自动纸盒加工系统设计和实现 电气工程专业

1、摘 要随着经济的快速发展，人们通过电商平台购买商品的数量不断增加，导致物流行业对纸箱的需求显著上升，传统手工制作的纸箱产量已远远不能满足市场。因此自动化纸箱生产流水线的研制变得越来越具有可行性和迫切性。本文搜集了海内外自动纸盒机的研制现状，同时给出了其优缺点对比。在分析了纸箱加工的工艺过程和瓦楞纸板的各类特性，同时对比分析了各类自动化设备中使用的动力、传动、自动控制等系统的性能及优缺点之后，确定了送料，压痕，切边，涂胶，折边，堆料的自动纸盒成型机结构方案。考虑到实际应用背景，方案中使用了高可靠性低成本的丝杠导轨传动系统以及相应快速，结构紧凑的气动传动系统，同时使用PLC进行自动化控制等。通过理

2、论计算和使用Solidworks软件三维建模，进一步优化了系统中各个关键部件的设计，从而实现了在给定加工速率下，可以用不同型号及尺寸的瓦楞纸板加工出多品种的纸盒。关键词：自动化机械，三维建模，PLC，瓦楞纸箱Design of Automated Corrugated Box Processing SystemABSTRACTWith the rapid development of the economy, the number of people purchasing goods through online platforms has been increasing, resulting

3、 in a significant increase in the demand for corrugated box in the logistics industry. The production of traditional hand-made corrugated box is far from the demand of the market. Therefore, the development of automated corrugated box production lines has become more and more feasible and urgent.In

4、this paper, the development status of domestic and oversea automated carton machines is collected, and in the meanwhile a comparison of its advantages and disadvantages is given. After analyzing the procedures of corrugated box processing as well as various characteristics of corrugated board, and m

5、eanwhile comparing and analyzing the performance, advantages and disadvantages of driving, transmitting, automatic control systems used in the application of automated machines, a scheme of automated corrugated box processing system was determined, which consists the feeding, cutting, indenting, glu

6、e smearing, folding and stacking procedure of the cardboard. According to the practical application, the high-reliability and low-cost screw guide transmission system and quickly corresponding, compact pneumatic transmission system are used in this scheme, various kinds of sensors are used to guaran

7、ty the locating accuracy, and PLC control system is used for automatic control. Through the theoretical calculation and the 3D modeling which is done by using Solidworks 3D modeling software, the design of each key component in this system is further optimized, so that a variety of corrugated box ca

8、n be made with cardboards with different types and sizes under a given processing velocity. Key words: automated machines, 3D modeling, PLC, corrugated box自动纸盒加工系统设计陈长祺 0112153250 绪论随着我国经济力量的不断发展，城市化水平不断上升1（如图0.1所示），人们的生活水平得到了极大的改善，引发了对商品的大量需求。图0.1 中国城镇化率随时间的变化曲线现在人们可以轻松地通过各种渠道购买到种类繁多的商品，而且我国一流的电商和物

9、流服务也让这种购买变得不受地域和时间限制。然而在物流运输过程中，为了保护商品不受损坏，一般都必须把商品装入纸箱中，再填充缓震材料。与此同时纸箱在许多行业中也是不可或缺的配件之一，往往需要在短周期内生产大量优质的纸盒或纸箱。传统纸箱加工一般使用手工制作或半自动机械制作，然而这些方法具有诸多缺点。对于手工制作来说，特别是瓦楞纸材质的纸箱，大多需要工人手工涂上胶水然后在折叠、粘合，生产效率太过低下，一批产品的制作周期往往会很长；而且由于工人熟练度的不同，产品的质量也会参差不齐。在行业竞争的压力日渐增大的市场中，这种方式根本无法满足需求，严重影响企业的生存。对于半自动机械加工来说，虽然产品的生产效率在

10、机械设备的帮助下得到一定提高，但依旧需要大量的人力操作而且安全系数不高，易出现事故。如图2所示，近年来我国人口老龄化严重2，而且新兴劳动力的培养尚需年日，所以手工及半自动劳动模式下的人工成本逐渐走高，严重影响企业利润。图0.2 2007-2016年我国65岁以上人口统计图制造业是一个国家的支柱产业，在社会发展中起着中流砥柱的作用。它作为一项传统行业，但往往也是发生改变最快、最激烈的地方。从百年前的工业革命到现在中国制造2025以及工业4.0，制造业的生产方式与产品类型已经发生了翻天覆地的变化。特别是最近几十年，机械技术与电子电气、计算机技术的结合越来越紧密，诞成了工业机器人、柔性制造系统等高端

