机械毕业设计388变尺寸要求纸张裁剪机设计 说明书.doc
机械毕业设计388变尺寸要求纸张裁剪机设计 说明书
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机械毕业设计388变尺寸要求纸张裁剪机设计 说明书,机械毕业设计论文
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I 摘 要 纸张裁剪机是一种通用的设备，应用范围非常广泛，几乎每个印刷企业都要配置纸张裁剪机，纸张裁剪机在印刷机械产品中占重要的地位。随着 社会的进步和科学的发展，造纸业、印刷业对 纸张裁剪机 提出了更高要求。该文针对国内 纸张裁剪机只能单方向剪裁、只能剪裁固定尺寸纸张 的缺陷，将横向剪裁与纵向剪裁分开，从纵向滚刀的安装方式和横刀的剪裁时间控制为突破口，设计了一种可以纵横双向剪裁、可以按照商家要求剪裁可变尺寸纸张的 纸张裁剪机 。用于从事商标、名片和各种印刷制品的剪裁工作。该 纸张裁剪机 结构简单、动作简洁快速，全套工作流 程由 PLC控制，具有剪裁质量高，生产效率高的优点。整个设计过程详细论证了其原理方案的可行性和机构的合理性，结构设计全用先进的CATIA软件造型、装配，真实地展示了整个系统的结构尺寸和工作原理。在设计过程中， 通过对实际应用产品的设计，增强了对所学专业知识的掌握，提高了对设计思想理念的理解和实际运用能力，同时培养了自己独立完成设计任务的能力，认识到了严谨的工作态度对设计产品质量的重要作用。 当然，在本设计中，仍然存在许多不完善的地方，在以 后的设计中会加以借鉴，逐步改进。 关键词： 变尺寸 ； 双向剪裁 ； CATIA软件 ； 纸张裁剪机 nts II Abstract Papers cutting machine is a kind of general used equipments, its application is very extensive, almost each printing business enterprises have installed paper cutting machine, the paper cutting machine has an important position in printing machine product. Along with the progress of the society and the development of science, there will be a higher request to the paper in paper making industry and print. This text aim at the limitation that the local paper cutting machine can cut only one side and only fixed dimension, separating across cutting and vertical cutting, breaking from the installation of the vertical hob and the time control of the across hob .Design a kind of cutting machine which can cut from both across and vertical and can cut alterable size according to the request of the merchant. Used in the work of cutting label, business card and many kinds of presswork. The structure of this kind of cutting machine is very simple and its motion is prompt. The complete workflow is controlled by the PLC system, having the advantage of high quality of cutting and working with