【《某小型自动裁纸机的整机机械设计》8600字（论文）】

XXI二、设计方案2.1设计分析由绪论可知，本课题希望设计一个个性化裁切机器以满足小型自动裁切机器的需求，根据市面上主流裁纸机的结构进行调查，本次设计的裁纸机主要包括4个机构，分别是裁切机构，放卷机构，牵引机构，纠偏结构，其中最主要的是牵引机构和裁切机构的设计，因此对小型自动裁纸机的整机设计时，应针对以上机器裁切系统进行多个方案设计，并选择合适的方案来完成整机设计。2.2裁切系统方案小型裁切机的裁切分为横切和纵切，根据工作要求的不同，可选择性是否采用纵切功能。虽然横切和纵切是单独的工作模块，但两者的工作相关，结合设计要点对印刷错误纠偏的要求，横刀和纵刀要整体可调整。横刀是为了实现与介质牵引方向垂直边线的裁断，在常用大型切纸机和程控裁切机中，采用的是平行刃或斜刃裁切方式，可上刀上下运动与下刀切断介质，也可上刀固定，下刀作为运动刀。由于裁切方式对尺寸和安装的要求，以及运动的振动和冲击，所以在小型裁切设备上，这种结构并不适用。圆盘切主要用来剪切运动中的介质的纵向边，如图2-11(a)，上刀片通过刀座安装与动力轴同步旋转，下刀采用带有刃口的环形套，通过上刀片与下刀刃口的贴合并同向转动剪切介质，为保证贴合，上刀片常采用蝶形刀片。专利N203382291提出一种结构的变形，如图2-11(b)，下刀变为条刀，圆盘刀与条刀配合，可适用于介质的横向裁断。图2-1圆盘切刀及形式改进圆盘裁切原理与常用的剪纸刀类似，若将上下刀都釆用圆刀片，也可实现裁切动作，此时上下刀片同向转动并左右往复进行裁切，上下刀通过上下机架固定，为保证同时转动，上下刀轴装有摩擦轮，左右移动可通过皮带或齿轮齿条带动。横刀结构形式可通过整体的结构要求采用上述两个方案之一，纵刀作为分条工作的实施机构，要从裁切效果，便于调整，效率高几个方面进行设计。目前，纵切主要有三种结构形式：圆盘切刀、平切和悬空切。圆盘切刀即上图2-1(a)所描述，为了调整方便和刀具的改进，出现了气动切刀，一般下刀主动，上刀为从动，上刀在气压作用下做下移和靠刀动作，能精确调整上下切刀重叠深度，结构如图2-2(a)，形式分滚切和裁切两种，区别在于下刀，图2-2(b)下刀为通轴，并能主动旋转带动上刀滚切。图2-2气动切刀两种方式平切，即介质通过刀槽辊及装在刀柄上的刀片裁切，如图2-3所示。因为在介质绕过开槽辊时有一定的包角，所以裁切比较稳定，在大型分切机上应用广泛，但裁切尺寸不可随意调整，与刀槽和槽岸尺寸之和成倍数关系。图2-3平切示意图当裁切切点刚好位于刀槽辊的中垂线上，即图2-3中（a）所示，原理同圆盘切刀相似，是理想的裁切位置，但这在实际对刀的过程中很难实现；刀片位于中垂线前时，介质切口不在最高点，介质切开后继续向最高点运动，切刀会有附加摩擦力，导致热量增加，散热条件差，切口的质量参差不齐；切点在刀槽辊的中垂线后时，介质经过刀槽辊的牵引，介质离开切刀后不会有附加的运动，裁切效果较好，刀片的散热条件好，是实际生产中常采用的方式。悬空切是在薄膜等介质中常采用的一种裁切形式，如图2-14所示，原理是介质在两个距离较近的牵引辊上张紧，中间悬空，切刀在悬空段裁切。一般设计悬空切时，切点一般尽量靠近后方的牵引辊，这样的切口稳定，切边的质量相对较好，这种分切方式在小型的分切机上使用广泛。图2-4悬空切示意图本次设计的小型裁切机针对办公等小型场所，因此结构要尽量紧凑，节省占用空间，考虑到悬空切需要两个张力辊单独张紧，因此并不适用。