11、自动化产品，让人类社会的生产力到达了一个全新的高度。这些机电一体化系统有着高效率、低能耗、安全系数高、生产质量高等一系列优点，而且只要少数人员即可进行生产，能最大程度上减少人员成本，是未来的发展趋势。因此在包装行业，这种自动化纸盒生产线的研制便有了很大的必要性和迫切性。同时，开发出先进的国产自动化纸盒生产线也能打破国外设备在包装行业的垄断，让国内企业不再承受其高昂的价格和维护成本，真正实现利润最大化。1 自动纸盒加工机械的国内外发展现状我国自动纸盒加工机械的研制起步较晚，在改革开放之前此领域基本处于空白状态。八十年代改革开放之后，我国经济飞速发展，包装机械行业也发生了脱胎换骨般的改变，九十年代

12、时年收入增长速率超过20%，从机械的品质到品种都取得了令人瞩目的成就3。然而国产包装机械仍存在诸多问题，比如设备装备落后，自动化程度低，生产规模小，成本高、效益低和维护技术力量薄弱等。目前通用性较高的自动纸盒成型机或开箱机可以自动完成将纸箱板开箱、成型、下底折叶折曲并实现箱底胶带粘贴等工序，在包装、物流行业应用广泛4。由中科天工研制的TG-3C40P 型全自动天地盖制盒机是目前国内较为先进的全自动纸盒成型设备，应用于高端精品盒包装领域的天地盖纸盒定制成型，其外形结构如图1.1。图1.1 TG-3C40P 型全自动天地盖制盒机此设备采用可编程序控制器（PLC）、光电追踪系统、气动液压系统、友好的

13、人机界面，可以实现自动传递纸板，纸面涂胶，纸板折叠并进行纸面贴合一次性完成，整台设备全自动全天候运行。它还具有定位精度高、节省材料、结构紧凑等特性，生产效率与质量都要比传统半自动或手工制作有很大的提高。其生产工序如图1.2所示。图1.2 TG-3C40P 型全自动天地盖制盒机的生产工序国外包装行业的机械化、自动化进程相比国内要早很多，其中美国、德国、日本、意大利的包装成型机械位于世界领先水平5。这些国家的包装机械虽各有特点，但总体都有高度集成化、自动化、生产质量高、可以柔性兼容多种纸盒类型、可靠性高等特点。日本三菱重工的EVOL系列纸盒自动成型设备（如图1.3所示）可以兼容多种纸盒尺寸，集成多

14、种传感器和CNC控制单元，能够实现完全自动化运行，并且在其专利技术的支持下可以实现更高的纸盒折叠精度，其结构如图1.4。图1.3 日本三菱重工EVOL系列自动纸盒成型设备图1.4 EVOL系列纸盒自动成型设备折叠专利技术2 课题主要工作内容本设计主要偏重于自动纸盒加工系统中所有机械部分的设计，在对纸盒成型过程及技术要求进行分析后，制定装置总体方案，对关键零件和部分非标零件进行理论计算和外形设计，得到自动纸盒加工系统总体装配图和主要零部件图。本设计同时对电气控制系统也进行了相应的设计。3 课题分析3.1 设计技术要求(1)纸板加工最大尺寸1000 x1000mm；(2)自动纸板从堆料仓摄取到加工

15、为处，并定位；(3)机器能根据纸盒加工顺序进行纸板的自动压边、涂胶、折叠连接等工作；(4)成品放到堆料区；(5)每分钟加工5只纸盒。3.2 纸盒加工工艺分析本设计最终得到的成品是便于运输存储的、未经开盒成立体盒形的纸盒皮，如图3.1所示。图3.1 易于存储的纸盒皮市面主流的纸盒加工机械按照如图3.2所示的工艺流程进行加工，但存在模切模具成本高、模切刀具寿命短、柔性差等缺点。本设计因此提出将切边与压痕分为两道工序的改进工艺流程（如图3.3所示），避免使用模具。图3.2 市面主流纸盒加工工艺流程3.3 本设计采用的纸盒加工工艺流程本设计根据国家标准GBT 6543-2008运输包装用单瓦楞纸箱和双

