纸杯成型机整体成型部分及其传动设计

《纸杯成型机整体成型部分及其传动设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纸杯成型机整体成型部分及其传动设计（83页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、（2010届）本科毕业设计（论文）资料题 目 名 称： 纸杯机 整体成型部分及传动系统设计 学 院（部）： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 陈 爱 班 级： 机设063 学号 06402600115 指导教师姓名： 何国旗 职称 教授 最终评定成绩： 湖南工业大学教务处 2010届本科毕业设计（论文）资料第一部分 设计说明书（2010届）本科毕业设计（论文）纸杯机整体成型部分及传动系统设计学 院（部）： 机械工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 陈 爱 班 级：机设063 学号 06402600115 指导教师姓名：何国旗 职称 教授 最

2、终评定成绩 2010年5月 湖南工业大学本科毕业设计（论文）过程管理资料- 60 -摘要在人们追求方便、卫生、安全以及环保的现代社会，一次性杯子在人们的日常生活中逐渐体现其优越性。并且随着一次性塑料杯的逐步退出现代消费市场，一次性纸杯正成为现代社会一次性杯子的主流，并也发展的趋势逐步进入到餐饮行业代替餐具容器。为满足日益增长的市场需求，纸杯成型机的研究、设计和改进工作也应与时俱进。自动纸杯成型机通过自动送纸、冲底、注油、封合、预热、加热、翻底、滚花、卷边、退杯、出杯等连续工序生产出纸杯。本设计主要完成纸杯整体成型及其传动系统部分的设计，该部分主要包括纸杯的预热、加热、翻底、滚花、卷边和退杯工序

3、。纸杯成型机本部分的动作主要通过四杆机构，凸轮机构，间歇机构等机构来完成。本设计将依次对纸杯成型机生产工艺过程分析，各个功能实现以及执行机构的确选择、纸杯成型机总体传动方案的确定，并在此基础上进行传动系统零件的设计计算，主要对带传动、链传动、凸轮传动、偏心轮传动、弧面凸轮分度间歇机构以及主轴进行详细的设计计算。本设计对纸杯成型机的工作原理作了详细的介绍，并通过设计计算确定其主要参数和结构。该自动纸杯成型机结构合理，操作方便，功耗较小，效率较高，性能稳定，能进一步满足目前日益增长的市场要求。关键词：机械 自动纸杯成型机 纸杯 成型ABSTRACTIn the modern society, wi

4、th peoples pursuit of convenience, health, safety, and environmental protection, sanitary cups gradually show its superiority in peoples daily life. And as the disposable plastic cup regularly withdraw from the modern consumer market, paper cup is becoming the mainstream of one-off cup and enter the

5、 catering industry instead of cutlery containers. To meet the growing market demand, the research, design and improvement of the paper cup forming machine should also be advanced with the times.The automatic paper cup forming machine produces paper cups through continuous process of automatic docume

6、nt feeder, red bottom, oiling, sealing, preheat, heating, turn the bottom, knurling, curling, exit cup and dump cup etc. The main purpose of the design is to design the overall shape of the paper cup and the transmission system which include the process of paper cups preheating, heating, turn the bo

7、ttom, knurling, curling, and exit cup. To finish this part of paper cup forming machine, a typical linkage, chain transmission, belt transmission, cam mechanisms and intermittent institutions are used. This design will design and calculate transmission components on the basis of the analysis of pape

8、r cup forming machines process, achievement of different functions, the selection of implementing agencies and determination of the overall transmission scheme. The main content is to design and calculate V belt, chain, sprocket, cam, eccentric wheel, spindle, cam Globoidal intermittent indexing age

9、ncies and principal axis detailedly. The design makes a detailed introduction about the working principle of paper cup forming machine, and determines the main parameters and structures through design and calculation.The automatic paper cup forming machine has reasonable structure , convenient opera

10、tion, low power consumption, high efficiency and stable performance which can further satisfy the growing demands of the market at present. Keywords: Machinery, Automatic Paper Cup Forming Machine, Paper Cup目录第1章 绪论- 1 -1.1 课题研究的背景- 1 -1.2 课题研究的内容- 2 -1.3 纸杯及纸杯成型机的发展概况- 2 -1.4 课题研究的意义- 3 -第2章 总体方案设计

11、- 5 -2.1 纸杯成型机的整体分析- 5 -2.1.1 纸杯成型机的主要工艺流程分析- 5 -2.1.2 纸杯机成型部分各工艺的运动要求- 6 -2.2 确定纸杯机执行机构的布局- 7 -2.2.1 纸杯机的设计要求- 7 -2.2.2 纸杯成型机的工序特点分析- 7 -2.2.3确定运动纸杯机成型机构的布局- 8 -2.3纸杯在各工位间的运动机构设计- 9 -2.3.1 纸杯在各个工位间的传递运动设计- 9 -2.3.2 纸杯在各工位的定位夹紧机构的设计- 9 -2.4成型机构的整体方案布局设计- 11 -2.5 传动系统的布局设计- 12 -第3章 执行部件的设计计算- 13 -3.1

