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青島農業(yè)大學 畢 業(yè) 論 文（設計） 題 目： 紙盒成型機設計 姓 名： 學 院： 機電工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 2008.02 學 號： 20082508 指導教師： 2012 年 06 月 18 日 目 錄 摘 要……………………………………………………………………………………………Ⅰ Abstract…………………………………………………………………………………….……Ⅱ 1 緒 論………………………………………………………………………………………......1 1.1 各種包裝紙盒及其分類………………………………………………………………….1 1.2 紙盒成型機設計的目的和意義……………………………………………………….…3 1.3 紙盒成型機國內外研究現狀…………………………………………………………….3 2 設計主要研究的內容……………………………………………………………………..……7 3 紙盒成型機總體方案的確定…………………………………………………………...…...…8 4 成型機各部件設計…………………………………………………………………………..…9 4.1 凸輪連桿機構的設計………………………………………………………….…...….…9 4.2 縱向和橫向彎折板的設 計………………………………………………………………12 4.3 側壁紙舌彎折及涂膠機構的設 計………………………………………………………13 5 紙盒成型機相關參數的確 定……………………………………………………………….…14 5.1 彈簧的設 計………………………………………………………………………………14 5.2 帶輪的設 計………………………………………………………………………………17 5.3 軸的設計與強度校 核……………………………………………………………………18 5.4 錐齒輪的設計計 算………………………………………………………………………21 5.5 電動機的選 擇……………………………………………………………………………23 5.6 機體結構設 計……………………………………………………………………………23 6 結 論…………………………………………………………………………………………….25 6.1 結 論……………………………………………………………..……………..…………25 6.2 設計中的不 足……………………………………………………………………………25 參考文 獻……………………………………………………………………………………...…26 致 謝…………………………………………………………………………………………...…27 I 紙盒成型機設計 摘 要 本文設計的粘貼式天地蓋紙盒成型機，將已經經過剪裁和壓痕的紙板進行一次性紙盒沖壓成型。 由于生產的紙盒尺寸可變，工作之前需要預先通過轉動具有雙向螺紋的長螺柱來調節(jié)縱向和橫向彎板 間的距離，一次紙盒成型過程分為幾個時間階段，主要是通過已設計好的不規(guī)則輪廓的大小凸輪以及 成對的帶輪和錐齒輪完成時間上的控制。紙板輸送定位后，紙板隨上可換沖頭運動，先彎折帶有紙舌 兩側的紙板，然后進行紙舌彎折涂膠，最后進行另外兩側紙板的彎折同時與經過表面涂膠的紙舌粘貼， 成型完成后紙盒隨下可換沖壓頭在彈簧作用力下返回至成型初始位置，在進行下一張紙板輸送的同時 完成出料過程，通過協(xié)調各部分之間的運動時間關系完成在各個機構運動周期內的一次紙盒成型。 該機型為全機械設計，具有整體尺寸小、機能可靠、生產周期短、并能方便調節(jié)產品尺寸進行產 品調整作業(yè)等優(yōu)點，可以接入生產線流水作業(yè)，也能夠進行單件少批量的生產，因此它對實際的生產 具有很多現實意義。 關鍵詞：紙盒成型機；紙板彎折；凸輪連桿機構；齒輪齒條；圓錐齒輪 II Design of Carton Forming Machine Abstract In this paper the bonded paste covered carton former is designed through a disposable press forming of a clipped and creased cardboard. Due to the variable size of the production of the carton, time control should be achieved by turning the irregularly big and small cam which has a two- way screw and pairs of pulleys as well as bevel gears before the work begins. After the cardboard conveying is positioned, punch sport is brought on it, and first the cardboard with tongue paper on two sides is bended, then the tongue paper is folded and glued, finally the cardboard on the other two sides is folded, meanwhile stuck to the tongue paper glued on the surfa- ce. After formed, the carton will return to the initial position under the spring force