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可调尺寸纸张裁剪机开发设计及控制原理分析,设计者：汪健指导老师：蔡玉俊,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)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、1550mm、1660mm、1860mm、2200mm等14种规格。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，存在问题较多，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，使其尽快退出市场。,1.3纸张裁剪机市场前景,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。,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（）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。,(1)模切机,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。,(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电机驱动式直刃裁纸机、连杆传动式直刃裁纸机、液压与气压传动式直刃裁纸机、电磁铁吸附式直刃裁纸机。,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右。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13.磨刀机构14.校偏机构15.裁剪纸张16.工作台,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。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，不象凸轮要弹簧等配件，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。,液压与气压传动式直刃裁纸机,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。,电磁铁吸附式直刃裁纸机,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。其核心动作原理示意图如右图.,(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。结构如右图，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。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,2.2.1设计任务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的纸张剪裁成12张45*100的纸片。具体尺寸示意图如右图所示.,2.2.1设计任务,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2.2.2,图2.2.2原理方案设计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,2.2.2功能原理分析,1、纵向滚切刀：采用双轴安装上下圆形主副刀对滚来剪裁纸张。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。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：带动横向传动齿轮5转动，间接带动轴转动。4、横向传动齿轮：同2。5、纵向传动电机：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。7、限位开关：用来控制电机、纸张相互协调动作。8、横向切刀：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。,2.2.3运动原理分析,2.2.4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。