全自动书本打包机的推书机构设计正文

全自动书本打包机的推书机构设计正文 题 目 全自动书本打包机的推书机构设计 系 别 航空与机械工程系 专业名称 机械设计制造及其自动化 班级学号 学生姓名 指导教师 二O一二年六月 1 学士学位论文原创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究成果作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 日期: 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名: 日期: 导师签名: 日期: 2 全自动书本打包机的推书机构设计 学生姓名: 班级: 指导老师: 摘要:为了能设计出性能更好、更符合客户需求的全自动书本打包机推书机构～本文将根据书本打包机的工作原理及其要求研究设计更高效节能的推书机构。在对打包机推书机构的设计中～推书机构要求执行构件在工作行程中等速直动并具有急回特性。经过了分析比较～本文推书机构由凸轮连杆机构、齿轮齿条机构以及其他辅 助支件组成。主要完成的工作总结如下: ,1, 拟定推书机构总体方案并进行方案分析, ,2, 进行主要零部件的设计与校核计算, ,3, 设计推书机构的总体装配图以及绘制槽形凸轮零件工作循环图, ,4, 对推书机构主要零部件进行了三维建模～并对总体机构进行了装配～以清晰直 观的了解到推书机构的结构和工作原理。 关键词: 推书机构, 方案分析, 校核计算, 三维建模 指导老师签名: 3 The design of book pushing mechanism in full automatic packing machine Student name: Zhou Nanlan Class:0881053 Supervisor:He Honglin Abstract:In order to design a better performance, more in line with customer demand for full automatic book bagging machine book pushing mechanism, this paper will be based on the book bagging machine working principle and requirements of the design more efficient energy-saving book pushing mechanism. In the packaging machine book pushing mechanism design, book pushing mechanism requires the implementation of components in working stroke velocity straight and with quick return characteristics. After the program analysis and comparison, the paper pushing mechanism by the cam connecting rod mechanism, a gear rack mechanism and other auxiliary supporting component. the major work summarized as follows: (1) to push the book body overall plan and program analysis; (2) were the main components of the design and checking calculation; (3) design book pushing mechanism of general assembly drawing and drawing groove cam parts working cycle diagram; (4) the book pushing mechanism of main parts for3D modeling, and the overall organization of the assembly, in a clear and intuitive understanding of the book pushing mechanism of the structure and working principle. Keywords: