自动包膜机设计

PAGE3PAGE题目：自动包膜机目录一、引言 1（一）选题的背景和依据 1（二）国内外研究状况 2（三）方法与创新 2二、包膜工艺研究与包膜机系统结构设计 3（一）包膜机技术要求 3（二）包膜工艺分析 3（三）包膜机系统结构设计 4三、包膜机执行机构设计 6（一）输送带组件 6（二）热封组件 7四、包膜机执行系统设计 10（一）前输送带齿轮传动的设计 10（二）链传动设计 11五、关键轴的设计与校核 13六、心得体会 16七、参考文献 16

自动包膜机摘要：目前快递包裹的包膜环节主要采用人工包膜。针对快递包装过程的包膜环节设计了一种自动包膜机，可以实现特定尺寸的快递包裹的自动化包膜过程，不但提高了包装质量，而且减少了现场工作人员数量，提高了生产效率。工作原理是：快递包裹放入传送平台，带动上下模通过纵封装置纵封包裹两边，纵封装置由温控仪控温，包裹到达特定位置后光电感应器感应，气缸下压，从而带动橫切刀橫切封膜，后传送带输出成品，废膜通过回收轮回收，保持环境整洁。关键词：自动化包膜;热封；环保；AutomaticCoatingMachineAbstract：Atpresent,anautomaticenvelopmachineisdesignedfortheenvelopprocessofexpresspackage,whichcanrealizetheautomaticenvelopprocessofexpresspackageofaspecificsize.Itnotonlyimprovesthepackagingquality,butalsoreducesthenumberofon-sitestaffandimprovestheproductionefficiencyWorkingprincipleis:expresspackagesintothetransmissionplatform,drivethelowerdiethroughlongitudinalsealingdevicelongitudinalsealingonbothsidesofthepackage,theverticalsealingdevicecontrollingtemperaturebythetemperaturecontroller,photoelectricsensorinductionaftertheparcelarrivedataspecificlocation,cylinderpress,thuspromotecross-cuttingknifecrosscuttingsealingmembrane,conveyorbelt,afterfinishedproductoutput,membranebyrecyclingscraprecycling,keeptheenvironmentcleanandtidy.Keywords:Automationenvelope;heatseal;environmentalprotection;一、引言（一）选题的背景和依据1．选题的背景随着经济的发展，我国快递包裹包装行业消耗的胶带、塑料袋、包装箱等数量惊人，特别是随着中小企业的发展，交通运输的便捷，越来越多的产品通过快递运输。《中国快递领域绿色包装发展现状及趋势报告》显示，半年里就产生了200多万吨包装垃圾，编织袋消耗约15亿条、塑料袋约41亿个、封套约15亿个、包装箱约50亿个、胶带约75亿米、内部缓冲物约4亿个，数量非常巨大。仅胶带总长度就可以绕地球赤道212圈，产生的这些垃圾不但污染环境，而且这些胶带在生产过程中，会产生140公斤气体溶剂VOCs（焚烧会形成霾状物）如果填埋处理，实现自然降解需要100至150年，降解速度远远跟不上生产速度。