一次性拖鞋超声波下料系统设计论文

一次性拖鞋自动下料系统设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 摘 要 在激烈的市场竞争与客户需求越来越个性化趋势下，服装、制鞋、皮包等企业在生产技术方面不断地面临新的挑战，而布料剪裁下料技术改造直接影响企业生产能力和产品质量。使用超声波设备进行切割和熔合，这在纺织工业的织造、整理、服装缝制等方面 都已获得日益广泛的认可。 本课题主要为一次性拖鞋切割下料系统研究， 使生产 流程之间联系起来，提高机械化程度，减少人工的参与，既能够减少成本又能够提高成产效率 ， 设计中主要使用了 CAD、 Solidworks等工程制图软件进行绘图和结构分析。并对一些 设计部件 进行必要的计算和校核 ，使设计系统满足实际应用的要求。 关键词：纺织品、超声波切割、结构设计 目 录 摘 要 错误 !未定义书签。 ABSTRACT 错误 !未定义书签。 第 1章 绪 论 错误 !未定义书签。 1.1 课题 的研究 背景 及 意义 1 1.2 拖鞋（一次性拖鞋）发展 2 1.3 纺织自动裁剪国内外研究现状 3 1.4 本课题研究的主要内容 4 第二章 超声波切割和熔合技术概述 5 2.1 超声波切割原理 5 2.2 比于传统剪裁，超声波切割优点 6 2.3 超声波切割适用范围 7 2.4 本章小结 8 第三章 超声波裁剪机总体方案 9 3.1 方案 的列举 9 3.2 方案 的 比较 11 3.3 方案的选择 11 3.4 本章小结 12 错误 !未定义书签。 第四章 超声波裁剪机的结构设计和系统分析 13 4.1 滚刀尺寸确定 14 4.2 电机链轮的选定及相关参数的确定 16 4.2.1 电机类型的选择 17 4.2.2 链轮的选择 及链条确定 17 4.3 滚刀内轴的设计和校核 19 4.4 气缸支撑板的静态分析 21 4.4.1 应力图显示 22 4.4.2 应力分析 23 4.4.3 变形分析 23 4.5 本章小结 24 第五章 超声波系统研究 25 5.1 超声波发生器 25 5.2 声学部件 25 5.3 复合变幅杆的理论与设计 26 5.3.1 复合型变幅杆的一般公式 27 5.3.2 带有特定形状过渡的阶梯形变幅杆 28 5.3.3 具有圆锥形过渡段的阶梯形变幅杆 28 5.4 本章小结 30 第六章 总结 31 致 谢 32 参考文献 附件图 1 第一章 绪论 1.1 课题 的研究 背景 及 意义 纺织品与人们的生活息息相关，市场 需求量大，如鞋、服饰、箱包等都是人们日常生活中不可或缺的。纺织工业是我国的支柱产业之一，中国是全球最大的纺织品生产国和出口国 ，纺织工业在国民经济中占有举足轻重的位置。 中国是世界第一的服装制造大国，服装行业依靠丰富的廉价劳动力，国内庞大的消费市场，丰富的资源等，迅速发展起来。 中国制鞋业有着悠久的历史，伴随着改革开放的浪潮，中国承接国际制鞋业的转移，一跃成为全球最大的鞋业生产中心和销售中心，已经占据了全球中低端的鞋类市场。市场分析 我国每年大约生产 150亿双鞋，占世界年产量的 65%-70%。是世界上最大的鞋类制造基地，也是世界最大的鞋类出口国。 从 2010年开始，随着国内快捷酒店呈快速发展趋势，开店数量增长幅度超过了 100%，截至 2011年第二季度，新增快捷酒店数量大约有上千家。而拖鞋是快捷酒店必须配备的物品，相对传统拖鞋，一次性拖鞋成本低，相比传统拖鞋更加卫生、方便，十分适合经常出差的商务人士或者旅游爱好者使用。据酒店一次性用品使用情况调查研究，对于酒店配备基本小件根据需求程度从大到小在总体上可排成 “拖鞋 香皂 洗发水 沐浴液 一次性牙具 梳子 浴帽 ”。 在被访者中几乎所有人都需要拖鞋，认为其携带不方便，而传统拖鞋可能会出现交叉感染的卫生问题，因此一次性拖鞋得到快速发展 。 中国纺织产业多集中在东南沿海地区，随着经济全球化的不断深入，世界 经济的不断冲击，市场竞争日趋激烈。如今这些企业也开始面临劳动力成本上升，原材料价格上涨等问题，这将影响企业生产效率，导致生产成本提高。