,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,(1)纵向剪裁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，纵向剪裁刀结构采用两个直径相同、相互啮合的圆柱型滚刀。纵向剪裁刀结构示意图如3.1.1。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。,3.1.1纵向剪裁刀结构示意图,(1)纵向剪裁刀的结构设计,在裁剪过程中要求纵向剪裁刀以相同的速度，不同的方向转动。所以，我们采用将纵向剪裁刀固定在两根主轴上，主轴一端装有两个完全相同的齿轮，并且齿轮的分度圆半径与纵向剪裁刀的半径相同，这样就保证了纵向剪裁刀与齿轮同时的啮和。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，从而带动纵向剪裁刀以相同的速度，不同的方向转动，实现对纸张的裁剪。结构示意图如右图所示.,3.1.2纵向剪裁刀主轴结构示意图,(2)纵向剪裁刀的安装设计,由于本课题设计的是可变尺寸要求的纸张裁剪机，所以在剪裁刀的安装问题上必须给于充分的考虑。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）。,(2)纵向剪裁刀的安装设计,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剪裁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。纵向剪裁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。如左图所示.,3.1.3纵向滚刀安装示意图,3.2横向裁纸机构设计,(1)横向剪裁刀的结构设计由于剪裁动作以及原理与纵向剪裁刀基本上相同，所以我们所设计的横向剪裁刀的结构与纵向剪裁刀类似。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。横向剪裁刀以及滑块结构示意图如右图.,3.2.1横向剪裁刀及滑块结构示意图,(1)横向剪裁刀的结构设计,纸张要横向裁剪，必须要求横向剪裁刀做横向滚动，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，起到了导向的作用。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，从而带动横向剪裁刀滚动，实现对纸张的横向裁剪了。横向剪裁刀总体结构示意图如左图,3.2.2横向剪裁刀总体结构示意图,(2)横向剪裁刀的安装设计,与纵向剪裁刀的安装类似，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（横向剪裁刀与纵向剪裁刀结构大致相同），横刀刀刃的间距可以选择与纵向剪裁刀相同间距的刀刃（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PLC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，此时横向剪裁刀横向运动，对纸张进行裁剪。（具体的控制方式以及动作过程已经在前面分析过）,3.3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。,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，在横向剪裁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。,外壳与底板的设计,在设计外壳以及底板的时候，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剪裁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。,外壳与垫板的设计,3.3.1外壳和垫板示意图1,3.3.3外壳和垫板示意图3,3.3.2外壳和垫板示意图2,电机及垫块的设计,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。结构示意图如右图所示.,3.3.4电机、垫块示意图,总体布局的设计,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左图,3.3.5裁纸刀布局示意图,第四章零部件设计,4.1纵向裁纸机构零件尺寸的设计4.1.1轴的设计轴：功能是支撑刀具回转，设计要求具有一定的强度和刚度要求，即刀具进行切纸工作，使轴不能产生弯曲变形，同时承受刀具间产生的相互作用力。