一次性拖鞋自動下料系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 生： 指 導(dǎo) 教 師： 完 成 日 期： 摘 要 在激烈的市場競爭與客戶需求越來越個性化趨勢下，服裝、制鞋、皮包等企業(yè)在生產(chǎn)技術(shù)方面不斷地面臨新的挑戰(zhàn)，而布料剪裁下料技術(shù)改造直接影響企業(yè)生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量。使用超聲波設(shè)備進行切割和熔合，這在紡織工業(yè)的織造、整理、服裝縫制等方面 都已獲得日益廣泛的認可。 本課題主要為一次性拖鞋切割下料系統(tǒng)研究， 使生產(chǎn) 流程之間聯(lián)系起來，提高機械化程度，減少人工的參與，既能夠減少成本又能夠提高成產(chǎn)效率 ， 設(shè)計中主要使用了 CAD、 Solidworks等工程制圖軟件進行繪圖和結(jié)構(gòu)分析。并對一些 設(shè)計部件 進行必要的計算和校核 ，使設(shè)計系統(tǒng)滿足實際應(yīng)用的要求。 關(guān)鍵詞：紡織品、超聲波切割、結(jié)構(gòu)設(shè)計 目 錄 摘 要 錯誤 !未定義書簽。 ABSTRACT 錯誤 !未定義書簽。 第 1章 緒 論 錯誤 !未定義書簽。 1.1 課題 的研究 背景 及 意義 1 1.2 拖鞋（一次性拖鞋）發(fā)展 2 1.3 紡織自動裁剪國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1.4 本課題研究的主要內(nèi)容 4 第二章 超聲波切割和熔合技術(shù)概述 5 2.1 超聲波切割原理 5 2.2 比于傳統(tǒng)剪裁，超聲波切割優(yōu)點 6 2.3 超聲波切割適用范圍 7 2.4 本章小結(jié) 8 第三章 超聲波裁剪機總體方案 9 3.1 方案 的列舉 9 3.2 方案 的 比較 11 3.3 方案的選擇 11 3.4 本章小結(jié) 12 錯誤 !未定義書簽。 第四章 超聲波裁剪機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)分析 13 4.1 滾刀尺寸確定 14 4.2 電機鏈輪的選定及相關(guān)參數(shù)的確定 16 4.2.1 電機類型的選擇 17 4.2.2 鏈輪的選擇 及鏈條確定 17 4.3 滾刀內(nèi)軸的設(shè)計和校核 19 4.4 氣缸支撐板的靜態(tài)分析 21 4.4.1 應(yīng)力圖顯示 22 4.4.2 應(yīng)力分析 23 4.4.3 變形分析 23 4.5 本章小結(jié) 24 第五章 超聲波系統(tǒng)研究 25 5.1 超聲波發(fā)生器 25 5.2 聲學(xué)部件 25 5.3 復(fù)合變幅桿的理論與設(shè)計 26 5.3.1 復(fù)合型變幅桿的一般公式 27 5.3.2 帶有特定形狀過渡的階梯形變幅桿 28 5.3.3 具有圓錐形過渡段的階梯形變幅桿 28 5.4 本章小結(jié) 30 第六章 總結(jié) 31 致 謝 32 參考文獻 附件圖 1 第一章 緒論 1.1 課題 的研究 背景 及 意義 紡織品與人們的生活息息相關(guān)，市場 需求量大，如鞋、服飾、箱包等都是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡摹＜徔椆I(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，中國是全球最大的紡織品生產(chǎn)國和出口國 ，紡織工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的位置。 中國是世界第一的服裝制造大國，服裝行業(yè)依靠豐富的廉價勞動力，國內(nèi)龐大的消費市場，豐富的資源等，迅速發(fā)展起來。 中國制鞋業(yè)有著悠久的歷史，伴隨著改革開放的浪潮，中國承接國際制鞋業(yè)的轉(zhuǎn)移，一躍成為全球最大的鞋業(yè)生產(chǎn)中心和銷售中心，已經(jīng)占據(jù)了全球中低端的鞋類市場。市場分析 我國每年大約生產(chǎn) 150億雙鞋，占世界年產(chǎn)量的 65%-70%。是世界上最大的鞋類制造基地，也是世界最大的鞋類出口國。 從 2010年開始，隨著國內(nèi)快捷酒店呈快速發(fā)展趨勢，開店數(shù)量增長幅度超過了 100%，截至 2011年第二季度，新增快捷酒店數(shù)量大約有上千家。而拖鞋是快捷酒店必須配備的物品，相對傳統(tǒng)拖鞋，一次性拖鞋成本低，相比傳統(tǒng)拖鞋更加衛(wèi)生、方便，十分適合經(jīng)常出差的商務(wù)人士或者旅游愛好者使用。據(jù)酒店一次性用品使用情況調(diào)查研究，對于酒店配備基本小件根據(jù)需求程度從大到小在總體上可排成 “拖鞋 香皂 洗發(fā)水 沐浴液 一次性牙具 梳子 浴帽 ”。 在被訪者中幾乎所有人都需要拖鞋，認為其攜帶不方便，而傳統(tǒng)拖鞋可能會出現(xiàn)交叉感染的衛(wèi)生問題，因此一次性拖鞋得到快速發(fā)展 。 