毕业设计（论文）-自动包装机的设计

ABSTRACT绪论1.1论文背景随着现代工业的快速发展，食品、医药、植物种子等行业对包装机械的需求日益增长[1]。传统的手动包装方式不仅效率低下，而且容易受到人为因素的影响，使得包装质量难以保证[2]。因此，自动包装机作为提高生产效率、保证包装质量的重要工具，备受各行业的关注。针对食品、医药、植物种子等物料的特殊性，其包装过程需要具备高度的精确性和卫生标准。食品和医药行业尤其注重产品的卫生与安全，对包装机的要求更为严格[3]。而植物种子等农业产品的包装则需要考虑到对种子的保护和保存。因此，设计一款适用于这些行业的自动包装机显得尤为重要。这种机器不仅需要具备高效、稳定的包装速度，还需要考虑到不同行业的特殊需求，如食品行业对于卫生的严格要求，医药行业对于包装过程的可追溯性要求等。1.2研究的目的和意义随着工业4.0的到来，全球制造业正经历着一场前所未有的智能化转型。智能生产线作为这一变革的核心，通过集成先进的信息技术、自动化技术和智能控制技术，显著提高了生产效率和灵活性，降低了生产成本。包装是生产过程中至关重要的一环，不仅保护产品安全，还直接影响到产品的销售和用户体验。随着消费者对产品多样性和个性化需求的增加，包装行业面临着越来越多的挑战，如何高效、灵活、智能地完成包装任务成为行业关注的焦点。本论文通过详细设计一款自动包装机，旨在实现以下研究目的：（1）提高生产效率：设计高效的自动包装机可以提高生产线的产能和包装速度，从而提高整体生产效率。通过自动化和机械化的设计，减少人工操作和处理时间，实现更高效的生产过程。（2）降低包装成本：包装是生产过程中的重要环节，研究自动包装机设计可以帮助降低包装成本。通过精确的包装尺寸和材料使用，减少资源浪费，优化包装机的设计和性能，可以降低包装成本并提高生产效益。通过研究和设计一款能够满足食品、医药、植物种子等物料包装需求的自动包装机，可以提高生产效率，降低人力成本，同时保证产品的质量和安全性。这不仅有助于企业提升竞争力，还能够满足消费者对产品质量和安全性的需求，推动相关行业的健康发展。1.3食品包装机国内外研究现状1.3.1国外研究现状在包装机械领域，国外的发展步伐明显加快，竞争态势亦日趋激烈。据统计，目前全球包装机械生产制造的领先国家依次为美国、德国，而日本和意大利则紧随其后，均表现出强劲的发展势头。此外，国际包装机械行业正逐步向“三高”标准迈进，即追求更高的生产速度、更高的工作效率和更优的产品质量。它既反映出国际市场对产品质量的高需求，又反映出国际先进的包装设备研究开发水平的领先水平[4-5]。美国是国际包装机械行业中的一支重要力量，无论是品种还是性能，都是世界上最先进的。美国包装机器以其“高端精细”和“机电一体化”的特点，在世界范围内占有一席之地。在包装机械方面，美国不但有世界上最先进的打包机和薄膜打包机，而且在成形、灌装和封口设备上也取得了很大的发展。在这些产品中，巴瑞-威米勒公司的紧缩膜包装设备和贝米斯的完整的食物处理设备是这一行业中的佼佼者。为不断推进包装机械的发展，美国政府积极引进先进的工业机器人、视觉图像处理、新材料、计算机技术、智能自动化等先进技术，在包装设备的研制与制造过程中不断提高其智能化、高效化和精密化水平[6]。德国是一家以包装机械闻名的国家，每年出口总额的1/3，体现了其在计量、制造、功能、工艺及性能上的国际领导地位。特别是在啤酒、饮料及其他产品灌装、生产设备方面，德国更是处于行业的前沿。以啤酒灌装为例，德国制造的灌装机能够实现每小时12万瓶的惊人效率。此外，德国包装机械行业不乏知名企业，如克朗斯公司等，其产品畅销全球，广受业界赞誉[7]。日本的包装机械产业以中小型企业为主力，其在包装机械领域掌握了两大核心技术。首先，日本成功地将计算机技术融入包装机械行业中，实现了技术的革新与升级。其次，日本在伺服电机的驱动方式方面进行了深入研究和应用，进一步提升了包装机械的性能和效率。值得一提的是，日本率先研制成功微型计算机程序控制水平成形装封设备，并在很短的时间里生产出了世界上第一套装料式热封机，显示出该公司在包装行业中的领导地位。另外，在日本的包装机械中，食品机械占据着重要的位置，它的健全的管理制度保证了它的安全，卫生，节能等特性，这也是为什么全球许多大公司都在使用它的原因[8-9]。1.3.2国内研究现状我国专用设备行业，特别是包装机械领域，与世界先进水平相比，我国起步比较晚。80年代之前，国内的包装专用设备市场主要依靠德国和法国等世界先进机器生产大国的引进。