（机械制造及其自动化专业论文）包装机械打销机关键技术研究.pdf

中文摘要 本论文密切结合工程实际需求，针对高档塑料制品自行设计开发了一台全自 动高效能的打销设备。主要研究内容包括方案选型、关键零部件的运动学设计和 强度校核、以及控制系统设计。取得如下成果： ( 1 ) 对打销机四种传动形式( 曲柄滑块传动、齿轮齿条传动、气动、丝杠螺母 传动) 进行分析，确定了气缸通过联结板和滑块相联的传动方式。滑块安装在导 轨上，靠导轨保证了顶针的直线运动的精度，且使得单向尺寸大大减小。 ( 2 ) 对打销部分和工作台调整部分中的关键零部件( 装销机构、销轴旋转机构 和销轴限位片) 进行了结构设计。销轴识别装置用光纤取代了原来的光管，工作 台实现了3 个方向的调整( 上下、前后和角度) 。此外对调整机构中的螺杆进行了 强度的校核。 ( 3 ) 采用日本立石( o m r o n ) 公司生产的s y s m a c c 系列可编程序控制器， 搭建了硬件系统、编写了p l c 程序。将样机用于实际的包装盒打销过程中，极 大地提高了生产效率，达到了国外同类产品的水平。 上述工作具有十分重要的工程应用价值，样机可完全取代半自动打销机设 备，在国内市场很有发展前景。 关键词：包装机械结构设计强度可编程控制器 a b s t r a c t o n ep a c k a g i n gm a c h i n ef o rp i nf i x i n gi sd e s i g e da n dm a n u f a c t u r e di no r d e rt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t ，w h i c hi n c l u d ef l a m eo p t i m i z a t i o n ，k i n e m a t i c s ， s t r e s sv a l i d a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m s o m er e s u l ta r eg o ta sf o l l o w i n g ： ( 1 ) f o u rm o v i n gf o r m ，s u c ha sc r a n k s l i d e ，g e a r - r a c k ，g a sd r i v i n ga n ds oo n ， a r ec o m p a r e de a c ho t h e r , a n dt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g ea r ea n a l y z e do n eb yo n e o n eo p t i m a ls t r u c t u r et h a tt h ec y l i n d e rc o n n e c t e dw i t ht h es l i d ew i t ht h eh e l po fo n e b o a r di sd e t e r m i n e df i n a l l y t h es l i d ei sf i x e do nt h eg u i d e ，a n di t sa c c u r a c yi s g u a r a t e e db yt h eg u i d e sp r e c i s i o n m o r e o v e r ，t h i ss t r u c t u r ec a nr e d u c et h ed i m e n s i o n o fe q u i p m e n ti no n ed i r e c t i o n ( 2 ) t h ek e yp a r t sf o rt u n i n gt h ew o r k t a b l ea n dp i nf i x i n g ，s u c ha sp i nu p l o a d i n g ， r o t a t i n ga n d l i m i ts t o pb l o c k ，a r ei n v e s t i g a t e d t h eo p t i ct u b ea r er e p l a c e db yt h eo p t i c f i b e rf o ri d e n t i f a t i o no fp i n t h ed e s i g n e dw o r k t a b l ec a nm o v ea l o n gw i t ht h r e e d i r e c t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ei n t e n s i t yo fs c r e wi sa l s ov a l i d a t e dh e r e ( 3 ) t h es y s m a c - cp l cm a d ei no m r o nc o m p