纸盒成型机成型机构的设计【三维SW建模】【19张CAD图纸+文档全套】
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毕 业 论 文（设计）题 目： 纸盒成型机成型机构的设计 姓 名： 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 号： 指导教师： 摘 要目前国产的设备大多是对国外进口产品的简单仿制，因此针对纸盒成型机关键部件的深入研究，对原理、结构、运动、功能等分析，提供结构简单可靠、操作方便、机械化程度高、使用范围广的纸盒成型机是很有必要的。本文在分析纸盒成型机的工艺和使用要求的基础上，通过对关键部件的理论分析，提出一种实用、简单、可靠和通用的传动系统，将结构等关键部件的设计原理、结构特点等做了较为详细的研究和设计;本文分析各机构的运动学规律，提出可行的优化结构满足切割工艺;对关键部件提出完整的设计方法，旨在满足市场需求，推动企业创新步伐。该机型为全机械设计，具有整体尺寸小、机能可靠、生产周期短、并能方便调节产品尺寸进行产品调整作业等优点，可以接入生产线流水作业，也能够进行单件少批量的生产，因此它对实际的生产具有很多现实意义。关键词关键词：纸盒成型机；纸板弯折；凸轮连杆机构；齿轮齿条；圆锥齿轮Abstract目 录摘 要Abstract.1 绪 论.11.1 各种包装纸盒及其分类.1 1.2 纸盒成型机设计的目的和意义.3 1.3 纸盒成型机国内外研究现状.32 设计主要研究的内容.73 纸盒成型机总体方案的确定.84 成型机各部件设计.94.1 凸轮连杆机构的设计.94.2 纵向和横向弯折板的设计12 4.3 侧壁纸舌弯折及涂胶机构的设计135 纸盒成型机相关参数的确定.145.1 弹簧的设计14 5.2 带轮的设计175.3 轴的设计与强度校核185.4 锥齿轮的设计计算215.5 电动机的选择23 5.6 机体结构设计236 结论.25 6.1 结论.25 6.2 设计中的不足25参考文献.26致谢.2701 绪论1.1 课题研究意义制造业是国家重要的基础工业之一，制造业的基础是。是众多机械制造的母机，它的发展水平，与制造业的生产能力和制造精度有着直接关系，关系到国家机械工业以至整个制造业的发展水平.是先进制造技术的基本单元载体，机械产品的质量、更新速度、对市场的应变能力、生产效率等在很大程度上取决于的效能。因此，制造业对于一个国家经济发展起着举足轻重的作用我国是世界上产量最多的国家.根据德国工业协会(VD W )2000 年统计资料，在主要的生产国家中，中国排名为世界第五位。但是在国际市场竞争中仍处于较低水平:即使在国内市场也面临着严峻的形势:一方面国内市场对各类产品有着大量的需求，而另一方面却有不少国产滞销积压，国外产品充斥市场。1.1.2 包装的分类及作用包装的分类方法很多，按包装产品的流通领域分类，有工业产品包装和商业产品包装，按产品包装的结构形式分类，有内包装和外包装；还可以按包装材料或包装容器的品种类别分类以及按包装对象即包装物品的名称分类等等。其中按包装的结构形式分类比较有意义，内包装是一种基本的包装结构形式，它包括直接包装和中间包装。直接包装是用包装材料或容器直接裹包产品或装载的包装形式；包装材料或容器与被包装物品间保持着直接触，是最小的包装单元。直接包装时，必须根据被包装物品的物理性能，按包装要求，选择包装材料或容器，制定包装工艺，选择或设计包装机械设备。中间包装是以一定数量的直接包装品经组合后再作一次包装的包装形式。如物品装瓶或装袋后的装盒包装；卷烟小包包装后的条包包装；牙膏类物品的装管封尾后的装盒包装等。随着消费者需要的多样化，尤其是超级市场的发展，内包装突出日益重要的地位。完成内包装所需的机器设备，在包装工业中的需求量最大。 外包装是以一定数额的、经内包装后的产品装裁到包装箱的包装结构形式。包装箱现在多用瓦楞纸板箱。内包装的主要目的，在于促进销售，并为消费者提供使用上的方便，在包装设计中，除保证包装内容物质和量的要求外，还需重视包装装潢的重要作用。外包装的主要目的，是为流通储运提供保障，要求包装坚固牢实。包装是对被包装物所采取的一种保护性措施，包装的主要目的在于保护产品的使用价值。因此，包装中还要顾及到物品在流通中的运输、装卸、存贮保管和销售的方便；此外，包装的装潢还起到美化、宣传和推销的作用。包装加工是产品在生产中的最后环节，是提高产品的商品价值不可忽视的重要环节。包装机发展方向目前，国外包装和机械水平高的国家主要是美国、德国、日本、意大利和英国。而德国的包装机械在设计、制造及技术性能等方面则居于领先地位，2002 年德国包装机械产值达 34 亿欧元，其产量的 77 %为出口产品。最近几年，这些国家包装和机械1设备发展呈现出新的趋势。德国包装机械设计的新趋势 德国与美国、日本、意大利均为世界包装机械大国。