16、瓦楞纸箱，选取0203型为最终得到的纸盒皮展开图（尺寸如图3.4所示），并以此为基础设计自动纸盒加工系统。图3.4 纸盒皮展开图4 系统方案确定本设计根据选定的纸盒加工工艺流程，确定自动纸盒加工系统的机械结构主要由送料部、输送部、压痕部、裁切部、折叠部和堆料部等部分组成，再使用自动控制系统进行控制。本设计系统方案如图4.1所示。图4.1 系统设计方案5 机械结构部分具体设计内容5.1 输送部（动力滚筒输送机）设计输送部用于连续、均匀、稳定地输送纸板，可选用的输送机械设备有带式输送机和滚筒输送机。5.1.1 带式输送机带式输送机是应用最广泛的输送机械，其组成材料简单，主要构成为连续传送装置和一条

17、紧密封闭的输送带。主要特点有：(1)材料容易获得，工作机制简单，工作状态稳定；(2)适用面广，可以广泛应用于各种场合；(3)对于被输送的物品要求低，可以用于输送密度不小于0.5g/cm3颗粒、粉状物体等；(4)其主要类型有：(5)普通胶带输送机：通用带式输送机、气垫带式输送机、轻型固定式带式输送机等；(6)特种胶带输送机：钢绳芯带式输送机、管状带式输送机等；(7)特种带式输送机：磁性带式输送机、钢绳牵引带式输送机等；5.1.2 滚筒输送机滚筒输送机又被称为滚柱输送机。它主要由相互之间具有一定距离的滚筒构成，在滚筒上盖上输送履带，加以动力就可以对货物进行输送。滚筒输送机原理在于滚筒与履带之间的摩

18、擦力，所以一般来说，制造滚筒输送机要求滚筒表面和履带之间的摩擦系数要较大，同时为了保证滚筒的刚度，滚筒主要由铝合金来制作。为了保证滚筒输送机的正常运行和物品的稳定，滚筒之间的距离应该小于物品支撑面长度的14。滚筒输送机的研发解决了很多物品运输方面的问题，其主要运用于生产车间运送物品。滚筒输送机在车间被广泛采用。主要因为它对环境的要求不高，在各个场合都能适用，不仅适用于物品生产流水线，还可以在生产的工艺上直接用上。因此，很多行业在生产中多选用了滚筒输送机。作为一种输送机，滚筒送机没有挠性牵引构件，它与其它输送机相比，拥有多种多样的功能，而且它的结构简单、维护方便、而且运转起来可靠性较高，但是他最

19、突出的就是能够在生产工艺过程当中实现很好的衔接和配套。它具体表现为:(1)它可以根据需要改变为各种形式的输送线，在进行布置的时候很灵活，很容易进行分段和连接。(2)拥有多种多样的功能。在输送或者积存物料的时候，我们可以使用无动力式、动力式和积放式等多种运输方式。而且在输送的过程中，可以对物料进行升降、移动和翻转，另外还可以实现和其它输送机之间进行转运。(3)与其他工艺设备之间可以进行衔接和配套，而且非常方便和简单，特殊时候也可以直接作为工艺设备。(4)在输送物料的时候，输送平稳、停靠准确，在诉讼的过程当中，方便我们进行一些其他操作，而且还方便实现自动控制的功能。(5)对于一些尺寸较小的物料，我

20、们可以直接利用两台滚筒运送机进行连接。(6)对于一些大型的成件物料，我们可以采用双排或者多排滚筒运输机，并排一起组成一个宽大的滚筒运输机。(7)对于一些高温的物料也可以进行输送。(8)这种输送机的标准化、系列化和通用化的程度都比较高，可以进行组装，然后形成不同的运输系统。 滚筒输送机的种类有很多，通常可分为无动力式和动力式两种。无动力滚筒输送机无动力滚筒输送机本身不含有驱动装置，在输送过程中，一般以机械、重力等外部牵引力作为装置进行工作。其常见的装置布置有两种，分别为水平输送和倾斜输送。水平输送主要依靠外力作用来对物品进行移动。主要适用于作业强度低、运送距离短等场合。其工作原理为人工采用链绳、