中國紡織產(chǎn)業(yè)多集中在東南沿海地區(qū)，隨著經(jīng)濟全球化的不斷深入，世界 經(jīng)濟的不斷沖擊，市場競爭日趨激烈。如今這些企業(yè)也開始面臨勞動力成本上升，原材料價格上漲等問題，這將影響企業(yè)生產(chǎn)效率，導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高。如何應(yīng)對國際市場的變化和國內(nèi)的生存環(huán)境，把握好市場的發(fā)展機遇，也是業(yè)界不得不面對的現(xiàn)實問題。尤其是對中小型企業(yè)來說，落后的生產(chǎn)條件加之勞動資源匱乏和生產(chǎn)成本的不斷提高，既是前所未有的機遇，同時也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。如何提高產(chǎn)量、降低成本、穩(wěn)定質(zhì)量是當今生產(chǎn)中面臨的最大的挑戰(zhàn)之一。作為與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)的紡織行業(yè)，為適應(yīng)市場需求，紡織行業(yè)設(shè)備的革新和自動化將是其發(fā)展的必由之路 。 超聲波裁剪是新興的紡織下料技術(shù)。目前，超聲波切割技術(shù)在紡織制品下料運用 2 取得了良好的效果，超聲波裁剪技術(shù)正逐漸被企業(yè)所采納，主要優(yōu)點是：適用于各種紡織材料，與冷切割加工相比，熱塑性材料被切開后，其切口邊緣會熔合起來，使織物邊緣十分柔軟，與傳統(tǒng)的人工裁剪相比，不僅大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，超聲波的切割與熔合也為紡織品高精度、高質(zhì)量生產(chǎn)提供了可靠的保障，進一步幫助企業(yè)擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，提升紡織業(yè)的自動化程度，破解招工難，熟練操作人才的缺乏，加工質(zhì)量不能保證等弊端。 1.2 拖鞋（一次性拖鞋）發(fā)展 20 世 紀 50 年代，第一雙塑料拖鞋在法國問世，是拖鞋史上的一次革命運動。我國在 1960年也生產(chǎn)出塑料拖鞋。最初的拖鞋，木制的多，木制拖鞋也稱為 “木屐 ”。隨著時代的發(fā)展，再加上穿著不太舒適，故市區(qū)的家庭中這種木屐已經(jīng)見不到了。拖鞋本身來說，無遮無攔的，往腳上一套就行了，無疑是對腳的解放；鞋再怎么合腳，對腳都是一種壓迫、一種限制，一不小心還會逼出 “腳臭 ”來。在現(xiàn)實生活中，拖鞋不光能使人的腳擺脫桎梏，似乎更能將人們的精神從極度緊張的工作和生活中解放出來。時至今日，塑料泡沫乃是制造拖鞋的主要材料。同時還推出了 “塑料拖鞋 ”、 “PVC拖鞋 ”。發(fā)展高峰期還出現(xiàn)了 “EVA 拖鞋 ”、 “橡膠拖鞋 ”、 “草拖鞋 ”、 “布拖鞋 ”等等。近幾年又推出毛絨拖鞋，室內(nèi)拖鞋，酒店拖鞋，一次性拖鞋，按摩拖鞋等等真是應(yīng)有盡有。并且各有各的風(fēng)采，各有各的商機，現(xiàn)在的拖鞋市場可以說是如火如荼。 而隨著人們生活品質(zhì)的提高，一次性拖鞋也漸漸的走進人們的生活，并以方便，舒適，衛(wèi)生深入人心。一次性拖鞋在生產(chǎn)時，是較為方便的。因為一次性拖鞋的各種尺寸大小都是一定的，生產(chǎn)時較為容易。且不像那些可以循環(huán)利用的棉質(zhì)拖鞋對拖鞋面料的要求較高，一次性拖鞋對面料的要求是非常低的 。廠家在生產(chǎn)時不用考慮過多的因素，只需一個合適的尺寸，就能快速生產(chǎn)出很多的一次性拖鞋。而且一次性拖鞋具有較好的防水防滑性和通氣性。由于一次性拖鞋設(shè)計的各種特點，使得一次性拖鞋具備了各種優(yōu)點，如通氣性、防水防滑性、吸水性等等。這樣的話，一次性拖鞋穿起來就會起到防滑等作用，同時一次性拖鞋非常輕便且穿起來相當軟和舒服。雖說一次性拖鞋生產(chǎn)較為簡單，成本較低，但它的舒適性、柔軟性等卻不容置疑，使得一次性拖鞋廣泛而迅速的在賓館、酒店、家庭里普及開來。 3 1.3 紡織自動裁剪國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 紡織 行業(yè)在我 國國民經(jīng)濟中有著重要的地位，繁榮紡織行業(yè)用以滿足國內(nèi)人們需要，以及對我國的外貿(mào)出口平衡國際收支都有一個非常重要的作用。但現(xiàn)在服裝行業(yè)的大多數(shù)企業(yè)還基本都是勞動力密集型，手工生產(chǎn)階段。近年來，紡織行業(yè)發(fā)展迅速，從先進的生產(chǎn)線和現(xiàn)代化設(shè)備的采購到國內(nèi)外大中型企業(yè)的數(shù)量，都給這個行業(yè)增添巨大的活力，同時又創(chuàng)造了客觀的經(jīng)濟效益。 隨著科技的發(fā)展，紡織品的生產(chǎn)整體水平有了很大提高，裁剪自動化和后續(xù)工作的自動化，使服裝生產(chǎn)質(zhì)量，速度，效率達到了前所未有的大發(fā)展。