气动配页机的结构设计【含CAD图纸、说明书、答辩稿】
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含CAD图纸、说明书、答辩稿
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本科毕业论文（设计） 机电工程学院 课 题 名 称气动配页机的结构设计 专 业 名 称 机械工程及自动化 专 业 班 级 姓 名 学 号 指 导 教 师 摘 要 配页机，顾名思义就是将不同页码的纸张配合在一起的设备，目前设备制造厂生产的配页机已基本定型，根据纸张样式的不同可以分为书帖配页机和单张纸配页机，根据作用方式不同可以分为摩擦式配页机和气动式配页机，为了改进配页机的结构性能和降低制造成本，本文主要对单张气动上配页机结构进行了设计,主要用凸轮连杆的的方法来控制吸嘴的往复运动，模块化的的储纸台，气动推纸部分、并对配页机的吸纸部分和传动部分的结构、强度和使用寿命进行了设计分析和计算,使配页机在结构上更加合理,降低了材料和能源消耗,提高了生产率。设计主要结合现有的设计理念，在符合设计要求的前提下，设计时吸纸部分采用了四杆机构，这种结构制造方便无需大型加工设备，生产工艺性较好，一般机械厂均能制造。设计中主要使用了CAD制图软件。关键词：单张纸 气动 配页机 结构设计AbstractGathering machine, just as its name implies is to cooperate with different page Numbers of papers together the equipment, the equipment manufacturing factory production gathering machine has basic finalize the design, depending on the style of paper can be divided into book post gathering machine and sheet-fed gathering machine, according to the function in a different way can be divided into friction type gathering machine and pneumatic gathering machine, in order to gathering machine structure to improve performance and reduce the manufacturing cost, this article mainly to the single pneumatic gathering machine structure design, and on the suction paper collating machine parts and transmission parts of the structure, strength and service life has carried on the analysis and calculation of the design, make a gathering machine on the structure more reasonable, reduces the material and energy consumption, improve the productivity. Designed in combination with the existing design concept, in the premise of comply with the design requirements, the design of suction paper adopts the four-bar linkage, this structure is easy fabrication without large processing equipment, production has good manufacturability, general machinery factory can