考虑到纸张剪切机的使用要求，我们设计针对纸张的厚度为1mm，材料可以是塑料片材（如食堂就餐卡、银行卡等）、铜卡纸或白卡纸（名片等）、普通印刷纸（商标、广告等）。设计以剪裁塑料片材为基础进行计算分析。,4.1.1轴的设计,查找有关标准1，塑料的抗拉强度，由材料力学理论6可知：（4.1）（MPa）（）查相关资料5,可以计算出作用在刀刃上的作用力：（4.2）(N)轴的受力图如图4.1所示。,4.1.1轴的设计,图4.1轴受力图,图4.2轴结构尺寸设计图,4.1.2电动机功率选择,根据要求设塑料片的前进速度为100(mm/s)则轴的转速为：（r/min）(4.6)(4.7)(kw)(4.8)所以电机的型号选择为：49TYJ-B-3微型同步电机,4.1.3刀具设计,刀具与材料之间存在摩擦和磨损现象，设计要求滚刀的使用寿命1000小时，刀具与塑料的摩擦系数考虑通过磨损试验(本设计未做)确定刀具的磨损率，必要时采用特种工艺处理刀具表面（如渗碳、涂层等），提高刀具的耐磨性；结构设计：纵切轴通过螺钉与槽之间的剪切强度传动力矩，同时螺钉起到轴向定位的作用，考虑到螺钉传递扭矩时对螺钉孔处产生挤压作用，结合挤压强度要求，确定厚度尺寸;结构设计图纵向滚刀的具体尺寸设计如图4.3、4.4所示。,图4.4纵向下滚刀结构尺寸设计图,图4.3纵向上滚刀结构尺寸设计图,4.1.4仪器仪表滚动轴承的选择,由于轴的尺寸已经设计出来，所以选62900型轴承2。,4.2横向裁纸机构零件尺寸的设计,4.2.1丝杠设计由前面的分析可知，作用在横向滚刀上的剪切作用力：（N）所以丝杠所受弯矩为：（）（4.11）（4.12）（4.13）由上面的计算公式可求得丝杠所受弯曲应力为：（MPa）丝杠的材料选择为：45钢查表得45钢的=600（MPa）满足强度要求。综合考虑到工艺要求，确定丝杠的尺寸，尺寸设计图如图4.5所示：,图4.5丝杠结构尺寸设计图,4.2.2电机的选择,根据要求设滚刀的前进速度为100(mm/s)又因为丝杠的螺距P=2(mm)n=2所以可计算出导程S：（mm）(4.14)所以电机的转速n:(r/s)=(r/min)(4.15)所以查电机的型号后3,选择Y180L-4型号的电机,4.2.3光杠设计,光杠的作用是引导带动滚刀运动的滑块沿丝杠产生直线运动，不产生相对丝杠的转动，光杠与滑块之间设计采用间隙配合，考虑到光杠的加工工艺要求，光杠的设计直线度误差0.02mm，确定光杠的基本尺寸采用基孔制配合，公差带取。光杠的设计见图4.6所示：,图4.6光杠结构尺寸设计图,4.2.4滑块的尺寸设计,作用：用来带动横向滚刀作左右进给运动，以便横向滚刀实现横向的切纸运动。螺纹结构设计：与丝杠配合设计。光杠孔设计：与光杠配合设计，具体结构尺寸见图4.7所示：,图4.7滑块结构尺寸设计图,4.2.5横向滚刀设计,考虑到确保剪切件分离工作要求，滚刀应切入底板0.01mm，垫板采用聚氯乙烯塑料1，横向滚刀的设计与纵向滚刀的设计相似，这里就不再做具体计算分析了考虑通过磨损试验(本设计未做)确定刀具的磨损率，必要时采用特种工艺处理刀具表面（如渗碳、涂层等），提高刀具的耐磨性；横向滚刀具体的设计尺寸如图4.8所示：,图4.8横向滚刀结构尺寸设计图,4.2.6滚动轴承的选择,由于丝杠的尺寸已经确定，所以选择仪器仪表滚动轴承2，型号为62900.,4.3控制装置、底板和外壳结构尺寸的设计,4.3.1压板的设计压板的作用是在横向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。根据设计任务的要求及剪裁纸张的尺寸要求，我们采用电磁铁来控制压板的压紧和抬起，这样可以通过PLC控制电磁铁的通电和断电情况，从而控制压板的起落。具体结构尺寸设计如图4.12所示。,图4.9压板结构尺寸设计图,4.3.1外壳、垫板的设计,在满足功能，并且结构尽量简单的设计原则上，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。垫板由水平垫板和斜垫板两部分组成，主要是考虑到安装的方便才设计成两部分的。水平垫板是通过凹槽装到外壳内侧的，而且水平底板上有一个卡纸的槽，这样纸张就可以沿着这个槽进入而不会左右窜动了。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。斜垫板上面有一个方空，是来安装限位开关的，限位开关可在方空范围内滑动，来实现可调尺寸的功能。具体结构尺寸如图4.9-4.11所示。,图4.11斜垫板的结构尺寸设计图,图4.9水平垫板的结构尺寸设计图,图4.11外壳的结构尺寸设计图,4.3.3盖板的设计,主要考虑到设计的美观性，才设计出盖板来以便把轴、刀、齿轮等零件遮盖住，从外观上看比较美观。