本科畢業(yè)論文全自動打包機系統(tǒng)設(shè)計機械部分設(shè)計摘要：本文介紹了全自動打包機系統(tǒng)的研究背景和意義，通過研究分析全自動打包機的機械結(jié)構(gòu)、工作原理，探討了全自動打包機的主要技術(shù)參數(shù)，機械結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)組成等。對機芯部分的主要零件進行了材料的選擇、機構(gòu)設(shè)計、受力分析、相關(guān)參數(shù)的計算和校核的過載能力、轉(zhuǎn)矩、及工況條件選擇電機的載荷，根據(jù)電機的使用場所環(huán)境選擇電機的防護等級及結(jié)構(gòu)。根據(jù)軸的受力情況對軸承的選擇做出了系統(tǒng)分析，并校核了Abstract:Thepaper,whichintroducestheresearchbackgroundandsignificanceofautombasedontheanalysisofthemechanicalstructureandworkingprinciple.Forthemajomechanism,thispaperillustrparametercalculation.Meanwhile,thispaperexamintheoverloadcapacity,tselectionaccordingtotheoperatingenvironment.Additionally,thesystematthree-dimensionalmodelingbasedonsolidworksisestaKeywords:automaticbalers;spindle;bearings;motor 1.1研究背景 1.1.1國內(nèi)外研究狀況 1.1.2存在問題及發(fā)展趨勢 21.2研究意義 22全自動打包機的設(shè)計 22.1工作原理分析 22.2主軸的設(shè)計 2.3主軸的校核 62.4軸承的設(shè)計與校核 82.5電機的選擇 4總結(jié) 注釋 參考文獻 1打包機又稱捆包機或捆扎機，是使用捆扎帶纏繞產(chǎn)品或包裝件，然后收緊并將兩端通過熱效應熔融或使用包扣等材料連接的機器。打包機主要由送帶、退帶、接頭連接切斷裝置、傳動系統(tǒng)、軌貯存中不因捆扎不牢而散落，同時還捆扎整齊美觀。20世紀60年代初期，隨著聚丙烯材料的出現(xiàn)，國外成功研制了聚丙烯塑料帶打包機，在許多領(lǐng)域，特別是輕工領(lǐng)域內(nèi)逐漸代替鋼帶捆扎，使打包機得到迅速普及。我國的自動打包機從20世紀80年代中期開始發(fā)展，最初在書籍、報刊發(fā)行部門獲得推廣，近年來發(fā)展異常迅速，已廣泛應用于輕工、食品、外貿(mào)、百貨、印刷、醫(yī)藥、化工、郵打包機按自動化程度分類可分為：1.手動打包機。依靠手工操作實現(xiàn)捆扎鎖緊，多用塑料帶捆扎。它結(jié)構(gòu)簡單、輕便，適于體積較大或批量很小包裝件的捆扎。2.半自動打包機。用輸送裝置將包裝件送至捆扎工位，再用人工將帶子纏繞包裝件，最后將帶子拉緊固定。它工作臺面較低，很適批量較大的包裝件捆扎。捆扎時，包裝件的移動和轉(zhuǎn)向需靠人工進行。4.全自動打包機。該機能在無人操作和輔助的情況下自動完成預定的全部捆扎工序，包括包裝件的移動和轉(zhuǎn)向，適于大批量包裝件的捆扎。全自動捆扎機，不須人工插帶，工作效率高，勞動強度低。全自動打包機適用：廣泛用于食品、醫(yī)藥、五金、化工、服裝、郵政等行業(yè)，適用于紙箱打包、紙張打包、包裹信函打包、藥箱打包、輕工業(yè)打包、五金工具打包、陶瓷制品打包、汽車配件打包、日化用品打包、文體用品中國包裝機械起步較晚，經(jīng)過20多年的發(fā)展，中國包裝機械已成為機械工業(yè)中十大行業(yè)之一，為中國包裝工業(yè)快速發(fā)展提供了有力的保障，有些包裝機械填補了國內(nèi)空白，已能基本滿足國內(nèi)市場的需求，某些生產(chǎn)打包機的廠家通過采用國際標準和吸收國外先進技術(shù)特點，在標準水平、設(shè)計制造技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量方面都有了較大的提高，比如永創(chuàng)機械的全自動無人化打包機，在質(zhì)量上達到國外同類設(shè)備的先進水平，可自動定位、捆扎、轉(zhuǎn)位，以進行十字型、井字型等花樣捆扎，采用微機控制，已實現(xiàn)無人操作的自動捆扎生產(chǎn)線，部分產(chǎn)品還有出口。