毕业设计（论文）-纸箱成型机结构设计

II第1章纸箱成型机1.1纸箱成型机概念纸箱成型机又名纸箱开箱机，是专门用于将纸箱预制板折叠成型并封闭箱体底部的机械装置。其主要职能在于将经过模切处理的单片箱片展开为完整箱体，并保障箱体底部的闭合及稳固的粘合或钉合过程[1]。在操作过程中，该设备能够自动完成纸箱箱坯的供应、展开、成型、底部折叠以及粘合或钉合等多项工艺步骤，最终生成完整且可立即用于装箱的箱体。纸箱成型机在包装生产线中占据关键地位，常用于提升包装过程的效率与自动化水平。1.2纸箱成型机的研究现状1.2.1国内研究现状包装机械发展已有数百年历史，纸箱成型机械自包装机械产业出现以来，已经成为了一个重要的组成部分，并且受到业界的高度重视。其发展过程可以归纳为：由简单的机械化、初步的自动化、专门化的自动化，最后达到了由计算机控制的高度自动化。20世纪40年代中叶，在食品工业和烟草工业中率先引入了包装设备；20世纪50年代，人们开始采用光敏管、电子开关等技术，使纸盒成形机器的单台生产和应用成为可能；20世纪60年代以来，随着机械、电子、液压、气动等技术的不断发展，纸盒成形设备的自动化程度不断提高。20世纪七八十年代，由于采用了微机控制技术，使纸盒成形设备的自动化程度大大提高，成形速度也有了很大的提高[2-4]。90年代以来，高科技在包装机械领域的广泛应用，促进了纸盒成型设备的自动化、成形效率和成形品质的不断提高，并向“无人化”的方向发展。与此形成鲜明对比的是，中国在这方面的发展相对滞后，改革开放以前可以说是一片空白。大部分的商品都没有包装，只有少部分是人工包装，所以谈不上自动化。改革开放以来，我国经济快速发展，外贸规模不断扩大，对商品包装的需求急剧上升，促进了包装机械的机械化、自动化水平的提高，使其在国民经济中的地位越来越重要。为推动包装机械产业的快速发展，中国已经建立起了众多的监管和行业团体。中国包装工艺学会于一九八零年十二月建立。一九八一年四月，中国包装工业之友，中国包装工业之友，于一九八一年四月正式成立[5]。从上世纪90年代开始，包装机械行业表现出了良好的发展态势，平均每年增长20%到30%，大大超过了整体包装行业的15%到17%的增长率，并且高于常规机器行业的4.7个百分点[6]。包装机械工业现已成为推动我国国民经济不可或缺且至关重要的新兴行业。在2004年之前，我国的纸箱成型机及其动作机构的相关专利尚属空白，相较于欧美发达国家，起步时间晚了近80年。但是，在不懈努力下，中华人民共和国市场监管总局和中国标准化管理委员会共同颁布了《纸箱成形机》（GB/T276000-2011)，并于2012年5月1日起正式施行[7]。该标准的颁布，标志着国内纸盒成型机进入了一个新的发展时期，也预示着对纸箱成型机械性能提出了更高要求，推动其走向通用化生产道路，提升了机械行业的高效专业化加工能力。目前，各大高校纷纷增设包装工程专业，包装机械学科已成为各院校重点发展的学科之一，进一步推动了该领域的学术研究和技术创新。1.2.2国外研究现状美国是世界上最大的包装设备生产商，从20世纪初期开始，到现在已经形成了一个完整的产业体系。美国在培养包装机械的人才上下了很大的功夫，许多著名的大学都有自己的包装机械专业，还有专业的包装实验室，就连军队都有自己的包装试验研究组织[8]。从20世纪70年代起，美国的纸箱成型机械专利不断涌现，这些专利技术获得了全球范围内的认可。美国的纸盒成型机品种齐全、工艺成熟、生产率高、成形品质稳定，在国内市场占有很高的地位[9]。近几年，由于高新技术的不断进步，美国纸盒成形设备正朝着自动化、高效率、多功能、低能耗的方向发展。德国作为世界上最大的出口国家，其纸盒加工设备的模块化设计已成为其开发的重要方向。德国纸盒成形机以分散式并联传动代替原来的三角杆式，大大减少了动作切换时间，增加了机器的柔性。另外，德国对纸盒的成形技术进行了改进，对其对包装材料的性能要求也有所下降，因此，在当今的纸盒成形中，可以大幅度地减少其应用成本。德国在机械设计方面采用了大量的仿真软件，从而大大地缩短了机器的设计与制造时间，减少了制造费用，并减少了资金的回收时间[10]。日本是世界上发展最快的国家之一，也是世界上最早出现在包装机械行业中的新兴大国。二十世纪六十年代之前，日本有超过60家的包装机器制造商，其技术水平落后于世界各国。但是，从七十年代末到八十年代中期，日本从欧美等国家引进了大量的先进装备，经过长期的研究与消化，已经研制出了许多性能优异的包装装备。其中，纸盒成形机在节能、安全等方面表现出明显的优势。日本的包装业从80年代末开始步入高速发展时期，各种类型的包装设备都被采用了微电子、工业机器人等，这使得纸盒成形设备向更加安全、小型化、智能化的方向发展[11-12]。日本虽然起步时间不长，但是凭借其强大的引进、模仿和创新能力，很快就成长为世界上最强大的包装工业之一。此外，意大利、英国、瑞典、瑞士等欧洲国家凭借其悠久的工业发展历史，在包装机械领域也表现突出。在纸箱成型机械方面，这些国家的产品以性能优越、外观精致、价格合理等特点，占据了市场的一定份额。