横切机论文设计全文

横切机论文设计全文 武汉工业学院 毕业设计论文 摘要 本次的设计是数控螺旋刀横切机的机械设计,横切机是瓦楞纸板生产线中的一个重要的环节,该设备主要用于纸板的横向裁切,根据瓦楞纸扳的造纸速度来确定横切机刀辊的转速和刀刃的线速度,达到准确的定长剪刀目的。 由电脑控制的数控螺旋刀横切机在机械结构上比传统的机械式横切机简单，但性能却超出了机械式横切机。 在全面了解传统横切机的结构和原理后，发现其存在的问题。为了解决这些问题，对瓦楞纸板生产工艺、横切机刀辊、横切的传动结构的和齿轮调整的参数等关键技术进行了解和分析研究，利用思维扩展和逆向思维等创新方法对数控横切机的结构和原理上进行创新。该电脑横切机主要有以下四个重点:一、设计中数控螺旋刀横切机采用的点切式的切纸方式;二、利用H型块进行齿轮间隙调整;三、利用无键联接方式调整刀辊与传动齿轮的周向相位;四、利用电脑控制横切机的传动。 关键词:横切机、螺旋刀、点切、无键联接、齿轮间隙补偿装置 第1页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 Abstact This text is the NC spiral knife transverse cutting machine design. The transverse cutting machine is one of the most important part of the corrugated board production line. This equipment is mainly uses in the cardboard cutting ,pulls the papermaking speed definite transverse cutting machine knife roller rotational speed and the knife edge line speed according to the corrugated paper, achieved accurate decides the long scissors goal. In the structure the NC spiral knife transverse cutting machine which controls by computer is simpler than the traditional mechanical type cutting machine, but it performanse much better than the mechanical type . After we comprehend the construction and principle of the modern Transverse cutting machine, we find out that there are some drawbacks of the modern Transverse cutting machine. In order to settle the drawbacks of the modern Transverse cutting machine, we depend on the type of the corrugated board production line technology and The knife roll of Transverse cutting machine ,after that, we design to improve the construction and principle of ransverse cutting machine again. TheTransverse cutting transmission structure and other methods to improve the usual vertical ransverse cutting machine, and we design a new the NC spiral knife transverse cutting machine. There are four innovating points in new designed machine. It is difference from the usual vertical milling machine. The first point is that The NC spiral knife transverse cutting machine uses the spot cutting-like way to cut paper. The second point is that Makes the gear clearance adjustment by H block. The third point is used non-key joint way adjustment knife roll and transmission gear's circumferential phase. The fourth point is that Using computer control transverse cutting machine transmission. Keywords:Transverse cutting machine Spiral knife The spot cuts Keyless coupling Gear clearance compensation system 第2页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 毕业论文(设计)原创性声明 本人所呈交的毕业论文,设计,是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知～除文中已经注明引用的内容外～本论文,设计,不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文,设计,的研究做出重要贡献的个人和集体～均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名: 日期: 毕业论文(设计)授权使用说明 本论文,设计,作者完全了解**学院有关保留、使用毕业论文,设计,的规定～学校有权保留论文,设计,并向相关部门送交论文,设计,的和纸质版。