包装工程毕业论文

烟台大学毕业论文（设计）目录目录1第1章 绪 论31.1课题背景31.2 国内外发展现状31.2.1 包装带捆扎机国外发展状况31.2.2 包装带捆扎机国内发展现状41.2.3 包装带捆扎机存在的主要问题61.3 本课题所做的主要工作6第2章 整体方案设计72.1 设计思路72.2 方案选择72.2.1机械系统设计72.2.2 控制系统设计92.3本章小结9第3章 机械系统设计103.1 整体设计103.2 送退带机构各零部件的设计103.2.1 捆扎机架的设计103.2.2传动轴的设计113.2.3滚动轴承的选用143.2.4传动齿轮的设计163.2.5键的选用193.2.6摩擦轮的设计193.3其他零部件的设计203.3.1 电动机的选择203.3.2 送退带机构同步带的选用213.3.3捆扎带材料的选择233.3.4捆扎形式的选择233.4.5捆扎带接头形式的选择233.4本章小结24第4章 三维建模254.1 UG简介254.2捆扎机各零部件的三维建模264.2.1捆扎机送退带机构的三维建模264.2.2捆扎机捆紧封接机构零件284.2.3 电动机的模拟建模294.3捆扎机的装配314.3.1底板与捆扎机主机架的装配314.3.2 送退带机构的装配314.3.3捆扎机捆扎机构的装配324.3.4捆扎机封接机构的装配324.3.5捆扎机侧板及支架的装配334.3.7 UG装配简介334.4本章小结34第5章 控制部分设计355.1控制系统概述355.2步进电机控制系统355.2.1步进电机的特点355.2.2步进电机的选择355.2.3步进电机的控制365.3气动控制的系统365.3.1气缸概述375.3.2气缸型号的选择375.4本章小结37总结38致 谢39参考文献：40第1章 绪 论随着电子技术、计算机技术、自动化技术的快速发展，对机电一体化产品的技术含量、性能、功能要求也越来越高。包装带捆扎机就是一种典型机电一体化产品。捆扎机正被越来越多的行业应用在产品包装工序上 。1.1课题背景捆扎机械作为包装设备中的一个主要分支,是将一个或多个包装物用捆扎带(绳) 紧束一起的机器 , 使包装件便于运输、保管和装卸 ,属于外包装设备。捆扎机械的发展 ,在一定程度上借助于捆扎材料的开发应用。在捆扎材料中先后出现的有草绳、绵麻绳、纸绳、金属丝、塑料绳、塑料带、钢带、聚胺酯带等。但由于其本身的强度和延伸率不同和对机械捆扎的适应程度各异 ,以及考虑制作成本，目前以钢带和塑料带的应用最为广泛。特别是自上世纪五十年代以来 ,随着石油化工的崛起，开始用塑料作为捆扎材料 , 为塑料带 (绳) 捆扎机械的开发成功奠定了基础。由于塑料带比钢带、纸带具有较低的使用成本和不锈蚀、不污染、强度适中手感柔软、制造方便、外观美观等优点 ,使之在许多领域逐步替代原来的钢带 , 纸带 ,塑料带捆扎机成为包装机械中少有的技术成熟、简单可靠、品种齐全、覆盖面广的主要设备。 目前，我国很多企业的包装水平跟不上生产设备的更新速度，包装质量不高。虽然国内少数企业凭借自身的雄厚经济实力，从国外引进了部分全自动打捆设备，但其高昂的价格增加了生产成本，绝大多数企业仍在使用半自动或人工打包设备，这样既使生产效率降低，也浪费了大量劳动力，为此，根据我国包装行业的实际需求和发展趋势，研发高质量，高可靠性的全自动打捆机以替代进口，以非常必要，而且形势紧迫。1.2 国内外发展现状1.2.1 包装带捆扎机国外发展状况国外捆扎机械的应用 ,起始可追溯到本世纪初期 ,如美国的 SIGNODE公司、德国的 CYKLOP公司等就涉足捆扎行业 ,以生产钢带捆扎设备为主 ,但其规模和生产技术水平都还较低。直到上世纪的五十年,塑料材料的问世 , 使以塑料带作为捆扎材料成为现实 ,极大地促进了塑料带捆扎机的发展 。较早的如日本的下岛株式会社、株式会社 ,日鲁工业株式会社等。至2001年 ，日本的塑料带捆扎机总产量达 94万台 , 约占包装机械总量的 19. 5%,总产值达 300亿日元。每年约有30%的出口 ,几乎占领了全部东南亚市场。由于他们能成功地引进和消化吸收别国的经验 ,不断改进发展。结构较为简单 , 可靠性高 ,在国际市场上有很大的竞争能力。其中最大的生产厂家为下岛株式会社 ,于 1969年开始正式生产自动捆扎机 ,主要从事产品开发 , 产品质量控制和推销工作 ,其零部件加工和装配均通过扩散的办法。在国内设有17家分公司和 270个代销点 , 并在 35个国家和地区设有代理点。产品品种达 200多个 , 正常生产品种为 29种。美国的 SIGNODE公司则是一家以钢带捆扎机为主 , 塑料带、聚酯带捆扎工具为辅的跨国公司 , 属于美国 ITW上市公司。在美国和其他六个国家设有分公司该公司自 1913年就开始从事捆扎机械的生产 , 为 100多个国家的工业产品包装提供服务 , 并为各国用户提供 24小时内的配件供应服务 ,他们不仅具有巨大的生产能力 ,而且还有一支精益求精的研制和开发队伍 ,通过对捆扎机械各功能部件的反复试验和多方案对比 ,生产出的捆扎机械具有很好的可靠性和最佳的经济寿命 ,虽然价格昂贵 , 但仍然是国际市场上的强手。1.2.2 包装带捆扎机国内发展现状我国包装机械工业是在改革开放以后发展起来的。由于起步较晚，大部分设备都是通过引进设备消化吸收研制出来的。行业从无到有，从小到大，逐步发展起来 。随着我国食品工业、包装工业和农业的迅速发展，我国的包装食品机械行业取得了世人瞩目的进步。