a n yi sa d o p t e da s ak e y c o m p o n e n tf o rt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ec o r r e s p o n d i n gp l cp r o g r a mi sa l s o w r i t t e ni nt e r m so fi n t e r f a c es u p p l i e d t h ee x p e r i m e n ti sd o n ea f t e rt h ep r o t o t y p ei s p r o d u c e d i ts h o w st h a tt h ea b o v ep r o d u c tc a nb eu s e dt h et h ep a c k a g i n gb o xw i t h d i f f e r e n ts h a p e ，a n dt h ee f f i c i e n c yc a na l s ob ei m p r o v e dg r e a t l y t h ea b o v ew o r kh a saw i d ea p p l i c a t i o ni nt h ei n d u s t r y , t h ep r o t o t y p ec a ni n s t i t u t e t h es i m i l a rh a l f - a u t o m a t i cp r o d u c t k e y w o r d s ：p a c k a g i n gm a c h i n e ，s t r u c t u r ed e s i g n ，s t r e s s ，p l c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 氪f 扛 签字日期： 嘶年扩月奶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 别卫 签字日期：m 年0 月压日 导师签名： 南椿 签字日期：沙吆年舻月日 第章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第章绪论 中国经过2 0 多年的改革开放，由于社会的稳定、经济的持续、健康、快速 的发展，外商投资环境的不断优化，人民生活水平整体上逐年提高，使消费品在 品种、数量、质量、包装等等都显现出了日新月异的发展趋势，产品的生产逐步 向经济的一体化、生产加工的国际化以及人民日益增长起来对生活用品的多样化 的模式发展。在这生存与竞争的革新浪潮中，表现较为突出的行业之一是与生活 息息相关的包装业。 当前国内有各类与包装相关的企业近9 万多家，其中从事包装产业的工人 超过3 0 0 万，年产值约在2 8 0 0 亿元左右。业内人士预计到2 0 1 0 年我国包装工业 总产值将达到4 5 0 0 亿元。如今包装领域的技术日新月异在来自全国各地举办 的各类国际国内展览、技术交流会上，包装新材料、新技术、新产品、新设备和 新工艺层出不穷。 包装业的蓬勃发展是社会进步的必然趋势，是社会发展的客观要求。包装是 产品行销的动力，任何种产品，由生产、市场、储运直到消费者手中的整个 过程都需要包装 2 - ”。“包装”与。产品”如影随形，无法分离。好的包装不但 具有保护产品的功能，同时对体积、造型、视觉构图、说明与使用等设计都匠心 独运，富有创造性，提高商品价值，建立商标的权威性。做好产品的包装设计工 作，等于拥有一套精良的行销利器。图1 1 为化妆盘和礼品盒的新颖设计。 图l 】包装盘产品 穗 第一章绪论 在进行商品的包装设计时，应当根据商品的属性来考虑储藏、运输、展销、 携带及使用等方面的安全保护措施不同商品可能需要不同的包装材料m 】。目 前，可供选用的材料包括金属、玻璃、陶瓷、纸、塑料等，其中尤以塑料最为常 见。在选择包装材料时，既要保证材料的抗震、抗压、抗拉、抗挤、抗磨性能， 还要注意商品的防晒、防潮、防腐、防漏、防燃等问题，确保商品在任何情况下 都完好无损。塑料作为最常见的包装材料，其具有良好的气密性、防潮性及透明 性，同时还具有一定的机械强度，故被广泛使用例。圈i2 和图1 3 分别为柱型 塑料化妆盒及方型塑料手表盒、珠宝首饰盒的设计。 kl 警 i i | i - 图12 柱型塑料包装盒 叼? 溜 图13 方形塑料包装盒 眵 8 第一章绪论 目前国内外包装机械的发展趋势特征趋于：高速、高效、高质量。重点在 于节能降耗、高质量和性能可靠、自动控制水平先进、稳定性好、自重轻、结构 紧凑、占地空间小、噪音低、效率高、外观造型适应环境和操作人员心理要求， 有利于环保等l l m j 。 近些年来，发达国家为满足现代商品包装多样化的需求，发展适应多品种、 小批量的通用包装技术及设备；同时又紧跟当代高科技发展步伐，不断应用先进 的技术，发展和开发应用高新技术的现代化专用型包装机械1 1 川7 1 。 