但在目前，中國包裝機械出口額還不足總產(chǎn)值的5%,進口額卻與總產(chǎn)值大抵相當，與發(fā)達國家相去甚遠。①打包機的未來發(fā)展趨勢在向全自動化、高級化和多樣化等方面延伸。例如壓縮打包機；研制代替鋼帶的重型帶、聚酯帶等；研制適應臺式打包機的泡裝件從輸送裝置送進后，打包機能自動定位、捆扎、轉(zhuǎn)位，并以十字形、井字形等花樣捆扎；采用2微機控制以實現(xiàn)無人操作的自動捆扎生產(chǎn)線。國外的自動打包機已向40道/分鐘至60道/分鐘的目標發(fā)展；研制捆緊力克隨機調(diào)節(jié)的打包機，提高自動打包機在帶寬、捆包規(guī)格、工作臺高度、捆扎能力等環(huán)節(jié)的適應性等。雖然中國打包機行業(yè)近年在國內(nèi)發(fā)展一直表現(xiàn)十分良好，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的問題中，許多情況不容樂觀，如產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、產(chǎn)業(yè)集中于勞動力密集型產(chǎn)品；技術(shù)密集型產(chǎn)品明顯落后于發(fā)達工業(yè)國家；生產(chǎn)要素決定性作用正在削弱；產(chǎn)業(yè)能源消耗大、產(chǎn)出率低、環(huán)境污染嚴重、對自然資源破壞力大；企業(yè)總體規(guī)模偏小、技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱、管理水平落后等。無法應對形勢的變化，行業(yè)發(fā)展思想觀念與形勢發(fā)展不相適應；技術(shù)創(chuàng)新能力弱，工藝技術(shù)進展緩慢，新產(chǎn)品開發(fā)還沒有從根本上擺脫仿研跟蹤的局面，競爭力不強，經(jīng)濟增長、效益提升仍然主要靠規(guī)模拉動。產(chǎn)品品種單一，成套設(shè)備較少。國內(nèi)的很多全自動打包機，半自動打包機生產(chǎn)廠商一般都以單擊生產(chǎn)為主，像國外很多都是成套生產(chǎn)銷售，很少以單機銷售出現(xiàn)。這就造成了兩種現(xiàn)象，一種是我國的包裝設(shè)備無法滿足國內(nèi)包裝企業(yè)的需要，另一方面機械廠以單機銷售也是利潤較少，無法獲得成套設(shè)備的銷售高利潤。許多企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量粗糙，首先主要的表現(xiàn)就是產(chǎn)品的可靠性差，技術(shù)更新速度慢，同時在新機制造上融入新技術(shù)、新工藝、新材料的地方較少。技術(shù)含量低的產(chǎn)品多，而具有高附加值、高生產(chǎn)率的產(chǎn)品少。1.2研究意義通過對全自動打包機的研究設(shè)計，可以綜合培養(yǎng)學生綜合運用機械設(shè)計課程和其他課程的知識，結(jié)合生產(chǎn)實踐分析和解決機械設(shè)計問題的能力，使所學理論知識得到進一步鞏固和提高。學習機械設(shè)計的整個過程，熟悉和掌握機械設(shè)計的方法和步驟，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力和獨立的工程設(shè)計的能力。加強對制圖軟件的運用。通過對全自動打包機的研究設(shè)計以及查閱相關(guān)文獻，可以了解全改產(chǎn)品目前的發(fā)展狀況，存在的問題，改進的空間以及發(fā)展趨勢。