但是，伴随着国内机械行业的迅猛发展，以及装备产业结构的调整，国产包装机械企业逐渐突破国外厂商的垄断，并与国外企业展开了激烈的竞争。目前，我国的包装机械行业正处于快速发展阶段，但与世界先进国家相比仍存在着较大的差距[9]。郑兆启等人针对鲜切果蔬包装机在工作过程中存在的包装材料破损、打滑等问题，对其进行了机理分析，并进行了PET包装盒的压缩实验，得出了防止包装过程中包装材料发生机械损坏的条件[11]。刘海生等对全自动垂直颗粒包装机的工作原理、结构构成及技术特性进行了详细的阐述，并对其传动系统及偏心链齿轮的可变转速调整机构进行了改造，采用尺寸驱动的方法对各个尺寸进行了建模，并通过SolidWorks软件对各个尺寸进行了数学建模，从而完成了对其进行了参数化的建模和虚拟装配[12]。张森等运用解析方法与三维分析方法，建立起横向封边机构的数学模型，并利用SolidWorks进行三维造型，再利用CosmosMotion软件对其进行快速、准确的运动学与动力学分析，并将分析结果以曲线、图表的形式展现出来。马晓宇等人为了提高包装机热封口装置的控温精度，从而确保包装机的封装效果及成品品质，提出了一种采用单神经元自适应PID算法的全自动包装机热封口温度控制系统，如图1-1所示[13]。图1-1自动包装机热封温度控制系统田野等人依据《糖类食品包装机》的基本技术指标，采用解析方法，对糖类包装机的推糖机构进行了结构分析，采用闭合向量方法对其进行了运动分析，并采用Adams软件对其进行了建模和仿真分析。张聪对机械手装箱流水线上的倒罐技术进行了深入的研究，独立开发了一种能够帮助机器人进行分组吸料和精确装箱的自动分罐装置，如图1-2所示[14]。本机已用于果酱、果汁、凉茶、鱼罐等加工流水线，主要用于圆型和卵形的罐装制品的排料，处理量为240-600个。潘昱亭等对灌装线设计中的功能要求进行了分析，给出了灌装线3D模拟系统的体系架构，给出了灌装线3D模拟系统的实现方案，并给出了基于OpenGL与VC++两种语言的3D模拟平台对灌装线的动态模拟[15]。图1-2理罐机候明星等设计了三边封基质自动包装机，机具在基质包装领域创新使用先装填再制袋的方法，采用PLC为核心的控制系统，由搅拌机构，定料机构，压缩机构，热封机构，薄膜更换机构，机架，传动系统，控制系统等组成[16]。参见图1-3。图1-3三边封基质自动包装机张跃和孔明基于LabVIEW进行包装缠绕过程中数据的实时检测，硬件部分选择压力传感器和数据采集卡，并通过多通道采样同步传感器信号，使采集到的缺陷更精确[17]。马恩等利用气动原理对YB65硬盒包装机条盒限位块进行改造，见图1-4，将条盒限位块由固定式改为气缸推动，在条盒钢印轴上加装一组相位检测装置，利用电磁阀通过相位检测装置精准控制气缸动作时间[18]。图1-4YB65硬盒包装机总的来说，随着中国社会经济的快速发展，人们对各类商品的需求日益增长，使得包装行业迎来了前所未有的发展机遇。中国，作为世界上最大的包装设备市场，正吸引着全球包装行业的目光。然而，在这个繁荣的市场背后，也隐藏着巨大的挑战和机遇。因此，开发出既具有高技术含量，又具有较高经济效益和节约能源的新型包装装备，是目前包装行业迫切需要解决的一个重大课题。

2自动包装机的总体设计2.1自动包装机的相关技术要求本论文旨在设计一款自动包装机，为满足其基本功能的实现，本次设计主要包括以下几个方面：（1）包装效果要求自动包装机的设计要求能够实现高效、精准的包装效果，包括紧密包装、防潮防水和安全卫生等方面。在保证包装效果的同时，还应尽可能减少包装材料的浪费。（2）设备稳定性要求自动包装机的设计要求具有良好的稳定性能，能长期稳定地运转，最大限度地降低故障及停工时间。同时，还应具有较低的噪声和振动水平，确保操作人员的安全和舒适。（3）可靠性和耐用性要求自动包装机的设计要求具有较高的可靠性和耐用性，能够承受长时间的高强度工作。设计时应采用优质的材料和零部件，保证设备的寿命和稳定性，同时还应具有良好的维修性和易用性。（4）操作和维护要求自动包装机的设计要求具有较高的操作和维护便利性，能够方便操作人员进行设备的操作、维护和保养。设计时应考虑到设备的清洁和保养，以及易损部件的更换和维修。根据目前的行业状况，并根据市场调查，确定了在满足合作企业刚性要求的前提下，确定了该设备的整体性能参数，见表2-1。表2-1产品包装机总体性能指标性能指标描述运行方式连续式产率速度>1200包/小时(即3s/包)，可调节可靠性>99.97%袋库容量2400个包装重量(25±0.25)kg包装材料PE重包装袋、FFS袋、复合膜袋包装对象产品通过此表中数据分析可以得出，本包装机的生产性能高效，设计合理且耐用性强。