随着科学技术的飞速发展，越来越多的新技术、新思维被应用于包装工艺、 包装设备中来。在引进消化和吸收国外先进技术的基础上，国内包装机械有了一 定的创新，产品科技含量也正在不断的提高，使包装机械产品正在向机电结合， 主辅机结合，成套连线方向发展 1 8 - 2 1 】。 在包装盒的加工过程中，很重要的一个加工环节就是打销，也就是将盒盖和 盒体连接在一起，需要打入销轴。在这道工序中，打销设备尤为关键，如图1 2 和图1 3 中包装盒的连接均为销轴连接。 由此可见，要提高质量、提高效率，就要求打销设备应具有精度高、自动化 程度高以及体积小重量轻等特点。因此，在塑料制品需求量越来越大的今天，对 其进行研究具有重要的使用价值和工程意义。 1 2 国内外研究现状 2 1 世纪的市场竞争不仅是先进科技的竞争，同时也是产品设计的竞争。以 知识为基础的产品创新是现代工业设计的核心。企业要发展，就不得不加速解决 新产品开发中的一连串问题，如了解市场需求、提高产品质量、降低成本和提供 优质服务等 2 2 - 2 4 】。 在上述问题中，迅速开发出新产品、加快上市时间是关键，而且在产品开发 全过程中还必须让用户参与进来，以便发现产品的缺陷，及时纠正，满足用户需 要，从而增强企业的核心竞争力。 目前，国内外的打销设备种类繁多，但各有其不足之处。对于从事高档塑料 制品、化状制品的大型企业来说，拥有全自动高效能的打销设备是大批量生产的 重要前提。 1 2 1 手动打销机 手动打销机是最简单的打销设备如图1 4 所示，这种打销机的缺点是：( 1 ) 生产效率低。由于人工续销，生产效率很低，每分钟只能打几个销钉，不适合大 第一章绪论 批量生产。( 2 ) 精度低。销钉的直线运动不是靠直线导轨，而是靠齿条的直线运 动，废品率高。( 3 ) 操作者的劳动强度大。人工续销，人工打销，其生产过程为： 搬动手柄一齿轮的圆周运动一齿条的往复直线运动，从而带动销轴作直线运动， 完成打销动作。由此可见，这种打销机构从生产效率、精度及操作者的劳动强度 来看，均不适合现代化大生产，已逐步被淘汰。 1 2 2 半自动打销机 齿条手柄 图1 4 手动打销机 图1 5 为半自动打销机，其缺点是：( 1 ) 单向尺寸大，故体积大，不适宜自动 生产线上使用。 ( 2 ) 精度低。销钉的直线运动不是靠直线导轨，而是靠气缸。这 里的气缸既是执行元件，又是导向元件。而且磨损大，运动不平稳。( 3 ) 寿命低。 由于气缸既是执行元件又是导向元件，故其内部的磨损大，影响气缸的寿命。 1 2 3 全自动打销机 单向尺寸大 图1 5 半自动打销机 全自动打销机是在半自动打销机的基础上研制开发出来的全自动高科技产 品，并制造出了样机。 这种打销机的特点为如图1 6 所示：( 1 ) 采用汽缸作为实现直线运动的动力源， 由于改变了气缸的位置，靠气缸的反推实现打销运动，使原单向尺寸大大减小， 第一章绪论 故体积小，是其原有设备体积的2 3 ，更适宜在自动生产线上使用。( 2 ) 精度高。 销钉的直线运动靠直线导轨，不是靠气缸。有直线导轨作导向，打销精度大大提 高。( 3 ) 寿命长。由于气缸不负责导向，故减小了磨损，延长了气缸的寿命。( 4 ) 可靠性更高，销钉识别装置用光纤取代了原来的光管，使销钉识别技术更可靠， 减小了废品率。( 5 ) 生产效率高，自动化程度高。效率为每分钟几十个，该设备 能自动续销，自动识别销轴是否在指定的位置上。 连接板 工件 连接板 图1 6 全自动打销机 除了以上机械设备外，还需要一些检测设备和筛选设备如： 1 光纤识别技术 通过光纤来识别销轴在销轴孔内是否水平放置，以保证销轴能够准确打入 包装盒内，保证产品不会由于销轴摆放不在水平位置上而造成废品的产生。 采用光纤识别技术减少了废品的数量，同时使其自动化程度大大提高，在国 内市场很有发展前景。 2 汽缸的应用 半自动打销机中由于汽缸的长时间直线运动，造成汽缸产生上下的小幅度摆 动，使得汽缸的直线运动精度下降，而采用直线导轨机构，在汽缸的带动下使打 销的动作更加精确，使打销机的体积在原有的基础上缩小了很多，既节省了制造 原料，又使所占空间减小。 3 振动给料器的应用 全自动打销机中销轴的提供和输送采用的是振动给料器，取代了以往打销机 的人工续销，实现了自动化，减小了操作者的工作强度，提高了生产效率。 4 电路控制技术 用电控方式控制打销机的自动上销和打销动作。全自动打销机具有新时代工 业产品的特征，在自动化打销设备中名列前茅，可自动续销，自动检查销钉是否 被打入，该结构由汽缸运动实现动力传动，具有直线导轨，提高了机构的工作精 度。其工作台也采用了丝杠运动，缩小了机构的体积。该设备应用的内容非常广 泛，包括：机构学，制造工艺学，气动传动，传感器及自动化控制，光学等。 第一章绪论 1 3 本文的主要研究内容 打销机主要包括打销机构和工作台调整机构两部分。本文主要对打销机构及 其零部件进行设计，内容主要包括打销及自动上销等机构的设计。工作台的调整 机构要能够在上下、前后、角度三个运动方向进行调整，且角度调节范围是1 0 。， 调整好后工作台和包装盒被锁紧。该设备还需要自动续销，实现全自动打销。