12、 工序组支撑板的运动设计- 13 -3.1.1 工序组整体的动作要求- 13 -3.1.2工序组机构简图- 13 -3.1.3 工序组支撑板整体机构运动分析- 14 -3.1.4 工序组支撑机构的设计- 20 -3.2 退杯机构支撑板的运动机构设计- 21 -3.2.1退杯机构支撑板的动作要求- 21 -3.2.2 退杯支撑板机构简图- 21 -3.2.3退杯机构支撑板整体机构运动分析- 22 -3.2.4 曲柄滑块机构各杆尺寸设计- 24 -3.2.5 曲柄滑块机构各杆结构设计- 25 -3.2.6 曲柄滑块机构的运动分析- 25 -3.3执行机构的形状设计- 31 -3.3.1预热、加热工

13、序执行机构的设计- 31 -3.3.2卷底工序执行机构的设计- 31 -3.3.3 滚花、卷边工序执行机构的设计- 35 -3.4 整体成型部分结构- 35 -3.5 工序盘运动规律的设计- 36 -3.5.1 工序盘的结构设计- 36 -3.5.2工序盘动作要求- 37 -3.5.3 间歇运动规律的选择- 37 -3.5.4弧面凸轮分度间歇机构主要参数尺寸的设计计算- 39 -第4章 传动系统的总体设计- 41 -4.1 纸杯成型机传动方案的确定- 41 -4.2 纸杯成型机整体传动时间分配- 43 -4.2.1 纸杯成型机工作循环图的绘制- 43 -4.3电动机的选择- 44 -4.4 计

14、算总传动比和分配各级传动比- 46 -4.5 计算电动机1传动系统的设计计算- 46 -4.5.1 各轴转速的设计计算- 47 -4.5.2 各轴功率的计算- 47 -4.5.3 各轴转矩的计算- 47 -4.6 计算电动机2传动系统的设计计算- 48 -4.6.1 各轴转速的设计计算- 48 -4.6.2 各轴功率的计算- 48 -4.6.3 各轴转矩的计算- 48 -第5章 传动零件的设计计算- 49 -5.1 带传动的设计计算- 49 -5.1.1 主轴电机V带的设计计算- 49 -5.1.2 主轴电机带轮的设计计算- 51 -5.2 链条及链轮的设计计算- 52 -5.2.1 减速器输

15、出链的设计计算- 52 -5.2.2 减速器输出链轮的设计计算- 53 -5.2.3 间歇传动箱输入链的设计计算- 55 -5.3 主轴的设计计算- 55 -5.3.1 确定轴上的功率，转速和转矩- 55 -5.3.2 求作用在轴上的零件上的力- 55 -5.3.3 初步确定轴的最小直径- 55 -5.3.4 轴的结构设计- 56 -5.3.5 轴的强度校核- 57 -结 论- 60 -参考文献- 61 -致 谢- 62 -第1章 绪论1.1 课题研究的背景随着现在科技的迅猛发展，绿色、环保、卫生、方便、快捷逐渐成为人们生活的主题。一次性纸杯是在关注环境、关注健康、关注社会的历史潮流中的一种时

16、代的产物，作为专业生产绿色环保纸杯的自动纸杯成型机越来越受到投资创业人士的关注。在各种大型酒店、餐馆、航空、医院、政府机构、家庭以及各大中小型商场超市用量巨大，很多企业更是把纸杯做成精美的广告促销礼品。作为人们日常生活必需的消耗品一次性纸杯，每年的消耗量到底有多大？据有关资料显示：我国每年消耗的一次性塑料杯和纸杯达万亿只以上，且随着国民消费水平呈几个递增的态势增长。由于塑料杯在生产过程中使用了发泡剂，会破坏大气臭氧层，使用后回收难度大，焚烧会产生有害气体，掩埋不能自然降解，会造成对土壤和地下水的污染，且回收和处理难度很大，破坏土壤结构，已成为环境、资源恶化的元凶之一，而且在使用过程中，一旦遇到

17、高温就会发软，极易产生有害物质，直接危害人体健康，所以纸杯以其绿色环保逐渐取代一次性塑料杯，成为一次性杯子的主流，赢得了消费者的青睐。自动纸杯成型机所生产的纸杯完整地保留了纸制品的优点，诸如防湿、保鲜、感温、可视、杀菌、防腐等方面，纸杯均有着完美的表现。与一次性塑料杯相比，纸杯采用的纸材料，加工性能、印刷性能、卫生性能等方面表现得更好。此外，由于纸材料来源广泛，容易形成大批量生产，且有一定的机械性能，可以用于复合加工，品种也是多种多样。这些相对一次性塑料杯不可重复性的特性使得纸杯的成本十分低廉、重量相对更轻、便于运输又便于回收利用，掩埋后容易腐败，相对塑料杯而言，更具环保、方便、卫生的特点，受

18、到越来越多的厂家欢迎。纸杯成型机的专业性能使得其生产效率和能力相当强大，但并不能满足这个庞大的一次性杯子类消费市场。据统计，2009年我国纸杯消耗在100亿只左右，预计今后几年内将以每年20%的速度剧增。由于纸杯是人们日常生活中必需的一次性消耗品，家家必备，一年四季必用，需求源源不断，市场永不枯竭。由此我们不难看出，在目前，纸杯的市场占有率不到20%，其发展潜力可见一斑。随着纸杯应用的区域的迅速推广以及使用人群的迅猛增长，对各式纸杯的成型技术展开研究成为必然趋势和当务之急，是以研究、改进并研发出新的先进的纸杯成型机来降低成本，实现全自动化，高速稳定的市场需要。1.2 课题研究的内容自动纸杯成型