产品品种的数量不断增加，使包装和食品机械行业成为直接为提高人民生活质量服务，为包装业和食品工业服务、农业和农副产品深加工业服务的新兴行业。成为我国机械工业十大支柱产业之一。基本上能生产出满足人民生活需求的各种各样、各种档次的产品，并正在不断努力、提高、缩小与国外先进水平、先进技术、先进设备的差距。在全行业广大企业、科研单位技术人员及行业工作者的共同努力下，新产品、新技术日益涌现并转化为生产力。我国人口众多，民以食为天，包装与食品机械产品市场广阔、潜力巨大。包装与食品机械在我同的迅速崛起已引起社会的广泛关注，即使在东南亚国家遭受金融危机的情况下，该行业仍欣欣向荣，堪称“朝阳工业”。随着人民生活水平的不断提高，对商品包装提出了更高的要求，哪里有商品，哪里就有包装，可以说包装工业对国民经济整体结构的发展起着重要的作用。包装机械产品量大面广，广泛应用于食品、医药、化工、军工等各个行业。我国包装机械工业通过采用国际标准和吸收国外先进技术，在标准水平、设计制造和产品质量方面都有了较大的提高。一些企业的产品质量达到或接近国外同类机器的先进水平。这些企业采用先进的企业管理体系和质量保证体系，不断改善和提高产品的质量，以质量和售后服务为企业的命脉，解决了用户的后顾之忧。随着国民经济的不断发展，国内市场对包装机械产品的需求量与日俱增，年产量也逐年提高，包装饥械企业数量越来越多，并且企业性质逐渐从国营转为私营、集体甚至个体，市场竞争日趋激烈，从过去经济短缺的卖方市场转变为买方市场。因此产品在技术、性能、价格上的竞争更为激烈。 目前我国包装机械产品普遍存在质量不稳定、性能单一、成本高、技术含量低的状况：随着我国进入世贸组织(WTO)，国际先进的技术、设备和管理经验的进入势必会对我国刚刚发展起来的包装机械工业造成巨大冲击，企业面临着前所未有的严峻考验。我们应该根据自己的特点，发挥自身的优势。包装机械企业要想寻找较好的、长远的发展必须不断开发新产品，提高产品的技术含金量以及机械的可靠性以适应当前日新月异的发展形势，要规范优质服务标准，努力搞好售后服务。只有这样，包装机械企业才能得以更好地发展。 捆扎机械作为包装设备中的一个主要分支，是将一个或多个包装物用捆扎带(绳)紧束一起的机器，使包装件便于运输、保管和装卸，属于外包装设备。捆扎机械的发展，在一定程度上借助于捆扎材料的开发应用，在捆扎材料中，先后出现的有草绳、绵麻绳、纸绳、盒属丝、塑料绳、塑料带、钢带、聚胺酯带等等，但由于其本身的强度和延伸率不同和对机械捆扎的适应程度各异，以及考虑制作成本,目前以钢带和塑料带的应用最为广泛。特别是自五十年代以来，随着石油化工的崛起，开始用塑料作为捆扎材料，为塑料带（绳）捆扎机械的开发成功奠定了基础，由于塑料带比钢带，纸带具有较低的使用成本和不锈蚀、不污染、强度适中、手感柔软、制造方便、外观美观等优点，使之在许多领域逐步替代原来的钢带、纸带，塑料带捆扎机成为包装机械中少有的技术成熟、简单可靠、品种齐全、复盖面广的主要设备。国际市场上的抢手。我国捆扎机械生产自1976年开始。随着我国社会经济的不断发展和各行业对改善产品包装产品质量的要求日益迫切，使捆扎机械不论在生产能力、生产技术、整机性能等方面都有了很大的提高，其主要表现为 ： （1）已将微机技木应用于捆扎机程序控制，具有温度控制、自动计数、定长送带、故障报警等多种功能，不仅可单机使用也可多机联用或与自动生产线配套使用。 （2）从机器的传动方式来看，有机械传动、液压传动和气动，特别是液压传动具有结构简单，制造方便的特点，是我国特有的机型。 （3）品种规格比较齐全。为适应不同的用户需要，已有全自动、半自动和手提式捆扎器，根据包件捆扎要求不同，除通用的普通型外，又有带压力的捆扎机、双轨道捆扎机、侧封式捆扎机等，其工作台面有高有低，可适应单件捆扎或自动连续捆扎的需要，目前最大的自动捆包尺寸可达20001200毫米，最小的可捆扎5080毫米的捆件、品种已达20多种。 （4）捆扎能力在每分钟1221道之间，基本能满足国内当前的生产需要。 （5）目前仍大量采用宽度为13.5毫米的塑料捆扎带和直径为30毫米的筒形薄膜捆扎绳，井正在开发使用宽度为510毫水的塑料捆扎带的捆扎机，但国外大繁使用的钢带自动捆扎机在国内尚未开发。 （6）捆扎带粘接主要利用烫头将捆扎带两端加热至一定温度后再施压使之粘合，称为热熔搭接型，其接头的拉力强度可达母带强度的80%。塑料绳捆结机则以打结的形式捆紧包件。 与国外捆扎机械生产技术水平相比，国产机差距主要为：品种单一，生产力低。虽然经过二十多年的发展，但只能生产20多个品种，还不及国外一个公司的品种数，而且只能生产通用型的产品，如钢带自动捆扎机的生产至今仍是一个空白，无法满足一些特殊行业的需要：据调查2006年全国产量已达19000台，但仍太大落后于国外的水平。我国捆扎机械的生产起步较晚，主要是靠引进国外的整机经消化改进二次开发生产的。因此在生产中着重于产品的整机性能而忽视了对零部件的研究，导致在捆扎速度、接头粘接方式和送带轨道等主要技术性能方面不硬国外先进水平。工作可靠性较差，其中特别是捆扎带和元器件的质量不稳对整机的性能带来很大的影响。1.2.3 包装带捆扎机存在的主要问题自动捆扎机的工作过程主要由送带、收紧、切烫、粘结四个环节组成，因此送带机构、夹压机构、封口机构设计的合理与否，将直接影响到捆扎质量和效率。当捆扎物人工搁置在规定的位置后，手动将捆扎带塞入焊接处并触动微开关，第一顶紧杆将带端压紧，同时机械装置和执行机构保证反时针方向收带，达到一定的捆紧力后焊接，稍后切刀上顶切带，最后机械送带，完成一个捆件的捆扎过程 。