有权将论文,设计,用于非赢利目的的少量复制并允许论文,设计,进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文,设计,的全部或部分内容。保密的论文,设计,在解密后适用本规定。 作者签名: 指导教师签名: 日期: 日期: 第3页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 注 意 事 项 1.设计(论文)的内容包括: 1)封面(按教务处制定的标准封面制作) 2)原创性声明 3)中文摘要(300字左右)、关键词 4)外文摘要、关键词 5)目次页(附件不统一编入) 6)论文主体部分:引言(或绪论)、正文、结论 7)参考文献 8)致谢 9)附录(对论文支持必要时) 2.论文字数要求:理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等)，文科类论文正文字数不少于1.2万字。 3.附件包括:任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。 4.文字、图表要求: 1)文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他 人代写 2)工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国 家技术标准。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画 3)毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印 4)图表应绘制于无格子的页面上 5)软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序 1)设计(论文) 2)附件:按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订 3)其它 第4页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 目录 目录 ....................................................................................................................................... 3 序言 ....................................................................................................................................... 6 第一章 横切机的概述 ....................................................................................................... 7 1.1 瓦楞纸板机械 ...................................................................................................... 7 1.1.1 瓦楞纸板生产工艺的介绍 ......................................................................... 7 1.1.2瓦楞纸板生产线 .......................................................................................... 8 ................................................................................................... 10 1.2瓦楞纸板横切机 1.2.1横切机介绍 ................................................................................................ 10 1.2.2横切机的发展 ............................................................................................ 12 第二章 NC螺旋刀横切机的设计 ................................................................................... 15 ...................................................................................................... 15 2.1 设计任务要求 2.2 论述 .............................................................................................................. 16 2.2.1 上下刀辊的传动方案 ............................................................................... 