2.2自动包装机总体设计方案本文设计的自动包装机总体结构简图如图2-1，属于立式包装机。自动包装机的制袋充填封口集成包装技术，可以使放卷、传输、成型和封合等多个工序同时进行，还能对冻干果品进行全程封闭包装，使设备的工作效率和可靠性得到很大的提升。1-送膜机构2-送膜电机3-送料机构4-夹紧机构5-拉膜机构6-封口机构图2-1自动包装机结构简图本自动包装机按功能可将工作流程分为供料→薄膜传输→称重→夹紧→封口这几个步骤部分。其中薄膜传输部分负责薄膜卷料的连续输出与传输，负责薄膜的成型制袋；夹紧与封口共同完成包装袋的封口功能。该产品的包装工艺是这样的：（1）材料由进料机构送入，在卷筒出料后，由拉膜器协助拉出。用成形机将膜压成圆筒状；（2）纵向封口装置用于管状包装袋的侧表面的封口；（3）横向封膜机构与薄膜同步，对袋底进行封切。出料后，再将袋顶部封上；（4）得到封合好的产品包装成品；（5）如此循环往复实现连续性包装。

3关键部件的设计3.1机构的设计3.1.1供料装置设计根据自动包装机的首要步骤，需设计进料口的结构。进料口的顶部设计成圆筒形以便于通过滚压螺杆实现物料的压缩；其底部设计成漏斗形，以利于物料的顺畅排出。进料口的结构见图3-1。图3-1水果包装机进料口结构简图3.1.2薄膜传输装置的设计薄膜传输装置主要作用是给包装连续供应薄膜材料，其主要包括上、下层薄膜及牵引辊。供模机构是靠物料给下层膜的压力以及密封后上下层膜粘连时的牵引力来供电，并随输送机构的运动而完成膜的牵引，结构如图3-2。图3-2薄膜传输装置总体结构输送机构的主要职责在于将物料准确传送至封切工位，并最终将成品输出以供打包。其核心构成部分包括输送链条、链轮、轴、载料板及链托。其中，载料板与输送链通过螺钉紧密相连，确保结构稳固。为保障物料在运输过程中免受碰撞与挤压，特别设定了600mm的包装调整间距。在载料板的周边，设计了回形凹槽，专门用于安装回形发泡硅胶。这种硅胶通过过盈配合的方式紧密嵌于载料板的凹槽内，从而确保在链条旋转时不会发生滑脱现象。链托则是采用冷轧钢条精心打造，因其具有出色的刚性和稳定性，不易变形。链托的主要作用是支撑链条上的套筒，从而确保输送链条在横向上的稳定性。当完成纵向和横向封切的薄膜从其他薄膜中脱离，它会将物料紧紧包裹在输送机构上移动，而不会受到拉力影响。同时，在物料输送机构前进的过程中，即将进行横切的薄膜会牵引未封切的薄膜一同移动，并在薄膜与物料的接触边界处形成最大拉力，从而确保整个输送过程的顺利进行。3.1.3自动称重装置的设计在自动包装机的设计中，确保每袋包装内产品的重量一致性极为关键。关于如何实现产品的定量包装，并确保每袋的重量均匀，成为设计的核心挑战。在包装机械行业内，实现包装计量的手段多样，主要方法包括计数、称重及定容等。计数法通过统计被包装物料的数量来实现，通常依赖传感器进行检测。然而，由于产品的细小特性，使得其难以通过计数法进行准确计量。定容法则更适用于形状规则的材料。因此，考虑到产品的特性及设计的便捷性，初步决定采用称重法来确定产品的重量和数量。通过称重法进行产品的定量称重，需选用传感器来测定产品的重量。在自动包装机工作期间，将产品置于振动式下料机构的料斗中。随后填满料斗，并通过振动式下料机构不断下料，确保包装机的正常运转。这一过程中，存在一个技术矛盾：一方面需保持料斗的连续下料，以实现产品的连续包装；另一方面，又需通过测量导向腔的方法，准确测定每袋装入的产品重量，这构成了一个典型的技术冲突。所述称重装置包括：设置有供料口的计量斗，所述计量斗位于所述测量斗的卸料口上方，并通过所述控制器进行操作，所述卸料阀设置在所述测量斗的外侧下表面上；负载元件穿过锁定装置，其一端固定在振动给料架的前端支撑上，而另一端固定在测量斗的外底面，并配备了防护装置；此防护装置由一防护板组成，其上端与称重传感器的加载端固定相连，下端设计有一个水平的折弯部分。折弯部分与支撑面之间保留有一定的间隙，折弯部分的中央固定有一个向下延伸的保护螺钉，该螺钉的螺纹部分可通过支撑面的顶板活动，而在顶板的上下两侧，相应位置的保护螺钉上分别旋装有限位螺帽。图3-3展示了称重系统的示意图。图3-3称重机构示意图3.1.4夹紧装置的设计（1）夹紧装置总体设计①夹紧装置总体方案连动夹紧装置是一种常见的夹紧装置，其总体结构由夹紧臂、连杆、控制装置和基座等组成。夹紧臂是主要的夹持元件，通过连杆与基座连接，具有可调节的夹持力。控制装置用于控制夹紧臂的运动和夹持力的调节，可以是手动操作或自动化系统。