在设计过程中需解决以下难点：（1）、如何实现捆扎速度的可调，以适应不同的捆扎要求。（2）、依靠摩擦轮退带收紧过程中，如何判断包装带捆扎纸箱的捆紧力已达到要求而自动停止退带收紧。（3）、凸轮总成的精确设计，受凸轮控制的剪切、夹压机构的合理协调运行是完成捆扎的关键。（4）、如何避免以往捆扎机械中都伴有烟尘、气味的情况，保护操作者的身心健康及环境保护。1.3 本课题所做的主要工作 本文研制的包装带打捆机，以纸箱、塑料包裹为捆扎对象对象，研发的主要内容包括:送、退带捆紧机构的研究、剪切、熨烫机构的设计、气动执行系统的设计、捆扎形式的选择，捆扎材料的选用等。 包装带捆扎机的工作过程包括六个主要步骤:送带、顶紧、退带拉紧、再顶紧、切带、加热、顶紧粘结、复位。整个包装带捆扎机的研究也主要围绕这几个重要的动作来展开。第2章 整体方案设计2.1 设计思路本文着重对包装带捆扎机的机械部分进行设计，将包装带捆扎机的机械部分设计成三部分，其中送退带机构主要实现包装带的送带与退带，以及通过退带将捆扎物捆紧待加热，粘贴。夹压剪切机构主要实现包装带的顶紧固定，并在包装带通过热熔搭接器加热融化后实现对带的夹压，以便使带迅速粘结。在送退带机构电机反转进行退带时，为避免退回的带在机箱内缠绕齿轮及其它部件，本文将设计一个储带箱放在机箱内，存放多余的包装带，既增加了捆扎安全性，又使下次捆扎有足够的缓冲时间。为保证包装带捆扎机能够高效正常运转，特对本捆扎机的设计提出如下要求：（1）各操作按钮灵活、可靠，电路控制动作正常，电气设备安全可靠.指示灯显示正常。（2）送带长度可调整，送退带正常，无撕裂现象。（3）送带停止时，带盘刹车可靠。（5）每道捆扎时间应不大于15s。（6）捆紧力应可调，对采用宽度小于 13. 5 mm打包带的捆扎机，单道最大捆紧力应不小于 200 N;用宽度不小于 13. 5 mm打包带的捆扎机，单道最大捆紧力应不小于 250 N。（7）烫头温升时间 合上总开关后，烫头从室温升到 300 ，时间应不超过 5 min。（8）烫头表面温度在 200-370范围内应可调。（9）接头外观无过熔现象，上、下层对齐，中心偏移量应不大于 1. 5 mm，接头末端未烫部分长大于2mm。（10）外观质量a.工作台面平整、光亮，不应有锈点、凹陷等缺陷;b. 表面涂漆或喷塑牢固、光滑、色泽均匀.不应有划痕、磕碰等有损美观的缺陷。（11）最大捆扎体积为400 mm400 mm1200 mm2.2 方案选择整个系统分为：机械系统和控制系统。机械系统分为：送带、退带张紧机构，捆扎封接机构。控制系统分为：步进电机控制系统，气动控制系统。2.2.1机械系统设计机械系统分为：送带、退带张紧机构，捆扎封接机构。捆扎机原理图如图2.1所示一、送带、退带张紧机构 送带、退带张紧机构主要完成捆扎带送入和退出，由电机、摩擦轮、齿轮、同步带轮、小轨道等部件组成。送退带机构原理示意图如图2.2所示，在机器进入工作准备状态时，捆扎带通过摩擦轮正转，依靠摩擦力使捆扎带从储带箱中拉出送入轨道；当带碰到触动开关后，压紧机构的第一压头将带端压紧，同时电机带动摩擦轮开始反转，将多余的带从轨道中拉出退入储带箱中，已达到使纸箱捆紧的目的。图2.2 送退带机构原理示意图二、捆扎封接机构捆扎封接机构原理示意图如图2.3所示。捆扎带在进行捆扎时，其带头和带尾都需要用夹压机构进行夹紧，以便完成热熔搭接工作。夹压机构共有三个压头，由安装在同一轴上的三个凸轮分别控制，其中的第一压头夹压带头，第二压头夹压带尾，两层带中间先由隔离器隔开，然后再由隔离器引导熨头进入两层带子中间，以待热熔搭接。捆扎带收紧捆绕在包装件上后，为了使它在流通过程中不松散，就必须将捆扎带的两端构成牢固的连接，才能保证捆扎的可靠与安全。捆扎带在封接压头，即第三压头的作用下，由电热板对其加热使带表面熔融，然后经过加压冷却而得到熔接连接。图2.3 捆扎封接机构原理示意图2.2.2 控制系统设计研制包装带捆扎机的一个重要任务就是要实现打捆过程的半自动化或尽可能自动化。气动控制方式与电气、液压控制方式一样，是实现生产过程自动化的常用的方式之一。随着电气控制技术在气动元件中不断的进步和发展，一系列高性能的气动元件的出现，如快速响应的电磁阀，位置感应气缸等，使得气动元件更加易于进行远距离的操作控制。因此，气动系统在很多自动化设备中正得到越来越广泛的应用。在打捆过程中，包装带压板以及热熔搭接器的驱动由气缸来实现，相对于电机控制而言，气缸在实现来回伸缩控制方而有其独特的特点和优势;具有动作实现简单，可大大减少辅助机构的设计(相对于电机控制而言)。气缸的运动过程由电磁阀进行控制，简单易行。另外，实现捆扎速度可调通过凸轮轴上的步进电机来实现，机电配合的整个工作过程如下:（1）接通电源,单片机开始工作,烫头开始加热升温,温度的自动调节通过单片机自动控制.（2）按下“送带”按钮,电机正转,实现送带,送带2s后电机停转。（3）手动将带拉出，将包装带缠绕捆扎物一周，当带碰到行程开关后，步进电机运转，第一顶杆将捆扎带顶紧。（4）2s后电机反转，实现退带，对包装件进行捆紧，2s后停转，此时第三顶杆将带另一端顶紧。（5）第二顶杆上升将包装带切断并迅速下移，热熔搭接器开始对包装带加热，第二顶杆再次上升，将两片包装带夹紧粘贴。（6）气缸收缩，将压带侧板抽出，捆扎完成。