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福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 环保节能型上光机涂布压合系统研究与设计 摘要：本文以环保节能上光机为研究对象，对其涂布压合系统进行了研究与设计涂 布压合系统是环保节能型上光机中重要的系统之一。涂布压合的均匀性、稳定性、适应性 的设计是涂布压合系统的关键技术，对后续固化干燥工序、上光复合质量以及环保节能型 上光机的发展、研究都会产生较大影响。本文通过对涂布压合方式的研究和试验，选择确 定了最佳的上光涂布方式三辊顺转涂布方式和最佳压合力范围，确定了涂布计量子系 统和液压压合子系统。 对于涂布计量子系统，分析了涂布计量的功能和工作原理，设计了以蜗轮蜗杆内嵌螺 套和丝杆的涂布计量调节机构和三辊顺转涂布刮刀机构，提高了涂布计量调节的精度。并 在此基础上设计了以单片机为基础的自动反馈显示装置，可实时地显示反馈涂布计量间 隙，改进了以往采用经验为基础进行涂布计量调节的方式，使得调节涂布辊与计量辊之间 的问隙更直观、准确，为上光涂布计量调节操作提供了便利。 对于液压压合子系统，通过分析压合力的表示方式、影响压合力的因素以及偏心凸轮 压合调节机构所存在的问题，选择了以手动液压泵控制调节压合力的方式，设计了双极手 动液压泵压合调节机构，使得压合力调节直观、准确，为上光压合调节操作提供了便利。 关键词：环保节能型上光机；涂布压合系统；三辊顺转涂布；涂布计量；压合 中图分类号：t s 8 0 3文献标志码：a 环保节能型上光机涂布压合系统研究与设计 s t u d ya n dd e s i g n o nt h ec o a t i n ga n dp r e s s u r es y s t e mo f e n v i r o n m e n t - p r o t e c t i v ea n d e n e r g y - - c o n s e r v a t i v eg l a z i n gm a c h i n e a b s t r a c t ：t h i sa r t i c l et o o ku v s g 9 5 0e n v i r o n m e n t - p r o t e c t i v ea n de n e r g y - c o n s e r v a t i v eg l a z i n g m a c h i n ea sar e s e a r c ho b j e c t t h ec o a t i n ga n dp r e s s u r es y s t e mi sd e e m e dt ob eo n eo ft h e i m p o r t a n ts y s t e m si nt h ee n v i r o n m e n t - p r o t e c t i v ea n de n e r g y - c o n s e r v a t i v eg l a z i n gm a c h i n e t h e d e s i g no fu n i f o r m i t y , s t a b i l i t ya n da d a p t a b i l i t ya r ek e yt e c h n i q u e si nt h es y s t e mo fc o a t i n ga n d p r e s s u r e t h eu n i f o r m i t ya n dl e v e l i n gs i t u a t i o ni nt h ec o a t i n gc o u l da f f e c tt h ef o l l o w i n gw o r ko f s o l i d i f y i n g ，d r y i n g ，c o a t i n gq u a l i t y ，d e v e l o p i n ga n dt h es t u d y i n go f t h ee n v i r o n m e n t - p r o t e c t i v e a n de n e r g y - c o n s e r v a t i v eg l a z i n gm a c h i n e i nt h i sa r t i c l e ，t h r o u g hs t u d y i n ga n d t e s t i n g ，t h eb e s t c o a t i n gm e t h o d ，t h et h r e er o l l e r sc l o c k w i s er o t a t i o nc o a t i n g ，w a sc h o s e na n dt h eb e s ta r e ao f p r e s s u r ew a sc h o s e nt o o f i n a l l yt h et w os u b s y s t e m so fc o a t i n gm e