基座作为支撑结构，确保夹紧装置的稳定性和刚性。连动夹紧装置通过这些组件的协同作用，实现对工件的可靠夹持和固定，适用于各种工业生产场景，如图3-4所示。图3-4连动夹紧装置结构图②夹紧装置动作分析本夹紧装置具有2个方向的基准，在设计时需要考虑实际情况，对主要定位方向进行合理的动作顺序设计及分析。因此根据图3-4所示，设计2个方向的动作顺序。夹紧装置的动作顺序如表3-1所示。表3-1装置夹紧的动作顺序序号装置夹紧动作功能1Y方向定位大致定位物料Y方向2X方向夹紧实现物料X方向固定③夹紧装置功能分析夹紧装置在生产线中的作用是夹紧并密封包装，因此应该具备基本的夹紧与定位功能。同时由于物料的厚度不同，因此该夹紧装置应具备自适应不同尺寸大小物料的夹紧定位功能。因此在设计中拆分为2个基准的定位装夹模块，即X方向装夹模块、Y方向装夹模块，不同装夹模块完成不同的定位夹紧功能，具有较好的柔性和适应性。（2）定位夹紧方案分析按夹持工序的先后次序，分别对Y向、X向夹持模块进行了详细的介绍，并对其设计理由及装夹方案进行了阐述。①Y方向夹紧模块Y向定位的目的是为了在把材料输送到夹持台上后，使其在夹具上保持平稳，并为以后的其它方向夹持做好准备。为此，为避免物料在放置过程中产生不能保持或不稳定的现象，在设计中使用了沟槽结构来帮助实现Y向定位。在此基础上，提出了一种以支承块为中心，在Y方向上以工件为基准的定位表面。工件的厚度规格按设计要求不同，一般在1~5毫米之间，为方便将材料输送到夹持件上，并对其进行辅助定位，应选用合适的槽形配合尺寸。在此，沟槽由4个定位块体构成，其设计块体间的间隔尺寸为6毫米，也就是沟槽宽6毫米。通过这种方式，实现了Y方向的预装夹。②X方向夹紧模块在X方向上使用了一种自动对中机构，以保证材料的中心位置不变。在打包过程中，材料处于直立状态，所以，材料要靠着该定位面，并且在经过了对Y向的定位后，将它的两个侧面进行了定位，其定位和装夹方案见图3-5。图3-5定位夹紧方案在此基础上，利用支承件对材料的Z轴、X轴以及围绕Y轴的移动进行了约束。利用凸轮机构对X轴上材料的自由移动进行了约束，从而达到了对X方向上各种尺寸材料的定位和辅助夹持的目的。如图3-8中所示，在夹持件上的材料两边各有一个凸轮装置。在不对中的情况下，两凸轮的旋转面与水平面的角度是一致的。对中时，两台电动机通过齿轮传动，使凸轮在同一时间向材料靠拢，完成物料在X方向上的自动定心及辅助夹紧。（3）夹紧装置尺寸设计计算①夹紧力的计算在产品包装过程中，物料需要被牢牢固定在夹紧装置中，并且不会由于物料重力等作用而发生位置振动以及产生振动，因此需要对夹紧力进行分析和估算来确保物料包装过程的安全性和可靠性。夹紧块施加给物料的夹紧力首选需要用来克服物料的重力，以及产生摩擦力矩。由于物料可能会有各种形状和重量，此处物料的重力按照重力7.644N来计算。物料只受到重力的情况下，夹紧力只需要满足下式：式中：F—夹紧力，N；G—物料重力，N；—摩擦力系数。因此，可以得到摩擦力系数为0.15，则夹紧力为50.69N。此外，还需要根据实际的冲击力计算相应需要的夹紧力，预设考虑夹紧力为10倍重力，则夹紧力为506.9N。②夹紧杆尺寸的设计图3-6定心夹紧装置运动简图定心夹紧装置运动简图如图3-6所示，杆AD为摆杆，杆CE为夹紧杆。推杆推动杆AD带动杆CE做往复摆动夹紧物料。杆CE越长，E点运动轨迹越平缓，能够适应的铁芯长度范围越大。由于整体结构尺寸限制，取d1=100mm、d2=364mm。通过Solidworks二维草图动态模拟，发现在d1、d2尺寸的限制下固定长度的夹紧杆CE不能满足所有规格物料定心夹紧。因此换用不同长度的夹紧杆CE来满足不同长度范围内物料的定心夹紧。再次通过Solidworks二维草图动态模拟，得到推杆长=252mm、主动摆杆长=186mm，AC两点间的距离=86mm以及不同长度的物料所对应夹紧杆CE的长度。为了方便夹紧杆CE的更换，将杆CE分成从动摆杆与可换夹紧杆两部分。3.1.5封口装置的设计图3-7为对应的封口机构的示意图。图3-7封口装置对于自动包装机而言，通常选用的包装材料为PE或者PE膜复合的纸质包装材料。因此，封口过程采取热板加热的方法，如图3-8所展示，图中1号表示热板，2号代表焊接处，3号是封口用的薄膜，4号为耐高温的橡胶，而5号是支撑台。该封口技术的核心原理基于利用电热丝对板形封口头进行恒温加热。这种封口机构设计简洁且封口速度快，具有恒温控制功能，适用于包括聚乙烯等在内的多种复合薄膜材料，满足了该机器在包装速度和性能要求上的设计标准。