据预测，2019年已经累计完成630亿件快递运输，预计到2020年将达到700亿[1]。有关专家指出，数百亿件快递包裹基本上都有着过度包装、二次包装、使用不环保的劣质包装材料、包装回收再利用难等问题，这些问题看起来很小，积累起来却是一笔巨大的损失，导致快递业成为污染大户。如果不过度包装，运输中又容易损坏，使用可降解材料成本又高，回收快递垃圾动力不足，行业仍面临着许多绿色难题等待破解。2．课题的意义网购已经渐渐的成为了人们日常生活中必不可少的一个环节，通过互联网，我们可以购得全世界任何地方的商品，据2020年召开的全国邮政管理工作会议上公布的数据显示，2019年中国快递业务量完成630亿件，连续六年居世界第一，而这一数字在2010年仅为24亿件[2]。2019年我国快递行业运行数据显示：2019年我国快递业务量达630亿件，同比增长24%。最多的一天，有超过3亿件快件在寄递途中。在巨大的成交量下，由于商品规格，包装特殊要求不一样，各大快递公司的快递包装为手工作业。手工作业不但让包装工人承受着巨大的工作量，同时效率较低，限制了快递行业的进一步发展，并且包装封口方式大多采用胶带缠绕封口，缠得“里三层外三层”，既浪费了大量包装材料，又让买家难以拆下物品严严实实的“外衣”[3]。针对以上两个问题，为了在满足包装要求而节约包装材料和替换胶带封口，解决因快递包装引发的环境问题；同时提高包装效率以及包装质量，优化网购服务质量，推动电商和快递行业的继续共同高速发展，因此研究和开发环保型节约材料、高效，全自动的包装设备已成为改造传统手工包装行业的迫切需求。（二）国内外研究状况1．国内研究状况近几年来随着快递市场的扩大，为了加快工作效率，提高工作质量，我国的快递包膜设备正在不断发展，一部分商家陆续使用了一些半自动或全自动的快递包膜机，比如传统的L型半自动包膜机，通过底座的自转实现半自动化，缺点是需要人为封口且操作不够简便；还有一些大型的全自动包膜机，因为体型太大对于小型包裹包膜不够紧凑，且不便安装和移动，成本高。随着科学技术的发展，我国包膜机械领域已经有了很大的发展，特别是机构设计和外形设计方面有了巨大的突破，但是我国的包膜机械技术与发达国家的相比在某些方面还是略有不足。根据调查发现，我国包膜机械行业30％左右的企业存在低水平的重复建设[4]。这不但浪费了资金，还混乱了包膜机械市场，限制了行业的突破。2．国外研究状况国外包膜机行业竞争力非常强大，许多行业都盯上了这块香饽饽。包膜机发展是趋于“三高”—高速、高效、高质量的整体趋势。除此之外，包膜机设备的研制还需满足一系列人性化的特点，像能耗低、自重轻、结构紧凑、占地空间小、效率高、多用途、外观造型适应环境和操作人员心理需求、环保需求等。国外包膜机的发展趋势拓宽了现代化先进包膜机的发展道路，开阔了设计师的视野，特别是科学技术与经济发达的国家生产的包膜机及配套设备，其包膜机技术随着科学技术的快速发展，已处于世界领先地位[5]。近年来，随着快递包裹市场的需求，一些发达国家的包膜机企业开发了不同品种、不同批量的通用包膜机来满足现代商品个性包装的需要，这些包膜机设备紧跟科技前沿，运用了许多新技术，具有现代化特点。不过这些产品在满足智能化的同时需要高昂的造价，不便于中小企业的推广。其具有代表性的发达国家有美国、德国、意大利和日本[6]。（三）方法与创新1．废膜回收，卫生环保传统的包膜设备在对快递包裹包膜之后，产生的废膜直接堆积在机子旁边，既不环保又增加了员工打扫卫生的负担，本设计加入独特的废膜回收机构，产生的废膜全部回收，既保持了环境卫生，又减轻了员工的负担。2．结构简单，操作方便传统的自动包膜设备大都需要三个或三个以上的电机，本设计采用独特的“一拖二”结构，即一个电机带动回收轮转动的同时，回收轮轴通过链传动带动输送带主动轮转动，节省成本的同时又可以实现同步传动，机器运转更加简便。