17 2.2.2 动力选择 ................................................................................................... 20 第三章 相关设计计算与校核 ......................................................................................... 22 3.1 弹性联轴器的选型 ............................................................................................... 22 3.2 齿轮的设计计算与校核 ...................................................... 错误～未定义书签。 3.2.1齿轮的设计 ................................................................ 错误～未定义书签。 3.2.2 齿轮的强度校核 ....................................................... 错误～未定义书签。 3.3 上下刀辊的设计计算 .......................................................... 错误～未定义书签。 3.3.1最小轴径的设计计算 ................................................ 错误～未定义书签。 3.3.2刀辊的直径和长度的设计及轴承的选择 ................ 错误～未定义书签。 3.4 无键联接的设计及计算 ...................................................................................... 23 结语 ..................................................................................................... 错误～未定义书签。 谢辞 ..................................................................................................... 错误～未定义书签。 参考文献 ............................................................................................................................. 24 第5页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 序言 我国是瓦楞纸板生产大国，据统计数据表明，2003年我国的瓦楞纸板产量已达158亿米，占世界的10,D3。至十九世纪以来，美国人艾伯特?琼斯发明瓦楞纸用于包装，经历了一百多年的历史，现形成了一个现代化的包装行业和机械制造业。百多年来，生产瓦楞纸板的设备有过几次大的变革，而其工艺流程基本没有变。这就决定了世界各国厂家制造的瓦楞纸板生产线设备，其原理、系统组成、单机结构均大同小异。按其担负的工艺要求分析任何厂家的设备就能看出该设备的先进性与合理性。 二十世纪七十年代末，由于世界上电子技术的广泛应用，高度自动化瓦楞纸板生产线也无例外。美国的“S & S”机械制造公司首先研制成功电脑控制横切机，切断长度精度为+1毫米，使高度自动化的瓦楞纸板生产线的生产速度达到了250米,分，同时，实现了接纸、调刀、换规数字显示、检测电脑集中控制，陆续有了一批专门生产瓦楞纸镇生产线机器专业工厂，如:日本的三菱、内田、后腾、矾轮、市川;美国的兰斯顿、柯波尔公司、“S & S”机械公司，英国的西蒙公司;莫林公司;意大利的阿格纳蒂、甘多斯公司;德国的BHS公司、彼得公司;法国的马丁公司，荷兰的塞柯荷兰公司，安德逊——韦兰公司;瑞土的Bobst。 而近年来我国经济一直保持高速增长的态势，特别是在食品、饮料、电器和玩具等轻工业市场的内需和出口的迅猛发展，促使与其相关的包装行业也有很快的发展。瓦楞纸板箱在包装领域里占相当大的比重。随着中国加入世贸组织(WTO)及世界包装组织将亚洲包装产业中心确立于中国，使中国纸品包装业进入众所瞩目的阶段，无论是供方市场的成熟度还是需方客户在质与量方面所提出的要求，均使投入该行业里的企业数量及其资金愈来愈多。由于瓦楞纸板的价格低廉，张力及硬度又适中，故大部份的产业都选择以瓦楞纸产品作为其最终产品的内衬垫材或外包装。随着各行业的物流包装发展，对瓦楞纸板需求量更是与日俱增，使瓦楞纸板在整个包装行业占重要一席。基于上述种种因素，瓦楞纸板生产设备在往后几年内无论是旧设备改装或新机型开发都会蓬勃发展。其中,横切机是瓦楞纸板生产线的重要单机,主要完成分切压痕机输送的纸板在纸板运动方向的横向剪切。传统的直刀横切机剪切力较大,剪切纸板的板边发毛,剪切精度差,对后道印刷工序会产生不良的影响,为此研制开发一种能够配套于瓦楞纸板生产线的新型横切机已经成为摆在科研工作者面临急需解决的实际问题。 因此，针对现在的情况，这次的设计思想主要是:利用点切式切纸的原理，对电脑横切机的机械结构进行设计，采用螺旋刀的形式配合现在比较先进的伺服控制系统，在轮刀传动机构中采用无键联接的结构原理使横切机达到预定的工作要求。 第6页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 第一章 横切机的概述 1.1 瓦楞纸板机械 1.1.1 瓦楞纸板生产工艺的介绍 瓦楞纸板生产工艺是指用一套连续的机械生产瓦楞纸板，一般有瓦楞纸板生产线和老瓦裱工艺中使用的单机生产设备。也可采用单面瓦楞纸板生产先生产出单面瓦楞纸板后再采用老裱糊工艺制成三层或五层瓦楞纸板。由于采用的工艺不同，所选设备不同，其工艺过程也各不相同。而老工艺是属于淘汰的半机械化的手工操作工艺，下面仅作一些简单的介绍。 