21、胶带等对其输送。好处在于方便人工控制，可以自行对其输送速度、输送路程的选取等；缺点在于对物件大的货物不方便输送，输送距离长对人工要求高。倾斜输送主要是依靠重力的作用，从上往下进行传动输送，现阶段最常见的就为倾斜输送。其主要优点在于制作成本低、结构设置简单、方便移动；缺点在于不适合输送微小物品、易碎物品等，在输送过程中不方便对其进行实时掌控。一般适用于工厂等输送中小型货物。如果输送距离较长，必须分成几段，在每段的终点升降台把物料提升一定高度，使物料再次沿重力式辊道输送。动力式滚筒输送机动力式滚筒输送机的结构内部含有驱动器，驱动方式为电力驱动。滚动输送机为主动输送，可以在人工控制或者机械自动控制，

22、方便于物品在输送过程中出现突发事故进行及时控制。动力式滚筒输送机的驱动方式有：链条驱动，电动机驱动，带驱动式和锥齿轮驱动。根据本设计的工况，选用单链驱动动力滚筒输送机，其特点为：输送机承载能力范围大，通用性好，结构紧凑，布置方便，适用于轻载、低速的场合。5.1.3 外形设计根据技术要求中最大纸板尺寸为10001000mm，确定两段动力滚筒输送机空心滚筒的长度为1050mm，直径80mm，两滚筒轴心距为280mm。如图5.1所示图5.1 动力滚筒输送机因为纸板的长度比较短，滚筒的长度比较长，所以要在滚筒上加上一个如图5.2所示的纸板导向定位装置。图5.2 纸板定位导向板5.1.4 主要参数计算输

23、送的纸板重量最大为:G=m1g=0.79.8=6.86N（5.1）一块纸板最多由四个滚筒支撑，则每个滚筒所受载荷为：Ftq=6.86N41.8N（5.2）滚筒外表面材料为橡胶，干燥情况下，取摩擦系数为t=0.9，重量为Gt=20N;轴承的摩擦系数为z=0.002，则滚筒与纸板间的摩擦力为：ft1= tG=0.96.8641.5N（5.3）轴承的滚动摩擦力为：ft2= zGt=0.00220=0.04N（5.4）根据技术参数，一个滚筒每分钟过五块纸板（以最大1米算）再加每个纸板间的距离20cm，总共1m的余量，可得滚筒线速度： v=6m/min=0.1m/s （5.5）滚筒转速为： n=6021

24、0rpm（5.6）单个滚筒的功率为：Ptq=ft1+ft2v=1.5+0.040.1=0.1W（5.7）每段动力滚筒输送机上有21个滚筒，则所需总功率为：Pt=210.1=2.1W（5.8）故可以选择三相异步电动机中功率最小的一种作为动力滚筒输送机的驱动电机，可供选择的电机如表5.1所示：表5.1 可供选择的电机型号型号额定功率/kW满载转速/rpm同步转速重量/kgY90S-60.75910100021Y80M1-40.551390150017经比较可知，虽然YS90-6传动比小，但比Y80M1-4重，而且价格方面更贵，因此选择Y80M1-4为动力滚筒输送机的电机。经三维建模软件测量，可得动

25、力滚筒机的总质量为531kg，需要用10根铝型材支撑，每根需承受53.1kg的质量，取竖直铝型材长度L=700mm，铝型材拉伸弹性模量E=26GPa，根据两端固定压杆临界力欧拉公式，则每根梁的极惯性矩为：I1=(0.5L)2PCR12E=(0.5700)253.19.81033.14226106=2.48104mm4（5.9）远小于表中铝型材中最小规格型号的惯性矩，因此可任意选用表中铝型材作为机架材料。表5.2 常用铝型材型号及参数型号重量/kg/m截面积/mm2惯性矩/mm4壁厚/mm20200.4611700.651041.530301.166427.73.731042.540401.21

26、4458.21041.560603.02111946.71042.580805.92168155.410445.2 压痕部设计压痕部用于压出纸板上横、纵两向折叠痕。完成压痕后，压痕处比纸板平整处更容易弯折。5.2.1 外形设计本文选用辊压式设计，即橡胶主动辊（下辊）提供支持力，套在从动轴上的辊压刀片（上辊）进行压痕，刀片在无动力轴上的轴向位置可根据加工纸板尺寸进行灵活调整，同时可加装或减去刀片用于横向或纵向压痕,如图5.3所示。刀片上制动装置配合无动力轴上的固定槽，可以保证刀片相对纸板的位置在压痕时保持不变。从动轴可手动通过旋转螺母手柄上下移动，以适应不同厚度的瓦楞纸板。图5.3 压痕部（四刀

