-9-一、緒論1.1課題背景隨著當(dāng)前世界生活水平質(zhì)量的提高，人們對于印后技術(shù)以及印后種類的要求也有較大的提高，對于印后機器來說，功能性印后機器的需求對于人們有了更多的要求。基于我國印后市場的現(xiàn)狀，大型裁切機器市場基本已經(jīng)飽和，但還存在問題如品類不齊，針對性功能較小，機器對功能性技術(shù)還不夠?qū)Ｒ?，簡便。針對這一問題，如能設(shè)計一款滿足個性裁切并擁有完整裁切功能的小型自動裁紙機，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)機器的自動化功能完成精確裁切，實現(xiàn)操作的簡便性并保證人員的安全，還能盡量縮小機器的尺寸，主要使用在辦公或者室內(nèi)加工等小型自動場所。1.2國內(nèi)外發(fā)展概況隨著印后市場的發(fā)展，印后加工設(shè)備也開始如雨后春筍般蓬勃出現(xiàn)。奧德利對手動裁切機進行改進，他選擇使用特有的刀片，再配上魚形墊，整個機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，拆卸也很方便，刀組還可以對介質(zhì)進行雙向裁切，并完成壓料型材的抬起與放下，操作安全簡單，是裁切機器增加了不少亮點。隨后電動裁切機的出現(xiàn)更是為裁切機器積攢了人氣，機器可以通過程序控制完成自動加工，進退刀過程，還設(shè)計安全裝置，聯(lián)動鎖電開關(guān)、雙手安全按鈕保障人們的安全，此外，加工方面設(shè)置有提示標(biāo)尺，為操作人員提供可視化尺寸選擇，還有電機電磁剎車裝置[2]的選用，更是在加工過程中為紙質(zhì)裁切提供了質(zhì)量保證。但電動裁切機還存在許多不足，在專利CN101189105A中縱向裁切模塊[2]的添加,直接完成了全xy軸的裁切加工，并通過同步縱刀組的運動，大大提高了機器加工效率。外國的切紙機發(fā)展較國內(nèi)水平處于先進水平，國外的機器機構(gòu)裁切精度高、并且具有較高的精度保持性、加工出來的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定較好、在操作方面還算是較為人性化，操作界面方便簡潔并對操作人員具有很好的安全保護作用。1.3本課題研究的內(nèi)容經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)市場上仍然缺少針對性的裁切機器，我希望設(shè)計一種操作較為簡便，能對專門性工作進行快速效率加工機器，由此，針對印后裁切技術(shù)，對裁紙機器進行設(shè)計，在現(xiàn)有裁切機器的結(jié)構(gòu)下，設(shè)計出能夠裁切一定范圍紙張尺寸，并通過按鈕啟停機器。對機器外形設(shè)計要求盡量縮小尺寸，使其結(jié)構(gòu)緊湊，能夠減小機器占地面積，還要能夠使機器平穩(wěn)快速運行，提高機器的效率以及生產(chǎn)率。并通過控制刀組的移動，實現(xiàn)裁切尺寸的位置調(diào)整。在裁切完成后，尾部增加一個廢料收集裝置和紙張收集裝置能夠完成產(chǎn)品和廢料的區(qū)分。二、設(shè)計方案對比設(shè)計分析由緒論可知，本課題希望設(shè)計一個個性化裁切機器以滿足小型自動裁切機器的需求，根據(jù)市面上主流裁紙機的結(jié)構(gòu)進行調(diào)查，本次設(shè)計的裁紙機主要包括4個機構(gòu)，分別是裁切機構(gòu)，放卷機構(gòu)，牽引機構(gòu)，糾偏結(jié)構(gòu)，其中最主要的是牽引機構(gòu)和裁切機構(gòu)的設(shè)計，因此對小型自動裁紙機的整機設(shè)計時，應(yīng)針對以上機器裁切系統(tǒng)進行多個方案設(shè)計，并選擇合適的方案來完成整機設(shè)計。