他们不断研发新型纸箱成型机械，集机械、电子、气动、光学、磁学等高技术于一体，实现了多功能、快速调节、高效稳定生产的模块式纸箱成型机批量制造，推动了纸箱成型机械行业的持续进步[13]。1.3纸箱成型机的关键技术纸箱成型机的关键技术主要包括印刷技术、切割技术和成型技术。首先，印刷技术是纸箱外观设计的重要环节，要求印刷色彩鲜艳、图案清晰、防水耐晒。这直接决定了纸箱的视觉效果和耐用性。其次，切割技术是纸箱成型的关键步骤，需要切割边缘平整、尺寸准确。切割的质量直接影响到纸箱的成型效果和整体稳定性。最后，成型技术则是将切割好的纸板折叠成所需形状，要求成型稳定、尺寸精确。这一步骤决定了纸箱的最终形态和实用性。此外，纸箱成型机还采用立式储存纸板方式，可随时补充纸板而无需停机，大大提高了生产效率。同时，本机由PLC+触摸屏控制，具有高效率，高速度，高效率的特点。该设备适合于大规模的自动化生产，可以与自动包装线配合使用，从而提高整体的生产效率和经济效益。1.4研究的目的及意义研究目的：（1）提高生产效率：通过对纸箱成型过程改进和优化，以及引入自动化机械，旨在提高生产效率，降低人工成本。（2）保证产品质量：纸箱成型环节大多采用手工生产，生产成本较高、质量不稳等问题，通过纸箱成型机的稳定性，可以进一步提高产品的合格率，保证产品质量。（3）促进产业升级：通过课题研究，推动相关技术的创新和发展，为产业升级提供技术支持。研究意义：（1）实际应用价值：纸箱成形机可以极大地提升纸箱的生产效率，降低成品的生产费用，减轻工人的劳动强度，为纸箱生产的自动化和自动化提供了保障。（2）技术推动作用：课题研究有助于推动纸箱成型机及其相关技术的发展，为行业的技术进步作出贡献。（3）经济效益：纸盒成形机具具有比较良好的生产环境，生产效率高，生产成本低，包装产品的质量也得到了保障，因此，它可以在市场上取得很大的竞争优势，带来非常高的经济效益和社会效益。

第2章纸箱成型机总体方案设计2.1功能需求分析纸箱成型机的工艺流程如图2.1所示，整个流程呈现高度的自动化和连续性[14]。首先，纸板通过输送链进入设备，随后自动包装封箱系统会根据预设的尺寸对纸板进行精确的裁剪和折叠，形成所需的纸箱形状。接着，纸箱在传送带上进行打印工序，确保每个纸箱都具备清晰的标识。随后，纸箱进入喷码环节，以便对食品或其他物品进行追踪和管理。完成喷码后，食品被装入纸箱内，当纸箱装满物品后，自动包装机将启动折叠操作，完成纸箱的封闭。与间歇式设计相比，这种连贯的运动方式显著提高了生产效率和稳定性，因此纸箱成型机的各个机构均设计为连续运动机构，以确保整个工艺流程的顺畅进行。图2-1包装封箱设备的工艺流程采用编码器使伺服电机与取盒输出轴的转速同步，确保取盒机构与折纸机构的动作保持一致。该设计方案具备以下特点：（1）设计精巧，操作灵活，易于移动，使用简单，功能明确，具有高度的专用技术性。（2）零部件通过数控加工，使用经过优化处理的进口材料和配置，确保耐用性和精度。（3）采用先进的设计元素，使得整个设备在运行时更加可靠、安静，同时包装效果更易于控制。结合上述工艺流程，本课题设计的纸箱成型机应满足以下功能需求：（1）纸箱开箱与成型：纸箱成型机的主要功能是将平整的箱坯展开，并确保箱体成型到预定形状。这一过程包括打开纸箱并将其保持在稳定状态。（2）底部折叠与粘合：在纸箱展开后，成型机负责将底部的折页按顺序合拢，并通过胶带、热熔胶或钉订的方式将其封合。（3）调整与兼容性：纸箱成型机通常需要支持不同尺寸和类型的纸箱，因此它应具备灵活地调整功能，确保适用于多种纸箱规格。（4）速度和效率：效率是纸箱成型机的关键需求之一。机器应具备高效的纸箱供送和成型能力，以满足生产线的高产能需求。（5）自动化与控制：纸箱成型机通常与其他包装设备连通，因此需要具备自动化操作和控制的功能。自动化程度高的机器通常可以减少人工干预，并提升生产效率。2.2设计方案选择根据本次设计要求，以及我对大学四年所学，经过细致严谨地构思，拟定了如下几种设计方案：方案一：基于模板匹配的成型机设计这种设计主要依赖于预设的纸箱模板和机器视觉技术。当纸板被送入设备后，摄像头会捕捉图像，并将其与预设的模板进行匹配。匹配结果确定成型机如何折叠纸板，以获得所需的纸箱形状。这种设计的优点在于灵活性，能够适应不同尺寸和形状的纸箱。不过，这种设计需要对机器视觉和图像处理技术有深入地了解，并且设备的制造成本可能相对较高。方案二：基于机械手臂的成型机设计本设计通过采用一个或多个机械手臂来实现纸箱的折叠与成型作业。这些机械手臂能够依据预先设定的程序或算法精确控制纸板的折叠路径与方式。该设计的显著优势在于其高精确度和高效率，尤其适用于大规模的生产环境。然而，实现此设计需要对机械手臂的运动学和动力学特性有深入透彻的理解，同时，设备的维护保养成本可能相对较高，这也是在实际应用中需要加以考虑的重要因素。方案三：基于组合模具的成型机设计该设计中，成型机利用一套可更换的模具进行折叠和成型操作。每个模具专为特定尺寸和形状的纸箱设计。如果需要更改纸箱的尺寸或形状，只需更换对应的模具即可。这个设计的优势在于能够灵活适应不同的生产需求，而且设备制造成本相对较低。但需要考虑的是，该设计可能需要存储大量模具以备不时之需，同时在生产过程中更换模具可能需要一定时间和人力。