平切方式虽然结构并不复杂，但其调整不方便，当每张图幅不一样时，每次调整将浪费大量时间，由此可以看出，圆盘切刀的形式可以把每把切刀做成单独一个机构，每次整体调整，方便快捷，并且不增加对空间的占用。当待裁切介质在横向有两幅或多于两幅的图面时，中间会有空白或者其他间隔，一般宽度为6~8mm，难以放置两组纵切刀，因此切刀形式应进行改进，所以纵刀设计两种结构形式，一种针对切边，一种针对图画间有留白的分割裁切。2.3走纸系统方案小型裁切机的牵引系统主要有驱动电机、机械传动机构、牵引辊组和调节机构。小型裁切机的机械传动可采用齿轮、链轮或同步带，将电机的动力传递给夹送辊。小型裁切机的牵引辊组分为牵引辊、导向辊，张力辊，如图2-5所示，牵引辊一般采用夹送辊形式，是主要传动组件。图2-5牵引辊组示意图夹送辊结构由安装在机架上的固定和活动部分组成，结构简图如图2-6所示。夹送辊的上活动辊为被动送料辊，下固定辊为送纸器，动力安装于送纸器一端，上下辊通过摩擦传动，将需要裁切介质单方向传输。图2-6夹送辊工作原理示意图被动送料辊和送纸器在传动截面内前后布置有一定的角度a，以此保证介质在辊上的包角，加大传动摩擦力，避免单纯的线接触。由小型裁切机的功能可知，介质的传输须有两个或以上的夹送辊，为放卷和牵引提供动力，两个夹送辊存在一定速度差，以此保证传输过程中的张力。将两个夹送辊分别命名为第一夹送辊和第二夹送辊，第一夹送辊主要为放卷和前端输送提供动力，保证正常的供料。第二夹送辊位于介质传输路线的后端，保证介质在中间传送的绷紧及裁切后的退料。2.4放卷系统的方案设计待裁切的印后料卷是在喷墨打印机等设备上经印刷、烘干、复卷形成的具有一定规格、一定紧度要求的成品料卷。在包装印刷中，这是一项基本且广泛的加工工艺过程。料卷在裁切设备中更换方便，并能满足放卷要求是设计的重点。对比绘图仪，写真机等小型喷墨打印，绘图设备，放卷系统的料卷有两种安放形式，分别为后置放卷和前置放卷，如图2-10。后置放卷结构复卷和放卷在机器两侧，结构简单，工作过程稳定；前置放卷结构将放卷和复卷放置在一侧，更换纸卷方便。小型裁切机无复卷装置，根据裁切机的工作流程、上料穿料的操作及裁切产品的收集方便，可采用后置放卷结构。图2-10两种不同料卷安放形式2.5张力调节方案放卷速度与夹送辊牵引速度的变动有关，进而影响放卷张力，因此，张力与速度配合要同时进行。为达到这一目的，首先放卷需有阻尼，防止放卷的惯性，其次，机械必须有主轴，主轴为速度基准。放卷结构采用后置放卷，料卷采用锥形顶头安装于机架上。放卷张力控制，代表性执行器为磁粉制动器、矢量电机、AC伺服电机，本次设计对放卷的张力要求并不高，因此可采用写真机中常用的扭力调节系统进行控制，降低成本，设计难度，并使结构简洁，结构示意如图2-11。图2-11扭力调节系统工作示意图放卷惯性调节是张力实现的第一步，张力大小的调整主要靠张力辊完成，从而使放卷轴以一定扭矩放卷，实现与牵引観之间的张力变化。张力観常用两种模式，即浮动式和压力式。浮动式张力调节模式如图2-12，两个固定导向辊和中间的浮动辊组成，浮动辊依靠自身重力和介质的张力上下往复运动，从而调节放卷速度，进而改变张力。浮动辊的位置与放卷速度成一定线性关系，位置越低，放卷的速度越慢，当浮动辊在最高点时，放卷轴与夹送辊速度相同。图2-12浮动式张力调节模式压力式张力调节方式通过压力传感器直接控制放卷轴的放卷速度。