裁切系統(tǒng)方案對比裁切系統(tǒng)設(shè)計方案一小型自動裁紙機的主要工作內(nèi)容是完成固定尺寸紙張的裁切，所以對于裁切系統(tǒng)的設(shè)計就是本課題重點內(nèi)容。裁切方式主要分為橫切和縱切，在整個機器的裁切工作過程中，可把縱切和橫切分為單獨的工作模塊，兩者的工作狀態(tài)不相干擾。橫刀的工作是在介質(zhì)移動方向上的垂直邊線上對介質(zhì)進行裁切，可以采取圓盤切刀的形式，通過上下刀旋轉(zhuǎn)配合裁切介質(zhì)，裁切系統(tǒng)還有縱刀的設(shè)計，縱刀是裁切介質(zhì)隨牽引方向上的力，縱刀的裁切與橫切刀的工作方式相近，都可采用圓盤切刀的方式進行裁切，但又與橫切有所不同，在橫切刀之前設(shè)置有夾送輥，介質(zhì)通過夾送輥的牽引作用推送至橫切刀處加工，若在縱切刀處繼續(xù)增加一個夾送裝置，不但增加安裝難度，還會加長機器的尺寸，不利于整體結(jié)構(gòu)緊湊，布局優(yōu)化的實現(xiàn)。為解決這個問題，可以采用上下圓盤切刀安裝膠輪的方法，膠輪給提供裁切動力并帶動介質(zhì)前進的方式進行安裝。裁切系統(tǒng)設(shè)計方案二裁切方式有很多種，可以參考市面上主要裁切機器的裁切裝置來選用切刀。橫切最常見的為斜刃裁切，即上刀為條刀，下刀起固定作用，通過將上刀抬起，給予上刀足夠的角度和足夠的力往下裁切，將介質(zhì)裁斷。其次是在縱切刀的選擇，圓盤刀與條刀配合，工作方式為上刀為圓盤刀，圓盤刀自身旋轉(zhuǎn)并沿條刀方向移動，通過上下刀刃裁切完成紙質(zhì)裁切。設(shè)計方案對比及最終方案確定表2-1裁切設(shè)計方案對比方案一方案二橫切刀上下圓盤刀裁切斜刃裁切縱切刀圓盤刀與滾刀裁切圓盤刀與條刀配合在市場上的主流裁切機器中，都主要選用了斜刃裁切刀具，通過上刀上下運動并與下刀配合進行裁切，最終可將介質(zhì)橫邊裁斷以獲得所需尺寸。這種方式主要在大型尺寸的介質(zhì)中進行裁切，裁切刀運動時機器會產(chǎn)生極大的沖擊和振動，會對刀片很快造成磨損，對機器壽命會產(chǎn)生影響，并且本課題所設(shè)計機器的橫向方向尺寸最大值為841mm，在裁切時抬刀會占用更大的空間，對于本課題盡量縮小機器尺寸不適應(yīng)，在切紙時機器承受的沖擊以及載荷承載能力都會過大，因此方案二不適用本次設(shè)計。本課題選用上下圓盤刀裁切方式，選取的裁切刀不僅能夠提升裁切精度，減少誤差，還能減小裁切時的剪切應(yīng)力，減少刀具磨損。在縱刀安裝時，下刀還可以可以固定安裝在軸上，刀具跟隨軸轉(zhuǎn)動和上刀配合裁切介質(zhì)，上刀加裝膠輪，膠輪同下刀配合起到牽引夾送作用，上刀同時起裁切和牽引作用，這種方案不但可以減少機器尾部的夾送輥牽引裝置，減少安裝尺寸，使整機結(jié)構(gòu)更加緊湊，還有減少受力的功能，延長機器壽命。通過上表以及對比分析，裁切系統(tǒng)的選用最終決定選擇方案一。a圓盤刀配合b圓盤刀與條刀配合圖2-1不同方案裁切方式牽引系統(tǒng)方案對比牽引系統(tǒng)設(shè)計牽引系統(tǒng)主要機構(gòu)有牽引輥組，電機，傳動機構(gòu)。本系統(tǒng)優(yōu)選夾送輥為牽引機構(gòu)，其次是對傳動機構(gòu)進行選擇。夾送輥有兩個輥系，分為上下輥，兩輥通過摩擦傳動，將介質(zhì)向裁切系統(tǒng)方向牽引。上輥為活動端是主要送料輥，可以控制兩輥之間張緊程度以此調(diào)節(jié)送料時介質(zhì)的張力，下輥設(shè)置為固定輥，主要作用是主動送紙器，動力來源于傳動機構(gòu)。送紙器為增大摩擦力，提高耐磨性，提升牽引精度要求，可以選用精鋼砂輥。下圖為主動送紙器的表面放大圖像。圖2-2送紙器的表面對夾送輥的安裝還可以進行設(shè)計，為提升牽引能力，還可以對夾送輥之間的安裝方式進行設(shè)計，當(dāng)存在一定角度時，可以提升介質(zhì)與送紙器的包角，以此增加摩擦力。