3．造价低廉，便于推广本设计中大部分零件易于加工，且造价低，物美价廉，在市场上具有非常大的前景。二、包膜工艺研究与包膜机系统结构设计（一）包膜机技术要求本包膜机的设计目的和用途：目的是突破原有包膜机自动化不全、体积大、造价高、包膜质量不好的障碍，设计一款综合型的自动包膜机。用途是为一定尺寸的快递包裹进行快速有效的包装。技术参数：包膜速度：12件/分；输送线传送带速度：12m/min；薄膜卷内径：48mm；薄膜卷最大外径：234mm；设计的包膜机需满足以下要求:1．产品放入后直到成品输出，全程没有人工参与，只需控制系统控制封膜、输送等过程，使整机动作协调统一。2．运用所学知识和SolidWorks等软件对设计的结构或者零件进行优化设计，例如对关键轴进行空间结构和受力分析后，进行优化，使得电机数量减少，且结构更加紧凑，尽可能在保证性能的前提下，降低整个包膜机的研发成本和后续制造成本，使其便于推广。3．结合实际需要，合理设计包膜机包膜组件，使包膜机结构紧凑，所占安置空间位置小，使用方便且便于运输。（二）包膜工艺分析工艺分析第一步我们要选择合理的工艺路线，结合包膜功能需求进行设计，使得包膜设备整体运行合理、有序、高效。根据包膜功能需求可将整个包膜工艺过程分为以下四道主要工序，如图1所示。输出成品、回收废膜送膜输出成品、回收废膜送膜橫切和橫封纵封橫切和橫封纵封送料送料图1自动包膜机主要工序送料和送膜：包装机的送料和送膜同步进行，膜在快递包裹的拉动下运动到特定位置，实现货物的包装。纵封：在传送带的带动下，膜的两端采用加压热封技术封口。橫向封口：气缸带动上压片下压，采用加压热封口技术和热切断技术进行横向的封口以及切断。输出成品、回收废膜：带轮和回收轮的转动通过一个电机实现，所以输出成品、回收废膜同步进行，废膜在回收的同时还可以实现紧膜过程，提高包膜质量。（三）包膜机系统结构设计自动包膜机主要有有四大系统：动力系统、执行系统、传动系统和控制系统。动力系统由电机组成，负责整台设备的动力输出；执行系统由执行构件组成，直接影响机器工作质量的重要部分；传动系统由齿轮传动和链传动组成，进行运动形势和动力参数的转变；控制系统是使动力系统、执行系统、传动系统互相协调工作，完成整个设备系统功能的装置。1．系统结构概述自动包膜机主要有五个组件：输送带组件、送膜组件、纵封组件、横封组件、废膜回收组件。包膜机的包膜过程主要由控制系统控制各执行组件来完成，控制器为PLC。包膜机系统的控制关系如图2所示。图2自动包膜机系统的控制关系由执行组件控制图可知，包膜机通过PLC控制器，采用人机界面输入系统的各项参数，同时可以监控系统动作和故障显示。PLC控制器通过接收传感器反馈信号和预设参数来控制各执行组件协调动作，如：输送带传送速度、橫切时间、回收轮转速等等。2．机构布置和运动过程分析1.送膜组件；2.前输送带组件；3.纵封组件；4.橫封组件；5.后输送带组件；6.膜回收组件图3自动包膜机结构简图由包膜机的结构简图可知快递包裹放入传送平台，带动上下模通过纵封装置纵封包裹两边，纵封装置由温控仪控温，包裹到达特定位置后光电感应器感应，气缸下压，从而带动橫切刀橫切封膜，后传送带输出成品，在输出成品的同时废膜通过回收轮回收。包膜机有以下组件组成：机架组件、输送带组件、送膜组件、热封组件、废膜回收组件以及传感器和PLC控制系统等。机架组件主要起支撑作用。上送膜组件安装在输送带上面，与之对应的下送膜组件安装在输送带下面，纵封组件装在输送带的左右两边，橫封组件安装在两输送带中间的上方。废膜回收组件安装在输送带下面。传感器及PLC控制系统负责信号的检测和输出，有两部分组成，分别是硬件和软件，主要负责伺服电机的启动、控制电机之间的速度关系和安全报警。各执行组件详细介绍如下：输送带组件：输送带为直线型，主要作为被包膜产品的运送平台。