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地毯自动码垛机的设计摘要随着科技的发展和进步，人民生活水平不断提高。方块地毯，作为一种用于 地面铺设的新型地毯，具有使地面效果舒适、美观的效果。目前方块地毯的需求 量逐年上升，但我国方块地毯产业装备距离高度自动化还有不少差距，集中体现 在在纵横切之后到自动包装之前的后整理工作仍旧依靠手工完成，严重制约了生 产效率和包装质量。因此，基于经济、工作效率角度出发，利用机械设备实现方 块毯码垛自动化变得势在必行。本文研究了国内方块地毯的使用、生产情况，随后又介绍了码垛技术的概念、 发展历史、应用现状、存在的技术难点以及该技术未来发展趋势。根据设计要求 并结合实际生产需要进行了整体方案的设计，主要包括压实装置、换向装置、质 检装置、翻转装置、码垛装置、推出装置六个部分，并对每个装置展开方案的详 细设计。紧接着对系统的机械结构进行具体的设计，计算校核设计参数，利用三 维设计软件进行建模分析，验证设计方案的合理性。最后，论文对地毯自动码垛机设计方案的总结，并对该课题未来研究方向提 出了相关建议。关键词：码垛技术，方块地毯，包装机械，自动化DESIGN OF THE TILE CARPET AUTOMATIC PALLETIZINGABSTRACTWith the development of science and technology, peoples living standard has been improved rapidly. Tile carpet, as a new type of carpet that is used on the ground to make the environmente comfortable and beautiful. Recently, the demand for carpet is increasing year by year, but the carpet production in China has not yet fully realized the automation level. so far, lots of work still need finished manually, obviously in the aspect of cutting after finishing work manual. The production efficiency and packaging quality can not be guaranteed. Therefore, it is an imperative thing to achieve the title carpet pallet automation using of machinery and equipment based on the view of economy and work efficiency.This paper studies the domestic usage and production of tile carpets , then introduces the concept of palletizing technology, development history, application status and existing technical problems and future development trend of the technology. It introduces the overall scheme design according to the design requirements and combined with the actual production requires the overall scheme design, mainly including compaction device, reversing device, inspection device, flip device, pallet device, uninstall device. And, it discuses each part of the plan in detail. Then the paper analysis the design of mechanical structure of the system specifically, calculates the design parameters, and uses the 3D design software to modeling, make analysis, and