圖2-3夾送輥工作原理圖傳動設(shè)計方案一常用的機械傳動有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸桿傳動，也可將電機直接通過聯(lián)軸器連接于夾送的送紙器，為采用合理的傳動形式，下面對幾種傳動進行分析[2]。方案一首先可以對帶傳動進行分析，這種傳動方式在價格方面相對便宜，在性能方面結(jié)構(gòu)簡單且傳動平穩(wěn)，夾送輥需要穩(wěn)定的傳動比，適用于機構(gòu)之間的安裝，還能對傳動介質(zhì)緩沖，除此之外還能吸振，考慮到機器的運行時的環(huán)境要求，帶傳動是考慮的傳動方式之一。傳動設(shè)計方案二鏈傳動相對于帶傳動，其優(yōu)點主要為過載能力強，環(huán)境適應(yīng)能力強等等。但在工作時其傳動平穩(wěn)性差，作為夾送輥的傳動方式會對夾送輥的工作性能產(chǎn)生影響，在工作過程易產(chǎn)升噪音和振動，不適用于辦公等小型自動場所，結(jié)合本次設(shè)計的要求，鏈傳動不選用為本次設(shè)計的傳動機構(gòu)。設(shè)計方案對比及最終方案確定表2-1傳動方案對比動機構(gòu)若是考慮帶傳動方式，可選擇嚙合型傳動即同步帶傳動作為本次牽引系統(tǒng)主要傳動方式。由本次設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體安裝方式，傳動最優(yōu)選可選擇同步帶。三、小型自動裁紙機的整機設(shè)計整機工作尺寸選擇：機器通過輸送介質(zhì)到完成不同方向尺寸裁切的2個刀組，在刀組中完成加工以獲得所需要的尺寸；刀組分為橫切刀組和縱切刀組，橫刀刀組采用圓盤切刀的裁紙刀，驅(qū)動電機控制橫切組件在安裝的導(dǎo)軌上橫向移動，以裁切得到紙張時需要的尺寸。另一個刀組縱切刀組控制裁切紙張的另外尺寸，受步進電機的作用，夾送輥組通過摩擦力牽引介質(zhì)并控制介質(zhì)的速度和位移，牽引力間隔牽引紙張移動前進，紙張在通過夾送輥組的牽引作用下進行推送，紙張間隔停止移動，縱刀在指定位置上下裁切，得到需要的紙張尺寸，裁切完成后，停止間隔結(jié)束，電機控制夾送輥繼續(xù)往前移動。裁切機構(gòu)就完成了一個裁切過程。本課題設(shè)計裁切對象主要為辦公用紙或者廣告紙等印刷材料，所以可以通過參考市面上主流寫真機、打印機的尺寸，為提升人們在操作機器時的工作效率、提高操作人員操作的舒適度，可將機器的尺寸進行如下設(shè)計。由于機器可打印最大尺寸為A0，即1189x841mm，所以設(shè)計放料裝置高度在1300mm-1600mm，這樣既滿足裁切的要求，還能提升操作人員更換料卷的便捷程度，由于介質(zhì)裁切寬度最大為841mm，為機構(gòu)預(yù)留安裝尺寸，初步設(shè)定機器寬度為1000mm，并取本課題設(shè)計的裁切對象最大厚度為0.5mm。技術(shù)要求：1)小型自動裁紙機由電機、減速器、輥組、軸承、絲桿傳動裝置、裁切裝置、廢料收集裝置、切紙收集裝置、機架等幾個部分組成。2)小型自動裁紙機要求能牽引卷筒上料卷輸送至裁切機構(gòu)進行裁切加工。3)料卷的最大直徑尺寸為10cm，最大重量約為10kg。4)根據(jù)刀具厚度，要求裁切精度在+/-1mm。5)介質(zhì)可裁切最大尺寸為A0，即1189x841mm。6)介質(zhì)可裁切最大尺寸為A4,即297x210mm。7)設(shè)定單次裁切，介質(zhì)最大厚度為0.3mm。8)將縱切裁切方向設(shè)計為可調(diào)節(jié)尺寸。9)要求機器能夠正常運行，整機結(jié)構(gòu)要盡量緊湊，縮小占用空間。10)介質(zhì)牽引速度為0.3m/s小型自動裁紙機的組成及各部分的作用小型自動裁紙機是由電機、輥組、裁切裝置、滑動導(dǎo)軌、橫切組件滑塊、機架等幾個部分組成。電機：小型自動裁紙機的原動件，它分別為為夾送輥組和裁紙裝置提供動力。