關(guān)于多功能自動(dòng)封箱機(jī)的研究 ①

岳彥辰, 董軼男, 高琪軒, 穆冬雪

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154000)

0 引 言

包裝在現(xiàn)實(shí)生活中運(yùn)用到很多領(lǐng)域，特別是在目前電商盛行時(shí)代，產(chǎn)品的不斷增加給包裝工人提高了難度，所以擁有一個(gè)機(jī)械包裝設(shè)備是很有必要的，不僅簡(jiǎn)單方便還減小了生產(chǎn)成本。

包裝技術(shù)的發(fā)展前景愈加廣闊。近年來(lái),國(guó)家又進(jìn)一步地加大了對(duì)于安全性的監(jiān)管力度,對(duì)于產(chǎn)品制造和加工的關(guān)鍵零部件以及外殼組成的技術(shù)都提出了許多新的要求。一批封箱機(jī)企業(yè)先后投入了大筆的資本去開(kāi)始研究生產(chǎn)封箱機(jī)設(shè)備,并且做了一系列的技術(shù)改革。對(duì)比傳統(tǒng)產(chǎn)品和相類似產(chǎn)品，可以發(fā)現(xiàn)目前存在的諸多不足：如封箱機(jī)自動(dòng)化程度低、價(jià)格整體居高、體積大，占地面積大、封箱品質(zhì)不高等。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)化程度高，體積小價(jià)格實(shí)惠的封箱機(jī)產(chǎn)品現(xiàn)在處于市場(chǎng)空白。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 封箱機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)傳送帶傳送紙箱，通過(guò)壓輪壓緊膠帶與紙箱貼合，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)割斷膠帶，利用彈簧和連桿機(jī)構(gòu)回位。具體方案示意如下：

1.2 設(shè)計(jì)方案的確定

1.2.1 傳送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的確定

選擇連續(xù)性傳遞，方便紙箱的快速連續(xù)封箱。

1.2.2 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的確定

(1)自鎖性能的要求高選用絲桿，用圓盤手搖絲桿，安全便捷，確定選取螺紋大徑30mm，螺距10mm，高度5mm。

(2)為達(dá)到兩邊同時(shí)調(diào)節(jié)寬度，選取絲桿相同的軸雙向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)兩導(dǎo)軌之間的寬度。

1.3 傳送裝置設(shè)計(jì)

選取變速系統(tǒng)連續(xù)傳送，通過(guò)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，到齒輪傳送，到達(dá)平帶傳送來(lái)實(shí)現(xiàn)子項(xiàng)的連續(xù)傳送。如圖5所示：

電動(dòng)機(jī)的選用

A 電機(jī)功率的選擇

電機(jī)的選擇都應(yīng)該選擇適合的組合而不是功率越大越好,都會(huì)直接或間影響涉及到整臺(tái)電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行和使用經(jīng)濟(jì)性。

負(fù)載的平穩(wěn)、轉(zhuǎn)動(dòng)連續(xù)，根據(jù)電機(jī)的額定功率選擇。選擇時(shí)要確保

P0≥Pr

式中:P0為 電動(dòng)機(jī)額定功率，kW；Pr為 工作機(jī)所需電動(dòng)機(jī)功率，kW；所需電動(dòng)機(jī)功率有下式計(jì)算

式中：PW為 工作機(jī)所需有效功率，由工作機(jī)的工藝阻力及運(yùn)行參數(shù)確定；η為電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)的總效率。

圖1 封箱過(guò)程示意圖(1)通過(guò)膠帶滾輪

圖2 封箱過(guò)程示意圖(2)抬起帶膠帶的滾輪同時(shí)抬起后方滾輪

圖3 封箱過(guò)程示意圖(3)到達(dá)壓輪

傳動(dòng)裝置的總效率η，有傳動(dòng)裝置的組成確定。多級(jí)串聯(lián)的傳動(dòng)裝置的總效率為：

η=η1·η2·η3…ηW

B 確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

考慮到包裝速度v≥15箱/min，包裝箱長(zhǎng)度：180mm～550mm，因此輸送帶速度應(yīng)滿足：

紙箱傳送，交代隔斷的時(shí)間因素所以在這個(gè)過(guò)程中要調(diào)高傳送帶的速度，帶速v=0.5m/s。

圖4 封箱機(jī)構(gòu)的改進(jìn)圖

圖5 傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖

本設(shè)計(jì)為紙箱運(yùn)輸。如果箱子的重量M=50kg，網(wǎng)上查找紙質(zhì)材料與帶之間的摩擦系數(shù)0.4-0.5，所以選取0.45.滾筒直徑選100mm.