如何应对国际市场的变化和国内的生存环境，把握好市场的发展机遇，也是业界不得不面对的现实问题。尤其是对中小型企业来说，落后的生产条件加之劳动资源匮乏和生产成本的不断提高，既是前所未有的机遇，同时也面临着巨大的挑战。如何提高产量、降低成本、稳定质量是当今生产中面临的最大的挑战之一。作为与人们日常生活紧密相关的纺织行业，为适应市场需求，纺织行业设备的革新和自动化将是其发展的必由之路 。 超声波裁剪是新兴的纺织下料技术。目前，超声波切割技术在纺织制品下料运用 2 取得了良好的效果，超声波裁剪技术正逐渐被企业所采纳，主要优点是：适用于各种纺织材料，与冷切割加工相比，热塑性材料被切开后，其切口边缘会熔合起来，使织物边缘十分柔软，与传统的人工裁剪相比，不仅大大提高了企业的生产效率，超声波的切割与熔合也为纺织品高精度、高质量生产提供了可靠的保障，进一步帮助企业扩大产业规模，提升纺织业的自动化程度，破解招工难，熟练操作人才的缺乏，加工质量不能保证等弊端。 1.2 拖鞋（一次性拖鞋）发展 20 世 纪 50 年代，第一双塑料拖鞋在法国问世，是拖鞋史上的一次革命运动。我国在 1960年也生产出塑料拖鞋。最初的拖鞋，木制的多，木制拖鞋也称为 “木屐 ”。随着时代的发展，再加上穿着不太舒适，故市区的家庭中这种木屐已经见不到了。拖鞋本身来说，无遮无拦的，往脚上一套就行了，无疑是对脚的解放；鞋再怎么合脚，对脚都是一种压迫、一种限制，一不小心还会逼出 “脚臭 ”来。在现实生活中，拖鞋不光能使人的脚摆脱桎梏，似乎更能将人们的精神从极度紧张的工作和生活中解放出来。时至今日，塑料泡沫乃是制造拖鞋的主要材料。同时还推出了 “塑料拖鞋 ”、 “PVC拖鞋 ”。发展高峰期还出现了 “EVA 拖鞋 ”、 “橡胶拖鞋 ”、 “草拖鞋 ”、 “布拖鞋 ”等等。近几年又推出毛绒拖鞋，室内拖鞋，酒店拖鞋，一次性拖鞋，按摩拖鞋等等真是应有尽有。并且各有各的风采，各有各的商机，现在的拖鞋市场可以说是如火如荼。 而随着人们生活品质的提高，一次性拖鞋也渐渐的走进人们的生活，并以方便，舒适，卫生深入人心。一次性拖鞋在生产时，是较为方便的。因为一次性拖鞋的各种尺寸大小都是一定的，生产时较为容易。且不像那些可以循环利用的棉质拖鞋对拖鞋面料的要求较高，一次性拖鞋对面料的要求是非常低的 。厂家在生产时不用考虑过多的因素，只需一个合适的尺寸，就能快速生产出很多的一次性拖鞋。而且一次性拖鞋具有较好的防水防滑性和通气性。由于一次性拖鞋设计的各种特点，使得一次性拖鞋具备了各种优点，如通气性、防水防滑性、吸水性等等。这样的话，一次性拖鞋穿起来就会起到防滑等作用，同时一次性拖鞋非常轻便且穿起来相当软和舒服。虽说一次性拖鞋生产较为简单，成本较低，但它的舒适性、柔软性等却不容置疑，使得一次性拖鞋广泛而迅速的在宾馆、酒店、家庭里普及开来。 3 1.3 纺织自动裁剪国内外研究现状 纺织 行业在我 国国民经济中有着重要的地位，繁荣纺织行业用以满足国内人们需要，以及对我国的外贸出口平衡国际收支都有一个非常重要的作用。但现在服装行业的大多数企业还基本都是劳动力密集型，手工生产阶段。近年来，纺织行业发展迅速，从先进的生产线和现代化设备的采购到国内外大中型企业的数量，都给这个行业增添巨大的活力，同时又创造了客观的经济效益。 随着科技的发展，纺织品的生产整体水平有了很大提高，裁剪自动化和后续工作的自动化，使服装生产质量，速度，效率达到了前所未有的大发展。新兴的超声波技术，激光技术都在纺织品裁剪中得到运用，并逐渐 取代了传统的人工裁剪，提升纺织业的自动化程度，也降低了工作技术人员的要求。 1970年超声波在织物和纤维粘合的应用中取得了成功，这就是布兰逊超声波和克朗普顿 -诺尔斯公司开发的 Pinsonic 超声工艺，该工艺当时用来制作褥垫和床单。