2.3本章小结本章主要根据打捆机的工作流程提出了包装带捆扎机的总体设计方案，主要内容包括:（1）给出了包装带捆扎机的技术参数和要求;（2）提出了打捆机的系统总体设计方案，包括机械系统、控制系统、采用的捆扎方式和材料等。第3章 机械系统设计3.1 整体设计包装带捆扎机的结构：目前使用的台式自动捆扎机，其构造包括机架、丙烯带圈筒、储带箱、带子的进给和张紧机构、带子的接合机构、拱形导轨、传动机构和自动控制装置等部分组成。捆扎机工作流程：包装带捆扎机采用聚丙烯塑料带作为捆扎材料，打捆完成后用热熔搭接法将捆扎带加热粘贴。当捆扎物人工搁置在规定的位置后，手动将捆扎带塞入焊接处并触动微动开关，机械装置和执行机构保证反时针方向收带，达到一定的捆紧力后焊接，稍后切刀上顶切带，最后机械送带，完成一个捆件的捆扎过程 。在捆扎过程中，由送退带机构完成送带、收带、拉紧等动作；在夹压、熨烫机构作用下完成包装带粘结锁紧，防止包装带的打滑松动。本捆扎机以气动系统作为打捆系统加热装置的主要执行件，以可编程序控制器作为控制单元实现打捆过程的半自动化。图2.1 机械系统总体方案的原理图3.2 送退带机构各零部件的设计3.2.1 捆扎机架的设计1机架材料的选择由于碳素结构钢的韧性良好，冲压和焊接性能良好，是一般机械制造中的主要材料，广泛应用于制作一般机械零件，如支架、机架及焊接件等用的角钢、槽钢、垫板，因此选取捆扎机机架的材料为Q235A。2机架结构的设计机架与支承件不仅起着连接和支承各种零部件相互位置的的作用，而且还其要保证捆扎过程的平稳。进退带机构的机架由机架底板、侧板和两块横板组成，通过螺栓连接，起着固定主、从动轴、以及齿轮、摩擦轮的作用；捆扎机构机架由两个机架底板、主机架侧板和辅助机架侧板组成，起着固定凸轮轴和凸轮的作用。3.2.2传动轴的设计送退带机构的齿轮传动轴和凸轮轴都采用平键。电动机正常工作的转速为n0=960r/min。根据带轮的传动比为i1=2：1和齿轮的传动比为i2=1：1得传动轴的转速n1=n0/i1=960/2(r/min)=480r/min；功率P1=10KW。从动轴的转速n2=n1/i2=480r/min； 功率P2=10KW。因此各轴的转速如下：齿轮主传动轴1：n1=480r/min齿轮从传动轴2： n2=480r/min1 确定轴1最小直径 轴的扭转强度条件为： （3-1）式中： 扭转切应力，单位MPa； T 轴所受的扭距，单位N*mm； 轴的抗扭截面系数，单位； n 轴的转速，单位r/min； P 轴传递的功率。单位KW； d 计算截面处轴的直径，单位mm； 许用扭转切应力，单位MPa由上式可得轴的直径选取轴的材料为45钢，调质处理。A0查表取112，P=10KW，n=480r/min 带入得：轴最小直径的初始值：d19.65mm。根据送退带机构轴上各齿轮、摩擦轮以及带轮与支架以及相互之间的尺寸关系确定轴1的各部分轴径及长度如图3.1：图3.1 轴12.确定其它两根轴的尺寸用同样方法确定轴2和轴3的尺寸如下；图3.2 轴2图3.3 凸轮轴3.轴的校核进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度。取，用公式3-2计算轴的应力： （3-2）轴的计算应力，单位MPa；M 轴所受的弯距，单位N.mm；T 轴所受的扭距，单位N.mm； W 轴的抗弯截面系数，单位。计算公式如3-3： （3-3）从轴的结构图3.1可以看到轴的危险截面，现将计算出的截面处的、及的值列出表3-1：表3-1载 荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩T画出轴的载荷分析图。如图3.4：图3.4轴的载荷分析图图3.4中 c截面为危险截面。带入公式3-2中得： 前已选定轴的材料为45钢，调质处理，查得。因此， ，故安全。3.2.3滚动轴承的选用轴两端选用相同轴承，选用深沟球轴承6004，查表可知深沟球轴承6004的基本额定动载荷 Cr=9.38KN,基本额定静载荷Cro=5.02KN, 轴承的预期计算寿命Lh=24000h求两轴承受到的径向载荷Fr1和Fr2,将轴系受到的空间力系分解如图3.5，图3.5轴上受力图两个平面力系，其中 Ft=537.3N Fr=220.3N由受力分析知：=153.24N轴承受力图，如图3.6：图3.6轴承受力分解图 =Fr- Fr1v=67.06N =374.9N =-=164.4N =N=404.1N =N=177.7N轴承基本额定动载荷计算 额定动载荷C=P 式中：P当量动载荷，即、中的大值，P=154.1N 寿命因子，查表选取=3.63速度因子，查表选取=0.741力矩载荷因子，由于力矩载荷较小，取=1.5冲击载荷因子，查表选取=1.1温度因子，查表选取=1.0可得：C=404.1N=3267.6故，所选轴承满足使用要求。3.2.4传动齿轮的设计传动齿轮组的设计是设计送退带机构的重要部分，传动齿轮设计的是否合理，直接影响送退带机构的稳定性能，以及捆扎质量。1确定计算公式及各参数值（1）输入功率为10KW,齿轮的转速为480r/min选用直齿圆柱齿轮传动，7级精度。