自适应胶带封箱机的设计

生产自动化的要求越来越高，由于传统的纸箱采用人工胶带包装，效率低下，所以机械包装是大势所趋，流水化作业，可应用于快递、食品等行业。大大降低人工成本，解放生产力。而未来封箱设备也将向机电一体化、一机功能多元化、智能化、结构简单化的趋势发展。1.2国内快递行业的现状快递服务现在发展的异常迅速，随着快递行业联系到的行业越多，与人们生活便利也产生非常的大关系，所以近些年来已经成为生活中的不可分割的组成部分，前几年随着快递包裹的快速，从国家邮政局发布的《2018年度快递市场监管报告》得出结论，2018年，我国快递业务量超500亿件，占全球快递包裹市场份额的一半以上，连续5年稳居世界第一。然而我国在快递业发展越来越昌盛的基础上，快递所需包装的用量也随之加大。大量的快递在仓库中被堆积，人为进行一系列的包装盒打捆已经不切合实际，成山状的包装盒把劳动人民的精力磨损殆尽。经有关文章报道，我们可以知道，截止2019年我国的快递行业总共收到的快递运单达到700亿多个、密封的盒子类快递更是达到72亿个。其中，使用的运送盒为152亿个、胶带封箱机使用的胶带长达459多亿米，快递行业所使用的胶带的长度经有关文件查询可实现围绕地球1124圈[3]。经查阅资料发现近些年快递行业突飞猛进，顺应潮流也出现了一批快递公司，在现在一些快递公司也在寻求解决方案来提高自己的生产效率以此来争夺市场。1.3胶带封箱机发展的目的及意义我们都知道，某些特定的机器的出现，一定是因为我们的生活需要，也是为了满足人们的需求和更加高效的工作。正如我所设计的这台封箱机，封箱机在最初时仅仅是为了满足对最简单的快递进行胶带密封，然而随着快的行业的飞速发展，传统的胶带封箱机已经不能满足人们的生产和各行各业的使用[4]。并且人们现在对于快递包裹的需求性越来越强烈，同样也就对于胶带封箱机的使用要求性能越来越高，所经过社会的快速发展，各种机器的变代，胶带封箱机的设计理念又会有如何的创新呢?毋庸置疑，封箱机的发展始终是为了满足广大客户不断增长的需求，只是这种需求在不断的变大、变高、变的更加尖端。在科技飞速发展的今天，封箱机也在面临更多更大的挑战，如何让封箱机的发展紧跟时代步伐，尤其是折盖封箱机与角边封箱机，这将是新时代，封箱机发展的新意义。经过多方面的研究探索，我在查阅大量资料的基础上，在设计封箱机产品上，投入了大量的宝贵的时间和精力，就是为了让一种新的胶带封箱机能够替代简便的封箱器和人工封箱。使封箱变得更加高效。为了这个目标作出不懈的努力，不断发展和创新，让胶带封箱机走得更长、更远。2总体设计方案2.1胶带封箱机的整体结构相比于传统的胶带封箱机，仅仅为了对快递包裹的简单的进行一下密封，这样子的传统的胶带封箱机，只能迎合小的商铺，出货量运输量发货量不大的场合。并且对工人的劳动要求强度高，基本上是半自动化，还需要大量的人力进行控制和维修，不仅成本高而且操作不便。我所设计的自适应胶带封箱机综合了传统的胶带封箱机的优点，并对其的不足之处进行改进，使之成为一台实用性强，操作方便，成本低，密封效果好。我们主要的设理念是，使这台胶带封箱机的封箱过程中能够实现根据箱子的尺寸不同通过调整高度宽度适应机构达到包装密封不同大小的纸箱。完全适应现代化机器在快递行业如此繁盛的条件下工作。在整体的结构布局上我采用以四腿桌子作为主要构架，这样子会显得整个机器的简洁，也能在及其工作时更好的看到工作状态，在出现故障时，能更快的发现，并进行改正。同时对于这台机器的主要工作部分如刀片、压轮、滚筒、传送带、高度宽度调节机构、封箱机构、压带机构、称重机构等。我们在保证传动可靠性的条件下，将这几部分有效的布置于机器的各个位置。使这几个部分能够在在对快递包裹的作业过程中将各个工作结构有效的结合在一起进行运动，来实现整个胶带封箱机装备的协调性与稳定性和平稳性，另外根据现在快递行业的发展状况，结合目前快递产业对包裹快递的高效需求，我们所设计的机器实现了胶带封箱机的称重与盖章一体化，在设计过程中采用流水线式的设计理念，不仅提高了效率，还可以满足包装到密封的一条龙。