快递物品快速包装设备设计毕业论文.doc

机械工程学院毕业设计（论文）

题 目：快递物品快速包装设备设计
专 业：机械设计制造及其自动化
班 级： 121
姓 名： 吴 健
学 号： 1666120127
指导教师： 乔印虎
日 期： 2015.12.15

目录
1、绪论 3
1.1引言 3
1.2国内外研究现状及分析 3
1.3本文研究目标与意义 4
2、书本打包机总体设计 4
2.1书本捆扎规格 4
2.2打包工艺方案设计 5
2.3、工作工艺图示 5
3、书本打包机机械结构设计 6
3．1送书机构 6
3.2推书机构 7
3.2.1、计算气缸提供的推力 9
3.2.2、活塞杆直径计算 9
3.3折上下边及折侧边机构 10
3.3.1、丝杠的初级估算 11
3.3.2、丝杠的验算： 11
3.4取纸送纸机构设计 12
3.4.1送纸机构原理 13
3.4.2纸张测厚检测原理 14
3.5折四角机构设计 16
3.5.1、直齿锥齿轮的估算 16
3.5.2、直齿锥齿轮的当量齿轮和重合度： 18
3.5.3直齿锥齿轮的强度校核： 19
4、书本打包机控制系统设计 23
4.1、书本打包机工作流程： 23
4.2书本打包机各部分控制设计： 23
4.3、书本打包机信号输入输出分配表： 23

快递物品快速包装设备设计
摘要：随着经济的发展，电商的快速崛起，商业印刷行业也得到了飞速的提高，这对书本打包的快速性和精确性提出了更高的要求。书本打包机的横向送书机构、纵向推书机构、折上下边及侧边机构、折四角机构、送纸机构进行设计是此次设计的重点，它们的正确与否决定了设计的成功和失败。本书本打包机设计中应用了多种传感器，由传感器进行检测，传输给PLC，由PLC对书本打包机的各保证动作进行控制，减轻了工人工作负担，实现了机器的智能化控制更保障包装的高精度和高质量。用机器代替人工完成书本的包装工作，即节省时间和劳动力又保证了长时间工作的高包装质量。
关键词：送书机构；推书机构；折上下边及侧边机构；PLC控制
1、绪论
1.1引言
近年来随着科技水平的提高,教育的普及,这也推动商业印刷和包装工业的快速发展的市场,这对图书输送物流提出了更高的要求。电商的迅速崛起促使商业印刷不停前进，但是传统的打包工艺无法满足现代社会的需要，它的高成本，打包缓慢，精度低，效率低等缺陷严重制约了商业印刷的发展。为了解决这种问题，在包装行业使用自动化书本打包机势在必行。
1.2国内外研究现状及分析
经济发展的越来越快，人们的需求也在日益提高，包装的速度、工艺及包装质量都遭受着严重的挑战。但是随着计算机技术和自动化技术的不断发展，我们找到了书本打包机新的发展路线，书本打包机将向着自动化、精密化、智能化进行改进。本次设计将对书本打包机的纵向送书机构、送纸机构、折上下边及侧边机构、折四角等机构进行设计计算，并对书本打包机的流程及控制系统进行设计，已达到自动化包装的目的。目前在我国书本打包多数还是采用人工打包，这与国外先进的全自动化包装机械存在着很大的差距，这主要表现在：
（1）包装纸裹包书摞没有专业的摞书装置进行摞书，裹包折叠书包的外观形态形状大小各异没有统一的格式，造成了在捆扎书摞时皮带受力不均匀，可能会造成裹包的散捆。
（2）手工多于机器：在书本的运输，打包等方面自动化水平低，无法满足众多客户的需要跟不上现代图书物流业的发展。
（3）书本打包的低效率、高成本、低外观，包装方法和工艺不尽完善，仍需后续加工处理，这些都对商品造成了严重的负担。
我国的书本打包技术较国外十分的落后，已经无法适应现代化图书物流业的需求了，书本打包机要向一下几个方面进行改进：
(1) 机械功能多元化：因为人们的需求各有不同，为了满足大多数人的需求，书本打包机必须能对多种规格的书本进行打包。
(2) 机械设计标准化：必须充分利用模块化设计方法使其能在短时间内更换新机型，提高产品的市场反应速度，满足市场的需求。
(3) 控制智能化：书本打包机的包装动作以及检测都将由计算机进行控制，提高了包装的精度，并降低了工人的压力。
(4) 提高包装的精确性：在设计机械时要保证严格的配合性，保证机械的正常运行，书本打包机的每一个工作都由传感器检测，并由PLC控制，保证了机械运动的高度精确性。
1.3本文研究目标与意义
在整个书本配送过程中，无疑打包是最费时也是最直接呈现商品的一个环节。然而传统的手工包装方式，既费时又费力，效率低，质量差，高成本而又低回报，这种打包方式严重违反了市场的规律难以满足要求。所以对书本打包机的自动化，智能化改造势在必行，本次设计将对书本打包机的纵向送书机构、送纸机构、折上下边及侧边机构、折四角等机构进行设计计算，并对书本打包机的流程及控制系统进行设计，已达到自动化包装的目的，能极大的提高打包效率，降低操作者劳动强度。
2、书本打包机总体设计
2.1书本捆扎规格
四种书本规格分别为：
表1书本规格
书本规格
长度(cm)
宽度(cm)
小32开
18.5
13
小16开
26
18.5
大32开
21
14.8
大16开
29.6
21