book pushing mechanism; Scheme analysis; Checking calculation ; Three dimensional modeling Signature of supervisor: 4 目 录 1 绪论 1.1 课题背景与意义……………………………………………………………………1 1.2 国内外研究现状……………………………………………………………………1 1.2.1 包装打包机国外发展状况………………………………………………………1 ………………2 1.2.2 包装打包机国内发展状况……………………………………… 1.3 本文主要框架………………………………………………………………………4 2 推书机构总体方案分析 2.1 工作原理分析………………………………………………………………………5 2.2 总体方案设计………………………………………………………………………6 2.3 推书机构的比较和选择……………………………………………………………7 2.4 本章小结……………………………………………………………………………8 3 槽形凸轮的设计与计算 3.1 槽形凸轮设计分析…………………………………………………………………9 3.2 凸轮轮廓线的计算与绘制…………………………………………………………9 3.3 本章小结 …………………………………………………………………………11 4 齿轮齿条的设计与计算 4.1 齿轮齿条参数设计 ………………………………………………………………12 4.2 几何尺寸的计算 …………………………………………………………………12 4.3 重合度的校核 ……………………………………………………………………13 4.4 齿轮的强度校核 …………………………………………………………………13 4.5 本章小结 …………………………………………………………………………14 5 其它零部件的设计与计算 5.1 轴的设计与校核 …………………………………………………………………15 5.2 键的选用 …………………………………………………………………………18 5.3 连杆的设计 ………………………………………………………………………18 5.4 电动机的选择 ……………………………………………………………………19 5.5 本章小结 …………………………………………………………………………20 6 推书机构的三维建模 6.1SolidWorks软件简介………………………………………………………………21 5 6.2 主要零部件的三维建模……………………………………………………………22 6.3 装配体的三维建模…………………………………………………………………23 6.4 本章小结……………………………………………………………………………25全文总结 ………………………………………………………………………………26参考文献 ………………………………………………………………………………27致谢………………………………………………………………………………………28 6 南昌航空大学科技学院学士学位论文 1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。书本打包机就是一种典型机电一体化产品。打包机正被越来越多的行业应用在产品包装工序上 。同时伴随着世界包装机械制造业的发展，以信息技术为代表的现代科学技术的发展，对打包机机械制造业提出了更高、更新的要求，它已伴随着高新技术和新兴产业发展而共同进步，并充分体现出打包机制造技术向智能化、柔性化、网络化、精密化、绿色化和全球化方向发展的总趋势和时代特征。 1.1课题背景与意义 目前，我国各地印刷厂印制好的书籍大部分是采用人工打包，工作强度大，并且生产效率低。同时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包设备，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包机以替代进口，以非常必要，而且形势紧迫。在设计过程中需解决以下存在的问题:1、如何实现打包速度的可调，以适应不同的打包要求。2、如何执行构件在工作行程中等速直动并具有急回特性。3、凸轮的精确设计，受凸轮间歇控制和合理协调连杆与摆杆的运行是完成打包的关键。4、如何避免以往打包机械中都伴有烟尘、气味的情况，保护操作者的身心健康及环境保护。本课题将致力研制出一种节能又高效的打包机纵向推书机构，纵向推书机构作为全自动书本打包机的重要组成部分，其对实现图书的自动捆包、完善全自动书本打包机的功能和促进书本打包机的应用和推广，以及对包装工业自动化和现代化的发展都具有重要的理论和现实意义。 