也保证了工作时的安全性。盖板的尺寸设计完全是在外壳的基础上设计出来的，在外壳的上端部分有一个插槽，盖板可以通过这个插槽插入到外壳里，实现其遮盖零件的功能。具体结构尺寸设计如图4.13所示：,图4.13盖板的结构尺寸设计图,第五章技术经济性分析,随着科学技术的迅速发展，市场对纸张尺寸的要求多变，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，无法与市场所需求的产品的商标、广告尺寸相协调。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。本设计课题创新点就是针对此种情况而设计出了变尺寸要求的纸张裁剪机，属于开发性设计，目前市场上没有同类产品。而且此设计中还与PLC技术相结合，采用PLC控制裁纸次序，可以单独做小批量裁纸，也可以与计算机相连实现大规模的一体化控制，适应了时代的要求。,第六章结论,本课题主要来源于目前市场对纸张尺寸的要求多变，而纸张裁剪机并没有跟上纸张尺寸变化的步伐。基于此种现状，想要通过自己所学到的知识开发设计一种能够满足当今市场对纸张尺寸要求多变的可调尺寸纸张裁剪机的结构设计，并对其控制原理加以分析。在两个多月中，通过对市场需求情况的调查和对现有裁剪机的分析，完成了可变尺寸纸张裁剪机的结构设计和控制原理分析。但由于时间有限，本人的知识水平有限，在设计中仍然存在不少不足之处和需要改进的地方：1、本次设计只对PLC控制原理进行了分析，对PLC的具体程序编写还需要进一步研究；2、本次设计中，只对刀具进行了结构设计，没有对刀具磨损率做磨损实验，必要时应采用特种工艺处理刀具表面，提高刀具的耐磨性；另外，本次设计的是属于创新开发的一个整体的机器，所以肯定有很多考虑不周的地方，存在不少的缺陷。,第七章致谢,这次毕业设计终于完成了，看着经过我的努力而做出的毕业设计，可以感受到一种成就感，但同时也会感受到自己学到的知识真的很有限。在设计当中遇到过不少自己比较难解决的问题，在这里要感谢我的指导老师蔡玉俊老师以及杨林老师、周茂军老师。由于我是在校外做的毕业设计，没有他们对我的帮助和指导，我想我不会很好的完成我的毕业设计。在这次设计中，交通大学的葛宰林老师也对我的毕业设计帮助很大，在结构设计方面的问题，他对我提出了不少的建议和思路，这样才使我的结构设计方面得以顺利的完成。衷心的感谢所有帮助过我的人，也祝福你们幸福、快乐！,大连轻工业学院机械工程与自动化学员2006届毕业设计设计题目：变尺寸要求纸张裁剪机设计专 业：机械设计制造及其自动化学生姓名：汪健班级学号：机自02229指导教师：蔡玉俊纸张裁剪机全图01纸张裁剪机全图02纸张裁剪机结构图01纸张裁剪机爆炸图01纸张裁剪机爆炸图02大连轻工业学院机械工程与自动化学员2006届毕业设计设计题目：变尺寸要求纸张裁剪机设计专 业：机械设计制造及其自动化学生姓名：汪健班级学号：机自02229指导教师：蔡玉俊纸张裁剪机全图01纸张裁剪机全图02纸张裁剪机结构图01纸张裁剪机爆炸图01纸张裁剪机爆炸图02大连交通大学毕业设计(论文)课题选题表 机械工程学院 学院（系） 现代机械设计 教研室 题目变尺寸要求纸张裁剪机设计实习(调研)或合作单位阿尔派电子有限公司（中国）大连研发中心指导教师葛宰林职称（务）教授指导学生数1学生姓名汪健课题类型课题来源专业及班级现代机械设计设计类研究类软件类科研生产教学其他（在对应的课题类型和来源处填“”）课题简介（写不下可另附页）： 变尺寸纸张裁剪是目前企业生产要求，目前市场没有此类产品。课题研究通过单片机控制、手动调节尺寸控制机构的方式，开发设计一种能满足企业对尺寸变化要求的纸张裁剪机。任务及要求（写不下可另附页）：纸张尺寸：A4；剪裁尺寸要求：3mm45mm3mm45mm连续六次； 3mm55mm3mm55mm连续五次。设计整体三维装配图，A0图纸一张；设计主要零部件图，合成A0图纸一张；控制程序的分析；编写设计说明书，1.5万字左右。工作量分配估计 (周数)备注:实习调研1阅读资料1设计计算5设计绘图6实验,制造上机运算机动0.5答辩0.5教研室主任： 学院院长（系主任）： 2005 年 12 月6 日造纸厂中的卷筒和平板纸切割造纸厂中的卷筒和平板纸切割摘要：这篇文章描述了发生在葡萄牙造纸厂，在设计和最优化的切割卷筒和平板纸的生产过程中所出现的一个现实性的工业难题。全球性的工业难题主要是宽度的设定，这些宽度的设定在生产的过程中一定要符合相应的条款，主要的目标就是要能够使一系列已经定好的卷筒和平板纸与主要的卷筒相分离。宽度结合的这个过程将决定即将被生产加工的主要卷筒的质量和重量、切割的样式以使损失达到最小，从而满足生产的需要。进程中的技术进程对这个拥有两个加工阶段的进程起着决定性的作用。