压力式调节方式的控制精度相对较高，可靠性好，但控制系统复杂，需要有PID调节器、调速系统、驱动电机、张力检测器或位置检测器等。对比两种张力棍模式，浮动式张力辊结构简单，无需复杂控制模块，适应性好，压力式张力辊调节精度和可靠性有很大优势。小型裁切机由于传输距离短，张力造成的影响小，所以只需维持一定的张力，保持介质的舒展、防止跑偏即可。因此，综合结构设计方面的要求，采用浮动式张力観形式在结构、安装、效果、成本等方面是最佳方案。三、小型自动裁纸机的整机设计3.1整机工作尺寸选择机器通过输送介质到完成不同方向尺寸裁切的2个刀组，在刀组中完成加工以获得所需要的尺寸；刀组分为横切刀组和纵切刀组，横刀刀组采用圆盘切刀的裁纸刀，驱动电机控制横切组件在安装的导轨上横向移动，以裁切得到纸张时需要的尺寸。另一个刀组纵切刀组控制裁切纸张的另外尺寸，受步进电机的作用，夹送辊组通过摩擦力牵引介质并控制介质的速度和位移，牵引力间隔牵引纸张移动前进，纸张在通过夹送辊组的牵引作用下进行推送，纸张间隔停止移动，纵刀在指定位置上下裁切，得到需要的纸张尺寸，裁切完成后，停止间隔结束，电机控制夹送辊继续往前移动。裁切机构就完成了一个裁切过程。本课题设计裁切对象主要为办公用纸或者广告纸等印刷材料，所以可以通过参考市面上主流写真机、打印机的尺寸，为提升人们在操作机器时的工作效率、提高操作人员操作的舒适度，可将机器的尺寸进行如下设计。由于机器可打印最大尺寸为A0，即1189x841mm，所以设计放料装置高度在1300mm-1600mm，这样既满足裁切的要求，还能提升操作人员更换料卷的便捷程度，由于介质裁切宽度最大为841mm，为机构预留安装尺寸，初步设定机器宽度为1000mm，并取本课题设计的裁切对象最大厚度为0.5mm。3.2技术要求1)小型自动裁纸机由电机、减速器、辊组、轴承、丝杆传动装置、裁切装置、废料收集装置、切纸收集装置、机架等几个部分组成。2)小型自动裁纸机要求能牵引卷筒上料卷输送至裁切机构进行裁切加工。3)料卷的最大直径尺寸为10cm，最大重量约为10kg。4)根据刀具厚度，要求裁切精度在+/-1mm。5)介质可裁切最大尺寸为A0，即1189x841mm。6)介质可裁切最大尺寸为A4,即297x210mm。7)设定单次裁切，介质最大厚度为0.3mm。8)将纵切裁切方向设计为可调节尺寸。9)要求机器能够正常运行，整机结构要尽量紧凑，缩小占用空间。10)介质牵引速度为0.3m/s3.3小型自动裁纸机的组成及各部分的作用小型自动裁纸机是由电机、辊组、裁切装置、滑动导轨、横切组件滑块、机架等几个部分组成。电机：小型自动裁纸机的原动件，它分别为为夹送辊组和裁纸装置提供动力。夹送辊组：小型自动裁切机的牵引机构，在小型自动裁纸机工作时通过传动机构获得动力，将介质单向牵引牵引至下一系统。裁切装置：是小型自动裁纸机的执行元件，通过电机提供动力经传动机构带动刀具旋转，对介质进行裁切，最终得到不同尺寸介质的装置。滑动导轨：为横切组件的移动定位提供引导作用，并对横切组件的移动方向提供固定作用，自身可以通过螺纹螺母固定在机架上。横切组件滑块：安装在导轨上，可以固定在导轨上移动已完成裁切所需要的横切，其上安装有刀组，负责整个裁切装置的定位工作。机架：是小型自动裁纸机的主体部分，主体部分材料是金属，为减轻重量和保护操作人员安全，外壳用塑料制成。它可以起到对上面的各个装置的承接和装配作用。3.4工作原理整机工作过程大致如下所示：小型裁切机工作过程如图3-1所示，依次经过下面几个过程：1） 放卷系统。