efficiency. The whole design process demonstrates the feasibility of this theory and the rationality of the institution. All of the structure design use the CATIA software to shape and assemble, displaying the size of the structure and work principle of the whole system really. During the design, through the design of the actual apply product, enhance the comprehension of specialty acknowledge and improve the comprehension and actual apply ability of the design idea. At the same time ,develop the ability of completing design mission oneself and understand the important effect of the religious working attitude to design the quality of the product .Certainly, there must be some places not perfect in this design .I will use them for reference in the later design to improve greatly. Key words： Variation size; bidirectional cutting; CATIA software; the paper cutting machine nts III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第一章 前言 . 1 1.1 纸 张裁剪机的简介 . 1 1.2 纸张裁剪机国内外情况介绍 . 1 1.2.1 国内情况 . 1 1.2.2 进口情况 . 2 1.3 纸 张裁剪机市场前景 . 2 1.4 纸张裁剪机的发展趋势 . 3 第二章 可调尺寸纸张裁剪机原理方案的设计 . 4 2.1 现 有纸张裁剪机的结构原理分析 . 4 2.1.1 模切机 . 4 2.1.2 直刃 裁纸机 . 5 2.1.3 滚刀裁剪机 . 8 2.2 可调尺寸纸张裁剪机 原理方案的 设计 . 8 2.2.1 功能原理分析： . 9 2.2.2 运动原理分析 ： . 11 2.2.3 总结分析： . 12 第三章 可调尺寸纸张裁剪机结构尺寸的设计 . 13 3.1 纵向裁纸机构设计 . 13 3.1.1 纵向裁纸刀的结构设计 . 13 3.1.2 纵向裁纸刀的安装设计 . 14 3.2 横向裁纸机构设计 . 16 3.2.1 横向裁纸刀的结构设计 . 16 nts IV 3.2.2 横向裁纸刀的安装设计 . 17 3.3 控制装置、总体结构的设计 . 18 3.3.1 控制装置的设计 . 18 3.3.2 总体结构的设计 . 18 第四章 零部件设计 . 25 4.1 纵向裁纸机构零件尺寸的设计 . 25 4.1.1 轴的设计 . 25 4.1.2 电动机功率选择： . 27 4.1.3 刀具设计： . 27 4.1.5 仪器仪表滚动轴承的选择 . 29 4.2 横向裁纸机构零件尺寸的设计 . 29 4.2.1 丝杠设计 . 29 4.2.2 光杠设计 . 31 4.2.3 滑块的尺寸设计 . 31 4.2.4 横向滚刀设计 . 32 4.2.5 滚动轴承的选择 . 33 4.3 控制装置、底板和外壳结构尺寸的设计 . 33 4.3.1 外壳、垫板的设计 . 33 4.3.2 压板的设计 . 36 4.3.3 盖板的设计 . 36 第五章其他 .38 5.1技术经济性分析 .38 5.2 结 论 . 388 参考文献 . 40 致 谢 . 