本文还介绍了模型的细节和解决的方法。还包括一些解说性的计算方面的结果。 2003 Elsevier Ltd. 版权所有关键词：结合的最优化；成品纸库存；自发式1、引言在造纸厂设计纸张的生产过程中采用了许多具有实质效果的特殊方式，其中的每个方式又有自己独特的特点，同时这种方式还要求必须有8个精确无误的数学公式和解决方法1-3。然而，把所耗费的损失降到最小却是由客观性的物理作用而决定的。其余的部分则是由运行整个过程的时间、数字和切割型号的特性等因素列表而组成的。另外还有一些是常见的强制力、相关客户的说明书、战略决定和生产过程中的一些技术特性。这篇文章主要阐述了应葡萄牙造纸厂CPP的要求而设计的一套流程，主要用以产品的设计和切割纸张的卷筒。这套系统被命名为COOL（COOL代表葡萄牙的单词，意思是能使宽度的联合达到最佳化），是复杂系统的一部分，用来支撑生产纸张和操纵托盘的工具。在这篇论文里所解决的就是制定切割的型号以及生产依照型号和质量而进行分类的纸张来满足预定规格的卷筒和平板纸。这个系统基本上就是处理在符合定单的前提下设计纸张，切割主要卷筒的过程中所出现的问题。切割预计要与主轴相连，并且要考虑把损失降到最小化同时还要满足定单的数量要求。一个多样化的技术上、操作上出现的强制力包含在设计的进程之中，并引发了一个奇怪的难关。从这种观点来看，这项难题存在于成品纸库存这个问题之中4-6。这个问题忽视在卷筒末端将会出现损失而公式化的被采用，这样1D进程就被设计出来。在切割过程中的技术特性决定了拥有两个工业阶段的进程的方法论的必要性。另一个1D的切割问题可以在已经出版的文学上得到证实。不仅是造纸业，这项进程还可以应用到其他工业，例如钢铁行业7、8和塑料行业9。我们设想一个原始的解决方法来解决前面所出现的问题，与仅用人工就能获得解决方法相比，这种方法就正如造纸厂所证实的那样用节省纸张来达到重视改良的效果。这种方法是基于两个独特的呈直线型的计划模型，而这个模型则是由单一的阿拉伯算法计算而得的。那么，为了满足以往被忽略的全部限制所得到的解决方法就必须类似于后选择步骤。这个解决方法所获得的有效性是通过工业难题的整合应用模型的改革运动而获得的，这种改革运动是用微软CPLEX0的商业最优化来解决的。这篇论文的整体结构如下：第2段介绍了生产的难题和它的工业背景。特殊强调了工业环境的特殊作用以及相关的解决办法。第3段和第4段将描述出现的问题和解决问题相应的方法论。第4段列举了一个小例子来说明解决问题的进程。第5段现实性的讨论了一些可能出现的结果。2、工业环境这一研究案例是在一家葡萄牙造纸厂中进行的，因为是从纸浆开始生产纸产品，所以此案例可视为一个垂直工业流程，产品包含卷筒纸和平板纸。工厂在两类市场中运做：一类是标准纸，另一类是按要求预定纸。整个生产周期一共六周，并且由于技术因素，纸生产中存在一个或加速或减速的提前预警产品的生产连续性问题。图1 制造流程图1显示了该厂通过生产线的成品纸从纸浆中生产出再按固定宽度绕在主卷筒机上,然后主卷筒机随卷线机将卷筒纸切成小筒纸,这些卷筒纸或被直接提供给客户或送入中间仓库。在卷线机和切割机上都有少量的固定宽度的切割碎片留在纸上。这主要由采用的生产流程所决定。图2显示了计划和生产流程的相干方面。重点是主产品和副产品计划和产量的不同。计划是基于客户同属的产品定货。同一纸种和等级的卷筒纸和辅助卷筒纸一起构成了预订产品的规格。这种助卷筒纸只包含卷筒纸和平板纸中的一种。因此两种辅助卷筒纸是有区别的：一种是平板辅助卷筒纸，一种是卷筒辅助卷筒纸。辅助卷筒纸只按照有关的主卷筒纸构成其切割方式的。介绍了辅助切割，以便于对于产品生产过程和采取的解决方法有一个更好地了解。这与有关的技术过程密切相关。且当应用到切纸机时，就要求对于额外的纸宽进行考虑。在主切割方式的副切割方式的定义由相应的两项解决方案决定。在副卷筒和切割方法的终结中必须进行讨论。这些限制决定了方法的可行性。订购系统如图3所示，可在国内外市场订购（因为此公司也在葡萄牙以外运作）由市场营销部负责。如果认为合适的话，与外部订购相同。可源于这些定单产品要求或是切割定单或是预期定单。当一位客户的卷筒纸的定单可由现存（存在半成品仓库）的卷筒纸满足其要求时就生成一份切割定单，当客户的平板纸定单可由现存（存于标准仓库）的平板纸满足时，就生成一份预期定单。图2计划和生产流程图3 订购系统3问题描述为了使完成生产定单时的浪费最少，造纸中存在的工作主要是切纸方法的整合过程。它决定了主卷筒纸的重量和质量。生产系统的发展将支持产品定单的切割计划。不会干扰相关定单的完成与每个生产循环的成品纸的生产。这些是市场营销部所做的决定，最终在使用cool系统的模拟中得到了支持。在与主卷筒机有关的切割方法的定义中必须考虑到一些限制条件。