经过对比和分析，最终选择方案三。与方案一和方案二相比，方案一的灵活度较高，但成本偏高；方案二拥有高精度和高效率，但设备复杂，维护成本高；而方案三虽然灵活性略逊，但适用范围更广，同时具有较好的精度和刚度，设备成本和维护成本相对较低，操作也较为简便。综合考虑这些因素，方案三更符合实际需求，因此被选用。2.3整体结构设计2.3.1结构及原理分析纸箱成型机的结构组成包括多种机械和电子组件，用于完成纸箱的开箱、成形和底部折叠封合。传动带是该设备的主要组件之一，用于传输纸箱，使其在不同的加工点之间移动。电机减速器提供机械动力，并控制传动带的速度。控制箱包含设备的主要控制系统，用于管理电源供应、自动化操作和紧急停机等。货箱用于存放未成型的纸箱，而压紧机构确保纸箱在成型过程中保持稳定。遮板提供保护和稳定性，机架是整个设备的框架，支撑板用于支撑纸箱成型过程中的操作。导向链条引导纸箱的运动方向，检测开关总成用于监测设备的运行状态。气缸总成提供气动动力，推送装置用于推动纸箱，支撑立柱和脚支撑提供设备的稳定性。纸箱成型机结构如图2.2所示。图2.2纸箱成型机结构示意图其工作原理是经过一系列的自动程序来实现纸盒的成型。设备开始时，传动带将叠成纸板的箱板送入机器。然后，电机减速器调整传动带的速度，确保纸箱以适当的速度移动。气缸总成推动纸箱展开，形成开箱的形状。在展开过程中，压紧机构确保纸箱保持稳定。接下来，底部折页根据预定程序折曲，确保箱底合拢。随后，胶带装置将胶带贴在纸箱底部，以密封箱底。最后，推送装置将已成型的纸箱推送到装箱机，完成整个开箱和成型过程。整个过程由控制箱进行自动化控制，确保设备按设定的程序运行。图2.3功能示例图2.3.2主要技术指标为了确保纸箱成型机能够满足小型化、广泛适应性、高效率以及高质量等多重设计要求，对其设计参数进行精准定义是至关重要的。表2.1详细列出了这些主要参数。表2.1性能指标指标参数纸板成型机尺寸2923×2093×1450mm成型机构重量45kg纸箱尺寸400×350×300mm工作频率7s/个折页曲折角度90°第3章纸箱成型机关键结构设计3.1机架的设计纸箱成型机的机架结构是一套由多种尺寸和长度的方管构成的框架系统，用于支撑和固定机器的各个部分。机架通常由纵管、横管和竖管组成，它们共同形成一个坚固且稳定的框架。纵管是机架的主要支撑结构，沿着机器的长度方向延伸，提供机器整体的骨架。纵管有不同的长度，以满足机架的整体设计需求。纵管三方管的尺寸为50×50×1.6，长度为1100，另有纵管二方管和纵管一方管，长度分别为1050和1150。这些纵管用于支撑机器的主要构架，并提供附加组件的安装点。横管沿着机器的宽度方向分布，与纵管相交形成牢固的框架。横管也有多种长度和尺寸，包括横管四方管、横管三方管、横管二方管和横管一方管，长度范围从700到1790。它们为机架提供了横向支撑，确保机架在运行过程中保持稳定。竖管在机架中扮演支撑和连接的角色，沿着机器的高度方向延伸。竖管的长度和分布在设计中起关键作用，因为它们决定了机器的整体高度和稳定性。竖管三方管的长度为1375，竖管二方管的长度为254.5。通过不同长度的竖管，机架能够保持适当的高度和稳定性。纸箱成型机的机架结构基于这些纵管、横管和竖管的组合，通过连接和焊接形成一个完整的框架系统。这种结构确保了机架的强度和稳定性，使其能够承受纸箱成型机在运行过程中的各种应力和负荷。同时，机架结构的灵活性也允许在必要时进行调整或扩展。纸箱成型机的机架结构如图3.1所示。图3.1机架结构示意图3.2真空吸箱装置设计纸箱成型机中的真空吸箱装置是一种关键部件，用于在纸箱成型过程中将平整的纸箱板吸附并展开。该装置的结构通常包括吸盘、螺母、连接套筒、连接板、导向板和定位块。吸盘是吸附纸箱板的主要组件，通常由柔性材料制成，确保在吸附过程中不损坏纸箱板。螺母用于固定吸盘，并提供与其他部件连接的接口。连接套筒是连接吸盘和连接板的中间部分，确保吸盘与整个装置的牢固连接。连接板是整个真空吸箱装置的骨架，用于支撑吸盘和连接其他部件。导向板用于引导纸箱板的运动方向，确保其在吸附和展开过程中保持平稳。定位块提供纸箱板的定位和固定，确保在吸附和传送过程中保持准确。真空吸箱装置的结构如图3.2所示。图3.2吸箱装置结构示意图真空吸箱装置通过真空系统生成负压，进而实现对纸箱板的吸附。这一系统通过连接套筒和连接板将吸力传递至吸盘，当吸盘与纸箱板接触时，利用真空效应将纸箱板牢牢吸附。随后，在机械驱动的引导下，吸盘能够将纸箱板从堆叠状态分离，并顺利传送至下一加工环节[15]。在此过程中，导向板确保纸箱板按预定方向移动，而定位块则保证吸盘在分离纸箱板时位置精准。整个吸附与展开过程均受真空系统的精确控制，从而确保纸箱成型过程的稳定性和效率。真空吸盘与伸缩气缸在气体需求上截然相反，前者需要负压气体。为简化系统结构并提升便捷性，需增设真空发生器。真空发生器以正压为动力源，具有效率高、清洁、经济、体积小等优点。这种方法可以方便地获得负压值，也可以用于有压缩气体或气压系统的场合。真空发电机在机械，电子，包装，印刷，塑胶，机器人等领域有着广泛的应用。