manufacture. Mainly used in the design of the engineering drawing software, such as CAD.Key words: sheet-fed pneumatic gathering machine he structure design目 录1 引言11.1配页机的发展及现状11.2配页机的特点22 总体设计方案32.1配页机的分类及方案确定32.2配页机的数据要求52.3配页机的整体工艺53 执行机构设计63.1 储纸台的结构设计63.2吸页结构设计73.3推书机构84 传动机构设计84.1 传动方案设计84.2 电机的机选与选用94.2.1电机类型的选择94.2.2 电机容量的确定94.2.3电机转速的确定104.2.4 总传动比的分配104.3凸轮摆杆传动设计114.3.1 连杆机构杆长设计114.3.2 从动件运动规律124.3.3 凸轮轮廓线设计124.4 圆柱直齿轮设计134.4.1 选择材料、热处理齿轮精度等级和齿数134.4.2按齿面接触疲劳强度设计144.4.3 齿轮传动的主要尺寸设计154.4.4 校核齿面接触疲劳强度164.4.5校核齿根弯曲疲劳强度174.5阶梯轴的设计194.5.1 凸轮轴轴段尺寸设计194.5.2凸轮轴强度校核20总 结23参考文献24致 谢2541 引言配页机是印刷品生产线的主要设备之一 。配页机的生产能力决定了印刷品生产线的产量。随着科学技术的不断进步和机械自动化生产的迅速发展，许多新技术，新工艺，新设备不断涌现，在印刷方面也出现了许多自动化代替人工操作的设备，进一步提高生产力，同时缩短了生产周期，降低了成本，使之在竞争中处于优势地位。但目前国外生产的配页机虽然性能优良但是价格十分昂贵只适合与大批量生产，对于学校小批量试卷印刷需要来说就不符合实际要求。配页机是一种将不同序号的页码按顺序分配到一起并装订的设备，配页方法有套配法和叠配法，根据配页机叼页方法的不同分为钳式配页机和辊式配页机。这次设计主要是为了适合学校对于装订试卷的需要。1.1配页机的发展及现状配页机有单机操作及和胶订机配套的联动化生产线，配页机的发展主要体现在功能、速度和自动化检测上。 1. 采用数字式控制系统，具有文本触摸屏、内置样帖程序、多种参数设置、故障点显示等功能，因此操作十分方便且人机界面十分友好，可以减少误操作，缩短调整时间，提高生产效率。 2. 众所周知配页机的发展经历了从滚式单叼滚式双叼无滚筒皮带输送的过程。而无滚筒配页工作站顺序落帖控制非常理想，适应大规格、超簿型纸的高速配帖要求，大大提高了生产效率和配帖质量，无滚筒配页工作站是配页机未来发展方向。 3.配页机自动化检测水平的不断提高是配页机未来发展的亮点。自动控制多帖、缺帖、错帖装置是配页机上的重要机构，为了保证配页机配出书册的质量符合要求，配页机上已大量采用光电控制装置，使检测系统更加灵敏和可靠。目前配页机上的自动控制装置主要由书帖厚薄检测装置和摄像头（电眼）图文检测装置共同组合来完成书帖差错控制。 对于厚薄相同的配错书帖，书帖厚薄检测装置是失效的，即对于配错的书帖厚薄检测装置是无用的。因此出现了摄像头图文检测装置（CCD照相检测系统可做图象及条形码识读），既通过摄像头拍摄书帖的正确的图像，并存入电脑，以后每一帖下来经过摄像头时的图像都与存储在电脑中的正确图像进行局部像素对比，以达到剔除错帖的目的，对于错帖现在最有效的就是图像检测系统。对于彩色的书版帖图像检测系统的正确率达100，而对于黑白书版帖和彩色文字等还不能做出有效的检测；由于文字放置偏移，或在工作过程中发生的相对位置移动或扭转，局部书帖鉴别率也会降低 。因此一般采用在书脚做条形码的方法来达到黑白书版帖100的检测正确率，条形码作为一种及时、准确、可靠、经济的数据输入手段，已经普及使用。采用条形码识别技术，将其运用于装订生产现场，不失为一种简单、行之有效的书帖检测系统。首先要在书帖的版面边缘部分印上条形码，作为摄像头图文检测识别的依据。然后将摄像头对准条形码进行拍摄后存入电脑，以后摄像头读取到的条形码信息就会与设定的基准条码信息进行对比，以正确判别差错。 图像检测装置能检测出漏帖、错帖、乱帖，但不能检测出双帖及多帖。通常为保证配页出的书册的正确率，通常采用厚薄检测系统和图像检测识别系统相结合的方式，来达到配页质量100的正确性。 