这些限制条件可分为以下两方面：操作限制（包括管理和客户要求）*只有每个宽度单位的等重的卷筒纸才可以结合在一起*只有内外直径相同才可以结合*客户的内外径规格的要求必须得到满足*必须考虑到辅助卷筒机的任务，因为切纸机有不同的特点。对于切割方法提出了最小宽度的要求，以便使可用的机器得以利用。技术限制（主要归因于机器的特点）* 在输入时主卷筒机的最大和最小宽度；* 旋切刀的限制数；* 切割机最大，最小板纸宽度；* 切割机的最大切割卷筒纸直径；* 在切割机和卷线机中的边料；在造纸工业中还必须考虑一系列的欧洲耗材标准。当在完成订单的过程中（见表1）在这个范围内，客户有义务接受订货数量的不足。当产量大于最大定购数量时，市场部会努力劝说客户接受这些额外数量的产品。由于产品固有的损耗，在计划阶段是决不会考虑负损耗的。4.解决步骤所采取的解决方法在生产中已经清楚表明。主要可分三步。如图4所示。第一部包括的内容见表1。基于主卷筒的固定宽度和订单的固定宽度来选择辅助卷筒和切割方法。之后一系列的切割方法要通过排除不完善的辅助卷筒机方法或切割方法来进行筛选。所有剩下的切割方法都必须排除生产过程中存在的技术操作限制而具有可行性。第二步，在第一步中被选择和接受的切割方法在解决问题的线性规划模式的应用。发展两个真实问题的可行方法。按照循环步骤的线性解决方案，要满足在前面步骤中被忽略的各种相关变化的限制条件。在随后部分都会得到详细的阐述。介绍一个小的真实的工业例子来说明解决步骤，它与主卷筒纸长度不定情况下的生产要求。内直径或外直径没有被确定的含义是在平板纸购货或卷筒纸定购中客户并未指定直径的具体数值。宽2520mm纸的等级为250g/mm,厚度为345mm。相关的产品要求见表2。 自发循环循环过程来解决cp模式和在前面被忽略的整合属性的采用。限制例如：(1)客户确定的卷筒纸直径必须得满足,这就意味包括卷筒必须总是按要求的直径采取多样性，为了使这个过程的影响最小，定购数量如表3。解决方案按照固定直径卷筒的在建立zp模型前要选择卷筒长度最多样的一个。(2)板纸的结合重量最少,相当于纸最小长度,以便避免切纸机的无效率使用 (3)与以前的几项相似切割方法限制的重量最小以便卷线机避免无效率使用,同时使用每种切割方法来切割最小量的纸.循环模式用Lp模式的最终解决方案来开始并努力调整这些方式长度来满足以上提到的限制.新的方法虽可能与Lp1保持相似,但必须满足定购数量,第一,循环过程中尽量排除那些没有最低重量条件的方式(以上限制2和3).必须提前注明不要排除订单的独特形式.然后,剩下的形式要足足包括使用,以补偿被破坏的方法的效果.这个过程基本由连续的选择在每个方法中不能被满足的项目数量的切割方式.然后讨论用第一种切割方法切割的数量,最后,使没有被满足的项目得以满足.这个过程不断重复,直到在所有一切切割方式中没有满足的项目都得以满足为止. 即使当使用模式1时,这个循环过程也能导致标准耗材以上的过量生产.表3所示的解决方案中只有与板纸结合的最小重量相公的限制没有被fp16的长度所满足。因为它由此方法决定的板纸结合的最小重量比限制条件小，为（2730：00mm）.因为在此种方法中只有PR1002而且在FP21（x14）中也存在。所以FP16方法可被排除。FP21的数量最终的解决方法见表4。图5显示了表2中COOL系统产出的数据。图5大规模例证的计算结果5计算结果计算测试的主要目的在于确认所采取的解决步骤的有效性和在发展出的两个线形程序模式（模式1和模式2）中建立一个对比分析。在第一组计算中所甬道的数据是由市场部提供的，它与造纸长中要解决的实际问题一致。有关的定单数从3到16，定单的最大和最小宽度分别为1392mm和238mm,平均宽度为690mm。尽管这些只有相对较小的例子，但通过这些例子，公司希望使系统的应用者能够容易的对于COOL系统在使用的初始阶段的表现给以评价。计算所用的数据可在www.apdio/sicuo中找到。计算法则由c语言完成。计算结果由450赫兹的奔腾3处理器完成。为了对用以上的描述的线形模式和自发循环得到的解决方法的质量进行评价，使用了IP模式。这种IP模式能使生产的纸的数量最小同时又能严格满足定单的数量。为了考虑上述提到的全部限制，包括几个不同的变化：平板纸结合的最小重量（最小重量平板纸），应用复合整合程序模式CPLEXV。6。0版软件来解决IP模式。见图6。每个发展得到解决方法的表现（基于两个LP模式。模式1，模式2）都得到了客观的评价图6（A），用IP模式得到的结果的速率和用线形步骤得到的IP模式在每个测试实验中得到表现：Y轴的数值为1。00与IP模式结果相同。从此章中可知基于过程的线形结果大部分是与用IP模式得到的数据一致的：模式1得到的数据的与测试的%70相同，而从模式二得到的数据中有50%与之相同。