夾送輥組：小型自動裁切機的牽引機構(gòu)，在小型自動裁紙機工作時通過傳動機構(gòu)獲得動力，將介質(zhì)單向牽引牽引至下一系統(tǒng)。裁切裝置：是小型自動裁紙機的執(zhí)行元件，通過電機提供動力經(jīng)傳動機構(gòu)帶動刀具旋轉(zhuǎn)，對介質(zhì)進行裁切，最終得到不同尺寸介質(zhì)的裝置。滑動導(dǎo)軌：為橫切組件的移動定位提供引導(dǎo)作用，并對橫切組件的移動方向提供固定作用，自身可以通過螺紋螺母固定在機架上。橫切組件滑塊：安裝在導(dǎo)軌上，可以固定在導(dǎo)軌上移動已完成裁切所需要的橫切，其上安裝有刀組，負(fù)責(zé)整個裁切裝置的定位工作。機架：是小型自動裁紙機的主體部分，主體部分材料是金屬，為減輕重量和保護操作人員安全，外殼用塑料制成。它可以起到對上面的各個裝置的承接和裝配作用。工作原理整機工作過程大致如下所示：裝置上裁切開始按鈕，按下按鈕控制機器啟動或停止，啟動時牽引系統(tǒng)啟動，將介質(zhì)向前輸送。裁切裝置有兩個，當(dāng)?shù)诙€裁切裝置縱切刀組安裝的傳感器感應(yīng)到介質(zhì)時，此時發(fā)送信號到控制器，控制橫切圓盤刀上下移動到指定裁切位置，此時所有裁切裝置起轉(zhuǎn)，橫切組件開始在導(dǎo)軌x方向上的往復(fù)切割運動。于是就開始了兩個刀組裁切介質(zhì)的工作。當(dāng)按停止按鈕時，上下圓盤刀首先退回，退回完成后刀具停止轉(zhuǎn)動，同時牽引系統(tǒng)停止?fàn)恳ぷ鳎髾M切組件回到原本位置，操作人員可以取出紙張收集裝置中的成品，以及完成廢料的處理工作。四、介質(zhì)牽引裝置的設(shè)計牽引裝置的作用及組成空心輥可將軸承安于內(nèi)部,通過一根通軸固定,也可利用堵頭與空心鋼輥焊接，采用實心輥安裝方式。輥的結(jié)構(gòu)形式及直徑?jīng)Q定了輥的受力，裁切機幅寬較大，輥受力類似于簡支梁，為設(shè)計棍的尺寸，需進行受力計算。已知鋼的彈性模量，密度取。輥組的計算類似簡支梁計算，其上受力均為均勻載荷作用，查材料力學(xué)1(第6版)可得最大撓度計算公式及撓度要求,由受力要求設(shè)計輥的尺寸。撓度計算公式如下:其中，B為輥長度；E為材料彈性模量；I為慣性矩，q為均勻分布載荷(空心輥)(實心輥)張力輥是空心輥，配合套在直徑為40mm的軸承上，其上均勻分布載荷為自身重力，即,總長為900mm最大工作面長度為850mm，預(yù)留工作長度為50mm，所以可知其撓度為將已知參數(shù)和公式帶入整理可得：本課題共設(shè)計有兩組牽引裝置。第一組牽引裝置設(shè)為夾送輥，主要功能是把介質(zhì)穩(wěn)定的輸送到裁紙裝置上進行裁切，第二組為兼有裁切裝置和牽引裝置的縱刀裝置，作用是在裁切裝置完成裁切后，通過安裝在縱切刀組上的牽引裝置，最終把廢料送至收集裝置中。牽引裝置主要由電機，軸承，膠輪，聯(lián)軸器組成。電機通過聯(lián)軸器連接軸承，帶動安裝在軸承上的夾送輥組轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)牽引介質(zhì)的功能。輥組尺寸的設(shè)計牽引力足夠，可以不增加，以增大包角提升牽引力，此時工作示意圖如下圖4-1所示圖4-1夾送輥工作示意圖其中摩擦力與夾送輥壓緊力的關(guān)系為壓力與上輥之和即同步帶傳動系統(tǒng)的設(shè)計電機轉(zhuǎn)速電機軸角速度為電機軸角加速度為計算負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL為拉動料卷轉(zhuǎn)矩T和軸承摩擦力矩Tf，其中，。