电路的组成见图3.3。1.气源；2.电磁阀；3.真空发生器；4.真空压力开关；5.过滤器；6.吸盘；7.工作腔；8.消声器；9.真空电磁破坏阀图3.3吸盘回路结构图这个回路的气源是由整机内的空气泵来提供的。在吸头工作时，开启2个电磁阀，将气体供给到真空发生器中，形成一个负压力，将纸板盒牢牢地吸住。当真空度到达由真空压开关4设置的压强大小时，开关就会产生一个电信号，使相应的动作开始。在真空中断电磁阀9被激励的情况下（在这个时候，电磁阀2被切断），空气流入到真空损坏的电磁阀9和吸盘密封的空腔中，真空被抽走，纸盒被释放，一个工作周期结束。3.2.1气缸的选型活塞杆上的推拉力取决于操作过程中所需的驱动力。因此，液压缸的选型要考虑到它的输出功率。若选择的液压缸直径太小，则会造成动力不足，使液压缸不能正常工作。而气缸直径太大，不但增大了装置的体积，而且增大了空气消耗量，导致了能量的浪费。气缸理论出力的计算公式见下式：（3.1）式中；F——气缸理论输出力（kgf）D——气缸缸径（mm）p——工作压力（kgf/mm）气缸的冲程与工作环境以及机械的冲程比有着紧密的联系，同时，气缸直径与冲程的比率也会随着汽缸的安装方式而变化。这一关系如图3.4所示得以清晰展现。为确保气缸在实际使用场合中的稳定性和安全性，需要根据实际行程对活塞杆的强度进行精确验算，以评估其是否可能产生纵向弯曲现象。图3.4气缸安装形式气缸的空气消耗量计算公式如式（3.2）所示：（3.2）式中：Q——每厘米行程空气消耗量(L/cm)D——活塞或活塞杆直径(mm)S——气缸行程（mm）2——操作压力（kgf/cmP）由气缸带动的滑块的总位移是650毫米，由此可以得到需要的驱动汽缸的行程是250毫米，需要的汽缸直径是50毫米，所以选择CA2L50-250S的汽缸。气缸型号的表示方法如图3.5所示[16]：图3.5气缸型号表示3.2.2真空吸盘的选型真空吸盘是一种用于真空装置的执行器，通常被认为是最经济的物品捕捉方法。本发明的特殊设计，使其在负压状态下，可在负压状态下与被吸物体相接触，从而产生暂时的密闭空间。通过气压管道等设备使密闭空间中的气压比外部大气压低，由此形成气压差，外部大气压将物体紧紧地挤压到真空吸盘上。一旦真空吸盘将物体送到指定位置，封闭的空间就会和外界产生联系，达到一个稳定的压力，就可以轻易地将物体放出来[17]。真空吸盘操作快速，安全，对物体无损伤，经济环保。它的工作方式一般有横向提升和竖向提升两种。横向吊装时，采用4的安全系数；竖向提升时，安全系数取8。在图3.6中显示了真空吸盘的两个操作模式。图3.6真空吸盘工作方式各种型号的真空吸杯，使用橡胶材料，能适应高温工作；硅胶吸盘适用于对表面比较粗糙的物体进行抓取；而由甲酸甲酯制造的吸盘却十分持久。如需耐油性，则可考虑聚氨酯，丁腈橡胶，或含有乙烯的聚合物。该系统以纸板为被吸附物，其表面比较粗糙，所以选择了海绵吸附。本发明提供了一种新型的海绵吸盘，它的吸力大，稳定，耐磨，回弹快，完全符合设计要求。考虑到系统的大小及结构，本文选择了50mm的VS50E型吸盘[18]。其具体结构见图3.7。图3.7VS50E真空吸盘示例3.3输送装置设计3.3.1输送方案选择常见的输送装置有皮带输送式、网带式、辊筒式、链条式等。带式输送机是一种通过摩擦传动来达到连续输送物质的机械装置，它的主要结构包括：机架，输送带，托轮，辊筒，拉紧装置，传动装置等。本机主要用于运输粉末、颗粒和小块等不易磨碎的材料，并可进行袋装材料的搬运。可在-20℃~+40℃范围内操作，输送材料的温度要求低于60℃[19]。皮带输送机的机长以及装盘形式均可根据用户的实际需求进行定制，以满足不同场景下的应用要求。其结构如图3.8所示。图3.8皮带式输送装置网带输送机是一种采用金属网带、塑料网带或塑钢网带作为传输媒介的输送设备。它的输送带有多种材料，有碳钢，不锈钢，热塑链等，可以根据客户的需要，选用不同的宽度和形状的链板，满足平面输送，平面转弯，提升，下降等各种输送要求。这种输送机因其广泛的应用范围，尤其适用于食品等行业。通过精准选择输送带材质和链板形状，网带输送机能够高效、稳定地完成各类传输任务，为食品等行业的生产流程提供有力支持[20]。图3.9网带输送装置辊筒式输送机：辊筒输送机是专门用来输送各种平板状物料的，如各种包装箱、包装袋、托盘等，它的主要特征是输送量大、速率高。本机可实现水平输送、转弯、合流、分流、转向、靠边、堆积、自滑行等各种功能，并具有抗冲击性能。辊筒线连接简单，可以和其它输送设备构成复合物流运输体系，适应不同的生产要求。辊筒输送机的主要组成部分包括传动辊筒、机架、支架和驱动部等[21]。根据动力需求，辊筒输送机可分为无动力辊筒和有动力辊筒两种类型。图3.10辊筒式输送装置上述三种方案的对比情况如表3.1所示。表3.1输送方案对比输送方案优点缺点皮带式输送装置高效性，连续输送大量物料；适应性强，适用于多种物料；灵活性好，可曲线设计；维护成本低，结构简单能耗较高，对长距离和大批量物料输送时尤甚；对环境要求较高，不适用于特殊环境；对某些特殊物料不适用，如易燃易爆物料网带输送装置模块化设计，维护方便；稳定性强，耐化学腐蚀；输送能力大，输送距离可调节；耐切割、碰撞，使用寿命长可能不适用于大型物料或重物的输送；相对于皮带式可能成本稍高辊筒式输送装置结构简单，易于安装和维护；