自从无梭织机和合成纤维出现以来，织物边缘切割的几个问题成为了矛盾的焦点，长期以来热力切割是唯一使用的方法，在传统方法中为了防止织边的擦散，皮带或带子的纵向切割一般在热状态下生成，其切割质量很少令人满意，特别是厚重的皮带或布条，常常是切口超厚，切边发硬，散边或织边有熔珠，还会产生褐 色与条纹现象，超声波切割机在切条的同时进行熔接，切两层织物时，切条机一面切割熔接，一面自动将两层织物连结在一起，克服了热力切割的诸多问题，而且加工质量整洁美观，除了皮带与纤维条之外，超声波切割应用领域还包括床垫织物、床单、鞋垫、带类、层压织物等等，超声波切割无疑有效地改进了工业织物的切割与封边，目前超声波粘合与切割已大规模用于纺织工业和非织造布工业。 国外对 超声波运用于布料剪裁 的研究已经有很长一段时间 ， 极大的提高了 企业 的劳动效率，同时也促进了国外 布料裁剪和产品后续自动化生产结合 的研究与发展。 然而与国外技术相 比，我国超声波切割和熔合技术起步相对较晚， 参与该领域的研究单位也少 ，织品 裁剪自动化和后续工作的自动化结合不是很完善。 总的来说，目前我国纺织裁剪机生产还比较落后，国内市场上还没有真正意义上 4 我国的高端产品。国内对超声波剪裁系统的研究还处于技术初步探索阶段，但与国际先进水平还有距离。 1.4 本课题研究的主要内容 本文在原有超声波裁剪机的基础上对超声波裁剪的整体机构进行了改进，使超声波裁剪与毛坯布料复合输送机械相连接，实现鞋垫的半自动化生产，提高鞋垫加工的质量和生产效益。 本裁剪机要求： 5 第二章 超声波切割和熔合技术概述 2.1 超声波切割原理 如图 2.1.1所示，超声波发生器在工作时会产生 20-40千赫的电磁振动，并通过压电陶瓷转变为机械振荡。经过相应的放大以后，这种机械振荡便在圆柱形的金属刀具（超声波切割头）的末端变得效力十足。这种振荡被传输到处于超声波切割头和副刀具之间的需要切割的材料上，并从其内部发热，再机械地分割或熔合这块材料。与高温切割相反，超声波使用的主要机械能而不是热能。除了天然纤维之外，粘胶、玻璃、芳族聚酰胺和碳纤维以及纤细的 金属丝均可被超声波所切割。一般情形下使用的是尖锐的副刀具。当然，上述的材料在切割过程中是不会在切割边缘形成熔凝的。这种超声波切割技术优越于普通的冷切割、压切或剪切工艺，有如下特点： 1.所切边缘十分整齐，织物的经纱和纬纱不会出现移位或脱出。因此便可在拉幅机和圆筒状织物部幅机上以高达 100m/min的速度队棉织物和粘织物进行剪裁。 2.在某些使用非热塑性材料的情形时，对纤维进行处理或纤维已进入超声波工作区后，其边缘也会出现熔合。 2.1.1 超声波裁剪原理图 副刀刃（滚刀） 布料 烫构件 变幅杆 烫构件上下高频振动并产生热量 6 2.2 比于传统剪裁，超声波切割优点 使用超声波设备来进行切割和熔合，这是纺织工业的织造、整理、服装缝制等方面都已获得日益广泛的认可，其原因如下。 1.实际上各种纺织材料都可被超声波切割。例如天然纤维、合成纤维，包括芳族聚酰胺纤维、碳纤维和玻璃纤维等梭织物、无纺布及针织物也可被超声波切割。 2.与冷切割加工相比，使用超声波切割时热塑性材料也可被切开后，其切口边缘便会熔合起来。 3.与热切割加工相比，使用超声波切割可使被切割的织物边缘十分柔软，避免出现熔融收缩 而产生边缘过度增厚，由于超声波是从织物的内部而不是从外部来加热，所以也不会使织物发黄。 4.由于使用超声波技术时，设备仅加热到 50摄氏度左右，所以不会产生烟尘和臭味，而且也排除了运作时出现伤害和直火的危险。因而这项技术对环境无害。 5.超声波设备的可靠性很高。数年来各种新型纺织材料和工艺的实用效果已充分证明了这一点。例如将超声波熔台与冷切割组合运用的情形下，所用的工具及超声波切割头实际上毫无磨损。 超声波切割的粘合作用与缝编相比，前者获得的产品更加持久耐用，热粘合能引起纤维降解，并且由于成本效益关系应该在大批量生产 时使用该方法，而超声波粘合只在实际粘合面上产生热量，因此消除了纤维降解，并且适用于小批量生产，在受到液体的冲击后会引起脱层，它实际上是将各种织物熔合在一起，熔接不会遭到破坏，不会引起脱层。 用热熔法粘合时，材料是从外面开始熔融的，因此有时会造成粘合范围比所需要的更大，结果增加了材料的硬度，使弹性降低，而且用这种方法层压多层材料时，其透气性和吸水性都会降低，用超声波粘合时材料是从里向外熔融，粘合只发生在接点上，只需针头那么小的面积就能产生有效的粘合而不会对周围材料产生影响，超声波粘合法不会消耗物质，且设计简单 ，易维修。