选择齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，选择齿轮齿数均为Z=24，由公式（3-5）： （3-5）查机械设计手册确定3-5公式内的各计算数值（2）试选载荷系数：Kt1.3（3）计算齿轮传递的转矩： ；（4）齿宽系数： ；（5）材料的弹性影响系数：；（6）按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限；（7）计算应力循环次数 ；（8）接触疲劳寿命系数；（9）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，得： ； 2计算试用公式（3-1）算齿轮分度圆直径d； ；（1）计算圆周速度V ；（2） 计算齿宽b ；（3）计算齿宽与齿高之比b/h 模数 ；齿高； ；（5）计算载荷系数7级精度，查得动载系数；直齿轮，假设。查得。查得使用系数，得：；由b/h=9.1， ，查得；故载荷系数；（6） 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得：；（7）计算模数：。3按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式为 （3-6）确定公式内的各计算数值（1）查得齿轮的弯曲疲劳强度极限；（2）查得弯曲疲劳寿命系数；计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1，得：；（3）计算载荷系数K （4） 查取齿形系数 ；（5）查取应力校正系数 ；（6）计算齿轮的，4 设计计算由公式（3-6）得：对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于齿根弯曲疲劳计算的模数，由于齿轮模数m大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数2.01并就近圆整为标准值，按接触强度算得的分度圆直径，算出齿轮齿数；这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到了结构紧凑，避免浪费。5几何尺寸计算1）计算分度圆直径；2）计算中心距3）计算齿轮宽度B=20mm。6验算校核，合适。3.2.5键的选用选用A型平键（GB/T1096-1979）,按带轮和齿轮的宽度由手册查得：强度校核，按公式(3-7)计算： (3-7)查得参数（许用挤压应力），k=0.5h=2.5,L=L-b=13mm键联接传递的转矩为：键的工作面压强P为键联结强度合格。3.2.6摩擦轮的设计摩擦轮传动是两个相互压紧的滚轮，通过接触面间的摩擦力传递运动和动力的。由于结构简单、制造容易、运动平稳、噪声低，过载可以打滑，以及能连续连续平滑地调节其传动比，因而有较大的应用范围，成为无级变速的主要元件。但由于在运转过程中有滑动，影响从动轮的旋转精度，传动效率较低，作用在轴和轴和轴承上的载荷大，多用于中小功率传动。一、摩擦轮材料的选择由于摩擦轮实现包装带的进与退，制造摩擦轮的材料应该是：弹性模量大、摩擦系数高，接触疲劳强度和耐磨性好，吸湿小，价廉并易于加工，可以选用GCr15。二、本捆扎机采用圆柱摩擦轮传动，其运动简图如3.9下；图3.7摩擦轮传动示意图3.3其他零部件的设计3.3.1 电动机的选择电动机的作用是将电能转换为机械能，现代各种生产机械都广泛应用电机来驱动。在生产上主要用的是交流电动机，特别是三相异步电动机。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传动带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。1、三相异步电动机的构造三相异步电动机分成两个基本部分：定子（固定部分）和转子（旋转部分）。三相异步电动机的转子根据构造上的不同分为两种型式：鼠笼式和绕线式。鼠笼式和绕线式只是在转子构造上的不同，它们的工作原理是一样的。鼠笼式电动机由于构造上简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，就成为生产上应用最广泛的一种电动机。2、电动机的转动原理图3.8是三相异步电动机转子转动的原理图，图中N，S表示两极旋转磁场，转子中只示出两根导条。当旋转磁场向顺时针方向旋转时，其磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流。这电流与旋转磁场相互作用。而使转子导条受到电磁力F。电磁力的方向可应用左手定则来确定。电磁力产生电磁转矩，转子就转动起来。图3.8电动机转子转动原理图3、三相异步电动机的选择要为一生产机械选配一台电动机，首先要考虑电动机的功率，合理选择电动机的功率具有重大的经济意义。如果电动机的功率选大了，虽然能保证正常运行，但是不经济。因为这不仅使设备投资增加和电动机未被充分利用，而且电动机经常不是在满载荷下运行，它的效率和功率也都不高。如果电动机的功率选小了，就不能保证电动机和生产机械的正常运行，不能充分发挥机械的效能，并使电动机由于过载而过早地损坏。根据执行机构摩擦轮的功率和转速情况，选择电动机型号：Y 160L-6 额定功率：11KW；满载转速：970r/min4、三相异步电动机的UG三维建模 在整个设计方案中，电动机属于外购部分，不需要另行设计，故在三维图中可用简单的模拟图形来代替。3.3.2 送退带机构同步带的选用本设备中送退带机构用到了同步带,电机通过同步带与送退带机构连接，达到降速的目的。(1)同步带的特点同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体,这种带薄而且轻，故可用于较高速度。