从表中可发现小32开正好是小16开的一半，大32开是大16开的一半。故可考虑采用控制复本数的方式规范为二种包装规格：
小包书摞：长37cm，宽26cm；
大包书摞：长42cm，宽29.6cm；
复合牛皮包装纸规格为：长118cm，宽78cm。
2.2打包工艺方案设计
书本打包机的工艺流程为：首先将待打包的书摞由横向送书装置的左侧送至纵向推书的位置，同时送纸机构工作将包装纸送至指定位置，然后由气缸将书摞向前推送再此过程中书本与包装纸相遇，书摞和包装纸一起向前运动书摞被裹包成了“匸”字型，接着书摞和包装纸输送到折上下边及侧边工位，由折上下边及侧边机构完成书摞前口、两侧边的上、下伸出端包装纸的折叠，最后书摞输送到折四角工位，由折四角机构完成对四角伸出端包装纸的折叠。其工艺顺序简略为：推书→送纸→推书保三面→折上下边及两侧边→折前后角。
2.3、工作工艺图示

a 推书送纸 b 推书包三面

c折上下边及侧边 d 折四角

图1书本打包机工艺

3、书本打包机机械结构设计
3．1送书机构

1-皮带；2-电动机；3-三脚架；4-滚轮；5-减速箱
图2送书机构
图2所示为送书机构，该机构的主要任务是将皮带左端的书本通过皮带运输到右端。该机构主要由皮带、电动机、减速箱、滚轮、三角架构成。书本利用皮带从左端运输到右端推书位置，由送书电机提供动力，通过皮带传输。查阅机械设计手册知皮带选普通平带，需满足轴间距大。
：皮带轮机构
皮带与重物的总重量；滑动面的摩擦系数；滚轮的直径；滚轮的重量；皮带与滚轮的效；皮带的速度；电机电源：单相110V60;工作时间：1天8小时运转。
‚：决定减速箱的减速比：
减速箱的输出速度:

电机（4极）在60HZ时的额定转速为1450~155r/min,故应选择减速比。
减速箱的减速比i为:

因为输送带启动时所需转矩为最大，故先计算启动时的必要转矩。
滑动面的摩擦力为F:

负载转矩：

因为此负载转矩是减速箱输出轴转矩，还需要转化成电机输出轴的转矩：
（减速箱的传导效率）
按使用电源电压波动（220V10%），设定安全率为2倍。

查阅标准电机型号/性能表，可得选用电机：90YS40GV22，减速箱90GK60H。
ƒ确定负载惯性惯量：
皮带：工作物的惯性惯量

滚轮的惯性惯量

减速箱输出轴的全负载惯性惯量

因为,故选择是合适的。且所选用的电机额定转矩为260，较实际负载转矩大，可以提供更大的转速。
3.2推书机构
图3所示为横向推书机构，该机构的任务是当书摞运输到推书位置时，传感器接受到信号，气缸开始工作，活塞杆推动推板向前推书。该机构主要由气缸和推板构成。

图3横向推书机构
选择气缸型号：
表2气缸标准型号
缸径（mm）
40
50
63
80
100
使用压力范围
0.05~1.0MPa
环境和流体温度
无磁性开关：-10︒c~+70︒c,带磁性开关：-10︒C~+60︒C
使用活塞速度
50~500mm/s
缓冲
气缓冲
行程长度允差mm
~250，251~1000,1001~1500
给油
不需要
接管口径（Rc）
1/4
3/8
1/2

表3行程/磁性开关型号
缸径（mm）
标注行程（mm）
磁性开关型号
磁性开关安装件
拉杆安装
除A54外
仅A54
40
25,50,75,100,125,150,175,200,250,300,350,400,450,500

Z73
Z76
Y59
Y7BW
Y7BAL

A54

BA4-040

BT-04
50
25,50,75,100,125,150,175,200,250,300,350,400,500，600
63
BA4-063
BT-06
80
25,50,75,100,125,150,175,200,250,300,350,400,450,500,600，700
BA4-080
BT-08
100
由工作条件：工作行程超过300mm；工作压力0.05MPa。查阅表2、3选择气缸型号为SMC（中国）有限公司生产的CDA2B-50-350-Y7BAL。
3.2.1、计算气缸提供的推力
根据《机械设计手册5》得：当推力作功时：
(m) （1）
式中－－活塞杆上的推力N；p－－气缸工作压力Pa;
D－－活塞直径m；－－载荷效率，主要主要保证气缸特性参数及总阻力。因为在这里气缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，可只考虑其总阻力，其载荷率可取0.7。
故=
气缸工作时的总阻力：；故气缸工作时能提供比阻力更大的力。
3.2.2、活塞杆直径计算
查阅《机械设计手册5》得：活塞杆直径d可根据气缸拉力预先估定，活塞杆直径可按。取d/D=0.2,故。
按强度条件计算 (2)
式中－气缸的推力N;－活塞杆材料的许用应力；
－材料的抗拉强度pa;S－安全系数，;

因为气缸由内置磁环，故活塞杆应选用5A03铝，查阅《机械设计课程设计手册》表2-20得抗拉强度175MPa。故。
带入公式得
故活塞杆直径取，满足强度要求。
综上所诉，气缸选用CDA2BF-50-350-Y7BAL，工作压力0.05MPa，活塞杆直径10mm。
3.3折上下边及折侧边机构

1-直流电机；2-刚性联轴器；3-滑动丝杠；4-右挡板；5-上挡板；6-左挡板
图4折上边及侧边机构
图4所示折上边及侧边机构简图，该机构的任务是在书本经过送纸之后，对包装纸进行折上边及侧边。该机构主要由直流电机，刚性联轴器，滑动丝杠，左挡板，右挡板折，上挡板构成。折上下边及侧边运动由电机带动丝杠运动来实现，因为工作只要求满足上下运动，无较高的精度要求，为了加工简单，选择易于自锁的滑动螺旋方式。因为丝杠运动中传递力和运动，不承受冲击和变载荷，且精度要求不高，故选用加工简单的矩形螺纹。根据《机械设计大典4》螺杆材料选45钢，螺母材料选耐磨铸铁。
3.3.1、丝杠的初级估算
螺母上的负载重量为10Kg;螺母移动速度为10cm/s;丝杠直径选用50mm;螺母高度为2cm;导程为10mm。
螺纹工作高度p为螺距,查阅《机械设计课程设计手册》表3-1得：；所以
螺旋圈数H为螺母高度；Z为螺旋圈数
查阅《中国机械设计大典4》得:
;
3.3.2、丝杠的验算：
1、校核工作强度:
(3)
公式中：F--轴向载荷（N）；--许用压强（Mpa）查阅《机械设计大典4》表37.2-8得。