输送平稳，减少物料损坏；可与其他输送设备组合，形成大型自动化系统；适用于多种输送场景，如水平、倾斜和曲线输送对物料有一定要求，不适用于过于脆弱或易碎的物料；对于长距离输送，可能需要多个驱动点；

噪音和振动可能相对较大通过对比，本课题设计的纸箱成型机选择辊筒式输送装置，原因在于其结构简单，易于安装和维护，降低了整体运行成本并减少了生产延误；同时，辊筒式输送装置输送平稳，有效减少纸箱损坏，保证成型质量；此外，其良好的适应性满足了不同尺寸和重量纸箱的生产需求；最重要的是，辊筒式输送装置易于与其他设备组合，形成自动化系统，提高生产效率。3.3.2输送结构及原理纸箱成型机的输送装置是一套复杂的机械系统，用于在成型过程中输送纸箱。这一系统的结构设计包括链条、链轮、传动轴、连接支架、连接板、滚轮、摆动支架、弹簧、导线杆、框架、调节轮、防护罩和输送滚轮等部件，输送结构如图3.11所示。链条是输送装置的主要驱动组件，通过与链轮的结合，实现输送过程中的动力传递。链轮安装在传动轴上，传动轴与电机相连，提供整个输送装置的动力来源。连接支架和连接板用于固定链条和链轮，并确保其在运行过程中保持稳定。滚轮在输送装置中起着关键作用，主要用于支撑和引导纸箱。它们与链条相互配合，确保纸箱在传输过程中平稳移动。滚轮的位置和数量根据设备设计而定，通常分布在整个输送路径上，以确保纸箱的顺畅输送。摆动支架和弹簧是用于调节输送装置中的压力和平衡。摆动支架可在一定范围内摆动，确保链条和滚轮的紧密配合。弹簧提供弹性支撑，确保输送过程中的稳定性，同时减轻机械磨损。导线杆是输送装置中用于引导纸箱的组件，确保纸箱在输送过程中沿预定轨迹移动。框架是整个输送装置的骨架，提供支撑和固定点，确保装置的整体稳定性。调节轮用于调整链条的张力，确保输送装置在不同负载条件下都能平稳运行。防护罩用于保护输送装置中的关键部件，防止操作过程中发生意外。输送滚轮位于装置的末端，用于接收输送过来的纸箱，并确保其平稳传输至下一工序。1.链条；2.链轮；3.传动轴；4.连接支架；5.连接板；6.滚轮；7.摆动支架；8.弹簧；9.板；10.滚轮；11.导线杆；12.滚轮；13.框架；14.调节轮；15、16.防护罩；17.输送滚轮图3.11纸箱成型机输送装置结构示意图3.3.3链传动的设计该滚子链主要包括内链板、外链板、套筒、销轴和滚柱（见图3.12）。在此结构中，外链板被牢固地固定在销轴上，而内链板则稳固地连接在套筒之上，滚子与套筒之间，以及套筒与销轴之间，均具备相对转动的特性，这使得链条与链轮在啮合过程中主要产生滚动摩擦。滚子链既可单列使用，也可多列并行使用，以适应不同场景下的需求[22]。当多列并行使用时，滚子链能够传递更大的功率。与齿形链相比，套筒滚子链在重量、寿命以及成本方面均表现出优势，因此它在动力传动系统中得到了广泛地应用。图3.12滚子链链轮由轮齿、轮缘、轮辐和轮毂几个关键部分构成，其结构形式可以根据实际需求分为三种类型。对于小直径的链轮，通常采用整体式设计，即将所有部分一体化制造，如图3.13a所示；中等尺寸的链轮则常采用孔板式结构，通过特定的孔洞设计实现链轮的组装与固定，如图3.13b所示；而对于大直径的链轮，齿圈部分通常通过螺栓连接或焊接的方式与轮毂结合，形成组合式结构，以增强链轮的整体强度和稳定性，如图3.13c所示[23]。（a）（b）（c）图3.13链轮的结构（1）链条的选择和计算链传动的链速定为v=0.5m/s，根据链与链轮齿数的关系当链速时，传动比的推荐值为，故取。1）初定中心距取2）主、从动链轮齿数3）计算链节数链节数的选择可以随时间的不同而有所改变，因此选择152节。4）确定计算功率由于小链条轮轴与马达的输出轴直接相连，所以它的功率为178W。和转速96.8r/min。5）确定中心距由中心距（中心距可调）得6）验算带速由故取合适。7）选择润滑方式根据节距，链速，链条润滑方式为人工定期润滑。8）确定工作拉力9）作用在轴上的拉力10）链条标记经计算，选用了19毫米间距、A系列、单排152节的滚子链条。标记为12A-1-152GB/T1243-2006。（2）链轮相关尺寸计算已知小链轮的齿数，大链轮的齿数，链条节距，滚子外径。1）小链轮的设计和计算由于小链轮直径较小，所以从生产成本及制作上考虑，将小链轮制成一件，并将其加工成齿轮轴，以保证小链轮与轴之间的连接。它的有关大小按以下方式计算：分度圆直径：齿顶圆直径：齿根圆直径：齿宽：倒角宽：齿侧凸缘圆角半径：齿侧半径：2）大链轮的设计计算针对大链轮的直径很小的特点，在综合分析有关因素的基础上，将其与主轴制成一个整体。它的有关大小按以下方式计算：分度圆直径：齿顶圆直径：=230+1.25×19.05-11.91=242mm齿根圆直径：=230-11.91=218mm大小链轮的齿宽，倒角宽，齿侧凸缘圆角半径，倒角半径相等。即：，，，。3.4封箱机构设计封箱机构包括合页结构和封棱结构两部分。