（机械设计及理论专业论文）数字式纸张挺度（折痕）测试仪的研究.pdf

数字式纸张挺度( 折痕) 测试仪的研究 摘要 纸包装的自动化程度高，纸张的折痕和挺度性能成为纸张成型 的重要指标。我国还没有出台关于折痕的标准，只是各个企业有他 们的企业标准，只有当纸张的折痕在一定的范围内时，纸张在成型 过程中才不会卡位，才能保证整个自动化包装生产线的顺利运行， 提高整个生产线的生产效率。纸张挺度在纸张的制盒过程中以及最 后产品中起着重要作用。一张挺度好的纸张，可促使纸张盒成型机 的运转良好及纸坯折叠时容器面平整。挺度不好，输纸、收纸都困 难，印刷易折皱，制盒不坚挺，盒型效果受影响，特别是会在高速 烟包机的生产中增加报废机率。在使用过程中，挺度好的纸张，能 提高纸箱面抗凸出的能力，以保证纸箱中的内容物的保护程度高。 因此，挺度对用于包装的纸张是十分重要的。 目前，我国挺度的测试采用泰伯式挺度测试仪，该仪器操作较 为复杂，智能化程度低，所以研究一种数字式的测试仪就势在必行。 本课题采用硬件和软件相结合的方式，将传感器、放大电路、 a d 转换器、单片机、l c d 显示、电源供应和纸张夹具结合在一起 组成硬件部分，同时用汇编语言设计相应的软件部分，来完成一种 操作简单、读数方便的数字式纸张挺度( 折痕) 测试仪的研制。 研制中，首先合理的选用测量系统的各种硬件，设计外围电路， 使传感器、放大电路、a d 转换器、单片机、l c d 显示正确的连接， 组成结构紧凑的测量电路硬件系统。由于传感器输出的信号微弱并 且夹杂其它干扰信号，在送入a d 装换器之前就需要进行放大和滤 波，所以设计了差动放大电路。为了解决各种不安全因素对测试系 统的影响，单片机系统外接外部数据存储器。根据要求实现的功能， 采用汇编语言来完成主程序模块、子程序模块软件部分的设计。设 计采用圆柱压缩弹簧的夹具，夹紧纸张，根据测量需要能够旋转一 定的角度，接触到测量探头。最后，将硬件和软件有机结合，优化 和精简系统的机构、安装、调试，完成测试仪的研制。 研制成功后的纸张挺度( 折痕) 测试仪符合企业折痕和g b 2 6 7 9 3 纸板挺度测定法的有关规定，操作简单，并且一台仪器完成了 纸张折痕和挺度的两项性能测试，填补了国内空白。输出的测量结 果可以为包装企业提供技术支持，使得纸张在成型过程中不再卡位， 提高整个自动化包装生产线的效率。 关键词：折痕，挺度，测量仪，控制，夹具 t h er e s e a r cho fd i g i t a l c r e a s ea n db o a r d s t i f f n e s st e s t e r a b s t r a c t t h ea u t o m a t i c i t yo fp a p e rp a c k a g i n gi sh i g h ，a n dp a p e r sc r e a s e a n d b o a r ds t i f f n e s sb e c o m e sm o s tt a r g e t st o p a p e rf o r m a t t i n g o u r c o u n t r yd o e sn o th a v er e l e a s i n ga b o u tt h ec r e a s es t a n d a r d ，a n do n l y e a c he n t e r p r i s eh a st h e i re n t e r p r i s es t a n d a r d ，a n dw h e np a p e r sc r e a s ei n c e r t a i ns c o p e ，t h ep a p e ri nt h ef o r m a t i o np r o c e s so n l yt h e nc a n n o tja m t og u a r a n t e et h ee n t i r ea u t o m a t e dp a c k i n gp r o d u c t i o nl i n e sm o v i n g s m o o t h l ya n dt or a i s et h ee n t i r ep r o d u c t i o nl i n e sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h ep a p e r sb o a r ds t i f f n e s sp l a y st h ei m p o r t a n tr o l ei nc a r t o np r o c e s so f m a n u f a c t u r ea sw e l la si nt h ee n dp r o d u c t ap a p e ro fw e l lb o a r d s t i f f n e s sm a yu r g et h ec a r t o ns h a p e r sr e v o l u t i o nt ob eg o o da n dw h e n p a p e rs e m i f i n i s h e dp r o d u c tf o l dt h ev e s s e ls u r f a c ei ss m o o t h ap a p e ro f b a d l yb o a r ds t i f f n e s sm a y l o s et h ep a p e r ，t or e c e i v et h ep a p e rd i f f i c u l t l y ， p r i n tb u l g i n g l y ，m a k et h eb o xn o tt ob es t r o n g ，t h eb o xe f f e c tr e c e i v e s a f f e c t s ， a n ds p e c i a l l yw i l li n c r e a s et h ea b a n d o n m e n tp r o b a b i l i t yi nt h e h i g hs p e e ds m o k ec h a r t e r e da i r p l a n e sp r o d u c t i o n i nt h eu s i n gp r o c e s s ， t h ep a p e ro fw e l lb o a r ds t i f f n e s sc a ns h a r p e na b i l i t yw h i c ht h ep a p e r b o xs u r f a c ea n t i - p r o t r u d e s ，g u a r a n t e e dt h a ti np a p e rb o x sc o n t e n t s p r o t e c t i o nd e g r e e i s h i g h t h e r e f o r e ，t h e b o a r ds t i f f n e s si s v e r y i m p o r t a n t t op a c k a g i n gp a p e r s a tp r e s e n tt h et e s t i n go fp a p e rs t i f f n e s su s e st a b e rt e a s e r t h e t a b e rt e s t e ri sc o m p l e xt ou s e ，a n dl o wd e g r e eo fi n t e l l i g e n c e ，s oi ti s i m p o r t a n tt or e a c had i g i t a lt e s t e r d u r i n g t h er e s e a r c h ，f i r s t l y ，c h o o s ear e a s o n a b l eh a r d w a r eo f m e a s u r es y s t e m ，d e s i g nt h ep e r i p h e r yc i r c u i t ，m a k et h es e n s o r ，t h e m a g n i f yc i r c u i t ，t h ea dc o n v e r t e r ，t h es c ma n dt h el c dc o n n e c t c o