of the punch. The ejection of compact process is finished while the following cardboard is being conveyed. A long double- screw bolt lined in a carton in the motion cycle of each institute is used to adjust the distance between the verti cal and horizontal bending cardboard through the coordination of the relationship between motion and time in different parts. A carton former process is divided into several time stages, mainly through the already designed type. This type is a completely mechanical design, having many advangtages such as small size, reliable funct- ion, and short production cycle as well as adjusting the product size conveniently for the operation adjustment. What’s more, it can not only join in the production line for line process, it can also undertake a small amount of production for a single kind. Therefore it has a lot of practical significance to the actual production. Key words: Carton former; bending cardboard; cam link mechanism; gear rack;bevel gear 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 1 緒 論 1.1 各種包裝紙盒及其分類 紙盒屬于紙包裝的一種，是紙板經過折疊、糊制等方法組合成型的紙制包裝容器， 材料多為薄紙板。由于其強度所限，紙盒的容積一般不能過大，且多應用于中小商品的 外包裝，如藥盒、煙盒、化妝品及日用品包裝等。用作包裝的紙盒具有印刷精美、結構 靈活等特點，并且能夠對所包裝的產品帶來無形的額外附加價值，因此被廣泛用于銷售 包裝。紙材料又是一種可回收、可降解、不對環(huán)境造成污染的“綠色材料” ，因此，紙盒 包裝具有廣泛的用途，目前被廣泛應用于各類包裝 [1]。 圖 1-1 各種包裝紙盒 紙盒具有不同的結構和種類，按照紙盒加工的工藝過程分為兩類：折疊紙盒與粘貼 紙盒 [2]。 （1） 折疊紙盒 屬于機制類紙盒，是紙盒中具有最多結構變化、最廣范應用范圍的一種用于銷售用 的包裝容器。它由厚度為 0.3～1.1mm 的具有良好的彎曲強度和耐折性能的各類紙板制成。 由于成型后的紙盒可以折疊，因此在裝入商品前可以可以折疊成平板放置，方便儲存運 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 輸，適合進行大批量的機械化包裝和生產，生產成本低，使用效率高。另外，紙盒表面 還可以進行精美圖案印刷，適用于包裝展示 [3]。 折疊紙盒從成型特性及制造技術上可以分為盤式折疊紙盒、管式折疊紙盒和非盤非 管式折疊紙盒。盤式折疊紙盒主要應用于包裝食品、禮品等；管式折疊紙盒主要用于糖 果、藥品、日化文教用品等包裝；非管非盤式折疊紙盒是指包括一些帶有特殊結構的紙 盒，如展示結構、組合結構、間壁結構、提手等異型盒 [4]。 （2）粘貼紙盒 粘貼紙盒是用粘貼材料將紙板粘合成型，又叫固定紙盒。主要分類有糖盤蓋、天地 蓋式、抽屜式和異型盒等。其特點是粘貼成型后不能拆開展平，只能以成型后的固定盒 型進行倉儲和運輸，運輸和儲存會占用較大空間，而且目前國內外粘貼紙盒的生產多為 手工半機械生產，成型機械少，生產效率低，應用范圍不及折疊紙盒廣泛。優(yōu)點是粘貼 的紙盒使用強度高，不容易變形，較折疊紙盒更易進行紙盒表面的精美印刷等。紙盒形 狀和材料需要根據實際情況選擇，具有較大的設計范圍，但大多適用于小批量的生產 [5]。 所用紙板主要是具有高挺度的不耐折紙板，如各種剛性紙板和草紙板等。貼面材料 常選用印刷紙、彩色紙、蠟光紙、仿革紙或者絹布等材料等 [6]，可以在其表面進行圖案印 刷、燙金等表面處理。內襯常選用白紙，也可以是海綿、塑料等材料。盒角可采用膠帶 貼合、膠水粘合、金屬釘合等多種方式進行固定。 粘貼紙盒與折疊紙盒各具有不同用途。折疊紙盒在銷售包裝中應用范圍最廣，適用 于藥品、化妝品、煙酒副食類等生活用品的包裝；粘貼紙盒成型后不能被折疊，具有比 折疊紙盒有更高的強度，盒的外部更易制造高雅造型，做工考究，常用來包裝比較貴重 的物品，如首飾、工藝品等。 1.2 紙盒成型機設計的目的和意義 據統(tǒng)計，每年用于包裝的紙板消費量占總產量的 10％左右 [7]。在歐洲各國，有 40％的 包裝用量中是紙盒包裝，塑料包裝占 45％，可以預測，紙盒包裝將在未來包裝行業(yè)中具 有更加重要的地位 [8]。 隨著人們審美水平的提高，人們對產品的包裝要求也逐漸提高。一個造型美觀、表 面色彩豐富的紙盒包裝往往更能吸引消費者。紙盒包裝從過去的以運輸功能為主逐步發(fā) 展成為現在的銷售包裝功能，例如煙酒類、禮品類、食品飲料類等包裝盒。