41 nts 1 第一章 前言 1.1 纸 张裁剪机的简介 纸张裁剪机是一种纸张加工设备，主要用于造纸厂单张纸型纸的加工和印刷企业印刷品的整形加工，蜂 窝包装纸板产生以后，也要用到纸张裁剪机切制纸蜂窝芯。近年来，制卡业发展强劲，纸张裁剪机在这个领域也有广阔的市场。 另外，纸张裁剪机应用于非纸类加工，如 PS 版、皮革、硬塑料等材料的裁切。纸张裁剪机是一种通用设备，应用范围极其广泛，在印刷业中，除部分三印企业外，几乎每个印刷企业都要配置纸张裁剪机，因此纸张裁剪机在印刷机械产品中占重要的地位。在印刷机械产品家族中，年销售量最大的是小型平版印刷机，第二是纸张裁剪机，它在印刷企业中是必备设备之一。 同时，纸张裁剪机又是印后主要设备之一，虽然大批量的书刊整形已由三面切书 机取代，大批量的包装产品的由成型模切机、柔性版印刷生产线、瓦楞纸印刷模切开槽机完成。大量的印大切小产品，如商标、不干胶贴片、卡片及中小型印刷企业对小批量印刷产品，用纸张裁剪机对印品加工是投入少，收效快的一种选择，更何况在企业仅纸张尺寸变换、产品的形状变换就需要常备纸张裁剪机。随着科技水平的提高，纸张裁剪机的自动化水平提高很快，液压、程控、计算机控制的纸张裁剪机已占市场主流。 1.2 纸张裁剪机国内外情况介绍 1.2.1 国内情况 国内制造纸张裁剪机的厂家约 34 家。主要企业有上海申威达、长春印机、四川中江、甘 肃平凉普业、山东荷泽生建、浙江嘉路等纸张裁剪nts 2 机厂。 2001 年十家纸张裁剪机厂统计，共销售纸张裁剪机 2703 台，完成销售额 2.84 亿元， 2002 年七家企业统计，共销售纸张裁剪机 2484 台，完成销售额 2.18 亿元。主要纸张裁剪机规格有 420mm、 580mm、 650mm、760mm、 780mm、 920mm、 1150mm、 1250mm、 I300mm、 1370mm、155 0mm、 1660mm、 1860mm、 2200mm 等 14 种规格 。 1.2.2 进口情况 由于我国印刷业飞速发展，每年印刷机械进口量居高不下，纸 张裁剪机的进口额也处于增长趋势。 2001年进口纸张裁剪机 3395台，支付外汇 4464万美元。按进口额排序第一德国，进口 731台 1098万美元。 2002年进口切 纸机 2134台，支付外汇 5995万美元。进口德国 616台 1930万美元。世界知名企业主要有波拉、沃伦贝格、白发达、唯索普等等。 1.3 纸 张裁剪机市场前景 纸张裁剪机有较好的市场前景，主要表现在四个方面： 1) 印刷厂现配备的纸张裁剪机，大都是在印刷业大发展的八、九十年代，那时国产的纸张裁剪机主要是机械式，主要存在问题，一是没有高精度的尺寸定位系统和 尺寸设置装置，精度低，不能满足高档印品裁切的要求。二是机械式纸张裁剪机冲击力大、噪音大、安全机构不可靠，容易出工伤事故。三是自动化水平低，没有自动送纸机构，劳动强度大，生产效率低下。这一大批设备需要逐步更新换代。 2) 2002年 7月 1日国家经贸委发布 “第三批淘汰落后生产能力、工艺和设备目录 ”，明令 2003年底禁止生产、使用老式机械式纸张裁剪机。国家新闻出版总署的印刷业管理条例和相应的规定中，也不把淘汰设备计算在印刷厂必备条件内，这样就增加了中高档纸张裁剪机市场。当然，淘汰落后设备政策的具体落实还有一定 的难度，应该制定具体措施，使nts 3 其尽快退出市场。 3) 我国印刷品消费水平与世界发达国家和世界平均水平都有相当大的差距。改革开放以来，印刷业发展迅速，印刷企业从 2001年印刷业整顿后的 15万家，增长到 2002年印刷业管理条例颁布后的 16万家，印刷企业随市场经济发展，将保持继续增长趋势，纸张裁剪机将保持快速增长。 2000年印机行业统计销售额达到 50亿元，按行业发展规划 2010年印刷机械销售额将达到 100亿元，印刷机械销售额将翻一番，纸张裁剪机市场增长是必然趋势。 4) 纸张裁剪机进口量较大，出口量较少，如果通 过国内企业的努力，在提高产品质量和技术水平上下功夫，通过资产重组，改变当前分散经营，企业成本过高的情况，努力改变多年来进出口反差过大的现状，纸张裁剪机将增大至少 30-40的市场空间 。 1.4 纸张裁剪机的发展趋势 根据各个行业的发展需求，纸张裁剪机在市场上有很大的发展前景。但是目前市场上的纸张裁剪机，无论采用模切、直刃 还是 滚刀都是固定尺寸、单向走刀方式，而市场要求产品结构及尺寸紧跟时代变化，产品的商标、广告尺寸应与产品的外形结构尺寸相协调。