在相同纤维重量下与某些工艺比较，超声波速度更快，有利于坏境保护。 7 2.3 超声波切割适用范围 应用的范围包括在整理过程中对织物毛边进行修饰或作中间切割。例如在拉幅机、验布机或专用再卷机、剪切机以及圆筒织物割机上都可采用这项技术。此外亦可用于服装裁纸中的衣片剪切和玻璃纤维、芳族聚酰胺及碳纤维等的机织物在数控切割台上的切割包装。 热塑性材料的切割可用直接切割的方式实现。例如聚酯、聚酰胺。聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯酸酯等纤维在超声波的内效应作用下，纤维内部便会产生摩擦热，并达到纤维材料 的软点以上的温度。在此条件下，纤维材料被一个尖锐的副刀具机械地割裂开来，切口边缘冷却后便会形成熔结，这样织物就不会绽裂。熔结强度受切割刀具的锐角与钝角尺寸变化的影响。熔结的大小亦与纤维种类以及织物的厚度有关。直接切割法的应用范围如下。 1.织造时专门用于产业用布的各种额定功率在 4050w 的无梭织机熔断纬纱以及中间切割的各种单元设备。 2.整理时在拉幅机、验布机、再卷机或专用超声波剪切设备上，将诸如帆布、衬里织物、领带织物、窗帘织物及产业用布等按一定长度剪切成形。 3.裁制衣片时 ,以纵横切割机或手控切割机按 图表尺寸进行剪裁 ,用超声波技术来打孔或按一定长度要求切成带状。 热塑性材料的切割亦可采用超声波技术与冷切割相结合的工艺。这与直接切割相比所不同的是超声波切割头与副刀具相互接触。纺织材料在超声波的作用下进入塑性状态，然后便被机械性地分割开来。这里借助于一个钝平的副刀具在精确的接触压力的调控下，由挤压整形切割器或剪切刀具来完成最终的切割。其优越于直接切割的长处在于： 1.在相同的超声波输出能量条件下，可以具有更高的生产速度。 2.熔合边缘的宽度大约为 1-10毫米。 3.实际使用过程中不存在超声波切割头和副刀具的磨损 4.可以实 现切割边缘的花边纺形。 超声波技术与冷切割相合的工艺在纺织品织造过程中的应用包括：在织机上对织物，特别是产业用布的两侧及中间的切割；借助于自动剪切刀具实现被切割物机械地 8 分离。超声波输出功率高达 150 瓦。在整理过程中对再卷机上的织物作修边、横裁和纵向切条时则需超声波输出功率达到 1200瓦。机械性地将被切织物分离开来需要借助于坚硬的切割辊上的挤压整形切割器。这种方式特别适用于重厚的产业用布。 当两层或更多层热塑性材料的复合体要加以切割时，一般是在切口边缘部位通过将材料软化及副刀具的接触压力而使之熔融。材 料熔融后的强力取决于复合材料本身的质量以及副刀具的角度。将超声波技术与冷切割工艺组织起来的加工方法亦可用于多层复合材料的切割。这种方法可使熔融区域特别地宽，因而可以再切口边缘的各层材料之间形成极为耐久的粘合。这项技术可用于再卷机和切割设备以及熔合设备上连续生产圆筒状织物；就裁剪加工而言，切边的逐点熔合优越于缝合。 2.4 本章小结 总而言之，超声波技术可用于梭织物、无纺布及针织物在织造、整理以及复制加工过程的裁剪及熔合。热塑性和非热塑性纺织材料均可被超声波所切割。对热塑性纺织材料而言切割和切边的熔合是同 时进行的。对多层复合材料来说，热塑性材料则彼此被粘结。超声波技术的应用范围特别是裁缝方面是极为多样化的，遍及民用纺织品、产业用纺织品以及健康卫生用品等。超声波技术新的用途的前景已日益展现出来，超声波技术的应用将产生更为显赫的成就。 9 第三章 超声波裁剪机总体方案 超声波裁剪系统是为了实现布料裁剪下料的装备，系统主要由超声波发生器、变幅杆、烫构件、滚刀切割部分和传动部分组成。目前已有许多纺织企业利用超声波技术裁剪，如下图是某企业切割单双鞋垫的机器，但切割 单双拖鞋存在局限，效率低，现希望通过改进与企业染整机械引出的布料宽度相结合，使其一次性裁剪出多双胚料。本章针对企业加工特点，对该机械性能作出改进，为后续的生产发展奠定一些基础。 超声裁剪机器 超声裁剪三维仿真图 如上图所示，将布料引到超声波烫构件与滚刀之间，气缸控制滚刀与超声波烫构件之间的间距，用带有减速器的电机带动链使滚刀滚动切割布料。