新興的超聲波技術(shù)，激光技術(shù)都在紡織品裁剪中得到運用，并逐漸 取代了傳統(tǒng)的人工裁剪，提升紡織業(yè)的自動化程度，也降低了工作技術(shù)人員的要求。 1970年超聲波在織物和纖維粘合的應(yīng)用中取得了成功，這就是布蘭遜超聲波和克朗普頓 -諾爾斯公司開發(fā)的 Pinsonic 超聲工藝，該工藝當時用來制作褥墊和床單。自從無梭織機和合成纖維出現(xiàn)以來，織物邊緣切割的幾個問題成為了矛盾的焦點，長期以來熱力切割是唯一使用的方法，在傳統(tǒng)方法中為了防止織邊的擦散，皮帶或帶子的縱向切割一般在熱狀態(tài)下生成，其切割質(zhì)量很少令人滿意，特別是厚重的皮帶或布條，常常是切口超厚，切邊發(fā)硬，散邊或織邊有熔珠，還會產(chǎn)生褐 色與條紋現(xiàn)象，超聲波切割機在切條的同時進行熔接，切兩層織物時，切條機一面切割熔接，一面自動將兩層織物連結(jié)在一起，克服了熱力切割的諸多問題，而且加工質(zhì)量整潔美觀，除了皮帶與纖維條之外，超聲波切割應(yīng)用領(lǐng)域還包括床墊織物、床單、鞋墊、帶類、層壓織物等等，超聲波切割無疑有效地改進了工業(yè)織物的切割與封邊，目前超聲波粘合與切割已大規(guī)模用于紡織工業(yè)和非織造布工業(yè)。 國外對 超聲波運用于布料剪裁 的研究已經(jīng)有很長一段時間 ， 極大的提高了 企業(yè) 的勞動效率，同時也促進了國外 布料裁剪和產(chǎn)品后續(xù)自動化生產(chǎn)結(jié)合 的研究與發(fā)展。 然而與國外技術(shù)相 比，我國超聲波切割和熔合技術(shù)起步相對較晚， 參與該領(lǐng)域的研究單位也少 ，織品 裁剪自動化和后續(xù)工作的自動化結(jié)合不是很完善。 總的來說，目前我國紡織裁剪機生產(chǎn)還比較落后，國內(nèi)市場上還沒有真正意義上 4 我國的高端產(chǎn)品。國內(nèi)對超聲波剪裁系統(tǒng)的研究還處于技術(shù)初步探索階段，但與國際先進水平還有距離。 1.4 本課題研究的主要內(nèi)容 本文在原有超聲波裁剪機的基礎(chǔ)上對超聲波裁剪的整體機構(gòu)進行了改進，使超聲波裁剪與毛坯布料復(fù)合輸送機械相連接，實現(xiàn)鞋墊的半自動化生產(chǎn)，提高鞋墊加工的質(zhì)量和生產(chǎn)效益。 本裁剪機要求： 5 第二章 超聲波切割和熔合技術(shù)概述 2.1 超聲波切割原理 如圖 2.1.1所示，超聲波發(fā)生器在工作時會產(chǎn)生 20-40千赫的電磁振動，并通過壓電陶瓷轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振蕩。經(jīng)過相應(yīng)的放大以后，這種機械振蕩便在圓柱形的金屬刀具（超聲波切割頭）的末端變得效力十足。這種振蕩被傳輸?shù)教幱诔暡ㄇ懈铑^和副刀具之間的需要切割的材料上，并從其內(nèi)部發(fā)熱，再機械地分割或熔合這塊材料。與高溫切割相反，超聲波使用的主要機械能而不是熱能。除了天然纖維之外，粘膠、玻璃、芳族聚酰胺和碳纖維以及纖細的 金屬絲均可被超聲波所切割。一般情形下使用的是尖銳的副刀具。當然，上述的材料在切割過程中是不會在切割邊緣形成熔凝的。這種超聲波切割技術(shù)優(yōu)越于普通的冷切割、壓切或剪切工藝，有如下特點： 1.所切邊緣十分整齊，織物的經(jīng)紗和緯紗不會出現(xiàn)移位或脫出。因此便可在拉幅機和圓筒狀織物部幅機上以高達 100m/min的速度隊棉織物和粘織物進行剪裁。 2.在某些使用非熱塑性材料的情形時，對纖維進行處理或纖維已進入超聲波工作區(qū)后，其邊緣也會出現(xiàn)熔合。 2.1.1 超聲波裁剪原理圖 副刀刃（滾刀） 布料 燙構(gòu)件 變幅桿 燙構(gòu)件上下高頻振動并產(chǎn)生熱量 6 2.2 比于傳統(tǒng)剪裁，超聲波切割優(yōu)點 使用超聲波設(shè)備來進行切割和熔合，這是紡織工業(yè)的織造、整理、服裝縫制等方面都已獲得日益廣泛的認可，其原因如下。 1.實際上各種紡織材料都可被超聲波切割。例如天然纖維、合成纖維，包括芳族聚酰胺纖維、碳纖維和玻璃纖維等梭織物、無紡布及針織物也可被超聲波切割。 2.與冷切割加工相比，使用超聲波切割時熱塑性材料也可被切開后，其切口邊緣便會熔合起來。 3.與熱切割加工相比，使用超聲波切割可使被切割的織物邊緣十分柔軟，避免出現(xiàn)熔融收縮 而產(chǎn)生邊緣過度增厚，由于超聲波是從織物的內(nèi)部而不是從外部來加熱，所以也不會使織物發(fā)黃。 4.由于使用超聲波技術(shù)時，設(shè)備僅加熱到 50攝氏度左右，所以不會產(chǎn)生煙塵和臭味，而且也排除了運作時出現(xiàn)傷害和直火的危險。因而這項技術(shù)對環(huán)境無害。 5.超聲波設(shè)備的可靠性很高。數(shù)年來各種新型紡織材料和工藝的實用效果已充分證明了這一點。例如將超聲波熔臺與冷切割組合運用的情形下，所用的工具及超聲波切割頭實際上毫無磨損。 