所以纸张裁剪机械应顺应产品尺寸变化的要求，适应柔性加工，向着可变更 尺寸、多方向走刀的趋势发展。 nts 4 第二章 可调尺寸纸张裁剪机原理方案的设计 2.1 现 有纸张裁剪机的结构原理分析 2.1.1 模切机 模切机有圆压平、平压平、圆压圆三种机型，目前应用量最大的是平压平机型。平压平模切机又分为立式平压平和卧式平压平机型，而卧式平压平模切机是目前模切机最主要的机型。 无论哪种类型的模切机，其结构都是由模切版台和压切机构两大部分所组成。卧式平压平模切机的模切版台和压切机构的形状都是平板状的。模切版被固定在平整的版台上，被加工板料放在压板（下压盘）上。卧式模切机结构由输料部分、模 压部分、出料部分和排废部分等组成。工作时，模切版台固定不动，压板通过连杆作用往复运动，使得版台与压板不断地离合压，每合压一次便实现一次模切。 图 2.1 卧式模切机结构 模切机具有结构简单、维修方便、便于操作、适合不同克重的板料、模切精确等优点，但是它的不足之处也是很明显的，例如对于剪裁的尺寸不可调节，只能剪切固定尺寸纸张；它工作时需要有很大的压力，从而导致劳动强度大、生产效率低；模切版台和压切机构长时间受压，容易磨损，寿命不长等等。 nts 5 2.1.2 直刃 裁纸机 所谓直刃 裁纸机，即直接用直刃裁刀对纸张进行 直线裁剪。根据裁纸刀的驱动方式的不同又分为以下几种情况。 (1) 电机驱动式直刃 裁纸机 ： 工作时，纸张位于工作台上，在张紧轮和平衡轮的作用下，直流电机带动偏心轮转动。偏心轮下面连接连杆，通过桡性杆和摆杆，带动刀片做往复运动，从而对纸张进行裁剪。直刃 裁纸机的 结构示意图如 图 2.2 图 2.2直刃 裁纸机的 结构示意图 直刃 裁纸机的结构简单，裁剪快速，操作方便。但是裁剪范围有限，对于 双向纸张 必须分两次裁剪才能完成： 而且设备庞大，调整需要大量的时间 ；成本高，效率低。 1. 直流电机 2. 张紧轮 3. 平衡轮 4. 立柱 5. 偏心轮 6. 连杆 7. 摆杆 8. 桡性杆 9. 刀片 10. 转角齿轮副 11. 转角电机 12. 抬刀汽缸 3. 磨刀机构 14. 校偏机构 15. 裁剪纸张 16. 工作台 nts 6 (2) 连杆传动 式直刃 裁纸机： 动作过程与 电 机驱动式直刃 裁纸机基本相同。 结构示意图如 图 2.3所示。 连杆传动 式直刃 裁纸机承载能力大 ,易润滑 ,摩擦小，寿命长。自身能实现力的封闭，不像凸轮要弹簧等配件，能实现多种运动规律和运动轨迹。但是惯性力难平衡 (低速 ),设计复杂，积累误差 (空隙 ),效率低，有急回现象存在。 1、齿轮 2、槽轮 3、直刃切刀 4、电机 5、减速器 6、传送带 7、凸轮 图 2.3连杆传动 式直刃 裁纸机结构示意图 nts 7 (3) 液压与气压传动 式直刃 裁纸机： 动作过程与 电机驱动式直刃 裁纸机基本相同。 在同等的体积下 , 液压与气压执 行装置能比电气执行装置产生出更大的动力 ;体积小、重量轻、结构紧凑。执行装置的工作比较平稳 ,由于重量轻、惯性小、反应快 ,易于实现快速启动 ,自动和频繁的换向。传动容易实现自动化 ,能实现较复杂的顺序动作和远程控制。但是液压与气压传动不能保证严格的传动比，在工作过程中常有较多的能量损失 (摩擦损失 ,泄漏损失 ) 。液压与气压传动的工作稳定性容易受到温度变化的影响。 为了减少泄漏 ,元件在制造精度上的要求都比较高 ,因此它的造价较贵 ,纸张对油液的污染比较敏感。 (4) 电磁铁吸附 式直刃 裁纸机： 动作过程与 电机驱动式直刃 裁纸 机基本相同。 核心动力 结构示意图如 图 2.4。 电磁铁吸附 式直刃 裁纸机磁场连续可调、连续性较好。但是磁场稳定性不易保证，而且利用电磁铁的吸附力控制刀具切割纸张，也不容易切断纸张，效率不高。 图 2.4电磁铁吸附 式直刃 裁纸机 核心动力结构示意图 nts 8 2.1.3 滚刀裁剪机 滚刀裁剪机采用了全封闭式调速可逆电机和圆柱型滚刀。结构如图2.5所示 ，主要由电机、圆柱型滚刀、刀架、齿轮、导向齿、电机支架，底盘、外壳等组成。裁剪部分为两个相互啮合的圆柱型滚刀。 图 2.5滚刀裁剪机结构图 该裁剪机的优点为剪裁快速准确， 切口小，宽窄均匀，且操作简单，实用、方便。但是任然是单方向性的，对于双向剪裁，仍然需要两次，延长了加工时间，同时工作效率也大大降低。 