瓦楞纸板加工老工艺一般采用五道工序进行:卷筒纸——裁切——平张切纸——手工拼纸——箱面印刷——压楞——上胶裱制——纸板。整个工艺非常简单，所用设备也很少，由于大量的手工操作。劳动强度大，效率低，且纸箱的档次也低。 1. 卷筒纸裁切工序:根据纸箱规格的大小(通常是几种规格拼在一起)，把卷筒纸切成面纸、里纸和无楞原纸所需的大小，切纸机一般采用单辊刀式切纸机，当加工 2的卷筒纸净重较高时(300g/m以上)一般依次只能裁切两个纸卷;若净重较低的卷 2筒纸(180 g/m)时，一次能裁切四个纸卷。 2. 平张切纸工序:该工序把上面裁切好的面纸、瓦楞原纸湖里纸按生产同志一单进行开料，做到尺寸准确，合理套裁，拼界恰当，充分利用原材料，并且保证瓦楞纸板的质量:一般在闸刀式切纸机上进行切纸时先放下压纸器压实纸叠，然后下降切纸刀，在纸叠被进一步压紧过程中将纸切开。 3. 拼接工序:将上道工序切开后的边料进行合理拼接，供压楞和裱制工序中里纸、芯纸及瓦楞纸使用。该工序为手工操作，目的是提高纸张的利用率，降低损耗。尽管该工序是手工操作，但这是纸箱厂为降低生产成本而设置的非常重要的一个环节。为保证拼接质量，还要求保持纸张纤维的丝流方向一致。若纸箱是用胶带封口的，则距封口45mm内可允许有接缝(宽度为70mm的胶带封口时会遮盖接缝)，但仅限底盖;内销纸箱面纸允许有一处接缝，但不得在印有图案花纹处，外销箱不允许有接缝。纸箱内部不得超过二次拼接(会影响强度)，里纸拼接处要求离开摇盖线30mm，否则接口处易出现脱胶爆裂现象，影响纸箱质量;瓦楞原纸的拼接不得超过二接一拼。 4. 印刷工序:将裁切好的面纸印上文字图案花纹，使纸箱表面清楚地显示箱内商品的名称、制造厂商品及商标等标志，不仅能起美观防潮作用，而且也是商品的宣 第7页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 传广告，既美化商品又扩大企业的知名度。一般采用胶版印刷，过去采用油性油墨，现在基本上采用水性油墨，有的还在箱面上涂以防潮油，老工艺中也有用手工刷油方式。 5.压裱工序:压裱工序是压楞和裱糊两道工序组合而成的，也是老工艺中的关键工序。把已裁切瓦楞原纸堆叠在瓦楞机工作台上，印刷好的面纸和裁切好的里纸放在上胶机后侧。操作时轧楞工把瓦楞原纸一张张顺序送入已被加热的上、下瓦楞辊中间，轧制成定型的瓦楞纸，经过纵向传送带并触及转换开关传送带即改为横向传递，然后进入胶水机，通过上下上胶辊使瓦楞的上下楞峰都涂上适量的粘和剂，上胶机后面的裱纸工顺手接住从胶水机中出来的瓦楞纸，夹放在早已准备好的面纸和里纸的中间。配页工不断地传送已配置好的里纸、面纸，裱纸工不停地往返操作，这样就可不停地加工成一张张三层瓦楞纸板。若要加工五层纸板，只要把瓦裱工序重复依次即可。 以上是老式瓦楞纸板生产工艺,随着各种技术的进步和各类型的能连续制造瓦楞纸箱机械的引进和研制,我国瓦楞纸板业有了高速发展。一些先进的瓦楞纸板生产工艺也运用而生,下节将介绍先进的瓦楞纸板生产线的情况。 1.1.2瓦楞纸板生产线 瓦楞纸板生产线是由连续式的机械组成,大部分机械是卷筒型和分切型组成。瓦楞纸板生产线用于三层、五层或七层瓦楞纸板的生产。三层瓦楞纸板由一张呈波浪形的瓦楞芯纸外粘一张面纸、内粘一张里纸所组成，一般外面的面纸质量、净重比里纸要好。而五层瓦楞纸板则由二张瓦楞芯纸、二张里纸和一在张面纸组成。七层瓦楞纸板依次类推，所以五层瓦楞纸板又称双面双瓦楞纸板，简称双层瓦楞纸板，七层瓦楞纸板又称三层瓦楞纸板，而三层瓦楞纸板又称双面(单)瓦楞纸板，仅由一张面纸和一张瓦楞芯纸粘合而成的二层纸板又称单面瓦楞纸板。生产这种纸板的机器称为单面瓦楞纸板生产线，简称单面机。另外生产线中还有双面瓦楞纸板机,这种纸板机是使单面瓦楞纸板和箱板纸紧密贴合的同时,经过加热加工成单瓦楞(三层)纸板或双瓦楞纸板或七层瓦楞,然后送入分纸压线机,然后进入多部加工成型。 表1-1为三层、五层、七层纸板生产线各单机的组成。各种单机又可根据纸卷的门幅分为1200mm、1600mm、1800mm、2000mm、2200mm、2500mm等。对瓦楞机来说，按其楞型又可分为A、B、C、BC、D(BC、D型为非国标)、E、K(K型为超大型瓦楞)型等。除部分单机采用电脑控制外，整个生产线也用电脑控制。 表1-1中所列的各单机的数量并不是一成不变的，为了减少设备投资，许多纸箱厂对上述生产线进行了简化，以三层纸板生产线为例，在面纸的输送中采用了只有一组摆臂装置组成的防纸架(一般放纸架有二组摆臂装置);而后面一台放纸架中,前面 一组摆臂装置供单面瓦楞机使用，后面一组摆臂装置供预热器使用，这样节约了一半 第8页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 表1-1 瓦楞纸板生产线各单机组成 序名 称 三层 五层 七层 备 注 号 1 放纸架 3 5 7 机械(有轴、无轴)、液压两种形式 2 预热器 1 2 3 3 单面瓦楞机 1 2 3 有导爪、无导爪两种 4 预处理器 1 2 3 5 桥架 1 1 1 6 上纸小车 6 10 14 7 多重预热器 1 1 1 三层为双重五层为三重七层为四重 8 裱糊机 1 1 1 三曾用一套五层用两套七层用三套 9 双面机 1 1 1 采用的平板加热器个数不同 10 加速器 1 仅七层线用 11 轮转切断机 1 1 大部分五层线不采用 12 废纸剔除机 1 1 1 13 纸边粉碎机 1 1 少数五层线不采用 14 纵切压痕机 1 2 2 分机械式、电脑式 15 分纸台 1 1 1 16 横切机 1 2 2 分机械式、电脑式 17 纸板输送机 1 1 1 18 堆积架 1 1 19 制糊装置 1 1 1 三层生产线较为简单 20 气动装置 1 1 1 空压机排气量或数量各不相同 21 输胶管道 1 1 1 输胶管道的数量、长度各不相同 22 供气装置 1 1 1 生产线与供气系统用量各不相同 23 总轴传动 1 1 1 生产线总轴传动功率不相同 放纸架，并且省去了轮转切断机，废纸剔除架简化或省去了分纸架、纸边粉碎机、纸 板输送机、堆积机等辅助设备，从而降低了设备投资。在有些小门幅的纸板生产线中， 甚至省去了纵切机。