2.2胶带封箱机的主要组成部分胶带封箱机的主要由传送部分、剪裁部分、自适应调整部分和压带部分组成。其中传送部分由加厚加宽的传送带和滚筒组成。剪裁部分有胶带装置和刀片切割以及外罩组成。自适应部分则包括高度调节和宽度调节机构，压带部分由胶带压轮和四杆机构组成。1.机架2.电动机3.刀片4.压轮5.滚筒6.传送带7.8高度宽度调节机构9.称重机构图1整机结构示意图2.3胶带封箱机的工作原理该胶带封箱机的工作原理是，通过框架上的伺服电机来带动运输部分的传送履带，传送带依靠固定片的作用来保证履带在传输的过程中稳定平稳，推片能够随着传送带的转动而不断地转动，等到箱子到达机芯的下面可以保证把箱子推入，来使封箱机准确的进行封箱。箱子密封后，随着滚筒的连续运转，纸箱被推出来，然后便是称重机构，称量出纸箱的总重量，一机多元，提高机器工作的效率。图2胶带封箱机大致工作原理图3主要工作部件的设计3.1封箱机构的设计封箱机构的基本功能是利用胶带顺着传送带的转动将纸箱封住，然后切断胶带回到初始状态等待下一次工作。机构主要依靠纸箱的运动，滚轮的滚动和弹簧（弹簧未画出）的回复力压紧胶带，在纸箱通过各个机构后，机构依靠弹簧的弹力恢复初始位子。具体方案示意图如图3：图3封箱机构示意图3.2刀架部件及刀片的设计1、刀架部件的设计：该机构由刀片和刀架组成，当纸箱完成封口时进行切断任务。由于是胶带封箱机封箱质量的关键部件，要求：（1）要确保其工作的准确性和合理性。（2）要确保其工作的稳定性。（3）要确保去工作的高效率。刀架结构如图4所示。在当箱体随着传送带进入工作空间后，运行至刀架位置时，箱体将刀片架和胶带压轮1压退位，而胶带压轮2在四杆机构的作用下与胶带压轮1保持同步运动而退位使前面的胶带与纸箱紧密贴合，使封箱牢固。随着箱体前进，胶带不断地抽出封在箱体上[5]。当箱体的后部离开刀片时，在四杆机构的作用下胶带压轮1与胶带压轮2的运动保持一致，而刀片架受小弹簧弹力的作用复位弹起，对胶带进行切断。当箱子离开胶带压轮2时，胶带压轮2也由于受可调弹簧回位作用而复位，确保箱子后端的胶带与箱体紧密贴合，完成后端封箱任务。图4刀架结构示意图2、刀片的设计：胶带刀片设计如图5所示。胶带在切断前绷得很紧，只要断开处有一点先被切破，断口就会迅速扩大，直到全部切断。为了增强切断瞬间的压强的作用效果，设计刀齿的排列有一定的斜度，其斜度为3°，从而使瞬间的接触面积大大减少，尽可能的使刀片一次性切断胶带。图5刀片的结构图3.3高度和宽度调节机构的设计胶带封箱机的高度调节机构选用丝杠，确定为手动调节，因为单线丝杠自锁性好，所以选单线丝杠，螺纹大径取30mm，螺距取10mm，矩形螺纹牙，螺纹牙高度5mm，来调整不同的尺度来确保密封的可靠性[6]。从而实现通过实际情况的需要来进行调整，符合人体的工学，使人工操作更加便捷，舒适，省力，高效。图6高度调节机构示意图胶带封箱机的宽度调节则使用挡板在胶带封箱机的主体上安装导轨，为适应各种纸箱的宽度，两调节杆的宽度在150-500mm范围内可调节。使其在上面灵活的左右相对滑动。从而根据实际情况所需要的纸箱大小进行调节定位，这样设计此机器的目的是为了为了保证该机器的适用范围更广。图7宽度调节机构示意图3.4压带机构的设计压带机构初步选定采用四连杆机构，连杆机构的共同点是原动件的运动都要经过一个不与机架直接相连的中间构件才能传动从动件，即连杆机构。连杆机构具有以下一些传动特点：连杆机构中的运动副一般均为低副，其运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何密封，对保证工作的可靠性有利[7]。在连杆机构中，使原动件的运动规律保持不变，改变其相对长度，从而使从动件得到不同的运动规律。