1.2国内外发展现状 1.2.1包装打包机国外发展状况 外包装机械的应用，起始可追溯到本世纪初期，如美国的SIGNODE公司和德国的 CYKLOP公司等就涉足打包机捆扎行业，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，日本的打包机械机总产量达94万台，约占包 1 南昌航空大学科技学院学士学位论文 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 于 1969年开始正式生产自动捆扎机，主要从事产品开发，产品质量控制和式会社， 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SIGNODE公司则是一家属于美国 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年就开始从事打包机械的生产，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，通过对包装机械各功能部件的反复试验和多方案对比，生产出的打包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。目前，国外包装机械水平高的国家主要有美国、德国、日本、意大利和英国。而德国的包装机械在设计、制造及技术性能等方面则居于领先地位。2002年德国包装机械产值已达34亿欧元，其产量的77%为出口产品。随着世界科技的发展，发达国家已经把核能技术、微电子技术、激光技术、生物技术和系统工程融入了传统的机械制造技术中。新的合金材料、高分子材料、复合材料、无机非金属材料等新材料也得到了推广应用，食品包装机械的集成化、智能化、网络化、柔性化将成为未来发展的主流。先进的制造技术，使国外打包机制造商瞄准市场，积极推出了功能多样的打包机机械，以适应包装厂商对于打包机的需求。像意大利制造的延伸吹塑机、美国制造的三面封制袋机、日本制造的电脑包装喷印机、法国制造的无菌灌装机、丹麦制造的低耗称重包装机等包装机械新品相继迭出。随着包装新材料的出现，打包机技术也有了新的变化。如枯拉伸缠绕膜出现，使得裹包、收缩、捆扎等工序合为一体，操作得以简化而快捷。包装的新思维是超脱现有包装技术与产品，将其它相关技术组合应用到包装上，形成新的包装技术。如包装固化技术将固化与干燥能源更新，从热转向光;包装切割成型技术实现了新型切割与成型器械;包装与加工结合技术，能紧密地把包装与加工相结合于一体;包装功能借用技术将包装功能超出包装，增值作用大;包装功能保护技术在包装材料中加入保鲜、杀菌、防潮、防静电、防异味等功能性成分进去。总之，走向多功能和单一高速两极化，是世界包装机械制造技术的时代潮流。 1.2.2包装打包机国内发展状况 2 南昌航空大学科技学院学士学位论文 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。 目前国内产品与国外相比，市场竞争能力偏低。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。打包包装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牛皮纸包装在一起的机器，使包装件便于运输、保管和装卸，属于外包装设备。我国打包机械生产自1976 3 南昌航空大学科技学院学士学位论文 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，使包装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。包装机械业是包装工业的配套工业，在轻工机械行业中占有重要的地位。越来越多的包装业人士认为:包装业的发展出路在于包装机械的发展。与此同时，我国的包装机械行业在吸收消化国外先进技术的基础上不断创新，如今已形成了完整的行业体系，包装机械的技术水平不断提高，不仅满足了国内需求，不少包装机械还实现了出口创汇。然而，相对于国外包装机械的发展，我国仍有不少的差距。今后一个时期，我国包装业正面临着大的发展机遇，包装机械也将会有较大的发展。 