1-热板2-焊接处3-封口薄膜4-耐高温橡胶5-支撑台图3-8热板加热封合机构图对于热封过程中温度参数的设定，其须落在一个适宜的区域以确保封口效果。若温度偏高，则可能导致封口处的包装材料软化或出现变形与收缩；反之，温度偏低则会使得封口部位的塑料膜不能完全熔合，从而影响封口的牢固度。值得注意的是，不同种类、不同膜厚的膜，其热封闭温度有差异。例如，将0.03毫米厚PE薄膜内侧口袋与两种厚度不同的外侧口袋（PE薄膜包装纸0.08mm厚，铝塑料复合膜0.06mm）所做的试验显示，三种材料的最佳热封温度范围有所区别，详细数据见表3-2。表3-2包装袋封口温度数据表序号内袋PE膜（厚度0.03mm）外袋带PE膜包装纸（厚度0.08mm）外袋铝塑复合薄膜（厚度0.06mm）封口温度℃封口时间s封口温度℃封口时间s封口温度℃封口时间s11250.6~1.21400.7~1.01200.5~1.021300.6~1.01500.6~1.01300.3~0.831350.5~0.91600.5~0.91300.2~0.441400.70.91700.4~0.81500.2~0.451450.60.81800.3~0.61600.15~0.3561500.60.71900.25~0.41700.15~0.3在考察包装袋作为唯一变量的情况下，依据国家标准进行的三组密封实验结果均表明，封口温度的升高会导致所需封口时间的缩短。通过研究发现，针对PE材料而言，最佳的封口温度大约为160ºC。此外，研究结果还指出，材料的厚度和类型不同，相应的最佳密封温度也是不同的，并且材料愈细，密封所需要的时间愈短。通过对封接时间和温度等参量的准确定量分析，不但能够给出最准确的封接温度，而且能够确定最合适的封接时间，从而达到对产品品质的高要求。3.2传动机构设计3.2.1传动方案设计在选择适当的传动方案时，首要考虑是确保方案能满足自动包装机的性能需求，并适应设备运行的条件。选定的传动方式需具备可靠性高、结构紧凑、体积小、传动效率高、便于使用与维护、易于制造、经济性强等特点。鉴于同时满足所有这些要求较为困难，因此需优先考虑关键需求，通过对不同传动方案的分析和比较，选出一个既能满足主要性能要求又能考虑到其他因素的合理方案。在决定采用圆柱齿轮作为传动系统的总体方案基础上进行，制定传动方案如图3-9所示。图3-9传动系统方案设计图3.2.2电动机选型自动包装机的电机是整个包装机的核心，它的好坏直接影响到包装装置的工作效率和可靠性。可按要求选用步进、直流或伺服电机。其中伺服电机能够提供非常高的位置、速度和转矩控制精度，通过使用编码器或传感器反馈，伺服系统可以实时监测和调整电机的位置和运动，从而实现非常准确的运动控制。本论文选择伺服电机作为自动包装机的驱动电机。要求传动带的张力F=1.5KN，传动带的运行速度v=1.6米/秒，带传动所需功率为==2.4KW（3-1）查表得滚筒效率=0.96，轴承效率=0.99，联轴器效率=0.99，带传动的效率=0.96，齿轮传递效率=0.97。电机到工作机器之间的变速器的总体效率是=0.8246（3-2）电动机总的传递效率为=2.91kw（3-3）选择电动机的额定功率是=3KW，故本自动包装机选取安川伺服电机SGM7J-04AFC6，功率为3KW，额定速度为1400r/min。3.2.3齿轮设计对于直齿圆柱齿轮传动的选择，采用了硬质齿轮，其中无论是大齿轮还是小齿轮均选用了40Cr钢作为材料。具体到材质和热处理工艺，则根据实际需求定制。对于小齿轮，使用了40Cr钢材料，并进行了调质和表面硬化处理，使得齿面的硬度达到了2S0HBS；而大齿轮同样采用40Cr钢，经调质和表面硬化后，齿面硬度被设定为240HBS。根据相关资料，齿轮传动的精度等级初步设定为8级。参数选取选取小齿轮数，取Z1=17，Z2=Z1×i=34；确定载荷系数K，因载荷变化较大，查表取K=1.3；查表选取齿宽系数ψd，由设备结构可知齿轮相对于轴承为非悬臂布置结构，并且采用单级齿轮传动，且均为硬齿面齿轮，所以可以根据表选择ψd=1：齿数比u（3-4）齿面接触强度的确定试算从设计计算公式中得出：（3-5）因载荷初选查表选取区域系数查找表的εα1=0.76，εα2=0.88，那么（3-6）查表选取坐宽系数用查表法求出的材料弹性效应系数（3-7）通过查阅该表，得出了小轮的接触疲劳极限值，并用它求出了小轮的接触疲劳极限。