在连杆机构中，连杆上个点的轨迹是各种不同形状的曲线，其形状随着各构件相对长度的改变而改变，故连杆曲线的形式多样，可用满足一些特定工作需要。连杆机构也存在如下一些缺点：由于连杆机构的运动必须经过中间杆件进行传递，因而传动路线较长，易产生较大的误差积累，同时也使机械效率降低。在连杆机构运动中，连杆及滑块所产生的惯性力难以用一般平衡方法加以消除，因而连杆机构不宜用于高速运动。连杆机构的结构设计：连杆机构如图8所示，连杆4的长度可调，从而可以调节胶带压轮2的高度，胶带压轮2的高度取决于箱体上所粘胶带的高度，限位杆3起限位作用，弹簧5起复位的作用。1.压杆2.胶带压轮3.限位杆4.连杆5.弹簧图8连杆机构示意图4传动系统的设计采用连续传送，即：直接依靠变速系统输出的运动带动传送带实现连续的传送。变速系统通过带传动、齿轮传动、以及平带传动实现[8]。结构如图9示：1.传送带2.滚筒3。V带4。减速器5.电动机图9传动装置简图4.1电动机的选择由于本设计中电动机是用来给传动机构做动力，且载荷平稳，常温下连续运转，生产批量为小批量，所以按工作要求及工作条件选用三相异步电动机，代号为Y系列，同时为了其具有广泛的适用性，采用了380V电压50HZ的频率。1、选择电动机的功率(容量)电动机功率选择是否合适，对电动机的工作和经济性都有影响。功率过小无法保障封箱机的正常运转，如果电动机功率选的过大，效率和功率因数都较低，电动机价格却高，性价比差[9]。负荷稳定(或变化很小)、长期连续运转的机械(例如运输机)，可按照电动机的额定功率选择，而不必校验电动机的发热和起动转矩。选择时应保证 （1）式中—电动机额定功率，kW；—工作机所需电动机功率，kW；所需电动机功率有下式计算= （2）式中—工作机所需有效功率，有工作机的工艺阻力及运行参数确定；—电动机到工作机的总效率。传动装置的总效率，有传动装置的组成确定。多级串联的传动装置的总效率为：2、确定电动机的转速选择电动机，需要选择合适的电动机系列和容量以及适当的转速。因为容量相同的同类电机，可以有不同的转速。电动机转速相对工作机转速过高时，势必使传动比增大，致使传动装置复杂，外廓尺寸增大，制造成本高。而选用电动机转速过低时，优缺点刚好相反。因此，在确定电动机转速时，应分析比较，权衡利弊，安最佳方案选择。考虑到包装速度，包装箱长度：180mm~550mm，因此输送带速度应满足： （3）考虑到纸箱传送、胶带切断等时间因此输送带速度应适当提高该处取运输带速v=0.5m/s。本设计中运输带运输的是纸箱。假设运输箱体的质量M=50kg，运输带滚筒直径D=100mm，查《机械设计使用手册》表1-1-39知，纸箱与皮带之间的摩擦系数为0.4～0.5，取µ=0.45。则运输带的有效拉力F=µmg=(0.45×50×9.81)N=220.73N （4）滚筒所需有效功率P===0.11KW （5）传动装置总效率= （6）按《机械设计课程设计手册》表4.2-9取：联轴器效率=0.99齿轮传动效率=0.97滚动轴承效率=0.98滚筒效率=0.96带传动效率=0.95则传动总效率=0.99×0.97×0.98×0.96×0.95=0.81 （7）所需电动机效率P==≈0.14KW （8）滚筒转速===95.54r/min （9）查《机械设计课程设计手册》表4.12-1，选择Y801-4型号电动机，其额定功率=0.55KW，同步转速1500r/min,满载转速1390r/min。 表1Y801L-4型异步电机参数 中心高/mm外形尺寸/mm地脚安装尺寸A*B地脚螺栓孔直径K轴伸尺寸D*E装键部位尺寸F*GD90515*345*315216*1781238*8010*434.2减速器类型的选用由前面计算知本设计所用减速器传递的功率P=0.14kW，传动比=8.732，输入转速n=1390r/min，则选择两级圆柱齿轮(ZLY)减速器，如图10所示。