在包装机械设计、制造、技术性能等方面居于领先地位。德国包装机械的设计是依据市场调研及市场分析结果进行的，其，目标是努力为客户，尤其是为大型企业服务。为满足客户要求，德国包装机械制造厂商和设计部门采取了诸多措施： (1)工艺流程自动化程度越来越高，以提高生产率和设备的柔性及灵活性。采用机械手完成复杂的动作。操作时，在由电脑控制的摄像机录取信息和监控下，机械手按电脑指令完成规定动作，确保包装的质量。 (2)提高生产效率，降低生产成本，最大限度地满足生产要求。德国包装机械以饮料、啤酒灌装机械和包装机械见长，具有高速、成套、自动化程度高和可靠性好等特点。其饮料灌装速度高达 12 万瓶/h，小袋包装机的包装速度高达 900 袋min。 (3)使产品机械和包装机械一体化。许多产品要求生产之后直接进行包装，以提高生产效率。如德国生产的巧克力生产及包装设备，就是由一个系统控制完成的。两者一体化，关键是要解决好在生产能力上相互匹配的问题。 (4)适应产制品变化，具有良好的柔性和灵活性。由于市场的激烈竞争，产品更新换代的周期越来越短。如化妆品生产三年一变，甚至一个季度一变，生产量又都很大，因此要求包装机械具有良好的柔性和灵活性，使包装机械的寿命远大于产品的寿命周期，这样才能符合经济性的要求。 (5)普遍使用计算机仿真设计技术。随着新产品开发速度不断加快，德国包装机械设计普遍采用了计算机仿真设计技术，大大缩短了包装机械的开发设计周期。 包装机械设计不仅要重视其能力和效率，还要注重其经济性。所谓经济性不完全是机械设备本身的成本，更重要的是运转成本，因为设备折旧费只占成本的 68，其他的就是运转成本。1.3 国内包装机发展现状及趋势我国包装机械行业起步于 20 世纪 70 年代，在 80 年代末和 90 年代中得到迅速发展。已成为机械工业中的 10 大行业之一，无论是产量，还是品种上，都取得了令人瞩目的成就，为我国包装工业的快速发展提供了有力的保障。目前，我国已成为世界包装机械工业生产和消费大国之一。 包装机械作为一种产品，它的含义不仅仅是产品本身的物质意义，而是包括形式产品、隐形产品及延伸产品 3 层含义。形式产品是指包装机本身的具体形态和基本功能；隐形产品是指包装机给用户提供的实际效用；延伸产品是指包装机的质量保证、使用指导和售后服务等。所以包装机的设计应该包括：市场调研、原理图设计、结构设计、施工图设计、使用说明书编写及售后服务预案等。 包装机械设计的类别主要有：测绘仿制设计、开发性设计、改进性设计、系列化设计。如啤酒灌装生产线生产能力为 164 万瓶/h，其中灌装机的灌装阀工位数从 48 个、60 个、90 个到 120 个就属于系列化设计。 由普通啤酒灌装生产线到纯生啤酒灌装生产线的设计就属于改进、开发性设计。对于中低速运行的包装机，目前我们基本上可以进行自主设计。而高速运行的包装机，特别是一些先进机型，大多是测绘、仿制国外的同类机型，进行国产化设计和系列化设计。其主要的原因是：(1)大多数设计人员还没有真正掌握先进的设计方法，如高速包装机械的动力学设计理论和方法等，对高速工况下机构的动态精度分析等问题还不能模拟解决；(2)产、学、研结合不够紧密，理论上的科研成果不能及时地在实际设计中运用，设计人员缺乏及时的技术培训；(3)整个行业缺乏宏观调控的力度，优势资源不能得到合2理的配置与调整。 在包装机械设计领域，绝大多数设计人员仍沿用以前的设计方法：(1)根据设计任务书寻找同类机型作为样机；(2)参考样机制定各项技术性能指标及使用范围；(3)设计工作原理图、传动系统图；(4)设计关键零件，部件；(5)设计总装图方案和动作循环图；(6)设计部件图、总装图和零件图；(7)对主要部件中的关键零件进行强度、刚度校核；(8)设计控制原理图、施工图等。 而今，国内一些大学的设计软件，可以对包装机中常用机构进行有限元分析和优化设计，其开发的凸轮连杆机构 CADCAM 软件已经能够满足企业进行凸轮连杆机构自主设计的能力，但在实际包装机械的设计中应用还不普遍。 新型包装机械往往是机、电、气一体化的设备。充分利用信息产品的最新成果，采用气动执行机构、伺服电机驱动等分离传动技术，可使整机的传动链大大缩短，结构大为简化，工作精度和速度大大提高。其中的关键技术之一是采用了多电机拖动的同步控制技术。其实掌握这种技术并不很难，只是一些设计人员不了解包装机械的这一发展趋势。如果说以前我国包装机械设计是仿制、学习阶段，那么现在我们应该有创新设计的意识我国包装业技术与机械近些年所取得的成绩是显著的，其起步于 20 世纪 70 年代末，刚起步时年产值仅七、八千万元，产品品种仅 100 余种，技术水平也较低。在 20 纪 80 年代中期至 20 世纪年代中期十余年的时间里，才得到快速发展，年增长率达到 20%30% ，到 1999 年底和包装机械达 40 大类，品种达 1700 种，到 2000 年产值增加到 300 亿元，且技术水平也上了个台阶，开始出现了规模化、自动化趋势，传动复杂、技术含量高的设备也开始出现，许多包装机械如液体灌装机等设备已开始成套出口。