2.2 可调尺寸纸张裁剪机 原理方案的 设计 本课题的设计任务为：设计一种剪裁尺寸可调、结构简单、动作简洁、高效率、高质量的 纸张裁剪机 。 本课题研究的产品目前市场上没有此类产品，属于开发性产品设计。 本课题所设计的 纸张裁剪机可以剪裁变化尺寸要求的纸张，但是为了便于说明，举一有固定尺寸要求的例子。本例为：要求将 A4 的纸张nts 9 剪裁成 12 张 45*100 的纸片。具体尺寸示意图如 图 2.6 所示。 实现的功能主要是横向剪裁和纵向剪裁一起进行，同时剪裁尺寸可以调节。要实现横向剪裁和纵向剪裁一起进行，则首先要明确横向剪裁机构和纵向剪裁机构的结构、动作原理，其次要考虑横向剪裁机构和纵向剪裁机构的位置关系以及运动动作和先后顺序。 要实现剪裁尺寸可以调节的功能，首先要考虑圆柱型滚刀的安装方式，其次要弄清楚剪裁的顺序和时间上的控制。通过调研、查阅资料分析，完成可调尺寸纸张裁剪机原理方案的开发设计，见图 2.7 所示。 图 2.6 裁剪实例纸张尺寸图 2.2.1 零部件 功能原理分析： 1、纵向切纸滚刀：采用双轴安 装上下圆形主副刀对滚来剪裁纸张。nts 10 主动电机带动主切刀转动，并通过轴上的橡胶轮与纸张产生的摩擦力带动纸张向前输送移动；同时主动轴上的啮合传动齿轮带动副切刀同速转动，完成切纸工作。 1、纵向滚切刀 2、纵向传动齿轮 3、纵向传动电机 4、横向传动齿轮 5、横向传动齿轮 6、压板 7、限位开关 8、横向切刀 9、滑块 10、光杠 11、丝杠 图 2.7 原理方案设计结构简图 2、 纵向传动 齿轮：采用相同模数的两个齿轮，齿轮啮合转动带动轴同速转动，圆形主副刀也以相 同的速度转动对滚，从而达到纵向剪裁纸张的目的。由于电机的转动速度一定，通过调节啮合齿轮的模数来调节滚刀转动的速度，从而满足切纸的速度要求。 3、 纵向传动电机 ：带动齿轮 5 转动，间接带动轴转动。 4、 横向传动 齿轮：同 2 5、 横向传动电机：同 3 6、压板：在圆形滚刀剪切纸张的时候，用来固定纸张的位置，不让其移动，以便保证剪切的质量。 nts 11 7、光敏 开关：用来控制电机、纸张相互协调动作。 8、横向切纸滚刀： 横切刀采用圆形滚刀。由电机带动丝杠旋转，丝杠中穿插一个带螺纹的滑块，通过光杆的限制，滑块只向前做直线运动而不旋转。 圆形滚刀安在滑块上，由于与纸张有摩擦，滚刀做横向滚切，完成对纸张的横向剪裁。 9、滑块：用来带动圆形滚刀 13 作前后进给运动。 10、光杠：导向的作用，使滑块不随丝杠转动，只随光杠作前后的进给运动。 11、丝杠：通过丝杠的转动来带动滑块向前旋转移动。 2.2.2 运动原理分析 ： 如 图 2.7 原理方案设计结构简图 所示：开动开关 1，将待裁纸放入裁纸机中，纵向圆柱形裁纸刀转动，带动纸张前移，同时完成纵向裁纸；纸张通过限位开关 2 时，限位开关 2、开关 1 断电、纵向裁纸刀停止转动，开关 2 接通、横向裁纸电机正向 转动，带动横向裁纸刀移动完成横向裁纸动作（由 A 位置至 B 位置），开关 2 断电、开关 1 接通，纵向裁纸刀转动，带动纸张前移，同时完成纵向裁纸；纸张通过限位开关 1 时（此时限位开关 2 断电），电磁铁 1 接通，带动压紧条转动压紧纸、开关 1 断电，纵向裁纸停止 ，开关 3 接通、横向裁纸电机反向转动，带动横向裁纸刀移动完成横向裁纸动作（由 B 位置至 A 位置）；纸张自动滑落、计数器计数、电磁铁 1 断电、压紧条松开；开关 1 接通，纵向裁纸刀转动，带动纸张前移，同时完成纵向裁纸；重复动作；计数器完成设定值，返回重新开始。 详细 见图 2.8 运动原理 PLC 控制流程图。 nts 12 图 2.8运动原理 PLC控制流程图 2.2.3 总结分析： 这种纸张裁剪机采用纵横双向剪裁，动作简单有效，缩短工作时间，提高效率。对于不同尺寸要求的纸张的剪裁，可以通过对滚刀的更换来调节，非常方便。满足了当代市场的需求，有相当大的发展空间。 nts 13 第三章 可调尺寸纸张裁剪机结构尺寸的设计 在对设计任务进行仔细研究后，将设计任务分为 纵向裁纸机构的设计 、 横向裁纸机构的设计 、 控制装置及底板外壳的设计 三个 部分进行 设计。 3.1 纵向裁纸机构设计 3.1.1 纵向 裁纸刀 的结构设计 考虑 到 生产中是对纸的剪裁，所以要求刀具准确、快速、动作简单等特点。而且刀具的剪裁过程是一个摩擦切削的过程，在摩擦中必定会产生热量以及对刀具产生磨损。