全 文编排如下： 第一章阐述课题的研究背景和意义，综述国内外相关领域的研究概述，并 提出主要设计内容。 第二章针对打销动作的直线运动和实现工作台运动的机构阐述几种机构运 动方案，并对各种方案进行分析，根据选择原则，进行优选。并对方案进行技术 分析 第三章针对自动打销机的打销部分和工作台调整部分中的主要零部件进行 设计和校核。其中包括装销、销钉旋转、销钉限位片以及螺旋传动等零部件的设 计和校核。另外还介绍在本设备中应用的一些特色技术。 第四章针对打销机的控制系统进行分析和设计，其控制装置的核心为可编 程序控制器( p l c ) 。本章的内容包括：工作过程及框图，程序设计，接线图和梯 形图等。 第五章汇总全文主要结论。 各章均以引言开始，简要介绍该章研究的内容和目的；以小节结尾，简要归 纳该章所得结论。 第二章总体方案及运动分析 2 1 引言 第二章总体方案及运动分析 与国内外同类设备相比，全自动打销机之所以在性能上有了飞跃性的发展， 主要是因为在打销设备中首次引用了光纤识别技术、电路控制技术及直线导轨， 使生产中的废品率大大降低，同时提高了打销精度。 全自动打销机主要包括打销机构和工作台调整机构两个部分。在打销机构 中，由于打销动作要采用能够实现直线运动的机构，经过对打销机的运动分析， 选择了四种机构的运动方案：曲柄滑块传动、齿轮齿条传动、气动及丝杠螺母 传动。本章通过对几种方案的分析比较，进行择优选择。另外，全自动打销机 的工作台调整机构，要能够实现前后、上下及l0 。的角度三个方向的调节。 在工作台调整机构的设计中，通过对水平运动、上下垂直运动、角度调整的机 构的分析计算，进行方案优选。 2 2 打销机构 2 2 1 技术分析 全自动打销机属机械产品类，机械产品设计包括功能设计，即满足主要机 械的功能要求，是在技术上的具体化，如工作原理的实现、工作的可靠性、工 艺、材料和装配等方面；质量设计即兼顾各种要求和限制，提高产品的质量和 性能，具体为操作、美观、成本、安全、环保等众多其它要求和限制；及优化 设计和创新设计【2 孓2 - q 。机械设计的任务是在众多的可行性方案中寻求较好的或 是最好的方案。结构优化设计的前提是要能构造出大量可供优选的可能性方案， 即构造出大量的优化求解空间，这也是结构设计最具有创造性的地方。结构优 化设计目前基本仍局限在用数理模型描述的基础上。而更具有潜力、更有成效 的结构优化设计应建立在由工艺、材料、联接方式、形状、顺序、方位、数量、 尺寸等结构设计变元所构成的结构设计求解空间的基础上 2 8 - 2 9 】。 第二章总体方案及运动分析 2 2 2 打销机构的设计 打销动作要采用直线运动机构，经过对打销机的运动分析，有如下几种机 构运动方案： 方案一曲柄滑块传动 顶针 工件滑块减速器电机 。_ _ _ - 。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ - _ - 。_ _ _ - 。- 。 彭二定；= ， 鼍-r叫 舻夕多。、。一 高 i- n - ，j、 。 _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ - 图2 1 曲柄滑块组合 曲柄滑块机构可以实现直线运动，如图2 1 。滑块带动顶针将销轴打入工件 中。曲柄滑块机构由电机通过减速器带动运行。 图2 2 曲柄滑块组合 曲柄滑块机构是由若干刚性构件用低副联接而组成，如图2 2 所示。各运动 构件均在互相平行的平面上运动。由于组成低副的两构件为面接触，因此运动 副中压强小、磨损轻，故能承受较大载荷。又因为运动副本身几何形状就能保 证两构件可靠的活动联接，所以工作可靠，安装方便。由于上述优点，曲柄滑 块机构被广泛用于各种机械和仪器设备中，如活塞式内燃机、空气压缩机、冲 床等机械中【3 0 - 3 1 。 在打销机构中，由于连杆机构的运动缺乏平稳性，且直线运动的精度达不 到运动要求，故此方案不可行。 方案二齿轮齿条传动 工件齿轮齿条 减速器电机 鼋蠹 qp 7 、， 。u 一 卜仉b ，i 】 叫 口 i 图2 3 齿轮齿条传动方案 第二章总体方案及运动分析 采用齿轮齿条也可以实现直线运动，如图2 3 所示。齿轮齿条有如下优点： 首先齿条同侧齿廓为平行线，与分度线平行的任一直线上具有相同齿距。其次 齿条直线齿廓上各点具有相同的压力角，即 a i = 仅= 2 0 。 ( 2 1 ) 式中，a ；一齿条直线齿廓上任意点的压力角 a 一齿条直线齿廓上分度线的压力角 当齿轮齿条标准安装时，齿轮分度圆与齿条分度线重合，齿轮以角速度。转 动，带动齿条以线速度v 。直线移动： ，。= c o l ( 2 2 ) 式中，一齿轮以角速度 ，l 一齿轮分度圆半径 由于齿轮齿条传动的工作效率低，且存在着加工困难和寿命较短等缺点， 故此方案也不被采纳。 方案三气动 在全自动打销机的打销机构的设计方案中，气动也是可选方案之一。在气 动执行元件中，使用最多的是直线运动的气缸。按照将空气压力转换成力的受 压部件结构不同，有活塞式和非活塞式，其中使用最多的是活塞式气缸【3 2 - 3 3 1 。 气缸的理论输出力是指气缸处在静止状态时，其使用压力作用在活塞有效面积 上产生的推力或压力。