合页机构是制盒机的关键部件，是整机的核心部件。每一次的合页操作都要关闭箱子的4页，所以在4个方向上都要受力。但是，因为合页的不连续，必须先把两张小纸合起来，才能合上两张大纸，这样就给合页机构的设计提出了新的要求，即要保证合页的次序和在空间上的同步[24]。整体的合页机构由合小页和合大页两个部件组成。合小页机构是由两个凸轮、合小页推杆、合小页推杆、合小页推杆等构成的。该装置由马达带动台阶轴转动，将扭矩层层传送，从而实现纸盒小页的封口。合页机构是由合大页凸轮、合大页推杆、合大页连杆和大页爪等部件构成，它们也是通过电动机的传动来实现较大页的封合[25]。在卷边机构中，卷绕机构要能根据不同的纸盒卷绕要求，尤其是用卷绕胶带加强盒棱的强度。所以，如何设计出一种能高效地贴绕纸盒棱边的机构就变得非常重要。虽然目前的机器（例如工字机）已实现了对纸盒棱边的贴盒，但该设备一般只局限于单个棱边的封盒，不能满足一些特殊场合对纸盒四条棱同时缠绕粘贴的需求。为此，我们对盒头进行了改造，把盒头的接触面改成了直角，这样就可以直接与纸盒接触，并完成封边工作，这样就保证了包装的严密性和盒体的质量[26-27]。3.5驱动电机选型驱动电机的参数主要包括驱动转矩、额定转速、额定功率和峰值转矩等，根据驱动模块驱动力的分析结果来计算驱动电机的主要参数从而选择满足纸箱成型机平稳运行的驱动电机极为关键。（1）根据运动类别，计算驱动力。采用摩擦方式，故受力分析得：式中，m——输送机质量，kg；g——重力加速度；a——动态运动时产生的加速度；S——安全系数；μ——摩擦因素；材料采用45钢，查表得μ=0.25所以（2）驱动力为：（4.4）所以（3）实际驱动力：（4.5）因为传力机构为齿轮齿条传动，故取n=0.94，并取K1=1.5。若匀速取a=0时，则：所以执行机构驱动时所需转动的驱动力为345N。驱动转矩是纸箱成型机克服其正常转动过程所受到的总的阻力，假设纸箱成型机的直径为d，数量为N，减速机构的减速比为i，传动机构的传动总效率为η1，则驱动转矩与驱动力之间的关系满足：额定转速的计算公式为：本设计的纸箱成型机驱动轮直径d=0.15m，驱动轮的数量N=2，减速机构的减速比i=20，传动机构的总效率η1=0.90，v是的额定运行速度，取1.1m/s，将其数据中求得的额定驱动力FT和最大驱动力Fm代入分别代入上式中，可以求得输送机驱动电机的额定转矩、峰值转矩和额定转速分别为：而驱动电机的额定功率为驱动电机额定转矩和额定转速的乘积：代入数据可求出驱动电机的额定功率P额=0.1872KW综上所述，纸箱成型机驱动电机的主要参数如表3.1所示。表3.1电机主要参数要求主要参数额定转矩额定转速峰值转矩额定功率允许值0.638N.m2802.55r/min1.215N.m0.1872KW第4章纸箱成型机控制系统4.1控制系统结构在纸箱成型机系统中，PLC被选作核心控制单元，通过PROFIBUS-DP网络总线与触摸屏实现数据交互，从而接收操作指令并实时显示设备运行状态。当PLC接收到启动指令后，利用模拟量转换模块（AD）采集传感器数据，并根据输出指令驱动电机，使设备按照预设工艺流程自动完成运输和包装任务[28]。纸箱成型机系统的整体架构如图4.1所示。图4.1纸箱成型机系统控制框图4.2控制系统硬件设计4.2.1PLC选型PLC作为一种独特的电子设备，其核心功能在于服务控制系统的数字化领域。其中，串行存储器扮演着举足轻重的角色，它负责存储指令、顺序、时间、计数以及算术运算，采用数字输入、输出或类比输入，可精确地控制各种设备及生产过程。虽然目前市面上存在着各种类型的程控控制器及功能指令，但这些都是基于微处理器作为专用工业计算机（IPC）的，在结构与工作原理上都有着很高的相似之处，而各种设备也表现出了一些共同之处。PLC的结构包括：中央处理器（CPU)，随机存取存储器（RAM)，只读存储器（ROM)，输入/输出（I/O）接口电路，电源，输入/输出扩展接口，以及外部设备接口。其中，内部总线起到了关键作用，它完成了数据和命令的传输，保证了PLC系统的平稳运行[29]。针对纸盒成型机的实际需要，选用S7-1200可编程控制器为主控芯片。西门子S7-1200可编程控制器是一款性能优良、可配置性强的可编程控制器。本系列可编程控制器具有体积小、体积小、体积小等特点，集电源、微处理、输入、输出为一体，构成功能强大的PLC。S7-1200系列PLC采用了丰富的信号处理模块，具有较强的CPU扩充能力，同时还可以加装其它通讯模块，支持RS232、RS485等通讯协议。S7-1200PLC的中央处理器，可利用信号卡对输入输出进行扩充，并在CPU前端增加一块信号板。另外，在PLC的左侧和右侧还可分别连接数/模输入输出模块和通讯模块[30]。S7-1200PLC的实物图见图4.2。图4.2西门子S7-1200实物图该系列PLC具有以下优势：（1）稳定性高：S7-1200PLC采用先进的硬件设计和制造工艺，确保高稳定性和可靠性。（2）操作便捷：S7-1200PLC提供友好的人机界面，操作简易，适合初学者和专业人士使用。（3）便于维护和升级：S7-1200PLC支持在线升级和远程维护，用户可以通过网络对PLC进行升级和维护，减少了维护成本和工作负担。