纸杯成型机的设计

-1-摘要近年来，随着人们生活质量的提高，生活节奏的加快，环保意识的加强，纸质杯的用量与日俱增，纸杯生产设备的需求量也大幅度增加，但对纸杯生产设备研究工作基本属于空白区域。本文采用现代设计与分析手段对某型纸杯机进行了较深入的理论分析与实验研究，为该类设备的设计及纸质杯成型质量的分析提供了依据。全自动纸杯成型机是一种多工位全自动机械，机构相对复杂，目前国内生产的纸质杯普遍存在粘合不牢、漏水、外形欠佳等缺陷，这与机器本身存在的定位不够准确、工位衔接不当、振动等因素有关，因此对全自动纸杯成型机进行运动学与动力学分析，对发现设备存在的设计缺陷，具有重要意义。为了分析纸杯机各机构的设计合理性与否，本文采用Pro/Esolidedge软件，构建了全自动纸杯成型机主要零件的三维实体模型，并进行了装配及干涉检查，为纸杯机的结构分析与运动分析提供了虚拟样机模型。利用Pro/Esolidedge软件的“机构”模块对纸杯机虚拟样机的主要机构进行了运动学分析，重点研究了纸杯机卷封机构的运动特性与凸轮曲线的关系，提出了推程和回程为正弦加速度规律的3段式凸轮曲线，在其衔接处，凸轮加速度过渡平稳，减少了冲击，保证了纸杯成型质量。针对纸杯成型过程中经常出现的问题，分析了凸轮磨损对纸杯成型的影响，得到了凸轮的最大允许磨损量；研究了滚花质量的影响因素，为设备维护提供了理论依据。在理论研究的基础上，对纸杯机的典型机构进行了动态测试，实验结果表明建立的模型是正确的；所测试机构的振动是周期性的；并通过频谱分析得到了引起机构振动的主要因素以及滚花动作对机构振动的影响，为设备机构的优化奠定了基础。关键词机构；三维建模；运动学分析；磨损；动态特性-2-AbstractInrecentyears,alongwiththepeoplequalityoflifesenhancement,rhythmoflifesquickening,thelinkguaranteedconsciousnessenhancement,thepapercupsamountusedgrowsdaybyday,thepaperglassproductionequipmentsdemandalsolargescaleincreased,butbelongedtotheblankregionbasicallytothepapercupproductionequipmentresearchwork.Thisarticleusesthemoderndesignandtheanalysismethod,hascarriedonthethoroughtheoreticalanalysisandtheexperimentalstudytosomepapercupmachine,hasprovidedthebasisforthiskindofequipmentsdesignandthepapercupformationqualitysanalysis.Thecompletelyautomaticpapercupmachineisamorethanonekindoflocationcompletelyautomaticmachinery,theorganizationisrelativelycomplex,atpresenthome-areaproductionpapercupuniversalexistenceagglutinationnotjail,waterleakage,contourunsatisfactoryandsoonflaws,thelocalizationwhichexistswiththemachineisinitselfnotveryaccurate,thelocationtolinkupimproper,factorsandsoonvibrationrelated,thereforecarriesonthekinematicsanddynamicsanalysistotheautomaticpapercupmachine,discoveriesthattheequipmentexistencethedesigndefects,havetheimportantmeaning.Inordertoanalyzethedesignofpapercupmachinevariousorganizations,thisarticleusesPro/Ethesoftware,hasconstructedthe3-Dimensionalmodelofcompletelyautomaticpapercupmachine,andhascarriedontheassemblyandtheinterferenceinspection,hasprovidedthedummyspecimenmodelforthepapercupmachinestructureanalysisandthemovementanalysis.“Theorganization”themodulehascarriedonthekinematicanalysisusingthePro/Esolidedgesoftwaretothepaperglassmachinedummyspecimensprincipalorgan,studiedthepapercupmachinevolumetosealtheorganizationwithemphasisthestateofmotionandthecamcurverelations,proposedpushedtheregulationandthereturntripforthesineacceleration-3-rule3sectionoftypecamcurve,initsengagementplace,thecamaccelerationtransitionwassteady,reducedtheimpact,hasguaranteedthepaperglassformationquality.Questionswhichappearsfrequentlyinviewofthepapercupformationprocess,hasanalyzedtheinfluencewithwearcamwhenthepapercupformatting,hasanalyzedthecambiggestpermissionwearingcapacity;Hasstudiedtheinfluencethatknurlwheelsassemblyprecisiontotheknurlingquality,hasprovidedthetheorybasisforthemaintenanceofequipment