完成生产工序。 3.1 方案的列举 原有机械加工布料小，与企业生产布料不衔接，生 产效率较低，现需将机器改进为加工宽 1.6 米，一次性能裁剪 6 双拖鞋，为了与企业现有染整机械相结合，形成一套半自动化机械，对现有超声波切割下料机器做了改进，方案如下： 方案一： 如图 3.1.1 此方案将上图改进为气缸支撑板、滚刀支撑板和滚刀加长至 1.7 10 米。 方案一机构图 方案说明：此方案通过大气缸控制滚刀支撑板及滚刀的上下高度改变，滚刀长度为 1.6米，可以一次性加工六双拖鞋。 方案二： 如图 3.1.2所 示，此方案由五个气缸均匀分布在气缸支撑板上 3.1.2 方案二机构图 方案说明：此方案引入气管利用气管接头同时作用于五个气缸，使其均匀受力到滚刀支撑版及滚刀来控制其上下高度的改变。 方案三： 如图 3.1.3所示，此方案用五个气缸同时作用气缸支撑板，同时将整个滚刀分成六个独立滚刀，串在滚刀内轴上，滚刀与内轴由键连接 气缸 气缸支撑板 滚刀支撑板 滚刀 11 3.1.3 方案三机构图 方案说明：此方案 利用五个气缸作用于滚刀支撑板及滚刀来控制其高度，滚刀由六个滚刀部分串联在内轴上，电机带动内轴，然后通过键使滚刀滚动切割布料。 3.2 方案的比较 方案一由单独的大气缸作用于滚刀支撑板及滚刀，由于需要气压压强大，普通厂房很少配备能够使大气缸工作的气管，使用不方便。同时，由单独的气缸中心一点作用控制，由于滚刀支撑板及滚刀较长，受重力作用变形严重，影响布料的精确切割。 方案二由五个小气缸代替大气缸作用于滚刀支撑板及滚刀，降低了厂房对用气的要求，同时五个小气缸同时作用，使滚刀支撑板均匀受力，与方案一相比 ，大大减少支撑板的变形，减少对布料切割的影响。 方案三在方案二的基础上，将整个滚刀分成六个独立的滚刀，通过键与滚刀内轴相连接。与整体滚刀相比，单独滚刀方便加工，减少材料以及加工成本，整体滚刀在某处出现损坏时就得更换整个滚刀，否则影响切割，而单独滚刀损坏后只需将其拆下更换损坏滚刀即可，大大提高了滚刀的使用寿命，降低成本。而滚刀切割转动只需很小的转矩，与滚刀内轴之间连接受力的要求不高。 3.3 方案的选择 根据上述方案陈述和方案比较，方案 三更 能够实现机构设计所要求的功能，能够满足设计要求，纵观 三 个方案， 虽然 机构选择方案从简，但相比与前两个方案，方案 12 三更实用于企业生产要求， 方案 三 为最佳方案。所以选择方案 三 作为设计课题的最终方案。 3.4 本章小结 本章根据企业现有机械，再结合拖鞋裁剪机功能要求，讨论了它的整体方案，包括机械结构部分设计。通过比较，确定了以下设计方案： （ 1） 通过采用五个小气缸均匀受力与滚刀支撑板和滚刀，同时考虑板材厚度防止机构变形，保证布料的切割精度。 （ 2） 滚刀部分由单独滚刀串联于滚刀内轴，设计内轴直径，降低滚刀的加工要求，提高滚刀的使用寿命，同时便于滚刀更换。 （ 3） 传动部分由电机通过链传动带动滚刀内轴， 由于滚刀需要传动功率很小，滚刀内轴与滚刀由键连接配合，实现传动。 本章拟定的超声裁剪下料机的设计方案，不仅可以与企业染整布料连接，实现半自动加工的设计要求，而且成本适中，开发方便，所以具有较高的性价比。 13 第四章 超声波裁剪机的结构设计和系统分析 根据企业要求，加工布料为宽 1.6 米的染整布料，超声波裁剪机总图如下图 4.0所示，用超声波发生箱及控制部分产生超声波传入超声波变幅杆经过放大，烫构件高频振动并产生大量热量，与电机带动的滚刀组相配合切下胚料移至胚料槽完 成一次性拖鞋切割下料。 4.0 超声波裁剪下料三维模型 如图 4.1 所示，图为布料复合机械与超声波裁剪下料机械配合组成的半自动化生产机械，主要流程：将毛坯布料经过加热滚低温碾压复合，通过吸边器，上胶液，依靠链轮和针板输送布料到平料装备，经过两次平料，最后通过无起皱送料机构的纠偏作用将布料输送于超声波切割机完成一次性拖鞋的自动化生产。 其中布料复合部分引出布料宽度为 1.6 米，布料移动速 度为 24m/min，本课题主要研究设计与前序布料复合机械相配合的超声波裁剪下料部分机械，使其实现半自动化生产。 