validate the rationality of design scheme.Finally, the artical makes a summary about the title carpet automatic palletizing design , and puts forwards some suggestions about the future research direction of thesubject.Key words: Palletizing technology, Tile carpet, Packaging machinery, Automation目录1 绪论11.1 引言11.2 码垛技术概述21.3 码垛技术发展现状31.3.1 国外码垛技术研究现状31.3.2 国内码垛技术研究现状42 码垛机总体方案设计52.1 地毯自动码垛机设计要求52.2 地毯码垛机总体设计53 系统的机械结构设计113.1 压实装置113.2 换向装置113.3 质检装置123.4 翻转装置133.4.1 方案选择133.4.2 工作原理153.5 码垛整理装置163.5.1 方案选择163.5.2 工作原理173.6 地毯推出装置183.7 整体装置184 机械设计计算194.1 设计基本参数194.2 电机选型194.2.1 电动机转速确定204.2.2 电动机容量确定204.2.3 电动机技术参数204.3 装置尺寸设计204.4 气缸选型214.4.1 气动技术概述214.4.2 气缸选型224.5 传动零件的校核234.5.1 轴的校核234.5.2 键的校核265 结论28参考文献29致谢311 绪论1.1 引言生活水平的不断提高，人类对于居住办公环境的关注度也在持续升温。方块 毯（如图 1-1 所示），一种按照铺装方法和形状大小分类的新型地毯1。由于其 具有轻巧（主要有 50cm50cm,60cm60cm 两种规格）、铺装简单、保养或清洗 方便等诸多优点，在家居生活或是商用办公装修都被广泛采用。图 1-1 方块地毯我国方块毯的发展刚刚起步，无论从产品品牌上还是从生产加工技术层面上 看都还不及发达国家的发展水平2。但从方块地毯的生产上看，其产线并未完全 实现自动化，例如：山东威海山花地毯集团有限公司，一个作为我国方块地毯供 应生产的龙头企业，其方块毯纵横切之后的码垛整理工作主要依靠人工完成（如 图 1-2 所示）。图 1-2 方块地毯生产现场一方面，方块地毯的需求量日益增长，传统的手工码垛效率已不能满足实际9需求；另一方面，人工码垛的质量不能得到保证，且国内劳动力成本也在逐年上 升。生产自动化的发展不仅可以保护工人的安全，获得高质量的产品，而且可以 改善由人力劳动带来的生产效率低下的问题3。国内企业从 20 世纪 80 年代开始对码垛技术展开研究4,迄今为止经过 30 多年的有条不紊的持续发展，我国的码 垛技术也在快速发展，包装机械自动化程度也达到了一定的高度。综合这些因素， 结合所学的机械设计相关知识，基于现有的码垛技术，取长补短，优化设计一款 地毯自动码垛机，以求改善生产线的自动化水平，从而提高方块毯的生产效率。1.2 码垛技术概述码垛技术就是以集成单元化思想把杂乱无章的物体，以某一模式将物料整齐 有序的摆放在一起5。经过码垛后的物体，具有占地面积少，搬运快捷，存储方 便等诸多优点。码垛技术，作为物流自动化领域的新兴技术之一，近年来得到了 飞速发展，现已广泛应用于石油化工、食品、建材、交通等领域，发挥着越来越 重要的作用6。码垛技术主要分为两类（如图1-3所示），一类为人工码垛，另一类为机器 自动码垛4。 图1-3 两种码垛方式人工码垛是人工将码垛台先放置在固定的位置上，再依次把所需码垛的物料 整齐的排列在托盘上。该码垛方式的灵活性相对较好，生产初期也不需要承担设 备的购买费。但是人工码垛仍然存在很多的局限性，例如对卫生有严格要求的产 品、危害人体健康的产品，人工码垛会导致很多质量为问题，其码垛效率也远远 不及机器码垛。机器自动码垛，在保证工人安全作业的情况下，既提升码垛速度， 又减少产品的损耗，使得码垛效率大大提升。人工码垛一般应用于小批量生产、 产品重量轻、形状不一的场合。用机器代替人工劳动，不仅解决工人长时间劳动提高了生产效率。因为每一种码垛都有其优缺点，所以一般在实际应用中这两种 码垛方式仍然并存。生产力在发展的同时，码垛技术也迎来了新的挑战，急需向跟上发展的步伐。 同时，各大厂商都以“广而少”的生产方式实现利益最大化，码垛设备的通用性 面临巨大的考验。码垛机需要实现一台机器可以适应多个产品，一台机器可以适 应多条生产线，从而减少生产成本7。随着自动化码垛技术的飞速发展，自动码 垛堆积设备也得到了大量应用，且已卓见成效。