超聲波切割的粘合作用與縫編相比，前者獲得的產(chǎn)品更加持久耐用，熱粘合能引起纖維降解，并且由于成本效益關(guān)系應(yīng)該在大批量生產(chǎn) 時使用該方法，而超聲波粘合只在實際粘合面上產(chǎn)生熱量，因此消除了纖維降解，并且適用于小批量生產(chǎn)，在受到液體的沖擊后會引起脫層，它實際上是將各種織物熔合在一起，熔接不會遭到破壞，不會引起脫層。 用熱熔法粘合時，材料是從外面開始熔融的，因此有時會造成粘合范圍比所需要的更大，結(jié)果增加了材料的硬度，使彈性降低，而且用這種方法層壓多層材料時，其透氣性和吸水性都會降低，用超聲波粘合時材料是從里向外熔融，粘合只發(fā)生在接點上，只需針頭那么小的面積就能產(chǎn)生有效的粘合而不會對周圍材料產(chǎn)生影響，超聲波粘合法不會消耗物質(zhì)，且設(shè)計簡單 ，易維修。在相同纖維重量下與某些工藝比較，超聲波速度更快，有利于壞境保護。 7 2.3 超聲波切割適用范圍 應(yīng)用的范圍包括在整理過程中對織物毛邊進行修飾或作中間切割。例如在拉幅機、驗布機或?qū)Ｓ迷倬頇C、剪切機以及圓筒織物割機上都可采用這項技術(shù)。此外亦可用于服裝裁紙中的衣片剪切和玻璃纖維、芳族聚酰胺及碳纖維等的機織物在數(shù)控切割臺上的切割包裝。 熱塑性材料的切割可用直接切割的方式實現(xiàn)。例如聚酯、聚酰胺。聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯酸酯等纖維在超聲波的內(nèi)效應(yīng)作用下，纖維內(nèi)部便會產(chǎn)生摩擦熱，并達到纖維材料 的軟點以上的溫度。在此條件下，纖維材料被一個尖銳的副刀具機械地割裂開來，切口邊緣冷卻后便會形成熔結(jié)，這樣織物就不會綻裂。熔結(jié)強度受切割刀具的銳角與鈍角尺寸變化的影響。熔結(jié)的大小亦與纖維種類以及織物的厚度有關(guān)。直接切割法的應(yīng)用范圍如下。 1.織造時專門用于產(chǎn)業(yè)用布的各種額定功率在 4050w 的無梭織機熔斷緯紗以及中間切割的各種單元設(shè)備。 2.整理時在拉幅機、驗布機、再卷機或?qū)Ｓ贸暡羟性O(shè)備上，將諸如帆布、襯里織物、領(lǐng)帶織物、窗簾織物及產(chǎn)業(yè)用布等按一定長度剪切成形。 3.裁制衣片時 ,以縱橫切割機或手控切割機按 圖表尺寸進行剪裁 ,用超聲波技術(shù)來打孔或按一定長度要求切成帶狀。 熱塑性材料的切割亦可采用超聲波技術(shù)與冷切割相結(jié)合的工藝。這與直接切割相比所不同的是超聲波切割頭與副刀具相互接觸。紡織材料在超聲波的作用下進入塑性狀態(tài)，然后便被機械性地分割開來。這里借助于一個鈍平的副刀具在精確的接觸壓力的調(diào)控下，由擠壓整形切割器或剪切刀具來完成最終的切割。其優(yōu)越于直接切割的長處在于： 1.在相同的超聲波輸出能量條件下，可以具有更高的生產(chǎn)速度。 2.熔合邊緣的寬度大約為 1-10毫米。 3.實際使用過程中不存在超聲波切割頭和副刀具的磨損 4.可以實 現(xiàn)切割邊緣的花邊紡形。 超聲波技術(shù)與冷切割相合的工藝在紡織品織造過程中的應(yīng)用包括：在織機上對織物，特別是產(chǎn)業(yè)用布的兩側(cè)及中間的切割；借助于自動剪切刀具實現(xiàn)被切割物機械地 8 分離。超聲波輸出功率高達 150 瓦。在整理過程中對再卷機上的織物作修邊、橫裁和縱向切條時則需超聲波輸出功率達到 1200瓦。機械性地將被切織物分離開來需要借助于堅硬的切割輥上的擠壓整形切割器。這種方式特別適用于重厚的產(chǎn)業(yè)用布。 當兩層或更多層熱塑性材料的復(fù)合體要加以切割時，一般是在切口邊緣部位通過將材料軟化及副刀具的接觸壓力而使之熔融。材 料熔融后的強力取決于復(fù)合材料本身的質(zhì)量以及副刀具的角度。將超聲波技術(shù)與冷切割工藝組織起來的加工方法亦可用于多層復(fù)合材料的切割。這種方法可使熔融區(qū)域特別地寬，因而可以再切口邊緣的各層材料之間形成極為耐久的粘合。這項技術(shù)可用于再卷機和切割設(shè)備以及熔合設(shè)備上連續(xù)生產(chǎn)圓筒狀織物；就裁剪加工而言，切邊的逐點熔合優(yōu)越于縫合。 2.4 本章小結(jié) 總而言之，超聲波技術(shù)可用于梭織物、無紡布及針織物在織造、整理以及復(fù)制加工過程的裁剪及熔合。熱塑性和非熱塑性紡織材料均可被超聲波所切割。對熱塑性紡織材料而言切割和切邊的熔合是同 時進行的。對多層復(fù)合材料來說，熱塑性材料則彼此被粘結(jié)。超聲波技術(shù)的應(yīng)用范圍特別是裁縫方面是極為多樣化的，遍及民用紡織品、產(chǎn)業(yè)用紡織品以及健康衛(wèi)生用品等。超聲波技術(shù)新的用途的前景已日益展現(xiàn)出來，超聲波技術(shù)的應(yīng)用將產(chǎn)生更為顯赫的成就。 9 第三章 超聲波裁剪機總體方案 超聲波裁剪系統(tǒng)是為了實現(xiàn)布料裁剪下料的裝備，系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生器、變幅桿、燙構(gòu)件、滾刀切割部分和傳動部分組成。