（4）高性价比：S7-1200PLC价格相对较低，功能齐全，适用于中小型控制系统的设计和应用。（5）可靠性高：S7-1200PLC在设计和制造过程中考虑了电磁干扰和环境因素，具有较高的可靠性和稳定性，能够在各种恶劣环境下应用。结合纸盒成型机的设计需求，对PLC控制系统的输入、输出进行了设定，对各输入、输出界面的作用进行了定义，并对其进行了配置。在表4.1中给出了该系统的输入输出地址分配表。表4.1I/O地址分配表输入注释输出注释I0.0急停Q0.0展开气缸1I0.1启动Q0.1展开气缸2I0.2停止Q0.2底部侧推气缸1I0.3展开气缸1到位感应Q0.3底部侧推气缸2I0.4展开气缸2到位感应Q0.4底部侧推气缸3I0.5底部侧推气缸1到位感应Q0.5底部侧推气缸4I0.6底部侧推气缸2到位感应Q0.6封胶电机启动I0.7底部侧推气缸3到位感应Q0.7黄灯I1.0底部侧推气缸4到位感应Q1.0红灯I1.1封胶电机故障Q1.1绿灯I1.1备用I1.3备用I1.4备用I1.5备用基于PLC的纸箱成型机系统PLC接线图见图4.3。图4.3PLC接线图4.2.2传感器选型（1）限位开关限位开关在纸箱成型机系统中占据核心地位，其应用广泛涉及展开气缸到位感应和底部侧推气缸到位感应等关键操作环节。限位开关在纸盒成型机的控制系统建设中起到了关键作用。它包含了精确的时序控制，定位控制和定位状态的探测。出于成本控制的考量，选用了正泰YBLX-ME-810X系列的机械接触式开关。这款开关在额定电压为380V（交流）或220V（直流），控制电流为0.8A（交流）或0.16A（直流）的条件下性能卓越。它不仅价格实惠，而且反应迅速，机械寿命长达600000次，具有很高的实用价值[31]。其实际形态可见图4.4所示。图4.4正泰YBLX-ME-810X（2）光电开关在分析各种位移接近开关的工作原理、工作环境及工作特性的基础上，结合纸盒成型设备的作业环境与要求，选用光电式接近开关作为移动接近开关，尽量避免工作环境对测量精度的影响。最后，我们选择了BannerQS18系列的聚焦型光敏元件，具体型号是QS18VP6CV45Q5，如图4.5所示，具体参数见表4.2[32]。图4.5QS18VP6CV45Q5传感器实物图表4.2QS18VP6CV45Q5参数指标参数额定电压24V额定电流36A3C额定电压范围36V及以下反应频率50/60检测距离1-25mm4.2.3变频器选型变频调速系统是电力系统中一种重要的电源控制设备，它的主要作用就是利用功率半导体元件的导通和关断来完成电源的变换。特别是可以把50赫兹、60赫兹的供电频率变换成可调谐的交变电压，满足了变频调速的要求。其中，控制电路主要是对主电路进行控制，整流电路主要是把AC到DC的变换，中间的直流电路对整流电路的输出进行平滑、滤波，从而实现直流到交流电的转化。本纸箱成型机系统以西门子四象限变频器SINAMICSS120作为核心部件，与PLC协同工作，实现对封胶电机的精准控制。该系列变频器是西门子公司最新推出的产品，集成了变频调速、矢量控制和伺服控制等多项先进技术。其核心结构包括双脉宽调制型四象限变换器，该系统由控制、整流与反馈、马达、传感和编码等部分构成。利用DRIVE-CLiQ技术，实现了各个模块间的高效稳定互联[33]。4.2.4触摸屏选型触摸屏作为一种先进的人机交互技术，展现出卓越的交互性能。预计该技术将在多种产品和行业中广泛应用。其核心为主要基于触摸感应的传感技术。在操作过程中，屏幕感应到触碰信号后，该信号被传输至控制装置，随后转化为具体的触碰坐标。这些信号进一步被控制器接收，以执行相应的操作。触摸屏根据其感应原理分为电阻式、电容式和红外式等类型。在本研究中，选择了KTP700Basic触摸屏，实现了显示、监控、数据采集、报警和通信等功能[34]。4.2.5电气原理图设计纸箱成型机系统的电气原理如图4.6所示。在该图中，L1、L2及L3分别标识三相电源的各相线，这些相线通过负荷开关与各自的负载实现电气连接。PLC（可编程逻辑控制器）与电源启动按钮和电源停止按钮建立电气连接关系。当启动按钮被触发时，PLC将接收到启动信号，随后发出指令至负荷开关，使其执行闭合动作，进而将电源与负载连通，开始加载。反之，在按压停止按钮时，PLC收到一个停止信号，并立即向负荷开关发出指令，促使其执行断开动作，从而切断电源与负载的连接，使负载停止运行。通过这样的电气控制逻辑，确保了纸箱成型机系统的正常运行与安全控制。图4.6电气原理图4.3控制系统软件设计4.3.1传送功能流程图设计本纸箱成型机系统的传送功能流程图如图4.7所示。在系统启动后，传送区的传送带即开始运作，同时包装区会检测是否存在待处理物料。一旦检测到物料存在，包装区便启动相应的工作流程。当包装机传感器接收到物料通过的信号后，出口区的传送带随即启动，并在物料完全通过后，经过一段延迟时间再关闭。这一流程确保了物料在系统中的高效、有序传送，并实现了对包装过程的精准控制。图4.7传送功能流程图4.3.2封装功能流程图设计图4.8展示了纸箱成型机系统的封装功能流程图。