1.3 码垛技术发展现状目前，国内外都在研究并使用自动码垛技术来极高生产效率，创造更多的经 济效益。越来越多的行业开始引入自动码垛设备，人们也感受到了自动码垛带来 的好处。我国码垛技术起步较国外晚，其发展水平还不能与国外的发展水平相抗 衡，仍需继续加大力度研发。1.3.1 国外码垛技术研究现状(1)20 世纪 60 年代，美国成为首个研制出替代人工码垛的机器(后被称为码 垛机）4的国家，而后一些欧洲工业发达地区也意识到码垛技术的重要意义，相 继开始研究半自动及全自动码垛机，随着生产的需求，码垛机在结构和外观上也 在不断改进和完善8。(2)国外码垛机器人快速发展，码垛技术逐渐成熟。20 世纪后期，码垛技术 在日本得到推广，首次将机器人和码垛技术结合运用。1993 年，OKURA 公司到 中国进行技术交流时称其包装码垛机的最大处理能力可达 2400 袋/小时。德国（KUKA）、瑞典（ABB）等国家也研制出了码垛机器人9，如图 1-4 所示。图 1-4 码垛机器人(3)码垛技术的未来发展呈智能化趋势，一台机器与多个传感器配合使用成 为重要的一个研究方向10。1.3.2 国内码垛技术研究现状（1）20 世纪 80 年代，国内相关机构或人员开始注意码垛技术并积极开展 研究，到现在国内已经拥有与之相关的专业科技和制造团队，如宜昌机械厂、哈 工大学机器人研究所等11。现阶段，我国自主制造的码垛机在产品型号、机器性 能方面都取得了可观的成绩，基本满足生产需要8。（2）码垛机器人也在快速发展，其工作效率得到很大的提升。哈工大机器 人研究所研制的码垛机器人，工作效率可达 800 袋/小时。国内自主研制生产的 ZM1000 托盘式全自动码垛机工作效率可达 1000 袋/小时5。高速码垛是码垛技 术领域的一个重要研究方向，我国也跟国外一样，正在积极开展研发工作。（3）码垛技术在我国包装行业中是“新生儿”12，在化工业、制造业、农 业中均被广泛使用。虽然我国的码垛技术经过了三十几年的发展，但是现在仍然 还有很多企业由于经济能力的限制还未采用自动码垛技术。目前我国的自动码垛 技术在一些特定产品上技术还不够成熟，例如聚丙烯自动码垛机10大部分从国外 购买。（4）国产码垛机的性能还不及发到国家水平。从生产加工角度来看，由于 国内加工方法有限和加工精度不够，国产码垛机普遍存在使用寿命不足和维修工 作频繁的特点。机器中控制系统的主要元器件也无法同国外先进的元器件相比， 这也在一定程度上影响了设备的性能。2 码垛机总体方案设计2.1 地毯自动码垛机设计要求本设计中的地毯自动码垛机，需要实现地毯自动隔一间一翻转、码垛、整理 功能，满足自动叠放要求，实现地毯自动隔一间一翻转、码垛、整理功能，满足 自动叠放要求。该设计可以有效解决人工码垛生产效率低下、码垛质量不过关等 问题。在设计过程中，该装置需要满足如下要求：（1）需要在方块地毯生产流水线的基础上进行设计；（2）装置的设计需要考虑方块地毯材质的特殊性；（3）快速、准确实现装置的关键工作（翻转、码垛、整理）；（4）整体从安全、经济、适用等角度出发，进行整个装置的设计。 在进行地毯自动码垛机参数计算前，根据实际生产需要，对该装置要实现的功能进行了模块化处理13，图 2-1 为整个生产流程的总体设计方案框架。纵横切后的方块毯压实传送带换向装置增速传送带（用于地毯间距的调整）码垛整理装置翻转装置合 格地毯检次装置不合格地毯推出装置回收箱2.2 地毯码垛机总体设计图 2-1 设计方案框架地毯自动码垛机的总体设计主要包括以下六个模块：地毯压实装置、地毯换 向装置、地毯质检装置、地毯翻转装置、地毯码垛整理装置、地毯推出装置。地毯自动码垛机实现了地毯从纵横切之后到包装前的所有工作，实现了生产线码垛 的自动化。(1)地毯压实装置 当方块毯经过纵横切之后，需要进入下一级传送带，为后续的工作做好准备。方块地毯材质特殊，背衬材料一般为弹性或高分子材料14。为了防止地毯在进 入下一级传送带时出现打滑现象，设计了地毯压实装置，主要原理为物体压在地 毯表面，物体随着地毯的移动而运动进一步带动地毯的顺利传送。装置大致框图 如图 2-2 所示，大体设计如下：1）装置位于纵横切传送带后端传送带的接头处上方，大致分为机架，压实 机构，执行机构三个部分，其中支架直接与皮带支架连接。2）压实动作主要由轴上套圆柱式橡胶辊子完成；3）压实过程为间歇式，利用气动技术推动轴的上下运动控制，气缸安装在 机架上。气缸执行动作利用安装在该段传送带上的光电开关对地毯的进入检测信 号进行控制。压实装置机架压实组件执行元件固定在皮带运输线的头端轴上套圆柱式橡胶辊子气缸+光电检测气缸运动辊子运动，压在地毯表面(2)地毯换向装置图 2-2 压实装置框架图方块毯生产过程工序复杂繁多，占地面积较大。从节省占地面积角度出发， 设计地毯换向装置。该装置可快速实现地毯速度方向的 90转变，调整生产线的 布置，减少生产占地。