传动时的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98。传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。其主要缺点是制造和安装精度。 （2）、同步带的形式、型号简介及选择同步带有单面有齿和双面有齿两种，简称单面带和双面带。双面带又有对称齿型（DI）和交错齿型（DII）之分。同步带齿有梯形齿和弧形齿两类。同步带型号分为最轻型MXL、超轻型XXL、特轻型XL、轻型L、重型H、特重型XH、超重型XXH七种。梯形齿同步带传动已有标准（GB113611136289）。在规定张紧力下，相邻两齿中心线的直线距离称为节距，以p表示。图3.9 同步带传动节距是同步带传动最基本的参数。当同步带垂直其底边弯曲时，在带中保持原长度不变的周线，称为节线，节线长以LP表示。同步带带轮的齿形推荐采用渐开线齿形，可用范成法加工而成。也可以使用直边齿形。由以上可知本次设计选择的同步带为轻型L单面带。在步进电机上运用的同步带宽15毫米，由前面的数据已知同步带轮转速为960 r/min和480r/min,同步带轮直径为80mm和160mm。（3）、同步带的失效同步带传动的主要失效形式是同步带疲劳断裂，带齿的剪切和压溃以及同步带两侧边、带齿的磨损。保证同步带一定的疲劳强度和使用寿命是设计同步带传动的主要依据。因此同步带传动设计时主要是限制单位齿宽的拉力，必要时才校核工作齿面的压力。(4)、同步带轮的确定根据同步带的型号，按照大小带轮传动比1：2的比例，选取同步带轮的型号，经校核符合捆扎机的设计要求。其小带轮具体尺寸如下图3.10；图3.10 同步带轮3.3.3捆扎带材料的选择根据捆扎要求，选取成本较低、来源广泛、捆扎美观牢固的聚丙烯塑料带。因其可塑性好，断裂拉力强，耐弯曲，比重轻，使用方便等优点。已在各领域中广泛作用。3.3.4捆扎形式的选择目前在我国常见的捆扎形式有如几种：单道、双道、十字交叉、井字、多道交叉等多种形式。对于纸箱的捆扎，根据我国现有的技术水平，大多数企业都只采用智能自动捆扎一道的捆扎机，如果要改变形式，则需要人工转位或是采用多台捆扎机联合完成。3.4.5捆扎带接头形式的选择捆扎带的接头方式根据捆扎材料的不同而不同，大致可分为热熔搭接法，胶粘结、皮扣式及结扎式等。由于我们所设计的包装袋捆扎机的捆扎绳材料为聚丙烯塑料绳，故选用电热熔加热法。它是采用各种有效的加热方法，使塑料袋表层受热融化，将两个带端的熔化面搭接起来，该接头方式适用于聚丙烯塑料带。带接头的强度应不低于带子破断拉力的80%，因此，必须要保证有足够的搭接面积，并且要对温度、压力、时间这三个工艺参数进行综合调节。电热熔加热法是最普遍使用的加热方法，因为热熔搭接具有连接强度高、装置结够简单、操作简便等优。3.4本章小结本章重点介绍了包装带捆扎机总体结构和各部件的设计，主要内容包括:(1)详细分析了包装带捆扎机的工作流程;(2)对捆扎机两个主要机构的零部件（齿轮、摩擦轮、轴）进行设计、校核；第4章 三维建模4.1 UG简介UG软件是Unigraphics Solutions公司(简称UGS)推出的一款三维设计软件。它是一个交互式的计算机辅助设计和计算机辅助制造系统， 具备当今机械加工领域所需的大多数工程设计和制图功能。它还是一个全三维、双精度的造型系统，使用户几乎能够精确地描述任何几何形体，通过对这些形体的组合, 就可以对产品进行设计、分析和制图。UG具有丰富的曲面建模工具。包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑。UG的特点：1、建模的灵活性 复合建模：无需草图,需要时可进行全参数设计,无需定义和参数化新曲线可直接利用实体边缘。 几何特征 ：具有凸垫、键槽、凸台、斜角、挖壳等特征、用户自定义特征、引用模式 。光顺倒圆: 业界最好的倒圆技术，可自适应于切口、陡峭边缘及两非邻接面等几何构形，变半径倒圆的最小半径值可退化至极限零。 2、协同化装配建模 可提供自顶向下、自底向上两种产品结构定义方式并可在上下文中设计编辑 ，高级的装配导航工具 ，可图示装配树结构，可方便快速的确定部件位置，对装配件的简化表达，隐藏或关掉特定组件。局部着色 ，强大的零件间的相关性 ，配对条件，零件间的表达式（关系） ，协同化团队工作 ，可方便的替换产品中任一零部件，刷新部件以取得最新的工作版本，团队成员可并行设计产品中各子装配或零件， 3、直观的二维绘图 对制图员来讲，简单并富于逻辑性 ，剖视图自动相关于模型和剖切线位置 ，正交视图的计算和定位可简便的由一次鼠标操作完成 ，自动隐藏线消除 ，自动尺寸排列不需要了解设计意图 ，自动工程图草图尺寸标注。 4、被业界证实的数控加工轴铣 ，车加工， 线切割， 钣金件制造 ，刀轨仿真和验证 ，刀具库标准工艺数据库功能 。 5、领先的钣金件制造 可在成型或展开的情况下设计或修改产品结构 ，折弯工序可仿真工艺成型过程 ，钣料展开几何自动与产品设计相关 ，可在一幅工程图中直接展示产品设计和钣料展开几何 。 6、集成的数字分析 机构运动学分析 ，硬干涉检查和软干涉检查 ，运动仿真和分析 ，动画过程中的动态干涉检查。 7、广泛的用户开发工具 用户命令宏 ，高级编程语言 ，可自定义裁剪的用户界面。 8、内嵌的工程电子表格 可与其他表格软件交换数据 ，可简便定义零件系列 ，可方便修改表达式 ，可生成扇形图、直方图和曲线图等 。 