目前已有許多紡織企業(yè)利用超聲波技術(shù)裁剪，如下圖是某企業(yè)切割單雙鞋墊的機器，但切割 單雙拖鞋存在局限，效率低，現(xiàn)希望通過改進與企業(yè)染整機械引出的布料寬度相結(jié)合，使其一次性裁剪出多雙胚料。本章針對企業(yè)加工特點，對該機械性能作出改進，為后續(xù)的生產(chǎn)發(fā)展奠定一些基礎(chǔ)。 超聲裁剪機器 超聲裁剪三維仿真圖 如上圖所示，將布料引到超聲波燙構(gòu)件與滾刀之間，氣缸控制滾刀與超聲波燙構(gòu)件之間的間距，用帶有減速器的電機帶動鏈使?jié)L刀滾動切割布料。完成生產(chǎn)工序。 3.1 方案的列舉 原有機械加工布料小，與企業(yè)生產(chǎn)布料不銜接，生 產(chǎn)效率較低，現(xiàn)需將機器改進為加工寬 1.6 米，一次性能裁剪 6 雙拖鞋，為了與企業(yè)現(xiàn)有染整機械相結(jié)合，形成一套半自動化機械，對現(xiàn)有超聲波切割下料機器做了改進，方案如下： 方案一： 如圖 3.1.1 此方案將上圖改進為氣缸支撐板、滾刀支撐板和滾刀加長至 1.7 10 米。 方案一機構(gòu)圖 方案說明：此方案通過大氣缸控制滾刀支撐板及滾刀的上下高度改變，滾刀長度為 1.6米，可以一次性加工六雙拖鞋。 方案二： 如圖 3.1.2所 示，此方案由五個氣缸均勻分布在氣缸支撐板上 3.1.2 方案二機構(gòu)圖 方案說明：此方案引入氣管利用氣管接頭同時作用于五個氣缸，使其均勻受力到滾刀支撐版及滾刀來控制其上下高度的改變。 方案三： 如圖 3.1.3所示，此方案用五個氣缸同時作用氣缸支撐板，同時將整個滾刀分成六個獨立滾刀，串在滾刀內(nèi)軸上，滾刀與內(nèi)軸由鍵連接 氣缸 氣缸支撐板 滾刀支撐板 滾刀 11 3.1.3 方案三機構(gòu)圖 方案說明：此方案 利用五個氣缸作用于滾刀支撐板及滾刀來控制其高度，滾刀由六個滾刀部分串聯(lián)在內(nèi)軸上，電機帶動內(nèi)軸，然后通過鍵使?jié)L刀滾動切割布料。 3.2 方案的比較 方案一由單獨的大氣缸作用于滾刀支撐板及滾刀，由于需要氣壓壓強大，普通廠房很少配備能夠使大氣缸工作的氣管，使用不方便。同時，由單獨的氣缸中心一點作用控制，由于滾刀支撐板及滾刀較長，受重力作用變形嚴重，影響布料的精確切割。 方案二由五個小氣缸代替大氣缸作用于滾刀支撐板及滾刀，降低了廠房對用氣的要求，同時五個小氣缸同時作用，使?jié)L刀支撐板均勻受力，與方案一相比 ，大大減少支撐板的變形，減少對布料切割的影響。 方案三在方案二的基礎(chǔ)上，將整個滾刀分成六個獨立的滾刀，通過鍵與滾刀內(nèi)軸相連接。與整體滾刀相比，單獨滾刀方便加工，減少材料以及加工成本，整體滾刀在某處出現(xiàn)損壞時就得更換整個滾刀，否則影響切割，而單獨滾刀損壞后只需將其拆下更換損壞滾刀即可，大大提高了滾刀的使用壽命，降低成本。而滾刀切割轉(zhuǎn)動只需很小的轉(zhuǎn)矩，與滾刀內(nèi)軸之間連接受力的要求不高。 3.3 方案的選擇 根據(jù)上述方案陳述和方案比較，方案 三更 能夠?qū)崿F(xiàn)機構(gòu)設(shè)計所要求的功能，能夠滿足設(shè)計要求，縱觀 三 個方案， 雖然 機構(gòu)選擇方案從簡，但相比與前兩個方案，方案 12 三更實用于企業(yè)生產(chǎn)要求， 方案 三 為最佳方案。所以選擇方案 三 作為設(shè)計課題的最終方案。 3.4 本章小結(jié) 本章根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有機械，再結(jié)合拖鞋裁剪機功能要求，討論了它的整體方案，包括機械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計。通過比較，確定了以下設(shè)計方案： （ 1） 通過采用五個小氣缸均勻受力與滾刀支撐板和滾刀，同時考慮板材厚度防止機構(gòu)變形，保證布料的切割精度。 （ 2） 滾刀部分由單獨滾刀串聯(lián)于滾刀內(nèi)軸，設(shè)計內(nèi)軸直徑，降低滾刀的加工要求，提高滾刀的使用壽命，同時便于滾刀更換。 （ 3） 傳動部分由電機通過鏈傳動帶動滾刀內(nèi)軸， 由于滾刀需要傳動功率很小，滾刀內(nèi)軸與滾刀由鍵連接配合，實現(xiàn)傳動。 本章擬定的超聲裁剪下料機的設(shè)計方案，不僅可以與企業(yè)染整布料連接，實現(xiàn)半自動加工的設(shè)計要求，而且成本適中，開發(fā)方便，所以具有較高的性價比。 13 第四章 超聲波裁剪機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)分析 根據(jù)企業(yè)要求，加工布料為寬 1.6 米的染整布料，超聲波裁剪機總圖如下圖 4.0所示，用超聲波發(fā)生箱及控制部分產(chǎn)生超聲波傳入超聲波變幅桿經(jīng)過放大，燙構(gòu)件高頻振動并產(chǎn)生大量熱量，與電機帶動的滾刀組相配合切下胚料移至胚料槽完 成一次性拖鞋切割下料。 4.0 超聲波裁剪下料三維模型 如圖 4.1 所示，圖為布料復(fù)合機械與超聲波裁剪下料機械配合組成的半自動化生產(chǎn)機械，主要流程：將毛坯布料經(jīng)過加熱滾低溫碾壓復(fù)合，通過吸邊器，上膠液，依靠鏈輪和針板輸送布料到平料裝備，經(jīng)過兩次平料，最后通過無起皺送料機構(gòu)的糾偏作用將布料輸送于超聲波切割機完成一次性拖鞋的自動化生產(chǎn)。 