超声波发生箱及控制部分 加工布料 电机通过链传动带动滚刀切割 滚刀组 超声波变幅杆及烫构件整体 裁剪胚料 胚料槽 14 4.1 一次性拖鞋半自动生产原理图 4.1 滚刀尺寸确定 滚刀周长尺寸确定 : 如下图 4.1.1为拖鞋外观尺寸，将拖鞋包覆在滚刀形成刀具。 滚刀圆周长 L D 285mm，为了满足副刀具包覆，将滚刀直径定为 D=92mm，滚刀周长 L=288mm，在刀刃覆盖基础上，留有一定加工余量。拖鞋副刀刃加工覆盖在圆柱表面，高 2mm，宽 0.5mm。 超声波裁剪部分 布料复合部分 15 4.1.1 拖鞋外观尺寸 4.1.2 拖鞋滚刀排料图 滚刀宽度尺寸确定 : 如图 4.1.3 所示 ,为了布料利用紧凑 ,提高布料利用率 ,按以下分布排列 ,然后在滚刀两端锯齿牙 ,提高滚刀与布料之间摩擦 ,推送布料顺利加 工。单只拖鞋宽度约为 112mm，按照以上排布，定单个滚刀宽度 M=240mm，满足裁剪加工。 4.1.3 滚刀 由于滚刀体积大，为了减少材料，同时方便内孔键槽的加工，将滚刀加工成如图 4.1.4锯齿牙 拖鞋副刀具 16 所示，滚刀与滚刀内轴连接座分开加工，通过焊接成 4.1.2所示整体，最后通过键与内轴相联系，实现传动。 4.1.4 滚刀装配三维爆炸图 4.2 电机链轮的选定及相关参数的确定 要求：布料输送 24m/min，即滚刀 切割表面要求线速度 24m/min，根据实际生产情况估计滚刀的输出转矩 T为 80Nm。如下图所示，电机通过减速装置减速，经链轮传动带动滚刀，产生平稳切割。 滚刀传动原理图 电机 键 滚刀内轴 滚刀内轴连接座 主链轮 链条 从链轮 滚刀 减速装置 17 根据生产要求，选择电机，并计算出传动相关数据。 4.2.1电机类型的选择 根据电机的工作环境选择电动机的类型 防护型式： 选用封闭自扇冷式，可在潮湿、多尘埃、高温、有腐蚀性气体或易受风雨的环境中工作 电动机额定电压的选择 电动机额定电 压的选择一般选择与供电电压一致，普通工厂的供电电压为 380V或 220V，因此中小型交流电机的额定电压大都是 380V或 220V，选用 220V的电压。 要求调速的中高转速生产机构上使用的电动机额定转速的选择应结合生产机械转速的要求，选取合适传动比的减速装置，我们选用带传动减速装置。 滚刀转速： L:24m/min D=92mm DnL 滚刀所需的转速： m in/8310*92*14.3 2410* 33 rD Ln 滚刀所需的功率： WKWnTP gg 6 9 56 9 5.09 5 5 083*809 5 5 0 参照电动机的技术参数，根据表预选电动机的型号，使其额定功率 总PPN ，并且是 NP尽量接近总P，所以选择功率 720W带减速装置电机。 4.2.2链轮的选择 及链条确 定 所选电机功率 720W,电机转速 1390r/min。减速比为 1:10，由上推出电机经减速后输出转速为 139rpm。 18 （ 1） 定主动轮齿数为 17，滚刀转速 83rpm，计算得出，从动轮齿数 29，传动比 i 为1.7。 （ 2） 计算当量的单排链的计算功率caP 根据链传动的工作情况、主动链轮齿数和链条排数，将链传动所传递的功率修正为当量的单排链的计算功率 PKKKPPZAca 式中 AK 工 况系数 ZK 主动链轮齿数系数 PK 多排链系数，双排链时 PK =1.75 ，三排链时 PK =2.5 P传递的功率， KW WP ca 1116720*1 55.1*1 （ 3）确定链条型号和节距 P 链条型号根据当量的单排链的计算功率caP和主动链轮转速 1n 查表得到 ISO 链号为08A，链条 节距 P为 12.7。 （ 4） 计算链节数和中心距 初定中心距 Pa )5030(0 ，取 508400 pa，按下式计算链节数0pL， 0 5 6.1 0 40 5 6.02440*2*)2(220122100apzzzzpaLP 为了避免使用过度链节，取链节数转为偶数 104PL 节 链传动的最大中心距为 )(2 211 zzLpfa P 式中 1f 为中心距计算系数，查表得 24942.01 f ，代入上式得链传动最大中心距越为507mm。