19、机通过自动送纸、冲底、注油、封合、预热、加热、翻底、滚花、卷边、退杯等连续工序生产出成品纸杯。本课题主要研究设计纸杯整体成型及其传动部分设计，该部分主要包括纸杯的加热、滚花和卷边，以及成型纸杯的落料和退杯等工序。纸杯成型机本部分的动作主要通过典型连杆机构，链传动机构，带传动机构，凸轮机构，间歇机构等来完成。本设计将依次进行纸杯成型机总体方案的确定，通过对纸杯成型机生产工艺过程分析，来选择机构和总体布局，并在此基础上进行传动装置总体设计以及传动零件的设计计算，本设计将主要对V带、带轮、链条、链轮、凸轮、偏心轮、主轴、弧面凸轮分度间歇机构进行详细的设计计算。1.3 纸杯及纸杯成型机的发展概况从纸杯

20、的外形和纸制来看，纸杯的发展历史经历了四个阶段。1圆锥形/折褶纸杯历史上最初的纸杯是圆锥形的，并且手工制造而成，用胶来粘合，较容易分离，必须尽快地使用。虽然后来出现了折叠纸杯，在侧壁加了折褶，以增加侧壁的强度和纸杯的耐用性，但要在这些折叠表面印上图案就较为困难，质量和生产率均不高。2涂蜡纸杯第一只涂蜡两片纸杯在1932年问世，其平滑的表面可以印上各种精美图案，提高促销效果，纸杯涂蜡，一方面可以避免饮料与纸材直接接触，而且能保护胶的粘合性，增强纸杯的耐用性，另一方面亦增加了侧壁的厚度，使纸杯的强度大大提高，该纸杯美观耐用，成本较低，生产效益较高，但是此款纸杯不适于承载热饮料。3直壁双层杯为扩大纸

21、杯的应用范围，1940年直壁双层杯推出市场，这种纸杯不但便于携带而且盛装热饮料，纸杯上涂布乳胶后能掩盖纸材的纸板味，并且能加强纸杯的防漏性，被广泛应用于自动售卖机来承载热饮料。4聚乙烯涂塑纸杯当人们正在采用经乳胶涂布处理的纸杯承载热饮料的同时，有关食品公司有也开始将聚乙烯涂布在纸板上来增加纸包装的阻隔性和密封性，提高了产品质量，降低了生产成本，生产效率也得以提高，由于可以承载冷、热饮料，使纸板的应用范围得以进一步发展。而我国目前生产的纸杯成型机，几乎都是在韩国机型的基础上发展而来，被称之为韩式纸杯成型机，这种韩式机型具有结构简单、操纵方便、造价较低等优点，在纸杯行业起步阶段起到了重要的促进作用

22、。但是随着市场的深人，纸杯使用领域的扩展，用户要求的提高,这种机型暴露出来的缺点，越来越制约行业的发展，市场急需一种高速并且带有一定“柔性”的新一代纸杯成型机。韩式纸杯成型机主要存在以下两方面的缺陷：1产量低韩式纸杯成型机虽然结构简单、造价较低，但是这种机型的固有结构限制了其生产率的提高。因为这种机型在其第一道工序中封是单工位的。由于纸杯纸的淋膜层在中封过程中需要足够的温度和时间,才能把淋膜层中的PE膜熔化并有效粘合，所以在韩式机中,这一工序就像瓶颈一样限制了其生产速度的提高。不管是国产还是韩国原产的这类成型机，其生产速度都比较慢,其生产速度已远远不能满足市场的需求。2杯型变化范围小由于一次性

23、塑料制品逐步退出市场，纸杯的使用量及使用领域不断扩展,如：咖啡杯、可乐杯、牛奶、热饮杯、冷饮杯、冰淇淋杯、方便面碗等,形式多样,而且变化很大,容量变化从2盎司到35盎司，高度变化从20毫米到200毫米。这就大对成型机提出了“柔性”的要求，而韩式成型机是立式结构，成型凸轮的行程决定了所能生产纸杯的最高高度，所以这种成型机只能针对某一范围而设计。这样一来客户就必须购置多种机型以满足系列纸杯生产的要求。由于韩式机型存在上述两方面的局限性，已经越来越不适应甚至正制约纸杯行业的发展，市场急待新型纸杯成型机的产生。1.4 课题研究的意义一次性环保纸杯即将取代塑料杯而成为人们生活必需品，其市场潜力巨大，需求

24、源源不断，商机无限。而自动纸杯成型机是生产一次性纸杯的必需的机械设备,为了满足市场对纸杯的需求,纸杯成型机的技术将随纸杯的需量的大增而迅猛发展，市场需求量也将急剧增长。针对韩氏纸杯成型机的诸多缺陷，现在研究纸杯成型机仍有十分重要的意义，尤其是对现有的纸杯成型机的结构进行改造十分必要。在“消除白色污染，改善环境卫生”的国策背景下，很多大中型机械公司正组织科研人员不遗余力地在纸杯成型机项目上投入巨资研发，并借鉴国外先进技术，已潜心研制出具有国内领先水平的新一代纸杯成型机-全自动高速纸杯成型机。该新式纸杯成型机采用了多工位中封机构，利用卧式成型机构，大大提高了生产率和提高了纸杯制作范围。相信新一代卧