该系统的控制组件包括电机、变频器及多种传感器，采用模块化程序设计。在编程阶段，将控制系统的操作模式、参数初始化、报警处理、故障诊断、电机运动控制以及光电开关反馈等功能独立封装成子程序。系统启动后，根据控制需求依次调用这些子程序，实现精确地控制目标。图4.8封装功能流程图在确定纸箱成型机系统的输入输出点后，需根据其各模块的特定功能，逐一编写相应的程序段。当纸箱成型机系统的封胶电机出现故障时，系统将自动触发报警机制并停机，同时相应的故障指示灯将被激活并亮起，以警示操作人员。基于可编程逻辑控制器（PLC）的纸箱成型机系统部分梯形图，如图4.9所示，详细展示了系统控制逻辑及故障处理流程。图4.9梯形图第5章纸箱成型机经济性技术性分析5.1经济性分析以下是对纸箱成型机设计进行的物料成本分析的严谨表述：物料成本分析涵盖了材料成本、人工成本、运输成本、消耗成本以及税费等多个方面。表5.1详细列出了各项成本的具体数值以及总成本情况。在各项成本中，材料成本占据主导地位，其占比高达总成本的45.7%，是纸箱成型机设计中最主要的成本构成部分。其次，人工成本亦占据显著地位，占总成本的28.6%。相对而言，运输成本、消耗成本和税费所占比重较小，分别占总成本的5.7%、11.4%和8.6%。这一分析有助于我们全面了解纸箱成型机设计的成本构成，并为成本控制和预算规划提供科学依据。表5.1成本预测成本项成本数据材料成本8000元人工成本5000元运输成本1000元消耗成本2000元税费1500元总成本17500元5.2技术性分析本次设计的纸箱成型机需满足以下技术规格：（1）自动化封箱功能：该机器主要实现自动化封箱，需自动完成纸箱封口操作，以提高生产效率及产品质量。（2）稳定性与可靠性：纸箱成型机须具备良好的稳定性和可靠性，保证长时间连续作业时性能的稳定，并减少故障及停机情况。（3）封箱速度：为了适应生产线的要求，提高生产效率，设备必须要有特定的包装速度。（4）封箱质量：要确保包装品质，密封牢固，不会因运输、贮存而造成产品破损、变形等问题。（5）适应性与灵活性：机器应具备适应不同尺寸和形状纸箱的能力，并能实现多种封箱方式，以适应多样化的生产需求。在满足这些技术要求的基础上，纸箱成型机的设计还考虑到加工、安装和焊接的工艺性，确保零部件制造和装配过程的简便性、便捷性和高效性，从而提升整体制造效率和产品质量。此外，设计中还包括采用高效电机驱动系统和环保材料，提升产品的能效和环保性，以更好地符合现代制造业的标准。5.3环保分析纸箱成型机的设计旨在强调其环保特性，通过一系列降低环境影响，降低资源消耗，提高环境友好度和可持续发展能力。（1）在材料选择方面，纸箱成型机设计优先选择环保材料，如可循环利用的金属材料和环保型塑料，旨在降低对环境的潜在污染并减少资源浪费。同时，设计过程中极力避免使用如氯化聚乙烯（PVC）等有害物质，以确保产品的环保性能。（2）节能设计是纸箱成型机设计的另一个重要环节。设计过程中，我们采用了高效的电机驱动系统和控制系统，以优化能源消耗和排放。此外，我们还致力于提升工作过程中的能量转换效率，降低能量损耗，进一步提高能源利用效率，从而达到降低对环境影响的目的。（3）在维护和保养方面，纸箱成型机的使用和维护过程同样注重环保。例如，我们倡导定期清洁和维护机器设备，并使用环保清洁剂和润滑剂，以最大程度地减少对环境的污染。总结本文针对纸箱成型机的结构设计，从整体方案、关键结构、控制系统等方面进行了详细的规划与设计。通过深入地分析和精心地设计，成功完成了设计任务，并取得了一定的成果。在总体方案设计阶段，首先对纸箱成型机的功能需求进行了全面地分析，并选择了合适的设计方案，通过对整体结构的详细规划，确保了纸箱成型机能够稳定、高效地运行。同时还对结构原理进行了深入地分析，并制定了主要技术指标，为后续的详细设计提供了明确的指导。在关键结构设计方面，重点考虑了机架、真空吸箱装置、输送装置以及封箱机构的设计。在机架设计中，注重了结构的稳定性和承载能力，确保整个机器能够平稳运行。在真空吸箱装置的设计中，选择了合适的气缸和真空吸盘，确保了纸箱能够准确、快速地被吸附和定位。输送装置的设计则注重了输送的平稳性和效率，选择了合适的输送方案，并设计了合理的输送结构和链传动装置。在封箱机构的设计中，考虑了封箱的美观性和牢固性，通过合理的结构设计，实现了纸箱的快速、准确地封装。在控制系统设计方面，构建了完整的控制系统结构，并进行了硬件和软件的设计，选择了适合S7-1200PLC、传感器、变频器和触摸屏等关键设备，确保了控制系统的稳定性和可靠性。同时还设计了合理的电气原理图，并编写了相应的控制程序，实现了纸箱成型机的自动化运行和监控。本设计成功完成了纸箱成型机的结构设计任务，并实现了纸箱的自动化成型和封装。然而，我也意识到设计中还存在一些不足之处。例如，在某些细节设计上可能还需要进一步优化，以提高纸箱成型机的运行效率和稳定性。此外还可以进一步探索新型材料和技术在纸箱成型机结构设计中的应用，以提高机器的性能和降低成本。

致谢

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