根據不同產 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 品的特點和要求，采用適宜的材料、合理的結構、合適的尺寸、美觀的造型，實現保護 產品、美化產品、方便用戶、擴大銷售的目的，使紙盒包裝的生命力越來越旺盛。 紙盒成型機械能夠很大幅提高紙盒生產效率，減少產品的生產成本，降低生產勞動 強度，是實現紙盒生產自動化、機械化的保證。用紙盒成型機批量生產的紙盒有利于保 證被包裝產品的干凈衛(wèi)生，提高產品外在包裝價值，增強產品的銷售競爭力。同時因為 各類包裝機械具有相對較好的生產環(huán)境，生產效率高、生產成本低、并且能夠保證包裝 產品質量，因而能夠在市場獲得較強的競爭力，獲得很高的經濟和社會效益 [9]。 目前，由于受傳統(tǒng)的設計工藝和落后生產方法的制約，紙盒的生產水平特別是粘貼 紙盒的生產水平一直偏低，無法適應多品種、自動化包裝生產的要求。粘貼紙盒較折疊 紙盒應用范圍不是很廣，同時由于國內大多數粘貼紙盒生產企業(yè)的粘貼紙盒生產還是大 部分采用手工粘貼，現有國內粘貼紙盒成型機存在自動化生產程度不高或者生產線較長 等問題，不利于提高勞動生產率，因此對粘貼式紙盒成型機進行設計研究以及改進，尋 求粘貼紙盒最佳生產方案，是非常有意義的，也是十分必要的課題。 1.3 紙盒成型機國內外研究現狀 到目前為止，紙盒紙箱生產的現狀為——較大規(guī)模的紙盒紙箱生產能力有很大提高， 用于生產中低檔紙盒紙箱的加工設備數量明顯過多，但是由此生產的自動化程度高的產 品則相對很少。九十年代期間國內引進各種加工成型機械多達 800 臺 [10]，國內生產的設備 數量也已經超過 2000 臺，其中以中低檔的加工設備為主 [11]。而與此相應的國產紙箱紙盒 包裝機械的生產能力也呈現迅猛增長的趨勢。 國內生產的粘貼紙盒成型機械 ZH1000 高速粘盒機有很強的通用性，應用范圍十分廣 泛， 。此高速粘盒機設有自動輸紙機構，四角貼合定位機構，面膠、底膠裝置，前中后調 整裝置等。在附件的配備下此種高速粘合機具備幾種功能：一般邊貼、兩側邊貼、四角 貼及底貼（僅外部折疊） [12]。糊盒過程為：將已壓痕的紙板自動輸入、上膠、折疊、粘合、 計數，壓平和收集。自動輸紙機構的作用是將單張紙板連續(xù)的輸入傳送機構，輸紙速度 可調。單張紙板的控制主要依靠調節(jié)擋紙板的高度，使擋板下沿與輸紙皮帶之間僅能通 過一張紙板。折疊裝置用于紙板的折疊，主要通過螺旋軌道、劍狀軌、圓錐滾輪和其他 滾輪來完成。后傳送機構的作用是為了加快出盒速度，以便使各紙盒間呈魚鱗狀疊合。 出盒傳送機構由上下傳送帶組成，其作用是將已成型的紙盒，在上下傳送帶之間的壓力 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 作用下運行一段距離以保證紙盒的質量。 目前國內比較先進的粘貼式紙盒成型機械是浙江中科包裝機械有限公司生產的 ZK660-A 智能全自動天地蓋紙盒成型機，外觀結構如圖 1-2。 圖 1-2 ZK660-A 智能全自動天地蓋紙盒成型機 此種紙盒成型機采用觸屏面板、程序控制、電子跟蹤系統(tǒng)，上膠、送紙、帖四角、 進盒、包紙、折耳等成型動作一次性自動完成，生產效率與傳統(tǒng)手工制作相比有很大提 高 [13]。 其工藝流程如圖 1-3 及紙盒成型過程如圖 1-4。 圖 1-3 ZK660-A 智能全自動天地蓋紙盒成型機工藝流程 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 5 圖 1-4 粘貼紙盒成型過程 ZK660-A 型全自動天地蓋紙盒成型機主要優(yōu)點為成型粘合速度快，成型質量穩(wěn)定。 操作簡單方便，少量工人可快速生產。但同時存在整個設備結構尺寸較大，生產線較長， 采用電器和液壓等控制，安裝調試復雜，僅適用大批量生產，生產不夠方便靈活等不足。 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 6 2 設計主要研究的內容 針對 ZK660-A 智能全自動天地蓋紙盒成型機存在的不足以及其他大多數紙盒成型機 械的最后成型環(huán)節(jié)大多采用手工生產，生產成本較高、質量不穩(wěn)等問題，本課題擬設計 一種方便實用的小型粘貼式天地蓋紙盒成型機，用于簡單紙盒的成型加工。能夠方便調 節(jié)紙盒成型機內部結構尺寸，生產不同規(guī)格尺寸的紙盒，并且生產周期較短，外觀整體 結構小，可以進行單件少量的生產，也可以接入生產線進行流水作業(yè)。 紙盒成型最小尺寸為 100mm 100mm 30mm，最大尺寸為 200mm 300mm 30mm。?? 紙盒尺寸如圖 2-1。 圖 2-1 粘貼紙盒成型最小及最大尺寸（單位： mm） 紙盒成型過程為：先彎折帶有紙舌兩側的紙板，然后進行紙舌的彎折以及紙舌表面 的涂膠，最后進行另外兩側紙板的彎折同時與表面已涂膠的紙舌粘合，成型過程如圖 2- 2。 圖 2-2 粘貼式紙盒成型過程 數據、資料、技術方面的要求：所設紙盒成型機能可靠、安全地進行成型作業(yè)，并 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 7 能方便調節(jié)產品尺寸進行產品調整作業(yè)。 3 紙盒成型機總體方案的確定 粘貼式紙盒成型機主要包括紙盒側壁彎折裝置、紙舌彎折裝置、尺寸調整裝置、凸 輪連桿機構、帶輪、錐齒輪、和電機等組成。 電動機輸出軸直接或者通過減速器減速后將動力傳送到同時安裝有帶輪和凸輪的傳 動軸上，帶輪分布在大凸輪兩側，通過皮帶分別連接到下方左右對稱的兩個帶輪上，帶 輪和與其成 90°的小凸輪通過一對錐齒輪嚙合傳遞動力。整個紙盒成型機的工作過程類似 于一個沖壓過程。上沖壓頭通過具有特定輪廓形狀的大凸轉動在豎直方向按一定規(guī)律往 返運動，大凸輪轉動一周為一個紙盒生產周期。