皮帶的拉力

F=μmg=(0.45×50×9.81)N=220.73 N

圓形滾筒的功率

傳動(dòng)裝置總效率η=η聯(lián).η齒輪.η軸承.η滾筒.η帶

按《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表4.2-9?。?/p>

聯(lián)軸器效率η聯(lián)=0.99

齒輪傳動(dòng)效率η齒輪=0.97

滾動(dòng)軸承效率η軸承=0.98

滾筒效率η滾筒=0.96

帶傳動(dòng)效率η帶=0.95

則傳動(dòng)總效率

η=0.99×0.97×0.98×0.96×0.95=0.81

所需電動(dòng)機(jī)效率

滾筒轉(zhuǎn)速

選擇電機(jī)為Y801—4型號(hào)，額定功率P0=0.55kW，同步轉(zhuǎn)速1500 r/min,滿載轉(zhuǎn)速1390 r/min。

由表4.12-2查得電動(dòng)機(jī)中心高H=80mm，外伸軸段D×E=19mm×40mm

1.4 減速器的選用

根據(jù)前面計(jì)算本設(shè)計(jì)采用減速器傳動(dòng)的功率P=0.14 kW，且傳動(dòng)比為i減=8.73，轉(zhuǎn)速n=1390 r/min，選圓柱齒輪減速器。

選擇減速器的中心距離a=190mm，a1=78mm，a2=110mm。

根據(jù)表9-1-4選取減速器公稱傳動(dòng)比系列i=5.8

根據(jù)表9-2-3 ZLY型減速器低速級(jí)許用輸入功率P1=1.4 kW

根據(jù)表9-2-9 ZLY型減速器外形尺寸設(shè)計(jì)減速器的尺寸。

1.5 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)

V帶傳動(dòng)主要選定了所需的機(jī)械材料和元件為一條 a 型普通專用 v 帶(基準(zhǔn)制為寬度制),其基礎(chǔ)截面的尺寸規(guī)格及其寬度詳細(xì)信息可參閱《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》和附表8-1-4,選擇一條 a 型專用 v 帶,其基本截取面的尺寸大小:節(jié)寬高度=11mm ;寬度大小:頂寬節(jié)b= 14mm ,高度節(jié)寬h= 9mm ,楔角=39°。

(1)V帶的數(shù)據(jù)選擇。

1)確定計(jì)算功率Pc：

已知：P=0.13kW；nm=238.83r/min；

查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表13-8得工況系數(shù)：

Ka=1.2；

則：Pc=KA·P=1.2×0.13kW=0.156kW

2)選取V帶型號(hào)：

根據(jù)Pc,nm查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》圖13-15選用Z型V帶,

3)確定大、小帶輪的基準(zhǔn)直徑dd

(a)初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑：

dd1=50mm；

(b)計(jì)算大帶輪基準(zhǔn)直徑：

dd2=i帶·dd1(1-0.02)=

2.5×50×(1-0.02)=122.5mm；

圓整取dd2=125mm，誤差小于5%，是允許的。

4)確定V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度和傳動(dòng)中心距：

(a)中心距：

0.7(dd1+dd2)

初選中心距a0=200mm

(b)基準(zhǔn)長(zhǎng)度：

對(duì)于Z型帶選用Ld=710mm

(c)實(shí)際中心距：

5)驗(yàn)算主動(dòng)輪上的包角α1：

主動(dòng)輪上的包角合適。

6)計(jì)算V帶的根數(shù)z：

(a)nm=1390r/min，dd1=50mm查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表13-3 得：

P0=0.15kW；

(b)nm=1390r/min，i帶=2.5，查表得：

ΔP0=0.03kW；

(c)由α1=159.92°查表得，包角修正系數(shù)Kα=0.95

(d)由Ld=710mm，與V帶型號(hào)Z型查表得：KL=0.99

綜上數(shù)據(jù)，得

取z=1<10合適。

8)V帶傳動(dòng)的主要參數(shù)如下：

帶型Z，帶輪基準(zhǔn)直徑d1=50mm，d2=125mm，傳動(dòng)比為2.5，基準(zhǔn)長(zhǎng)度710mm，中心距214mm。

(2)研究帶輪的結(jié)構(gòu)