换向装置的主要原理是利用皮带运输线摆放位置的不同， 如图 2-3 所示，实现 90的换向。 图 2-3 换向原理图 根据查阅相关资料，初步选择有以下两个方案： 1)皮带运输线。皮带输送线，又被成为皮带运输机，可以连续或间歇的运送物料15，具有耐油、耐腐蚀、防静电等优点。2)辊道运输线。辊道运输线主要分为动力式和无动力式两种16。该运输线运 输平稳，便于保养，可用于箱体、包状等较大物件的输送。由于方块地毯纵横切之后的运输速度较快，地毯的换向必须保证准确，换向 之后地毯的位置不会发生偏移，否则对后续的工作造成影响。辊道运输线相较于 皮带运输线与方块毯的接触面积小，且摩擦小，换向更为容易，所以选择辊道运 输线作为地毯的换向装置。且考虑到速度 90换向幅度较大，需要将原来的速度 方向瞬间变为 0，此时在辊道运输线的两侧加以挡板以防地毯冲出辊道运输线， 影响后续工序。(3) 地毯质检装置 地毯在生产过程中，由于一些不可控因素存在一定的次品率。次品的存在，一方面影响了整个产品的质量，对企业的品牌进行冲击，另一方面可能危害人的 身体健康。针对这些次品，设计地毯检次装置，用于地毯次品的检测和剔除。该 装置总体设计为：1)装置整体分为三个部分：检测系统、剔除装置、回收箱。检测系统位于皮 带运输线的头端上方。剔除装置放在检测系统之后，位于皮带的侧边。回收箱位 于剔除装置的对面，放在皮带运输线侧边。2）检测系统分为工业相机（与分析系统相连）、光源两个部分，剔除装置 由气缸挡板组成。当检测到地毯进入到制定区域时，工业相机对地毯进行拍照， 分析系统对信号进行分析处理，并将分析结果传递给剔除装置，剔除装置对处理结果进行处理。利用挡板推动传送带上的地毯次品，让其掉进回收箱，主要运动 过程如图 2-3 所示。地毯进入信号工业相机拍照，分析信号下一级传送带Y分析信号传递给剔除装置（气缸挡板）N回收箱图 2-3 质检过程示意图(4)地毯翻转装置 地毯码垛时需要面对面码垛或者背对背码垛，经过纵横切后的地毯全部是正面朝上或背面朝上。面对这种情况，设计地毯翻转装置，实现地毯的隔一间一翻 转，为后续的码垛工作打好基础。针对翻转功能，有以下两种方案可供选择：1)利用翻转皮带或机器人实现进行地毯的翻转；2)利用翻转杆带动方块毯实现地毯的自动翻转。方案 1）中翻转皮带虽然可以实现地毯的翻转工作，但是实际流水线上地毯 的码垛需要面对面码垛或是背对背码垛，所以前面的基础工作之一-翻转也需要 是隔一间一进行翻转。翻转皮带无法实现地毯的隔一间一翻转动作，即使采用两 个路径汇聚的形式（翻转的皮带和不翻转的皮带汇聚到一起最后一起运输至下一 个工位），该方法占地面积增大，对各个设备之间的协调性提出了更严峻的考验。 机器人虽已经广泛应用于各种机械加工场合，其工作效率、安全性等都有不凡表 现。但对于一般的小企业来说，机器人的使用成本远远超出能够承担的范围。考虑到方案 1）中的成本及装置的复杂性，采用方案 2）。将皮带运输线做 成分段式的形式，将翻转杆放在皮带断的中间分段空隙处，利用伺服电机控制翻 转杆的翻转角度，让其在各个时间点实现精确运动，从而保证方块地毯的顺利翻 转。地毯的隔一翻一采用传感器进行计数控制，当计数为奇数 1 时，地毯翻转；当计数为偶数 2 时，地毯不翻转，直接进入下一级传送带。一个循环后，传感器计数清零，为下一次工作循环做好准备。大致设计图如图 2-4 所示。分段皮带 运输线翻转(5)地毯码垛整理装置图 2-4 翻转皮带地毯自动码垛机的核心动作之一就是码垛，针对这个动作，主要根据人工码 垛整理的思想进行设计。地毯码垛装置代替了人工码垛，且码垛质量得到保证。 码垛的初步设计方案有以下两种方式可供选择：1)地毯直接掉落到升降台上，每掉一块地毯，升降台下降一次，如图 2-5 所 示。地毯降落升降台下降图 2-5 方案（1）示意图2)地毯的掉落过程分为两级。地毯先掉落到一级平台，然后进行二级掉落， 如图 2-6 所示。一平二级平台图 2-6 方案（2）示意图整理的动作主要设计思路如下：码垛的平台四周加四块挡板，一是防止码垛 好的地毯移动位置，影响包装质量，二是挡板作为整理动作的一个零件。整理的 动作主要采用气缸推动挡板进行水平移动来实现。四块挡板中两对边各一块挡板 进行移动（如图 2-7 所示），其余两块挡板位置固定不动。每当地毯掉落时，挡 板伸缩一次，进行地毯的整理工作。固定固 定19(6)地毯推出装置图 2-7 整理示意图为了实现生产的连续性，需要将码垛好的地毯推出，以便后面的包装工作。 地毯推出装置需要在地毯码垛装置的基础上进行设计，地毯推出动作设定为气缸 推动完成。地毯推出装置主要由检测开关（位于传送带上）、执行元件、升降台、 收集台四个部分组成，升降台利用地毯码垛装置中方案（2）中的二级平台，将 其设计成气缸控制的升降台。