左右兩側紙舌彎折板通過兩側小凸輪轉 動實現左右移動，實現紙舌的彎折與涂膠。紙盒成型過程為：紙板上表面在上沖頭的帶 動下向下運動，先經過縱向方向的一對彎折板，帶有紙舌的兩側紙板被彎折，紙板停留 0.5s，此時下端帶有涂膠裝置的紙舌彎折板在小凸輪帶動下在水平方向運動到最大位移處 實現四個紙舌的彎折，上沖頭帶動半成型紙盒繼續(xù)向下運動，到豎直方向最大位移時， 紙舌表面經過涂膠裝置被涂膠同時完成另外兩側紙板的彎折并與表面涂膠紙舌的粘合。 下沖頭由彈簧與機架連接，橫向和縱向彎折板由橫向和縱向雙向螺紋調整桿進行板間距 離調整以適應不同尺寸規(guī)格的紙盒生產。主要結構如圖 3-1。 圖 3-1 粘貼式紙盒成型機機體主要運動部分組成 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 8 1 大凸輪 2 帶輪 3 電動機主軸 4 連桿 5 上沖頭 6 下沖頭 7 小凸輪 8 錐齒輪 9 橫向彎折板 10 雙向螺紋 調整桿 11 三角鐵 12 縱向彎折板 13 帶輪 14 紙舌彎板 15 齒輪齒條 16 彈簧 17 張緊輪 18 皮帶 4 成型機各部件設計 4.1 凸輪連桿機構的設計 大凸輪兩側各有一個皮帶輪，共用一個中心軸連接到電動機主軸上，大凸輪轉動一周 帶動連桿以及上沖壓頭豎直方向的來回移動完成一次沖壓行程，兩側的皮帶輪通過皮帶 將動力傳送到紙舌彎折機構，結構如圖 4-1 所示。 圖 4-1 大凸輪輪廓形狀 大凸輪的結構設計是整個成型機的關鍵部分，整個沖壓過程分為兩個階段，第一階 段首先實現帶有紙舌兩側紙板的彎折，沖壓頭運動到某一位置之后停留一段時間，等到 紙舌彎折板完全伸出實現紙舌彎折，然后繼續(xù)第二行程實現另外兩側紙板彎折。 由于生產的紙盒尺寸可變，因此在生產不同尺寸規(guī)格的紙盒時需要調節(jié)成型相關成 型機構的尺寸，縱向和橫向兩對彎折板間尺寸均通過帶有雙向螺紋的縱橫向調整桿調節(jié)， 縱向彎折板與紙舌彎折機構固連在一起，當縱向彎折板間距離變化時會帶動紙舌彎折機 構中帶輪間距的相應變化，因此在皮帶長度不變而上下兩帶輪間的距離變化的情況下， 皮帶需要通過一對張緊輪張緊以保證調整尺寸后紙盒成型機能夠繼續(xù)工作，張緊輪安裝 在焊接在機體的導向柱上，緊固螺釘放松時可以沿導向柱方向來回移動，上沖頭除了連 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 9 接有四個拉伸彈簧外，還有通過四個導向柱通到紙盒成型機上方機體的導向套內，以保 證連桿和沖頭在上下運動工程中的穩(wěn)定性。 圖 3-2 為設計的大凸輪輪廓，工作前連桿與大凸輪在初始位置 A 處接觸，電動機啟 動后，A-B 為圓弧，沖頭在豎直方向沒有位移，這段時間實現紙板的送料， B-C 段沖頭向 下運動到第一沖壓行程結束，實現帶有紙舌兩側紙板的彎折，C-D 為沖頭停留時間，在該 時間內帶有涂膠裝置的左右兩側紙舌彎板伸出對紙舌進行彎折，D-E 段紙舌彎板不動，沖 頭繼續(xù)向下運動，運動到對應大凸輪上的 E 點時，涂膠完成后的紙舌彎板不再與紙板接 觸，開始做收回運動，D-F 段沖頭向下運動，該過程實現另外兩側紙板的彎折并且與涂完 膠的紙舌粘貼結合，在經過凸輪上 F 處后，沖頭開始由最低位置向上運動，為使回收的 彎板不與向上運動的沖頭發(fā)生干涉，確定 E-G 為其對應運動時間，在 G 處，紙舌彎板完 全收回，而上沖頭恰好運動到紙舌彎板完全伸出時的下邊緣位置，避免發(fā)生干涉，此后 沖頭在 G-A 段內運動到初始位置，完成一次紙盒成型過程，A-B 段在下一張紙板輸送的 同時完成對已成型紙盒的出料。 在大凸輪運動過程中，有 A-B,C-D 兩段圓弧，對應沖頭停留過程，大凸輪輪廓的設 計需要與紙舌彎折機構上的小凸輪輪廓在時間上有確定的對應關系。 具體設計計算過程： A-B 為紙板輸送（紙盒送出）時間，初選∠AOB=40°，BC 為沖頭第一沖壓過程，位 移 8cm,根據經驗設定其運動速度為 16cm/s，用時 0.5s。為實現其勻速運動，根據《機械 原理》盤型凸輪輪廓曲線的設計的幾何法繪制出 B-C 間輪廓曲線。規(guī)定沖頭在第一停留 位置 C-D 段停留時間為 0.5s,第一次停留結束到運動至最低點 D-F 段時間為 0.4s。由于大 凸輪作勻速轉動，轉動角度與所需時間成正比，所以由 ， H-B 段對應時間1.4206t? =0.175s。凸輪轉動周期 T=（0.175+0.5+0.5+0.4 ） =3.15s,同理可求出相關角度1t ? ∠BOC= ∠AOB=57°,∠DOF=40° 。E-G 段為左右兩側彎折板收回時間，設定其收回時間為 0.35s，對應角度∠EOG=40°，半徑為 11cm 的圓弧與角度為 40°的兩條射線圍成的扇形繞 O 點轉動到合適位置后，繪制由 D-A 間的平滑圓弧。 因為大凸輪轉動一周必須完成一次成型，所以通過皮帶和錐齒輪傳動后的小凸輪運 動周期與大凸輪必須相同，小凸輪設計如圖 4-2 所示，在時間對應關系上 ，1ABCDt? ， 。計算角度 =57°， =34°, =40°。 ,1BCDEt?1CEGt 1AOB?1CO?1? 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 10 根據勻速運動規(guī)律繪制兩端輪廓曲線。1CD? 圖 4-2 小凸輪輪廓形狀 （1）大凸輪滾子半徑的確定 在凸輪連桿機構中，滾子半徑對凸輪實際輪廓曲線的形狀有很大影響，凸輪滾子半 徑如果選擇必須恰當，才能準確實現所預期的運動規(guī)律。 根據程友聯主編《機械原理》P145 圖 4-28 所示，凸輪的理論輪廓曲線曲率半徑、實 際輪廓曲線曲率半徑與滾子半徑有下列關系： 當凸輪輪廓曲線內凹時，實際輪廓曲線曲率半徑=理論輪廓曲線曲率半徑+滾子半徑， 這時實際輪廓曲線曲率半徑總是大于理論輪廓曲線曲率半徑。