图1-2为简化后的三层瓦楞纸板生产县的一种形式，加热形式有 蒸汽加热和电加热两种。采用玉米淀粉作粘合剂，切纸结构新颖，范围大，误差小， 适用于边远地区小型纸箱厂的使用。 第9页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 图1-2 简易三层瓦楞纸板生产线 1-放纸架(仅一组放纸装置); 2-瓦楞机; 3-提升装置; 4-桥架; 5-预热器; 6-裱糊机; 7-双面机; 8-纵切机; 9-横切机 除了上述三层纸板生产线外，众多小型纸箱厂广泛使用另一种生产线——单瓦楞纸板生产线，如图1-3所示，简称单面机。主要由从上层左至下层右端依次由放纸架、单面瓦楞机、输送过桥、上胶机、粘合烘干机、分纸压线机、横切机、堆码机以及加热系统，制胶系统等主要设备组成。不同型号和不同数量的设备可组成高、中、低不同档次的三、五、七层瓦楞纸板生产线。横切机采用单切横切机;放纸架采用有轴放纸架;单面瓦楞机采用有导抓形式;动力有电加热方式,煤气加热方式和蒸汽加热方式。 图1-3 单瓦楞生产线示意图 1.2瓦楞纸板横切机 1.2.1横切机介绍 横切机(又称双辊刀切纸机、双辊刀切断机)主要用于纸板的横向裁切，从分切压痕机过来的纸板在纵向(纸板运动方向)已被分切成二部分。为了能同时裁切两种不同规格长度的纸板，一般生产线中采用二套裁切装置(二个机组)。如下图1—4为双组横切机的结构形式，两台机组合并放置在生产线中，纵向过来的纸板被第一套裁切机构裁切后由下部接纸带输出，而第二部分纸板由第二套裁切机构裁切后经上部接纸带输 第10页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 出。两台机组除合并放置外，也可隔开一段距离放置。以方便操作人员的调整和维修。在过去由于电器设备的发展局限型,大部分横切机都是纯机械式,但是机械结构复杂,如双曲柄和无级变速机构,这些使机器安装复杂且效率不高。下图1-4和1-5为机械横切机的外形图和结构图。 图1-4 机械横切机外型示意图 图1—5横切机结构图 1一墙板;2一进纸辊;3一压纸装置;4一上刀辊;5一下刀辊; 6一墙板 7一紧辊 ;8一调节辊;9一输送带;10一出纸装置 横切机除了常见的机械横切机外，还有电脑横切机。也就是这次设计的任务。从机械结构来说，电脑横切机比机械横切机要简单得多，但电器要复杂得多。电脑横切机的切刀部分采用螺旋刀装置，也是设计的主要部分。如图1-6和1-7为电脑横切机示意图和结构图。 1-6 电脑横切机示意图 第11页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 1-7 电脑横切机结构图 1-传动系统 2-输送带 3-润滑系统 4-主电机 5-输送带电机 横切机主要由传动系统、上下刀辊、双曲柄机构、无级变速器等组成。机械横切机动力源主要来自总轴，通过无级变速器及齿轮等带动驱动刀辊轴传送动力，改变无级变速器的速比可得到不同的转速输出，裁切不同长度的纸板。 电脑横切机电器主要由变压器、驱动部、裁切部及电脑控制等四部分组成。配电箱包括主动力电源开关、驱动部控制回路电源开关、输送带电机控制开关、交流或直流伺服电机电源开关及电脑电源开关等电器元件。变压器提供驱动部的动力电源。驱动部接受电脑控制部发来的信号和指令、驱动直流或交流伺服电机，并控制输送带电机、冷却风机电机及油泵马达等，并设有过热保护装置。裁切部在主电机、传感器、编码器作用下对纸板进行裁切。电脑控制部接受编码器及其他电器的输入指令，感应纸板运行速度，经精确计算后控制主电机驱动裁切系统对纸板进行裁切。电脑横切机的裁切长度可从500,9999mm范围内无级可调，恒速运行时，裁切精度可达0(5,1mm左右。但在变速运行中精度不是很高。 1.2.2横切机的发展 1、老式的机械凸轮式瓦楞纸板横切机 早期由于瓦楞纸板前段生产机械的速度不是很快，且市场需求量较小，对品质上的要求也不太高，而且长度规格种类不多，对于横切机系统的要求能顺利的切出产品即可。故普遍采用机械连杆带动不同凸轮来完成横切的动作，要切不同的长度就必须更换不同的凸轮机构，并借助经验来计算及反复调整轮刀的速度以保障切断面的品质。但每台机器对于长度的变换，及送料的速度调节范围都有一定的限度，若切纸长短差异很大，则很可能就必须有二台或数台横切机才行，为此须付出的投资代价更高。 老式传统的机械连杆的装置，一般都由一台大马达作原动力，负责带动连杆上的 第12页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 所有负载，又因当时大多采用直刀作为刀辊的主要设计方式(因直刀的同步区域最小，设计凸轮较容易)，而其在切纸的一瞬间所需要突发的扭力，以及带动凸轮时扭力发生的变化若过于激烈，将对于整部机械及马达速度的控制产生不良的影响，为增大惯量大多只能采用实心大径度的刀辊，以保证轮刀运行过程当中速度的稳定、及切纸的精度，大惯量的实心刀辊对此种机械式的横切机虽有必要，但因此也提高了马达的功率，若再想提高切纸速度，则马达的功率将需有更高的提升。 综上所述，此类横切机有如下特点及缺陷: 1)应用凸轮控制技术的刀辊横切机方式，在较熟练的技术经验支持下，能完成既定的运动方式，在一定切长调幅范围内也可获得一定的精度。 2)虽然每种机器对于切纸长度与进料速度允调一定范围，但若需经常变换生产不同规格产品时，必须切换不同的凸轮纽，费时而低效，无力适应多规格、小批量的柔性需求市场;况且为应付不同组合而必需添置许多备用的凸轮组，无疑也提高了整机投资。 3)对于板材越厚，纸质越硬，进纸速度愈快，切纸精度愈高的横切机，常用实心直刀辊是无法胜任其对瞬时冲击权力及速度骤变纳要求，最好的对策是采用空心螺旋刀辊，但限于凸轮设计及制造技术之瓶颈，螺旋刀又不适合采用凸轮机械系统结构。 4)凸轮控制由于磨擦损耗将不可避免地会造成整机加工精度走失，调整及维护也不便，若从节能要求来看，更是不合乎要求的。 2、近期发展出的变频器驱动的瓦楞纸板横切机系统 1)应用变频器驱动于模切机控制系统的改造，是前几年适应国内当时环境条件下发展起来的一种暂时过渡模式。 