2.1工作原理分析在了解和參考了市場上同類產(chǎn)品的工作原理后，對將要設(shè)計的打包機打包的工作流程做了以下設(shè)計：首先是有送帶機構(gòu)將捆扎帶送入軌道，然后機芯的一個頂體上升頂住捆扎帶的一端，送帶機構(gòu)電機反轉(zhuǎn)，退帶，使帶子勒緊被捆物體，然后拉緊擺桿進一步拉緊捆扎帶至所需緊度。接著導向板從兩層捆扎帶中推出，同時，電燙頭插入兩層帶之間，接著另一個頂體上升頂住捆扎帶的另一端，然后中間頂體上升先切斷捆扎帶，然后再將捆扎帶推向燙頭，是捆扎帶表面受熱熔化，燙頭隨即快速推出，中間頂體再次上升將上下兩層捆扎帶壓緊在壓板上，然后壓板后退，各頂體復位，完成一次物品的打包。然后送帶電機正轉(zhuǎn)，將打包帶送到位準備下一次打包，完成一次打包循環(huán)。2.2主軸的設(shè)計在機芯的各個部件中，最重要的是主軸。在設(shè)計主軸之前，先確定打包機的各個設(shè)計參數(shù)。設(shè)計全自動打包機的捆緊力為150N,中間頂體壓緊兩層捆扎帶的壓緊力為100N,左邊頂體頂住捆扎3帶的力為50N。從設(shè)計機芯的特點來看，主軸要同時承受彎矩和轉(zhuǎn)矩的作用。首先對主軸進行受力分析：已知要求打包帶的捆緊力為F拉=150N。由于左頂體要求的壓緊力為50N,中頂?shù)兑蟮膲壕o力為100N。目前打包機所用的打包帶基本上都是塑料打包帶，通過查閱相關(guān)資料查得目前普遍使用的PET打包因此為了滿足設(shè)計要求，F(xiàn)右的受力要大于等于517.2N,因此主軸受到的最大扭矩來自于右頂主軸材料選擇40Cr,調(diào)質(zhì)處理，查《機械設(shè)計手冊》得：硬度為241~286HBS,σb=750Mpa,2.按轉(zhuǎn)矩估算軸的最小直徑。對右頂體的對應的凸輪進行受力分析主軸所受力矩：T=685式中d為軸的最小直徑，單位為mm;T為軸所受的扭矩，單位為Nmm;主軸材料選用40Cr,查《機械設(shè)計手冊得》t=40~52Mpa。T取40Mpa。為了增加電機減速器與主軸聯(lián)接時的強度，故將電機減速器與主軸之間起相連作用的鍵槽設(shè)為上平鍵能夠用于較高精度及受沖擊或變載荷作用下的固定聯(lián)接。又考慮到電機減速器與主軸聯(lián)接處4主軸所受軸向力較小，因此軸上的聯(lián)接選用平鍵聯(lián)接；又查《機械設(shè)計手冊》得，當軸上有兩個相隔180°的鍵槽時，軸的增大值為15%。因為主軸最小直徑處開有兩個相隔180°的鍵槽，因此d≥d×1.15=15.11mm。假設(shè)材料的力學性能符合標準規(guī)定，且產(chǎn)品加工時的加工質(zhì)量能滿足設(shè)計要求。再考慮到打包機捆扎帶的收緊力比較精確，又因為主軸所受的載荷確定相對比較精確，應力計算也相對比較準確，因此將需用安全系數(shù)Sp設(shè)為1.3,即取主軸的最小處直徑d=20mm。3.軸的機構(gòu)設(shè)計。根據(jù)估算所得直徑、凸輪、電機、以及軸承的安裝情況，軸的機構(gòu)及尺寸可進行草圖設(shè)計，如圖2-2所示，軸的輸入端孔徑φ20mm,軸長為130mm。軸的臺階為軸承起到定位作用。電機減速器與主軸的聯(lián)接以及凸輪與主軸的聯(lián)接采用A型平鍵，鍵的選擇分別為b6×h6和b8×h7。端面凸輪與主軸的聯(lián)接還需要用螺帽固定，因此在軸的輸出端攻螺紋M20×15,螺距P=2。圖2-2主軸示意圖4.按彎扭合成強度計算軸的最小直徑。當主軸所受扭矩最大時，主軸的受力情況如圖2-3所示：圖2-3主軸受力示意圖5M(x)=FA×x=151.875x(Nmm)O≤x≤130做出彎矩圖如圖2-4所示：圖2-4彎矩示意圖Mc=67236-365.325×130=1974d為軸的直徑，單位為mm;M為軸計算截面上的彎矩，單位為Nmm;T為軸計算截面上的扭矩，單位為Nmm;得：αT=0.59×18139.9=10706因為當軸上有兩個相隔180°的鍵槽時，軸的增大值為15%,故：d=d×1.15=13.1×1.15=15取安全系數(shù)Sp為1.3,故：d"=d×1.3=15.065×1.3=因此取主軸的最小處直徑d=20mm。