当待裁切介质为卷材时，包括料卷的安放及放卷，放卷惯性控制。当待裁切介质为片材时，由人工送料。2） 牵引系统。根据牵引设计，采用夹送辊摩擦传动，根据需要，选择两个夹送辊。3） 张力调节系统。张力控制和纠偏是在介质传输过程中，在裁切之前实现的。4） 裁切系统。裁切模块分为横切和纵切，根据裁切及操作过程分析，纵刀设置在横刀后是优选方案。纵刀作为裁切的最后一个流程，可将纵刀组件设置在设备外部，方便调整。图3-1小型裁切机工作流程示意图通过裁切机模块化方案的设计及工作流程分析，对主体功能及模块功能拆分有了清晰认识，将各个功能模块合理布局结合，可得出小型裁切机的总体设计方案。具体功能方案组成如表3-1所示，整体方案布局如图3-2所示。表3-1小型裁切机总体方案组成组成单元具体功能组成部分走纸系统放卷、牵引放卷装置、夹送辊、导向辊、台面传感控制系统张紧、纠偏浮动辊、凸度辊、压辊、刀组随动组件、阻尼器裁切系统横向、纵向裁切横刀组件、纵刀组件动力系统牵引动力、裁切动力电机、同步带图3-2小型裁切机整机方案示意图四、介质牵引装置的设计4.1牵引装置的作用及组成空心辊可将轴承安于内部,通过一根通轴固定,也可利用堵头与空心钢辊焊接，采用实心辊安装方式。辊的结构形式及直径决定了辊的受力，裁切机幅宽较大，辊受力类似于简支梁，为设计棍的尺寸，需进行受力计算。已知钢的弹性模量，密度取。辊组的计算类似简支梁计算，其上受力均为均匀载荷作用，查材料力学1(第6版)可得最大挠度计算公式及挠度要求,由受力要求设计辊的尺寸。挠度计算公式如下:其中，B为辊长度；E为材料弹性模量；I为惯性矩，q为均匀分布载荷(空心辊)(实心辊)张力辊是空心辊，配合套在直径为40mm的轴承上，其上均匀分布载荷为自身重力，即,总长为900mm最大工作面长度为850mm，预留工作长度为50mm，所以可知其挠度为将已知参数和公式带入整理可得：本课题共设计有两组牵引装置。第一组牵引装置设为夹送辊，主要功能是把介质稳定的输送到裁纸装置上进行裁切，第二组为兼有裁切装置和牵引装置的纵刀装置，作用是在裁切装置完成裁切后，通过安装在纵切刀组上的牵引装置，最终把废料送至收集装置中。牵引装置主要由电机，轴承，胶轮，联轴器组成。电机通过联轴器连接轴承，带动安装在轴承上的夹送辊组转动，从而实现牵引介质的功能。4.2辊组尺寸的设计牵引力足够，可以不增加，以增大包角提升牵引力，此时工作示意图如下图4-1所示图4-1夹送辊工作示意图其中摩擦力与夹送辊压紧力的关系为压力与上辊之和即4.3同步带传动系统的设计电机转速电机轴角速度为电机轴角加速度为计算负载转矩TL负载转矩TL为拉动料卷转矩T和轴承摩擦力矩Tf，其中，。根据设计可知，三组辊皆为两侧安装轴承，内圈直径分别为10mm，20mm，20mm，受力为辊的重力，分别为37N，92N，67N，，可得轴承摩擦力矩分别为2.775×104N.m，1.38×103N.m，1.005×103N.m，由前面可知，拉力为68.51N，则负载转矩TL电机轴转矩TLM为计算电机轴加速转矩(克服惯量)T=JB所以折算到电机轴上的负载惯量JL=0.4282kg.m2，电机轴加速转矩TS为总转矩送料速度为0.3m/s，送纸器直径为0.025m，所以周长C为转速取均值为换算成动力轴转速为225r/min，取传动比i为2，得电机转速为450r/min。其中，Tq为扭矩N.m；n为转速节圆直径d1带速v为确定轴间距及带长。