其主要控制方式及缺陷有: (1)传感器把速度与长度信息反馈给上位控制器(工控机、PLC或单片机)，再由上位控制器负责运算有关长度以及速度的资科。 (2)以变频器控制马达运转，若变频器加装编码器反馈装置则变频器对于速度的控制会更好一些，但对于位置的控制则受限于变频器本身并非真正的伺服系统，所以在响应速度以及精确度上都不理想，故运行的速度无法太高(当切速要提高时，轮刀将急剧地加速或减速，此动作只有伺服级的驱动器能完成，变频器的误差会很大)。 (3)当上位控制器计算长度到达时，便立即命令变频器开始驱动马达加速至指定的速度，至于切刀是否到达正确的切断点则必须看变频器的响应特性，事先设定好到达的“时间”来决定切刀运行的加速动作，而不是确实依照纸张进料的长度变化做“位置”追踪的控制，所以此种控制方式是采用预计“时间”的方式来控制，并非真正的“位置”控制方式。而为了确保能正确切断，所以必须保证变频器有足够的时间运行至正确的位置， 因此加速不能太快，进纸速度也不宜太快，这就必须牺牲提高切速的要求。 第13页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 (4)由于速度以及位置的回馈信号是仅仅提供给上位控制器，变频器本身无法对于速度以及位置的反馈作任何计算处理，而仅做速度上的“到达”以及对于检测到的脉波数在一定误差量范围内控制，不能像伺服驱动器那样，对误差量是随时采集、并高响应地去校正误差。所以在追踪跟随方面的误差控制是远不及伺服驱动器的。 (5)当进纸速度有较大的变化时，变频控制系统往往无法跟随突然产生的误差，所以在非恒速的情况下，常常会超差。故变频控制系统在开机时只能缓慢提速，在关机时也必须缓慢降速，以免因为轮刀跟随不上而切出废品。 (6)综上所述，以变频器加上位机来做模切机驱动的系统一般只适用于对精度要求不高，整体切速不高，产量不大的低价低速档次产品。 3、最近发展的伺服驱动的瓦楞纸板模切机系统 近年来，许多国外厂商为适应中国包装市场发展，也陆续推出统。大致有以下三类: (1)一般工控机加自行开发的轮刀运动控制作业程序，再配合伺服驱动器以及伺服马达，作为瓦楞纸板模切机的控制。 (2)工控机加标准伺服工控软件作业平台，配合普通型标准伺服驱动器以及伺服马达，再由系统集成商针对轮刀的运动控制程序重新进行二次开发，达到模切机的操作要求。 (3)具有轮刀运动控制功能的专用型伺服控制器，配合普通型标准伺服驱动器以及伺服马达，作为瓦格纸板横切机的控制。 上述几种方式都居伺服控制的方式，所以无论在精度上、速度上都比以往机械凸轮式或变频驱动式的模切机系统更能符合生产的需要。近年来欧美和台湾一些厂家先后推出专门应用于瓦楞纸横切的伺服控制器，例如:德国的伦茨、科比、台湾的正频等，这些系统切纸精度可达到?1mm，但价格很高，一般是变频器系统的四到五倍，因此伺服电脑横切机控制器一般用于高速横切机上。国内也有一些厂家利用工控机、PLC、单片机自行开发算法来控制变频器完成横切动作，但这些系统一般用于速度60M/min以下的生产线，横切精度误差较大( 约为 ?3mm左右)，其优点是价格比较低。而目前国内市场大多数生产线的速度都在每分钟100米左右，因此，我这次的设计题目是很有实际意义的。 这次设计的思路是，配合伺服控制系统，对现有的横切机进行改造，以螺旋刀切纸的方式，进行NC伺服横切机的机械结构设计，并对横切机的传动联接方式进行改进,最终达到预定的设计要求。 第14页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 第二章 数控螺旋刀横切机的设计 2.1 设计任务要求 机械横切机切纸长度一般从500,3000mm可调，也可根据用户提出的纸板长度作适当的修改，例如300,1800mm，最高裁切速度仪为100张,min左右;电脑横切机由于没有双曲柄机构，而且其传动系统也非常简单，因而裁切速度可达180,200张,min，更重要的是在纸板长度调节时，可直接向电脑输入所需裁切的尺寸，因此更换产品速度快，方便准确，而不像机械横切机那样要通过试切 第15页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 来保证调节的质量。 设计任务: 设计一台数控螺旋刀横切机 设计要求: 生产线速度 180r/min 最大切纸幅宽 2000mm 裁切长度 500—5000mm 切纸中心离地面高度 1200mm 刀辊中心距 250mm 由于这次是对横切机的机械结构方面进行设计，所以在设计中有一些参数将会是 0由伺服控制系统给定。其中，刀辊的中心线与水平轴线交角为6 ，螺旋刀刃与刀辊 0中心线交角为6 。 2.2 方案论述 横切机是用于纸板的横向切裁的，它最主要执行部分是刀辊，也就是这次设计的重点。横切机实现切纸过程的基本思想是:纸板经由纵切系统切裁后，连续不断地匀速送进，同时，横切机构的上、下刀辊同步回转一圈就完成一次横向切断。刀辊转动一圈的时间，实现一次对纸板的裁切，由纵切系统匀速送进的长度就是一个切纸长度。为了适应用户要求的裁切长度会在一定范围内变化的需要，刀辊的线速度需要在一定的范围内无级可调。这是由于送纸的速度不变，而切裁的长度变化了，刀辊却仍然只转一圈，即刀辊的转速必然要发生变化。切纸时，刀辊的速度有严格的要求，当刀辊裁切时的线速度V大于被裁切的瓦楞纸板送进的线速度V时，易把纸板拉坏;反之，刀纸 当V小于V时，纸板出现拥挤皱折，严重影响包装的正常进行。 刀纸 为说明清楚起见， 图2.1是以所设定的切断长度大于轮刀刀口运行圆周长度的2倍来讨论的。现说明刀辊动作如下: 在开始时，刀辊处于静止状态当中(切刀角度在0度)，瓦楞纸板以恒速进料;当进长达到由参数设定区域时，刀辊就加速使得刀口追向预计的切断点，以确保当刀口进入将与纸板接触的同步区域时，其线速度必须与纸板的进料速度保持同步或某种比例上的同步速度，使切断面平整;然后刀辊与进纸同步前行，并完成切断动作(切刀角度在180度);切断后，刀辊还将维持同步速度直至离开纸板后才开始降速并进入静止状态(切刀回到0度)，并由伺服系统继续监控纸板进料的状态准备进行下一张纸的切断循环动作。 