气缸的选择步骤如下： 首先己知条件如表2 1 所示： 表2 1 气缸选择的已知参数 i 气源压力p ( m p a ) 安装因数 r 打入销轴所需力，州) 0 7 0 81 29 2 0 考虑到安全余量，安全因数加取1 2 ，气源压力p 取0 t n m m 2 ，故气缸的 有效推力 r o = f x l 2 = 9 2 0 1 2 = 1 10 4 ( n ) ( 2 3 ) 如图2 4 所示，气缸的有效推力r o 也可为3 4 1 ： v o = g s 1 扫 ( 2 4 ) 式中，5 ；生 4 刃2 s t 2 t d 一缸径( m m ) ，d 一活塞杆直径( r a m ) 。 第二章总体方案及运动分析 活塞杆 图2 4 气缸结构 由2 3 和2 4 式得：11 0 4 = g s ib 悱c 孚导一 查手册，选缸径d = 5 0 m m ，活塞杆直径d = 2 0 m m 。由此可得，气缸型号为： c d q 2 8 5 0 - 10 0 0 d w g12 k 0 3 0 工件 顶针 厂一 ， i 气动的两种方案为：第一种是气缸直接和顶针连接，如图2 5 ，这种方案中 把气缸和顶针连接在一起，气缸运动时直接带动顶针动作。这种方案可以说是 最简单的一种方案，且从经济角度也比较实用。但是这种方案也存在着很大的 不足，由于是气缸直接和顶针连接，当气缸往复运动时，活塞会与气缸壁不断 的摩擦，经过长久的摩擦会使气缸的直线运动的精度下降，这样就会影响到打 销机的正常工作。而打销机构最重要的要求就是要保证顶针准确的直线运动。 当活塞的运动不能保证直线运动的精度时，销轴就可能会被打偏，从而产生废 品。 艮一 t i 一口， o 塑 一 翻i 陆一豳瑚气缸 第二章总体方案及运动分析 第二种方案是气缸和顶针通过连接板相连，同时顶针安装在带有导轨的滑块 上，如图2 6 这种方案是气缸通过连接板和滑块相连，而滑块安装在导轨上。 此方案的设计方法正好弥补了上一个方案的不足，因为顶针的直线运动由导轨 做导向，这就保证了顶针的直线运动的精度，因为气缸经过长时间的工作会使 直线运动的精度下降，但是导轨的精度不会降低，它能够保证顶针的运动不会 偏离，使废品率降低。图2 7 为实际样机中的气缸驱动。 方案四螺旋传动 图27 实际样机中的汽缸驱动 丝杠螺母 工件 图28 丝杠螺母组合 采用螺旋传动也可以作为被选方案之一，如图2 8 所示。螺旋传动主要由丝 杠和螺母组成，除自锁螺旋外，一般用来将旋转运动转化为直线运动，也可将 直线运动转化为旋转运动，打销机设计要求将旋转运动变成直线运动。其转角 和位移之间的关系为： ，= = f x # ，2 zf 25 1 式中；头数；f 螺距；p 一转角； z 位移 螺旋传动的主要传动形式有： 第二章总体方案及运动分析 螺杆转动和移动，刚度差，占空间大，等于2 倍行程加螺母长。适用于 短行程，示数传动。 螺杆旋转，螺母移动。结构紧凑，刚度高，占用空间小等于行程加螺母 长。适用于长行程，各种形式传动。 螺母旋转，螺杆移动。刚度差，占用空间大等于2 倍行程加螺母长，结 构复杂。适用于一般传动。 但由于丝杠螺母的效率较低，且成本较高，故不选择此方案。 2 2 3 方案优选 自动打销机是一种专用设备，对工作效率要求较高，在选择最优方案时要 考虑到这一点。设计的四种方案为：曲柄滑块机构，齿轮齿条，气动和丝杠螺 母机构。 经过分析比较，最终选用了气动中的第二种方案。这是因为，如果选用曲柄 滑块机构，虽然曲柄滑块机构的动作很快，但是自动打销机要求在直线运动方 向要有很高的精度，而曲柄滑块机构在这一点是不能够保证，且又增加了打销 机的体积。如果选择齿轮齿条机构，虽然它的直线运动的精度能够保证，但工 作效率较低，成本也较高，体积较大。丝杠螺母机构属于螺纹传动，其工作效 率也同样不能满足要求，最终选择气动方案。 气动方案有如下的优点： 气动装置结构简单，轻便，安装维护简单。压力等级低，故使用安全，同 时使打销机的体积减少。 工作介质为空气，降低成本。排气处理简单，不污染环境。 可靠性高，使用寿命长。 气动的直线运动精度非常高，同时动作迅速，既保证了直线运动的精度同 时也保证了打销机的工作效率。 2 3 工作台调整机构的设计 2 3 1 技术分析 机械设计的设计过程，即是对各种不同的可行方案，进行综合考虑，选择 出经济最优方案即生产成本最小的方案。由于投入少，设计周期短，可以随时 发现打销机的新兴潮流，随时对产品进行升级换代。而且从选择材料上选用新 型材料，通过在计算机上模拟试验，可以达到非常好的效果。 另外，在结构设计中还要根据功能要求，合理地选择材料，根据材料的种 第二章总体方案及运动分析 类确定适当的加工工艺，不同的材料具有不同的性质，不同的材料对应不同的 加工工艺。并根据加工工艺的要求确定适当的结构，只有通过适当的结构设计 才能使所选择的材料充分发挥优势。 2 3 2 工作台调整机构的设计 工作台的调整机构应具有三个方向的调整：上下方向的运动调整，前后方向 的运动调整和角度的调整如图2 9 所示。