33 纸盒成型机总体方案的确定粘贴式纸盒成型机主要包括纸盒侧壁弯折装置、纸舌弯折装置、尺寸调整装置、凸轮连杆机构、带轮、锥齿轮、和电机等组成。电动机输出轴直接或者通过减速器减速后将动力传送到同时安装有带轮和凸轮的传动轴上，带轮分布在大凸轮两侧，通过皮带分别连接到下方左右对称的两个带轮上，带轮和与其成 90的小凸轮通过一对锥齿轮啮合传递动力。整个纸盒成型机的工作过程类似于一个冲压过程。上冲压头通过具有特定轮廓形状的大凸转动在竖直方向按一定规律往返运动，大凸轮转动一周为一个纸盒生产周期。左右两侧纸舌弯折板通过两侧小凸轮转动实现左右移动，实现纸舌的弯折与涂胶。纸盒成型过程为：纸板上表面在上冲头的带动下向下运动，先经过纵向方向的一对弯折板，带有纸舌的两侧纸板被弯折，纸板停留0.5s，此时下端带有涂胶装置的纸舌弯折板在小凸轮带动下在水平方向运动到最大位移处实现四个纸舌的弯折，上冲头带动半成型纸盒继续向下运动，到竖直方向最大位移时，纸舌表面经过涂胶装置被涂胶同时完成另外两侧纸板的弯折并与表面涂胶纸舌的粘合。下冲头由弹簧与机架连接，横向和纵向弯折板由横向和纵向双向螺纹调整杆进行板间距离调整以适应不同尺寸规格的纸盒生产。主要结构如图 3-1。4图 3-1 粘贴式纸盒成型机机体主要运动部分组成1 大凸轮 2 带轮 3 电动机主轴 4 连杆 5 上冲头 6 下冲头 7 小凸轮 8 锥齿轮 9 横向弯折板 10 双向螺纹调整杆 11 三角铁 12 纵向弯折板 13 带轮 14 纸舌弯板 15 齿轮齿条 16 弹簧 17 张紧轮 18 皮带本课题拟设计一种方便实用的小型粘贴式天地盖纸盒成型机，用于简单纸盒的成型加工。能够方便调节纸盒成型机内部结构尺寸，生产不同规格尺寸的纸盒，并且生产周期较短，外观整体结构小，可以进行单件少量的生产，也可以接入生产线进行流水作业。纸盒成型最小尺寸为 100mm 100mm 30mm，最大尺寸为 200mm 300mm 30mm。纸盒尺寸如图 2-1。 图 2-1 粘贴纸盒成型最小及最大尺寸（单位：mm）纸盒成型过程为：先弯折带有纸舌两侧的纸板，然后进行纸舌的弯折以及纸舌表面5的涂胶，最后进行另外两侧纸板的弯折同时与表面已涂胶的纸舌粘合，成型过程如图 2-2。图 2-2 粘贴式纸盒成型过程数据、资料、技术方面的要求：所设纸盒成型机能可靠、安全地进行成型作业，并能方便调节产品尺寸进行产品调整作业。4 成型机构设计4.1 凸轮机构的设计凸轮从动件运动规律基本运动规律从动件位移 s 随凸轮转角 的变化情况如图 2-3 所示，图中横坐标代表凸轮转角 ，纵坐标代表从动件位移 s、速度 v 和加速度 a 随凸轮转角 的变化规律称为从动件运动规律。从动件运动规律又可分为基本运动规律，基本运动规律有以下几种： 6图 2-3等速运动规律：从动件在运动过程中速度为常数，而在运动的始、末点处速度产生突变，理论上加速度为无穷大，产生无穷大的惯性力，机构将产生极大的冲击，称为刚性冲击，次类运动规律只使用于低速运动的场合。等加速等减速运动规律：从动件在运动过程中加速度为常数，而在运动的始、末点处加速度有突变，产生较大的加速度和惯性力，由此而引起的冲击称为柔性冲击，这种运动规律只适用与中速运动的场合。余弦加速度运动规律：又名简谐运动规律。从动件在整个运动过程中速度皆连续，但在运动的始、末点处加速度有突变，产生柔性冲击，因而也只适用中速运动场合。正弦加速度运动规律：又名摆线运动规律。从动件在整个运动过程中速度和加速度皆连续无突变，避免了刚性冲击和柔性冲击，可以用于高速运动的场合。在工程实际中，为使凸轮机构获得更好的工作性能，经常采用以某种基本运动规律为基础，辅之以其他运动规律与其组合，从而获得组合运动规律。当采用不用的运动规律组合成改进型运动规律时，它们在连接点处的位移、速度和加速度应分别相等；这就是两运动规律组合时必须满足的边界条件。常用的组合运动规律有：改进性等速运动规律，改进性正弦加速度运动规律和改进性梯形加速度运动规律。基本的从动件运动规律方程如表 2-1：从动件运动位移方程从动件运动方程运动规律推程回程等速运动规律SS=h-7SS=h-等加速等减速运动规律S=hS余弦加速度运动规律SS正弦加速度运动规律SS表 2-15.2 凸轮轮廓线曲线的设计凸轮机构设计的关键是凸轮轮廓曲线的设计,而凸轮的轮廓曲线形状取决于从动件运动规律。从动件运动规律的形式通常有多项式运动规律、三角函数运动规律、组合运动规律等。凸轮机构从动件常用的等速(加速度 a=0)、等加速等减速(加速度为常数,即 a=c)、简谐(又称余弦加速度规律)、摆线(又称正弦加速度规律)等 4 种形式的运动规律。在设计凸轮轮廓曲线之前,必须首先根据机构的工作要求选定从动件运动规律。从动件的运动规律确定后,通过计算机仿真就可以得到凸轮的精确轮廓线。