2.3主軸的校核主軸在工作中同時承受彎矩和扭矩作用，在前面的主軸設(shè)計中就利用彎扭組合第三強度理論來設(shè)計軸徑。軸受彎矩作用將產(chǎn)生彎曲變形(以撓度y或偏轉(zhuǎn)角θ度量),受扭矩作用將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形(以扭轉(zhuǎn)角φ度量)。剛度的不足在工作時將產(chǎn)生過大的變形，影響正常工作。因此在設(shè)計機器時也常有剛度要求。軸的剛度校核通常指計算軸在預定的工作條件下的變形量，應使其不大于允許值，才能達到剛度要求，要求如下：式中[y]、[0]、[φ]分別為軸的許用撓度、許用偏轉(zhuǎn)角、許用扭轉(zhuǎn)角。查《機械設(shè)計手冊》得：一般用途軸[y]=(0.0003～0.0005)L,取[y]=0.0004L=0.0736L為支承間跨距；1.彎曲剛度校核。主軸受力分析圖如圖2-5所示，圖2-5主軸受力示意圖現(xiàn)在將F右、F中、F左三個力合成一個力F合F合=F右+F中+F左=517.2+100+50=667.2NF合×x=54×F右+92×F中+130×F左=54×517.2+92×100+130×50=43626.4NmmX=43626.4÷667.2=65.7I為慣性矩，I=πd?/64=π20?/64=7850mm?。8得2.4軸承的選擇與校核由于軸將受到來自端面凸輪的軸向力，因此選取角接觸軸承。根據(jù)軸的大小初選角接觸軸承型號為7204B(α=40°),軸承預期壽命Lh'=150000h,查滾動軸承樣本可知角接觸軸承7204B(α=40°)其基本參數(shù)為：d=20mm,D=47mm,B=14mm。其基本額定動態(tài)載荷C=13300N,基本額定靜載荷為CO=7650N。這樣軸承跨距為184mm。首先對主軸的徑向作受力分析：如圖2-6所示：F=F右+F中+F左-F?=517.2+100+50-237.1=430.1N然后對軸的軸向力進行受力分析，主軸所受軸向力來自于端凸輪，而端凸輪的受力來自于擺桿的作用力，最擺桿進行受力分析，如圖2-7所示：圖2-7擺桿受力分析已知捆緊力為F拉=150N,:F軸=F?+F拉=240.04+150=390.04NF軸=F軸=390.04N軸承軸向受力示意圖如圖2-8所示：9圖2-8軸承軸向受力示意圖求兩軸承的計算軸向力Fa?和F?,對于70000B(α=40°)型軸承，查《機械設(shè)計手冊》得：軸承派生軸向力Fd=1.14Fr。Fd?=1.14Fr1=1.14×430.1=4Fd?=1.14Fr2=1.14×237.1=270.3NFa?=F軸+Fd2=390.04+270.3=660.34N查《機械設(shè)計手冊》得徑向動載荷系數(shù)X和軸向動載荷系數(shù)Y為軸承1X?=0.35,Y?=0.57軸承2X?=1,Y?=0則因為軸承當量載荷P?>P?,所以按軸承1的受力大小進行驗算：式中，L,為基本額定壽命，單位為h;n為轉(zhuǎn)速，單位為r/min;e為指數(shù)；因為設(shè)計要求主軸轉(zhuǎn)速為35r/min,∴n=35r/min由于主電機需要頻繁起動與制動，因此主電機選用YEJ系列電磁制動三相異步電動機。YEJ系列電磁制動三相異步電動機是在Y系列電動機的后端蓋與風扇之間附加一個直流盤式動機技術(shù)條件(機座號80-225)》的要求。電機額定電壓為380V,額定頻率為50Hz;外殼防護等級為IP44,制動器為IP23;冷卻方法為IC411;絕緣等級為B級。根據(jù)主軸的設(shè)計轉(zhuǎn)速n=35r/min,選擇電機的轉(zhuǎn)速為1400r/min,減速器i=40。由于主軸所受力P為電機功率，單位為kw;T為扭矩，單位為Nmm;n為轉(zhuǎn)速，單位為r/min;因此電機功率選擇為200w。