要求具有上下和前后方向的调整主要 是由于不同的包装盒，尺寸大小各不同所以销轴打入的位置也不同，这就要 求工作台在这两个方向上均可作调整；要求具有角度方向的调整主要是由于， 在包装盒的实际加工中，有时需要打入的销轴的位置具有角度，这时需要工作 台能够转动。工作台调整好后，在三个方向上分别有锁紧螺母锁紧。实际样机 中工作台的台面上有四个螺纹孔，其作用是固定被加工包装盒的制具，如图21 0 所示。 工作台 打销机台面 圈2 9 工作台三个方向的调整 图2 1 0 样机中的工作台 工作台前后运动的传动系统分析如下 第二章总体方案及运动分析 方案一齿条传动机构 工作台前后移动的调整机构可以考虑齿轮齿条机构，如图2 1 l 所示，齿轮齿 条机构结构简单，成本低，传动效率高，易于实现较长的运动行程，运动速度 较高等特点。 工作台 图2 1 1 齿轮齿条机构 缺点：齿轮齿条设计制造时，要求精度高，而且总体看机构体积过于庞大。故 不选择此方案。 方案二螺旋传动机构 为了使工作台能够前后移动，作者设计了一个上板和一个连接板，它们之 间通过配合能够滑动。通过螺旋传动，使工作台前后移动。如图2 1 2 和图2 1 3 所示。 盈 r 嘞 图2 1 2 上板图2 1 3 连接板 由此可见，经过上面二种机构的分析，螺旋传动的结构最简单，制造也较 容易，即减小了工作台的体积，又很好的实现了工作台的前后运动与固定，最 终的方案定为螺旋传动机构。 2 工作台角度调整的系统分析 平面连杆机构中的曲柄摇杆机构和螺旋机构均能实现工作台的角度调整。 根据从动件所需要的运动规律或轨迹来设计连杆机构比较复杂，且精度不高， 设计出的体积也比较大，所以在角度调整中只对螺旋传动进行分析设计。 工作台前后移动中用到了上板与连接板，在工作台的角度调整中，为了与 前面连接相配合，同样也采用了连接板与中板，如图2 1 4 所示。 第二章总体方案及运动分析 图2 1 4 中板 r 。一 h 一 | c 1 r ：d 3 工作台上下运动的传动系统分析 方案一锥齿轮传动机构 此方案是由一对圆锥齿轮传动来带动工作台的上下移动，该方案包括圆锥 齿轮、轴套、轴及锁紧螺母等零件，其中圆锥齿轮的运动由电机带动。由于圆 锥齿轮加工精度较高，工艺复杂，故加工成本较高，同时噪音振动也较大，不 适合现代化设计的要求，所以放弃了这种方案。 方案二螺旋传动机构 工作台的上下移动也可以通过螺旋机构来实现，如图2 1 5 。螺旋传动机构 是利用螺旋副传递运动和动力，其加工方便且传动精度较高。 若螺杆与螺母的导程为，当螺杆转动角为伊时，螺母的位移s 为 j ：箬 ( 2 6 ) j5 万 6 ) 工作台的升降运动的基本构件有升降轴、锁紧轴、锁紧螺母、调整手柄、锁 紧手柄等零件，在样机实际的传动结构中，调整手柄控制工作台上下移动，调 整手柄是一个棘轮机构，这种机构可以使升降轴实现一个方向的转动，而在逆 方向转动时不会带动工作台移动。 、- ，j 图2 1 5 螺旋传动机构示意图 经过对上面两种机构的分析，螺旋传动结构最简单，制造也较容易，既减 小了工作台的体积，又很好的实现了工作的前后运动与固定，所以最终采用了 螺旋传动机构。 一乌 illifl 第二章总体方案及运动分析 2 3 3 方案优选 经过上面对工作台前后、上下、角度三个方向的调整机构的分析，最终决 定了工作台的总体设计方案，总装配图见附录。 2 4 本章小结 通过对主要运动机构的方案分析，进行优选，选择原则主要是考虑自动打 销机的生产效率和厂家的生产效益两方面因素。以上方案的选取，从结构上看， 所占体积不大，节省空间。从经济角度看，也比较实用。如气缸是通过联结板 和滑块相联的，而滑块安装在导轨上，顶针的直线运动由导轨来决定，这就保 证了顶针的直线运动的精度，降低废品率。 第三章关键零部件及机构的设计 3 1 引言 第三章关键零部件及机构的设计 与以往同类产品相比，全自动打销机的特色技术之一是光纤识别技术。该项 技术是通过光纤来识别销轴在销轴孔内放置是否水平，以保证销轴能够准确打入 包装盒内，从而减少废品的产生。由于其自动化程度提高，因而在国内市场很有 发展前景。另外，振动送料器的应用，取代了人工续销，同样提高了自动化的程 度，提高了生产率。 全自动打销机主要包括打销机构和工作台的调整机构两部分。光纤识别技术 被首次应用在打销机构中，其主要零部件的设计有装销和销轴旋转，以及销轴限 位片三部分。另外本章还对工作台调整机构中的螺旋传动进行了设计和校核。 3 2 特色技术简介 3 2 1 光纤识别技术 全自动打销机的一项革新技术是光纤识别技术，即利用光纤技术来识别销轴 是否在正常位置上。如果在，打销命令被正常执行；如果不在，不执行打销命令， 机器停止加工零件。这项技术也是在以往打销机中所不曾用到的。光纤是光波导 的一种，光纤技术近几十年来有了飞速发展，其发展速度之快，使得当今许多技 术领域都受到了它的冲击。 光纤信号的检测技术被越来越多的应用到各行各业【3 5 。6 】。随着光纤制造工艺 的不断完善和发展，光纤质量、性能的不断提高，光纤的应用由最初的传像、医 疗诊断到机床设备，从长距离光纤通信到光纤传感，遍布了医疗、运输、机械、 通信、服务、军事、娱乐、能源、教育等各种领域。