（3-8）然而大齿轮接触疲劳强度极限（3-9）计算应力循环次数（3-10）（3-11）查表法和选择接触疲劳寿命因子（3-12）许用应力的接触疲劳计算取1%的破坏概率和S=1的安全系数，得到（3-13）故（3-14）试算小齿轮分度圆直径dlt，从上面的计算公式可以知道（3-15）计算圆周速度（3-16）齿宽b及模数mnt的计算（3-17）（3-18）（3-19）（3-20）纵向拟合度Eβ的计算（3-21）计算荷载系数K已知齿轮的使用系数，并且根据，齿轮精度等级8级，查表得动载荷系数Ky=1.1；查表得KHB的值为KHB=1.418，KFB=1.35；故载荷系数（3-22）用实测负荷系数修正后的分度圆直径，即为：3-23）计算模数mn（3-24）3.2.4轴的设计图3-10受力简图弯矩图（1）估计轴基直径选择45钢材，经正火法加工，估算直径d<100mm。从表7.2可以看出，查找表7.4，取C=118（3-25）因为该处装联轴器且一键槽估值径应增大5%，即d=1.05×33.24=34.9mm，取值d=40mm初选联轴器（3-26）（2）确定每一节轴的直径接头位置：根据传递扭矩估计的基础直径D1=40毫米；油封部位：设置轴肩，并符合规范的油封规范取轴直径D2=45毫米；轴径：轴径应稍大于油封点，且符合国标D3=50毫米的滚动轴承，两端一致，选择6210；齿轮位置：轴径比轴承处略大，取基准直径D4=53毫米；在轴环上：用D5=60毫米的轴环对齿轮的左端部进行定位。（3）传动件周向紧固和其它尺寸所有传动装置及联结器均以A型平键为枢纽：，联轴器处为键，轴上过渡圆角半径全部取r=1.6mm，轴端倒角为2×45°（4）轴的受力分析求轴传递的转矩（3-27）计算轴向和周向对齿轮的力（3-28）齿轮上的径向力（3-29）求支反力（3-30）（3-31）求弯矩（3-32）（3-33）（3-34）（3-35）合成弯矩=（3-36）根据当量弯矩校核轴的强度C处当量弯矩最大故对此校核该处（3-37）根据表7.5的45钢，（3-38）轴径最小处为危险截面，需校核（3-39）（3-40）3.2.5轴承的设计（1）高速轴处初步计算当量动载荷P工作时，轴承仅受到径向力的作用根据条件轴承预计寿命温度系数，载荷系数计算额定动载荷（3-41）选6208型轴承（3-42）（2）低速轴处计算当量动载荷P轴承在工作过程中只受径向力计算额定动载荷（3-43）选用6009型轴承（3-44）3.2.6键的设计通过查阅表格125页，按以下方式计算键的挤出应力：键的挤出应力参照公式：（3-45）其中，T——轴转矩；d——安装所述键的轴杆的直径；h——键高；l——键长。在轴1中键压应力是：（3-46）在轴2左键挤压应力为：（3-47）在轴2右键挤压应力为：（3-48）从表8~33中可以得知，在冲击工况下，平板键的挤压许用应力为60~90MPa。因此，很显然，本设计中使用的键的设计，是符合平键的许可要求的。3.3整机的机构与功能该自动包装机总体结构图如图3-11所示。图3-11自动包装机总体结构图

4自动包装机仿真分析自动包装机是一种多部件组成的复杂机器系统，其传动系统的动力学特性具有多样性，对其进行动力学特性的研究对优化包装装备，降低生产成本，提高传动系统的稳定性具有重要意义。目前，我国对包装机械的研究主要是针对其机械结构、控制等方面，而对其动态特性的研究很少。本设计从自动包装机的工作状态出发，建立了自动包装机的动力学模型，并对其进行了动力学模拟。REF_Ref23638\r\h[23]4.1ADAMS软件简介ADAMS是一种机械系统的动力学模拟软件，ADAMS系统集成了丰富的组件库、约束库和力库，同时提供了一套强大的图形用户交互界面。这些功能共同支持了广泛的数学建模能力，极大地便利了问题求解过程。利用该软件平台，可以对多种实际情况进行高效仿真，从而构建适当的数学模型，有效地解决实际问题。此外，ADAMS软件的应用范围非常广泛，包括但不限于机械性能的评估、碰撞分析、运动范围的确定以及载荷的有限元分析等。ADAMS的仿真分析流程图展示在图4-1中。图4-1仿真过程4.2夹紧装置仿真分析4.2.1添加载荷在ADAMS软件中，将负载划分为外部负载、内部负载和特殊负载。由于该夹具的主要外载为重力，故在此不再重复。内负荷以弹簧为主，特种负荷以碰撞为主，具体如下所示：本夹紧装置需要施加的弹簧柔性连接主要有5处，分别为沿夹紧块槽内长轴方向对称分布的滑块2上各有一处，保压滑块与夹紧块之间有一处，夹紧顶杆上的楔块与安装夹紧凸轮的门型橫架间以及松开顶杆与安装松开凸轮的门型橫架间各有一处。