r r e c t ，t h e s ec o n s t i t u t et h eh a r d w a r es y s t e mo ft e s t i n gc i r c u i t b e c a u s e t h e o u t p u to fs e n s o rs i g n a li sv e r y f e e b l e n e s sa n dm i xw i t ho t h e r i n t e r f e r es i g n a l t h ed e s i g nad i f f e r e n t i a la m p l i f i e r i no r d e rt os o l v et h e a l lk i n d so fu n s a f ef a c t o ri m p a c tt h et e s t i n gs y s t e m ，t h eo u t e ro ft h e sc ms y s t e mc o n n e c tae x t e r i o rd a t a m e m o r y a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t ，a d o p tt h ea s s e m b l yl a n g u a g et oa c h i e v et h ed e s i g no fm a i n p r o c e s sm o d u l ea n dt h es u b p r o g r a mm o d u l e d u r i n gt h ed e s i g n i n g ，w e u s et h ec o l u m nc o m p r e s ss p r i n ga sc l a m pt oc l a m pt h ep a p e r ，a n di tc a n r o t a t es o m ea n g l ea c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t ，a n dc o n t a c tt h ed e t e c t o r ， a tl a s t c o m b i n et h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e ，o p t i m i z a t i o na n d s i m p l i f y t h e s y s t e mc o n s t r u c t o r ，i n s t a l l ，a d j u s t a n d c o m p l e t e t h e r e s e a r c ho ft h et e s t i n gi n s t r u m e n t t h e d i g i t a l c r e a s ea n db o a r ds t i f f n e s st e s t e rc o n f o r m st h e g b 2 6 7 9 3 “p a p e rs t i f f n e s st e s t i n gm e t h o d ”r e q u i r e m e n t ，t h i si n s t r u m e n t h a n d l e se a s i l y ，t h ep a p e rs t i f f n e s sa n ds c o r ec a nb et e s t e db yo n e m a c h i n e ，r e p l e n i s ht h ec o u n t r yb l a n k n e s s t h eo u t p u to ft h et e s t i n g r e s u l tc a no f f e rt e c h n i q u es u p p o r tt ot h ep a c k a g ei n d u s t r i a l ，a n dt h e p a p e rm o l d i n gp r o c e s s i s e a s y ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ew h o l e p a c k a g ea u t o m a t i o nl i n e k e yw o r d s ：c r e a s e ，s t i f f n e s s ，t e s t e r ，c o n t r o l ，c l a m p i v 陕两科技人学硕i j 学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 窆i 查恕 日 期： 2 q q 置生月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规 论文作者签名：利益垫导师签名： 数，式纸张挺度( 折痕) 测试仪的研究 1 绪论 1 1 引言 改革开放以来，随着我国g d p 持续增长，外商投资及进出口贸易高速发展， 带动了包装工业的高速发展。二十多年来，中国包装工业经历了从无到有、从 小到大的发展历程，一直以高于18 的年增长率迅速发展壮大。已从上世纪8 0 年代初产值不足1 0 0 亿元发展到2 0 0 5 年的41 0 0 亿元，仅次于美国和同本，成为 世界第三包装大国。到2 0 0 5 年，纸包装制品达到1 9 0 0 万吨，金属包装制品达到 2 8 8 万吨，玻璃包装制品达到1 0 5 0 万吨，塑料包装制品达到5 0 4 万吨。包装机械 达到6 7 万台( 套) 。 目前包装工业从业人员3 0 0 多万人，包装工业总产值在社会总产值中的比 率已由8 0 年代初的0 4 上升到现在的2 5 以上。中国生产的瓦楞纸包装制品、 复合软包装、金属桶、集装箱、塑料编织袋等主要产量已居世界前列。中国包 装工业已经形成了一个以纸、塑料、金属、玻璃、印刷、机械为主要构成，拥 有一定现代化技术装备、门类比较齐全的工业体系。 包装业界有个说法：“纸和纸板的消费水平是衡量国家现代化和文明程度 的重要标志。 随着我国国民经济的快速发展，纸制产品的增长迅速。入世以 来，瓦楞纸箱、纸盒、纸袋和印刷工业更是迅猛发展，加上外贸进出口贸易 迅速扩大，直接拉动了纸产品需求的增长。专家预计：到2 0 1 0 年，纸及纸板 需求量将增加到7 0 0 0 万吨；纸制品需求量将增加到3 0 0 0 万吨。此外，纸类包装 材料与纸容器增长势头十分迅猛，到2 0 1 0 年纸类包装材料与纸容器的产量将分 别增加到2 7 0 0 万吨和3 6 0 0 万吨，所占比例分别提高到5 3 和5 5 l - 】。 随着包装工业的发展，包装材料中纸制品的产量增长最快，所占比例也最 大。纸包装容器具有成本低、节省资源、机械加工性能好、能适应机械化大生 产、易于印刷、使用时无害无毒、便于回收等优点。因此，商品领域里的瓦楞 纸箱、纸盒、纸袋，深受消费者欢迎。因其是绿色、符合环保的包装，更居包 装材料使用之首1 2 】。在当今世界节约能源与防止环境污染的形势下，无污染、 无公害的“绿色包装 【3 l ，正在全球悄然兴起，既能满足透气、防潮、抗震、 抗压等多种要求，又便于回收利用且不造成环境污染的纸包装材料与塑料、玻 璃、金属三大包装相比，无疑将有更广阔的发展前景。 纸包装材料具有如下一些技术优势： ( 1 ) 伸缩性小，不受热作用的影响，具有比塑料制品更好的稳定性，可以 陕两科技人学硕1 ：学位论文 使包装机保持良好的机械化运行； ( 2 ) 具有很好的不透明性和阻隔性，满足了某些产品的包装需要； ( 3 ) 具有轻微的静电性，适宜包装面粉类产品和高速在线包装。 用l c a ( l i f ec y c l ea s s e s s ，即“生态循环评估法”) 进行量化评估，纸包 装将成为最有前途的绿色包装材料之一。其环保优势主要体现在以下几方面： ( 1 ) 可降解和回收再利用； ( 2 ) 废弃物不会污染环境而且可以变成肥料； ( 3 ) 可以焚烧，作能源； ( 4 ) 纸基复合结构包装材料，将回收的包装废弃物根据复合结构分开，使 各种材料的每一层及各种产品最轻量化； ( 5 ) 使用薄型的和阻隔性好的纸基复合材料包装，能够延长货架寿命； ( 6 ) 纸包装可以使用便宜的油墨和粘结剂，例如可以用水溶性胶水和不带 溶剂或低溶剂的油墨涂在纸上，适合环保的要求。 