以摆动滚子从动件盘形凸轮机构为例。图 2-4 为摆动滚子从动件盘性凸轮机构简图。其中 C(为凸轮理论轮廓线上的任意一点，N（） 、分别为外缘和内缘凸轮工作轮廓上与点 C 对应的点，D、分别为加工 N 点和点时刀具中心的位置， 图82-4为刀具半径，为滚子半径，为基圆半径，为摆杆初始角（,S 为摆角增量， 为凸轮转角，L 为摆心距，l 为摆杆长，为角速度。在图 2-4 直角坐标系中，由三角形的函数关系可以得到凸轮任一时刻理论轮廓直角坐标为 (2-1) (2-2)工作轮廓坐标为： (2-3) (2-4) (2-5)当凸轮机构为外缘型时，工作轮廓坐标中的和 取上方的符号，为内缘型时取下方的符号。计算刀具中心轨迹坐标时，将以代入工作轮廓坐标即可。设凸轮以等角速度逆时针方向转动，凸轮基园半径、滚子半径，导路和凸轮轴心间的相对位置及偏距e，从动件的运动规律 S，如图 2-5。(1)理论轮廓线方程 B9图 2-6 图 2-5其中(2)实际轮廓方程如图 2-6 (2-6)105.3 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构的压力角及许用值 (1)压力角：从动件于凸轮在接触点处的受力方向与其在该点绝对速度方向之间所夹的锐角即为压力角。如图 2-7 所示 (2)许用压力角：为了改善凸轮机构的受力情况，提高机械效率，规定了允许采用的最大压力角。推程（工作行程）推荐的许用压力角为：直动从动件：摆动从动件：回程（空回行程） (3)基圆半径的确定：根据公式： 图 2-7为保证凸轮机构在整个运动周期中均能满足,应选取计算结果中的最大值作为凸轮的基圆半径。大凸轮两侧各有一个皮带轮，共用一个中心轴连接到电动机主轴上，大凸轮转动一周带动连杆以及上冲压头竖直方向的来回移动完成一次冲压行程，两侧的皮带轮通过皮带将动力传送到纸舌弯折机构，结构如图 4-1 所示。11图 4-1 大凸轮轮廓形状大凸轮的结构设计是整个成型机的关键部分，整个冲压过程分为两个阶段，第一阶段首先实现带有纸舌两侧纸板的弯折，冲压头运动到某一位置之后停留一段时间，等到纸舌弯折板完全伸出实现纸舌弯折，然后继续第二行程实现另外两侧纸板弯折。由于生产的纸盒尺寸可变，因此在生产不同尺寸规格的纸盒时需要调节成型相关成型机构的尺寸，纵向和横向两对弯折板间尺寸均通过带有双向螺纹的纵横向调整杆调节，纵向弯折板与纸舌弯折机构固连在一起，当纵向弯折板间距离变化时会带动纸舌弯折机构中带轮间距的相应变化，因此在皮带长度不变而上下两带轮间的距离变化的情况下，皮带需要通过一对张紧轮张紧以保证调整尺寸后纸盒成型机能够继续工作，张紧轮安装在焊接在机体的导向柱上，紧固螺钉放松时可以沿导向柱方向来回移动，上冲头除了连接有四个拉伸弹簧外，还有通过四个导向柱通到纸盒成型机上方机体的导向套内，以保证连杆和冲头在上下运动工程中的稳定性。图 3-2 为设计的大凸轮轮廓，工作前连杆与大凸轮在初始位置 A 处接触，电动机启动后，A-B 为圆弧，冲头在竖直方向没有位移，这段时间实现纸板的送料，B-C 段冲头向下运动到第一冲压行程结束，实现带有纸舌两侧纸板的弯折，C-D 为冲头停留时间，在该时间内带有涂胶装置的左右两侧纸舌弯板伸出对纸舌进行弯折，D-E 段纸舌弯板不动，冲头继续向下运动，运动到对应大凸轮上的 E 点时，涂胶完成后的纸舌弯板不再与纸板接触，开始做收回运动，D-F 段冲头向下运动，该过程实现另外两侧纸板的弯折并且与涂完胶的纸舌粘贴结合，在经过凸轮上 F 处后，冲头开始由最低位置向上运动，为使回收的12弯板不与向上运动的冲头发生干涉，确定 E-G 为其对应运动时间，在 G 处，纸舌弯板完全收回，而上冲头恰好运动到纸舌弯板完全伸出时的下边缘位置，避免发生干涉，此后冲头在 G-A 段内运动到初始位置，完成一次纸盒成型过程，A-B 段在下一张纸板输送的同时完成对已成型纸盒的出料。在大凸轮运动过程中，有 A-B,C-D 两段圆弧，对应冲头停留过程，大凸轮轮廓的设计需要与纸舌弯折机构上的小凸轮轮廓在时间上有确定的对应关系。具体设计计算过程：A-B 为纸板输送（纸盒送出）时间，初选AOB=40，BC 为冲头第一冲压过程，位移 8cm,根据经验设定其运动速度为 16cm/s，用时 0.5s。为实现其匀速运动，根据机械原理盘型凸轮轮廓曲线的设计的几何法绘制出 B-C 间轮廓曲线。规定冲头在第一停留位置 C-D 段停留时间为 0.5s,第一次停留结束到运动至最低点 D-F 段时间为 0.4s。由于大凸轮作匀速转动，转动角度与所需时间成正比，所以由， H-B 段对应时间11.420160t=0.175s。凸轮转动周期 T=（0.175+0.5+0.5+0.4）=3.15s,同理可求出相关角度1t2BOC=AOB=57,DOF=40。