a s u r e m e n ta n dh y d r a u l i c p r e s s u r ew e r ed e c i d e d a sf o rt h es u b s y s t e mo fc o a t i n gm e a s u r e m e n t ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef u n c t i o na n dw o r k i n g e l e m e n t so f c o a t i n gm e a s u r e m e n t , t h ew o r mc o u p l ew i t h i nn u ta n dl e a d i n gs c r e wa n dt h es e m p e r m e c h a n i s mo ft h r e er o l l e r sc l o c k w i s er o t a t i o nc o a t i n gw e r ed e s i g n e da n dt h ep r e c i s i o no fc o a t i n g m e a s u r e m e n tw a si m p r o v e d b a s e do nt h er e g u l a t i n gm e c h a n i s mo fc o a t i n gm e a s u r e m e n t ，t h e d e v i c eo fa u t o m a t i cd i s p l a ya n df e e d b a c kb a s e do nt h es i n g l e - c h i pw a sd e s i g n e d i tc o u l do f f e r t h es p a c eo fc o a t i n gm e a s u r e m e n tr e a l - t i m e ，i m p r o v e dt h er e g u l a t i n gm e t h o do fc o a t i n g m e a s u r e m e n tw h i c hd e p e n d e do nt h ee x p e r i e n c ei nt h ep a s t ，a n dm a d er e g u l a t i n gt h es p a c eo f c o a t i n gr o l la n dg a u g i n gr o l le a s i l ya n de x a c t l y i tp r o v i d e dc o n v e n i e n c ef o rm a n i p u l a t i n gt h e c o a t i n gm e a s u r e m e n t a sf o rt h ep r e s s u r ec o n t r o lm e c h a n i s m ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee x p r e s s i o nm e t h o do f p r e s s u r e a n dt h ef a c t o r so fa f f e c t i n gp r e s s u r e ，t h em a n u a lh y d r a u l i cp u m pw a sc h o s e nt oc o n t r o la n d r e g u l a t et h ep r e s s u r e c o m b i n i n g 谢t ht h ed e m a n do ft h es y s t e m ，t h ed o u b l e - p o l em a n u a l h y d r a u l i cp u m pw a sd e s i g n e da n di tc o n q u e r e dt h ep r o b l e m sw h i c he x i s t e di nt h ee c c e n t r i cc a m m e c h a n i s m i tm a d er e g u l a t i n gp r e s s u r ed i r e c t l y s h o w i n g ，w e l ll o o k i n g ，a n dp r o v i d e d c o n v e n i e n c ef o rm a n i p u l a t i n gt h ep r e s s u r e k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t p r o t e c t i v ea n de n e r g y - c o n s e r v a t i v eg l a z i n gm a c h i n e ；c o a t i n ga