此時實際輪廓線不受所選 用的滾子半徑的影響可根據理論輪廓曲線直接作出； 當凸輪輪廓線外凸時，實際輪廓曲線曲率半徑=理論輪廓曲線曲率半徑-滾子半徑，根 據滾子半徑和凸輪的理論輪廓曲線曲率半徑的大小關系可能會運動失真和材料磨損的情 況 [14]。 因此為避免運動失真，減小應力集中和磨損，設計時應保證實際輪廓線的最小曲率 半徑大于滾子半徑，取滾子半徑=15mm。 綜合考慮以上情況，根據已繪制的大凸輪輪廓曲線確定滾子半徑為 30mm。 （2） 大小凸輪軸孔半徑的確定 因為大凸輪傳遞的轉矩比較大，所以大凸輪與軸采用凸輪與軸鍵聯接的安裝方式， 根據吳宗澤《機械設計手冊》P340 表 5-47 凸輪與軸安裝結構：滾子半徑 理論輪廓半徑? 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 11 +滾子半徑+ （ 2～5）mm ，確定大凸輪軸孔半徑為 15mm； 根據理論輪廓半徑 凸輪輪轂半徑+滾子半徑+ （2～5）mm，確定凸輪輪轂半徑為? 35mm。 小凸輪傳遞的力矩相對較小，由滾子半徑 理論輪廓半徑+滾子半徑+（2～5）mm [15]，? 確定小凸輪軸孔半徑為 7.5mm。 （3）小凸輪平底寬度的確定 設計平底從動件凸輪機構，要保證從動件的平底與凸輪輪廓線始終接觸，這就需要 平底的寬度足夠大，否則會引起運動失真現象。從動件平底與凸輪的接觸點并不總是在 從動件移動的導路中心線上，而接觸點同導路中心線與平底的交點的距離和方位隨機構 的運動不斷變化。因此為保證從動件平底與凸輪的正常接觸，平底左右兩側的最小寬度 應大于接觸點和交點之間的最大距離。當交點位于接觸點右側時，這一最大距離為 ；當交點位于接觸點左側時，這一最大距離為 ；平底寬度 b 滿足：b﹥maxds??????? minds??????? 一般取 b=2 +(5～7)mm [16]。axmaxds??????? 由此根據已繪制的小凸輪輪廓曲線確定平底寬度為 60mm。 4.2 縱向和橫向彎折板的設計 圖 4-3 縱向和橫向彎折板設計 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 12 成型架部分尺寸如圖 4-3 所示，其中縱向彎折板和橫向彎折板均由厚度為 2mm 的 Q195 鋼板彎折而成，縱向彎折板下端 30mm 處為間距為 10mm 的鐵絲柵格，縱橫向彎折 板間不固結，有一段很小的間隙避免摩擦，縱向和橫向彎折板均通過焊接角鐵、螺母連 接到空間垂直交錯的兩根帶有雙向螺紋的調整桿上，調整桿一端伸出箱體外殼安裝轉輪 實現調整桿的轉動以帶動彎折板相對或相向移動來調節(jié)板間尺寸。連接彎折板與縱橫向 調整桿的角鐵通過導軌安裝到箱體內壁的導軌槽內，實現整個結構在箱體內的定位。 4.3 側壁紙舌彎折及涂膠機構的設計 圖 4-4 側壁紙舌彎折及涂膠機構 1.皮帶 2.帶輪 3.錐齒輪 4.小凸輪 5.拉伸彈簧 6.齒輪 7.齒條 8.紙舌彎板 9.連桿 如圖 4-4 所示為紙舌彎折機構的結構設計，豎直方向錐齒輪與帶輪同軸，在皮帶輪的 帶動下與水平方向的錐齒輪嚙合，使與其同軸的小帶輪做勻速圓周運動，小凸輪具有一 定的實際輪廓，因而能夠使右側與其接觸的連桿在水平方向在一個運動周期內按一定規(guī) 律來回移動，8 為一對紙舌彎板，分別固連在與齒輪 6 嚙合的兩個齒條上，可以通過齒輪 的轉動調整板間距離以適合不同尺寸紙盒的生產。當凸輪帶動連桿運動到最大位移過程 中，兩個紙舌彎板實現對紙舌的彎折，隨后彎板將會在水平方向最大位移處停留 0.5s，在 這段停留時間內上沖頭和彎折的紙板繼續(xù)向下運動，彎折板 8 最下端安裝涂膠裝置，在 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 13 彎折后的紙舌最上端運動到紙舌彎板的最下端過程中紙舌表面被均勻的涂上膠水。此后 紙舌彎板開始往回運動，上沖頭帶動紙板運動經過橫向彎折板，實現另外兩側紙板的彎 折和與紙舌的粘貼。 整個結構通過角鐵固定在縱向彎折板上，下方通過角鐵固定在箱體內的短導軌上。 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 14 5 紙盒成型機相關參數的確定 5.1 彈簧的設計 在本次設計中主要用到圓柱螺旋拉伸彈簧和壓縮彈簧。 5.11 圓柱螺旋拉伸彈簧 （1）與大凸輪相連的滾子連桿一端連接在上沖頭上，另一端與大凸輪外緣接觸。上沖頭 通過對稱的四根彈簧連接在機體上，在每個彈簧旁邊各有一個導向桿連在大凸輪機體外 殼的導向套內保證連桿運動過程中的穩(wěn)定性。 每個彈簧最大拉伸量為 12mm，彈簧最初受力 N，每個彈簧所受最大拉力為01.5F? 3N。根據成大先《機械設計手冊.彈簧》第五版 P38 設計彈簧尺寸 [17]： 最大拉力 =5N；nP 最小拉力 =2.5 N；1 工作行程 h=120mm； 彈簧外徑 18mm；2D? 載荷作用次數 N< 次；310 彈簧材料 碳素彈簧鋼絲 C 級； 端部結構 圓鉤環(huán)壓中心； 初算彈簧剛度 =( )/h= =0.0208mm； （5-'P1-n52.0 1） 工作極限載荷 = =6.25N； （5-jn?8. 2） 材料直徑 d 及彈簧中徑 D 查表 11-2-19，選取 d=0.5mm，D=7mm， =7.00N， =3.888mm， =1.80N/mm， =0N；jPjf'dP0P 有效圈數 n= =86.5，取 n=86 圈； （5-?'d028.1 3） 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 15 彈簧剛度 = =0.02093N/mm； （5-'P?nd'860.1 4） 最小載荷下的變形量 = = =119.4mm； （5-1F-'o2.5093? 