所以满足工作压强要求。
2、验算自锁
螺纹升角： （4）
通常可使
公式中：--当量摩擦角；螺旋副的滑动摩擦系数，查阅《机械设计大典4》表37.2-7得；L--导程（mm）；--牙型角，矩形螺纹
故

故螺旋升角满足要求。
3、验算螺杆中径： （5）
式中矩形螺母：；整体式螺母取取；
N
故螺杆中径满足要求。
4、螺杆强度校验：
（6）
公式中：T--传递扭矩；--螺杆材料的许用应力（MPa），查阅
《中国机械设计大典4》表37.2-9得：-材料的屈服极限，查阅《机械设计课程设计手册》表2-7得：，故
传递扭矩
故螺旋强度满足要求。
3.4取纸送纸机构设计

（a）单张纸运动过程

（b）多张纸运动过程
1-搓纸轮；2-拾纸轮；3-分离轮；4-电容传感器；
图6取纸送纸机构示意图
图6所示为取纸送纸结构示意图，该机构的任务是将包装纸从纸盒中取出，并输出单张包装纸。该机构主要由搓纸轮、拾纸轮、分离轮、电容传感器、步进电机、引导板与分离轮电磁式离合器构成。
首先，搓纸轮工作将包装纸从纸盒中搓离出来，当电容传感器检测出包装纸为单张时如图(a)，此时拾纸轮开始工作带动纸张输送且分离轮的轴离合器分离被纸张带动旋转；当电容传感器检测出多张进纸时如图(b)，此时分离轮的离合器开始工作接合分离轮，分离轮开始逆时针旋转，将多余的纸张退回纸盒。
3.4.1送纸机构原理

图7单张纸受力模型

单张送纸过程的动力学方程：
（7）

其中与分别为送纸轮与分离轮的转动惯量，与分别为这两轮角速度，与分别为其半径，与分别为其扭矩。
各接触表面相对运动速度方程：
（8）

从公式(7)可以看出，送纸轮与分离轮与大小相等，方向相反，为了使传送平稳，即的值趋近于0，则应该使，。从公式（8）可以得出。
由上可得，在设计送纸轮与分离轮时，应尽量使两轮的转动惯量相等从而促使平稳传送。
如图 8 所示，当传感器发现多张送纸时，分离轮的电磁离合器闭合接触分离轮，分离轮逆时针旋转，将多余的包装纸退回纸盒。

图8多张纸受力模型
3.4.2纸张测厚检测原理
当包装纸送出时超过一张，如果包装纸视为一个整体就相当于单张纸的厚度变大。所以只需要检测包装纸的厚度就可以判断是否出现重叠输送问题。此处使用平行板式电容作为传感器进行检测，其原理为当两极板之间的材料或厚度值改变时，电容值也会随着发生改变。图9所示为在电容器传感器测包装纸的示意图。

图9纸张测厚示意图

其电容量为公式：
(9)
公式中：
--电容极板面积(单个极板)；
--包装纸上表面到电极的距离；
--包装纸厚度；
--包装纸下表面到电极的距离；
--包装纸上表面到电极板之间介质的介电常数；
--包装纸的介电常数；
--包装纸下表面到电极之间介质的介电常数。
由于，且当时，
(10)
公式中d是两电极板间的距离
一般电容极板的面积 S，极板距离 d保持不变的，当被测包装纸至电极之间介质的介电常数和不变时，极板电容值只受包装纸的厚度及介电常数的变化的影响。一般包装纸的介电常数不变，故包装纸的厚度可以通过公式计算出来。
3.5折四角机构设计