1.3本文主要框架 本文设计研究的书本打包机纵向推书机构，以书本包裹为打包对象，研究的主要内容包括:凸轮的设计和凸轮轮廓线的绘制、齿轮齿条的设计与校核计算、轴和连杆的设计、计算以及键的选用和电动机的选择以及各主要零部件及装配体三维图等，主要框架如下图1.1所示: 各零部件及装配三维图 书本打包机纵向推 书机构的设计 齿轮齿条的设计其它零部件的设计 凸轮的设计 轴的设计与校核参数设计与计算 数据分析及凸轮轮连杆的设计重合度的校核及廓线的绘制 齿轮强度校核 键和电动机的选用 图1.1主要框架图 4 南昌航空大学科技学院学士学位论文 2 推书机构的总体方案分析 2.1工作原理分析 全自动书本打包机是一种集书摞自动搬运、输送、书摞包装纸自动折纸、书摞自动裹包和自动捆扎等多种功能于一体的图书自动打包系统。其工艺流程图如图2.1示: 图2.1工艺流程图 而其中之一的推书机构，是实现图书自动化捆包的重要功能之一，其工作过程可表述为:由主控装置发出电信号指令，经主传动系统传递的运动驱使槽形凸轮转动，凸轮推动摆杆经连杆带动齿轮沿下齿条滚动，且齿轮同时带动上齿条作水平移动，于是上齿条正向推动推书板向前推书，完成正向推书过程。其机构示意图如图2.2所示: 过载保护器齿条A齿轮推书板书摞 摆杆及连杆 槽形凸轮 齿条B 图2.2 推书机构示意图 设计推书机构的要求: (1)推书运动循环:整个机器的运动以主轴回转一周为一个循环周期。因此可以用主轴的转角表示推书机构从动件(推头或滑块)的运动时间。 推书动作占时1/3周期，相当于主轴转120?; 快速退回动作占时小于1/3周期，相当于主轴转角100?; 5 南昌航空大学科技学院学士学位论文 停止不动占时大于1/3周期，相当于主轴转角140?。 每个运动时期纵向推书机构从动件的工艺动作与主轴转角的关系见下表2.1: 表2.1 推书机构运动要求 主轴转角 推书机构执行滑块的工作 主轴转角 推书机构执行滑块的动作 0?~ 80? 推单摞书前进 120?~ 220? 滑块退回 80?~ 120? 推七摞书前进，并折后角 220?~ 360? 滑块停止不动 图2.3 纵向推书机构运动循环图 (2)推书前进和退回时，要求采用等加速、等减速运动规律。 2.2总体方案设计 作为自动化包装机械，书本打包机械主要由送书机构、推书机构、裁纸机构等组成，其中纵向推书机构要求执行构件在工作行程中等速直动并具有急回特性。为了能在较短的周期内设计出性能更好、更符合客户需求的推书机构，本文在对打包机械推书机构的设计中，对纵向推书机构提出如图2.4所示的运动方案。纵向推书机构主要由凸轮连杆机构和齿轮齿条机构组成。该机构要实现间歇推书运动，为确保书摞不倒，要求执行构件工作行程等速运动，快速退回。具体的运动过程为:主轴转动带动凸轮做等角速度转动，摇杆在凸轮作用下作间歇性的往复摆动，连杆带动齿轮齿条机构作间歇性的往复直动。推书滑块固定在移动齿条上随齿条做往复运动实现推书动作，齿轮齿条机构主要是增加推书滑块的行程。纵向推书机构推书行程H=400。图2.4中mm ， h2=600。推书次数为:50?0.1次/分。 hl=l00mmmm 6 南昌航空大学科技学院学士学位论文 图2.4 推书机构运动简图 2.3推书机构的比较和选择: 按照设计要求推书机构只需实现直线往复运动，则拟定了图2.5间歇运动机构、图2.6传动运动机构和图2.7直线运动机构三种机构进行比较分析。 图2.5间歇运动机构 图2.6传动运动机构 图2.7直线运动机构 其中间歇运动机构可由槽轮机构或不完全齿轮、凸轮机构组成;传动运动机构可由圆柱齿轮、圆锥齿轮或蜗轮蜗杆;直线运动机构可由曲柄滑块或凸轮机构组成。 通过表2.1比较如下: 7 南昌航空大学科技学院学士学位论文 表2.1各运动机构比较 纵横推进机构 间歇运动机构 传动运动机构 直线运动机构 槽轮 不完 凸轮 圆柱 圆锥 蜗轮 曲柄 凸轮 机构 全齿轮 机构 齿轮 齿轮 蜗杆 滑块 机构 简单，易运动 运动精确 易实现同不同方向垂直方向加工简单运动精实现，成精确 没冲击 向变 传动 传动 成本低 确，没冲本低 速 和变速 击 运动 冲击，易磨损，加只可同向加工复杂 成本高，占空间，易磨损，不精确 加工复工成本高 传动 角度不易对杆长要加工成本 杂，成变 求高 高 本高 综上，根据设计要求 ，通过三种机构的对比， 选择间歇性运动机构当中的槽形凸轮机构。 2.4本章小结 本章主要对推书机构进行了总体设计，并根据推书机构的要求进行了图表比较选用了较合适的推书机构零部件的组合。 8 南昌航空大学科技学院学士学位论文 3 槽形凸轮的设计与计算 3.1 槽形凸轮设计分析 凸轮机构是由凸轮、从动件和机架组成的，三者作相对运动。凸轮机构具有结构简单紧凑控制准确有效、性能稳定和适应性强等优点，而且与其它机构配合可以实现复杂的运动要求，因此应用非常广泛，特别是在印刷机、纺织机、内燃机以及各种自动机中应用更加普遍。充分利用计算机技术，实现凸轮轮廓曲线的计算机辅助设计，可以提高凸轮轮廓曲线的设计质量与精度，缩短设计周期和提高产品质量。