在打销机的设计中，为了降 低废品的产生，同时也考虑到销轴识别的可靠性，故采用了光纤识别技术来鉴别 销轴是否在正常位置上 3 7 - 3 8 1 。打销及检测过程如下： 第三章关键零部件及机构的设计 光纤的三个光孔振动给料器的导管 匣雷 图3i 转盘准备续锖图32 样机中转盘准备续销的实际结构 图3 1 为打销机续销转盘准备续销的状态。图中所示的振动给料器的导管是 由给料器中输出，用来传送销轴。在槽中还有三个孔，这三个孔起着非常重要的 作用。在这三个孔的后面分别装着一根光纤，当槽处于水平位置时，销钉如果在 槽内且是水平放置，这时销轴正好挡住小孔，使光信号无法通过。图3 2 为样机 中续销转盘准备续销的实际结构。在三个孔的对面也分别装有接收信号的安装 块，如图3 3 所示。由于销钉水平放置挡住了光信号使它的对面无法接收到信号， 这就会给电路一个信号，打销机可以正常工作，此时踩下脚踏板，气缸就会运动， 完成打销动作。如果销轴没在槽中，这时光信号通过小孔到达对面的接收端，这 时使电路处于常闭状态，当工作人员踩下脚踏板时，气缸不会工作。如果没有这 三个小孔，就无法检测到槽中是否有销轴，若照常工作，就可能会有废品的发生。 准备续销的实际结构。 图33 光孔信号接收块 第三章关键零部件及机构的设计 陶黟 图34 转盘续销图35 转盘旋转 图34 为续销转盘进行续销。销轴由振动给料器输出，由导管传送至续销转 盘。图35 为续销转盘旋转，使销轴进入转盘的旋转槽中此时由于正常续销及 销轴的长短不同，使部分光孔的光被销轴在挡住，其对面的接收端无法接收到光 信号，这时电路就会接收到一个可以正常工作的信号，打销机进行正常打销。图 3 6 为实际样机中续销转盘进销后的结构图，图示中的销轴长度为8 毫米，此时挡 住了一个光孔，打销机处于准备打销状态。 圈36 样机中转盘进销后的实际结构 在实际控制面板中的右侧有两个销轴指示灯，如图37 所示，若左侧续销没 能正常进行则左侧销轴指示灯亮；若右侧续销没能正常进行则右侧销轴指示 灯亮，此时打销机均停止打销动作。图38 为实际样机中控制面板的销轴控制部 分。 第三章关键零部件及机构的设计 左侧销轴指示灯 右侧铺轴指示灯 图37 控制面板中的销轴指示灯圈38 实际样机中控制面板的销轴控制部分 3 2 2 振动给料器 在全自动打销机中，销轴的供给和输送采用了振动给辩器，取代了人工续销， 提高了自动化程度，减轻了操作人员的工作强度，同时也大大提高了生产率。目 前国内市场上振动给料器的类型大致分为电磁振动给料器和惯性振动给料器两 种。 图39 为电磁振动器料嚣，其主要由碧料槽、电磁振动器、减振装置、控制 罂和扳弹簧等组成。振动嚣由单相交流电经可控硅半波整流后供电，振动器中的 铁芯与槽体连接的衔铁之间产生脉冲的方向交变的电磁力，该力使板弹簧发生变 形( 拉伸或恢复) ，从而使衔铁( 即糟体) 产生往复运动而输送物料。电磁振动给料 器的主要优点：结构简单，体积较小；不需要润滑；消耗电能低；物料在槽中跳 跃运动，故对槽体磨损较小。其主要缺点是：由于电磁振动力较大，振动器与槽 体连接的螺栓极易松动，故运行噪声大，检修频繁，且故障率较高。因此，目前 应用有减少的趋势例。 由徐州振动机械有限公司最新开发研制的新型振动给料器一惯性振动给料 器，它主要由给料槽、传动架、振动电机及减振弹簧等元件组成，振动电机中的 偏心质量在旋转时产生的惯性离心力通过传动架传递给槽体，从而使槽中物料边 抛起边向前移动。惯性振动给料器是一种电机不参振的给料器，从根本上解决了 电磁振动给料器的一些不足，在目前市场上应用较多。 全自动打销机中销轴的供给和传输采用的是惯性振动给料器，如图31 0 所 示。这种给料器的成本较低、体积小、备件少，运行稳定等特点，且维修简单方 便，同时由于惯性振动给料器的运行特性，故振幅较小，这也降低了生产现场的 噪音：由于采用了电碰制动电机，对于准确控制加入的物料量，减少冲击起到积 极作用。另外，这种给料器的速度可调且调速范围大，图31 1 为实际样机中所 安装的调速器。振动给料器的位置设计合理，对整个打销设备的占地面积影响不 第三章关键零部件厦机构的设计 大。经过在样机中使用，对于稳定生产，提高生产效率，降低操作者的工作强度 都起到了显著效果洲。 ，惑+ j 即 眩：i ! 图39 电磁振动给料器图31 0 惯性振动给料器在样机中的使用 图31 1 惯性振动给料器的调速器装置 3 3 打销机构中主要零部件的设计 3 3 1 装销和销轴旋转部分的设计 图3 1 2 上摆杆图3 1 3 下摆杆 国 第三章关键零部件及机构的设计 图3 1 4 销轴旋转组合图 图3 1 2 和图3 1 3 分别是上摆杆和下摆杆的结构图，由下摆杆带动上摆杆运 动，实现销轴的装入和放在水平位置，从而使销轴被打入包装盒中。在组合图 3 1 4 中可以看到，上摆杆有两个极限位置，它只能左右摆动二十度。上摆杆和下 摆杆组合在一起，下摆杆通过气缸实现左右摆动，从而带动上摆杆左右摆动。 当下摆杆带动上摆杆转到左边的极限位置时，也就是上摆杆旋转了二十度， 这时销轴旋转部件在上摆杆的带动下使槽转到了水平位置，同时销轴旋转部件 的半弧部分到达了上部分，它正与销轴的入口孔相对，这时销轴由于重力正好一 部分落在旋转部件中。 