电机通过齿轮和链条驱动输送带滚筒运动，同时输送带运动过程中会产生一个拉力，这个拉力影响输送带的运输能力，所以输送带运动时拉力计算非常重要；送膜组件：送膜组件在输送带两侧为包裹供膜，膜的最大半径取决于膜辊轴的安装位置，合理安装有利于提高膜的包装质量。纵封组件：在输送带的带动下，膜的两端采用加压热封封口。热封温度的作用是使包裹上的两层膜加热到一定的温度，这个温度中膜会变成粘流状态，这个状态比较理想。但是高聚物只有一个熔融温度范围，没有特别确定的熔点，就是在固相与液相之间有一个区域，薄膜在这个区域可以进入一个比较理想的熔融状态。高聚物的热封的下限和上限分别是粘流温度及分解温度，这两个温度的差值越大，热封越简单，差值越小，热封越难，温控仪控制热封温度。橫封组件：纵切刀由铝块制成，耐热性好，且外套有弹性退膜壳防止刀粘膜。热封温度通过温控仪控制。废膜回收组件：废膜回收轮和成品输送带共用一个电机，所以在成品输出的同时可以同时进行废膜回收，既可以保持设备的整洁度，又可以起到紧膜的作用，合理的传动机构又有效的减少了电机的数量，节约了成本。三、包膜机执行机构设计通过上一章对自动包膜机总体结构的设计。确定了自动包膜机主要执行结构包括：输送带组件、送膜组件、热封组件、废膜回收组件等。本章将主要对输送带组件、热封组件，废膜回收组件的关键结构进行设计与计算。（一）输送带组件输送带组件是整个设备的核心组件之一，负责将快递包裹的输入和输出，为了更好的实现包膜机的自动化控制，所以输送带设计为前输送带组件和后输送带组件。输送带材质选择：由于包膜机封膜采用高质量高效率的热封封膜，局部温度会偏高，所以采用聚酯输送带，聚酯输送带又叫做EP输送带，EP输送带具有非常多的优点，在材料方面它的带体非常薄，但是强力高，重量较轻，并且它的带体很柔软，使得它的成槽性能良好，具有很好的弹性，能够承受较大的冲击，并且不易磨损，运行平稳又不跑偏，最重要的是耐高温。1．前输送带组件结构形式与工作原理前输送带主动轮和伺服电机之间通过圆柱斜齿轮连接，伺服电机控制前输送带主动轮转速从而控制前输送带的速度。2．前输送带主动轮设计计算和受力分析前输送带主动轮是前输送带组件中最关键的结构，其带动输送带运动，为主要的受力结构，它与带接触段直径大小决定速度的转化比，初定该直径大小为55mm。3．输送带主动轮受力分析由《机械设计》得公式F（3-1）式中C为系数，f为模拟摩擦系数，L为输送道长度，g为重力加速度，qR0从动轮质量，qRU调节辊质量，qB查得C=2.9，f=0.022,L长为0.755m，重力加速度g取9.8m/s2，qR0=5.8kg，qRU=1.2kg，qB=2.22kg将上诉数值带入公式（3-1）得FU=2.9×0.022×0.755×9.8（5.8+1.2+14.44）+10×0×9.8+1120+14084．电机功率计算P（3-2）v为带速0.2m/s，代入（3-2）得PA=3538.12×0.2=707.624W=0.707624kWP（3-3）式中η是齿轮传动效率0.97，代入（3-3）得PM=0.729kW，根据文献选取电动机为Y90L-6，功率为0.75kW，转速为910r5．轴承选择为了提高结构密封性，这里在输送带主动轮上选择深沟球球轴承，型号为6100，d×D×b=10×26×8具有便于安装、价格低廉等特点。输送带从动轮同样没有过多要求，所以选择和主动轮相同的轴承。（二）热封组件热封组件是包膜机的核心执行机构，主要有两部分组成，纵封和横封，纵封组件装在前输送带组件上方左右两侧，负责快递包裹左右两侧封膜，封膜之后由输送带输送包裹到指定位置后光电感应器感应，横封组件开始运作，横封组件安装在前后输送带中间，.橫封刀由气缸推动下压，因为是连续封膜，橫封刀对前一个快递包裹后侧封膜同时对后一个快递包裹前侧封膜，非常高效。