n d p r e s s u r es y s t e m ；t h r e er o l l e r sc l o c k w i s er o t a t i o nc o a t i n g ；c o a t i n gm e a s u r e m e n t ； p r e s s u r e c l cn u m b e r ：t s 8 0 3d o c u m e n tc o d e ：a 2 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本入在指导教师的指导下独立完成的研究 成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作了答谢的地方外， 论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本研究做出贡献的同志，都在 论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯他人知识产权的行为，由本人承担应 有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：阀论，日期： 论文使用授权的说明 吵 e | 牟 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学校有权送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全都或部分内容，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 口 不保密。本论文属于不保密。 n 学位( 毕业) 论文储亲笔签名f 飘涂呛日期 指剥币亲笔躲铒乞毛 1 4 0 ，粘度( 2 5 c ) 为3 0 s 。紫外光感上光油是由光敏树脂、活性稀 释剂、光引发剂为主要成份的无色透明乳液，在紫外线波长2 0 0 4 0 0 n m 照射下，可发生 自由基链式反应，固化成交联密度大的膜。其光泽度高，耐磨性强，固化交链过程无v o c 排放。其固含量5 0 ，粘度( 2 5 ) 为3 0 - - 4 0 s ，水性上光油和紫外光感上光油的上光 工艺是：在常温条件下，印品纸张经上光油均匀涂布后，在压力为0 2 - - 0 8 m p a ，压合时 间为0 2 5 s 条件下与印品纸张压合粘结，然后，水性上光油经红外线烘干( 6 5 c ) 条件 下，烘干时间为1 0 1 5 s 后取出；而紫外光感上光油经紫外线辐射，其辐射强度8 0 w e r a ， 温度为6 5 条件下，固化烘干时间为1 0 - - ，1 5 s 后取出。 根据水性上光油和紫外光感上光油上光工艺，环保节能型上光机结构可分成五大部 分：输纸系统、涂布压合系统、气动传送系统、烘干固化系统、收纸系统。具体结构框图 如图2 1 所示： 输纸系统 一涂布压合系统h 气动传送系统广1 烘干固化系统广 收纸系统 水性上光油烘干l i 紫外光感上光油固化 图2 - i上光机总体结构图 f i g u r e2 - 1 g e n e r a ls t r u c t u r ed i a g r a mo f g l a z i n gm a c h i n e 其工作原理：印品纸张由输纸装置输入到上光机的涂布压合系统，进行涂布、压合。 涂布后的印品经气动传送系统由输送台输送到烘干固化系统。水性上光油，在烘干固化系 统中进行红外线烘干；紫外光感上光油，在烘干固化系统中进行紫外线烘干固化。最后由 收纸系统接收已经上光压合并烘干固化的印品。 环保节能型上光机涂布压合系统研究与设计 3 涂布压合方式特性分析和系统组成 3 1 涂布压合方式简介 上光涂布的适应性、均匀性、稳定性以及涂布层厚度的计量控制是上光涂布压合设计 的技术关键，涂布压合方式是根据纸张的种类、表面状态及涂布剂的涂布量、粘度、浓度 等来选择。国内研究的结构有多种，包括浸式逆转涂布式结构、网纹辊刮刀式结构、三辊 直接涂布式结构、腔式刮刀结构、拖刀涂布结构、气刀涂布结构、刮辊涂布结构和刮刀涂 布结构等多种。由于紫外光感型及水基型上光油粘度高、涂布层薄、固化条件苛刻、油膜 表面成型质量难以控制等因素，符合上述两种上光油上光涂布压合要求的涂布压合方式有 三种：五辊匀油顺转涂布压合形式、五辊匀油逆转涂布压合形式、三辊匀油顺转涂布压合 形式【1 0 1 。 五辊匀油逆转涂布压合形式如图3 1 ( a ) 所示，上光油液通过上油辊筒从油盘液中回 转附上，传递给递油胶辊和涂布胶辊，然后涂布于纸张。涂布与压合是同步进行的，匀油 辊筒与涂布胶辊的转向为逆转，其作用对涂布胶辊的上光油层面起着刮平辗平作用。涂布 层的厚度是通过匀油辊筒与涂布胶辊之间的间隙来调节的。刮刀作用是刮净压合辊筒上的 油层保证涂布纸张背面不上油。五辊匀油顺转涂布压合形式如图3 1 ( b ) 所示，上光油液 由输送管从上至下缓慢注入涂布计量辊筒之间。递油辊筒附上油液，传给涂布胶辊涂布于 纸张。匀油辊筒与涂布胶辊的转向是顺转，其作用通过滚动摩擦使油层均匀，浓度一致， 表面张力一致。