考虑到以上的因素，纵向 裁纸刀 结构采用两个直径相同、相互啮合的 圆柱型滚刀。纵向 裁纸刀 结构示意图如 图3.1 所示 。两个圆柱型滚刀，上刀为凹刀，下刀为凸刀，在刀尖有一定啮合深度。两个滚刀半径相同，机构基本一致，剪裁纸张时两个滚刀以相同的速度转动，在与滚刀的啮合处产生对纸张的剪切力，滚刀向不同的方向转动， 纸张从中间通过从而被剪切开。 图 3.1纵向 裁纸 刀结构示意图 在裁剪过程中要求纵向 裁纸刀 以相同的速度，不同的方向转动。所nts 14 以，我们采用将纵向 裁纸刀 固定在两根主轴上，主轴一端装有两个完全相同的齿轮，并且齿轮的齿根圆半径与纵向 裁纸刀 的半径相同，这样就保证了纵向 裁纸刀 与齿轮同时 啮和。由电机带动下齿轮转动，通过两个啮合的齿轮带动主轴转动，从而带动纵向 裁纸刀 以相同的速度，不同的方向转动，实现对纸张的裁剪。结构示意图如 图 3.2 所示。 3.1.2 纵向 裁纸刀 的安装设计 由于本课题设计的是可变尺寸要求的纸张裁剪机，所以 在 裁纸刀 的安装问题上必须给 予 充分的考虑。对于可变尺寸要求，在纵向剪裁中主要体现在以下两个方面：纸片与所裁剪纸张间的纵向距离、以及纸片与纸片间的纵向距离（即裁剪纸张后废料的尺寸），纸片的纵向尺寸（即所需成品的尺寸大小）。另外，对于多个纸张的排布，合理充分的利用纸张资源，提高生产经济效率也是有一定的要求的。具体的安装设计，我们举本课题的实例来具体说明。 图 3.2纵向 裁纸刀 主轴结构示意图 对于第一个方面，由裁剪实例纸张尺寸图可以看出，纸张纵向间距即刀具纵向裁剪的距离分别为： 3mm、 4mm、 3mm。考虑到需 要满足大批量裁剪纸张，以及纸张裁剪机的动作次数对裁剪生产率的直接影响，本课题所采用的刀具为有固定的间隙。根据纸张可变尺寸裁剪要求也可以生产出不同间距的滚刀，因为是大批量裁剪，在经济效率上来说还是nts 15 比较可取的。 对于第二个方面，根据要求的不同，纸片的纵向尺寸也相应的不同，这就涉及到滚刀与滚刀间的距离的问题。由于多个滚刀靠一个主轴来带动，而纵向尺寸要求可变，所以我们设计成纵向 裁纸刀 在主轴上可以根据尺寸随意移动。我们设计采用的主轴，在轴上带有精确的尺寸刻度（刻度略），并且在主轴上有一个凹槽。纵向 裁纸刀 刀刃的一侧有紧 固螺钉孔，通过紧固螺钉，根据不同的尺寸要求，将滚刀固定到所需的位置。如 图3.3 所示： 另外，对于尺寸要求特殊的纸张裁剪，如：排版剩余过多、废料尺寸太大等等，在考虑制作特殊纵向滚刀的经济效率、纵向滚刀尺寸的合理性等因素下，视具体情况而定。 图 3.3纵向滚刀安装示意图 nts 16 3.2 横向裁纸机构设计 3.2.1 横向 裁纸刀 的结构设计 由于剪裁动作以及原理与纵向 裁纸刀 基本上相同，所以我们所设计的横向 裁纸刀 的结构与纵向 裁纸刀 类似。采用单个圆柱形滚刀，由滑块带动，刀刃与垫板接触。滑块横向运动，带动圆柱形滚刀横向运动 ，在运动过程中由于与垫块接触摩擦产生作用力，则圆柱形滚刀的横向运动变成横向滚动，在滚动中裁剪纸张。这样，剪裁纸张的刀刃为一个圆周，相对于直刀的剪裁，极大地减小了磨损，增加了刀具的寿命。横向 裁纸刀 以及滑块结构示意图如 图 3.4 所示 ： 图 3.4横向 裁纸刀 及滑块结构示意图 纸张要横向裁剪，必须要求横向 裁纸刀 做横向滚动，即带动滚刀运动的滑块进行横向运动。所以，在本课题设计中，我们采用一个丝杠和一个 光杆来带动滑块运动。通过电机带动齿轮转动，从而带动丝杠转动，丝杠与滑块通过螺纹配合，这样丝杠就带动滑块横向旋转运动。此时滑块中再穿一个光杠，就限制了滑块的转动。这样，通过丝杠和光杆这样简单的机构，滑块就可以进行横向直线运动，从而带动横向 裁纸刀 滚动，nts 17 实现对纸张的横向裁剪了。横向 裁纸刀 总体结构示意图如 图 3.5 所示 ： 图 3.5横向 裁纸刀 总体结构示意图 3.2.2 横向 裁纸刀 的安装设计 与纵向 裁纸刀 的安装类似，对于可变尺寸要求，在横向剪裁中也是相同的两个方面需要注意：纸片与所裁剪纸张间的横向距离、以及纸片与 纸片间的横向距离（即裁剪纸张后废料的尺寸），纸片的横向尺寸（即所需成品的尺寸大小）。同时，对于裁剪的时间问题也要准确地把握。 对于第一个方面，由于排版间距的灵活性，所以纸片与所裁剪纸张间的横向距离、以及纸片与纸片间的横向距离基本上可以随意确定。