27、片纵压痕）5.2.2 主要参数计算根据国家标准GBT 6544-2008瓦楞纸板，本设计选择双瓦楞纸箱BD-1.5型作为极限计算条件。BD-1.5型纸箱使用A楞型D-1.5优等双瓦楞纸板，其具体参数如表5.2。表5.3 D-1.5优等双瓦楞纸板参数重量（g/m2）耐破强度/kPa压痕强度/(kN/m)厚度（最大）/mm70019009.0010由表5.2可知，纸板在被压痕时，垂直纸面的压力（即辊压力竖直分力）Fpy至少为9kN。压痕过程纸板的受力分析图如图5.4所示：图5.4 辊压受力示意图主动辊顺时针转动时，纸板下侧受到向由的摩擦力f2，带动其向前运动；图示几何条件下，纸板与压痕刀片接触时的

28、辊压压力角为=16.83，则辊压力的水平分力为： Fpx=Fpytan=9tan16.832.7kN（5.10）因为瓦楞纸重力G远小于辊压力竖直分力，则可忽略不计，于是下纸面正压力为：N2Fpy=9kN（5.11）主动辊表面材料为橡胶时，取摩擦系数2=0.8，则下纸面摩擦力为：f2=N22=90.=7.2kN（5.12）上纸面正压力为：N1=Fpy=9kN（5.13）压痕刀片材料为45钢时，取摩擦系数1=0.3，则上纸面摩擦力为：f1=N11=90.3=2.7kN（5.14）对于四刀片纵向辊压部，主动辊所取驱动功率为：Pgq4=f2v4=7.20.34=8.64kW（5.15）主动辊驱动电机功

29、率为：Pg4=PgqK1=8.640.751.5=17.64kW（5.16）式中为电机效率，取75%；K1为安全系数，取1.5。因此，查表选择Y180M-4型三相交流电机用于双刀片和四刀片辊压部，其参数见表5.4。表5.4 Y180M-4电机性能参数型号额定功率/kW满载转速/rpm同步转速/rpm重量/kgY180M-418.5147015001745.3 裁切部设计裁切部用于裁切经过压痕的纸板，获得搭接舌边和折痕切槽。5.3.1 外形设计如图5.6所示，裁切部下的皮带输送机带动纸板前进，当纸板到达裁切位置后可被光电传感器检测到，皮带输送机下的挡板升起，将纸板定位，然后两侧气动裁切部同时向下

30、运动裁切纸板。裁切延时结束后，挡板降下，纸板继续前进，挡板作用示意如图5.7所示。光电限位开关是一种光电传感器，它能感知发射端与接收端之间光束的有无和强弱变化。它之所以能广泛在许多场合应用，是因为它的光电电路和输入输出电路是电隔离的。大部分光电传感器采用集成电路技术和SMT表面安装工艺制造而成，具有延时、外同步和自诊断等功能。这种光电开关同时采用了PWM技术，可以做到主动光电探测。其使用的光源有红外光或RGB光源，因此它可以做到非接触无损伤探测各类材料的物体。同时它还具有抗干扰、可靠性高、响应速度快、体积紧凑等优点。图5.6 裁切部图5.7 光电限位开关和挡板配合完成纸板定位裁切部刀片分为裁切

31、折痕切槽用的窄刀片和裁切搭接舌边的厚刀片，刀片下有刀槽，刀槽内有斜坡，便于切下的纸板滑出防止堵塞。如图5.8所示，刀槽呈“L”型，其上有导轨凹槽，可与刀片上的突起配合，如此二者可以共同在导轨上左右移动，以适应不同尺寸的纸板；导轨滑块上有止动销孔，可以配合止动销完成刀片与刀槽在导轨上的定位。图5.8 刀片（厚）和刀槽5.4.2 主要参数计算(1)裁切动力系统确定裁切部极限工作条件下所裁切的纸板为D-1.5型优等双瓦楞纸板，根据表5.3可得其耐破强度为=1900kPa；在最大尺寸10001000mm，取0203型纸箱长宽比为L:B=2.5:1，舌边宽b=35mm（双瓦楞纸箱）时，可得： b+2L+