涂布层的厚度是通过涂布辊筒与匀油辊筒之间间隙来调节的。三辊顺转式 涂布如图3 1 ( c ) 所示，涂布计量辊筒与涂布胶辊以及压合辊筒的转向均为顺转，涂布层 的厚度是通过涂布计量辊筒与涂布辊筒间的间隙进行调节的。 6 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 i 上光油输送管；2 递油辊筒： 3 涂布胶辊；4 _ 一匀油辊筒： 5 一压合辊筒；6 刮刀； 7 一上光油盘 ( a ) 五辊匀泊逆转涂布压台形式 1 上光油输送管；2 一涂布计量输筒： 3 递油辊筒：4 豫布胶辊： 5 匀油辊简：6 压合辊筒； 删刀 b ) 五辊匀油顾转涂布压合形式 l 上光溃输送管；2 涂布计量辊砑； 3 一涂布辊简：4 一压合辊筒；5 一刮刀： ( c ) 三辊顺转涂布压合系统 图3 - 1 三种涂布压合形式 f i g u r e3 1 t h r e e f o r m so f c o a t i n ga n dp r e s s u r e 3 2 涂布压合方式试验与分析 3 2 1 厚度变动系数实验 将上述三种涂布压合方式按下述的实验材料、方法及条件，测定其胶层厚度变动系数 c d 。实验材料：无溶剂型u v 光感上光油、水性上光油、u v 光感哑光油、深色印刷品铜 版纸，其中幅面4 4 0 6 4 0m m ，纸张厚度1 2 0 9 m 2 。实验方法：将无溶剂型u v 光感上光油、 7 环保节能型上光机涂布压合系统研究与设计 无溶剂型u v 光感哑光油、水性上光油分别为i 、i i 、组，每组均分别在三种涂布方式 下进行涂布实验。实验条件：u v 型上光油均加热至5 0 c 5 5 。c ，在常温下以15m r a i n 速 度进行上光涂布。辊筒线压力为3 0 0 n m ，经u v 上光油涂布后的纸张均放入功率为1 6 k w 的紫外灯管下固化温度为6 0 c ，时间为1 0 秒；经水性上光油涂布后的纸张均放入红外线石 英管，温度为6 0 c ，烘干时间1 0 秒钟。测定方法：将涂布层厚度分为3 个级别( 以匀油辊 筒与涂布辊筒间隙为涂布层厚度，下同) ：o 1i i r a 、0 1 5m m 、0 0 5m m ，分别经上光涂布烘 干固化后进行测量，每个级别分别取3 0 张样品。将样品划分为6 0m m 6 0r l l n l 方格，各取 方格中心为胶层厚度测量点，按下面计算公式计算其厚度变动系数： c d = i 1 止喜( p - ) 2 x1 0 0 ( i _ 1 ，2 ，胡)( 3 - 1 ) 式中x 各测量点的厚度值5 x 厚度平均值。 测定结果如表3 - i 、表3 - 2 、表3 - 3 所示。 表3 - 1 i 组三种涂布方式的厚度变动系数c d t a b l e3 - 1i g r o u pt h ec o e f f i c i e n tc do f t h r e em 砒o d so f c o a t i n ga n dp r e s s u r ei nt h et h i c k n e s s 8 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 表3 - 2组三种涂布方式的厚度变动系数c d t a b l e3 2 i ig r o u pt h ec o e f f i c i e n tc do f t h r e em e t h o d so f c o a t i n ga n dp r e s s t l t i nt h ct h i c k n e s s 五辊匀油逆转涂布压五辊匀油顺转涂布压三辊顺转涂布 涂布厚度 m n l 合式合式 压合式 觞嬲舭 表3 3 组三种涂布方式的厚度变动系数c d t a b l e3 - 3 g r o u pt h ec o e f f i c i e n tc do f t h r e em e t h o d so f c o a t i n ga n dp r e s s u r ei n 恤t h i c k n e s s 3 2 2 结果分析 取三种涂布压合方式下的每级别的厚度变动系数平均值，分析其三种涂布压合方式对 9 环保节能型上光机涂布压合系统研究与设计 厚度变动系数的影响，如图3 2 所示。由图3 2 可知三辊顺转涂布压合式的厚度变动系数 较小，其次为五辊匀油顺转涂布压合方式，它与三辊顺转涂布压合形式较接近，厚度变动 系数最大者为五辊匀油逆转涂布压合方式，同时随着涂布厚度增加其值逐渐增大。 o 五辊匀油逆转涂布压合式 三辊顺转涂布压合式 五辊匀油顺转涂布压合式 图3 2 三种涂布压合方式对厚度变动系数影响 f i g u r e 3 - 2t h et h r e em e t h o d so f c o a t i n ga m dp r e s s u r et ot h ei m p a c to f t h i c k n s s c o e f f i c i e n to f v a r i a t i 彻 3 3 涂布压合系统组成 由上述涂布压合方式实验结果分析可知，三辊顺转涂布压合式的厚度变动系数相对其 它两种压合方式，其厚度变动系数最小，涂布更稳定，均匀。