25、式纸杯成型机将以其高速、一台机器生产多种不同型号的产品的优越性能而成为纸杯制造业更新换代、业务扩大之首选，它的出现将是纸杯业的一大飞跃。针对韩式纸杯成型机的二大缺陷，我们可以进行一些方面的改进和研究。1采用中封机构在纸杯制作过程中，淋膜层的熔化粘和所需的时间是必不可少的。在韩式机型中，这一时间消耗在加热体将纸杯中缝压紧后的停顿上。一般来说需要0.8秒的停顿时间，同时烫条上下运动以及纸片送入，纸壁筒钩出的时间0.4秒左右，那么生产一个纸杯需要1.2秒的时间，在这1.2秒时间中0.8秒停顿时间是必不可少的，这就限制了制杯的生产速度，也是韩式纸杯成型机无法提高生产率的原因所在。新型纸杯成型机采用多工

26、位中封结构，这样一来，0.8秒的熔化粘和时间就消耗在传动之中。比如采用8工位中封结构，烫条从第1工位压住杯筒，在0.8秒的时间内转到第7工位后释放，保证了熔化粘和所需的时间。我们只要控制第1工位纸片送入，烫条下压的时间，这个时间据我们的试验只需0.4秒左右，也就是说1.2秒生产出一个纸杯，产量较韩式纸杯机，大大提高了生产率。2利用卧式成型结构上面我们已经提到，在韩式机型中，成型凸轮的上下行程决定了纸杯的高度。这是由于韩式机型是采用立式成型结构，成型模具要从杯模底侧上升到杯模的上侧完成翻口动作。而纸杯越高，其模具也就越长。模具越长成型凸轮的行程就越大。在纸杯成型机中，模具的更换是比较容易的，而成

27、型凸轮是几乎无法更换的，它是机器中的连接部件，还受到机架空间的限制。这就是韩式机型制作纸杯范围窄的根本原因。新型卧式纸杯成型机采用的是侧面成型技术，成型凸轮的行程是一定值，这样一来，只需更换不同模具而无需更换成型凸轮，大大提高了纸杯的制作范围。此课题的设计几乎涵盖了我们大学阶段学到的大部分专业知识，例如：机械原理、机械设计、工程制图、理论力学、材料力学、机械设计学、液压与气压传动、电气控制技术等课程。我相信通过这个课题的设计能够更好地使我们所学到的知识在实践中得到检验、巩固与提高，使我们养成了勤于思考和查询资料的习惯，并提高我们的实际动手能力和解决实际问题的能力。第2章 总体方案设计2.1 纸

28、杯成型机的整体分析2.1.1 纸杯成型机的主要工艺流程分析纸杯成型机是自动将纸杯专用纸加工生产成纸杯的机械。纸杯主要由杯壁和杯底两部分组成，所以分别需要加工杯底和杯壁。纸杯的加工过程就是将杯壁和杯底粘合成纸杯的整个过程。考虑到纸杯用纸是涂膜纸，根据其特性，只需将纸杯用纸靠近在一起受热后压紧便可以将其粘合成一个整体，所以整个纸杯加工的工艺过程可以分为以下数道工序：纸杯成型（杯壁、杯底成型）杯壁与杯底的压底预热主热卷底杯底滚花卷边退杯。由此分析可以得到纸杯成型机的整体工艺流程如图所示：图2.1 纸杯成型机的工艺流程图杯壁封合是将已经印刷好的扇形纸片（如图2.2所示）卷成锥形并通过装置将其封合成杯壁

29、；杯底冲裁将杯底卷纸通过冲裁工序加工成原形状（带毛刺状卷边）；压底工序通过机构将杯壁和杯底压合成一个整体；预热、主热工序将粘合在一起的纸杯分两次加热，能更好的将杯壁和杯底上的涂膜层融化，为下一道工序卷底做充分的准备；卷底工序将上一道工序中杯壁和杯底上融化了的涂膜层通过外力压紧；滚花工序将上一道工序粘合好的纸杯进行杯底的滚花工作；卷边工序将已经注油软化过的纸杯边缘进行卷边工序。图2.2 纸杯的扇形杯壁材料杯底采用宽度为65的纸杯底专用卷纸，可以连续性的进行加工，无需经常性的更换纸杯底材料。根据以上工艺原理分析，可以将纸杯机的整机分为三个主要部分：第一部分：杯壁纸传输、杯壁成型及成型后传输到工序盘

30、；第二部分：杯底纸传送、杯底成型、杯壁与杯底压底，成型杯的自动传送和以及加工好的纸杯送出工艺流程；第三部分：主要包括纸杯的整体成型，包括预热、主热、卷底、滚花、卷边等工序机器传动部分。根据工作安排，我完成纸杯机的第三部分的设计计算工作。2.1.2 纸杯机成型部分各工艺的运动要求预热、主热工序需要有一个热源与压底后的纸杯靠近，并且杯底与杯壁的接触呈圆环状，因此需要的热源应同样呈现一个环状；并且热源的运动方向相对纸杯只能从杯底向纸杯运动并且需要停留一个短暂的时间，保证纸杯的受热均匀。因此预热、主热工序需要的是一个竖直方向的运动（从杯底往纸杯方向），并且需要在热源靠近纸杯的位置有个“休止”过程。 卷