E-G 段为左右两侧弯折板收回时间，设定其收回时间为0.35s，对应角度EOG=40，半径为 11cm 的圆弧与角度为 40的两条射线围成的扇形绕O 点转动到合适位置后，绘制由 D-A 间的平滑圆弧。因为大凸轮转动一周必须完成一次成型，所以通过皮带和锥齿轮传动后的小凸轮运动周期与大凸轮必须相同，小凸轮设计如图 4-2 所示，在时间对应关系上，1 1A BCDtt，。计算角度=57，=34, =40。,1 1B CDEtt1 1C DEGtt111AO B111BOC111C O D11AB根据匀速运动规律绘制两端轮廓曲线。11CD13图 4-2 小凸轮轮廓形状（1）大凸轮滚子半径的确定在凸轮连杆机构中，滚子半径对凸轮实际轮廓曲线的形状有很大影响，凸轮滚子半径如果选择必须恰当，才能准确实现所预期的运动规律。根据程友联主编机械原理P145 图 4-28 所示，凸轮的理论轮廓曲线曲率半径、实际轮廓曲线曲率半径与滚子半径有下列关系：当凸轮轮廓曲线内凹时，实际轮廓曲线曲率半径=理论轮廓曲线曲率半径+滚子半径，这时实际轮廓曲线曲率半径总是大于理论轮廓曲线曲率半径。此时实际轮廓线不受所选用的滚子半径的影响可根据理论轮廓曲线直接作出；当凸轮轮廓线外凸时，实际轮廓曲线曲率半径=理论轮廓曲线曲率半径-滚子半径，根据滚子半径和凸轮的理论轮廓曲线曲率半径的大小关系可能会运动失真和材料磨损的情况14。因此为避免运动失真，减小应力集中和磨损，设计时应保证实际轮廓线的最小曲率半径大于滚子半径，取滚子半径=15mm。综合考虑以上情况，根据已绘制的大凸轮轮廓曲线确定滚子半径为 30mm。（1） 大小凸轮轴孔半径的确定因为大凸轮传递的转矩比较大，所以大凸轮与轴采用凸轮与轴键联接的安装方式，根据吴宗泽机械设计手册P340 表 5-47 凸轮与轴安装结构：滚子半径理论轮廓半径+滚子半径+（25）mm，确定大凸轮轴孔半径为 15mm；14根据理论轮廓半径凸轮轮毂半径+滚子半径+（25）mm，确定凸轮轮毂半径为35mm。 小凸轮传递的力矩相对较小，由滚子半径理论轮廓半径+滚子半径+（25）mm15，确定小凸轮轴孔半径为 7.5mm。（3）小凸轮平底宽度的确定设计平底从动件凸轮机构，要保证从动件的平底与凸轮轮廓线始终接触，这就需要平底的宽度足够大，否则会引起运动失真现象。从动件平底与凸轮的接触点并不总是在从动件移动的导路中心线上，而接触点同导路中心线与平底的交点的距离和方位随机构的运动不断变化。因此为保证从动件平底与凸轮的正常接触，平底左右两侧的最小宽度应大于接触点和交点之间的最大距离。当交点位于接触点右侧时，这一最大距离为；当交点位于接触点左侧时，这一最大距离为；平底宽度 b 满足：bmaxdsdmindsd 一般取 b=2+(57)mm16。maxdsdmaxdsd由此根据已绘制的小凸轮轮廓曲线确定平底宽度为 60mm。4.2 纵向和横向弯折板的设计图 4-3 纵向和横向弯折板设计成型架部分尺寸如图 4-3 所示，其中纵向弯折板和横向弯折板均由厚度为 2mm 的15Q195 钢板弯折而成，纵向弯折板下端 30mm 处为间距为 10mm 的铁丝栅格，纵横向弯折板间不固结，有一段很小的间隙避免摩擦，纵向和横向弯折板均通过焊接角铁、螺母连接到空间垂直交错的两根带有双向螺纹的调整杆上，调整杆一端伸出箱体外壳安装转轮实现调整杆的转动以带动弯折板相对或相向移动来调节板间尺寸。连接弯折板与纵横向调整杆的角铁通过导轨安装到箱体内壁的导轨槽内，实现整个结构在箱体内的定位。4.3 侧壁纸舌弯折及涂胶机构的设计图 4-4 侧壁纸舌弯折及涂胶机构1.皮带 2.带轮 3.锥齿轮 4.小凸轮 5.拉伸弹簧 6.齿轮 7.齿条 8.纸舌弯板 9.连杆如图 4-4 所示为纸舌弯折机构的结构设计，竖直方向锥齿轮与带轮同轴，在皮带轮的带动下与水平方向的锥齿轮啮合，使与其同轴的小带轮做匀速圆周运动，小凸轮具有一定的实际轮廓，因而能够使右侧与其接触的连杆在水平方向在一个运动周期内按一定规律来回移动，8 为一对纸舌弯板，分别固连在与齿轮 6 啮合的两个齿条上，可以通过齿轮的转动调整板间距离以适合不同尺寸纸盒的生产。当凸轮带动连杆运动到最大位移过程中，两个纸舌弯板实现对纸舌的弯折，随后弯板将会在水平方向最大位移处停留 0.5s，在这段停留时间内上冲头和弯折的纸板继续向下运动，弯折板 8 最下端安装涂胶装置，在弯折后的纸舌最上端运动到纸舌弯板的最下端过程中纸舌表面被均匀的涂上胶水。此后16纸舌弯板开始往回运动，上冲头带动纸板运动经过横向弯折板，实现另外两侧纸板的弯折和与纸舌的粘贴。整个结构通过角铁固定在纵向弯折板上，下方通过角铁固定在箱体内的短导轨上。175 纸盒成型机相关参数的确定5.1 弹簧的设计在本次设计中主要用到圆柱螺旋拉伸弹簧和压缩弹簧。5.11 圆柱螺旋拉伸弹簧（1）与大凸轮相连的滚子连杆一端连接在上冲头上，另一端与大凸轮外缘接触。上冲头通过对称的四根弹簧连接在机体上，在每个弹簧旁边各有一个导向杆连在大凸轮机体外壳的导向套内保证连杆运动过程中的稳定性。