总之，配页机向数字化、多功能化、高速自动化方向发展是大势所趋。1.2配页机的特点随着配页机应用的日益广泛，配页机技术也得到了相当大的发展。由于我国无线胶订联动线80%以上的故障率均来自配页机输送；又由于要提高配页机的速度，就要求续帖速度要匹配联动机的速度，因此生产制造商在配页机的传送技术改进上动足了脑筋，如德国柯尔布斯推出的无滚筒配页工作站，对过去一成不变的配页机结构进行了革命性的改革和创新。其特点有： 在配页的设计上作了改进，书帖分离抽取方向与传送带后续传送方向完全一致，使拨收棒对书帖尾部的撞击力大大减小，不易损坏书帖的纸边，对极薄的书帖均能顺利配送，适应性极强、效果更显著。无滚筒配页工作站也彻底解决了胶订联动生产线(由于使用传统鼓式配页机)而不可避免的联线生产速度瓶颈的问题。完全采用气动原理，使用最新一代真空吸气皮带与吹气装置结合的先进技术对书帖进行分离、抽取和传送，书帖传送稳定，具有磨损小、噪声低、速度快，调整简单的特点。 无滚筒配页工作站的整体设计符合最新的人体工程学原理，尤其是配页工位的续料高度低于1000mm，数据显示这样的续料高度有助于降低该项操作的工作强度，从而相关效率也能得以有效提高。同时配页部分增加出书台，可实现单独运行配页出帖；手工放帖工位，便于放置锁线或刷胶后的书芯直接包封皮。由于无滚筒配页工作站的结构简单，因此还被设计有两面续帖，能够很好地适应用户场地情况进行灵活布局，配合用户在生产物流方面的优化设计，更有利于小批量配页的转换（一边生产，另一边可以进行续帖准备），调版操作的整体耗时可以大大缩减，换言之生产效率可以得到极高的提升。2 总体设计方案2.1配页机的分类及方案确定 配页机的分类： 钳式配页机钳式配页机是由往复运动的叼页钳来进行配页的。当叼页钳向斜上方向运动时，叼页钳张开准备，叼到书帖时，钳口合拢，然后向斜下方向返回运动。叼页钳返回到落书帖位置时，钳口张开，把书帖放到下面的集帖链上。叼页钳每往复运动一次，就完成一帖书页的配页过程。叼页钳的张合由凸轮机构控制。 辊式配页机辊式配页机的叼页部分是利用转动的叼页轮与叼页轮上的叼牙配合完成的。叼页轮带动叼牙旋转，当叼页轮将叼牙转动到上面时，叼牙叼住书帖，旋转到下面放页位置时，叼牙放开，使书帖反落到集帖链的隔页板上，集帖链上的拨书棍将书帖带走。叼页轮每旋转一周，完成一帖书的配页过程。叼牙的张合由叼页凸轮控制。辊式配页机有单叼和双叼之分，其中双叼应用较为普遍。辊式双叼结构，由于运转速度比一般的单叼机构慢一半，因此吸帖、放帖十分稳定可靠。另外双叼滚轮直径的设计比单叼滚轮直径大一倍，降低了书帖在叼牙传送中的弯曲度，相对来说书帖输送更加稳定、平服、挺括。 无滚筒配页机随着配页机应用的日益广泛，配页机技术也得到了相当大的发展。由于我国无线胶订联动线80以上的故障率均来自配页机输送，要提高配页机的速度就要求续帖速度要匹配无线胶订联动线的速度，因此生产制造商在配页机的传送技术改进上费尽心思，如德国柯尔布斯推出的无滚筒配页工作站，对过去一成不变的配页机结构进行了革命性的改革和创新。其特点如下：（1）、在配页的设计上做了改进，书帖分离抽取方向与传送带后续传送方向完全一致，使拨书棍对书帖尾部的撞击力大大减小，不易损坏书帖的纸边，极薄的书帖亦能顺利配送，适应性极强、效果更显著。无滚筒配页工作站也彻底解决了无线胶订联动生产线（由于使用传统鼓式配页机）不可避免的生产速度瓶颈问题。（2）、完全采用气动原理，使用新一代真空吸气皮带与吹气装置结合的先进技术对书帖进行分离、抽取和传送，书帖传送稳定，具有磨损小、噪声小、速度快、调整简单的特点。（3）、无滚筒配页工作站的整体设计符合最新的人体工程学原理，尤其是配页工位的续料高度低于1000mm，数据显示这样的续料高度有助于降低该项操作的工作强度，从而生产效率也能得到有效提高。同时配页部分增加了出书台，可实现单独运行配页出帖；手工放帖工位便于放置锁线或刷胶后的书芯直接包封皮。（4）、由于无滚筒配页工作站的结构简单，因此还被设计有两面续帖，能够很好地适应用户场地情况，从而进行灵活布局，配合用户在生产物流方面的优化设计，更有利于小批量配页的转换（一边生产，另一边可以进行续帖准备），调版操作的整体耗时可以大大缩减，换言之生产效率可以得到极大提升。 无滚筒配页机较其他的配页机相比：不易损坏书帖的纸边，极薄的书帖亦能顺利配送，适应性极强、效果更显著；书帖传送稳定，具有磨损小、噪声小、速度快、调整简单；整体设计符合最新的人体工程学原理；结构简单，布局灵活，有利于小批量配页的转换。