考虑到滚刀的加工方便（横向 裁纸刀 与纵向 裁纸刀 结构大致相同），横刀刀刃的间距可以选择与纵向 裁纸刀 相同间距的刀刃（在本例中选择 3mm），这样降低刀具的加工成本，同时也满足了工作的需要。 对于第二个方面，对于纸片的横向尺寸的确定，是通过控制程序来进行的。在裁剪纸张的垫板上， 开有一处凹槽，凹槽处设定有光敏开关。当纸张到达光敏开关处，光敏开关打开，通过 PLC 控制程序，纸张停止运动，压板将纸张压住，此时横向 裁纸刀 横向运动，对纸张进行裁剪。（具体的控制方式以及动作过程见控制装置的设计。） nts 18 3.3 控制装置、总体结构的设计 3.3.1 控制装置的设计 纸张裁剪机的运动过程是由多个动作组成的，包括电机、齿轮、轴的转动，纵向 裁纸刀 的转动，压板的运动，丝杠的转动，横向 裁纸刀 的来回剪裁滚动等等。 有些动作还是反复进行或按照一定的次序进行的，所以必须有控制装置，才能使剪裁的动作有条不紊地进行。在 本课题设计中，控制装置主要包括：单片机， 开关 ，光敏开关，电磁铁压板等等。单片机按照剪裁纸张的要求控制各个开关的动作，开关控制电机的运转，光敏开关和电磁铁压板控制纸张纵向行程。 举一个单独的动作来分析说明，纸张裁剪机对纸张在纵向和横向各进行一次裁剪。将纸张放在垫板上，推到纵向 裁纸刀 啮合处，开关 A 打开，电机带动齿轮运转，纵向 裁纸刀 在主轴的带动下转动，一边带动纸张向前运动，一边对纸张进行纵向的剪裁。当纸张达到尺寸要求的位置是，纸张挡住光敏开关，此时，通过单片机的控制，开关 A 马上关闭，电机停止运动，纵向 裁纸刀 停止运 动，纸张也停止运动。电磁铁通电，压板把纸张压住。开关 B 打开，另一个电机带动齿轮转动，丝杠旋转，带动滑块及横向 裁纸刀 做横向剪裁。当剪裁完毕，开关 B 关闭，动作完成。以上便是控制装置的一个简单演示，对于本课题的动作过程，下文将进行详细分析。 3.3.2 总体结构的设计 在本课题的中， 在对 纵向裁纸机构和横向裁纸机构 设计完成后，进行了总体结构布置设计。总体设计是机械系统内部设计的主要任务之一，也是进行系统技术设计的依据。总体设计对机械的性能、尺寸、外形、质量及生产成本具有重大影响。 总体结构的设计主要以外壳、垫板和其他 零部件以及各个机构、零部件的合理组装为主。 nts 19 在对总体结构的设计时，需要考虑到以下几个主要因素： 1.外观、质量。变尺寸要求纸张裁剪机这类新产品的设计， 是以市场为最终目标的，所以必须考虑到它的外观造型和色彩，它是机械的功能、结构、材料和外观形象的综合表现，是科学性、实用性的结合。所以，总体外形设计成人们最容易接受的形状，再加上用强大的 CATIA 软件给整个机体附上真实的材质和色彩。 我们所设计地纸张裁剪机是对 A4的纸张进行裁剪，需要有人进行操作，所以要求结构紧凑，尽量缩小空间，质量尽量小，容易搬动。 2. 运行平 稳，满足功能。对纸张的剪裁要求的精确度是比较高的，而电机在运转过程中以及齿轮、丝杠在转动的过程中肯定会出现振动，这就要求总体结构的底部有足够的重量，使得电机、齿轮产生的振动对纸张剪裁过程中产生影像最小。这样就可以将两个电机以及电机的垫块安装在外壳的底部。另外，在横向 裁纸刀 裁剪纸张处的垫板需足够的硬度，完成对纸张的裁剪。 3.经济因素，节省材料。考虑到经济收益以及生产效率，我们必须尽可能地在满足工作需求的基础上，通过节省原料、降低总体结构的复杂程度、减少零部件、减少加工步骤等方式来降低成本。 在设计外壳以及垫 板的时候，从他们的功能出发考虑来进行的设计。外壳的作用为：承装各个零部件，是纸张裁剪机的主体。垫板的作用为：承载纸张以及与横向 裁纸刀 配合对纸张进行横向的剪裁。在满足功能，并且结构尽量简单的设计原则上，我们设计出外壳和垫板如下示意图所示。外壳设计成 U 字形，侧面则为梯形，下面底板比侧板要厚，一方面加载了重量，增加了裁纸机的稳定性，另一方面，可以更好地置放其他零部件。外壳的盖是通过外壳两侧板内侧的凹槽放进去的，这样结构简单，组装方便，同时也可以满足工作需求。同样，水平垫板也是通过凹槽装到外壳内侧。斜垫板则是通过外 壳内侧的斜托条，以及外壳底板的凹槽卡在外壳里面。 具体如图 3.6-3.8 所示。 nts 20 图 3.6外壳和垫板示意图 图 3.7外壳和垫板示意图 2 nts 21 图 3.8外壳和垫板示意图 3 根据纸张裁剪机的工作要求，我们所需要的电机在满足传动要求的前提下，还需要体积小、重量轻、稳定可靠、噪音小等要求。