每个弹簧最大拉伸量为 12mm，弹簧最初受力N，每个弹簧所受最大拉力为01.5F 3N。根据成大先机械设计手册.弹簧第五版 P38 设计弹簧尺寸17：最大拉力 =5N；nP最小拉力 =2.5 N；1P工作行程 h=120mm；弹簧外径 18mm；2D载荷作用次数 N次；310弹簧材料 碳素弹簧钢丝 C 级；端部结构 圆钩环压中心；初算弹簧刚度 =()/h=0.0208mm； （5-P1-nP P5-2.51201）工作极限载荷 =6.25N； （5-jPnP8 . 012）材料直径 d 及弹簧中径 D 查表 11-2-19，选取d=0.5mm，D=7mm，=7.00N，=3.888mm，=1.80N/mm，=0N；jPjfdP0P有效圈数 n=86.5，取 n=86 圈； （5-PdP0208. 080. 13）18弹簧刚度 =0.02093N/mm； （5-PndP8680. 14）最小载荷下的变形量 =119.4mm； （5-1F1-P PoP2.500.020935）最大载荷下的变形量 =238.9mm； （5-nF-nPPoP500.020936）极限载荷下的变形量 =n 0.8=3.888 86 0.8=267.49mm； （5-jFjf7）弹簧外径 =D+d=7+0.5=7.5mm；2D弹簧内径 =D-d=7-0.5=6.5mm；1D自由长度 =(n+1.5)d+2D=(86+1.5)d+2 7=57.75mm； （5-0H8）最小载荷下的长度 =+=57.75+119.4=177.1mm； （5-1H0H1F1）最大载荷下的长度 =+=57.75+238.9=296.6mm； （5-nH0H2F9）工作极限载荷下的长度 =+=57.75+267.49=325.2mm； （5-jH0HjF10）展开长度 L=Dn+2d=3.14 7 86+2 3.14 7=1934.24mm； （5- 11）实际极限变形量 +=240.38+=240.38 (2.5)N；jPnP19图 5-1 拉伸弹簧（2）小凸轮连杆上的拉伸弹簧尺寸的设计： 最大拉力 1N，最小拉力 0N，工作行程 10mm，其他设计计算过程同上，具体设计尺寸要求见图纸。5.12 圆柱螺旋压缩弹簧下冲头通过圆柱螺旋压缩弹簧连接在机架上，弹簧直径稍大保证在冲压过程中下冲头基本在竖直方向。最小工作载荷 =1.5N；1P最大工作载荷 =4.5N；nP工作行程 h=80mm；弹簧外径 45mm；2D弹簧类别 N=-次； 310610弹簧材料 碳素弹簧钢丝 C 级；端部结构 端部并紧、磨平、两端支撑圈各一圈；初算弹簧刚度 =()/h=0.0375 N/mm； （5-P1-nP P12）20工作极限载荷 =1.25 5=5.625 N；jP材料直径 d 及弹簧中径 D 查表 11-2-19，选取d=0.5mm，D=7mm，=7.00N，=3.888mm，=1.80N/mm，=0N；jPjfdP0P有效圈数 n=48； （5-PdP1.800.037513）按表 11-2-10 取标准值 n=30 圈； 总圈数 =n+2=30+2=32 圈； （5-1n14）弹簧刚度 =0.06N/mm； （5-PdPn1.803015）工作极限载荷下的变形量 =n=3.888 30=116.6mm； （5-jFjf16）节距 t=+d=+0.5=4.4mm； （5-Fjn116.63017）自由长度 =nt+1.5d=304.4+1.50.5=132.75； （5-0H18）取标准值 140mm； 弹簧外径 =D+d=7+0.5=7.5mm；2D弹簧内径 =D-d=7-0.5=6.5mm；1D螺旋角 ； （5-4.4=arctanarctan11.33.14 7td19）展开长度 Lmm； （5-13.14 7 32717.3coscos11.3Dn 20）最小载荷下的长度 = mm； （5-1H101.51401150.06pHp21）21最大载荷下的长度 =mm； （5-nH04.5140650.06nPHP22）工作极限载荷下的长度 =mm； （5-jH05.62514046.250.06jPHP23）实际工作行程 mm；1n11565=50hH H工作区范围 ；1250.28;0.7177njjPPPP图 5-2 压缩弹簧5.2 带轮的设计带轮在成型机工作过程中主要作用是使大凸轮与小凸轮具有相同的运动周期，并且只传递很小的转矩，因此可选定每个皮带相连的两个带轮完全相同，V 带根数为一根，由于生产的纸盒尺寸在一定尺寸范围内，所以需要根据实际情况调节两皮带轮之间的距离，当两皮带轮间距由大变小时，皮带变松，需要靠张紧轮调节，保证皮带的张紧。皮带轮在纸盒成型机的设计中只传递很小的转矩，主要起连接传动的作用，可根据实际情况选择普通 V 带，带轮基准直径 60mm。