在升降台的最低位置侧边设置地毯推出装置，主要 采用气缸推动挡板，挡板推动码垛好的地毯。整个装置布局图如图 2-8 所示。收集台升降平台气缸挡板图 2-8 推出装置布局图3 系统的机械结构设计3.1 压实装置123压实装置的主要目的是防止地毯纵横切之后进入下一级传送带时打滑，所以 当地毯刚进入下一级传送带时，用辊子压实地毯。一是增大地毯与传送带的摩擦， 二是辊子在压实的同时自身转动，有助于地毯跟传送带同步运动。考虑到地毯生 产流水线的特征，压实动作只能是间歇式，采用气缸的伸缩控制该动作的间歇性。 综上所述，地毯压实装置主要由机架、推动气缸、压实辊三部分组成，三维设计 模型17如图 3-1 所示。图 3-1 地毯压实传送带1-机架 2-推动气缸 3-压实辊在设计过程中，根据地毯纵横切实际情况和地毯自身属性，且考虑到每块方 块地毯的厚度不一，轴与辊子采用轴承配合，轴与支架直接采用轴孔过度配合， 使实际运动过程中辊子压实地毯的效果更好，保证了地毯的质量要求。机架的高 度不宜过高，这保证了压实动作的快速性。当光电开关检测到地毯开始进入该级传送带时，气缸开始工作，活塞杆推动 带有压实辊的横梁向下移动。当地毯完全进入传送带时，压辊刚好压在方块毯表 面，每个压实辊在传送带的带动下转动，从而带动方块毯与传送带一起运动。3.2 换向装置换向装置采用传统的动力式辊道运输线。由于地毯的传送速度快，为防止由于惯性原因，地毯在进入该段运输线时冲出辊道线外，在辊道线的两侧边进行了 添加侧边挡板设计。该装置保证了换向动作的准确性，对后续工序起着非常重要 的作用，三维模型如图 3-2 所示。图 3-2 换向装置-辊道运输线整个辊道运输线的长度根据压实皮带段的宽度而定，宽度由方块地毯的外观 尺寸而定。方块地毯相对来说，质地不算太软，也不易出现地毯从各个滚筒之间 间隙划出的情况。地毯从压实传送带传送过来，进入辊道运输线。辊道运输线两侧边装的挡板 有效防止地毯掉落。紧接着地毯在动力辊道的推动下改变传送方向，向新的传送 方向移动。3.3 质检装置考虑到方块地毯的次品率较低，地毯的质检装置采用了挡板来剔除残次品， 让其自动掉入回收箱，从成本角度出发而不单独再设置残次品的回收传送带。三 维模型如图 3-3 所示。图 3-3 地毯质检装置该质检装置主要采用视觉检测原理18，这种技术主要原理是利用机器视觉 完成检测。用机器校验产品的质量，检测精度得以优化。视觉检测核心技术主要 有图形的自动生成、图形的自动获取、图形的定位于分割、图形的识别与检测。地毯质检装置主要包括光源、相机、剔除挡板装置19组成。光源和相机的 位置在实际使用时高度可以调节，当光电传感器检测到方块毯进入特定区域时， 工业相机对地毯进行拍照。工业相机与信息采集卡相连，信息采集卡获取信息后， 电脑对图像进行处理分析。分析结果信号与推动挡板装置相连，若检测结果不合 格，则推动装置中的气缸开始运动，推动挡板向前移动，挡板推动次品掉入次品 回收箱（如图 3-4 所示）；若检测合格，推动挡板装置不启动，地毯继续运动至 下一传送带。3.4 翻转装置图 3-4 地毯质检装置工作状态图3.4.1 方案选择 翻转装置主要是实现方块毯的自动隔一间一翻转20，装置隔一间一的动作是整个运动过程的核心。在设计过程中，有以下几个阶段：（1）翻转杆（如图 3-5 所示）在 180旋转气缸的带动下进行翻转，翻转杆 带动地毯进行翻转。该方案旋转气缸运动过程没有停歇，方块毯在翻转过程中（0-180）一直与翻转杆接触，地毯最后会被翻转杆压在传送带平面上。虽然 实现了方块毯的自动翻转，但是翻转后的方块毯不能顺利通过传送带继续传到下 一级。图 3-5 翻转杆（2）针对方案（1）中的不足，重新制定了方案。该方案对翻转杆进行结构 调整，在翻转杆中间部分增加凸出部分（如图 3-6 所示），用于需要翻转方块地 毯的截停，使得翻转过程更加顺利。驱动部分采用伺服电机驱动，以实现翻转过 程中翻转杆的间歇运动，让翻转后的地毯顺利传送出去。此方案，虽然可以实现 方块地毯的自动翻转，且地毯也能顺利继续传送，但是每次地毯翻转完成之后， 装置复位需要继续翻转 180，全过程实现 360的翻转。在该过程中，复位过程 无疑对下一片传送过来的地毯造成了影响。从整个生产的合理性来看，该方案需 要继续优化改进。图 3-6 增加凸出部分的翻转杆针对上述两个方案的问题，在修改了方案（2）的基础上重新制定了新的方 案。该方案在方案 2 上对装置的结构进行了调整，对截停功能和翻转功能进行了 分离。截停装置采用气缸推动挡板，挡板上升和下降实现地毯的截停。当检测到 翻转地毯时，截停装置进行工作，上升截停需要翻转的地毯；当地毯不需要翻转 时，该装置维持不动，地毯不进行翻转，顺利进入下一级。该装置主要由地毯翻 转装置、地毯截停装置、地毯输送装置、光电检测控制装置组成。装置如图 3-7 所示。