根据结构及公式得a0取值范围60.158mm~171.88mm，根据设计安装空间，初定a0为100mm。带长根据公式代入参数：得到带长L0=337.04mm。根据机械设计手册带轮选型中表：“圆弧齿同步带的节线长系列及极限偏差”(JB/T7512.2-1994)选取标准节线长Lp(节线长即周长)为339mm，其齿数为113。实际轴间距确定带宽，根据圆弧齿同步带带宽公式滑块负荷计算，受力分析。已知n约为20mm，c约为37mm，重量W为0.027Kn最大工作负荷Pc的计算等于Pmax与预压力Pz的总和寿命计算其中，为负荷系数，取2.0，F为工作载荷五、主要零部件的设计5.1纵切驱动部件的设计通过第二章的设计，对纵切刀组设计成，电机通过轴承给驱动轴提供动力，驱动轴输出为旋转动力给胶轮输入动力，最后裁切刀的成胶轮带动旋转，这就是裁切刀的动力来源。前面提高纵刀组即是裁切装置也可以作为牵引装置，即纵刀进行裁切，胶轮在驱动轴带动下转动，上下胶轮配合对介质进行牵引运动，为保证胶轮与驱动轴能够同方向同速度转动，除对胶轮尺寸和刀具选型以外，还需对对轴承进行选择。第三章整机设计中选取夹送辊牵引速度为0.3m/s，为满足牵引中介质的张力，作为第二牵引装置的胶轮速度设置需比夹送辊稍大，可取胶轮线速度为0.32m/s，选取胶轮直接为60mm，刀具直径为62mm，横切刀组已经介质裁断，纵刀组收到的介质阻力矩很小，可以忽略，主要的阻力矩来自驱动刀轴和同方向上两把裁切刀，单把刀和胶轮总重为0.56kg，轴的重量为1.4kg所以阻力矩为M=0.2N*M.采用同步带计算，传动比为1：1。由此可选择电机参数步进电机步距角1.8°静力矩0.3N.M5.2料卷放置的设计机架的设计要求应满足第一章提出的结构紧凑，缩小尺寸要求，还应简洁美观，从走纸到纸张收集装置都可以采用一体式，整体框架中具有支撑作用的结构都采用便宜耐用的金属材料，主体结构满足之后，机架可以用塑料等硬质材料减轻重量，如卷料的安装。考虑到卷料总体的重量，料卷的安装采用钣金件结构支撑固定。还可以对卷料安装设计有两种不同放料方式，分别为有前置放料和后置放料的方式，前置放卷有三组张力辊，可以满足牵引过程中张力的要求，相较于卧式机架，这两种方式在传动牵引时能够缩小牵引介质所占的空间，即介质可以在y轴方向上进行输送。ab两种方式都可以满足缩小占用空间的条件，但b放置方式更有优势，操作人员在换料操作时更方便，符合人体工程学的设计，提升舒适度。下图为料卷放置方式的设计a前置放卷b后置放卷图5-1料卷放置方式总结论文的研究对象为自动裁切设备，针对现有的大型裁切设备，设计了一款新型的小型小型裁切机，对纠偏结构、裁切刀等结构进行了创新，以提高设备的裁切效果。论文完成了总体的方案设计，具体结构的建模，关键部件的计算选型、验证，传动元器件的选型，整机布局优化及关键工作部件的强度分析。本文的主要研究成果如下：小型裁切机的主要功能是介质的横向和纵向精确裁切，小型裁切机主要由放卷、牵引、裁切三个功能模块组成，根据功能要求，制定了走纸系统的设计方案，纠偏系统的设计方案，张力控制及布局的设计方案，裁切单元的设计方案。功能模块拆分及设计方案的提出，为下一步具体结构设计提供了支撑。对小型裁切机各功能模块设计方案的完成。首先从走纸开始，包括放卷及介质的牵引，放卷根据料卷形式及大小，采用一体式，料卷架装于机架上，为提高刚性，减小质量及安装难度，采用饭金件支撑。介质牵引采用夹送辊依靠摩擦力传输，为保证传输稳定性，在