31、底工序将受热后的制备给定一个径向均匀压力将纸杯压紧，为保证纸杯底各向受压力均匀，因此给定纸杯一个周向旋转运动；同样压紧装置需要从杯底向杯子方向运动。因此需要一个竖直方向往复运动并且能在竖直平面内做旋转运动。滚花工序滚花执行机构与纸杯接触后将杯底按照一定的方向将杯底纸褶皱后并压紧。同理，为了是纸杯各向滚花均匀同性，纸杯需要一个旋转运动。因此也需要一个竖直方向往复运动（从杯底往纸杯方向）并且能在竖直平面内做旋转运动。卷边工序原理类似于滚花工序，也是将纸杯边缘滚成一定的形状，因此需要的运动规律也是一个竖直运动方向的往复运动（从纸杯往杯底方向）。退杯工序通过执行机构将纸杯沿一定的方向退出各个工序过程，

32、因此需要一个竖直往复运动（从纸杯往杯底方向）给纸杯一个轴向力将纸杯退出来。2.2 确定纸杯机执行机构的布局2.2.1 纸杯机的设计要求根据任务书要求，纸杯成型机的主要技术参数要去如下：（1）纸杯规格：9盎司（规格尺寸：R=316 mm，r=240 mm，）（2）纸质材料：150400g/平方米的一面涂膜纸张（3）生产速度：50只/分钟（4）电源要求：380V 50Hz（5）总 功 率：4 kW（6）机器重量：500 （7）外形尺寸：(长宽高)2500120014002.2.2 纸杯成型机的工序特点分析加工纸杯的工序有：纸杯成型（杯壁、杯底成型）杯壁与杯底的结合预热主热卷底杯底滚花卷边退杯出杯，

33、工序较多，工艺流程比较长。并且根据2.1.2 的分析可知“预热、主热、卷底、杯底滚花”工序均需要相应的机构有一个竖直方向的往复运动，并且这些工艺可以同步顺序进行，因此考虑这些预热、加热、卷边、滚花的执行元件可以安装在同一个支撑板上按相同的运动规律运动。同理，对于卷边、退杯工序需要相同的运动规律：即：从纸杯向杯底方向的一个竖直往复运动。因此卷边和退杯工序的执行机构都安装在同一个支撑板上按相同的运动规律进行运动。对于以上分析，可以将纸杯机整体成型部分的工序执行机构安装在两个支撑板上进行运动传动的设计。2.2.3确定运动纸杯机成型机构的布局1.选择回转流水作业加工考虑纸杯机是多工序连续工作，应采用多

34、工位流水式同步顺序进行。考虑到整个机器的尺寸限制，综合经济性和空间的要求，这里不采用直线型流水作业，而采用圆盘式回转流水作业，可以很大程度上节省机器占用的空间尺寸以及缩小机器的整体尺寸，达到降低成本的经济型要求。同时还使得整体结构美观和谐。2.选择3个回转工序盘实现流水作业根据2.1.1分析，纸杯机分为杯壁成型部分、杯底成型部分和整体成型部分三部分，所对应的采用杯壁成型工序盘、杯底成型工序盘和整体成型工序盘三个工序盘。为是整体传动方便，拟定所有工序盘采用的工位数相同。并且可以分析出整体成型部分的工序数最多，需要的动作和工序有：纸杯送入、预热、主热、卷底、滚花、卷边、纸杯的送出，因此需要7个工位

35、。但是纸杯送入和送出两个工位必须和其他工序盘的工位在空间位置上重合，剩下5个工位要均匀分布在工序盘其他位置。但考虑到其他几个工位的分布于工序盘的整体空间布局，选择8个工位均匀分布。才能使纸杯顺利的送入和送出，因此整个工序盘上。因此设计工序盘的整体布局如下：图2.3 回转流水式作业工序盘的整体布局综合纸杯成型的所有工序过程，将所有工序分配到工序盘的各个位置，可以得到入下图所示的工艺原理图：图2.4 自动纸杯成型机的工艺原理图2.3纸杯在各工位间的运动机构设计2.3.1 纸杯在各个工位间的传递运动设计由于整体成型部分的所有工序均在同一个工序盘的各个工位上进行，因此在成型工序盘上的各个工位之间的传动

36、选择采用成型工序盘的整体旋转。各个工序执行机构只需进行竖直往复运动，纸杯从工序盘顺序经过各个工位即可完成各个工序。由于纸杯在工序盘的杯模中还需要经过：预热、主热、卷底、滚花、卷边以及退杯各个工序，并且各道工序完成过程中，当纸杯与工序执行机构靠近接触式需要有一定的时间让工序能够顺利完成，因此将这几道工序执行机构安装在同一块支撑板上，并且都采用相同的运动规律。考虑到需要停歇，因此工序盘不能采用匀速转动的运动规律，而需要一定的停歇时间 。所以在工序盘的主轴需要设计一个间歇传动机构。2.3.2 纸杯在各工位的定位夹紧机构的设计纸杯在各道工序中都需要一定精度的定位夹紧后才能进行工序的加工。考虑到纸杯的材