32、2B=1000（5.17） 2B+H=1000（5.18）所以各边最大尺寸为：B=138mm，L=345mm， H=724mm。当纸板厚度h=10mm时，最大裁切横截面积为： A1=Bh=13810=1380mm2（5.19）设折痕切槽宽固定为b=17mm，则其余裁切面积分别为： A2=bh=3010=350mm2（5.20） A3=bh=1710=170mm2（5.21）裁切时，各裁切面处有： Fc=A（5.22）式中，Fc为裁切力，则单侧总需要的裁切力为： Fc总= 7A1+A2+3A3=190010371380+350+317010620kN（5.23）这些裁切载荷由三个作用杆分担，则每

33、个作用杆裁切时需要的下推力为： Fcq=Fc总3=2036.7kN（5.24）经查阅资料可知，在这样的负载下，若选用气动系统，会导致气缸直径过大，不便于安装和维护，因此选择液压系统作为裁切部动力源。在液压系统中，液压泵通过做功将液压油加压达到工作压力，通过液压阀等元件控制液压油的流向、流量和压力。之后活塞得到液压泵输出的动力完成动作，进行对外做功。液压系统有在本设计裁切工况下有如下优点： = 1 * GB3 由于液压介质本身性质，液压装置能够做到启动、传动、制动、换向时运动平稳。 = 2 * GB3 相同输出功率下，与气动装置相比，液压装置体积更小；与电机传动装置相比，液压装置的重量更轻。 =

34、 3 * GB3 液压传动时可以通过调节阀轻易实现大范围无极变速，可以适应多种工况。 = 4 * GB3 液压油自带润滑功能，所以液压装置的重复工作寿命更长；通过泄压阀，可以实现过载保护。常用的液压缸有四类： = 1 * GB3 活塞杆液压缸：单作用液压缸只有一端有活塞杆，活塞返回需靠重力或弹簧；双作用液压缸两端都可以进油出油，活塞杆可以双向运动。 = 2 * GB3 柱塞式液压缸：它是一种单作用液压缸，通过柱塞传递动力；柱塞不与缸套接触，所以缸套内表面要求低，易于加工，因此可以用于长行程液压缸；由于柱塞质量较大，所以不适于水平安装，容易导致单边磨损。 = 3 * GB3 伸缩式液压缸：这种液

35、压缸具有两级或两级以上活塞，其做功运动顺序通常为大直径活塞到小直径活塞，回程相反。它可以用于较长行程的工作情况，且结构紧凑。 = 4 * GB3 摆动式液压缸（摆动式液压马达）：可以输出扭矩并旋转运动，结构有单叶片和双叶片两种。(2)液压系统参数计算经过Solidworks三维建模软件进行外形设计后，取平均密度7.8g/cm3可估得刀片等需要上下移动的部件的总重量载荷为G刀660N，经查手册可知0.5吨以下液压缸的工作压力在0.11MPa之间，此处取P工=0.5MPa为液压缸工作压力，负荷率=80%。根据公式：F=PS（5.25）可得液压缸活塞面积：S活=FcqP工=6.71030.51060

36、.816.75cm2（5.26）活塞直径：D活=2S活/3.14=216.75/3.14=4.6cm=46mm（5.27）故液压缸内直径取D活=50mm。根据纸板厚度取活塞杆工作行程l活=30mm。经三维建模软件测量，可得单侧裁切部的总质量约为2900kg，需要用4根铝型材支撑，每根需承受725kg的质量，取竖直铝型材长度L=480mm，铝型材拉伸弹性模量E=26GPa，根据两端固定压杆临界力欧拉公式，则每根梁的极惯性矩为：I1=(0.5L)2PCR12E=(0.5480)27259.81033.14226106=1.5103mm4（5.28）可选4040铝型材作为机架支撑。5.5 涂胶折叠部

37、设计完成裁切后，纸板通过皮带输送机被送至涂胶折叠部进行折叠封边，完成最后的工序。5.5.1 外形设计如图5.9所示，当纸板前进到一定位置处时，设置在纸板两边（一前一后）下方的两个弹片式行程开关（图中红色部件）的检测弹片会被同时压下，皮带轮输送机电机停止，纸板下方的吸盘通气工作，将纸板吸牢，完成定位。之后涂胶头降下，沿搭接舌边均匀涂胶。折叠时，未涂胶的一边先通过折叠板被抬起，然后涂胶的一边再抬起；抬起一定高度后，两折叠板相向前推，一定距离后下压，将涂胶的一边压紧；粘合延时结束后，两折叠板原路返回，准备下一次折叠；纸板前部的挡板降下，皮带轮输送机启动，使纸盒皮成品继续前进。图5.9 涂胶折叠部如图