推书机构要求等加速等减速运动，所谓等加速等减速运动，即从动件在一个推程中先作等加速运动, 后作等减速运动，而在回程时先作等加速运动，后作等减速运动。故推书机构中的凸轮机构设计为一偏置槽形凸轮机构。凸轮角速度，逆时针转向，推,,1rad/s1 h,25mm杆最大行程，具体尺寸见附零件图。该机构要实现间歇推书运动，要执行构件(推书滑块)工作行程等速运动，快速退回。 3.2凸轮轮廓线的计算与绘制 对推书机构进行设计时，要求机构的传力性能好，推书滑块匀速推书并快速退回，而推书机构凸轮廓线设计是否合理，对该类机构的正常工作影响很大，所以下面将在对该类机构工作原理和工作要求进行分析的基础上，用解析法分析符合工作要求的凸轮轮廓曲线方程，并绘制凸轮廓线图。 建立如图3.2所示的坐标系xNy. 图3.2 机构安装及轮廓尺寸简图 qr,l，l由封闭向量三角形?NKM得矢量方程式: 41 i,i,re,l，le以复数形式表示: 41 9 南昌航空大学科技学院学士学位论文 欧拉展开得: lsin,,rsin,1 lcos,,rcos,,l14 ,,ltgrsin4,,r,r(),得:所以，凸轮的理论廓线方程为: 削去tg,costg,sin,,,rcos,,l4 其中为凸轮向径，为摇杆摆角，是中间变量，可用如下方法求解。由图3.2所示r, 封闭四边形NABC的封闭矢量方程式: l，l,l，s320 i,i,i,0le，le,l，se以复数形式表示:。其中由机构安装尺寸确定。 ,3200 欧拉展开得:lsin,,ssin,,lsin, 203 lcos,,l，scos,,lcos,2003 222,,A,A，B,C,,,,arctg削去,2得:，其中,,B,C,, 222A,2slsin,,B,2l(l，scos,),C,l,l,(l，scos,)ssin,，，l为相应杆l33002300232 lr(,)0长，由机构安装尺寸确定。联解上式即可求得凸轮轮廓曲线方程。假设机构的 ,h1极位夹角为(可由给定的行程速度变化系数求出)，推书齿轮的工作行程为(即为H,244.4mm,h,2)，取凸轮向径角度和相同的等分数为N，则凸轮向径的转角可表 0180，,,t,,,,011示为:推书齿轮的位移:s,h,0.5，其中 t为其等分数，t,90，,,,,N2N,,,, 0N取值范围为( ,)。 根据凸轮曲线方程及从动件位移方程，绘制出凸轮廓线图如图3.3示: r(,) 10 南昌航空大学科技学院学士学位论文 1- 理论轮廓线; 2- 实际轮廓线 图3.3 凸轮轮廓曲线和运动规律 3.4本章小结 本章重点介绍了凸轮的设计，主要内容包括:槽形凸轮的分析和凸轮相关计算并在AutoCAD上完成凸轮轮廓曲线和凸轮运动规律的绘制,使设计、计算、绘图于一体，非常方便，同时让推书机构实现了间歇推书运动，使得执行构件(推书滑块)工作行程等速运动，快速退回，完成了设计的要求。 11 南昌航空大学科技学院学士学位论文 4 齿轮齿条的设计与计算 4.1 齿轮齿条参数设计 齿轮传动是近代机器中最常见的一种机械传动，是传递机器动力和运动的一种主要形式，是实现旋转运动和直线运动相互转换的一种极佳传动方案。齿轮齿条传动的特点是:齿条齿廓为直线，齿廓上各点具有相同的压力角，且在传动过程中始终保持相同的标准齿形角，和与其它传动相比，具有传递的功率大、速度范围广、效率高、工作可靠、寿命长、结构紧凑、能保证恒定传动比等特点。齿轮齿条在传动的过程中是相当稳定的，所以在相似的技术当中算是比较稳定的一种，齿轮传动是应用最为广泛的一种传动形式。所以根据推书机构的设计要求选用了齿轮齿条传动机构，其中齿轮为圆柱直齿轮，现设计齿轮齿条参数如下表4.1所示: 表4.1齿轮齿条参数 名称 符号 齿数 齿条 ，，，，ZZ12 m2 2 模数 z21 287 齿数 a,,压力角 2020 ,1 1 齿顶高系数 ha ,0.25 0.25 顶隙系数 c 4.2 几何尺寸的计算 d (1) 分度圆直径: d,mz,2，21,42mm11 ha(2) 齿顶高: h,h,h,m,1，2,2mm a1a2a da(3) 齿顶圆直径: ,d,(z，2h)m,(21，2，1)，2,46mm a11a d(4) 齿根圆直径: f 12 南昌航空大学科技学院学士学位论文 ,, d,(z,2h,2c)m,(21,2，1,2，0.25)，2,37mmf11a (5) 基圆直径: db 0d,dcos,,42，cos20,39.47mm b11 4.3重合度的校核 齿轮齿条传动机构具有传动效率高和结构紧凑等优点，齿轮齿条设计中重合度的大小对设计的合理性和传动的平稳性影响较大。