1．纵封组件纵封组件的功能是对快递包裹两侧进行封膜，塑料薄膜材料的热封机理是：在某一恒定温度下，薄膜材料达到一定温度（塑料薄膜只有达到材料最低封合温度以上，薄膜才能开始有效封合）后渐渐软化，直至熔融，胶状熔融液在一定的压力下，相互混溶，遇冷熔融液又重新凝固，两层薄膜便粘合到一起。热封温度由温控仪控制，根据不同包装材料，热封时间和温度可调节。铝块的熔点高，稳定性好，成本低，是非常理想的加热块材料，加热块中间有聚酯带阻隔，便于薄膜通过，且不粘留，小型水箱可以起到冷却作用，加快封口速度的同时，可以适当提高封膜质量。纵封组件结构如图所示1.铝块；2小型水箱；图4纵封组件结构简图2．横封组件橫封组件的功能是对快递包裹前后橫切封膜，当包膜机连续工作时，前一个包裹后侧封膜，同时，后一个包裹前侧封膜，极大地提高包膜效率，节省膜料。橫封组件结构如图所示图5橫封组件结构简图橫切刀同样由铝块制成，橫切刀温度由温控仪控制，根据不同包装材料，热封时间和温度可调节。阻膜壳主要作用是通过弹簧弹性作用，橫切刀橫切回升时，刀先上升，阻膜壳由于弹簧弹力后上升，可以使粘在橫切刀上的膜脱落，同时，阻膜壳还可以起到一定的隔热保温作用。（三）膜回收组件膜回收组件核心机构是回收轮，所以这里主要对回收轮进行设计说明。回收轮的结构形式因为回收轮主要对横封产生的废膜进行回收，对材质没有特殊需要，所以回收轮的制作材料选择聚丙烯，便于制造且可以降低对轮轴的作用力。回收轮结构如图所示独特的镂空设计不但减少了机身的重量，材料的损耗，而且减小了轮轴所需要的力矩，还有别具一格的观赏性，轮中心区别于一般的回收轮采用的滚筒形式，富有创造性的三角架结构不仅提高了回收轮的整体稳定性，还可以更好的实现对废膜的回收。图6废膜回收轮轴测图四、包膜机传动系统设计本设计中传动系统有三个，一个是前输送带组件中电机与输送带之间的传动，另一个是后输送带组件和膜回收组件中，电机与废膜回收轮轴、废膜回收轮轴与输送带之间的传动。综合考虑后决定在前输送带组件中电机与输送带之间和电机与废膜回收轮轴之间选用齿轮传动，废膜回收轮轴与输送带之间选用链传动中的滚子链传动，链传动属于具有中间挠性件的啮合传动，它结合了齿轮传动和带传动的一些优点。和齿轮传动相比，链传动的传动中心距更大，而且它的制造要求比齿轮传动更低；比摩擦型带传动更准确，传动效率较高，可以承载更大的力。（一）前输送带齿轮传动的设计因为圆柱直齿轮啮合与退出时沿着齿宽同时进行，容易产生噪声，抖动和冲击力，所以这里选择传动更加平稳、齿轮强度更高圆柱斜齿轮传动。1．材料选择小齿轮选用40Cr，大齿轮选用45钢，都进行调质处理，计算时小硬度分别取270HBW，230HBW。2．按齿面接触疲劳强度初步确定主要设计参数首先确定电动机轴的转矩，由公式（4-1）T（4-1）得T0=7.87N·m。由公式（4-2）计算d1：d（4-2）小齿轮传递的转矩T1=T0=11.54N·m，齿宽系数∅d=0.9，齿数比u=i=4.17，载荷系数K=1.8，初步确定计算时的许用接触应力[σH]=513MPa。初算小齿轮分度圆直径d选取齿数，取z1=27，z2=4.17×27=112.59，取z2=113。初选β=12°，计算法相模数mnm（4-3）代入（4-3）得mn=1.30mm，选取标准模数mn=1.5mm。计算中心距αα（4-4）得α=107.34mm，为便于箱体的加工及测量，将α圆整α=108mm。齿宽b=∅dd1=0.9×36.08=32.47mm，圆整取b=32表2圆柱斜齿轮设计参数表名称代号取值齿数z1、z227、113模数mn1.5mm螺旋角β13.536°分度圆直径d1、d241.66mm、66.34mm齿顶圆直径da1、da244.66mm、69.34mm齿根圆直径df1、df237.91mm、62.59mm齿宽b32mm中心距α108mm（二）链传动设计1．