5） 最大載荷下的變形量 = = =238.9mm； （5-n'-P.2 6） 極限載荷下的變形量 = n 0.8=3.888 86 0.8=267.49mm； （5-jFf?? 7） 彈簧外徑 =D+d=7+0.5=7.5mm；2D 彈簧內徑 =D-d=7-0.5=6.5mm；1 自由長度 =(n+1.5)d+2D=(86+1.5)d+2 7=57.75mm； （5-0H? 8） 最小載荷下的長度 = + =57.75+119.4=177.1mm； （5-101F 1） 最大載荷下的長度 = + =57.75+238.9=296.6mm； （5-nH02 9） 工作極限載荷下的長度 = + =57.75+267.49=325.2mm； （5-j0jF 10） 展開長度 L=πDn+2πd=3.14 7 86+2 3.14 7=1934.24mm； （5-?? 11） 實際極限變形量 + =240.38+ =240.38 (2.5)N；j?nP 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 16 圖 5-1 拉伸彈簧 （2）小凸輪連桿上的拉伸彈簧尺寸的設計： 最大拉力 1N，最小拉力 0N，工作行程 10mm，其他設計計算過程同上，具體設計尺 寸要求見圖紙。 5.12 圓柱螺旋壓縮彈簧 下沖頭通過圓柱螺旋壓縮彈簧連接在機架上，彈簧直徑稍大保證在沖壓過程中下沖頭 基本在豎直方向。 最小工作載荷 =1.5N；1P 最大工作載荷 =4.5N；n 工作行程 h=80mm； 彈簧外徑 45mm；2D? 彈簧類別 N= - 次； 3106 彈簧材料 碳素彈簧鋼絲 C 級； 端部結構 端部并緊、磨平、兩端支撐圈各一圈； 初算彈簧剛度 =( )/h=0.0375 N/mm； （5-'P1-n 12） 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 17 工作極限載荷 =1.25 5=5.625 N；jP? 材料直徑 d 及彈簧中徑 D 查表 11-2-19，選取 d=0.5mm，D=7mm， =7.00N， =3.888mm， =1.80N/mm， =0N；jjf'd0P 有效圈數 n= =48； （5-?'P1.80375 13） 按表 11-2-10 取標準值 n=30 圈； 總圈數 =n+2=30+2=32 圈； （5-1n 14） 彈簧剛度 = =0.06N/mm； （5-'Pd?.803 15） 工作極限載荷下的變形量 = n=3.888 30=116.6mm； （5-jFf? 16） 節(jié)距 t= +d= +0.5=4.4mm； （5-jn16.30 17） 自由長度 =nt+1.5d=30 4.4+1.5 0.5=132.75； （5-0H? 18） 取標準值 140mm； 彈簧外徑 =D+d=7+0.5=7.5mm；2D 彈簧內徑 =D-d=7-0.5=6.5mm；1 螺旋角 °； （5-4.=arctnarct1.37d????π 19） 展開長度 L mm； （5-13.2.coss.Dπ 20） 最小載荷下的長度 = mm； （5-1H10' .54106p?? 21） 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 18 最大載荷下的長度 = mm； （5-nH04.516'0nP?? 22） 工作極限載荷下的長度 = mm； （5-j0.24.5'6jP 23） 實際工作行程 mm；1n5=0hH?? 工作區(qū)范圍 ；20.8;.717j jP? 圖 5-2 壓縮彈簧 5.2 帶輪的設計 帶輪在成型機工作過程中主要作用是使大凸輪與小凸輪具有相同的運動周期，并且 只傳遞很小的轉矩，因此可選定每個皮帶相連的兩個帶輪完全相同，V 帶根數為一根，由 于生產的紙盒尺寸在一定尺寸范圍內，所以需要根據實際情況調節(jié)兩皮帶輪之間的距離， 當兩皮帶輪間距由大變小時，皮帶變松，需要靠張緊輪調節(jié)，保證皮帶的張緊。皮帶輪 在紙盒成型機的設計中只傳遞很小的轉矩，主要起連接傳動的作用，可根據實際情況選 擇普通 V 帶，帶輪基準直徑 60mm。 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 19 圖 5-3 帶輪 5.3 軸的設計 5.31 軸的結構設計 與大凸輪相聯接的軸為運動主軸，通過聯軸器與電動機主軸聯接，軸的最小直徑是 安裝聯軸器處軸的直徑，現計算主軸傳遞的最大轉矩：上下沖頭均通過四根彈簧連接在 機架上，上沖頭處于最大行程時根據前面彈簧的設計計算可確定最大拉力為 2.5 4=10N。下沖頭處于最大行程時所受最大壓力為 2 4=8N。當大凸輪轉動到沖頭最大? ? 行程處時，所受最大轉矩為（10+8） 0.19=3.42N·m。同時考慮到其他阻力的作用，主軸? 所受最大轉矩 不大于 5N·m。根據計算轉矩 應小于聯軸器公稱轉矩的要求，查機械caTcaT 設計手冊，選用 YL1 聯軸器，公稱轉矩為 10N·m，半聯軸器與軸配合的轂孔長度 32mm，半聯軸器的孔徑為 20mm。 （1）軸上零件裝配方案 軸上零件裝配方案如圖 5-4 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 20 圖 5-4 軸的結構及零件裝配圖 1.聯軸器 2.軸承端蓋 3.機體 4.滾動軸承 5.套筒 6.小帶輪 7.套筒 8.大凸輪 9.套筒 10.小帶輪 11.套筒 12.滾動軸承 13.軸承端蓋 （2）根據軸上的周向定位要求確定各部分軸段直徑和長度 ①Ⅰ-Ⅱ 段右端須制出一軸肩以滿足半軸聯軸器的軸向定位要求，取Ⅱ-Ⅲ段的直徑為 =26mm；左端擋圈直徑為 D=30mm。軸與半聯軸器配合的轂長度為 =32mm，同d?Ⅱ Ⅲ 1L 時Ⅰ-Ⅱ 的長度應比 略短一些以保證軸端擋圈只壓在半聯軸器上而不壓在軸的端面上，1L 現取 =30mm。l?Ⅰ Ⅱ ② 初選滾動軸承。因軸承只承受有徑向力的作用，故選用深溝球軸承。