毕业论文-全自动打包机系统设计

本科毕业论文全自动打包机系统设计机械部分设计摘要：本文介绍了全自动打包机系统的研究背景和意义，通过研究分析全自动打包机的机械结构、工作原理，探讨了全自动打包机的主要技术参数，机械结构及系统组成等。对机芯部分的主要零件进行了材料的选择、机构设计、受力分析、相关参数的计算和校核的过载能力、转矩、及工况条件选择电机的载荷，根据电机的使用场所环境选择电机的防护等级及结构。根据轴的受力情况对轴承的选择做出了系统分析，并校核了Abstract:Thepaper,whichintroducestheresearchbackgroundandsignificanceofautombasedontheanalysisofthemechanicalstructureandworkingprinciple.Forthemajomechanism,thispaperillustrparametercalculation.Meanwhile,thispaperexamintheoverloadcapacity,tselectionaccordingtotheoperatingenvironment.Additionally,thesystematthree-dimensionalmodelingbasedonsolidworksisestaKeywords:automaticbalers;spindle;bearings;motor 1.1研究背景 1.1.1国内外研究状况 1.1.2存在问题及发展趋势 21.2研究意义 22全自动打包机的设计 22.1工作原理分析 22.2主轴的设计 2.3主轴的校核 62.4轴承的设计与校核 82.5电机的选择 4总结 注释 参考文献 1打包机又称捆包机或捆扎机，是使用捆扎带缠绕产品或包装件，然后收紧并将两端通过热效应熔融或使用包扣等材料连接的机器。打包机主要由送带、退带、接头连接切断装置、传动系统、轨贮存中不因捆扎不牢而散落，同时还捆扎整齐美观。20世纪60年代初期，随着聚丙烯材料的出现，国外成功研制了聚丙烯塑料带打包机，在许多领域，特别是轻工领域内逐渐代替钢带捆扎，使打包机得到迅速普及。我国的自动打包机从20世纪80年代中期开始发展，最初在书籍、报刊发行部门获得推广，近年来发展异常迅速，已广泛应用于轻工、食品、外贸、百货、印刷、医药、化工、邮打包机按自动化程度分类可分为：1.手动打包机。依靠手工操作实现捆扎锁紧，多用塑料带捆扎。它结构简单、轻便，适于体积较大或批量很小包装件的捆扎。2.半自动打包机。用输送装置将包装件送至捆扎工位，再用人工将带子缠绕包装件，最后将带子拉紧固定。它工作台面较低，很适批量较大的包装件捆扎。捆扎时，包装件的移动和转向需靠人工进行。4.全自动打包机。该机能在无人操作和辅助的情况下自动完成预定的全部捆扎工序，包括包装件的移动和转向，适于大批量包装件的捆扎。全自动捆扎机，不须人工插带，工作效率高，劳动强度低。全自动打包机适用：广泛用于食品、医药、五金、化工、服装、邮政等行业，适用于纸箱打包、纸张打包、包裹信函打包、药箱打包、轻工业打包、五金工具打包、陶瓷制品打包、汽车配件打包、日化用品打包、文体用品中国包装机械起步较晚，经过20多年的发展，中国包装机械已成为机械工业中十大行业之一，为中国包装工业快速发展提供了有力的保障，有些包装机械填补了国内空白，已能基本满足国内市场的需求，某些生产打包机的厂家通过采用国际标准和吸收国外先进技术特点，在标准水平、设计制造技术和产品质量方面都有了较大的提高，比如永创机械的全自动无人化打包机，在质量上达到国外同类设备的先进水平，可自动定位、捆扎、转位，以进行十字型、井字型等花样捆扎，采用微机控制，已实现无人操作的自动捆扎生产线，部分产品还有出口。但在目前，中国包装机械出口额还不足总产值的5%,进口额却与总产值大抵相当，与发达国家相去甚远。①打包机的未来发展趋势在向全自动化、高级化和多样化等方面延伸。例如压缩打包机；研制代替钢带的重型带、聚酯带等；研制适应台式打包机的泡装件从输送装置送进后，打包机能自动定位、捆扎、转位，并以十字形、井字形等花样捆扎；采用2微机控制以实现无人操作的自动捆扎生产线。