.Inthefoundationoffundamentalresearch,carriesonthedynamictesttothepapercupmachinetypicalorganization,theexperimentalresulthasindicatedthatthemodeliscorrect,thevibrationoftheorganizationisperiodic,andobtainestheprimaryfactorthroughthespectralanalysisoftheorganizationvibrationaswellastheinfluenceofknurlingmovementtotheorganizationvibration,haslaidthefoundationfortheequipmentorganizationsoptimization.KeywordsMechanism;3-DimensionalModel;Kinematicanalysis;Wear;Dynamicbehavior-4-第1章绪论1.1纸杯成型机国内外发展现状纸杯成型机械可分为卧式和立式两种，纸杯在制作过程中始终处于水平状的称为卧式纸杯机械；纸杯在制作过程中主要处于垂直状态的是立式纸杯机械；欧美国家生产的纸杯机械多为卧式，韩国及我国生产的多为立式纸杯机械1。立式纸杯成型机，具有结构简单、操纵方便、造价较低等优点，在纸杯行业起步阶段起到了促进作用。但是随着市场的深入，纸杯使用领域的扩展，用户要求的提高，这种机型暴露出很多缺点，如：产量低，杯型变化范围小等，杯型成型质量差等问题越来越制约行业的发展2。我国的一些厂家自90年代初在引进、消化韩国技术的基础上开始生产纸杯机械，改进并优化了一些机构，以适应市场的要求。经过几年的改进和发展，这些厂家已经形成了较为成熟的、品种规格较为齐全的纸杯机械产品设备系列，如图1-1所示，但在生产过程中仍存在不少问题，例如生产率低、机构运行产生较大冲击、机构磨损严重影响寿命等。图1-1全自动纸杯成型机-5-1.2课题背景及意义1.2.1课题背景发展绿色环保产品，消灭“白色污染”已成为全球性的重大社会问题。目前，从国际上看，欧美许多国家早已明确立法禁止使用塑料餐饮具。从国内情况看，铁道部，交通部，国家环保总局，国家纪委，科技部及各地政府如武汉，杭州，大连，厦门，广州等许多大城市已率先颁布法令，全面禁止使用一次性塑料餐饮具，国家也明确规定，在进入2000年之前，全国范围内全面禁止使用塑料餐饮用品，一场全球性的塑料餐饮具制造业的变革已逐步兴起。随着人们生活质量的提高，生活节奏的加快，一次性纸杯的需求量与日俱增。纸杯自问世以来，在欧美、日本、新加坡、台湾、香港等发达国家和地区早已被广泛推广和使用,如表格1-1所示。由于纸杯具有外型美观、方便卫生、环保等特点，纸杯机适应社会的发展要求，因此具有极大的市场潜力。表1-1纸杯使用数量-6-1.2.2课题意义目前国内生产的纸杯机大部分自动化程度低，生产率低，废品率高，导致产品成本升高，而且对该设备设计理论与工作状态的研究基本属于空白状态，为了提升纸杯质量，满足市场需求，本文对现有纸杯机的结构、关键机构的运动状态及其动态特性进行了理论研究与实验研究，对改进和优化纸杯成型机的结构，提高产品生产率，提高产品质量具有重要的意义。1.3课题的研究内容及方法1.3.1研究内容自动纸杯成型机通过自动送纸、冲底、注油、封合、预热、加热、翻底、滚花、卷边、退杯等连续工序生产出成品纸杯。本课题主要研究方向为对全自动纸杯成型机的关键部件（杯身成型、杯底成型、滚花压边、成品顶出）的机构设计，课题内容主要涉及机械原理中的平面连杆机构中几种常用的四杆、五杆机构（如曲柄滑块、曲柄摇杆、摆动滑块等）。首先对市场上典型的全自动纸杯成型机工艺以及设备相关信息进行收集、整理，分析设备的特点，掌握其工作原理，在此基础上，指出现有纸杯成型设备存在的问题和不足，提出课题主要内容。通过对全自动纸杯成型机关键部件（杯身成型、杯底成型、滚花压边、成品顶出）作出的机构分析，来证实全自动纸杯成型机的部分关键部件运动基本的合理性，以期解决韩式纸杯成型机主要存在的产量低和杯型变化范围小的缺点。再通过Solidedge、Autocad,进行三维以及二维的初步设计，并进行动画模拟，更加直观、形象的体现机构的外形以及工艺流程。-7-1.3.2研究方法CAD技术CAD(ComputerAidedDesign)即计算机辅助设计，是一种技术。其中，人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。CAD软件一般具有三维几何造型设计，二维绘图和标注，装配设计，真实感图形显示，数据交换接口，数据库管理等模块。CAD技术是实现重大工程和工业产品的建模、计算分析、模拟仿真与优化设计的工程软件，是支持工程科学家进行创新研究和工程师进行创新设计最重要的工具与手段6-8。虚拟样机技术本文采用虚拟样机技术的思想与方法，建立全自动纸杯成型机的整机模型并进行运动学仿真分析。迄今为止，虚拟样机技术尚没有一个完整的定义。简单的说，虚拟样机技术就是用来代替真实的物理样机模型的技术。在常规的产品开发过程中，物理样机模型是用来验证设计思想，选择设计产品，测试产品的可制造性和展示产品的。虚拟样机要替代物理样机，首先要具备上述功能。本文采用以下定义：虚拟样机就是用来代替物理样机的计算机数字模型，它可以像真实的物理模型一样，用来对所关心的产品的全寿命周期，如设计、制造、服务等，进行展示、分析和测试。这种构造和使用虚拟样机的技术称为虚拟样机技术9。虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实的模拟产品整体的运动及受力情况，快速分析多种分析设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得优化设计方案。虚拟样机技术的应用贯穿在整个设计过程当中，当虚拟样机用来代替物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期，而且设计质量和效率得到了提高10-12。机械系统的虚拟样机技术的主要研究范围是机械系统动力学和运动学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术对样机进行动力学和运动学分析，以确定系统及其构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力。目前虚拟样机的普遍设计过程大体可通过图1-2进行说明12。-8-图1-2虚拟样机技术流程图虚拟仪器技术本文实验测试系统是以虚拟仪器的概念，设计了具有个性化的信