图 3-7 翻转装置轴测图为了看清楚截停装置，图 3-8 中可以清楚的看出其所处位置。该装置位于翻 转杆前端，对地毯进行截停实现地毯的有效翻转。3.4.2 工作原理图 3-8 翻转装置正视图（1）需翻转地毯刚经过入口检测开关时，检测信号传递到截停装置，截停 装置工作并推动挡板上升做好截停准备，此时入口计数传感器为 1。（2）当翻转地毯完全经过入口检测开关时，检测信号传递到翻转装置，伺 服电机开始工作，先以速度 V1 转动 20，再以速度 V2（V2V1）带动地毯转 动 130。此时翻转杆与地毯均转过 150。当伺服电机转过 150时，为了保证地 毯掉落之后顺利传送出去，电机停止转动，地毯则依靠自重掉落到输送带上。（3）当地毯刚好经过出口光电检测开关时，此时入口计数传感器为 1，并 将此信号传递到截停装置，装置复位为下一次翻转做准备。（4）当地毯完全经过出口光电检测开关时，将信号传递到翻转装置，电机 按原方向继续转动 30，此时翻转杆完成 180翻转，即复位（处于水平状态）。 上述（1）-（4）实现了地毯的一次翻转，当第二片地毯传送过来时，入口光电检测开关计数为 2 然后立马清零，截停装置和翻转装置均不工作。当地毯经 过出口检测开关时，计数为 2，然后立马清零。这样第二片地毯没有经过翻转顺 利通过传送带。至此一个地毯隔一间一翻转循环完成，以后的地毯不断重复这个 过程。工作过程中各个时间节点各装置的状态见表 3-1.表 3-1 地毯隔一间一翻转过程各装置状态循环过程 节点第一块地毯进入（需要翻转的地毯） 各装置状态第二块地毯进入（不需要翻转的地毯） 各装置状态刚好经过入口完全经过入口刚好经过出口完全经过入口刚好经过入口完全经过入口刚好经过出口完全经过入口光电检光电检光电检光电检光电检光电检光电检光电检装置测开关测开关测开关测开关测开关测开关测开关测开关入口传感 器计数111120000出口传感器计数111120000输送带正准备输送带输送带地毯上接触上上地毯不翻转，全程随着输送带向前传动翻转杆020150180180截停装置工作上停止不升动复位状态3.5 码垛整理装置3.5.1 方案选择（1）地毯一次掉落到升降台上，升降台控制升降21。虽然该方案简单，但 是由于生产出来的地毯厚度不一，那么每次升降台需要降落的高度难易确定，码 垛效果也不理想。（2）针对地毯厚度不均的问题，采用一分为二思想，地毯分为两次掉落。台上。同时，地毯在二级平台四周加四块挡板，其中两侧边用两个气缸与板固定， 用于实现地毯的整理工作。一级平台采用一个气缸驱动，由气缸推动15实现平 台的打开关闭。考虑到方块毯的尺寸规格，这种方案地毯二级掉落容易出现位置 偏移，码垛效果也不能得到保证。（3）为了解决方案（2）中所面临的问题，继续采用一份为二思想，对方案 进行了调整，将一级平台等分为两个部分，由两个气缸分别驱动。同时，对平台 进行了面积较少处理，直接改成三根轴，使得地毯一级掉落变得更好，码垛效果 也达到最佳。装置如图 3-8 所示。3.5.2 工作原理图 3-8 码垛装置当光电开关检测到地毯掉落时，一级平台的两个气缸工作，伸缩条向外伸出， 地毯掉落至二级平台，同时两侧边挡板的两个气缸开始工作，推动挡板前进对码 垛的地毯进行整理，此时码垛装置的状态如图 3-9 所示。而后各个气缸复位，进 行下一个工作循环。图 3-9 码垛装置打开状态3.6 地毯推出装置地毯推出装置需要在地毯码垛整理装置的基础上进行设计，利用码垛装置中 的二级平台，将其设计成升降平台，当地毯码垛到设定数量后，升降台下降。然 后，利用气缸推动挡板，挡板推动地毯，实现地毯的连续生产。紧接着所有装置 复位，等待下一次工作。三维模型如图 3-10 所示。图 3-10 地毯推出装置如图 3-8 所示，装置中升降台和地毯推出挡板均采用气缸控制，地毯推出被 送到收集台上，收集台采用中间镂空形式，便于后续地毯自动包装时地毯抓手顺 利抓取码垛好的地毯，从总体上提高整个生产线的自动化水平。3.7 整体装置上述分别就地毯自动码垛机的各个功能进行了分解介绍，清楚的看到每个功 能可以有多个方案，如何选择每个方案中的最优以及如何确定组合方案的最优成 为了设计难点。在该设计装置中，基本可以实现地毯从纵横切之后到自动包装之 前的全部工作。整个装置三维模型图如图 3-11 所示。图 3-11 整体装置三维模型图4 机械设计计算4.1 设计基本参数（1）方块地毯有两种规格尺寸：500500mm，600600mm（2）每片方块地毯厚度为 5-10mm（3）方块毯切块的基本速度 60 片/分，每次切割成品为 4/8 片（因切割机而异）（4）装箱数常规的有 4 片/8 片/10 片/12 片/箱4.2 电机选型在实际生产中，电机的选型尤其重要，选择合适的电机对工作性能和经济性 能均有很大作用。