根據 =26mm 和工作要求，初步選取標準精度等級、0 基本游隙組的深溝球軸承 16006，d?Ⅱ Ⅲ 其尺寸為 mm， =30mm， =9mm。359DT???d??Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ l?Ⅵ Ⅶ ③ 凸輪處的軸段Ⅳ- Ⅴ的直徑取 =30mm，右端根據軸肩高度 ﹥ 的要求，?、?Ⅳ h0.7d 定位軸肩高度 h=3mm，因此 =36mm，寬度 ，取 =5mm。左帶輪與凸輪?Ⅳ Ⅴ 1.4bh?l?Ⅳ Ⅴ 的左端之間采用套筒進行定位。 ④ 軸承端蓋的總寬度為 10mm（由成型機整體結構及軸承端蓋的設計而定） 。半聯軸器 右端面與端蓋的外端之間距離為 10mm，以便于端蓋的安裝拆卸以及便于添加潤滑油 ⑤ 帶輪軸孔直徑為 30mm，寬度為 18mm，軸上其他部分的設計如上圖。 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 21 （3）軸上零件的周向定位 凸輪、帶輪、半聯軸器與軸之間軸向定位都采用平鍵連接的方式。根據 的大小d?Ⅲ Ⅳ 由表 6-1 查得帶輪處和凸輪處平鍵截面均為 ，長度分別為 15mm 和=87bhm? 32mm，選擇凸輪輪轂與軸的配合為過渡配合 ；半聯軸器與軸的連接，選用平鍵為6Hn ，半聯軸器與軸的配合為 。選軸的基本尺寸公差為 m6 來保證滾動625m?k 軸承與軸的周向定位。 (4)確定軸上的倒角和圓角尺寸 各軸端和軸肩處的倒角圓角半徑詳見 39 號軸圖紙。 5.32 求軸上的載荷 從手冊中查取 a 值以確定軸承的支點位置，對于 16006 型深溝球軸承，由手冊中查得 a=9mm。軸的彎矩圖和扭矩圖如圖 5-5。 圖 5-5 軸的彎矩圖和扭矩圖 在軸的結構圖上當上沖頭運動至最低處時，大凸輪受滾子最大壓力（主要來自拉伸 與壓縮彈簧）約為 40N，C 及 E 點處為皮帶對帶輪的徑向力，從軸的結構圖及彎矩和扭 矩圖中可以看出 D 是軸的危險截面?，F將計算出的 D 截面處的 及 的值列于下表VM 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 22 （各受力均按最大計算） 。 表 1 D 截面處的 及 的值VM 載荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F =5N， =5N， =10N， =-1N2NF1t2tF 30N， =10N3t =-5N， =-5N， =-1N2NF1r 15N， =40N， =-15Nr3r 彎矩 M =330N·mm， =-2610N·mm，1H2HM =-330N·mm3 =-495N·mm ， =3480 N·mm，1VM2V =-495N·mm3 總彎矩 = =594.9 N·mm， = =4350 N·mm，121HV?22HV? = =594.9 N·mm33 扭矩 = =330 N·mm， =5700 N·mm1T2T 5.33 按彎扭合成應力校核軸的強度 軸強度的校核一般只校核軸上危險截面（即截面 D）處強度 [18]。根據計算的上面表中 的數據，取 =0.6，計算軸的應力? （5- 222maxaca 34506=0.5.7MTMPaW?????? 24） 由表查得 = 60MPa。因此 ＜ ，故安全。??1?ca??1?? 5.4 錐齒輪的設計計算 在紙盒成型機中用到的錐齒輪為兩對規(guī)格尺寸完全相同的軸線方向 90 度垂直相交的 嚙合錐齒輪，其中每對錐齒輪中一個與帶輪同軸，另一個與小凸輪同軸。本次設計中所 用的帶輪與錐齒輪都是尺寸規(guī)格完全相同以保證大小凸輪有相同的運動周期。 錐齒輪設計參數： 對軸交角為 90 度的直齒錐齒輪傳動，選齒輪齒數為 25，其齒數比 u、錐距 R、分度 圓直徑 、 、平均分度圓直徑 、 、當量齒輪的分度圓直徑 、 、之間的關1d2 1md2 1vd2 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 23 系分別為： =1[21]； （5-2121tancotzdu??? 25） = =60mm， = =45°；1d21?2 =42mm；1()uRd???? ； （5-120.5mbR? 26） 錐齒輪傳動的齒寬系數 ，取 =1/3，于是=/Rb?R? ； （5-(10.5)mRd?? 27） mm， mm。12(0.5)6(.3)1mRd?????14Rb??? 當量直齒圓柱齒輪的分度圓半徑 與平均分度圓直徑 的關系式為vrmd 36mm； （5-5=2coss4md??? 28） 以 表示當量直齒圓柱齒輪的模數，亦即錐齒輪平均分度圓上輪齒的模數，則當量m 齒數 35.3， =2.0；25=cos4vmdzz???m 當量齒輪的齒數比 =1； （5-21vuz 29） 為使錐齒輪不知發(fā)生根切，應使當量齒數不小于直齒圓柱齒輪的根切齒數，由得出 平均模數 和大端模數 m 的關系為 ； （5-m (10.5)mR??? 30） 求得 m=2.3mm。 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 24 根據大連理工大學工程圖學教研室《機械制圖》第六版 P302 繪制錐齒輪 [19]。 圖 5-6 錐齒輪 5.5 電動機的選擇 本次紙盒成型機的設計中，生產一個紙盒的周期為 3.15 秒，所需主動軸轉速為 19 轉 /分，當沖頭位于最低位置時通過計算主軸轉矩最大約為 5700 N·mm，由于轉速和轉矩比 較小，所以可以考慮用步進電機帶動。 步進電機是一種執(zhí)行元件，它能夠把電脈沖信號轉換成角位移或直線位移。其轉速 有三個特點：①轉動速度與脈沖頻率成正比；② 在負載能力允許范圍內，不因電源負載、 電壓、環(huán)境條件的變化而變化；③ 速度大小可以調節(jié) [20]。 