因此本课题选择三辊顺转涂 布压合方式。 涂布压合系统主要包含两个子系统，即涂布计量子系统和压合子系统。 涂布计量系统功能主要完成对印品的上光油的控制，保证印品表面流层厚度均匀，表 面张力一致。根据工艺的要求，涂布计量系统应该针对不同的纸张印品，不同的纸张厚度 以及不同的上光速度实施不同的涂布量，涂布的厚度范围在0 一- - 2i n l n ，涂布层控制精度小 于0 0 3i 砌。压合子系统功能主要对印品施加压力。纸张印品经过涂布辊筒与压合辊筒时， 压合辊筒对纸张印品施加压力，使刚刚上光的纸张印品上的上光油能够均匀渗透到印品网 状纤维中，提高涂布层附着力，以及涂布层表面张力和表面流平性。根据上光工艺的要求， 涂布压合力范围为0 一- - 2 0 0 0 n m ，涂布压力偏差小于3 ，保证在最佳的压合力范围内获得 较佳上光复合效果。 1 0 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 上光涂布压合系统组成设计框图如图3 3 所示： 图3 - 3 涂布压合系统框图 f i g u r e 3 - 3d i a g r a mo f c 灯a t i n ga n dp r e s s u r es y s t e m 环保节能型上光机涂布压合系统研究与设计 4 涂布计量系统分析与设计 4 1涂布计量子系统总体设计与工作原理 涂布计量子系统总体设计如图4 1 、图4 2 所示： 6 l 蜗轮2 一丝杆3 计量辊筒4 涂布辊筒 5 一油管6 蜗杆 图4 - 1 涂布计量系统图 f i g u r e4 1 t h ed i a g r a mo f c o a t i n gm e a s u r e m e n ts y s t e m l 蜗轮蜗杆装置2 一联轴器3 计量辊筒4 涂布辊筒 图4 2 蜗轮蜗杆平面图 f i g u r e4 - 2 p l a no f w o r mc o u p l e 1 2 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 如图4 - l ，图4 2 所示，涂布计量系统由计量辊筒和涂布辊篱组成的三辊顺转涂布刮刀 机构和蜗轮蜗杆内嵌螺套丝杆调节机构组成。上光油液由输送管从上至下缓慢注入涂布辊 筒与计量辊筒之间，计量辊筒与涂布胶辊通过滚动摩擦使上光油层均匀、浓度一致、表面 张力一致。涂布层的厚度通过涂布辊筒与计量辊筒之间的间隙来调节的。而间隙的调节是 由计量辊筒两端蜗轮蜗杆及内嵌螺套、丝杆机构来移动其水平距离进行调节的。内嵌螺套、 丝杆为预调节计量辊筒与涂布辊简两辊母线平行度。待两辊母线平行度满足技术要求后， 转动手轮带动蜗杆、蜗轮转动，使内嵌螺套、丝杆整体移动，推动滑块。即可精调计量辊 筒与涂布辊筒母线间隙。弹簧能排除蜗杆与蜗轮及丝杆与内嵌螺套之间的间隙。两辊间母 线间隙调整精度可达0 0 1m m 。 4 2 三辊顺转涂布刮刀机构分析与组成 三辊顺转涂布刮刀机构如图3 1 ( c ) 和图4 1 所示，由涂布辊、计量辊、压合辊、料 槽、刮刀等组成。 1 ) 涂布辊 涂布辊是外表面包衬一层2 - 3 c m 橡胶树脂，其表面硬度为邵氏5 0 5 5 ，表面粗糙度r a 为0 4 , u m ，直径为西1 5 0 姗的滚筒。涂布辊的作用是将上光油附着在其表面上，与钢制压 合辊压合时，能增加接触面积，压合力能均匀分布于印品涂布层上。 2 ) 计量辊 计量辊的作用是控制涂料层的厚薄和使涂层浓厚一致，表面张力一致。计量辊其表面 租糙度r a 为0 。4 p m 、直径为4 , 1 3 0 嘲的钢制辊筒。 3 ) 压合辊 压合辊的作用是施加涂布层压力，使印刷品在涂布过程中与涂布辊均匀滚动接触。压 合辊为表面粗糙度r a 为0 4 , u m 、直径为1 5 0m m 的钢制辊筒。 4 ) 刮刀 刮刀的作用是将压合辊附着的多余涂料刮掉，使印品的背面不受上光油涂布。刮刀主 要由刮刀座、刀片和加压机构组成。刀片由合金结构钢制造，加压机构作用是对刀片和压 合辊之间加压。 5 ) 料槽 料槽的作用是用来盛装涂布刮刀刮下的多余涂料，同时通过料槽将涂料循环输至上光 油供应装置。 1 3 环保节能型上光机涂布压合系统研究与设计 4 3 涂布计量调节机构设计与分析 涂布计量调节机构主要由蜗轮蜗杆以及内嵌螺套丝杆组成。该调节机构主要由啮合传 动副和螺旋传动副两个部分组成，其中啮合传动指蜗轮蜗杆组成的传动副，螺旋传动副主 要由螺套与调节螺杆 1 1 - 1 3 1 组成的调零传动副和蜗轮内孔螺纹与螺套外螺纹组成的迸给传 动副。由于该调节装置中蜗轮蜗杆传动和螺旋传动其传动比大、工作平稳、噪声低、结构 紧凑、手轮转动力矩小、可以自锁，可实现手轮转动一圈，计量辊筒移动微小的位移，实 现涂布计量控制精度高，满足调节精度为o 0 lm m 的要求。 4 3 1 蜗轮蜗杆内嵌螺套丝杆机构参数选择 4 3 1 1 调零传动副参数选择 调零传动副的主要作用就是为了保证涂布辊与计量辊的母线平行度，调整左右两端丝 杆，可实现两辊筒母线间隙一致。调零传动副须在涂布之前预先调整好。 