1-电动机；2-皮带；3-锥齿轮；4-挡板；5-轴；6-联轴器
图10折四角机构示意图
图3-5为折四角机构示意图，该机构的任务是当经过折上下边及侧边的书本到达折四角位置时，由该机构对书本进行折叠四角。该机构主要由电动机、皮带、锥齿轮、挡板、轴、联轴器构成。
3.5.1、直齿锥齿轮的估算
直齿锥齿轮主要参数初选：
确定齿数比：根据《查阅《机械设计手册》第14-249页表14-3-3：
，按传动要求确定，一般，所以u可以取1。
‚确定齿数：通常，不产生根切的最少齿数
故。
模数；齿数；齿轮比；压力角；齿宽；扭矩100N。
直齿锥齿轮的几何计算：
根据《机械设计大典4》表33.1-12得：
齿顶高系数：查阅《机械设计大典4》表33.1-2知；
顶隙系数：查阅《机械设计大典4》表33.1-2知；
轴交角：；
高变位系数：根据《机械设计手册5》可得；
切向变位系数：；
大端分度圆直径：；
分度锥角:时，，
；
大端锥距：；
大端齿距:mm;
大端齿顶高：mm;
大端齿根高：mm;
大端全齿高:mm;
齿根角：;
无根切许用最大齿根角：
;
齿顶角：等顶隙收缩：;
顶锥角:;
根锥角：；
大端齿顶圆直径：；
冠顶距：;
大端分度圆弧齿厚：；
大端分度圆弦齿厚:;
大端分度圆弦齿高：；
刨齿机的齿角：

图11
3.5.2、直齿锥齿轮的当量齿轮和重合度：
参考点锥距：；
参考点模数：；
参考点分度圆直径：；
参考点齿顶高：；
参考点齿根高：；
参考点分度圆弧齿厚：；
当量齿轮齿数：；
当量齿轮齿数比：；
当量齿轮分度圆直径：；
当量齿轮中心距：；
当量齿轮齿顶圆直径：；
当量齿轮基圆直径：；
当量齿轮啮合线有效长度：
；
当量齿轮基圆齿距：;
当量齿轮端面重合度：；
刀具齿顶高：；
刀尖圆角半径：根据《中国机械设计大典4》 表33.1-14得：。
3.5.3直齿锥齿轮的强度校核：
1、直齿锥齿轮强度校核的原始参数：
小轮转矩：；
小轮转速：；
有效齿宽系数：；
齿轮材料及热处理：，渗碳淬火；
齿面硬度：根据《中国机械设计大典4》表32.1-19可选：；
试验齿轮的接触疲劳极限：查图32.1-23可得：；
试验齿轮的弯曲疲劳极限：查图32.1-28可得：；
齿轮材料的密度：；
材料的弹性模量：;
材料的泊松比：；
齿轮的精度等级：；
齿面粗糙度：；
润滑油:;
时润滑油的名义运动黏度：;
使用寿命：。
2、直齿锥齿轮的齿面接触强度校核：
节点区域系数：
； ;；
单对齿啮合系数：
；
弹性系数：;
螺旋角系数：；
锥齿轮系数：;
尺寸系数：;；
润滑剂系数：;
;
速度系数：查表33.1-66得:；
;
小轮齿面微观不平度：
大轮齿面微观不平度：
相对曲率半径：；
；
；
粗糙度系数：;
工作硬化系数：因为, ;
接触疲劳寿命系数：查阅《中国机械设计大典4》图32.1-30，根据可选7;
齿面中点接触线长：；
参考点切向力：;
齿面接触应力基本值:
(11)
使用系数：根据表32.1-31选择;
有效齿宽：；；
齿轮啮合刚度修正系数之一：当;
齿轮啮合刚度修正系数之二：当；
轮齿的啮合刚度：；
单对齿刚度：；
诱导质量：；
临界转速：；
临界转速比：;
根据齿轮精等级由表33.1-56得：;
齿距极限偏差：；
轮齿跑合量：根据表33.1-66：渗碳淬火钢：；
有效齿距偏差:;;
当时的：;
当；
当时的,当;
动载荷系数：当时，；
接触强度计算的齿向载荷分布系数：当