第16页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 图2.1 典型的瓦楞纸板横切机设备中轮刀的控制运行动作曲线图 2.2.1 上下刀辊的传动方案 上下刀辊在工作状态下是一级的传动关系，它们彼此同步反向转动，所以由齿轮来传动很合理很优先的选择，在这个横切机构中，上下刀辊通过右边两对齿轮啮合进行传动。右边啮合齿轮每对为三个齿轮(图2-2)下部为一个齿轮，上部为二个齿轮，较宽的齿轮起传递动力作用，较窄的齿轮起消除侧隙作用。 通过除隙齿轮可使上下刀刃正确啮 合，又可避免由于传动齿轮间隙造成上 下刀辊的动力传递和间隙调整。缺点是 降低了承载能力，并且齿面不易形成油 膜而加剧磨损。采用除隙装置要求切刀 的刀刃与传动齿轮沿周向的相对位置可 以调整。调节的方法与除隙装置的调节 方法基本相同，不过不再是采用二个并 列的齿轮，而是利用空套在轴套上的齿 图2-2 上下刀轮传递图 轮相对轴套转过一定的角度来实现，轴 1-紧固螺钉;2-调整螺钉; 套通过平键与刀辊轴相连，实际上是调 3-螺母;4-方形销轴 第17页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 节齿轮与刀辊轴之间的周向相对位置。 “直刀型”横切机，即刀的几何中心线与刀辊 的轴心线互相平行，这样，整个纸板的横向的 切断是在同一瞬间完成的。由于整个纸板的切 口属于剁刀式的“一刀切”，且刀辊旋转本身 有角加速度存在，因此造成裁切时会出现较明 显的冲击。此冲击将会直接影响刀辊的使用寿 命和整机的寿命，并直接影响机器的性能，产 生较大的噪音。为此，可将切刀刃的直线型改 为螺旋形。作用是将剁刀式的一刀切改变成剪 刀剪布式的逐点切断，以便大大减缓横切的冲图2-3 切刀在刀辊上的调节 击效应。由前可知，刀辊必须是不等速旋转， 1-刀辊 2-刀座 3-调节螺栓 因此，采用螺旋形刀刃可能同时引出新的问题4-横切刀 5-紧固螺栓 —— 封切的封口不平直，是斜的～上下横切 刀安装在上下刀辊轴上呈螺旋形安装，在裁切过程中，整个幅宽方向的上下刀刃不是同时接触的，而是一个剪切的过程，从幅宽的 一端逐渐过渡到另一端，其目的是降低瞬时剪 切功率和改善剪切质量， 同时对有关执行件的刚度要求也相应减小，这 对刀具的使用寿命和机器的使用性能来说都 4 螺旋刀力合成 是十分有益的。由简单的运动合成原理， 图2- 得知刀辊的中心轴线也是倾斜布置的。刀刃咬合处，纸被切断，它的线速度V1与送料的线速度V合成，使得切纸的速度V正好成为一平直的直线，如图2.4。刀刃23 的刃口要求锋利，刀刃的前角后角要求大，这样可获最佳的切纸效果。因此，刀片一般采用优质工具钢或合金钢制造，刃口的硬度可达HRC55以上。另外，由于现代数控加工技术的迅猛发展和普及，螺旋型刀刃的加工已不是困难。因此，采用螺旋形刀刃是一种切实可行的措施。 在瓦楞纸板横切机的安装、调整过程中，上下轮刀的周向相位与传动齿轮的周向相位必须协调。这是瓦楞纸板横切机的轮毂与轴的联接设计必须面对的一个问题。在设计中采用无键联接,运用胀紧联接套来使上下轮刀的周向相位与传动齿轮的周向相位相互协调。 在解决瓦楞纸板横切机的安装、调整过程中，上下轮刀的周向上下轮刀的周向相位与传动齿轮的周向相位协调问题时,过去一般齿轮与轴的联接有键联接、螺钉联接、过盈配合几种。直接用键联接无法满足周向相位的要求,用螺钉联接不易满足传递扭 第18页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 距要求，因为本文所设计的瓦楞纸板横机的功率都在37kW,用过盈配合联接，安装及拆换均困难。过去有一种变通的键联接的方法一直被沿用 ，从动齿轮用普通平键与轴联接，主动齿轮与其轴之间增加了一个过度零件-异形套筒。这种联接方式能满足周向定位的特殊要求，但占据空间大，中间环节多，安装精度不易保证。异形套筒与轴之间为装拆方便一般采用间隙配合，异形套筒和齿轮之间为调整方便也多采用间隙配合，这样直接影响齿轮的装配精度，影响横切机上下轮刀的切纸性能。 本文所设计的瓦楞纸板横切机采用胀紧联接套这种无键联接方式, 从而能很好地解决上下轮刀周向相位协调的要求，且装拆更方便，周向和轴向调整更方便，更节省空间。胀紧联接套借助于锥面的增力作用和自定心作用对中，降低对零件的配合精度要求，提高齿轮的安装精度，使齿轮传动更平稳，从而保证横切机的切纸精度。 无键联接是指不采用传统的键、销等进行机械的扭矩传递和运动传递的联接。无键联接的基本原理是在轴与轮毂之间采用带有锥面的弹性环套类零件，通过施加一定的轴向力,使锥型结合面产生压力,从而靠由此压力产生的摩擦力传递扭矩。 图 2.5 胀紧套联接 如图2-5a，主动齿轮空套在轮刀轴上,通过胀紧联接套联接。胀紧联接结构,见上图2-5b由内环、外环、前锥形环、后锥形环及高强度螺栓组成。内环、外环由弹簧钢经严格热处理和磨光加工制成，每个环上都有一个纵向开口。内环和外环之间有2个锥形环，即前锥形环和后锥形环，前锥形环的螺孔没有丝扣为光孔，后锥形环的螺栓孔全部有丝扣用于拧紧高强度螺栓，当高强度螺栓(一般环向布置若干个)拧紧时，前后锥形环互相拉紧，使内外环产生径向压力，利用摩擦力锁紧，实现扭距和轴向力的传递。以下是受力分析与计算: 先把胀紧联接套当一个整体，设有n个联接螺栓，每个联接螺栓均施加预紧力 ， F= n F则给前、后锥形环施加的总轴向力: 1 在力F的作用下，内、外弹性环对轴和轮毂分别产生挤压力1V,再对前后锥形环和内外环单独进行受力分析。例如后锥形环，其两锥面受正压力及摩擦力联合作用即力Q，还受到力F作用，画出力多边形，见图2-6，得出Q与F的关系式: 第19页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 图2-6 胀紧套联接受力分析 FQ (1) ,2sin(),,， 式中:为锥面半锥角; 为摩擦角，摩擦系数 ,,ftan,, 同理，对内外环进行受力分析可得 F (2) NQ,，,2cos(),, tan()，,, 从计算得出胀紧联接套可以很好的解决以上提出的问题。 0前面已提到过，刀辊的中心线与水平轴线交角为6 ，在实际生产中为了便于安装,以及整条生产线瓦楞纸都在同一中心线上运行,采用机架斜放使刀辊轴处于中心线位置,刀辊的布置如图2-7，中心位置以及交角都是由控制部分和机械设计部分共同协商得来的数值，在本次设计中，这个参数由设计要求给出。 