初步选定螺套与调节丝杆材料均为4 5 号钢 1 4 4 6 。根据不同螺纹的特点和应用，以及 结合本系统中螺纹所应具备的作用，此传动副选用梯形螺纹。 1 ) 调节螺杆的中径d 2 及其它相应直径大小 计算公式为： 咖g 品 t ， 式中：g 在该传动副中，选择的螺纹为梯形螺纹 1 v - 1 9 1 ，故g = 0 8 2 0 】 卜轴向荷载( n ) ，本系统中，主要包括弹簧施加在螺杆上的力以及导轨摩擦力 軎，在这里取轴向荷载f = 1 0 0 0 n 妒该传动副中，螺套相当于丝杆套，其为整体式，取妒= 1 5 2 0 1 瞄】许用压强( m p a ) ，考虑到调节螺杆与丝杆套的材料，且该系统中滑动速度 要求不高，查表【冽选取许用压强b 】_ i o m p a 则：由式“- 1 ) d ：2 g 南代入相应数值得： d - 0 8 、竺生m m ：6 5m m v1 5 1 0 因调节丝杆在涂布计量调节机构中是作为手动精细调节装置，其长度直径比较大，且 与其配合的螺套又与蜗轮内嵌内螺纹相配合，从结构上考虑，调节丝杆不宜选取太小，选 择调节螺杆中径d 2 = 1 1n 1 1 1 1 。则相应的公称直径d = 1 2r l l m ，螺距p = 2m r n ，螺杆内径d 3 - - 9 5 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 则：螺套内螺纹大径d l = d + o 5 = 1 2 5m m ； 螺套内螺纹小径d 2 = 竹1 0 r l l i l l 2 ) 螺纹配合长度h 由式子： h = 瞩 代入数值得： 日= 1 5 x 1 l = 1 6 5i 姗 3 ) 旋合圈数z 由式子： 代入数值得： z ：旦l o 1 2 p z = 半= 8 2 5 1 0 1 2 ( 4 2 ) ( 4 3 ) 选弹旋合圈毅z = 9 4 ) 螺纹的工作高度h 对于本系统中选用的梯形螺纹来说，h = 0 5 p ，即h = 0 5 x 2 = 1r i l n l 5 ) 工作压强p 由式子尸= 笼l o 】( 4 - 4 ) 7 敬。，弦 代入数值得：尸= 互酉兰 3 2 2 m p a p = 1 0 m p a ，故符合要求。 6 ) 自锁性验算由于为单头螺纹，导程= 螺距= p = 2l 砌，故螺纹的升角由式子 ，：a r c t a n j l ( 4 5 ) 耐、 代入数值得： y2a r e t a n 赢2 3 3 1 4 。 丝杆套材料与调节螺杆的材料均为钢，查表知钢对钢的摩擦系数j l l = 0 1 1 o 1 7 ，取 0 1 5 ，且为梯形螺纹，牙形角口= 3 0 01 2 0 ，则当量摩擦角p7 为： p = a r c t a n 去 ( 4 6 ) c o s 。 2 代入数值得= a r c t a n 号- 8 8 2 7 。 c o s 1 。 2 因y p ，故自锁性可靠。 7 ) 螺杆强度验算在该传动系统中，丝杆工作承受轴向荷载f 和丝杆力矩m 联合作 用，丝杆力矩m 根据公式：m ：l df t a n ( y + p7 ) ( 4 7 ) 1 5 环保节能型上光机涂布压合系统研究与设计 代入数值得：磁= 昙11 1 0 0 0 t a n ( 3 3 1 4 。+ 8 8 2 7 。) = 11 8 3 n m 8 ) 螺母螺纹强度验算因螺母材料与螺杆相同，强度一样，故只验算螺母螺纹强度 即可。牙根宽度b ，对于梯形螺纹来说，b = 0 6 5 p = 0 6 5 2 = 1 3m i l l ，基本牙型高 h 1 = 0 5 p = 0 5 x 2 = li l n l 。 对于调节螺杆，因材料选用4 5 号钢，故查得1 q 其屈服强度仃s = 3 6 0 n t o n i 2 ，则可得 调节螺杆许用应力d p 为： 仃p = 盯s ( 3 - - - - 5 ) = 3 6 0 ( 3 5 ) = 1 2 0 - 7 0 n m m 2 , 取仃尸= 1 1 0 n m m 2 又对于丝杆套，材料选用也为4 5 号钢，经查表【1 q 知，许用弯曲应力仃幻为： 仃助= ( 1 - - 1 2 ) 0 - | p ，取仃助= 1 1 0 n m m 2 则许用剪应力f 。为： f ，= o 60 尸= 6 6 n m m 2 丝杆套表面的剪切强度f 为： f ：生：上：j 塑生了一_ 2 18 n r a m 2 _ , t - p = 6 6 n m m = 0 0 n m m 2 ，符合要求。 f = 一= 一= 一2 z ，1 可石j 譬水o a r d g , b n 3 1 4 1 2 5 1 3 9 弯曲强度仃。为： 0 b ：三等：寻旦譬等生_ ：5 0 3 n m m 2 2 5 故：螺杆稳定性足够。 由上所述，调零传动副参数选择具体如下表4 1 所示： 表4 - t 螺旋传动机构主要参数设置 t a b l e4 - 1t h em a i np a r a m e t e rs e t t i n g so f w h o r lg e a r 4 3 1 2 进给传动副参数选择 进给传动副由蜗轮内螺纹与螺套外螺纹组成螺纹传动副。