22图 5-3 带轮5.3 轴的设计5.31 轴的结构设计与大凸轮相联接的轴为运动主轴，通过联轴器与电动机主轴联接，轴的最小直径是安装联轴器处轴的直径，现计算主轴传递的最大转矩：上下冲头均通过四根弹簧连接在机架上，上冲头处于最大行程时根据前面弹簧的设计计算可确定最大拉力为2.5 4=10N。下冲头处于最大行程时所受最大压力为 2 4=8N。当大凸轮转动到冲头最大行程处时，所受最大转矩为（10+8） 0.19=3.42Nm。同时考虑到其他阻力的作用，主轴所受最大转矩不大于 5Nm。根据计算转矩应小于联轴器公称转矩的要求，查机械caTcaT设计手册，选用 YL1 联轴器，公称转矩为 10Nm，半联轴器与轴配合的毂孔长度32mm，半联轴器的孔径为 20mm。（1）轴上零件装配方案轴上零件装配方案如图 5-423图 5-4 轴的结构及零件装配图1.联轴器 2.轴承端盖 3.机体 4.滚动轴承 5.套筒 6.小带轮 7.套筒 8.大凸轮 9.套筒 10.小带轮 11.套筒 12.滚动轴承 13.轴承端盖（2）根据轴上的周向定位要求确定各部分轴段直径和长度-段右端须制出一轴肩以满足半轴联轴器的轴向定位要求，取-段的直径为=26mm；左端挡圈直径为 D=30mm。轴与半联轴器配合的毂长度为=32mm，同d1L时-的长度应比略短一些以保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，1L现取=30mm。l 初选滚动轴承。因轴承只承受有径向力的作用，故选用深沟球轴承。根据=26mm 和工作要求，初步选取标准精度等级、0 基本游隙组的深沟球轴承 16006，d其尺寸为mm，=30mm，=9mm。30 55 9dD Tddl 凸轮处的轴段-的直径取=30mm，右端根据轴肩高度的要求，取dh0.07d定位轴肩高度 h=3mm，因此=36mm，宽度，取=5mm。左带轮与凸轮d1.4bhl的左端之间采用套筒进行定位。 轴承端盖的总宽度为 10mm（由成型机整体结构及轴承端盖的设计而定） 。半联轴器右端面与端盖的外端之间距离为 10mm，以便于端盖的安装拆卸以及便于添加润滑油 带轮轴孔直径为 30mm，宽度为 18mm，轴上其他部分的设计如上图。24（3）轴上零件的周向定位凸轮、带轮、半联轴器与轴之间轴向定位都采用平键连接的方式。根据的大小d由表 6-1 查得带轮处和凸轮处平键截面均为，长度分别为 15mm 和=87b hmmmm32mm，选择凸轮轮毂与轴的配合为过渡配合；半联轴器与轴的连接，选用平键为76Hn，半联轴器与轴的配合为。选轴的基本尺寸公差为 m6 来保证滚动6625mmmmmm76Hk轴承与轴的周向定位。(4)确定轴上的倒角和圆角尺寸各轴端和轴肩处的倒角圆角半径详见 39 号轴图纸。5.32 求轴上的载荷从手册中查取 a 值以确定轴承的支点位置，对于 16006 型深沟球轴承，由手册中查得a=9mm。轴的弯矩图和扭矩图如图 5-5。图 5-5 轴的弯矩图和扭矩图在轴的结构图上当上冲头运动至最低处时，大凸轮受滚子最大压力（主要来自拉伸与压缩弹簧）约为 40N，C 及 E 点处为皮带对带轮的径向力，从轴的结构图及弯矩和扭矩图中可以看出 D 是轴的危险截面。现将计算出的 D 截面处的及的值列于下表VMM25（各受力均按最大计算） 。表 1 D 截面处的及的值VMM载荷水平面 H垂直面 V支反力 F=5N，=5N，=10N，=-1NHF2NHF1tF2tF30N，=10N3tF=-5N，=-5N，=-1NVF2NVF1rF15N，=40N，=-15N2rF3rF弯矩 M=330Nmm，=-2610Nmm，1HM2HM=-330Nmm3HM=-495Nmm ，=3480 Nmm，1VM2VM=-495Nmm3VM总弯矩=594.9 Nmm，=4350 Nmm，1M2211HVMM2M2222HVMM=594.9 Nmm3M2233HVMM扭矩=330 Nmm，=5700 Nmm1T3T2T5.33 按弯扭合成应力校核轴的强度轴强度的校核一般只校核轴上危险截面（即截面 D）处强度18。根据计算的上面表中的数据，取=0.6，计算轴的应力 （5-2222maxmaxca343506030=0.050.42 70MTMPaW24） 由表查得= 60MPa。因此，故安全。1ca15.4 锥齿轮的设计计算 在纸盒成型机中用到的锥齿轮为两对规格尺寸完全相同的轴线方向 90 度垂直相交的啮合锥齿轮，其中每对锥齿轮中一个与带轮同轴，另一个与小凸轮同轴。本次设计中所用的带轮与锥齿轮都是尺寸规格完全相同以保证大小凸轮有相同的运动周期。锥齿轮设计参数：对轴交角为 90 度的直齿锥齿轮传动，选齿轮齿数为 25，其齿数比 u、锥距 R、分度圆直径、平均分度圆直径、1d2d1md26、当量齿轮的分度圆直径、之间的关系分别为：2md1vd2vd =121； （5-221211tancotzduzd25）=60mm，=45；1d2d12=42mm；2221211()()222dduRd ； （5-12121 0.5mmddbddR 26）锥齿轮传动的齿宽系数，取=1/3，于是= /Rb RR ； （5-(1 0.5)mRdd27）mm，mm。