综上所述采用无滚筒卧式气动配页机。2.2配页机的数据要求送纸方式：吸气式最大纸张尺寸：310X440 mm纸张规格：75250 g/ 配页速度：100套/分 纸台容量：1000 张（75gsm）2.3配页机的整体工艺图 2-3 配页机的整体工艺图1-拨页传送装置 2-吸页装置 3-储页装置 4-收书装置配页机的配页工艺如图2-3所示，吸页装置2将书页从储页装置3上吸起，放到拨页传送装置1上，最后由收书装置4将书页收齐。3 执行机构设计 3.1 储纸台的结构设计图3-1 储页台结构简图1-承页台 2-链条 3-传动装置储页台在工作时使页堆自动上升，以便调整页堆与吸嘴的相对位置。它有快速升降和间歇自动上升两种运动，有传动装置3、链条2和承页台1组成。储页台的工作由传感器和PLC控制快速电机来实现。3.2吸页结构设计 图3-2 吸页结构设计1-凸轮 2-凸轮 3-滑块 4-滑块 5-吸嘴 吸页装置的工艺如图3-2所示，凸轮1旋转带动连杆使滑块3左右移动，来实现吸嘴的左右移动动作。当滑块3移动到最左边时，凸轮2带动连杆使滑块4摆动，来实现吸嘴5的吸纸动作。 自由度： 3.3推书机构图3-3 推书机构设计1-拨书块 2-气缸 3-传送带 吸页机构把书帖放到拨书块1上之后，由气缸2带动拨书块1把书帖推到传送带3上，最后实现收书目的。4 传动机构设计4.1 传动方案设计 图4-1 传动简图1-电动机 2-联轴器 3-减速部分 4-凸轮 配页机的主要动力由电动机1带动减速部分3进行减速，再由减速部分带动凸轮4，最后由凸轮4带动连杆机构来实现吸页部分的的往复运动。 4.2 电机的机选与选用 4.2.1电机类型的选择 选择Y系列(IP44)封闭式三相笼型异步电动机，该类型的电动机结构简单，维修方便，重量较轻，成本较低，工作效率高，负载特性较硬，能满足大多数工业生产机械的电器传动需要，而Y系列(IP44)型能防止灰尘、铁屑或其他杂物侵入电机内部。 4.2.2 电机容量的确定 电机的功率只分配给吸页机构。 按最高产量 100套/分计算，凸轮的旋转速度为 100r/min，吸嘴部分的速度为 1.2m/s 电动机所需功率： 从电动机到吸嘴滑块之间的总传动效率为： ：凸轮摆杆传动效率 ：轴承传动效率 ：齿轮传动效率 ：联轴器传动效率 则： 选取电动机额定功率，使,查表取4.2.3电机转速的确定 凸轮轴的转速 初步确定单级圆柱齿轮传动比为，总传动比的合理范围为，故电动机的转速可选范围 符合这一转速有750r/min、1000r/min、1500r/min三种，综合考虑电动机的传动装置的尺寸，重量，价格以及总传动比，为使传动装置结构紧凑，选择电机的同步转速为1500r/min，额定功率为0.55KW，满载转速1390r/min,电机质量为17Kg,电机型号为Y801-4。 4.2.4 总传动比的分配 总传动比： 各级传动比： 取 得 各轴转速： 轴： 轴： 轴： 各轴功率 轴： 轴： 轴： 各轴转矩： 轴： 轴： 轴：4.3凸轮摆杆传动设计4.3.1 连杆机构杆长设计 机构简图如图4-2-1所示图4-2-1 凸轮连杆机构简图 图中AB=154mm，AC=400mm，CE=500mm，DE=300mm，EF=500mm，FG=600mm。 本机采用凸轮摆杆机构，凸轮轴心与从动件转轴之间的中心距167mm，凸轮基圆半径65mm，从动件长度154mm。凸轮以等角速度转动。4.3.2 从动件运动规律 从动件运动规律如图4-2-2。图4-2-2 从动件运动规律图 凸轮从动件为摆杆，位移曲线纵坐标代表从动件摆杆的角位移横坐标代表凸轮旋转角度。在时摆杆做往复运动，这时吸嘴做送纸和回复动作，在时摆杆静止，这时吸嘴正在做吸页动作，此时机器完成了一个完整动作。4.3.3 凸轮轮廓线设计 利用反转法设计画出凸轮轮廓线如图4-2-3。图4-2-3 凸轮轮廓线设计图 用反转法画出凸轮的理论轮廓线，再以理论轮廓线上各点为圆心以滚子半径13mm为半径，做出一系列滚子圆，然后作这族滚子圆的内包络线，即为凸轮的实际轮廓线。4.4 圆柱直齿轮设计4.4.1 选择材料、热处理齿轮精度等级和齿数 由表7-4、表7-5，选择小齿轮材料40Cr，调制处理，硬度HBW,MPa，MPa,大齿轮材料42SiMn调质处理，硬度HBW，MPa，MPa，按表7-3取精度8级。 