由《机械设计实用手册》表9-1-2查得：两级减速器总中心距a=192mm，=80mm，=112mm。根据表9-1-4选取减速器公称传动比系列=5.8根据表9-2-3ZLY型减速器低速级许用输入功率=1.4kW根据表9-2-9ZLY型减速器外形尺寸设计减速器的尺寸。图10减速器结构示意图4.3带传动的设计带传动的类型很多，根据《机械设计实用手册》表8-1-1长用带传动的类型、特点及应用，选择普通V带用于连接减速器低速轴和滚筒轴之间的传动；用来运输箱体的带选用平带传动。1、平带传动的设计：平带传动在机械传动中应用较普遍。它的特点是：⑴结构简单，能适应多种传动形式如交叉与角度传动、多被动轮传动、张紧离合器等。⑵主动轮与被动轮之间距离较大。适于体积较大的机具之间的传动。⑶胶带有弹性，传动中产生打滑，可以缓冲吸震起过载保护作用。⑷不能保持准确稳定的速比。⑸轴和轴承上受压力较大[10]。聚酰胺片基复合平带按承载层(聚酰胺片基)的能力(抗拉强度)分为轻型L、中型M、重型H和特轻型EL、加重型EH、超重型EEH等几种，其尺寸规格见《机械设计实用手册》表8-1-39。本设计中采用聚酰胺片基复合平带传动设计可以参照《机械设计实用手册》表8-1-35进行，但应考虑下列几点：(1)选择带型时，现根据用途、载荷的大小和变化情况按《机械设计实用手册》表8-1-40选择贴面类型，然后再根据设计功率和小带轮转速由《机械设计实用手册》图8-1-7选择带型。(2)小带轮直径可按表8-1-35的计算值减小30%～50%，但必须大于表8-1-39中规定的，并应使带速〉10～15m/s。(3)曲挠次数应小于=15～50小带轮直径大时取高值，若〉，则应该用轻薄的带或较大的带轮直径，以免影响带的寿命。(4)确定带宽（10）式中—设计功率，=，kW；—传递功率，kW；—保教修正稀疏，查表8-1-37；—传动布置系数，查表8-1-38；—聚酰胺片基复合平带的基本额定功率，(kW)，查表8-1-41。根据上式算出带宽，再结合所要输送箱体的宽度，初步确定输送带的宽度，并按《机械设计实用手册》表8-1-39选取标准值。取=250mm，选用两根该带。由以上推理计算可知，本设计中使用的聚酰胺片基复合平带为：LR-M2503350GB/1063-89(一面粘铬鞣革、一面粘弹性胶片、带宽为250mm、带长为3350mm的聚酰胺片基复合平带)。2、V带传动的设计：V带比平带和链传动的应用更加广泛，V带传动的特点：(1)与链传动相比，结构简单，成本低，制造、使用、维护方便，能适应多种复杂的传动形式。但其传动不稳定，局部损坏不易修理，需更换新品。(2)与平带相比，不易掉带，带轮安装要求不太严格，允许两轮中心面有较大的位置度和平行度偏差，能更好地适应多种传动形式，简化传动机构。V带得出拉力较低，允许用较小的包角和中心距，传动比可以比较大，外廓尺寸小，没有接头，运行平稳。本设计中使用的是A型普通V带(基准宽度制)，其截面尺寸见《机械设计实用手册》表8-1-4，选择A型普通V带，其截面尺寸：节宽=11.0mm；基本尺寸：顶宽b=13mm,高度h=10mm，楔角=40°。基准长度系列见《机械设计实用手册》表8-1-8。根据型号可以外购到该V带。（1）V带的基本参数1）确定计算功率：已知：；；查《机械设计基础》表13-8得工况系数：；则： （11）2）选取V带型号：根据、查《机械设计基础》图13-15选用Z型V带,3）确定大、小带轮的基准直径（a）初选小带轮的基准直径：；（b）计算大带轮基准直径： ；（12）圆整取，误差小于5%，是允许的。4）确定V带的基准长度和传动中心距：（a）中心距： （13）初选中心距（b）基准长度： （14）对于Z型带选用（c）实际中心距： （15）5）验算主动轮上的包角：由 （16）得主动轮上的包角合适。