所以对打包机纵向推书机构中齿轮齿条的重合度进行校核验算是非常重要的。在安装时要根据上表的设计参数计算出重合度，以校核该齿轮齿条设计能否满足工作要求。 0,,31根据上述的几何尺寸经计算得，绘出的齿轮齿条啮合重合度如图4.1所a1 示: ,，，2hm1a,,,,,， ，，tantanz,,11aa2,cos,sin,,,，， 1212，，，，0021tan31tan20,，,， ，， o0,,,2cos20sin20，， ,1.78 图4.1齿轮齿条啮合简图 计算结果表明，推书机构中齿轮齿条传动的重合度数值为1.78，根据相关资料，认为重合度在1.5,2.0 范围内比较合理。据此判断，推书机构中齿轮齿条机构的设计参数合理，能够满足工作要求。 4.4齿轮的强度校核 13 南昌航空大学科技学院学士学位论文 齿轮齿条传动，不存在高转速、长时间工作条件(要求)，且应力循环次数比齿轮传动小的太多了，所以，就不存在轮齿弯曲疲劳强度、接触疲劳(点蚀等)强度计算问题 。比起直齿轮传动，齿轮齿条传动的重合系数要高，每个齿承受的力相对要小。所以，对齿轮齿条传动进行强度校核，只要通过轮齿受力分析计算，满足轮齿弯曲强度即可。 1.选材:圆柱直齿轮，40Cr，调质处理，硬度300HBS; 2.许用弯应力: ,Fblim1 [],KK,FFCFLSF 2,,600N/mm 查表有: Fblim1 86N,N,3.69，10,N,4，10取，单向传动取，因为， K,1S,2FVHFFc0F ,2Fblim1 所以取，则有: K,1[],KK,300N/mm,FLFFCFL1SF 3验算弯曲应力: TKK21,V,Y, FF2d,mdn1 Kv,1.08其中 (x=0), ， z,20,Y,4.15T,20.473N,md,40mmF11 ,,1,k,1.17,m,2mm d,n [],3002F1 ,,72.23N/mmY4.15F1 Y,2TKKF1V,2,,,62.13N/mm,[,]则 F1F12dm,1dn 所以齿轮弯曲强度符合要求。 4.5本章小结 本章重点介绍了齿轮齿条机构的设计，主要内容包括: (1) 分析设计了齿轮齿条机构的参数; (2) 对齿轮齿条进行了重合度的校核及对齿轮弯曲强度的校核。 14 南昌航空大学科技学院学士学位论文 5 其它零部件的设计与计算 5.1轴的设计与校核 推书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 n=960r/min。齿轮的转速n=n/i=960/2=480r/min;功率P=10KW。凸轮轴的转速01011n=n/i=480r/min;功率P=10KW。因此各轴的转速如下: 2122 齿轮轴:n=480r/min; 1 凸轮轴:n=480r/min; 2 1(确定齿轮轴最小直径 P9550000Tn,,,,[,] 轴的扭转强度条件为: TT3Wd0.2T MPa式中: —扭转切应力，单位; ,T N,mm T—轴所受的扭距，单位; 3 —轴的抗扭截面系数，单位; WmmT r/min n—轴的转速，单位; P —轴传递的功率。单位KW; d —计算截面处轴的直径，单位; mm MPa []—许用扭转切应力，单位; ,T 由上式可得轴的直径: 9550000P9550000PPP3333dA,,,, 00.2,[]n0.2[,]nn,TT 选取轴的材料为45钢，调质处理。A查表取112，P=10KW，n=480r/min 带入0 得: ,轴最小直径的初始值:d19.65。 mm 所以根据要求现设计尺寸为齿轮轴小端直径为20 ，长度为60;大端直mmmm 径为25，长度为200。 用同样方法可确定凸轮轴的尺寸。 mmmm 2(轴的校核 15 南昌航空大学科技学院学士学位论文 ,,1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， 用计算轴的应力: 22MT，(,) ,,caW —轴的计算应力，单位MPa; ,ca M —轴所受的弯距，单位N,mm; T —轴所受的扭距，单位N,mm; 3W —轴的抗弯截面系数，单位。计算公式如下: mm 42[d，(D,d),(D，d)zb],3 W,,495.45mm32D 找出齿轮轴的危险截面，现将计算出的截面处的、及M的值列表如下: MMVH总 表5.1载荷值计算 载 荷 水平面H 垂直面V 支反力F F,302.8N,F,237.5NF,111.53N,F,84.85N NH1NH2NV1NV2 弯矩M M,13542.37N,mm M,29596N,mmVH 22总弯矩 M,29596，13542.37,30045N,mm总 T,8057.9N,mm 扭矩T 画出轴的载荷分析图。