其中布料復(fù)合部分引出布料寬度為 1.6 米，布料移動速 度為 24m/min，本課題主要研究設(shè)計與前序布料復(fù)合機械相配合的超聲波裁剪下料部分機械，使其實現(xiàn)半自動化生產(chǎn)。 超聲波發(fā)生箱及控制部分 加工布料 電機通過鏈傳動帶動滾刀切割 滾刀組 超聲波變幅桿及燙構(gòu)件整體 裁剪胚料 胚料槽 14 4.1 一次性拖鞋半自動生產(chǎn)原理圖 4.1 滾刀尺寸確定 滾刀周長尺寸確定 : 如下圖 4.1.1為拖鞋外觀尺寸，將拖鞋包覆在滾刀形成刀具。 滾刀圓周長 L D 285mm，為了滿足副刀具包覆，將滾刀直徑定為 D=92mm，滾刀周長 L=288mm，在刀刃覆蓋基礎(chǔ)上，留有一定加工余量。拖鞋副刀刃加工覆蓋在圓柱表面，高 2mm，寬 0.5mm。 超聲波裁剪部分 布料復(fù)合部分 15 4.1.1 拖鞋外觀尺寸 4.1.2 拖鞋滾刀排料圖 滾刀寬度尺寸確定 : 如圖 4.1.3 所示 ,為了布料利用緊湊 ,提高布料利用率 ,按以下分布排列 ,然后在滾刀兩端鋸齒牙 ,提高滾刀與布料之間摩擦 ,推送布料順利加 工。單只拖鞋寬度約為 112mm，按照以上排布，定單個滾刀寬度 M=240mm，滿足裁剪加工。 4.1.3 滾刀 由于滾刀體積大，為了減少材料，同時方便內(nèi)孔鍵槽的加工，將滾刀加工成如圖 4.1.4鋸齒牙 拖鞋副刀具 16 所示，滾刀與滾刀內(nèi)軸連接座分開加工，通過焊接成 4.1.2所示整體，最后通過鍵與內(nèi)軸相聯(lián)系，實現(xiàn)傳動。 4.1.4 滾刀裝配三維爆炸圖 4.2 電機鏈輪的選定及相關(guān)參數(shù)的確定 要求：布料輸送 24m/min，即滾刀 切割表面要求線速度 24m/min，根據(jù)實際生產(chǎn)情況估計滾刀的輸出轉(zhuǎn)矩 T為 80Nm。如下圖所示，電機通過減速裝置減速，經(jīng)鏈輪傳動帶動滾刀，產(chǎn)生平穩(wěn)切割。 滾刀傳動原理圖 電機 鍵 滾刀內(nèi)軸 滾刀內(nèi)軸連接座 主鏈輪 鏈條 從鏈輪 滾刀 減速裝置 17 根據(jù)生產(chǎn)要求，選擇電機，并計算出傳動相關(guān)數(shù)據(jù)。 4.2.1電機類型的選擇 根據(jù)電機的工作環(huán)境選擇電動機的類型 防護型式： 選用封閉自扇冷式，可在潮濕、多塵埃、高溫、有腐蝕性氣體或易受風(fēng)雨的環(huán)境中工作 電動機額定電壓的選擇 電動機額定電 壓的選擇一般選擇與供電電壓一致，普通工廠的供電電壓為 380V或 220V，因此中小型交流電機的額定電壓大都是 380V或 220V，選用 220V的電壓。 要求調(diào)速的中高轉(zhuǎn)速生產(chǎn)機構(gòu)上使用的電動機額定轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)機械轉(zhuǎn)速的要求，選取合適傳動比的減速裝置，我們選用帶傳動減速裝置。 滾刀轉(zhuǎn)速： L:24m/min D=92mm DnL 滾刀所需的轉(zhuǎn)速： m in/8310*92*14.3 2410* 33 rD Ln 滾刀所需的功率： WKWnTP gg 6 9 56 9 5.09 5 5 083*809 5 5 0 參照電動機的技術(shù)參數(shù)，根據(jù)表預(yù)選電動機的型號，使其額定功率 總PPN ，并且是 NP盡量接近總P，所以選擇功率 720W帶減速裝置電機。 4.2.2鏈輪的選擇 及鏈條確 定 所選電機功率 720W,電機轉(zhuǎn)速 1390r/min。減速比為 1:10，由上推出電機經(jīng)減速后輸出轉(zhuǎn)速為 139rpm。 18 （ 1） 定主動輪齒數(shù)為 17，滾刀轉(zhuǎn)速 83rpm，計算得出，從動輪齒數(shù) 29，傳動比 i 為1.7。 （ 2） 計算當量的單排鏈的計算功率caP 根據(jù)鏈傳動的工作情況、主動鏈輪齒數(shù)和鏈條排數(shù)，將鏈傳動所傳遞的功率修正為當量的單排鏈的計算功率 PKKKPPZAca 式中 AK 工 況系數(shù) ZK 主動鏈輪齒數(shù)系數(shù) PK 多排鏈系數(shù)，雙排鏈時 PK =1.75 ，三排鏈時 PK =2.5 P傳遞的功率， KW WP ca 1116720*1 55.1*1 （ 3）確定鏈條型號和節(jié)距 P 鏈條型號根據(jù)當量的單排鏈的計算功率caP和主動鏈輪轉(zhuǎn)速 1n 查表得到 ISO 鏈號為08A，鏈條 節(jié)距 P為 12.7。 （ 4） 計算鏈節(jié)數(shù)和中心距 初定中心距 Pa )5030(0 ，取 508400 pa，按下式計算鏈節(jié)數(shù)0pL， 0 5 6.1 0 40 5 6.02440*2*)2(220122100apzzzzpaLP 為了避免使用過度鏈節(jié)，取鏈節(jié)數(shù)轉(zhuǎn)為偶數(shù) 104PL 節(jié) 鏈傳動的最大中心距為 )(2 211 zzLpfa P 式中 1f 為中心距計算系數(shù)，查表得 24942.01 f ，代入上式得鏈傳動最大中心距越為507mm。