6）计算V带的根数： （17）（a），查《机械设计基础》表13-3得：；（b），查表得：；（c）由查表得，包角修正系数（d）由，与V带型号Z型查表得：综上数据，得（18）取合适。表2V型带的主要参数带型带轮基准直径(mm)传动比基准长度(mm)中心距（mm）根数Zda1=50da2=1252.57102141（2）带轮结构的设计1）带轮的材料：采用铸铁带轮（常用材料HT200）2）带轮的结构形式：V带轮的结构形式与V带的基准直径有关。小带轮接电动机，较小，所以采用实心式结构带轮。4.4主轴部分的设计1、轴材料的选择：在此设计中轴主要是起传递运动的作用，受载荷较小，所以选择45钢作为轴的材料，调质处理。2、各轴段直径和长度的确定：（1）初步确定主轴的最小直径查阅表，由于弯矩较小，载荷平稳，无轴向载荷，所以取较大值，MPa，取较小值,mm2，则轴的最小许用直径为： （19）轴上键槽对轴有削弱作用，所以本次设计选取最小主轴直径mm。（2）轴上各段长度和直径的初步确定如图6-1所示，根据总体分析取主轴总长mm，在根据轴上各段的作用，分别确定各段的尺寸如下：轴上1段安装带轮，初定尺寸：mm；轴上2段安装深沟球轴承，初定尺寸：mm，轴上3段安装滚筒，初定尺寸：mm，轴上4段安装深沟球轴承，初定尺寸：mm。（3）轴承与轴上配件的选择根据主轴初步尺寸选择配件。由于不承受轴向力，故选用深沟球轴承,选择代号6204（GB/T276-1994）安装在2和4两段轴上，其基本尺寸：mm，mm，安装尺寸：mm，mm，mm。锁紧螺旋主要用来锁紧带轮，实现轴向定位，采用圆螺母锁紧。由表查得：螺纹采用的普通螺纹，其基本尺寸为螺距P=1,中径mm，小径mm。由表查得，选择圆螺母的螺纹规格为(GB/T810-1988)其基本尺寸为：外径mm,厚度mm，外小倒角。链轮用紧定螺钉来实现轴向定位。滚筒处选择普通A型平键，平键尺寸：，带轮处选择普通A型平键，平键尺寸：。（4）精确确定各轴段的尺寸轴1段：mm轴2段：mm轴3段：mm轴4段：mm3、主轴的载荷分析：根据文献[11]进行受力分析和弯矩及扭矩的计算（1）轴的受力确定首先根据轴的结构，做出轴的载荷分析图，如图11所示图11主轴的载荷分析（2）支反力的计算水平面：由于轴上的零件是对称布置，且其载荷也是对称，则N （20）垂直面：N（21）（3）弯矩扭矩的计算大链轮输入的扭矩：N（22）每个带轮的输出扭矩为链轮的一半，即N （23）水平作用在C点的弯矩： （24）水平作用在D点的弯矩： （25）垂直作用在E点的弯矩： （26）由图11可知,可以看出轴的危险截面在E处 （27）4、轴的校核：（1）按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面E）的强度。根据轴单向旋转，扭转切应力为不对称循环变应力，取，轴的计算应力MPa （28）由《机械设计手册》查得，MPa。因此，故安全。（2）精确校核轴的疲劳强度[12]截面E左侧：抗弯截面系数：mm3 （29）抗扭截面系数：mm3 （30）截面E左侧的弯矩M为： （31）截面E上的弯曲应力：（32）截面E上的扭转应力：MPa （33）轴的材料为45钢，调质处理。由《机械设计实用手册》查得抗拉强度，弯曲疲劳强度MPa，扭转疲劳极限MPa。截面上由于轴肩而形成的理论主应力集中系数及按表查得，因，可查得：，又由附图3-1可查得，轴的材料的敏感系数为，故有效应力集中系数为（34） （35）轴未经表面强化处理，即，则得，综合系数为 （36） （37）低碳钢的特性系数:，取，取于是计算安全系数的值，得 （38） （39） （40）故可知其安全，由于左右两侧结构为对称形式，且所受载荷相同，对称分布，故可知另一侧也安全。因此轴的强度是足够的。5自适应胶带封箱机的三维建模装配图通过对胶带封箱机各个工作机构进行分析、设计以及强度校核计算。最终确定了封箱机构、刀架、刀片、