根据机构的设计要求分析和工程实际需求，经查阅机械设计手册，安装于滑块2上用于提供夹紧力的弹簧连接刚度为16.85N/mm，长度为37.5mm，安装于保压滑块与夹紧块之间的保压弹簧连接刚度0.2N/mm，长度为70mm，安装于夹紧顶杆与安装夹紧凸轮的门型橫架之间以及松开顶杆与安装松开凸轮的门型橫架之间的弹簧取相同的连接刚度，为1N/mm，长为10mm。本夹紧装置所施加的碰撞较多，主要是施加在有相对运动关系且会发生碰撞的实体之间，包括滑块1与夹紧块滑槽之间，滑块2与夹紧块滑槽之间，滑块2的圆轴与滑块1的槽孔之间，物料与滑块2之间，夹紧顶杆的楔块部分与滑块之间，夹紧顶杆的楔块部分与保压滑块之间，保压滑块与滑块1之间，松开顶杆与保压滑块之间，松开顶杆与滑块1之间，保压滑块与夹紧块之间以及安装于夹紧顶杆上的滚子与夹紧凸轮之间和安装于松开顶杆上的滚子与松开凸轮之间。仿真中为检测是否发生干涉，还在夹紧顶杆与限位钢圈，夹紧顶杆与夹紧块，松开顶杆与限位钢圈，松开顶杆与夹紧块之间添加接触。4.2.2施加驱动在施加完约束和碰撞之后，若要完成仿真还需要对模型添加驱动力。设定夹紧装置凸轮转速为5.5r/min，因此为了更好的模拟夹紧试验状况，需要给机构添加一个5.5r/min的驱动，而给夹紧块施加一个行进速度为1100mm/min的驱动。此外，为了研究不同转速对于滑块1所受的，来自夹紧顶杆上楔块的，沿楔块斜面的法线方向以及切线方向作用力的影响，转速取5.5r/min、6r/min以及6.5r/min，而夹紧块的行进速度取1100mm/min，1300mm/min，1500mm/min。由于运动初始位置已给定，在不同转速和不同夹紧块行进速度下，为了在理论上消除挡块和挡块之间的相互干扰，将推杆与挡块之间的相互干扰进行了研究。在每一次模拟中，需要修正凸轮和夹持件间的相位差（移动被设定为step函数，以便在与夹持件间建立较好的相位差）。在确定了机构的约束条件、载荷及运动轨迹后，预处理工作已经完成，接下来就是对整个系统的模拟计算。4.2.3仿真结果分析在完成夹紧装置的虚拟样机试验之后，可通过ADAMS的后处理模块（ADAMS/PostProcessor）得到工作参数（转速5.5r/min）下夹紧装置中物料所受到的夹紧力，和滑块所受到的来自于楔块的沿楔块斜面切线方向和斜面法线方向的作用力。同时反映出不同转速对物料所受到的夹紧力，以及滑块所受到的来自于楔块的沿楔块斜面切线方向和斜面法线方向的作用力的影响。夹紧装置仿真结构运动学分析由图4-2，图4-3分析可得，转速越大，滑块1速度波动越大，速度峰值也越大。图4-2不同转速下滑块1的位置图4-3不同转速下滑块1在沿长轴方向运动速度图4-4不同转速下滑块沿夹紧块长轴方向运动加速度夹紧装置仿真结果动力学分析由图4-5分析所示，在转速分别为5.5r/min、6r/min、6.5r/min时，物料受到的夹紧力基本稳定在80-100N，这说明本设计基本符合预期。由图4-6分析可得滑块受到的沿楔块斜面法线方向的作用力随转速的升高而增大。由图4-7分析可得滑块受到的沿楔块斜面切线方向的作用力随转速的升高而减小。图4-5不同转速下物料受力变化图4-6不同转速下滑块1所受楔块法向力图4-7不同转速下滑块1所受楔块切向力4.3传动系统仿真分析ADAMS系统的开发过程主要有：生成一个物体，它是一个刚性的或一个点的质量。建立用于确定对象间相对移动的约束副，ADAMS所给出的约束副有理想约束、虚约束、高副约束和运动传动约束。向一个对象或一个限制施加一个负载。对计算的结果进行了处理，并对其进行了模拟和运算。采用后处理方法，得到了马氏点的位移、速度、加速度，并对零件的受力进行了测试。由于自动包装机结构较为复杂，采用SOLIDWORKS与ADAMS的接口，将其作为Parasolid（.xt）文件的形式输入ADAMS，从而获得完整的自动包装机仿真模型，见图4-8。图4-8自动包装机仿真模型4.3.1传动系统的运动仿真设定小齿轮作为主动轮，以120转/分钟的恒定速度施加传动，也就是说，按照步骤（time，0,02,720d)，小齿轮的转速从0开始增加，一直到0.5秒，才到达120rpm，并且保持恒定。在步骤100中，进行仿真设置，将仿真时间设置为4秒，参见下面的图4-9。图4-9传动系统仿真过程通过模拟，可以获得可视化的模拟结果。以下图4-10是包装机器驱动装置的运动模拟示意图。图4-10输入齿轮速度图4-11输出齿轮速度图4-12传动轴Ⅰ速度图4-13传动轴Ⅱ速度图4-14传动轴Ⅲ速度图4-10展示了输入齿轮的转速变化，此图表明输入转速维持在一个无外界干扰的恒速旋转中，在0.2秒的时间里从0加速到720度/秒，并保持在此速度不变。图4-11反映了输出齿轮的转速变化，这一变化源于齿轮啮合的影响。