图2-7 刀辊布置图 2.2.2 动力选择 此横切机涉及到三个动力的选择: 1、上下刀辊的动力选择 上下刀辊是横切机的执行机构，由于切纸的力量具体需要多大，很难从实验中得 第20页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 到结果，产生的弯矩也是难以测量的，在这种情况下，要选定电动机可以采取类比法，现在很多的横切机制造厂商，相同或近似条件下，一般安装使用的电动机额定功率在都22-45Kw之间，所以这次选用的电动机额定功率为37Kw。 由给定的裁切长度范围，可以计算出需要的电动机转速: 生产线送料速度180r/minn,,,360r/min max裁切的最短长度500mm 所以，电动机选择型号为:Y225S-4。主要参数: 额定功率:37Kw; 满载转速:1480r/min; 满载电流:63A; 效 率:90.5%。 电动机在接电源之前首先接了用于控制转速的变频器，使得从电动机传递给刀辊的速度在一定范围内可以实现预定的变化。 2、进纸辊的动力选择 进纸辊在横切机中的功能主要是用于压着纸板，使刀辊在裁切后面送进的纸板不会翘起并可以保证纸板的平稳输送，在进纸辊前面还应安置一个检测编码器，用作对送料速度的检测，也就是纸板在送到横切刀裁切时的速度检测。进纸辊由于所受到的作用力不复杂，数值也比较小，参照现有的横切机进纸辊电动机，本次设计选择了Y1601-8型电动机，采用B35安装形式(BWG)，其主要技术参数为: 额定功率:4Kw; 满载转速:720r/min; 满载电流:6A; 效 率:84%。 3、齿轮传动润滑方案拟定 由于横切机的齿轮工作状况的速度不高，齿轮润滑选用油池浸由润滑,由于齿轮选用的是圆柱齿轮则齿轮尺浸入油面10mm左右,并且设置油面指示器便于观察最低油面和最高油面,且设置在油面稳定的部位。 第21页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 第三章 相关设计计算与校核 3.1 弹性联轴器的选型 下刀辊与电动机由联轴器连接动力导入动力，再由轴的另一端通过齿轮的一级传动把动力传给上刀辊。根据电机的类型Y225S-4型,其中电动机的外联轴直径为60cm,满载转速为1470r/min,根据设计要求选有弹性薄膜联轴器GB/SJ2127,ML-127-80型,其结构如图3-1 第22页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 图3-1 弹性薄膜联轴器 选用参数为联轴器的轴孔直径d=80mm，联轴器的外直径D=127mm,联轴器的长度L=35mm。 3.4 无键联接的设计及计算 1、胀紧联接套的选择与精度确定 瓦楞纸板横切机的基本工作参数,如下: 生产线的走纸速度 180m,s 上下轮刀中心距 250mm 电机功率P 37kW 轴径 75mm 轮刀转一圈的过程中，不切纸空转时转速是变化的，但负载工作即切纸时的转速是匀速，刀刃的线速度等于进纸的线速度。 线速度n 230r/min 轴传递的扭矩T 1796/m 根据以上数据可选择采用Z2-80,120型胀紧联接套，联接螺栓x25共14个联接M10螺栓机械性能等级12(9级。 2、胀紧联接套的校核 胀紧联接套联接能传递的扭矩为内环与轴之间、内环与前后锥体之间、外环与前后锥体之间、外环与轮毂之间这4个扭矩中最小者即内环与轴之间能传递的扭矩: DDDnFF轴轴轴1 (1) ,,,TNfff1,,,,，，2tan()2tan()2 式中:f为内弹性环与轴之间的摩擦系数,因轴与轮毂的材料均为钢，所以f=0.12 00,,14对应的摩擦角,前后锥形环的锥面半锥角,联接螺栓个数n =14,此标,,6.48 2,,1100/mmN准件的材料性能等级12.9级,材料的屈服极限,螺栓M危险截面的s12 222A,,,,d/4x10.106mm面积,螺栓许用拉伸应力计算系数按静载荷考虑取0.25, 1 每个联接螺栓能施加给胀紧联接套的轴向力即螺栓的预紧力: FA,0.25, (2) 1s1 TNN,,3894m1796m代入式(1)，解得。胀紧联接套联接的承载能力能满足要求。1 螺栓的预紧力靠螺栓的拧紧力矩来实现。安装时只须按要求的拧紧步骤和拧紧力矩拧紧螺栓即可。 第23页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 参考文献 [1] 车庆浩，孙诚(新型四层瓦楞纸板的性能研究[J](包装工程，2006，27(3): 39—77( [2] 和志强，曾文献(瓦楞纸板横切机控制算法研究[J](河北经贸大学学报，2004， (3):75—77( [3] 赵淮(包装机械选用手册[M](上册(北京:化学工业出版社，2000( [4] 成大先(机械设计手册[M](第2卷(北京:化学工业出版社，1993( [5] 孙诚(包装结构设计[M](第二版(北京:中国轻工业出版社，2005( [6] 迟建(包装纸盒设计系统[J](包装工程，2005，26(6)(96—98( [7] 康存锋,费仁员. 高速瓦楞纸板横切机控制系统的研究[J ] . 机械科学与技 ,2003 , (7) :25,291 术 [8] QB/ T2498 - 2000 ,瓦楞纸板生产线[ S] . [9]迟多功. 机械式纸板横切机的精度控制与调整[J ] .机械设计与制造,1998 , (6) :15,161 [10] 杨永才主编机械设计新标准应用手册[M]北京科学技术出版社 . . ,1993[11] 刘鸿文. 材料力学(第三版).北京: 高等教育出版社, 1992年9月 [12] 濮良贵.纪名刚. 机械设计(第七版). 北京: 高等教育出版社, 2001年6月 [13] 大连理工大学工程画教研室编. 机械制图(第四版).高等教育出版社, 1991 第24页 共25页 武汉工业学院 毕业设计论文 [14] 曾志新主编. 机械工程专业英语. 华南理工大学出版社 ,1996 [15] 廖念钊主编. 互换性与测量技术基础(第三版). 中国计量出版社 ,2002 第25页 共25页