装配系数：根据装配条件和接触区检验条件，按表33.1-59选取： ；
；
接触强度计算的齿间载荷分配系数：当时，
；
接触强度计算安全系数：
； (12)
许用接触强度最小安全系数：根据表32.1-40。
4、书本打包机控制系统设计
4.1、书本打包机工作流程：
1、送纸机构向下送纸，当包装纸到达指定位置时，光电传感器接收到信号，方形电磁铁通电，加紧包装纸，此时送纸电机停止工作；
2、当包装纸为2张以上时，电容传感器2接收到信号，电磁式离合器闭合；
3、当书本送到横向推书位置时压力传感器1收到信号，气缸开始工作；
4、当包装纸的上边沿完全脱离时，电容传感器1接收到信号，送纸电机开始工作，此时方形电磁铁断电；
5、当书本运送至折上下边工位时，压力传感器2接收到信号，折上下边机构开始工作；
6、当书本送到折四角工位时，压力传感器3接收到信号，折四角机构运转一周；
4.2书本打包机各部分控制设计：
1、送纸装置控制设计 用平行板式电容传感器器对重叠送纸进行检测，然后通过电压比较芯片对信号进行比较控制电磁式离合器的闭合，驱动分离轮工作将重叠的多余纸张退回到纸盒。
2、包装纸输送到指定位置时检测的控制设计 光电传感器检测包装纸是否运送到指定位置，控制电磁铁的供电。
3、书本位置检测及打包动作控制设计 书本输送到不同的工位时要进行不同的打包动作，由压力传感器检测书本的位置并控制打包动作；

4.3、书本打包机信号输入输出分配表：
表4信号输入输出分配表
输入信号
输出信号
光电传感器
I0.1
送纸电机
Q0.0
压力传感器1
I0.2
电磁铁
Q0.1
电容传感器2
I0.3
气缸
Q0.2
压力传感器2
I0.4
折上下边电机
Q0.3
压力传感器3
I0.5
折四角电机
Q0.4
电容传感器1
I0.6
电磁式离合器
Q0.5

图12书本打包机PLC控制梯形图
5、总结
历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，本次毕业设计的结束也意味着大学生活即将结束，这次毕业设计能够顺利完成我要谢谢指导老师对我的指导，也要感谢同学对我的帮助。这次毕业设计我选择的是快递物品快速包装设备设计，前期我查阅了很多资料进行准备，然而在设计时还是遇到了很多困难，这让我意识到我欠缺的很多，我将在以后的工作生活中不断学习。

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Express items fast packaging equipment design
Abstract: with the development of economy, the rapid rise of electric business to improve the commercial printing industry also rapidly, pack the quickness and accuracy of the books put forward higher requirements.Books press transverse send books institutions, longitudinal institutions, folding on the bottom and side mechanism, fold the corners, to carry on the design is the design emphasis of the paper, they are correct or not determines the success or failure of the design.Book the packing machine applied in the design of a variety of sensors, the sensor for testing, transmitted to the PLC, the PLC to control books each guarantee baling press action, reduce the burden of work, workers to realize the intelligent control of the machine more secure packaging of high precision and high quality.By machine instead of manual book packaging work, saving time and labor and ensures the long hours of high quality packing.
Key words: submitted to the office of books;Push the book agencies;Fold on the bottom and side institutions;PLC control
附图

附图 书本打包机三维装配图
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