1 2 课题提出及其意义 我国是世界上的香烟消费大国，香烟包装数量巨大，年产量达3 4 4 5 万大箱。 这些香烟绝大部分都采用纸盒包装，纸张类型主要有白卡纸、白板纸、铜版纸 和铝箔纸。如果全国按3 4 0 0 万大箱，软、硬盒包装各按5 0 计算，上述四个品 种纸张的年销量为：白卡纸4 9 万吨、白板纸3 0 万吨、铜版纸6 8 万吨、铝箔纸1 0 5 万吨。近几年硬盒包装发展势头强劲，因此，白卡纸的用量不断增长。白卡 纸最重要的使用性能是成盒性能。而强度指标中的折痕和挺度是直接影响白纸 板成盒性能的重要指标。 白板纸有单面和双面白板纸之分，又有特级型和普通型两种。无论是哪种 白板纸均由面层、衬层( 第二层) 、芯层( 第三层) 和底层组成。 衬层起到隔离层的作用，保证面层的白度和表面平整；芯层主要起填充作 用，增加白纸板的厚度，从而提高自板纸的挺度；而底层具有改善自板纸外观、 提高强度、防止卷曲的功能1 5 】。 纸盒包装是指印刷纸盒，然后经模切、压痕、折叠、粘接( 或锁扣、塞舍) 等加工过程而成正方体、长方体之类的盒型。模切是用模切刀根据产品设计要 求的图样组合成模切板，在压力作用下，将印刷品或其它板状坯料扎切成所需 形状和切痕的成型工艺。压痕利用压线刀或压线模，通过压力在板料上压出线 痕，或利用滚线轮在板料上滚出线痕，以便板料能按预定位置进行弯折成型。 折痕是纸张的一个性能指标，我国还没有标准，只是各个企业有他们的企 业标准，只有当纸张的折痕在一定的范围内时，纸张在成型过程中才不会卡位， 2 数孑式纸张挺度( 折痕) 测试仪的研究 才能保证整个自动化包装生产线的顺利运行，提高整个生产线的生产效率。所 谓的纸板挺度是指在一定条件下弯曲宽度为3 8 m m 的试样至1 5 0 角时的弯矩， 以m n m ( g c m ) 表示1 6 j 。纸张挺度在纸张的制盒过程中以及最后产品中起着重 要作用。一张挺度好的纸张，可促使纸张盒成型机的运转良好及纸坯折叠时容 器面平整。挺度不好，输纸、收纸都困难，印刷易折皱，制盒不坚挺，盒型效 果受影响，特别是会在高速烟包机的生产中增加报废机率。在使用过程中，挺 度好的纸张，能提高纸箱面抗凸出的能力，以保证纸箱中的内容物的保护程度 高。因此，挺度对用于包装的纸张是十分重要的。 当试样弯曲到1 5 。角时，挺度s 等于所受弯矩，即： s = g k ( 1 1 ) 式中：s 一一试样的挺度； e 一一试样左右弯曲至1 5 0 角时的读数平均值； k 一一所用测定范围的换算系数。 国内外目前用于测试挺度的仪器型式很多，有克拉克( c l a r k ) 式、葛尔莱 ( g u r l e y ) 式、泰伯( t a b e r ) 式等测定仪。前两种仪器多用于纸的挺度的测定， 泰伯式挺度仪用于纸板挺度的测定，该挺度仪测定挺度的方法已纳入i s o 标 准，我国也采用该仪器测定纸板的挺度【，】。 该仪器包括两部分，传动部分：由微型电机、齿轮系统组成；测试部分： 由负荷盘、角度盘、负荷摆、推纸辊、试样夹等组成。传动部分通过电机齿轮 系统带动角度盘转动。测试部分的负荷盘为固定盘，其左右刻有0 1 0 0 分度， 指示弯曲力矩；角度盘为动盘，由电机通过齿轮转动，其上标有7 5 。和1 5 0 刻 度线。在角度盘的下部装有推纸架，架上装有一对推纸辊，测定时，通过推纸 辊使试样受力而弯曲。负荷摆支承在主轴上，可以绕轴摆动。在摆的上部有一 个平衡锤，下部有一个安放重砣的小轴。在摆的旋转中心处安装个试样夹， 其下缘中心与旋转中心重合。 该仪器的工作原理是：仪器是根据力矩对转轴中心平衡的原理设置的，仪 器未启动前，摆和试样处于垂直位置，其中心线与试样和角度盘的中心线三者 重合。仪器运转时，摆和角度盘顺时针转动，同时角度盘带动推纸架转动，从 而使推纸辊对试样产生一个弯曲力矩。当转到摆的中心线和角度盘的中心线的 相对转角为1 5 。，即试样被弯曲l5 0 时停止运转。由挺度定义，当试样弯曲15 0 角时，其挺度等于所受的弯矩。 由以上可以得知，我国现在采用的挺度仪，采用表盘读数的方式来获取数 值，自动化程度较低，测量的效率不高。面对上述情况，设计一款操作更为简 陕两科技人学硕l ：学位论文 单，更智能化的挺度仪势在必行。 1 3 课题的研究内容和主要任务 课题主要研究内容有以下几点： ( 1 ) 选用合理的电子元器件来设计合理的电路。 ( 2 ) 设计合理的机械结构，满足纸张的夹取。 ( 3 ) 根据设计的硬件电路，进行单片机的软件设计， 处理、存储和平均值的计算等功能，实现数字化。 课题中的技术关键问题及解决方法： ( 1 ) 外围电路的设计，考虑到尽可能多的影响因素， 输出更精确的结果。 来实现数据的采集、 将它们降到最小， ( 2 ) 清楚折痕测试与挺度测试的不同点，根据它们的不同点设计不同的 央具，来降低外界因素对测量结果精度的影响。 本课题的创新之处在于： ( 1 ) 台仪器能完成纸张的挺度、折痕，两项纸张性能的测试。 ( 2 ) 采用单片技术，实现了测量仪的智能化。 该测量仪研制成功后，其测量精度可达到0 1 9 。 4 数# 式纸张挺度( 折痕) 测试仪的研究 2 数字式纸张挺度( 折痕) 测试仪总体设计 2 1 方案选择 随着工业生产和科学技术的发展，纸张的折痕和挺度已非一般表盘式仪器 所能解决的，而高新技术和新的元器件的出现，为折痕和挺度值的测量技术发 展提供了新的方法和手段。 国标“纸和纸板挺度的测定”( g b t 2 6 7 9 3 1 9 9 6 ) 要求测试仪能测定试 样在标准条件下，弯曲一端夹紧规定尺寸的试样至1 5 0 角时的弯曲力或力矩适 合下列要求，并且精度也符合以下要求： 弯曲角度为l5 0 0 3 0 ( 7 5 0 o 3 0 ) ； 标称的弯曲长度为5 0 m m ； 夹具应适用于宽度3 8 m m 0 2 m m 的要求； 弯曲速度在弯曲1 5 。的情况下，不少于3 s ，但不超过2 0 s ； 读数精确至2 。 根据国标的测量和精度要求，最后确定采用传感器、a d 转换器、单片机 和液晶显示来组成电路部分的硬件，编程实现功能要求，纸张的装夹装置及外 壳来组成硬件结构部分。 2 。2 总体设计 根据选定的方案，电路部分的设计是：纸张试样经由装夹在探头上的力传 感器，将压力转换为电压的模拟讯号，经放大及滤波处理后由a d 处理器转换 为数字讯号，数字讯号由中央处理器( c p u ) 运算处理，而周边所需要的功能及 各种接口电路也和c p u 连接应用，最后由液晶显示屏幕显示，其工作原理如图 2 一l 所示，结合所要实现的功能用汇编语言来完成软件部分的设计。结构部分 的硬件由外壳、折痕夹具、挺度夹具和底板来组成。 f i 9 2 1p r i n c i p l ec h a r to ft e s t e r 挺度仪检测系统主要由：传感器、放大电路、滤波电路、数据采集( 模 陕两科技人学顾 ：学位论文 数转换) 电路、中央处理单元等部分组成。传感放大检测电路的功能是把触头 所受的压力信号通过传感器转换为微变电压信号，并将其放大到适合模数转 换芯片所接收的电压信号并进行a d 转换 8 1 。中央处理单元负责整个系统的运 转控制，并进行数据处理、自动校正、量程自动转换、自适应传感器更换，最 终将待显示数据传送给显示屏。电源系统为系统的稳定运行提供良好的供电系 统，并提供高精度供桥电源。 6 数，式纸张挺度( 折痕) 测试仪的研究 3 数据采集系统 3 1 传感器 传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号 的器件或装置。所以传感器又称为敏感元件、检测器件、转换器件等。如在电 子技术中的热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件，在机械测量中的转矩、 转速测量装置，在超声波技术中的压电式换能器等都可以统称为传感器。 传感器的基本功能是检测信号和进行信号转换。传感器总是处于测试系统 的最前端，用来获取检测信息，其性能的好坏将直接影响整个测试系统，对测 量精确度起着决定性作用。 3 1 1 传感器选用原则 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对 象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问 题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。 测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 传感器的品种很多，对于同一种被测物理量，可选不同的传感器。