根據主軸最大轉矩及轉速可選步進電機型號為 110BYG5-02，尺寸規(guī)格：總長 214mm，外徑 110mm，軸頸 16mm。步進電機主軸可以通過聯軸器直接連接到紙盒成型 機傳動主軸上，電機尺寸較小，可以通過角鐵支撐在紙盒成型機箱體上方。 也可以選擇 Y 系列異步電機，由于異步電機轉速相對較大，安裝時需要選擇減速器 減速。 5.6 機體結構設計 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 25 機體結構由上下兩部分組成，下面為箱體，箱體內部各零部件通過角鐵、螺釘或者 焊接等方式固連在箱體內壁上，實現在箱體內的空間定位。上面的機體部分主要支撐安 裝有大凸輪和帶輪的主軸，通過四個帶有加強筋的鋼板支撐在下箱體表面上。 圖 5-7 機體形狀設計 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 26 6 結論 6.1 結論 本文通過對國內外現有粘貼式天地蓋紙盒成型機生產線的研究分析，總結出了目前 應用的粘貼式紙盒成型機主要存在的問題，即生產線過長，生產周期長，不夠方便靈活 等，并在設計中加以改進，設計出了一種方便實用的小型粘貼式天地蓋紙盒成型機，有 以下幾個創(chuàng)新點： （1）方便調節(jié)紙盒成型機內部結構尺寸，可生產不同規(guī)格尺寸的紙盒。 （2）紙盒成型機為全機械設計，所采用的所有零部件均為機械設計零件，方便安裝調試。 （3）生產一個紙盒的周期為大凸輪的轉動周期，大凸輪轉動一個周期完成一次紙盒成型， 生產周期短。 （4）外觀整體結構緊湊，可以進行單件少量的生產，也可以接入生產線進行流水作業(yè)。 6.2 設計中的不足 （1）此種紙盒成型機需要單獨外接送料設備，安裝時需要調試。 （2）大凸輪輪廓曲線設計還不夠精確，在運動過程中可能會出現一定的速度變化和沖擊。 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 27 參考文獻 [1] 蔣亮.綠色物流與綠色包裝[J] .中國包裝工業(yè)，2008.8：11～12 [2] 金國斌.現代包裝技術[M].上海大學出版社，2001.4：80 [3] 徐自芬、鄭百哲 .中國包裝工程手冊[M].機械工業(yè)出版社，1995：263 [4] 許文才.紙盒盒型結構分析[J].今日印刷 ，1999.2：5～8 [5] 丁寧.現代紙器包裝結構創(chuàng)新性研究[J]. 河北師范大學出版社，2009：31～32 [6] 李玉盛、王萍 .紙包裝設計指導書[M].重慶出版社，1997：25 [7] 孫誠.盤式自動折疊紙盒結構設計[J]. 包裝工程，1989.4：8 [8] 周浩.包裝紙盒（箱）與模切壓痕技術[J].今日印刷，2008.11：4 [9] 吳國榮.我國包裝機械業(yè)現狀及發(fā)展方向[J].包裝與食品機械，2003.6：2 [10] 王德忠. 紙盒包裝的現狀和未來[J].中國包裝工業(yè)，1999.10：11～12 [11] 譚祖光. 中國紙箱紙盒工業(yè)的現狀和發(fā)展趨勢[J].中國新包裝， 1999.4：5～6 [12] 薛瑾.ZH600B 高速粘盒機新產品介紹[J].印刷世界，2005.2：10～12 [13] 章信.智能全自動天地蓋紙盒成型機通過技術鑒定[J].包裝與食品機械，2006.1：7～11 [14] 程友聯. 機械原理[M]. 中國農業(yè)出版社，2007：145 [15] 吳宗澤. 機械設計實用手冊[K]. 化學工業(yè)出版社，2005：121～1413 [16] 王旭、王積森 .機械設計課程設計[M].機械工業(yè)出版社，2003：64～361 [17] 成大先. 機械設計手冊-彈簧.第五版[M]. 機械工業(yè)出版社，2005.6：38 [18] 濮良貴、紀名剛 .機械設計[M].高等教育出版社，2008：62～369 [19] 大連理工大學工程圖學教研室[M].高等教育出版社，2007.7：302 [20] 華大龍. 步進電動機原理及其驅動電路研究[J].學術交流，2009.12：4～13 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 28 致謝 本次畢業(yè)論文的設計是在黃新平老師的精心指導完成的。從論文的選題、總體方案 的確定、論文的書寫及圖紙的繪制工作上，老師都給與了我無私的關懷和幫助，在此， 衷心感謝黃新平老師給予的精心指導。 經過兩個多月的努力，粘貼式紙盒成型機的設計任務圓滿完成?；仡檸资斓木o張 而又充實的畢業(yè)設計生活，感慨很多，收獲也很多。設計過程中遇到過很多困難，出現 過一些錯誤，我們小組成員相互討論、相互幫助，最終我們還是堅持了下來，圓滿完成 了任務。所以在此也十分感謝每一個和我一起走過的同學，感謝你們的幫助。 在畢業(yè)設計結束之時，要感謝黃新平老師給我們耐心指導，每次當我有疑難問題需 要尋求老師幫助時，老師總是能夠及時出現在我面前，即使臨時有事也會在約定的時間 給予及時的指導，給我們查找錯誤，黃老師的對工作認真負責的作風和誨人不倦的精神， 深深感染和教育著我，我相信在將來的工作和學習中老師的教誨將使我受益終生，我將 銘記這段難忘的師生情誼，嚴格要求自己，走出校門后同樣不會讓老師失望。 在設計的整個過程中，我把大學四年的大量相關科目進行了系統(tǒng)的復習并做了一系 列總結，通過這次畢業(yè)設計是我對所學的專業(yè)知識以及制圖能力都有了更加牢固的掌握， 我想這將為即將走向工作崗位的自己迅速適應新環(huán)境是十分有利的。 最后，再次向老師以及在大學生活、學習中給過我指導和幫助的各位老師，同學表 示衷心的感謝和誠摯的敬意。 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 29