根據(jù)設(shè)計可知，三組輥皆為兩側(cè)安裝軸承，內(nèi)圈直徑分別為10mm，20mm，20mm，受力為輥的重力，分別為37N，92N，67N，，可得軸承摩擦力矩分別為2.775×104N.m，1.38×103N.m，1.005×103N.m，由前面可知，拉力為68.51N，則負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL電機軸轉(zhuǎn)矩TLM為計算電機軸加速轉(zhuǎn)矩(克服慣量)T=JB所以折算到電機軸上的負(fù)載慣量JL=0.4282kg.m2，電機軸加速轉(zhuǎn)矩TS為總轉(zhuǎn)矩送料速度為0.3m/s，送紙器直徑為0.025m，所以周長C為轉(zhuǎn)速取均值為換算成動力軸轉(zhuǎn)速為225r/min，取傳動比i為2，得電機轉(zhuǎn)速為450r/min。其中，Tq為扭矩N.m；n為轉(zhuǎn)速節(jié)圓直徑d1帶速v為確定軸間距及帶長。根據(jù)結(jié)構(gòu)及公式得a0取值范圍60.158mm~171.88mm，根據(jù)設(shè)計安裝空間，初定a0為100mm。帶長根據(jù)公式代入?yún)?shù)：得到帶長L0=337.04mm。根據(jù)機械設(shè)計手冊帶輪選型中表：“圓弧齒同步帶的節(jié)線長系列及極限偏差”(JB/T7512.2-1994)選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長Lp(節(jié)線長即周長)為339mm，其齒數(shù)為113。實際軸間距確定帶寬，根據(jù)圓弧齒同步帶帶寬公式滑塊負(fù)荷計算，受力分析。已知n約為20mm，c約為37mm，重量W為0.027Kn最大工作負(fù)荷Pc的計算等于Pmax與預(yù)壓力Pz的總和壽命計算其中，為負(fù)荷系數(shù)，取2.0，F(xiàn)為工作載荷五、主要零部件的設(shè)計縱切驅(qū)動部件的設(shè)計通過第二章的設(shè)計，對縱切刀組設(shè)計成，電機通過軸承給驅(qū)動軸提供動力，驅(qū)動軸輸出為旋轉(zhuǎn)動力給膠輪輸入動力，最后裁切刀的成膠輪帶動旋轉(zhuǎn)，這就是裁切刀的動力來源。前面提高縱刀組即是裁切裝置也可以作為牽引裝置，即縱刀進行裁切，膠輪在驅(qū)動軸帶動下轉(zhuǎn)動，上下膠輪配合對介質(zhì)進行牽引運動，為保證膠輪與驅(qū)動軸能夠同方向同速度轉(zhuǎn)動，除對膠輪尺寸和刀具選型以外，還需對對軸承進行選擇。第三章整機設(shè)計中選取夾送輥牽引速度為0.3m/s，為滿足牽引中介質(zhì)的張力，作為第二牽引裝置的膠輪速度設(shè)置需比夾送輥稍大，可取膠輪線速度為0.32m/s，選取膠輪直接為60mm，刀具直徑為62mm，橫切刀組已經(jīng)介質(zhì)裁斷，縱刀組收到的介質(zhì)阻力矩很小，可以忽略，主要的阻力矩來自驅(qū)動刀軸和同方向上兩把裁切刀，單把刀和膠輪總重為0.56kg，軸的重量為1.4kg所以阻力矩為M=0.2N*M.采用同步帶計算，傳動比為1：1。由此可選擇電機參數(shù)步進電機步距角1.8°靜力矩0.3N.M料卷放置的設(shè)計機架的設(shè)計要求應(yīng)滿足第一章提出的結(jié)構(gòu)緊湊，縮小尺寸要求，還應(yīng)簡潔美觀，從走紙到紙張收集裝置都可以采用一體式，整體框架中具有支撐作用的結(jié)構(gòu)都采用便宜耐用的金屬材料，主體結(jié)構(gòu)滿足之后，機架可以用塑料等硬質(zhì)材料減輕重量，如卷料的安裝?？紤]到卷料總體的重量，料卷的安裝采用鈑金件結(jié)構(gòu)支撐固定。還可以對卷料安裝設(shè)計有兩種不同放料方式，分別為有前置放料和后置放料的方式，前置放卷有三組張力輥，可以滿足牽引過程中張力的要求，相較于臥式機架，這兩種方式在傳動牽引時能夠縮小牽引介質(zhì)所占的空間，即介質(zhì)可以在y軸方向上進行輸送。ab兩種方式都可以滿足縮小占用空間的條件，但b放置方式更有優(yōu)勢，操作人員在換料操作時更方便，符合人體工程學(xué)的設(shè)計，提升舒適度。下圖為料卷放置方式的設(shè)計a前置放