12(1 0.5)60 (1 0.5 0.3)51mmmRdddd14RbR当量直齿圆柱齿轮的分度圆半径与平均分度圆直径的关系式为vrmd36mm； （5-51=2cos2 cos45mvdr28）以表示当量直齿圆柱齿轮的模数，亦即锥齿轮平均分度圆上轮齿的模数，则当量mm齿数 35.3，=2.0；25=coscos45vvmdzzmmm当量齿轮的齿数比 =1； （5-221vvvzuuz29）为使锥齿轮不知发生根切，应使当量齿数不小于直齿圆柱齿轮的根切齿数，由得出平均模数和大端模数 m 的关系为 ； （5-mm(1 0.5)mRmm30）求得 m=2.3mm。27根据大连理工大学工程图学教研室机械制图第六版 P302 绘制锥齿轮19。图 5-6 锥齿轮5.5 电动机的选择本次纸盒成型机的设计中，生产一个纸盒的周期为 3.15 秒，所需主动轴转速为 19 转/分，当冲头位于最低位置时通过计算主轴转矩最大约为 5700 Nmm，由于转速和转矩比较小，所以可以考虑用步进电机带动。步进电机是一种执行元件，它能够把电脉冲信号转换成角位移或直线位移。其转速有三个特点：转动速度与脉冲频率成正比； 在负载能力允许范围内，不因电源负载、电压、环境条件的变化而变化； 速度大小可以调节 20。根据主轴最大转矩及转速可选步进电机型号为 110BYG5-02，尺寸规格：总长214mm，外径 110mm，轴颈 16mm。步进电机主轴可以通过联轴器直接连接到纸盒成型机传动主轴上，电机尺寸较小，可以通过角铁支撑在纸盒成型机箱体上方。也可以选择 Y 系列异步电机，由于异步电机转速相对较大，安装时需要选择减速器减速。如果用步进电机，控制位置精度比较高可以达到 1.8 度。而且不需要减速器避免造成结构冗繁。因此选择步进电机作为驱动电机。步进电机作为一种新型的自动控制系统的执行机构，得到了越来越广泛的应用，进入了一些高、28精、尖的控制领域。步进电机虽然有一些不足，如启动频率过高或负载过大时易出现丢步或堵转，停止时转速过高易出现过冲，且一般无过载能力，往往需要选取有较大转距的电机来克服惯性力矩。但步进电机点位控制性能好，没有积累误差，易于实现控制，能够在负载力矩适当的情况下，以较小的成本与复杂度实现电机的同步控制。下面对步进电机型号进行选择需要克服两种阻力：摩擦力和重力。17整体重量在 20Kg 左右，摩擦系数按金属之间的取为 0.5，则机器人需要的总功率为：(20 9.8 0.5) 0.549Pf vW总则提供的功率为 49 瓦。： （2-1） MP则电机需要提供的转矩为： （2-2）NMXPM23. 022049因此，选择了北京和利时公司的 57BYG250E-0152 型号电机。静转矩为 1.5 NM 。该电机在相近产品中具有在转速变高一定范围内能够保持平稳的力矩。其力矩随转速的关系如下图所示。 图 电机转矩图下面是所选电机的外形尺寸。295.6 机体结构设计机体结构由上下两部分组成，下面为箱体，箱体内部各零部件通过角铁、螺钉或者焊接等方式固连在箱体内壁上，实现在箱体内的空间定位。上面的机体部分主要支撑安装有大凸轮和带轮的主轴，通过四个带有加强筋的钢板支撑在下箱体表面上。30总结与展望总结本文对纸盒成型机成型机构的设计进行了设计。由于作者的水平有限，而且对有些相关学科，如传感器技术、控制技术等并不是很了解，仍有许多问题需要解决，还有许多问题值得进一步讨论和更加深入的研究与展望： (1)机械结构优化问题在设计过程中，包括纸盒成型机成型机构的设计，不同功能结构分别进行设计，各模块之间连接采用最优方式。但是在模块各零件设计过程中，各参数计算选择主要从结构强度和刚度要求出发，很多零件为了匹配，比实际需求尺寸大很多。包括一些非关键零件设计，均是根据前人经验设计，选择尺寸。这种设计不仅增加了整个系统质量，同时增加了电机负载，造成了资源浪费。（2）计算机的有限元的分析没有做。通过对计算机有限元软件的更深层次挖掘，对零件的强度和刚度和臂部的力学分析，会得到最优的结构。这个以后可以作为后续学习的方向。 (3) 纸盒成型机成型机构的的建立有待于进一步研究，以及它的运动控制技术，路径规划技术，实时视觉技术，定位和导航技术，多传感集成和数据融合技术，高性能计算技术，无线通信与因特网技术问题也是多个有待研究的方面。通过对纸盒成型机成型机构的设计，在整体系统的各各方面积累了比较丰富的设计经验，相信经过不断的发展和改进将走向成熟和实用化。31参 考 文 献1. 赵德，包装机械选用手册，（上，
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