电机功率选择过大造成能源浪费，功率过小又不能满足实际生 产需要。图 4-1 为整个装置的三维图。654321图 4-1 装置俯视图1-压实段 2-辊道段 3-增速段 4-检次段 5-翻转段 6-码垛段设计过程中，根据实际生产需求，首先设定各个传送带的运行速度（详情见 表 4-1）。表 4-1 各传送带设定速度阶段123456设定速度304050505060电机具体选型过程以阶段 1 为例：已知：取皮带辊轮 D=80mm；皮带速度 V=30m/min；传送带上地毯与皮带总质量 m=5Kg;摩擦系数 m = 0.3 ；传动效率h = 0.9 ；选用 Y 系列齿轮减速 三相交流异步电动机。4.2.1 电动机转速确定 滚轴转速：29式中：1000Vn=wpD= 1000 30 =119 r/min(4-1)3.14 80V: 皮带传输速度；D：滚筒外观直径取电动机转速 nd=1500r/min，减速器传动比 i=1500/119=12.6 4.2.2 电动机容量确定（1）滚轮所需输入功率Pw= FV =MgmV= 5 9.84 0.3 30 =442 W(4-2)（2）电动机所需功率4.2.3 电动机技术参数PP442d=w =ha0.9491W（4-3）具体参数如表 4-2 所示：表 4-2 电动机技术参数型号额定功率(w)nwDY801-45501500254.3 装置尺寸设计在地毯自动码垛机的设计过程中，大量的机械结构需要进行尺寸设计，在设 计过程中需要根据实际需要并结合相关标准件进行尺寸的修改和完善。本文以传 送带的设计为例，图 4-2 为传送带的三维模型图。图 4-2 传送带三维模型图（1）根据方块地毯的尺寸规格， 确定传送带的宽度 700mm ， 传送带长度2000mm；（2）考虑到 2m 传送带较长，将传送带一分为二，中间再用支架连接。每段为1m；（3）首先初步设定传送带滚轮的外观直径 D=40mm，依次确定滚轮其余段直径， 再根据两端直径确定轴承座组件，如图 4-3 所示；图 4-3 滚轮（4）考虑零件的定位、连接，如在槽钢上打孔用于轴承座和槽钢的固定；（5）综合以上设计步骤，再对相关细节做出调整。4.4 气缸选型4.4.1 气动技术概述 气动技术22，广泛应用于机械自动化技术中。气动传动与液压传动虽然工作原理和系统组成相同，但工作介质不同。气压传动的工作介质是低成本（有时候 需要对空气进行处理耗费一些财力）的空气，流动损失小，可集中供气。气压传 动系统主要组成部分见表 4-3。表 4-3 气压传动系统组成名称作用常见装置能源装置机械能转化为压力能空气压缩机执行元件控制元件压力能转化为机械能控制和调节方向、流量、压力气马达、摆动马达溢流阀、压力阀辅助元件工作介质辅助作用传递能量和信号消音器、过滤器空气气动传动技术具有以下几大优点：（1）系统的介质来自于大自然，取材方便，环保无污染；（2）空气的年度系数小，流通顺畅，适于远距离输送；（3）适用性好，可承受恶劣环境，如粉尘环境、易燃环境等；（4）相应速度快且操作控制方便、省力。 当然气动技术也不是百分百的好，存在一定的不足：（1）能量的转换过程存在能量的损失，所以转换次数（两次）的增多也会 导致传动效率低下的问题；（2）气动元件制造精度高，发生故障后不易诊断且维修费用高；（3）由于空气具有可压缩性，也容易发生泄漏，所以不能保证定比传动。 4.4.2 气缸选型 在整个装置中，气缸被大量使用，对于气缸的选型以压实装置中的气缸为例。压实装置中气缸行程为 100mm，运动速度为 0.1m/s，设定活塞速度负荷率=0.5，负荷质量 M=5Kg，（1）安装方式：前端法兰型（2）气缸所需推力确定：F(N) =（3）气缸缸径确定：g M =a9.8 50.5= 98 N（4-4）980.25 0.55 3.14DF= 15.06 mm（4-5）m0.25 p 根据以上计算，该气缸的参数如下表 4-4 所示。表 4-4 气缸技术参数型号缸径动作方式活塞速度缓冲给油接管口径（mm）CDJ2B16-12016双作用50-750mm/s橡胶缓冲不需要M50.84.5 传动零件的校核在机械设计中，传动形式23包括带传动、链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动 等。各个传动方式均有其优势，实际应用都比较广泛。在传动过程中，起主要作 用的传动零件有轴、键、齿轮，这些零件的寿命往往直接影响着整个装置的使用 时长。所以，对设计的传动零件进行使用安全校核（强度校核、寿命校核等）是 设计过程中不可缺少的一步。4.5.1 轴的校核 轴一般用于传递运动，对于机器的回转运动也是不可或缺的一部分。轴的强度或刚度需要满足实际需要，必要的时候还要对轴的振动稳定性进行校验，以下 以皮带传动滚筒上的轴的校核为例。