根据实际设计情况，中心距为 425mm。 （ 5)依据链速 V，确定润滑方式 由于链速 V=24m/min， 08A号链，查表得润滑方式为定期人工润滑 19 4.3 滚刀内轴的设计和校核 根据设计要求 ,如图 4.3.1所示 ,需对以下轴零件进行计算校核 ,4.3.2所示为相关尺寸。 4.3.1 滚刀内轴三维仿真图 4.3.2 滚刀内轴工程图 轴材料选用 35钢，轴传递功率为 720W，转速 83rpm，轴的直径 d=25mm。 轴的扭转强度条件为 2.09 5 5 0 0 0 03 TTT dnPWT 式中： T 扭转切应力， Mpa； T轴所受的扭矩， Nmm； TW 轴的抗扭截面系数， 3mm ； n轴的转速， r/min； P轴传递的功率， KW； d计算截面处轴的直径， mm； T 许用旋转切应力， Mpa，； 查表得 T 取值范围 25-35（ Mpa），现取 30(Mpa) 20 )(30)(5.2625*2.0 8372.095 50 0 003 M paM paT 由上式可得轴的直径 mmnPAnPn PdTT2483 72.030*2.095500002.095500002.09550000 3330333 由于该轴上开有多个键槽，现取轴的直径为 30mm。 考虑滚刀内轴跨距长，为了增强抗弯强度，如下图所示 4.3.3 滚刀装配仿真图 4.3.4 滚刀装配工程示意图 通过增加多个滚刀支撑架，大大提高滚刀内轴抗弯曲强度，并保证独立滚刀的固定，保证切割精度，使其满足设计要求。 4.4 气缸支撑板的静态分析 在设计过程中，考虑到 气缸支撑板结构复杂，并受到较大的载荷，现利用 ANSYS软件对其进行静态分析，如图 4.4.1所示，气缸、电机、滚刀、滚刀支撑板等零件都受力于气缸支撑板上。 滚刀支撑架 滚刀内轴 滚刀 21 4.4.1 气缸支撑板局部图 如图 4.4.2气缸支撑板结构图所示，设计时取板长为 1670mm，宽 160mm，板厚20mm。采用材料 Q235钢，结合实际情况将板的受力确定为 1500N。 4.4.2 气缸支撑板结构图 4.4.1应力图显示 （ 1） Von Mieses 应力等值线图 气缸支撑板 22 （ 2) Von Mieses 应变等值线图 (3) Von Mieses 总变形图 4.4.2 应力分析 由 Von Mises 应力等值线图可以看到，最大应力为 42.629MPa，最小应力很小，这么小的应力可以忽略不计。按第四强度理论 max 。其中 = s /安全系数=235/1.47=160MPa,应力满足条件。 23 4.4.3 变形分析 由变形图可以看到最大变形量是 0.86504mm，最小变形量是 0mm。变形要求 : mmxx 1 ； mmyy 1 ； mmzz 1 。 以上分析可以看出，将气缸支撑板的厚度定为 20mm满足设计要求。 4.5 本章小结 本章主要对零件相关尺寸的设计、校核，并利用 ANSYS 软件对内部形状不规则的板件进行静态分析，主要零件为 ：滚刀尺寸设计、电机和链轮的选择、滚刀内轴尺寸选择和校核、以及气缸支撑板的静态分析。结合实际受载情况和要求，得出合理的设计尺寸。 24 第五章 超声波系统研究 5.1 超声波发生器 超声波发生器的作用，是将 220V或 380V的交流电转换成超声频的电振荡信号，它主要由振荡器、电压放大器、功率放大器和输出变压器等部分组成。其中，振荡器是超声频发生器的核心。 根据超声波加工的需要，超声波发生器的输出波形可以是正弦波，也可以是非正弦波，但以正弦波最为多见。 本机器中超声波发生器 J93025的主要技术指标如下： 最大输出功率 : W250 频率调节范围 : 16-24KHZ 输出 阻抗 : 12.5欧 在超声波加工系统中，为了获得最大振幅以提高加工效率，工作过程中应调节超声波发生器的频率，使其与换能器振动系统的谐振频率相等。但在实际工作中，由于负载、温度等诸多因素的影响，引起了系统参数的变化，这时，若超声波发生器的频率不变，则换能器的振幅下降。若要 在新参数下获得最大振幅，就应及时调节超声波发生器的频率。 