国外的自动打包机已向40道/分钟至60道/分钟的目标发展；研制捆紧力克随机调节的打包机，提高自动打包机在带宽、捆包规格、工作台高度、捆扎能力等环节的适应性等。虽然中国打包机行业近年在国内发展一直表现十分良好，但产业发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达工业国家；生产要素决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大；企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。无法应对形势的变化，行业发展思想观念与形势发展不相适应；技术创新能力弱，工艺技术进展缓慢，新产品开发还没有从根本上摆脱仿研跟踪的局面，竞争力不强，经济增长、效益提升仍然主要靠规模拉动。产品品种单一，成套设备较少。国内的很多全自动打包机，半自动打包机生产厂商一般都以单击生产为主，像国外很多都是成套生产销售，很少以单机销售出现。这就造成了两种现象，一种是我国的包装设备无法满足国内包装企业的需要，另一方面机械厂以单机销售也是利润较少，无法获得成套设备的销售高利润。许多企业产品质量粗糙，首先主要的表现就是产品的可靠性差，技术更新速度慢，同时在新机制造上融入新技术、新工艺、新材料的地方较少。技术含量低的产品多，而具有高附加值、高生产率的产品少。1.2研究意义通过对全自动打包机的研究设计，可以综合培养学生综合运用机械设计课程和其他课程的知识，结合生产实践分析和解决机械设计问题的能力，使所学理论知识得到进一步巩固和提高。学习机械设计的整个过程，熟悉和掌握机械设计的方法和步骤，培养创造性思维能力和独立的工程设计的能力。加强对制图软件的运用。通过对全自动打包机的研究设计以及查阅相关文献，可以了解全改产品目前的发展状况，存在的问题，改进的空间以及发展趋势。2.1工作原理分析在了解和参考了市场上同类产品的工作原理后，对将要设计的打包机打包的工作流程做了以下设计：首先是有送带机构将捆扎带送入轨道，然后机芯的一个顶体上升顶住捆扎带的一端，送带机构电机反转，退带，使带子勒紧被捆物体，然后拉紧摆杆进一步拉紧捆扎带至所需紧度。接着导向板从两层捆扎带中推出，同时，电烫头插入两层带之间，接着另一个顶体上升顶住捆扎带的另一端，然后中间顶体上升先切断捆扎带，然后再将捆扎带推向烫头，是捆扎带表面受热熔化，烫头随即快速推出，中间顶体再次上升将上下两层捆扎带压紧在压板上，然后压板后退，各顶体复位，完成一次物品的打包。然后送带电机正转，将打包带送到位准备下一次打包，完成一次打包循环。2.2主轴的设计在机芯的各个部件中，最重要的是主轴。在设计主轴之前，先确定打包机的各个设计参数。设计全自动打包机的捆紧力为150N,中间顶体压紧两层捆扎带的压紧力为100N,左边顶体顶住捆扎3带的力为50N。从设计机芯的特点来看，主轴要同时承受弯矩和转矩的作用。首先对主轴进行受力分析：已知要求打包带的捆紧力为F拉=150N。由于左顶体要求的压紧力为50N,中顶刀要求的压紧力为100N。目前打包机所用的打包带基本上都是塑料打包带，通过查阅相关资料查得目前普遍使用的PET打包因此为了满足设计要求，F右的受力要大于等于517.2N,因此主轴受到的最大扭矩来自于右顶主轴材料选择40Cr,调质处理，查《机械设计手册》得：硬度为241~286HBS,σb=750Mpa,2.按转矩估算轴的最小直径。对右顶体的对应的凸轮进行受力分析主轴所受力矩：T=685式中d为轴的最小直径，单位为mm;T为轴所受的扭矩，单位为Nmm;主轴材料选用40Cr,查《机械设计手册得》t=40~52Mpa。T取40Mpa。为了增加电机减速器与主轴联接时的强度，故将电机减速器与主轴之间起相连作用的键槽设为上平键能够用于较高精度及受冲击或变载荷作用下的固定联接。又考虑到电机减速器与主轴联接处4主轴所受轴向力较小，因此轴上的联接选用平键联接；又查《机械设计手册》得，当轴上有两个相隔180°的键槽时，轴的增大值为15%。因为主轴最小直径处开有两个相隔180°的键槽，因此d≥d×1.15=15.11mm。假设材料的力学性能符合标准规定，且产品加工时的加工质量能满足设计要求。