1)材料的選擇：

采用鑄鐵式帶輪

2)選擇帶輪的機(jī)構(gòu)：

V型帶輪的直徑大小與帶輪的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。小型電動(dòng)機(jī)的帶輪，da1=50mm較小，所以采用實(shí)心式結(jié)構(gòu)帶輪。

1.6 主軸部分的設(shè)計(jì)

1.6.1 軸材料的選擇

應(yīng)為在本次的封箱設(shè)計(jì)中軸的負(fù)載比較小，在保證充足的動(dòng)力下不會(huì)有誤差軸的材料可以選擇45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理。

1.6.2 各軸段直徑和長(zhǎng)度的確定

(1)初步確定主軸的最小直徑

由于彎矩較小，載荷平穩(wěn)，無(wú)軸向載荷，所以[τy]取較大值，τy=30MPa，A0取較小值,A0=112mm2，則軸的最小許用直徑為：

軸上鍵槽對(duì)軸有削弱作用，所以本次設(shè)計(jì)選取最小主軸直徑dmin=16mm。

(2)軸上各段長(zhǎng)度和直徑的初步確定

根據(jù)總體分析取主軸總長(zhǎng)l=300mm，根據(jù)設(shè)計(jì)要求軸的在不同運(yùn)輸過(guò)程中的作用，選擇不同段的尺寸。

軸上1段安裝帶輪，初定尺寸：l1×d1=20×16mm；軸上2段安裝深溝球軸承，初定尺寸：l2×d2=12×20mm，軸上3段安裝滾筒，初定尺寸：l3×d3=600×25mm，軸上4段安裝深溝球軸承，初定尺寸：l4×d4=12×20mm。

(3)確定軸的配件與軸承

根據(jù)主軸初步尺寸選擇配件。由于不承受軸向力，故選用深溝球軸承,選擇代號(hào)6204(GB/T276-1994)安裝在2和4兩段軸上，其基本尺寸：d×D×B=20×47×12mm，ysmin=0.6mm，安裝尺寸：

damin=25mm，Damax=37mm，Yamax=0.6mm。

(4)精確確定各軸段的尺寸

軸1段：

l1×d1=20×16mm

軸2段：

l2×d2=12×20mm

軸3段：

l3×d3=600×25mm

軸4段：

l4×d4=12×20mm

1.7 滾筒的設(shè)計(jì)

滾筒的是根據(jù)起于工作臺(tái)的連接還有其在工作時(shí)的作用，設(shè)計(jì)圓形滾筒使其承載能力加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)也非常簡(jiǎn)單，并且還可以節(jié)省更大的空間，如圖6所示。

圖6 滾 筒

1.8 封箱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

工作臺(tái)高度的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

為了適應(yīng)工作的高度，工作臺(tái)設(shè)計(jì)為可調(diào)高度形式，在工作臺(tái)的4更支撐柱下面開(kāi)4個(gè)矩形落空，通過(guò)螺栓來(lái)調(diào)節(jié)工作臺(tái)的高度，可調(diào)節(jié)的高度在200mm以內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，降低成本。

圖7 機(jī)架部件

2 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上內(nèi)容的研究與討論，可以總結(jié)出該項(xiàng)設(shè)備具有以下幾點(diǎn)作用：

1)較多采用鋼絲繩傳動(dòng)，提升機(jī)械傳遞效率，價(jià)格低廉，質(zhì)量輕，節(jié)省空間；鋼絲繩上的彈簧既可以提供張緊力，還起到了過(guò)載保護(hù)的作用。

2)折邊機(jī)構(gòu)采用四個(gè)空間凸輪同步旋轉(zhuǎn)，異步折邊，僅需一個(gè)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)單側(cè)折邊，穩(wěn)定高效；同時(shí)凸輪還起到支撐紙箱的作用，結(jié)構(gòu)精巧，體積極小。

3)封膠機(jī)構(gòu)依靠單自由度機(jī)構(gòu)受力后的獨(dú)特運(yùn)動(dòng)完成封膠，重復(fù)性好，可靠度高，節(jié)省動(dòng)力，相比傳統(tǒng)的采用四連桿的封膠機(jī)構(gòu)體積更小巧。

4)廣泛采用3d打印等先進(jìn)技術(shù)，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，更加體現(xiàn)其先進(jìn)性。

5)本產(chǎn)品體積小巧，功能全面，成本低，耗電少，噪音小，極適合初期創(chuàng)業(yè)人員打包使用。