9、照片真实效果渲染 利用基于数字的设计审视，加快产品上市时间 ，快速成型。 10、可分阶段实施的数据管理 业界最紧密的与集成 ，可管理数据以及整个产品开发周期中所有相关数据 。4.2捆扎机各零部件的三维建模4.2.1捆扎机送退带机构的三维建模1.从动轴零件及建模过程，如图4.1所示：1）通过命令基准平面来设定建模所需的基准平面2）通过命令圆柱来完成从动轴的主体部分建模3）通过命令键槽来完成从动轴上面的键槽建模图 4.1 从动轴零件及建模过程2.主动轴零件及建模过程，如图4.2所示：图4.2 主动轴零件及建模过程3.传动齿轮零件及建模过程齿轮为标准件，由标准数据库直接导入。齿轮的模数m=2，齿数z=24。4.摩擦轮零件及建模过程，如图4.3所示：图4.3 摩擦轮零件及建模过程4.2.2捆扎机捆紧封接机构零件1.第一顶杆零件及建模过程，如图4.4所示：图4.4 第一顶杆零件及建模过程2.第二、三顶杆零件及建模过程，如图4.5所示:图4.5 第二、三顶杆零件及建模过程3.凸轮轴零件及建模过程，如图4.6所示：图4.6 凸轮轴零件及建模过程4.2.3 电动机的模拟建模三相异步电机的三维模拟建模，如图4.7所示：因为三相异步电机不是主要设计部件，故只画出大概模拟图其作用是为包装袋的传送提供动力图 4.7 三相异步电机的三维模拟图步进电机的三维模拟建模，如图4.8所示：因为三相异步电机不是主要设计部件，故只画出大概模拟图其作用是为顶杆的运动提供精确控制 图4.8 步进电机的三维模拟图4.3捆扎机的装配4.3.1底板与捆扎机主机架的装配图4.7 底板与捆扎机主机架的装配4.3.2 送退带机构的装配图4.8 送退带机构的装配4.3.3捆扎机捆扎机构的装配图4.9 捆扎机捆扎机构的装配4.3.4捆扎机封接机构的装配图4.10 捆扎机封接机构的装配4.3.5捆扎机侧板及支架的装配图4.11 捆扎机侧板及支架的装配4.3.7 UG装配简介装配是一个集成的NX应用。它帮助构造零件的装配，在装配的上下文范围内建立个别零件的模型，并产生装配图的零件明细表。装配的主要特征如下：1组件几何体被虚拟指向装配件，而不是复制到装配件。2.利用自顶向下或从底向上的方法建立装配。3.多零件可以同时被打开和编辑。4.组件几何体可以在装配的上下文范围中建立和编辑。5.相关性被维护在全装配件中，而不管编辑是在何处和怎样做的。6.一个装配的图形表示可以被简化，而不必编辑下属几何体。7.装配件自动更新反映引用部件的最后版本。8.配对条件通过规定在组件间的约束关系，在装配件中定位组件。9.装配导航器提供一装配结构的图形显示,为在其他功能中使用选择和操纵组件。10.可以在其他应用中,特别是在制图和制造应用中利用装配功能。4.4本章小结本章详细的介绍了UG设计软件以及用UG软件对捆扎机各主要零件的三维建模。并对捆扎机的整体机构进行了装配，使我们清晰直观的了解了捆扎机的结构和工作原理。第5章 控制部分设计5.1控制系统概述本文所设计的包装带捆扎机的控制系统主要包括：送退带机构电机的控制、剪切熨烫机构步进电机的控制、用来驱动包装带压板往复移动的气缸的控制。 其中送退带机构电机的选择已在第三章做过介绍，这里不再赘叙。5.2步进电机控制系统在捆扎系统中，由电机控制凸轮轴实现精确的运动，以此来实现第一顶杆，第二、三顶杆的精确运动，由于步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的数字/模拟变换器。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步距角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。因此，本文捆扎机构设计中选取步进电机。5.2.1步进电机的特点(1)与驱动电路组成了开环数控系统。简单、廉价、性能可靠。也可以与传感器组成高性能的闭环数控系统。(2) 驱动脉冲与角位移成严格的正比关系，无积累误差；具有良好的跟随性能。(3) 调速范围宽。低速下仍能保持大的转距。一般可以不用减速器而直接驱动负载。(4) 频率响应快，不通电时转子能自锁(5) 步进频率高，可以和反应式相媲美(6) 力矩惯性比反应式电动机小。5.2.2步进电机的选择步进电机的选择主要考虑步距角、静力矩和保持力矩。1、步距角的选择 步距角是在一个脉冲电信号的作用下，步进电机转过的机械角度。步距角的选择取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于小于此角度。目前市场上的步进电机的步距角一般由0.36/0.72、0.9/1.8、1.5/3。为了满足设计任务要求，选用步距角为0.9度的混合型步进电机。2、最大静转矩的选择最大静转矩是指步进电机在通电状态下，使转子离开平衡位置的极限转矩值，它反映了步进电机承受外加转矩的特性。最大静转矩也叫保持转矩，是步进电机最重要的参数之一。静力矩一旦确定，步进电机就好确定了。3、电机型号与剪切熨烫机构凸轮轴连接的步进电机型号为8DK25-12。5.2.3步进电机的控制步进电机的控制与驱动流程图如图4.1所示。主要包括脉冲信号发生器、环形脉冲分配器和功率驱动放大源电路三大部分。脉冲信号发生器是一个频率从几赫兹到几万赫兹连续可调的变频信号，可用8051来产生，也可用专门的硬件电路产生。脉冲信号发生器能够精确输出脉冲的数量和频率，因而能够准确的控制步进电机的转角和转速。