根據(jù)實際設(shè)計情況，中心距為 425mm。 （ 5)依據(jù)鏈速 V，確定潤滑方式 由于鏈速 V=24m/min， 08A號鏈，查表得潤滑方式為定期人工潤滑 19 4.3 滾刀內(nèi)軸的設(shè)計和校核 根據(jù)設(shè)計要求 ,如圖 4.3.1所示 ,需對以下軸零件進行計算校核 ,4.3.2所示為相關(guān)尺寸。 4.3.1 滾刀內(nèi)軸三維仿真圖 4.3.2 滾刀內(nèi)軸工程圖 軸材料選用 35鋼，軸傳遞功率為 720W，轉(zhuǎn)速 83rpm，軸的直徑 d=25mm。 軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為 2.09 5 5 0 0 0 03 TTT dnPWT 式中： T 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， Mpa； T軸所受的扭矩， Nmm； TW 軸的抗扭截面系數(shù)， 3mm ； n軸的轉(zhuǎn)速， r/min； P軸傳遞的功率， KW； d計算截面處軸的直徑， mm； T 許用旋轉(zhuǎn)切應(yīng)力， Mpa，； 查表得 T 取值范圍 25-35（ Mpa），現(xiàn)取 30(Mpa) 20 )(30)(5.2625*2.0 8372.095 50 0 003 M paM paT 由上式可得軸的直徑 mmnPAnPn PdTT2483 72.030*2.095500002.095500002.09550000 3330333 由于該軸上開有多個鍵槽，現(xiàn)取軸的直徑為 30mm。 考慮滾刀內(nèi)軸跨距長，為了增強抗彎強度，如下圖所示 4.3.3 滾刀裝配仿真圖 4.3.4 滾刀裝配工程示意圖 通過增加多個滾刀支撐架，大大提高滾刀內(nèi)軸抗彎曲強度，并保證獨立滾刀的固定，保證切割精度，使其滿足設(shè)計要求。 4.4 氣缸支撐板的靜態(tài)分析 在設(shè)計過程中，考慮到 氣缸支撐板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并受到較大的載荷，現(xiàn)利用 ANSYS軟件對其進行靜態(tài)分析，如圖 4.4.1所示，氣缸、電機、滾刀、滾刀支撐板等零件都受力于氣缸支撐板上。 滾刀支撐架 滾刀內(nèi)軸 滾刀 21 4.4.1 氣缸支撐板局部圖 如圖 4.4.2氣缸支撐板結(jié)構(gòu)圖所示，設(shè)計時取板長為 1670mm，寬 160mm，板厚20mm。采用材料 Q235鋼，結(jié)合實際情況將板的受力確定為 1500N。 4.4.2 氣缸支撐板結(jié)構(gòu)圖 4.4.1應(yīng)力圖顯示 （ 1） Von Mieses 應(yīng)力等值線圖 氣缸支撐板 22 （ 2) Von Mieses 應(yīng)變等值線圖 (3) Von Mieses 總變形圖 4.4.2 應(yīng)力分析 由 Von Mises 應(yīng)力等值線圖可以看到，最大應(yīng)力為 42.629MPa，最小應(yīng)力很小，這么小的應(yīng)力可以忽略不計。按第四強度理論 max 。其中 = s /安全系數(shù)=235/1.47=160MPa,應(yīng)力滿足條件。 23 4.4.3 變形分析 由變形圖可以看到最大變形量是 0.86504mm，最小變形量是 0mm。變形要求 : mmxx 1 ； mmyy 1 ； mmzz 1 。 以上分析可以看出，將氣缸支撐板的厚度定為 20mm滿足設(shè)計要求。 4.5 本章小結(jié) 本章主要對零件相關(guān)尺寸的設(shè)計、校核，并利用 ANSYS 軟件對內(nèi)部形狀不規(guī)則的板件進行靜態(tài)分析，主要零件為 ：滾刀尺寸設(shè)計、電機和鏈輪的選擇、滾刀內(nèi)軸尺寸選擇和校核、以及氣缸支撐板的靜態(tài)分析。結(jié)合實際受載情況和要求，得出合理的設(shè)計尺寸。 24 第五章 超聲波系統(tǒng)研究 5.1 超聲波發(fā)生器 超聲波發(fā)生器的作用，是將 220V或 380V的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻的電振蕩信號，它主要由振蕩器、電壓放大器、功率放大器和輸出變壓器等部分組成。其中，振蕩器是超聲頻發(fā)生器的核心。 根據(jù)超聲波加工的需要，超聲波發(fā)生器的輸出波形可以是正弦波，也可以是非正弦波，但以正弦波最為多見。 本機器中超聲波發(fā)生器 J93025的主要技術(shù)指標如下： 最大輸出功率 : W250 頻率調(diào)節(jié)范圍 : 16-24KHZ 輸出 阻抗 : 12.5歐 在超聲波加工系統(tǒng)中，為了獲得最大振幅以提高加工效率，工作過程中應(yīng)調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的頻率，使其與換能器振動系統(tǒng)的諧振頻率相等。