（1）尺寸设计 传动轴主要分为三个段，一段用于皮带的支撑，一段用于皮带套筒轴承的安装，一段用于轴空间位置的固定安装，其尺寸设计如图 4-4 所示。（2）强度校核1）转轴扭矩强度校核图 4-4 传动轴尺寸图轴上安装一对轴承座，与一个电机相连。为方便计算，现将轴受力予以简化， 如图 4-5 所示。T665图 4-5 轴受力简图转轴右端扭矩 T 可根据转轴电机参数计算而得：T = 9550 P =n9550 0.55 =15003.51 Nm（4-6）轴承处的扭矩Tr1 =r1F r（4-7）根据材料力学知识，用截面法根据平衡方程计算各段的扭矩。 截面：如图 4-6 所示T1T 图 4-6 截面扭矩示意图以 T1 表示截面处的扭矩，由平衡条件列出平衡方程可得：T（4-8）1 - T = 0T得：1= T =3.51 Nm（4-9）同理，截面，所受扭力如图 4-7 所示：TT2Tr1图 4-7 截面扭矩示意图T2 = T + Tr1= T + Fr1 r(4-10)截面，所受扭力如图 4-8 所示：Tr2Tr1TT3图 4-8 截面扭矩示意图T3 = -Tr2+ T + Tr1= -Fr2 r2+ T + Fr1 r1(r1= r )（4-11）2圆形截面抗扭系数：WpD3=t16（4-12）校核轴的强度条件时，采用最大切应力，计算公式如下：TW（4-13）tmax=max tt上述三个截面中可以看出：T1 T3 T2（4-14）此处利用反向思维，假设强度合格，推算所能承受的转矩，再根据经验判定 该转矩是否符合使用要求。Tmax= t Wt =70 3.51p 0.025316= 8 104Nm（4-15）可以看出该轴能够承受的最大扭矩符合要求，所以抗扭转强度校验合格。 2)转轴抗弯强度校核 滚筒上支承皮带和地毯的重量，此处将该重力看做均布载荷，轴上各点的受力情况简化为如图 4-7 所示。qFA57.5550(L)57.5FA图 4-7 轴抗弯分析示意图皮带上所受的力看做均匀载荷 q，作用于皮带段，截面法中以 A点做出平衡 方程：1 qL (550 + 57.5) - (57.5 2 + 550) F = 0（4-16）2AFFA =A =0.45qL(4-17)经过分析可得，轴的两端和 A-A中所受的最大弯矩为：Mmax(275q 332.5 - 665 0.45 q)= q 9.11 10-2 Nm（4-18）10002对于弯曲应力的校核由于无法获知准确的 q 值，依然采用反推法进行校核。Mmax d3= W s =32 s 0.0253=32 300 106（4-19）= 460Nm由此可以推出：Mq =max9.11 10-2460=9.11 10-2= 5.05 103 Nm（4-20）通过分析计算可得，该轴的设计符合抗扭、抗弯要求。4.5.2 键的校核 键作为一种标准零件，通常用来周向固定，有时也可作轴向导向用。以下仅以压实运输段中滚轮上的键的校核为例。（1）尺寸选择根据使用要求，首先选确定普通平键 A 型，型号GBT1096 - 2003，d=25mm,b*h=6*56, t=6mm（2）强度校核l = L - b =56 - 6 =50 mm（4-21）9550pT =n9550 0.55 =11944 Nm（4-22）T 4000sp =hld44 4000=6 50 2523.47（4-23）所以该平键符合使用要求。sp =23.47 sp（4-24）5 结论地毯自动码垛码生产线由机械、气动、电控等系统组成，代替了传统的手工 作业，提高了生产线的自动化水平。面对我国目前方块毯的市场行情以及生产能 力，是否引入自动码垛生产线已经成为了相关企业需要迫切考虑的问题。虽然设 备初期投入成本高且相对来说占地面积较大，但是一旦顺利投产会节省很多人 力，且能有效提高生产速度，生产质量的稳定性也能得到有效保证。本文对地毯自动码垛进行了深入研究，完成了以下几个方面的工作：（1）进行国内外文献调研，深入了解国内外目前方块地毯的生产流水线的 自动化水平和近年来码垛技术的发展情况。（2）对地毯码垛生产线的结构和设计要求进行了系统分析，并且在设计过 程中充分考虑制造成本、占地面积等因素，对整体方案进行设计。（3）根据实际生产需要对方案进行了具体设计，包括设计参数的具体计算 和校核、标准零件的选型等，同时运用三维建模软件对设计结构进行建模分析。本次毕业设计整个过程仅仅是进行了理论设计和系统的设计工作，因时间有 限，设计思想还有待在实践中深入检验并逐渐完善提高，经过这段时间的深入学 习和研究，本可课题今后的研究还有以下建议：（1）高速码垛仍然是当今一个研究热点，也成为了发展的必然趋势。（2）装置的智能化可进一步提高，例如整个生产流水线建立监控系统24， 包括时时
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