如图5.1示: FrFt FNV1FNV2FNH2FNH1 Ca b 16 南昌航空大学科技学院学士学位论文 Ft FNH1MH Fnv1Fnv2Mv M总 图5.1 轴的载荷分析图 上图中 c截面为危险截面。通过计算得: 22M，(T),,,56.93MPa ,caW ,,[,]前已选定轴的材料为45钢，调质处理，查得。因此， ，[,],90MPaca,1,1故安全。 3(飞轮的计算与安装 飞轮是具有适当转动惯量、起贮存和释放动能作用的转动构件。它是安装在机器 回转轴上的具有较大转动惯量的轮状蓄能器，飞轮可以用来减少机械运转过程的速度 波动。所以为了加强推书机构运动的平稳性，要计算飞轮的转动惯量，并确定飞轮安 装在哪根轴上较合适来达到设计要求。 飞轮转动惯量计算如下: 摩擦系数为=0.03，周期为=2s tf v,0.15/t,0.075m/s则包书速度为: k,1.2安全系数为 m,688.98m/s又由上述可算得:平均力矩 P,m,,,k所以总功率: 17 南昌航空大学科技学院学士学位论文 而ω=2π*n/60 主轴转速为:10r/min P,865.36, 所以，飞轮应该装在推书机构凸轮轴上较合理， 并且转动惯量J: J,Nmax/,m,,,1675kg,m 其中，δ?0.25 5.2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: b，h，l,6mm，6mm，8mm 强度校核，按公式计算: 2000T1,P dkL 2查得参数,,100N/mm(许用挤压应力)，k=0.5h=2.5,L=L-b=13 mmFF 键联接传递的转矩为: T,8.058N,m1 键的工作面压强P为: 2000T2000，8.0581P,,,35.42MPa,,,100MPa FFdkL14，2.5，13 综上，键联结强度合格。 5.3连杆的设计 连杆机构的示意图如下图5.3所示: 图5.3连杆机构的示意图 18 南昌航空大学科技学院学士学位论文 B为连杆机构的一般位置，A和C分别为连杆端点的左右极限位置。又因为推书 H,AC,400mm行程为。 aA,x设R为等效曲柄半径，d为连杆长度， 当机构出于拉直共线和重合共线两种位置时，连杆的推程分别取最大值和最小值。 22由几何关系可列出 ( (d，R),R，(H，x) 2R,d,x,d,h/2 R,200mmd,600mm根据关系式可取: 5.4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 下图5.4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。 19 南昌航空大学科技学院学士学位论文 图5.4 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:Y160L-6 额定功率:11KW;满载转速:970r/min。 图5.5电动机 (4)三相异步电动机的三维建模 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。 5.5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) 进行了轴的设计及其校核计算、飞轮的计算与安装和连杆的设计; (2) 根据设计要求选用了键和电动机。 20 南昌航空大学科技学院学士学位论文 6 推书机构的三维建模 6.1 SolidWorks软件简介 SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统， SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今，至2010年已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。2011年9月20日，DS SolidWorks推出SolidWorks2012新品，这也是SolidWorks的CAD软件史上发布的第20 个版本。SolidWorks2012 新增了和完善了200多项功能，可以更好的帮助提高企业创新能力和设计团队的工作效率。在这个版本中增加了大型审阅图和走查等众多功能，其中大型审阅图可以快速打开复杂的大型装配体，节省系统资源。走查功能可以模仿人眼的观察走向，可以更加清晰的看到复杂的构造内部。 SolidWorks软件功能强大，组件繁多。在SolidWorks 中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWork的性能得到极大的提高。