5.2 声学部件 声学 部件是超声波裁剪机的核心部分 ,如图 5.2.1 所示。主要由换能器、传振杆、变幅杆和烫构件组成。换能器采用性能可靠的镍制磁致伸缩式结构，它的几何尺寸决定超声波裁剪机床工作时的机械共振频率。其一端贴有多孔性质做成的反射块，用以提高换能器的单向发射能力。传振杆和变幅杆采用声耗小、耐疲劳性强的材料，按换能器的标称工作频率而设计的。传振杆中的法兰盘是提供声学部件安装固定 用的，其位置应设置在波节点处。变幅杆和传振杆间是可拆卸的螺纹连接。根据具体应用所设计的工具，可采用螺纹与变幅杆连接。在超声波发生器的驱动下，由换能器产生的超声振动，经由传振杆和变幅杆，传至烫构件，产生相应的超声振动和热量进行加工。 25 5.2.1 声学部分 换能器的作用是将高频电振荡信号转换成机械振动。目前所使用的换能器主要有两种：一种是压电换能器，一种是磁致伸缩换能器。 5.2.2 超声波模具图 换能器 传振杆 法兰盘 变幅杆 烫构件 26 5.3 复合变幅杆的理论与设计 如图 5.3.1为超声波变幅杆实物图 ，为了计算某些变幅杆的性能和提高变幅杆的放大系数，同时为了满足实际应用的特殊设计，下面讨论阶梯形变幅杆的设计。 5.3.1 超声波变幅杆实物图 5.3.1 复合型变幅杆的一般公式 讨论 5.3.2下图所示三段复合型变幅杆。 I段和 III段为等截面杆，而 II段为变截面杆，为了简化讨论，设杆的横截面为圆形截面，各段用同一种材料做成。 5.3.2 变幅杆模拟图 由变截面杆的波动方程出发，可以求得各段杆中的振动位移，放大系数的一般公式。 1. 杆中各段质点振动位移 )c o s ( 1111 Ka （ 5.10） 27 )c o s (211211 aKRRa （ 5.11） )c o s (3131 11 aKa （ 5.12） 2. 频率方程（两端自由）组为 11223322)0(1t a nt a n0)(t a n)t a n (RRKKlKKaRKlRKlKKalK （ 5.13） 3. 放大系数pM c o sc o sc o s )c o s ( 321 22 KlKlalKNM p （ 5.14） 5.3.2 带有特定形状过渡的阶梯形变幅杆 如果两段长度相等而截面不同的平直组成的阶梯变幅杆，其放大系数最大)( 2NM p ,由于其截面交界处突变，存在应力集中，不适合在高振幅的情况下工作。我们可以采用带有一定形状过渡段的阶梯形变幅杆 )(31 KlKl 。 将31 KlKl 代入谐振频率方程组的一般公式（ 5.13）可以得到带有特殊形状过渡段的阶梯形变幅杆的频率公式为 0t a nt a n 212 cKlbKla （ 5.15） 5.3.3 具有圆锥形过渡段的阶梯形变幅杆 圆锥形过渡段的截面变化规律为 )1(1 xRR ， 则 0R , KK 1. 频率方程 28 22221 )1(21co tco t)1(2t an NKKlKlNKKl （ 5.16） 2. 位移分布 )(c o s )c o s (1)c o s (320311120211101KlKlKxaaKxaxaKlKx （ 5.17） 其中212 coscos Kla KKl 12 tantan s i nt a n c o s2223 KlKlNa （ 5.18） 3.位移节点0x 20 2 Kx （ 5.19） 4.放大系数 PM )s int a n( c os 222 KlKlNM P （ 5.20） 5.计算 超声波加工实验装置所用复合型变幅杆主要参数计算如下： 本文所设计的复合型变幅杆零件尺寸如图 5.3.3 所示， mmDmmD 30,55 21 。对复合型变幅杆谐振长度的计算，我们考虑该距离取 mmll 5.5531 ，可得349.131 KlKl ，代入（ 5.16）求得 29 5.4 本章小结 本章主要介绍超声波变幅杆相关信息的研究， 根据不同变幅杆选择出合适的变幅杆，并参考相关资料粗略算出本机器的超声波能量器的有关数据。 30 第六章 总结 设计过程： 从开始 利用 SolidWorks软件 对现有机械的三维建模，对机器结构逐渐认识，