取，取，。 实际转速，实际传动比。 转速相对误差 转速相对误差为0.18%，属于合格范围。 4.4.2按齿面接触疲劳强度设计 按下列公式计算: 式中 。由表7-12，硬齿面齿轮，非对称安装，取齿宽系数。由表7-6查得使用系数.由图7-7取动载系数。由图7-8，按齿轮在两轴承中间对称布置，取。由表7-9按齿面未硬化，直齿轮，8级精度，取。 初步确定节点区域系数,重合度系数，由表7-10查得弹性系数。齿面许用接触应力 。由图7-20查取齿轮材料接触疲劳极限应力： 小齿轮应力循环次数： 大齿轮应力循环次数： 由图7-22查得接触疲劳轻度计算的寿命系数(允许有一定点蚀）,。由图7-21查取工作硬化系数。由表7-13查取安全系数。 代入求得小齿轮分度圆直径 取小齿轮分度圆直径。4.4.3 齿轮传动的主要尺寸设计齿轮宽度： mm 取大齿轮宽度mm，小齿轮宽度mm。齿轮模数： mm。齿轮传动中心距： mm。小齿轮分度圆直径： mm。大齿轮分度圆直径： mm。4.4.4 校核齿面接触疲劳强度齿轮节圆速度： 由表7-7中的公式：。由表7-8查得大小齿轮的单个齿距极限偏差： ，。 代入上式得： 。 。取，查图7-7，式中，其他K值与假设相同，得： 按表7-11求重合度系 式中重合度按简化公式计算： 代入上式得：齿面接触应力： 4.4.5校核齿根弯曲疲劳强度 齿根弯曲许用应力: 由图7-16两齿轮的齿形系数，。 由图7-17两齿轮的应力修正系数，。 由图7-18两齿轮重合度系数。 计算两齿轮许用弯曲应力 由图7-24两齿轮寿命系数,. 由图7-25两齿轮尺寸系数。 取实验齿轮的应力修正系数为。 由表7-13取弯曲疲劳强度计算安全系数。 由图7-23查得两齿轮的弯曲疲劳极限应力为 ，。 小齿轮许用弯曲应力： 大齿轮许用弯曲应力： 小齿轮的齿根弯曲应力： 1.277 大齿轮的齿根弯曲应力： 弯曲疲劳强度足够。4.5阶梯轴的设计4.5.1 凸轮轴轴段尺寸设计 图 5-1凸轮轴轴的受力简图4.5.2凸轮轴强度校核 分度圆直径，传递的转矩为，齿轮上作用有圆周力，径向力轴向力。方向如图所示：（1）画出轴的空间受力简图5-1b（2）画出水平面受力图，计算出支点反力，画出水平面弯矩图，见图5-1c、d考虑刀C和D处为可能的危险截面，计算出C和D的弯矩。 支点反力： C点弯矩： D点弯矩： （3）画出垂直受力图，计算支点反力和C、D两处弯矩，画出垂直面弯矩图如图5-1e、f所示。 支点反力： C点弯矩： D点弯矩： （4）求合成弯矩，画出合成弯矩图如图5-1g所示。 C点合成弯矩 D点合成弯矩 （5）画出转矩T图，如图5-1h。 （6）计算C、D处当量弯矩，画出当量弯矩图，如图5-1i所示。 （7）校核轴的强度 根据弯矩大小几周的指经选定C、D两截面进行校核。由表10-1，当45钢，按表10-3用插值法得。 C截面当量弯曲应力： （因C有截面有键槽，考虑对周轻度有削弱影响，故d乘以0.95）。 D截面当量弯曲应力： 故C和D截面均安全。总 结随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有接受任务以前觉得毕业设计只是对这一年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。 这次毕业设计要求气动配页机设计方案，非常切合我们以后工作的实际，是一次非常好的演练机会。尽管我们对专业知识的掌握还 不够透彻，我们仍然希望通过自己的努力完成设计并希望有所突破。下面就对我们这次设计的过程做个简单的小结： 第一，课题分析。在接到毕业设计题目后，我认真翻阅了指导老师提供的资料，对课题进行了深刻的分析，并向老师请教了设计中的一些要点及难点。 第二，总体设计。在对课题进行仔细分析以后，我概括出了这次设计的大体框架，并将设计划分成了若干模块，一步一步的完成。 第三，资料整理。在分出模块之后后，通过书籍、互联网等途径积极查阅资料，并与其他同学进行资源交流，以达到最大的资源利用率及工作效率。 第四，课题实现。在资料准备充分后，开始着手论文的撰写和零件图装配图的绘画，在导师的带领下，我认真的仔细的做各个部分。过程中，我也越到不少问题，通过和同学讨论、请教老
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