SolidWorks可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。同时SolidWorks可以从三维模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注，增强了的详图操作和剖视图，包括生成剖中剖视图、部件的图层支持、熟悉的二维草图功能、以及详图中的属性管理员。SolidWorks功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。在强大的设计功能和易学易用的操作(包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴)协同下，使用SolidWorks，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。 21 南昌航空大学科技学院学士学位论文 6.2主要零部件的三维建模 1槽形凸轮:机械的回转或滑动件 ,它把运动传递给在槽面上自由运动的针杆，或者它从这样的滚轮和针杆中承受力。该机构要实现间歇推书运动，为确保书摞不倒，要求执行构件工作行程等速运动，快速退回。如图6.1所示: 图6.1 槽形凸轮 2摆杆:在推书机构中，连接凸轮与连杆的连接件，如图6.2所示: 图6.2 摆杆 3连杆:连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件，如图6.3所示: 图6.3 连杆 22 南昌航空大学科技学院学士学位论文 4齿轮轴:齿轮轴指支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件，如图6.4所示: 图6.4 齿轮轴 5齿轮:轮缘上有齿能连续啮合传递运动和动力的机械元件，齿轮是能互相啮合的有齿的机械零件，如图6.5所示: 图6.5 齿轮 6齿条:具有一系列等距离分布齿的平板或直杆，如图6.6所示: 图6.6 齿条 6.3装配体的三维建模 本文研究设计的纵向推书机构是由槽形凸轮、摆杆、连杆、齿轮、齿轮轴、齿条和推书挡板等组成，其中槽形凸轮与摆杆连接以实现机构的间歇运动，摆杆与连杆连接传递运动与力，齿轮轴两端同时连接着连杆和齿轮，把力传递给齿轮，让齿轮齿条啮合传动，从而实现推书挡板的运动，其装配体三维图如图6.7所示: 23 南昌航空大学科技学院学士学位论文 图6.7 推书机构装配图 图6.8 推书系统结构图1 24 南昌航空大学科技学院学士学位论文 图6.8 推书系统结构图2 6.4本章小结 本章详细的介绍了SolidWorks设计软件以及用SolidWorks对推书机构各主要零件的三维建模。并对整体机构进行了装配，使我们清晰直观的了解了推书机构的结构和工作原理。 25 南昌航空大学科技学院学士学位论文 全文总结 通过历时近半年的筹备与研发，本文成功的设计出书本打包机纵向推书机构，能很好的满足对书本的推动要求，运行稳定。推书机构作为书本打包机的重要组成部分，它的研制成功，极大的提高了我国书籍包装的自动化和标准化水平，减轻工人劳动强度。本论文是对设计推书机构工作的总结，所作的主要工作包括: (1) 国内企业对于书本打包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机械的研究现状及其发展趋势。 (2) 研究确定书本打包机纵向推书机构的工作流程和系统总体设计方案。 (3) 关键机械部件—凸轮机构的研究分析。阐述了凸轮的工作流程，并绘制出凸轮轮廓图。 (4) 设计齿轮齿条机构，并进行了重合度的计算和齿轮的校核计算。 (5) 其它零部件的设计。完成轴的设计和校核计算，连杆的设计，键的选用及电动机的选用。 书本打包机纵向推书机构是一个实践性很强的设计项目，并具有广泛的应用前景。通过研制书本打包机纵向推书机构，我学习了机、电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。 我们研制的书本打包机虽然已经能较好的完成对书籍打包的功能，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包机相比还有一定的差距。在书籍打包方面，我们需要努力的方向是:缩短打包周期以及打包机的工作稳定及可靠性。 26 南昌航空大学科技学院学士学位论文 参考文献 [1] 陈守强.机械装备导论[M].西安:西安电子科技大学出版社，2008.09. 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