但有一个例外，IP结果决不超过22%。本章中的图6（B）用于证明所采用的线形方法的充分性。在循环过程前后的结果速率都以计算。在循环过程之前在Y轴上的数值1。00就与LP模式的结果相同。在绝大多数情况下，LP路径的结果都与最终结果一致，这就意味着在循环过程中考虑的整个属性限制都不会改变线形程序的结果。这两章都表明了用模式1（使生产的纸长度最小而且不允许超出耗材标准过量生产）得到的结果都比模式2（不产生中间库存）的结果好。而且，这些说明了有必要改进模式2的循环过程。表5对比了由两个线形程序得到的结果，包括3个组成部分：生产出的中间库存的数量，在标准上超出生产的产品的数量以及不可再利用的纸的数量（废品）。所有的数量都按照整体数量的百分数来表示不考虑采取的每一个模式的客观作用：模式2尽量不产生中间库存而模式1尽量不超量生产产品。尽管如此有时这些超出部分是循环过程的必然结果。但与模式2比较它的数量就远小于模式2所产生的库存量。因为只有废品是不可再利用的部分所以图6对基于此过程的两种LP模式所得到的价值进行了一个对比。最终结果是在产生的废物最小化方面，用模式1得到的价值比用模式2得到的价值略微小一些。按照这一系列的对比实验，模式1在所有方面的表现均优于模式2。但模式2仍可在COOL系统的最终版本中使用。因为每种模式都有可能使得到的解决方案都更或甚至要求不同的工业条件：当允许或建议产生中间库存的模式1可被利用。当要求生产足够多的中间库存以满足市场的模式2就会被使用。就效率而言，LP 方法可以只使用采用IP方法生产时的时间的75%尽管对于测试的例子中的IP方法的平均解决时间为18小时，当在实际生产过程中需要时也会使用。进行搜集和测试了更大规模的一系列例子以便评价当面对大规模定货时基于IP而发展的方法的效率的表现。所有这些例子包括30个不同面的例子和在以上提到的真实定单中随机抽取的例子。主要的目的是为了对于我们的方法在特殊条件下的效率进行评估。这些测试采用模式1。结果速率和LP+ROUND-UP/IP见图5正如我们所看到的，我们用我们的方法和用基于CPLEX的IP方法在客观作用上并无大的异同。采用两种方法，用于解决10个例子所使用的时间见表6。正如我们预测的，在整个程序的时间中选择所使用的时间总是很长。但这一缺点并未经常限制整合程序的使用，例如在例子第5，7，10中便是如此。在这些例子中操作效率的不同也许更大一些。COOL系统已在造纸厂中证明了其有效性并正在广泛使用。在经济和环境上的巨大利益得到认可。根据报道转换消耗已经降低了3%。这意味每年多余1000的节约。而且在能源上也得到了巨大的节约。况且，与纸不同，能源不可重复利用。6 结论这篇论文介绍了COOL系统，此系统是在葡萄牙造纸长中解决特定的切割储存问题时发展出来的。使得在生产和切割主卷筒纸时的边缘废料最少是发展此解决过程的主要目的。由于技术原因，主卷筒纸分成两个部分，同时满足一系列的技术和操作限制。两项切割的特点对于采取的解决过程是至关重要的。由于此问题的结合属性，基于切割方法计算的解决过程得以发明。为了满足大部分的限制条件，这些方法是要进行选择的。并且这些方法在决定每种纸的生产的重量和数量的问题的线性程序计算中被用作选择列。以往被忽略的整合属性的限制通过线形程序解决方案在之后的选择中也被包括进去了。基于模式的两个线形程序得以发展和得到测试。尽管使用两个模式得到的结果非常令人满意，但是在它们中的对比分析和在每一个中的对比分析以及用整合程序模式的到的方法的分析表明循环程序仍有必要改进。尽管如此，却应该摒弃发展自发解决问题系统的想法。自动化切纸机在工业上有很大优势：可以减少产品循环和可以完成即时的定单，还可以提高客服质量。由于巨大的经济和环境利益以及操作优势，COOL系统已经在造纸厂中得以应用，并得到了积极的反馈。参考文献：1 Haessler RW. A heuristic programming solution to a nonlinear cutting stock problem. Management Science1971; 17(12):B793802.2 Johnson MP, Rennick C, Zak E. Skiving addition to the cutting stock problem in the paper industry. SIAM Review1997; 39(3):47283.3 Johnston RE. OR in the paper industry. OMEGA the International Journal of Management Science 1981; 9(1):4350.4 Dowsland KA, Dowsland WB. Packing