动盘3上。中间轴2是输出轴连接的是工序盘。弧面分度凸轮机构就类似于涡轮蜗杆机构，当弧面凸轮做圆周旋转运动时，带动从动盘4转动。当凸轮凸脊的螺旋角是0度时，弧面凸轮的转动并不能驱动从动盘转动，而只是使滚子4自转属于停歇状态。当凸轮凸脊的螺旋角不是0度时，弧面凸轮的转动就可以驱动从动盘4转动，从而实现间歇的运动。图3-7 弧面凸轮分度间歇机构3.7.1 弧面凸轮分度间歇机构主要参数尺寸的确定三个工序盘均有八个工位，也就是所完成的间歇运动要停歇八次。故分度数；动静比；分度角；动程角；滚子数，中心距弧面凸轮分度间歇机构的主要结构尺寸：许用压力角，取从动盘节圆半径凸轮外轮廓圆弧面半径凸轮宽度3.7.2 弧面分度凸轮间歇机构的结构设计弧面分度凸轮间歇机构具有脊型和槽型两种基本形式。因为本凸轮结构中分度数只有8，故采用脊型机构。总结本文在参考，查阅各论文的基础上，设计出了全自动纸杯成型机，现如今生