再考虑到打包机捆扎带的收紧力比较精确，又因为主轴所受的载荷确定相对比较精确，应力计算也相对比较准确，因此将需用安全系数Sp设为1.3,即取主轴的最小处直径d=20mm。3.轴的机构设计。根据估算所得直径、凸轮、电机、以及轴承的安装情况，轴的机构及尺寸可进行草图设计，如图2-2所示，轴的输入端孔径φ20mm,轴长为130mm。轴的台阶为轴承起到定位作用。电机减速器与主轴的联接以及凸轮与主轴的联接采用A型平键，键的选择分别为b6×h6和b8×h7。端面凸轮与主轴的联接还需要用螺帽固定，因此在轴的输出端攻螺纹M20×15,螺距P=2。图2-2主轴示意图4.按弯扭合成强度计算轴的最小直径。当主轴所受扭矩最大时，主轴的受力情况如图2-3所示：图2-3主轴受力示意图5M(x)=FA×x=151.875x(Nmm)O≤x≤130做出弯矩图如图2-4所示：图2-4弯矩示意图Mc=67236-365.325×130=1974d为轴的直径，单位为mm;M为轴计算截面上的弯矩，单位为Nmm;T为轴计算截面上的扭矩，单位为Nmm;得：αT=0.59×18139.9=10706因为当轴上有两个相隔180°的键槽时，轴的增大值为15%,故：d=d×1.15=13.1×1.15=15取安全系数Sp为1.3,故：d"=d×1.3=15.065×1.3=因此取主轴的最小处直径d=20mm。2.3主轴的校核主轴在工作中同时承受弯矩和扭矩作用，在前面的主轴设计中就利用弯扭组合第三强度理论来设计轴径。轴受弯矩作用将产生弯曲变形(以挠度y或偏转角θ度量),受扭矩作用将产生扭转变形(以扭转角φ度量)。刚度的不足在工作时将产生过大的变形，影响正常工作。因此在设计机器时也常有刚度要求。轴的刚度校核通常指计算轴在预定的工作条件下的变形量，应使其不大于允许值，才能达到刚度要求，要求如下：式中[y]、[0]、[φ]分别为轴的许用挠度、许用偏转角、许用扭转角。查《机械设计手册》得：一般用途轴[y]=(0.0003～0.0005)L,取[y]=0.0004L=0.0736L为支承间跨距；1.弯曲刚度校核。主轴受力分析图如图2-5所示，图2-5主轴受力示意图现在将F右、F中、F左三个力合成一个力F合F合=F右+F中+F左=517.2+100+50=667.2NF合×x=54×F右+92×F中+130×F左=54×517.2+92×100+130×50=43626.4NmmX=43626.4÷667.2=65.7I为惯性矩，I=πd⁴/64=π20⁴/64=7850mm⁴。8得2.4轴承的选择与校核由于轴将受到来自端面凸轮的轴向力，因此选取角接触轴承。根据轴的大小初选角接触轴承型号为7204B(α=40°),轴承预期寿命Lh'=150000h,查滚动轴承样本可知角接触轴承7204B(α=40°)其基本参数为：d=20mm,D=47mm,B=14mm。其基本额定动态载荷C=13300N,基本额定静载荷为CO=7650N。这样轴承跨距为184mm。首先对主轴的径向作受力分析：如图2-6所示：F=F右+F中+F左-F₂=517.2+100+50-237.1=430.1N然后对轴的轴向力进行受力分析，主轴所受轴向力来自于端凸轮，而端凸轮的受力来自于摆杆的作用力，最摆杆进行受力分析，如图2-7所示：图2-7摆杆受力分析已知捆紧力为F拉=150N,:F轴=F₂+F拉=240.04+150=390.04NF轴=F轴=390.04N轴承轴向受力示意图如图2-8所示：9图2-8轴承轴向受力示意图求两轴承的计算轴向力Fa₁和F₂,对于70000B(α=40°)型轴承，查《机械设计手册》得：轴承派生轴向力Fd=1.14Fr。Fd₁=1.14Fr1=1.14×430.1=4Fd₂=1.14Fr2=1.14×237.1=270.3NFa₁=F轴+Fd2=390.04+270.3=660.34N查《机械设计手册》得径向动载荷系数X和轴向动载荷系数Y为轴承1X₁=0.35,Y₁=0.57轴承2X₂=1,Y₂=0则因为轴承当量载荷P₁>P₂,所以按轴承1的受力大小进行验算：式中，L,为基本额定寿命，单位为h;n为转速，单位为r/min;e为指数；因为设计要求主轴转速为35r/min,∴n=35r/min由于主电机需要频繁起动与制动，因此主电机选用YEJ系列电磁制动三相异步电动机。