但在實際工作中，由于負載、溫度等諸多因素的影響，引起了系統(tǒng)參數(shù)的變化，這時，若超聲波發(fā)生器的頻率不變，則換能器的振幅下降。若要 在新參數(shù)下獲得最大振幅，就應(yīng)及時調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的頻率。 5.2 聲學(xué)部件 聲學(xué) 部件是超聲波裁剪機的核心部分 ,如圖 5.2.1 所示。主要由換能器、傳振桿、變幅桿和燙構(gòu)件組成。換能器采用性能可靠的鎳制磁致伸縮式結(jié)構(gòu)，它的幾何尺寸決定超聲波裁剪機床工作時的機械共振頻率。其一端貼有多孔性質(zhì)做成的反射塊，用以提高換能器的單向發(fā)射能力。傳振桿和變幅桿采用聲耗小、耐疲勞性強的材料，按換能器的標稱工作頻率而設(shè)計的。傳振桿中的法蘭盤是提供聲學(xué)部件安裝固定 用的，其位置應(yīng)設(shè)置在波節(jié)點處。變幅桿和傳振桿間是可拆卸的螺紋連接。根據(jù)具體應(yīng)用所設(shè)計的工具，可采用螺紋與變幅桿連接。在超聲波發(fā)生器的驅(qū)動下，由換能器產(chǎn)生的超聲振動，經(jīng)由傳振桿和變幅桿，傳至燙構(gòu)件，產(chǎn)生相應(yīng)的超聲振動和熱量進行加工。 25 5.2.1 聲學(xué)部分 換能器的作用是將高頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換成機械振動。目前所使用的換能器主要有兩種：一種是壓電換能器，一種是磁致伸縮換能器。 5.2.2 超聲波模具圖 換能器 傳振桿 法蘭盤 變幅桿 燙構(gòu)件 26 5.3 復(fù)合變幅桿的理論與設(shè)計 如圖 5.3.1為超聲波變幅桿實物圖 ，為了計算某些變幅桿的性能和提高變幅桿的放大系數(shù)，同時為了滿足實際應(yīng)用的特殊設(shè)計，下面討論階梯形變幅桿的設(shè)計。 5.3.1 超聲波變幅桿實物圖 5.3.1 復(fù)合型變幅桿的一般公式 討論 5.3.2下圖所示三段復(fù)合型變幅桿。 I段和 III段為等截面桿，而 II段為變截面桿，為了簡化討論，設(shè)桿的橫截面為圓形截面，各段用同一種材料做成。 5.3.2 變幅桿模擬圖 由變截面桿的波動方程出發(fā)，可以求得各段桿中的振動位移，放大系數(shù)的一般公式。 1. 桿中各段質(zhì)點振動位移 )c o s ( 1111 Ka （ 5.10） 27 )c o s (211211 aKRRa （ 5.11） )c o s (3131 11 aKa （ 5.12） 2. 頻率方程（兩端自由）組為 11223322)0(1t a nt a n0)(t a n)t a n (RRKKlKKaRKlRKlKKalK （ 5.13） 3. 放大系數(shù)pM c o sc o sc o s )c o s ( 321 22 KlKlalKNM p （ 5.14） 5.3.2 帶有特定形狀過渡的階梯形變幅桿 如果兩段長度相等而截面不同的平直組成的階梯變幅桿，其放大系數(shù)最大)( 2NM p ,由于其截面交界處突變，存在應(yīng)力集中，不適合在高振幅的情況下工作。我們可以采用帶有一定形狀過渡段的階梯形變幅桿 )(31 KlKl 。 將31 KlKl 代入諧振頻率方程組的一般公式（ 5.13）可以得到帶有特殊形狀過渡段的階梯形變幅桿的頻率公式為 0t a nt a n 212 cKlbKla （ 5.15） 5.3.3 具有圓錐形過渡段的階梯形變幅桿 圓錐形過渡段的截面變化規(guī)律為 )1(1 xRR ， 則 0R , KK 1. 頻率方程 28 22221 )1(21co tco t)1(2t an NKKlKlNKKl （ 5.16） 2. 位移分布 )(c o s )c o s (1)c o s (320311120211101KlKlKxaaKxaxaKlKx （ 5.17） 其中212 coscos Kla KKl 12 tantan s i nt a n c o s2223 KlKlNa （ 5.18） 3.位移節(jié)點0x 20 2 Kx （ 5.19） 4.放大系數(shù) PM )s int a n( c os 222 KlKlNM P （ 5.20） 5.計算 超聲波加工實驗裝置所用復(fù)合型變幅桿主要參數(shù)計算如下： 本文所設(shè)計的復(fù)合型變幅桿零件尺寸如圖 5.3.3 所示， mmDmmD 30,55 21 。對復(fù)合型變幅桿諧振長度的計算，我們考慮該距離取 mmll 5.5531 ，可得349.131 KlKl ，代入（ 5.16）求得 29 5.4 本章小結(jié) 本章主要介紹超聲波變幅桿相關(guān)信息的研究， 根據(jù)不同變幅桿選擇出合適的變幅桿，并參考相關(guān)資料粗略算出本機器的超聲波能量器的有關(guān)數(shù)據(jù)。 30 第六章 總結(jié) 設(shè)計過程： 從開始 利用 SolidWorks軟件 對現(xiàn)有機械的三維建模，對機器結(jié)構(gòu)逐漸認識，