在安装两个电机的时候，考虑到要使电机平稳的运行，尽量地减少振动，我们将电机组安装在外壳底板上面，并且增加了一个电机座。电机座一方面增加了裁纸机的稳定性，另一方面使得电机安装起来更加方便。结构示意图如 图 3.9所示 ： nts 22 图 3.9电机、垫块示意图 总体的布局最主要的还是工作件，即纵向裁纸刀和横向裁纸刀的布局。由于纸张从纵向裁纸刀的中间通过而被剪切，所以将纵向裁纸刀分别置于垫板的上下。在纵向裁纸刀啮合的地方，垫板有一定的空隙，在垫板上有一个尺寸大小与 A4 纸张宽度大小一样的凹槽，用来引导纸张不发生偏移，而纵向裁纸刀剪裁的位置也正好与凹槽的位置相同，这样可以使纵向裁纸刀准确的裁剪纸张。走纸主要是靠纵向裁纸刀来带动的，为了使走纸更加容易，另一个垫板我们做成有一定倾斜角度，这样横向裁纸刀装置也必须具有相同的角度，才能使刀具垂直于垫 板，进行横向裁纸。同时根据本课题所采用的裁剪纸张的实例，横向裁纸刀刀具与纵向裁纸刀的距离应该固定在某一个范围内，具体的尺寸将在下一章结构尺寸中确定。裁纸刀布局示意图如 图 3.10 所示 ： nts 23 图 3.10裁纸刀布局示意图 在对纸张裁剪机的 结构设计中，我充分地利用到了 CATIA制图软件，方便地对 纸张裁剪机 的零件的结构进行了设计与修改，还对整体的结构进行了装配。使得我全面得认清了布局与结构，更好地进行设计。 CATIA是由法国著名飞机制造公司 Dassau1t开发并由 IBM公司负责销售的 CAD/CAM/CAE/PDM应用系 统， CATIA起源于航空工业，其最大的标志客户即美国波音公司，波音公司通过 CATIA建立起了一整套无纸飞机生产系统，取得了重大的成功。 作为世界领先的 CAD/CAM软件， CATIA可以帮助用户完成大到飞机小到螺丝刀的设计及制造，它提供了完备的设计能力：从 2D到 3D到技术指标化建模，同时，作为一个完全集成化的软件系统， CATIA将机械设计、工程分析及仿真和加工等功能有机地结合，为用户提供严密的无纸工作环境从而达到缩短设计生产时间、提高加工质量及降低费用的效果。 CATIA是汽车工业的事实标准，是欧 洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。 CATIA在造型风格。车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端（ end-to-end）的解决方nts 24 案， CATIA涉及产品、加工和人三个关键领域。 CATIA的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。 全球有各种规模的消费品公司信赖 CATIA，其中部分原因是 CATIA设计的产品风格新颖，而且具有建模工具和高质量的渲染工具。 CATIA已用于设计和制造如下多种产品：餐具、计算机、厨房设备、电视和收音机以及庭院设备等。 CATIA源于航空 工业 ,是业界无可争辩的领袖 .以其精确安全 ,可靠性满足商业 、 防御和航空领域各种应用的需要， CATIA引以自豪的几个主要项目（例如波音 777， 737）均成功地用 100数字模型无纸加工完成。这在航空工业中从来没有过。 CATIA与 STEP完全兼容，为航空提供的解决方案，包括管道系统（ Piping and Tabling），组装、结构、内部负荷分析（业界第一）、电路布线和综合利用。 一个产品仅有设计是不够的，还必须成功地制造出来， CATIA擅长于为棱柱和工具零件作 2D/3D 关联 , 分 析 和 NC ； CATIA 规 程 驱 动（ Spec-driven）的混合建模方案保证高速生产和组装精密产品，如机床、医疗器械、胶印机、钟表及工厂设备等均能做到一次成功。 在丰富经验的基础上 ,IBM-ETS和 Dassault-System为造船业、发电厂、加工厂和工程建筑公司开发新一代解决方案。 CATIA-CADAMPlant是这些行业中的第一个面向对象和知识工程技术的系统。 nts 25 第四章 零部件设计 4.1 纵向裁纸机构零件尺寸的
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