对于进给传动副的设计参数， 按照上述调零传动副参数选择方法计算。进给传动副的参数如表禾2 所示。 表4 - 2 进给传动机构主要参数设置 t a b l e4 - 2t h em a i np a r a m e t e rs e t t i n g so f f e e dd r i v em e c h a n i s m 4 3 1 3 啮合传动副参数选择 因蜗轮蜗杆传动具有传动比大，结构紧凑，工作平稳，噪声小、自锁等优点 2 2 】，故 1 7 环保节能型上光机涂布压合系统研究与设计 在本调节机构中采用蜗轮蜗杆来传递动力。 蜗轮蜗杆材料的选用，根据使用及工作情况，包括传递功率以及转速等因素，蜗杆选 用4 5 钢表面淬火，硬度4 5 5 5 h r c ，蜗轮选用铸锡磷青铜。 1 ) 蜗杆头数z l 和蜗轮齿数z 2 本课题中的涂布计量调节机构就是为了调节计量辊与 涂布辊之间的间隙，使间隙的大小能够满足最好的涂布要求，当蜗杆头数z l 过多时，制造 较高精度的蜗杆和蜗轮滚刀难度会加大，故蜗杆头数取z l = l 。 根据结构尺寸要求，由蜗杆头数取l ，现取蜗轮齿数z 2 = 3 0 。 2 ) 蜗轮蜗杆机构传动比i 由i = z 2 z 1 ，得i = 3 0 3 ) 蜗轮端面模数m 因i = 3 0 ，故模数m 值经查表 2 2 1 ，取m = 2 5 4 ) 蜗杆分度圆直径d l己知模数m 值已经确定，随着蜗杆分度圆直径d 1 的标准化， 其值与m 也有一定的匹配，经查表【2 2 】，d 1 = 2 8m m 。 5 ) 蜗轮分度圆直径d 2 已知蜗轮齿数z 2 取3 0 ，模数m 为2 5 ，由公式d 2 = m g ：，代入 数值得蜗轮分度圆直径d 2 = 2 5 x 3 0 = 7 5i t l m 6 ) 蜗杆分度圆导程角y由式t a n y = m , z 1 d , ( 4 1 0 ) 代入数值得：导程角y 5 1 0 7 ) 中心距a 中心距a 要满足强度的要求，且对于普通圆柱蜗杆传动中心距尾数应为 o 或5 ，结合上述已经得知的z 、d 2 、m 等，查表【翻取a = 5 0m m 8 ) 强度验算 齿面接触强度齿面接触强度需满足 g h = z e口胛 ( 4 “) 式中：t 2 一作用于蜗轮轴上的名义转矩( n m ) ，在进行调零传动副参数选择中，已经 计算过丝杆力矩m = 1 1 8 3 n m m ，蜗轮旋转带动丝杆套移动，在传动过程中，必定会有能 量的损失，已知机械效率一般为o 8 ，故作用于蜗轮上的名义转矩 疋2 m o 8 = l l8 3 0 8 = 1 4 7 8 7 5n m m 1 4 7 9 n 朋 巧使用系数，查表2 2 1 取k 一= l k 动载系数，本系统中滑动速度较小，取k ，= l 足卢荷载分布系数，本系统中载荷比较平稳，故取k 卢= l 1 8 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 乙弹性系数，本传动中，蜗杆材料选用为蜗杆选用4 5 钢表面淬火，表面硬厦 ( 4 5 - 5 5 ) h r c ，蜗轮选用铸锡磷青铜，故查表阎取磊：1 5 5 也万i 仃船许用接触应力( n m m 2 ) ，因蜗轮选用铸锡磷青铜，故取仃胛= 2 5 0 n 删丑2 则式( 4 1 1 ) 代入数值得： o h ：1 5 5 、f 9 4 0 0 x 1 4 7 9 z 1 1 1 n m m 2 = 4 6 0 5n m m 2 仃璎：2 5 0 n m m 2 2 ￥8x 7 5 2 “ 故：齿面接触强度符合要求。 齿根弯曲强度齿根弯曲强度需满足： o f ：6 6 6 t 2 k a k v k # y e s y b d 静 ( 4 1 2 ) a f a t ，m 式中：珐一呙轮的综合齿形系数，根据z 矿：= 两z 2 = 磊；导= 3 0 3 6 ，查表n 6 】 得：k ：4 1 2 珞导程角系数，由式= i - 7 1 2 0 0 ， 得：= i - 5 1 0 1 2 0 0 = 0 9 5 8 仃即蜗轮齿根许用弯应力( n m m 2 ) ，因蜗轮材料为铸锡磷青铜，则叮口_ 5 2 n m m 2 则式( 4 1 2 ) 代入数值得： 仃f ：皇堑坚上竺翌兰尘 型4 1 2 0 9 5 8 n m m 2 o 7 4 ln m m 2 仃即：5 2 n m m 2 2 8 x7 5x2 5 ” 故：齿根弯曲强度符合要求。 由匕所述，啮合传动副参数选择具体如表4 3 所示： 1 9 环保节能型上光机涂布压合系统研究与设计 表4 - 3 蜗轮蜗杆传动机构主要参数设置 t a b l e4 - 3t h em a i np a r a m e t e rs e t t i n g so f w o r md r i v em e c h a n i s m 4 3 2 定位误差分析 定位误差主要是指仪器的主要部件实际位置与要求位置之间的偏差。它的大小与定位 装置的精度、传动链的精度等有关 2 3 】。 