脉冲信号分配器的作用就是能把输入的脉冲转化成环形脉冲，以便控制步进电机，并能进行正反转控制。经环形脉冲分配器输出的信号驱动功率很小，而步进电机绕组的励磁需要相当大的电流，所以还需进行功率放大才能驱动步进电机。另外，为了防止干扰，分配器送出的脉冲还需要进行光电隔离。图5.1 步进电机的控制与驱动流程图5.3气动控制的系统气压驱动的工作介质是空气，它来源方便，取之不尽，用之不竭，使用后直接排入大气而无污染，不需要设置专门的回收装置，气流动时压力损失少，节能，高效，适用于集中供气和远距离输送。动作迅速、反应快，调节方便、维护简单，系统有故障时，容易排除。工作环境适应性好，特别适合在易爆、易燃、潮湿、多尘、强磁、振动、辐射等恶劣条件下工作，排气不污染环境，在食品、轻工、纺织、印刷、精密检测等场合中应用更具有优势。成本低，具有过载保持功能。所以气压驱动的装置在工业中应用也是很广泛的。但排气噪声比较大，高速排气时应加消声器。5.3.1气缸概述气动系统中使用的气动元件需要根据使用情况进行选用，包括气缸类型的选择、气缸型号的选择、气缸的控制方式。气缸类型的选择 ：选择气缸的类型应根据工作要求和使用条件。1）要求气缸到达行程终端无冲击现象和撞击噪声应选择缓冲气缸；2）要求重量轻，应选轻型缸；、要求安装空间窄且行程短，可选薄型缸；有横向负载，可选带导杆气缸；3）要求制动精度高，应选锁紧气缸；不允许活塞杆旋转，可选具有杆不回转功能气缸；高温环境下需选用耐热缸；在有腐蚀环境下，需选用耐腐蚀气缸。在有灰尘等恶劣环境下，需要活塞杆伸出端安装防尘罩。4）要求无污染时需要选用无给油或无油润滑气缸等。5.3.2气缸型号的选择捆扎机构所使用汽缸主要考虑气缸的导程，根据捆扎机构顶杆与热熔搭接器以及箱体壁之间的距离来确定所需气缸的导程，选择MAL型3225型号气缸。5.4本章小结本章节主要介绍了包装带捆扎机控制部分的选择过程，由于控制部分不是本设计的重点，在此不作具体讲解。总结通过历时近3个月的筹备与研发，本文成功开发出的包装带捆扎机，能很好的满足对纸箱的捆扎要求，运行稳定。包装带捆扎机的研制成功，极大的提高了我国纸箱包装的自动化和标准化水平，减轻工人劳动强度。本论文是对包装带捆扎机研发工作的总结，所作的主要工作包括: (1) 国内企业对于包装捆扎机的需求以及应用前景的分析，了解和掌握国内与国际上关于包装带捆扎机的研究现状及其发展趋势; (2) 研究确定包装带捆扎机的工作流程和系统总体设计方案； (3) 关键机械部件送退带机构的研究分析。阐述了送退带机构的工作流程，捆扎形式的选择;(4) 以可编程控制器为核心的电气控制系统的设计，控制电机的正、反转。(5) 气动控制系统的设计。以气缸伸缩来带动包装带压板运动，实现包装带的压紧; 包装带捆扎机是一个实践性很强的设计项目，并具有广泛的应用前景。通过研制包装带捆扎机，我学习了机、电、气动及计算机控制一体化的现代化高科技设备的研究开发过程，在锻炼自己科研能力的同时，锻炼和提高我的实际动手能力及项目科研管理能力，可以深入到我国工业现代化装备的第一线，了解我国目前国有大中型工业企业的设备现状，深深的感受到我国的工业技术水平与国外先进水平还有很大差距，要不断缩小这种技术水平差距正需要我们当代科研技术工作者的不懈努力。 我们研制的包装带捆扎机虽然已经能较好的完成对纸箱打捆的功能，但其在整体性能、自动化程度以及功能的完善性方面跟国外先进的全自动打捆机相比还有一定的差距。在纸箱打捆方面，我们需要努力的方向是:缩短打捆周期以及打捆机的工作稳定及可靠性。致 谢本文是在尊敬的臧导师的精心指导和细心关怀下完成的。 在本文的方案提出、修改，系统设计的整个过程中，自始至终都得到了臧老师的精心指导。臧老师的知识渊博、严谨细致、一丝不苟以及高度的责任感给我留下了深刻的印象，并将使我铭记终生。在论文结束之际，我谨向臧老师致以最衷心的感谢！经过两个多月的工作，我的毕业设计圆满画上了句号。这两个月来，通过学习、研究捆扎机装置和单片机控制系统的相关资料，学到了很多知识。而且在图纸的绘制过程中进一步熟悉了三维绘图软件的应用。这段历程不仅仅是单纯的设计过程，更重要的是一个独立工作能力的锻炼过程。从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学朋友给了我无形的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！在本文结束之际，四年的大学生生活也即将宣布结束，在四年的大学生活里，烟台大学机电汽车工程学院的老师们给予了我无私的教导，有了他们的帮助，使我少走了很多的弯路，受益匪浅，在此一并向大学期间所有关心、支持、帮助我的老师和同学表示衷心的感谢！在即将毕业之际，祝他们一路顺风、事业有成。参考文献：1 忠峙.Signode 半自动捆扎机J.上海包装,1993(4):42-42.2 黄成楠.我国捆扎机械的现状与发展战略J.中国包装工业,1998(10):6-8.3 刘金棠.捆扎机烟尘净化工程简介J.劳动保护,1998(9):28-28. 4 陈润沾.包装机械行业产品质量现状分析及展望J.中国农业机械学会成立 40周年庆典暨2003年学术年会论文. 2003(11)：67-78.5 王文虎,陈日新,黄建春.超声波焊接捆扎机智能控制系统J.电工技术,2002(11):22-23. 6 马祖达,陈咏红.浅析我国包装与食品机械的现状和发展方向J.食品开发,2001(2). 40