YEJ系列电磁制动三相异步电动机是在Y系列电动机的后端盖与风扇之间附加一个直流盘式动机技术条件(机座号80-225)》的要求。电机额定电压为380V,额定频率为50Hz;外壳防护等级为IP44,制动器为IP23;冷却方法为IC411;绝缘等级为B级。根据主轴的设计转速n=35r/min,选择电机的转速为1400r/min,减速器i=40。由于主轴所受力P为电机功率，单位为kw;T为扭矩，单位为Nmm;n为转速，单位为r/min;因此电机功率选择为200w。3solidworks三维建模SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，产品应用广泛，涉及航功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高本文设计的全自动打包机外形示意图和该图经渲染后的的示意图如图3-1和3-2所示。图3-2全自动打包机经渲染后的外形示意图如图3-1与图3-2对比后可发现，图3-2相比图3-1更具真实感，这就是solidworks的高级渲染片，让产品更具真实感。PhotoWorks软件中包括一个巨大的材质库和纹理库，用户可以自定义灯光、阴影、背景、景观等选项，为SolidWorks零件和装配体选择好合适的材料属性，方便了用户对产品的设计。本文设计的顶体组合三维模型和顶体组合部分透视三维模型如图3-3和3-4所示。图3-3顶体组合三维模型机芯的顶体组合是全自动打包机动作的核心部件，它组要完成的是打包带的定位、热熔后的压紧和切断工作。图3-4顶体组合部分透视三维模型图3-4将组件中的一部分零件设为半透明，这样可以方便用户观察了解产品的内部情况。爆炸图是当今三维CAD、CAM软件中的一个重要功能，是装配体功能模块下的一个子功能。爆炸图的使用可以使工程技术人员能够更加轻松的绘制装配图，同样也能使加工操作人员能够一目了然的读懂装配图，因此爆炸图的使用不仅能提高工作效率而且还能减轻劳动强度。如今这项功能已经越来越广泛的应用于工业产品的装配使用说明和机械制造中。如图3-5所示图3-5顶体组合爆炸体三维模型图图3-6拉紧摆杆组合图3-7拉紧摆杆组合爆炸体三维模型图本文涉及的主要工作是分析全自动打包机的工作原理，并对其中机芯的重要部分进行了重新的设计。比如对主轴进行了设计，并校核了其扭转强度和刚度。对轴承的选用重新进行了分析，并校核了轴承的使用寿命；对电机的功率、荷载进行了分析与计算，并选择了适合的电机；对全自动打包机的外形和部分组件进行了三维建模。在毕业设计的过程中，经过资料的收集，方案的选择、论证，再到分析、计算、校核，再到零件图的绘制以及三维建模，我查阅了大量资料，发现了部分打包的产品设计的不足之处。比如有些打包机的电机选择不合理，功率偏大。也发现了有的打包机在产品性能的宣传上有夸大成分，夸大了打包带的张紧力。不过本次毕业设计的不足之处，在于由于要参加实习工作，占用了许多时间，在全自动打包机的系统设计上做的不够全面。总之，通过这次全自动打包机得系统设计让我对大学四年学习的知识又有了一个整体的深层次的理解。同时也让我对产品的整个设计过程有了更加深刻的认识和理解，为今后的设计研究打下了一个良好的基础。①引用自百度百科的“打包机”。http://baike.baidu.co[1]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].第八版北京：高等教育出版社，2006,5.[2]许连元，李强德，徐祖茂.机械制图[M].上海：同济大学出版社，2003,3.[5]孙桓，陈作模，葛文杰机械原理[M].第七版.北京：高高等教育出版社，2006,5.[6]成大先.机械设计手册[M].第五版.北京：化学工业出版社，2009,1.[7]王旭日.用标准H型钢代替焊接H型钢设计打包机机架[N].国际纺织导报，2010,5:26-28.[8]王卫兵.打包机的发展趋势[J].广西化纤通讯，1999,2:18-21.[9]高德.包装机械设计[M].北京：化学工业出版社，2005,8.[10]刘守谦.现代包装机械的创新设计[J].轻工机械，2007,2(1)