4 3 2 1 蜗杆传动误差引起的定位误差 蜗杆传动的精度可以用蜗轮蜗杆副的切向综合公差e 来衡量，e 是指装配好的蜗轮 在啮合传动足够多的转数内，蜗轮相对于蜗杆的实际转角与公称转角之差的总幅度值。因 为传动链中为单级蜗杆传动，故此蜗杆传动的传动误差直接转化为主轴的定位误差。在咒 从圆弧计值转换为角度计值后，即可求得蜗杆传动误差引起的定位误差。 ， f 则： 9 = 二詈l ( 4 - 1 3 ) d 2 蜗杆切向综合公差e 为蜗轮齿距累积误差c 和蜗轮齿切向综合公差z 之和。根据蜗 轮分度圆直径d 2 = 7 5m m ，以及精度等级，本课题中，该精度等级设为6 级，故查表 2 1 】得 f p = 2 5pm ，而z 又是蜗轮齿距极限偏差厶与蜗轮齿形公差办：之和的0 6 倍，查表2 1 1 得厶= l o p m ，乃：2 8 p m ，从而得到蜗轮齿切向综合公差z 为： ，= o 6 ( 厶+ 乃2 ) ( 4 1 4 ) 2 0 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 代入数值得：z = o 6 ( 1 0 + 8 ) p m = 1 0 8 p m 故蜗杆切向综合公差e 为： e = + z = ( 2 5 + 1 0 8 ) p m = 3 5 8 m 将上述所得值代入式( 4 1 3 ) ，得蜗杆传动误差引起的定位误差a 0 为： 9 = 箜与) 二= o 0 0 0 5 弧度_ 士o 0 2 8 。 4 3 2 2 蜗轮( 丝杆螺母) 丝杆套传动引起的定位误差 由于蜗杆传动误差约为士o 0 2 8 0 ，所以在滑块运动方向上的传动误差& ，为： a z l = 坷7 a 0 ( 4 - 1 5 ) 式中：f 螺旋传动机构传动比，已知螺距为2i n r n ，故传动比，= 2 3 6 0 0 将数值代入式( 4 1 5 ) 得传动误差z 为： a z = ( 0 0 2 8 0 ) = o 0 0 0 1 6 m l n 1 3 6 0 ” 4 3 2 3 丝杆传动引起的定位误差 丝杆螺母副中存在多种制造误差，相应的规定了多种误差。但如螺距误差、牙型半角 的极限偏差、大径、中径和小径公差等仅影响配合的松紧程度，即影响螺旋副之间的间隙， 不会影响传动精度。这里我们只考虑螺距累积误差的影响。根据系统的要求，丝杆套移动 范围为2m m ，丝杆螺母副精度为6 级，查表 2 1 1 在螺母相对移动范围内的螺距累积误差 卸三= 3pm ，此值即为丝杆传动的误差a z 2 ，即a z 2 = a p = 3j l lr n 将蜗轮( 丝杆螺母) 丝杆套传动引起的定位误差应。和丝杆传动引起的定位误差& ：合 成，得到总调节装置位移上的总定位误差止为： 止2 z 1 + & 2 ， 若不考虑各量的符号，则得： i a z i = l 止1 1 + 1 2 2 l = o 0 0 0 1 6 + 0 0 0 3 如0 0 3 1 6m m 由此可见，此定位误差远远小于设计任务中对涂布计量调整精度值o 0 1m l n ，故本设 计在保证精度方面是可行的，能够满足设计目的的要求。 4 4 涂布计量反馈系统设计 在涂布系统中，随着涂布层厚度增加厚度变动系数值逐渐增大，从而对涂布的均匀性、 2 l 环保节能型上光机涂布压合系统研究与设计 稳定性以及上光涂布表面平整性产生一定的影响。迄今为止大部分厂家仍采用凭经验调试 的方法来确定涂布层厚度，根据上胶涂布量大小、纸张厚度、涂布速度、涂布经验目测涂 布量并加以调整，在很大程度上取决于操作者的经验，此种方法不仅占用生产时间，又缺 乏定量的科学标准，因此在实现涂布量自动反馈尤为重要。 在进行工业控制系统方案设计时，机电一体化的系统必须是基于工业控制级的微机系 统，该微机系统主要分为可编程控制器、单片机微控制器、基于各标准总线工控机组成的 微型机测控系统及由这些计算机构成的分散型控制系统1 2 4 。 在本系统的设计中，控制系统主要由控制器、蜗轮蜗杆传动机构、检测元件以及显示 器件组成。系统总体结构如图4 3 所示： 图4 3 涂布计量反馈系统总体结构 f i g u r e4 3t h eg e n e r a ls l l u e t u r eo f f e e d b a c ks y s t e mo f c o a t i n gm e a s u r e m e n t 该涂布厚度检测反馈系统要完成的主要功能有：通过检测元件测量蜗杆旋转的角度， 并将测量的信号经过处理发送到控制器，控制器根据接受到的信息，对信息作相应处理， 并将最终的值送到显示器显示，完成对涂布辊和压合辊间隙的显示，以便操作人员及时了 解当前涂布厚度。 4 4 1 系统硬件分析 4 4 1 1 单片机的选择 由于单片机的广泛应用，世界上也出现了很多系列的单片机，当前市场上单片机的种 类和型号就有4 位、8 位、1 6 位以及3 2 位机；片内r o m 和r a m 各不相同，有的i o 功 能强，i o 路数多，有的扩展方便，有的不能扩展；有带片内a d 的，有不带片内a d 的， 等等。国内8 位单片机仍以m c s 5 1 系列为主流机型，与其兼容的公司，如p h i l i p s 公司、 n e c 公司、a t m e l 等公司的相应型号单片机，使5 1