图4-12、4-13和4-14分别显示了传动轴I、传动轴II和传动轴III的速度变化，从中可见，这些传动轴的转速范围在350到370度/秒之间，平均速度为364.15度/秒。通过对实验数据的综合分析，验证了所采用方法的准确性和实施的可行性。4.3.2传动系统的动力学仿真在自动包装机的传动系统设计中，使用了伺服电机来分配功率至三个传动轴。当电机运转速度设置为60转/分钟且负载功率为1Kw时，功率分配如下：传动轴II接收到0.2Kw的功率，而传动轴II实际获得了0.45Kw的功率分配，在传动轴III上则分配了0.35Kw的功率。由公式：（4-1）其中：P表示电力，kw；n表示旋转速度，T表示转矩，单位为N。设置31833的负荷可用于驱动轴I,71625的负荷用于驱动轴II，而驱动轴III的负荷为55708。由公式：（4-2）其中：F为周向受力；d为直齿圆锥齿轮的分度圆周直径，其中d=mz(1-0.50R）为直齿圆锥，0R典型地为0.3。通过理论计算得到了不同齿轮啮合的理论啮合力，并特别考虑了Y方向上齿面啮合的影响。具体而言，Y方向上锥齿轮啮合Ⅱ的啮合力达到了1624N，而锥齿轮啮合I的啮合力为3890N，直齿圆柱齿轮的啮合力则为2172N。在Y轴上，正齿啮合力存在一些起伏，剔除噪音后，齿轮的平均转矩达到了2150N；在Y轴上，各力分量有一些起伏，剔除噪音后，各力的平均值为3979N；在Y向，各力均有波动，剔除噪音后，各力的平均值为1692N。通过对其进行动力学仿真，发现其动力学仿真与理论计算值基本一致，因此建立的动力学模型具有一定的合理性。表4-1齿轮啮合点受力啮合点Y方向上的力理论值/N仿真值/N误差直齿轮啮合217221501%锥齿轮啮合Ⅰ389039792.2%锥齿轮啮合Ⅱ162416924.1%从表4-1可以看出，在整个传动系中，伞齿轮II受到的力是最大的，因此，可以从不同的速度、不同的负载情况来分析它的动态特性。在实际操作中，自动包装机根据包装速度和质量的不同，分为三个档次：每分钟40包、60包、和80包。同时，根据所需的包装质量，包装机的总功率也被划分为三个等级：0.9Kw、1Kw、和1.1Kw，用于传动轴Ⅱ的功率分别配备为0.35Kw、0.45Kw和0.55Kw。以1Kw的功率进行模拟，模拟不同包装速度下，Y方向上的锥齿轮啮合Ⅱ的受力情况。当包装速度设定为每分钟40包的时候，锥齿轮啮合Ⅱ的平均圆周力为4014N；当包装速度提升至每分钟60包的时候，平均圆周力上升至4157N；而包装速度进一步增至每分钟80包时，锥齿轮啮合Ⅱ的平均圆周力达到4190N。这表明，在相同负载条件下，随着包装速度的增加，啮合力也随之增大。在包装速度固定为每分钟60包的条件下，对自动包装机的总功率进行0.9Kw、1Kw和1.1Kw三种情况的模拟，发现当包装机总功率为0.9Kw时，锥齿轮啮合Ⅱ的平均圆周力为3588N；总功率为1Kw时，圆周力平均值上升至4177N；而总功率为1.1Kw时，圆周力的平均值进一步增至4528N。总而言之，当转速相同时，啮合力随载荷的增加而增加。通过对各个部件的转速和啮合的受力进行分析，得出了如下结论：自动包装机结构可以满足使用的需要，但是齿轮啮合时的转速和受力变化很大，导致了在实际工作中产生振动和噪音。包装机的运行状态受转速、载荷等因素的影响，尤其是载荷对其影响最大。4.4传动系统关键部件的有限元分析在自动包装机中，传动轴是整个包装机的主要传动部件，对包装机的工作起着至关重要的作用，所以要对包装机进行受力分析。传动轴的材质为40Cr，假设电机的全部功率都集中于该轴，即驱动轴的扭矩为191000。图4-15主传动轴应变图图4-16主传动轴应力图计算结果表明，主动轴的最大应力为3.086×106N/m2，低于785×106N/m2的屈服极限，满足了设计要求。

5结论本论文以自动包装机为研究对象，从整体结构设计、核心机构设计两个角度出发，研究并讨论了适宜于自动包装机的设计方案，使得该设备具有更好的性能，更多的应用领域。在整体设计中，重点对该装置的工作原理、设计要求及整体设计做了较为详尽的分析与计算，以确保该装置的高效稳定运行。关于核心机制的设计，重点关注供料装置、薄膜传输装置、自动称重装置、夹紧装置、封口装置五个方面，并对其进行了细致的设计与计算，以使自动包装机对各工艺参数进行更精确的控制，以确保包装效果的一致性与稳定性。同时，本论文设计了自动包装机传动机构，并进行了自动包装机仿真分析。通过对核心部件的仿真分析，结果表明本次设计的自动包装机具有良好的性能，能够有效提高包装效率。本论文以自