图3 1 5 打销及续销检测示意图 图3 1 5 为整个打销及续销检测的示意图。当下摆杆带动上摆杆转到右边极 限位置时，销轴旋转部件的槽正好与销钉的入口相对，而在上摆杆处于左极限时， 已有一根销轴的一部分落在旋转部件中，当旋转部件转动时，销轴在半弧内完全 滑到槽内，当旋转部件再次转到左极限位置时，销轴又在槽内再次做好打入的准 备。 第三章关键零部件及机构的设计 3 3 2 不同销轴限位片的设计 r p “一= 8 r a m 黼 ：1 6 一轴 图3 1 7 销周长度为8 毫米时的限位片组合图图3 1 8 销轴长度为8 毫米时的限位片 图3 1 9 销轴长度为1 2 毫米时的限位片组合图图3 2 0 销轴长度为1 2 毫米时的限位片 图3 2 l 销轴长度为1 6 毫米时的限位片组合图图3 2 2 销轴长度为1 6 毫米时的限位片 - 2 3 第三章关键零部件及机构的设计 图31 7 是将销轴长度为8 毫米线的限位片放在了基座上，当旋转部件转到 它的槽和销轴入口对齐时销轴由于重力落入槽内，从而挡住了剩下的一个孔 光纤发出的光信号就不能被光纤的信号接收端接收到信号这时电路就会发出一 个信号使电路处于工作状态，使工人能够正常的操作，自动打销机正常工作。图 318 是当销轴长度为8 毫米时限位片的形状当销轴进入后，挡住了旋转部件上 的另外两个孔，这时光信号就被挡住了，从而能判断8 毫米的销轴是否是在旋转 槽内。线位片的设计还有一个重要的作用，从图32 0 可阻看出线位片挡住另外 两个孔的半孤端截住槽的长度比8 毫米要长一些，这样设计的主要原因是因为， 使销轴能够完全落入槽内，这样当旋转部件把槽转到水平位置的过程中，销轴不 会和基座发生干涉，也是为了保证打销机能够正常的工作。 图31 9 - 图3 2 2 分别是销轴长度为1 2 毫米，1 6 毫米的线位片，他们的设计 原理与图3 1 7 和图3 】8 一样这里就不再重复。 3 4 工作台调整机构中的螺旋传动的设计与校核 由于所加工的包装盒的尺寸不同及打销的位置不同，要求打销机的工作台能 够实现前后、上下及转动三个方向的调整，如图3 2 3 所示。 图32 3 实际样机中的工作台 在工作台的调整机构的设计中，工作台的上下方向运动的调整机构采用了螺 旋传动，如前2i5 图所示。螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传 递要求的。它主要用于将会转运动转变为直线运动；或将直线运动转变为回转运 动。在全自动打销机工作台的上下方向的调整机构中，是利用前者的运动转化原 理来实现的。 第三章关键零部件及机构的设计 工作台调整机构中所用到的螺旋传动为滑动螺旋传动。滑动螺旋的特点是结 构简单，加工方便，易自锁及运动平稳，但磨损快，传动效率低，约为3 0 4 0 ， 但由于应用的是打销机的调整系统，故功率不大，所以效率低也算不上什么缺点。 在螺旋传动的设计计算中，根据受力形式，需进行耐磨性、自锁性及强度的 计算【引- 4 4 1 。 1 耐磨性计算 由于螺杆和螺母作相对运动时，螺纹工作面磨损，使间隙增大，从而影响传 动精度和平稳性，故磨损是螺旋传动的主要失效形式。螺纹的耐磨性计算主要是 要求螺旋在轴向载荷作用下，螺纹工作面的压强不超过许用值。由此推出在满足 耐磨性要求的条件下，螺杆中径d ，的计算公式如3 1 式： d ：刮勒c m m ， d 式中：d 2 一螺杆直径( m m ) f 一螺旋轴向载荷( n ) ，工作台的螺旋传动所受的轴向力为6 0 0 0 n ，如 表3 1 k 卜一螺纹工作面的许用压强( m p a ) ，由于螺杆与螺母的材料均为钢，根据 手册，查得许用压强瞄】= 7 5 - 1 3 m p a ，j 蝴 p = s m p a ，如表3 - 1 f 一螺距( m m ) h 一螺纹的工作高度( m m ) ，h = 0 7 5 t l c f ，一螺母长度与螺杆直径的比值，一般v = i 2 2 5 ，这里取v = 1 2 ，如表 3 1 所示： 表3 1螺旋传动参数表 i 轴向力f 许用压强b 】 厅 l f ， 6 0 0 0 n 8 m p a 0 7 5 ，1 2 贝“： d ：；三； 磊：。6 3c m m ， 根据计算值查手册，取螺杆公称直径d = 2 0 m m ，螺距t = 2 5 m m ，所用螺杆 线数z = 1 ，则螺纹导程s = z xt = l 2 5 = 2 5 m m 。 2 自锁性计算 在工作台的调整系统中，要求螺旋传动具备自锁性，需进行自锁性计算。 螺旋副的自锁条件为： 名= a r c t a n 吼 ( 3 2 ) 第三章关键零部件及机构的设计 式中：五一螺旋升角 s 一螺纹的导程，这里s = 2 5 m m d ，一螺杆中径，根据螺杆公称直径d 查手册，d ，= 1 8 4 m m 吼一螺纹的当量摩擦角 t a n 仇= 工= 上( 3 3 ) 口 c o s 一 2 式中：厂一摩擦系数，如前所述，由于螺杆和螺母的材料均为钢，查手册， f = o 1 l 0 1 7 这里取f =