3solidworks三維建模SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，產(chǎn)品應用廣泛，涉及航功能強大、易學易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點，使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高本文設(shè)計的全自動打包機外形示意圖和該圖經(jīng)渲染后的的示意圖如圖3-1和3-2所示。圖3-2全自動打包機經(jīng)渲染后的外形示意圖如圖3-1與圖3-2對比后可發(fā)現(xiàn)，圖3-2相比圖3-1更具真實感，這就是solidworks的高級渲染片，讓產(chǎn)品更具真實感。PhotoWorks軟件中包括一個巨大的材質(zhì)庫和紋理庫，用戶可以自定義燈光、陰影、背景、景觀等選項，為SolidWorks零件和裝配體選擇好合適的材料屬性，方便了用戶對產(chǎn)品的設(shè)計。本文設(shè)計的頂體組合三維模型和頂體組合部分透視三維模型如圖3-3和3-4所示。圖3-3頂體組合三維模型機芯的頂體組合是全自動打包機動作的核心部件，它組要完成的是打包帶的定位、熱熔后的壓緊和切斷工作。圖3-4頂體組合部分透視三維模型圖3-4將組件中的一部分零件設(shè)為半透明，這樣可以方便用戶觀察了解產(chǎn)品的內(nèi)部情況。爆炸圖是當今三維CAD、CAM軟件中的一個重要功能，是裝配體功能模塊下的一個子功能。爆炸圖的使用可以使工程技術(shù)人員能夠更加輕松的繪制裝配圖，同樣也能使加工操作人員能夠一目了然的讀懂裝配圖，因此爆炸圖的使用不僅能提高工作效率而且還能減輕勞動強度。如今這項功能已經(jīng)越來越廣泛的應用于工業(yè)產(chǎn)品的裝配使用說明和機械制造中。如圖3-5所示圖3-5頂體組合爆炸體三維模型圖圖3-6拉緊擺桿組合圖3-7拉緊擺桿組合爆炸體三維模型圖本文涉及的主要工作是分析全自動打包機的工作原理，并對其中機芯的重要部分進行了重新的設(shè)計。比如對主軸進行了設(shè)計，并校核了其扭轉(zhuǎn)強度和剛度。對軸承的選用重新進行了分析，并校核了軸承的使用壽命；對電機的功率、荷載進行了分析與計算，并選擇了適合的電機；對全自動打包機的外形和部分組件進行了三維建模。在畢業(yè)設(shè)計的過程中，經(jīng)過資料的收集，方案的選擇、論證，再到分析、計算、校核，再到零件圖的繪制以及三維建模，我查閱了大量資料，發(fā)現(xiàn)了部分打包的產(chǎn)品設(shè)計的不足之處。比如有些打包機的電機選擇不合理，功率偏大。也發(fā)現(xiàn)了有的打包機在產(chǎn)品性能的宣傳上有夸大成分，夸大了打包帶的張緊力。不過本次畢業(yè)設(shè)計的不足之處，在于由于要參加實習工作，占用了許多時間，在全自動打包機的系統(tǒng)設(shè)計上做的不夠全面。總之，通過這次全自動打包機得系統(tǒng)設(shè)計讓我對大學四年學習的知識又有了一個整體的深層次的理解。同時也讓我對產(chǎn)品的整個設(shè)計過程有了更加深刻的認識和理解，為今后的設(shè)計研究打下了一個良好的基礎(chǔ)。①引用自百度百科的“打包機”。http://baike.baidu.co[1]濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計[M].第八版北京：高等教育出版社，2006,5.[2]許連元，李強德，徐祖茂.機械制圖[M].上海：同濟大學出版社，2003,3.[5]孫桓，陳作模，葛文杰機械原理[M].第七版.北京：高高等教育出版社，2006,5.[6]成大先.機械設(shè)計手冊[M].第五版.北京：化學工業(yè)出版社，2009,1.[7]王旭日.用標準H型鋼代替焊接H型鋼設(shè)計打包機機架[N].國際紡織導報，2010,5:26-28.[8]王衛(wèi)兵.打包機的發(fā)展趨勢[J].廣西化纖通訊，1999,2:18-21.[9]高德.包裝機械設(shè)計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005,8.[10]劉守謙.現(xiàn)代包裝機械的創(chuàng)新設(shè)計[J].輕工機械，2007,2(1)