例如被 测物理量是位移，可以选电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、 数字式传感器等。当然，选用传感器时应考虑的因素很多，但选用时不一定能 满足所有要求，应根据被测参数的变化范围、传感器的性能指标、环境等要求 选用，侧重点有所不同。通常，选用传感器应从以下几个方面考虑。 ( 1 ) 测试条件：主要包括测量目的、被测试物理量特性、测量范围、输入 信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。 1 。 式中： k 一一曲度指数； d 一一弹簧丝直径； 吲一一许用剪应力，取决于弹簧材料和负荷类型，可查表6 2 ； c 一一旋绕比，一般取c = 5 8 。 b 弹簧刚度条件 刚度k ，反映弹簧的基本性能，可根据示性图算出： 数# 式纸张挺度( 折痕) 测试仪的研究 耻罢= 鲁= 辫= 华 又k p = g d 4 8 d 2 3 ，l = g d 4 8 ( o d ) 3 ，l 贝0 ： g d 4h 肛( d - d ) 3 8 ( od 虿i 只一只 式中： j d 一一弹簧外径； d 2 一一弹簧中径5 n 一一弹簧有效工作圈数。 c 制造条件 弹簧制造中的主要参数为旋绕比c 。 c ：d 2 d ：( d d ) d ：罢一1 d = ( c + l p d 行程条件 ( 6 2 ) 当d 不变时，d ：小则c 小，卷绕困难。 ( 6 3 ) 弹簧的行程h 与螺距f 有关。在只作用下，弹簧各圈之间应留有一定间隙 8 ( 8 = o 1 d ) 。 。f = 厶，l + d + 6 ，而五2 瓦兰百 “：鱼，l + d + 万 ( 6 - 4 ) 凡p 2 一只 由上述可见，d 、d 、，l 、t 与式( 6 - 1 ) 、式( 6 2 ) 、式( 6 3 ) 、式( 6 - 4 ) 存在一定 关系。弹簧的设计，首先必须满足强度与行程条件。强度条件若不满足，可改 选材料。如尺寸不够理想，可改选c 和【f 】来加以调整。 6 1 3螺旋压缩弹簧的设计 按式( 6 - 1 ) ( 6 4 ) 设计弹簧时，有以下三种方法： ( 1 ) 试算法 试算法是弹簧的传统设计方法，其计算步骤为： a 选材料，查力学性能数据。 b 选c ，计算k 。 c 根据c 估取d ，由表查取【f 】。 d 根据强度条件f 【f 】， 计算f 。若- 【r 】，重选d ， 直到f 【f 】为止。 e 由d 、c 再计算其他尺寸。 4 5 陕两科技人学顾 ：学位论文 f 验算。 ( 2 ) 等效公式查表法 等效公式查表法是根据强度条件f 【f 】进行数学变换。由公式 f = 8 k c p 2 x d2 【f 】，而【f 】= x c r 口，则可变换成： 孚鼠等 若有安装空间限制，已知d 2 ，则k = 1 6 c n l 4 = 1 6 ( d ：d ) 0 1 4 得： 半竽钒百7 r d 2 , 8 6 式中： 仃。一一簧丝拉伸强度极限； x 一一随弹簧类别不同的系数，i 类x = 0 3 ，i i 类x = o 4 ，i i i 类x = 0 5 。 ( 6 - 5 ) 、式( 6 _ 6 ) 左边称为等效载荷只。，右边称为准极限载荷p p ) ，将e ( a ) 制成表。设计时选定c ，计算k ，从而把等效载荷只。算出并据此查表即可得d 。 ( 3 ) 查表法 按弹簧钢丝i i ( d 8 ) 和6 0 s i 2 m n ( d 8 ) ，据式( 6 - 1 ) - - - ( 6 4 ) 计算并制成表。 设计时，只要知道p 2 ，据此查表即得d 、d 和f d 表中有一项单圈弹簧刚度k p7 ，由 此可算出n = k 尹 k p 。 6 1 4计算 已知纸张的加紧力p 2 = 1 0 n ，压缩弹簧的行程h = 3 m m ，载荷属i i 类。解： ( 1 ) 绘制弹簧示性图如6 2 所示 图6 - 2 弹簧示性图 f i 9 6 - 2s p r i n gs k e t c hm a p 只= ( 0 1 0 5 ) 只 取只= 0 3 5 只= 3 5 ( n ) 只= 1 2 0 只= l2 ( n ) 数j 式纸张挺度( 折痕) 测试仪的研究 k p ：掣：2 1 6 ( n m m ) 据五= p 肛p 计算，得： f l ；1 6 2 m m ，f 2 = 4 6 3 r a m ，f 3 = 5 5 6 m m 。 ( 2 ) 计算弹簧主要尺寸 钢的g = 8 1 0 4 n m m ，取c = 8 ，计算可k = 1 1 8 。 试算法 f = 8 k p 2 c 2 【f 】 纠= x t r 口= 0 4 x1 8 0 0 = 7 2 0 ( n m m 2 ) 查表6 一l 初选d = 1 2 ，查表6 2 得仃丑= l8 0 0 ( n m m 2 ) r = 8 1 1 8 x1 0 x8 万1 2 l 1 6 7 0 2 ( n m m 2 ) f 【f 】，合格 以= g d 8 k p c 3 - - 8 1 0 4x1 2 8x 2 1 6x8 3 。1 0 8 5 ( 圈) 查表6 3 ，取n = 1 0 圈 ，：皇 l + d + 万：三旦+ l 。2 + 0 ，1 1 。2 ：3 。1 6 ( m m ) n 最一只 1 01 0 3 5 d = d 2 + d = c d + d = 5 1 2 + 1 2 - - 7 2 ( m m ) 查表6 _ 4 ，取d = 8 m m 表6 1 弹簧材料直径d 系列尺寸1 3 3 1 f o r m 6 1d i a m e t e ro fs p r i n gm a t e r i a l 第0 10 1 20 1 40 1 60 20 2 5 0 3 0 3 5o 40 4 5 _ _ - 0 5 0 6o 7 o 8 0 9 1 01 。21 62 。0 2 5 系 3 03 54 04 55 o6 o8 0l o1 21 6 列 2 0 2 53 0 3 5 4 04 55 06 0 7 0 8 0 注：摘自g b t13 5 8 。 表6 26 5m 。弹簧钢丝j f o r m 6 - 26 5m hs p r i n gs t e e ll i n e 钢丝直径d m m l 1 21 4 1 61 8 22 2 2 52 8 3 4 o b l8 0 01 7 5 01 7 0 01 6 5 0l6 0 0 注：摘自g b t 4 3 5 7 一1 9 8 9 。 ( 3 ) 结论 由上式得，夹具中所用弹簧的中径d 为8m m ，材料直径d 为1 2m m ，有效 圈数n 为1 0 圈，节距t 为3 1 6m m 3 5 1 。 4 7 陕两科技人学硕l ：学位论文 表6 3 弹簧的有效圈数n 系列尺寸 f o r m 6 3s e r i a ld i m e n s i o no fs p r i n ge f f i c i e n tc i r c l e，l 22 2 52 52 7 533 2 53 53 7 5 44 2 54 54 7 555 566 5 77 588 599 51 01 0 5 11 51 2 513 51 4 51 51 61 8 2 0 2 2 2 5 2 83 0 注：摘自g b t 13 5 8 。 表6 _ 4弹簧中径d 系列尺寸 f o r m 6 - - 4s e r i a ld i m e n s i o no fs p r i n gm i d d l ed i a m e t e rd 0 4o 50 60 70 80 9l1 21 41 61 822 22 5 2 833 23 53 - 844 24 54 855 566 57 7 588 591 01 21 41 6l82 02 22 52 63 0 3 23 53 84 24 54 85 05 25 55 86 06 57 07 5 注：摘自g b t l3 5 8 。 6 2 夹具设计 6 2 1 右夹具( 折痕测试) 设计 各组成部分如三视图所示【3 6 】：图6 3 ( 左视) 、图6 1 4 ( 主视) 、图6 - 5 ( 俯 视) 。 夹纸部分：当手钮1 9 受到逆时针的外力时，带动驱动杆2 1 向外移动，驱 动杆2 1 带动推板4 向外移动，压缩装在弹簧座3 上的圆柱螺旋压缩弹簧2 0 ， 推板4 带动拉杆7 向外移动，同时与拉杆7 相连的压板2 受拉力向外移动1 3 7 】， 夹具张开。同理，当缓慢的松开手钮1 9 时，驱动杆2 1 、推板4 、拉杆7 向内 移动，压缩弹簧2 0 还原，给压板2 一推力，将