37、质和形状特征，只能承受很小的力。因此纸杯的夹紧不宜采用直接承受较大的夹紧力。因此考虑从被子的内外两侧共同夹紧受力使纸杯能够在加工过程中保持完整的形状。对于纸杯外侧的夹紧力可以将纸杯送入一个内腔与纸杯形状相同的装置内，而纸杯内侧的夹紧力考虑从纸杯的内部设计一个杯模。整体加工过程中纸杯可以完全附在杯模上。在此处的杯模不仅具有配合纸杯外侧对纸杯进行夹紧，还能够对纸杯进行定位功能。杯模的整体形状呈倒锥形，具体尺寸计算如下：大端直径 （2.1）小端直径 （2.2）纸杯高 （2.3）考虑到纸的厚度，这里杯模的直径应该略小于上述计算直径，因此选择 ,。选用金属型模，寿命较长；由于该零件的要求不高，故选用铸造

38、性能较好的材料HT200，查表要求最小壁厚为8mm。对于该零件选择最小壁厚为14mm。杯模上端有配合，根据配合要求，分别选择配合长度为42mm和13mm，因此设计出杯模的结构形状如下：图2.5 杯模的外形结构图图2.6 杯模在工序盘上的分布布置2.4成型机构的整体方案布局设计从2.2.2分析可得知：纸杯机整体成型部分可分为工序组加工部分、退杯工序部分、工序盘传动部分以及传动系统部分。针对各个部分的动作和工艺顺序要去，将各个部分按照一定的顺序进行空间布置设计如下图： 机架 2-间歇机构 3-工序盘传动轴 4-工序组支撑板 5-工序盘 6-退杯机构 7-连杆 8-主轴系 9-凸轮图2.7整体方案布

39、局图2.5 传动系统的布局设计根据纸杯成型过程的动作要求、和运动传递，可以将纸杯成型机成型部分的传动系统按照以下方式布置：图2.8 传动系统布置图第3章 执行部件的设计计算3.1 工序组支撑板的运动设计根据2.2.2的分析可知，只需将成型部分的各个工序按照其运动规律分布在两个支撑板上面。3.1.1 工序组整体的动作要求从2.2.2分析可得知：工序组整体都需要的运动规律相同，均为：向上工进加工向下返回。考虑到加工过程中，工序组需要有一个停歇阶段，综合分析，选用凸轮的运动规律“推程远休止回程近休止”来实现工序组支撑板的运动规律需求，所以选用凸轮实现这个运动规律，完成工序执行机构的竖直往复运动。当从

40、动件的位移、速度和加速度必须严格地按照预定规律变化，尤其当主动件作连续运动而从动件必须作间歇直线往复运动时，则以采用凸轮机构最为简便。而且机构简单紧凑，运动可靠。同时为了方便、简单设计，将各个工序执行机构安装在同一个支撑板上，设计时只需设计该工序组支撑板的整体运动即可。3.1.2工序组机构简图结合图2.4，按照各个工艺执行机构的运动先后顺序和运动规律，将各个工艺执行机构的整体布局分配如下：图3.1 工序组支撑板布局图机构的整体布局较为宽大，用一个凸轮实现运动规律不能使整个支撑板受力均衡，所以考虑在支撑板的两端各设计一个凸轮，用以平衡支撑板的中心分布不均衡。设计整个工序组支撑板的运动简图如下：图

41、3.2 工序组支撑板运动机构简图3.1.3 工序组支撑板整体机构运动分析1. 工序组支撑板整体受力分析在预热、加热过程中，机构与纸杯没有直接接触；在卷底、滚花、卷边、退杯过程中机构受到一个很小的压紧力。因此整个传动机构中两个凸轮所受到的合力相当于支撑架本身的重力，约为200N。2. 工序支撑板整体机构运动规律分析为使各工序顺利进行，需合理分配间歇机构（工序盘）、退杯机构、加热工序机构以及压紧机构的工作时间，并且考虑到机器的生产速度是50个/分钟。平均每个纸杯的生产时间为1.2秒。为此只需将每个工序的时间分配为1.2秒。因此将每道工序周期1.2s分配如下：表3.1 运动机构时间分配表时间安排（s

42、）0.3（90）0.6（180）0.9（270）1.2（360）工序盘转动停止退杯机构休止推程休止回程工序组机构近休止推程远休止回程从表中的时间分配和图2.5所示杯模的结构尺寸分析，凸轮的行程大于75mm 。为了保证运动的平稳性以及从安全角度考虑，设计中取工序组的运动行程为h=100mm 。3.凸轮从动件运动规律方程曲线的选择由加热工序机构支架的运动规律：上升停止下降停止（行程=100），可知从动件的运动类型为（推程远休止回程近休止）。为了使凸轮设计和加工简单，从动件运动规律更加可靠，并且从动件工作状况为中速轻载，查15表4-3，选择等加速等减速运动规律(，因等加速等减速运动在运动开始和终止的