选定链轮齿数z1、z2初步假设链速v=0.6~3m/s，查得小链轮齿数z1≥17，取z1=17，传动比i=1，z2=z1=23。2．根据额定功率曲线选择链号由公式P（4-5）式中KZ=0.814，初取单排链，故KP=1.0，查得KA=1.0，代入（4-5）得P0≥0.576kW。由带速v带=0.2m/s得链轮转速n3．校核链速v=（4-6）将数据代入（4-6）得v=0.785m/s，与原假设符合。4．计算链节数和中心距初选中心距a0=30p，由公式计算链节数L（4-7）将数据代入（4-7）得Lp=77，取Lp=78节。由公式（4-8）计算中心距α（4-8）查表得fa=0.341代入得α=527.78mm，圆整为528mm。5．计算作用在轴上的压轴力F（4-9）将数据代入（4-9）得有效拉力F=543.4N，压轴力FQ=1.15KAF=1.15×1.0×543.4=624.91N。6．链轮设计滚子链链轮参数如下表所示表3滚子链链轮参数表名称代号计算公式取值分度圆直径/mmdd=p/69.12齿顶圆直径/mmdadd73分度圆弧齿高/mmhahh3齿根圆直径/mmdfd61.2五、关键轴的设计与校核本设计中关键轴为回收轮轴，所以这里对回收轮轴进行设计计算。1．选择轴的材料选用45钢，调质处理。2．按轴所受的扭矩初估轴的最小直径由公式d≥C（5-1）查得C=107~118代入得d≥17.6mm，因最小直径在链轮处，固轴径应增大5%，即d≥18.5，取标准值d=20mm。3．轴的结构设计图7回收轮轴的结构简图dab装链轮处直径，取dab=20mm，dbc链轮轴向固定轴肩，直径变化5~10mm取dbc=28mm,dcd轴承轴向固定轴肩，选轴承6206，所以取dcd=36，de段安装齿轮，所以de段直径等于齿轮轮毂宽，所以取dde=30，def=dab。根据回收轮和链轮轮毂宽确定ab段长度，取Lab=200mm，由轴承宽确定bc段长度，取Lbc=45mm，de段由齿轮宽确定，取Lde=30mm，Lef=Lab，由总长和其余长度得cd段长度，取Lcd=306mm。4．轴的受力分析齿轮和链轮所传递的转矩T2=T3=T0·i=32.82MPa，计算齿轮上的作用力F（5-2）F（5-3）F（5-4）F（5-5）F（5-6）代入数据得Ft2=989N，Fr2=370N，Fa2=238N，Ft3=950N，Fr3=346N。做计算简图（图8a、c）,图中l1=66mm，l2=321mm，l3=24mm。求水平面内支座反力FAH及FBH，并作水平面弯矩MH图（图8b）,代入数据得FAH=364N，FBH=-388N，截面1的弯矩M1H=FAHl1=24024N·mm，M2H=FBHl3=-17206N·mm，求垂直面内支座反力图8轴的受力计算图5．轴的疲劳强度安全系数校核计算确定危险截面，由图8可以看出，截面1是危险截面，因此，只对截面1进行安全系数校核。计算截面上的应力，首先求出截面的抗弯、扛扭截面模量W、WτW=（5-7）W（5-8）轴的直径d=20mm，键槽宽b=8mm，键槽深t=4mm，代入得W=772mm3，Wτ=1558mmσ（5-9）τ（5-10）

代入数据得σa=107MPa，τ计算综合安全系数S（5-11）S（5-12）S=（5-13）上述公式中，对称弯曲疲劳极限查得σ−1=300MPa，对称扭矩疲劳极限τ−1=155，有效应力集中系数Kσ=1.51，Kτ=1.2，绝对尺寸系数εσ=0.91，ετ=0.89，加工表面的表面质量系数β=0.95，等效系数φτ=0.21，解得综合安全系数S=1.59，取[S六、心得体会自动包膜机的的设计经过几个月的时间，因为疫情影响无法返校不能很方便的查找相关资