43、瞬时，因速度有限突变，所以这时从动件运动时会出现柔性冲击，这就是等加速等减速运动规律的缺点，此处由于从动件自身质量较大，更容易造成较大的冲击。所以这里再从动件上安装一个弹簧，用于抵消一部分从动件得质量，减小从动件再加速度突变式由运动规律引起的柔性冲击。因此选择等加速等减速的运动规律如下表所示：表3.2 等加速等减速运动规律方程等加速段等减速段等减速段等加速段4.凸轮设计（1）初选凸轮压力角根据机械原理在推程时，对心移动从动件，许用压力角的值一般为=3038，推程的压力角=30。（2）凸轮基圆半径查15公式（5.22）移动从动件凸轮机构的基圆为： （3.1）考虑到凸轮机构所承受的工作里不大，请工

44、作较平稳，这里选择偏心距e=0，即选用对心凸轮。故上式可简化为： （3.2）考虑到滑块的行程，取h=100 ，则：凸轮基圆半径中：将表2.2中等加速等减速运动规律的s对求偏导有，并将行程h= 100带入公式：等加速段1： （3.3）等减速段1： （3.4）等减速段2：等加速段2：（3.5）由此可见，的最大值为6.67。对于公式，令s取最小值，即s=0，且的最大值为6.67，压力角=30，可以初得到基圆半径： （3.6）估算此处最小轴径 （3.7）查16公式（9.22） （3.8）式中：是实际轮廓的最小向径，是轮毂半径，是轴径。且必须有。即： （3.9）这里选取凸轮基圆半径图3.3 凸轮的运动行

45、程规律图如下（3）凸轮材料及结构设计球墨铸铁的力学性能可与刚相媲美，可用于制造柴油机的曲轴。连杆。凸轮。齿轮。机床主轴、蜗杆、蜗轮。所以这里凸轮材料选用QT700-2，最低抗拉强度600MPa，硬度HBS225305。滚子选为轴承61903，其内径为17mm，外径为26mm。根据纸杯成型机的工作特点选用对心移动滚子盘形凸轮机构。同时为确保从动件能够顺利、平稳的工作，不至于由于惯性使得停留在远休止过程的时间过长从而造成机器的毁坏，因此选用几何形封闭方式。（4）凸轮轮廓的设计 确定从动件的运动规律,用作图法设计凸轮的廓线.其中S为从动件的位移(单位:), 为从动件的转角(单位:度)。已知：推程角9

46、0，行程为100，在工作过程中，推杆等加速等减速上升， ， 。根据以上计算过程，绘制凸轮轮廓曲线图如下：图3.4 凸轮轮廓线图 （5）凸轮压力角的校核为避免凸轮在传动过程中产生较大的磨损，对凸轮的压力角进行校核。有公式可以得到凸轮压力角的公式：，符合设计要求。（6）从动件的设计根据凸轮机构的设计，从动件（滑块）的材料选为45#钢。滚子和从动件用螺栓联接，滑块设计为5050130长方体，倒角距离取10,其内孔孔径为25，其上安装弹簧，使凸轮机构能顺利通过死点位置并且抵消一部分工艺支架的重力，弹簧下端固定在滑块上，上端固定在机架固定块上。设计出工序组的整体结构布局如下：1-主轴 2-凸轮 3-滑块

47、 4-导杆 5-工序组支撑板 6-各个工艺执行机构图3.5 工序组支撑板结构图3.1.4 工序组支撑机构的设计工序组在对纸杯进行工艺加工过程中所受的竖直方向的外力很小，而在水平面内不受外力作用。因此可分析出凸轮执行机构所受载荷接近工序组支撑板的重力约为300N。为了是整个工序支撑板能够平衡受力，将凸轮执行杆件采用四个滑块，滑块用连接板连接，在将连接板用螺栓连接到支撑板上。这样才能保证支撑板的受力均匀、平衡。具体结构如下图： 1-滑块 2-支撑板 3-凸轮滚子 4-滑块连接板图3.6 工序组支撑板结构图3.2 退杯机构支撑板的运动机构设计3.2.1退杯机构支撑板的动作要求退杯机构支撑板需要的运动

48、规律是：向下工进向上返回。该运动的动作要求比较简单，与2.4中工序组的运动规律的区别在于此运动过程没有“远休止”过程。实现该动作采用主轴的旋转运动作为源动力。因此退杯机构支撑板需要一个将连续旋转运动转化为直线往复运动的机构。3.2.2 退杯支撑板机构简图考虑到该运动比较简单，常用的能够将旋转运动转化为直线运动的机构有：（1）齿轮齿条机构：能够将一个往复的回转运动转化成一个往复的直线运动规律，承载能力较大。（2）曲柄滑块机构：将一个单项回转运动转化为一个往复的直线运动，承载能力较小、较平稳。（3）凸轮机构：承载能力较大，能是执行机构按照预定的任意往复运动规律运动，但转速不宜太太高，设计、加工较为

49、复杂。（4）螺旋机构：能将往复旋转的运动转化为直线往复运动，承载能力很大，传动比很大，但磨损较大。此处的运动规律较为简单，并且承载能力不大，冲击也很小。所以综合以上几个机构的特点，选择曲柄滑块机构。经济成本也不高，能够很好的实现机器的运动规律，完成纸杯的加工。由于机构的整体布局较为宽大，用一个曲柄滑块机构实现运动规律不能使整个支撑板受力均衡，所以考虑在支撑板的两端各设计一个曲柄滑块机构，用以平衡支撑板的中心分布不均衡。可以得到退杯机构支撑板运动简图如下：1-主轴 2-曲柄 3-连杆 4-退杯执行机构 5-退杯支撑板图3.7退杯机构支撑板机构运动简图3.2.3退杯机构支撑板整体机构运动分析1.

50、退杯机构支撑板整体受力分析在卷边、退杯过程中都需要给纸杯向下方向一个外力来完成卷边和退杯工序，但由于此工作力很小，其大小可以忽略不计。因此整个传动机构中两个曲柄所受到的合力相当于该支撑架本身的重力。因此两个曲柄所承受的载荷很小，但在两个最高点和最低点位置均有一定的惯性冲击。为了保证曲柄能够承受一定的冲击，并且使得整个曲柄的转动惯量尽可能平均，将曲柄的形状设计成一个偏心轮。同时也增大了的转动惯量，能够使机构顺利通过运动“死点”位置。2. 退杯机构支撑板整体机构运动规律分析（1）曲柄滑块机构工作行程的确定根据杯模的形状尺寸，可以确定退杯支架的形成必须大于68mm 。为了确保工作过程能够稳定进行，将

51、滑块的工作行程设定为100mm 。由于工作载荷不大，产生的最大压力角要求不大，因此选择偏置曲柄滑块工作。显然偏心轮的偏心距R=50mm 。（2）曲柄滑块机构杆长条件校核由于曲柄滑块机构是特殊的四杆机构，并且最短杆是原动件，因此能够组成整转副并且能够实现预期的运动规律。（3）根据以上的分析，可以将退杯机构的结构图设计如下：图3.8 退杯机构的结构图3.2.4 曲柄滑块机构各杆尺寸设计图3.9 曲柄滑块机构结构示意图根据几何关系可知： （3.10）查手册可知，四杆机构要求最小传动40，即： （3.11）根据整体结构的布局，确定取，偏置距。则有： （3.12）解得： （3.13）3.2.5 曲柄滑块

52、机构各杆结构设计1. 曲柄的结构设计为了保证曲柄能够承受一定的冲击，并且使得整个曲柄的转动惯量尽可能平均，将曲柄的形状设计成一个偏心轮。同时也增大了的转动惯量，能够使机构顺利通过运动“死点”位置。其结构尺寸如下图所示：图3.10 偏心轮的机构图2. 连杆的机构设计为了能使连杆连接曲柄和滑块机构，需要在连杆两端各设计一个轴承孔。轴承的选择在连杆两端的轴承只受径向力，因此选择深沟球轴承6000系列。两个轴承总受力约为200N，平均每个轴承受径向力100N，选择小轴径轴承6303，轴承内径17mm，外径47mm，宽度为14mm。基本额定静载荷为13.5kN，基本额定动载荷为 6.58kN。轴承的校核

53、轴承所受的最大载荷式中G是执行机构的重力，m是执行机构的质量，a是执行机构的最大加速度。其中G200N，m20kg，根据运动规律公式可以得到（3.14）得到轴承最大载荷 （3.15）因此该轴承能够满足需求正常工作。（3）连杆的结构设计此处的连杆长度为751.67mm，受轴向单向压力，有上面计算可知，轴的最大轴向压力F=124.7N，考虑载荷有些冲击，故选安全系数S=3，选用材料Q235。 （3.16）可见轴的实际尺寸很小，但为了加工方便并且保证轴的刚度，选择轴的直径d=20mm。因此得到连杆的结构尺寸如下图： 图3.11 连杆结构图3.2.6曲柄滑块机构的运动分析图3.12 曲柄滑块机构图1.

54、 曲柄滑块机构的位置分析由图3.12所示，曲柄1长度为，连杆2长度。则，该机构的封闭矢量方程式为 （3.17） （3.18）展开后分别取虚部和实部得 （3.19）即： （3.20） （3.21）将数据，式（2.23）代入式（2.24）得 （3.22）2 曲柄滑块机构的速度分析将式（2.21）对时间t求导数得 （3.23）两边乘以后，展开并去实部得 （3.24） （3.25）将式（2.27）展开后取实部得 （3.26）即： （3.27）将数据，代入式（2.29）得 （3.28）根据设计要求，曲柄转速为50r/min，可以算得 （3.29）将式（2.23）和式（2.31）代入式（2.28）得 （3.30）将以上公式每隔5取一个点进行计算，并绘制曲线如下图所示图3.13 曲柄滑块速度图像由图像可以看出，速度最大发生在时，此时最大速度纸0.8m/s，可见滑块的工作速度范围为00.26m/s，波动范围很小，因此曲柄滑块机构符合设计要求，能够平稳工作。3. 曲柄滑块机构的加速的分析将式（2.27）对时间求导数得 （3.31）两边乘以，展开后取实部得 （3.32） （3.33）将式（2.29）展开后取实部得 （3.34）将数据分别代入公式（2.34）得 （3.35）根据设计要求，曲柄转速为50r/min，可以算得 （3.36）将式（2.23）和式（2.36）代入式（2.33）得 （3.37）