38、5.10所示，升降折叠板通过气缸驱动进行垂直位移，丝杠导轨驱动折叠板水平位移。折叠板的相向进给运动由步进电机驱动的丝杠螺母导轨实现。丝杠导轨是将电机的回转运动转化为托盘直线运动的传动装置，它通常具有高效、高精度的特点。丝杠螺母机构通常有三种类型：(1)滚珠丝杠：摩擦系数很小，传动效率高，动作灵敏，运动平稳。常用于精密传动，由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器等元件组成，结构复杂，成本较高，且不能自锁。(2)滑动丝杠：结构简单，成本低廉；由于螺母与丝杠直接滑动接触，所以摩擦阻力较大，易磨损，传动效率低，但具有一定的自锁性能，广泛应用于一般机床上的进给、调整和定位机构。(3)液体静压丝杠螺母

39、：其传动精度和定位精度高、承载能力大、刚度高、抗振性好、传动平稳、传动效率高，但其结构复杂，安装调试困难，不能自锁。常用于高精度机床和重型机床等。另一方面，导轨需要满足的要求是刚度值要求强、比较高的抗磨性、导向精度高、低速运动平稳和结构工艺性好五个方面的要求。导向精度高。导向精度基本定义是：就对机床来说，其工作时处于正在发生移动的部件能否与相关的基面能否有相对准确的沿着直线进行工作。而在运用上，导轨的精度对于很多需要精密操作的仪器是至关重要的，零件的切削、深度尺的测量、红外线测温枪等都需要很高的导轨精度。而影响导轨精度的的因素一般为导轨的磨损、结构、出厂质量的误差等，同时连续超负荷的使用、过热

40、的环境等也会导致导轨精度出现偏差。比较高的抗磨性。导轨的抗磨性对于能否长期使用是一个必要因素。在使用仪器的过程中，导轨难免会产生一定量的磨损，导致导向精度会降低，从而对仪器的精度产生很大的影响。所以为了降低这种不可避免的影响，应该避免导轨长时间的使用。刚度值要求强。一般来说，导轨在使用过程中会不可避免的接触到外部物体的压力，导轨受力变形会严重的影响相关仪器的使用精度。所以对于导轨的设计方面上，设计者需要采用一些方法，用以让导轨有足够的刚度。现阶段大多以加大导轨面积和采用辅助工具。(4)低速运动平稳。导轨在运动中摩擦力比较小，其低俗运动时没有爬行状况。(5)结构工艺性好。设计师在设计的时候采用的

41、零件材料比较容易获得，装配也比较方便，总体设计简单，成本较低。一般常见的导轨副装置有三种，分别是滑动导轨、滚动导轨和静压导轨，具体特点如下：滑动导轨：其制作简单，材料获取比较容易、足够的刚度等。(2)滚动导轨：摩擦系数较小、反应度较高、在运行时候稳定不易发生震动。在低速运动时爬行状况发生概率较小；可收缩，移动的时候方便；精度比较高；使用磨损比较慢，使用寿命长。但是在使用时候需要注意轻拿轻放，滚动导轨容易损坏，其制造需要的零件材料价格比较昂贵，成本较高。(3)静压导轨：摩擦系数小，机械效率高，能长期保持导轨的导向精度。其承载油膜有良。综上，根据本设计工况选择滑动导轨。不同款式的滑动导轨其性能也不

42、完全相同，一般来说，市面上常见的滑动导轨有三角状、正方形状、圆形、燕尾状四个款式，每个款式又分成凹、凸两种。对于凹型导轨来说，其可以在高速环境中运行，但是容易积累杂物；凸型则用于低俗环境，但是在运行中不容易有碎屑和杂物。根据滑动导轨的不同截面形状可以归纳出不同的特点:(1)在受到垂直负载重力的作用下，截面为三角形的导轨可以在受到磨损过后自动恢复，并且是完全恢复到原样不会有缝隙隙的产生，所以这种导轨的导向精度很高。但是，仍然需要在压板面上安装缝隙调整的装置。(2)截面为矩形的导轨特点就比较多，在结构方面，它的结构很简单，所以容易制造出来，在对其进行检修和维修的过程也比较方便。由于是矩形的所以导轨

43、的面积比较宽，因此能够承受的负载也比较大，这种形状的导轨应用比较广泛。与三角形的导轨相比，截面为矩形的导轨精度没有三角形的高，在受到磨损过后不能自动恢复，所以要安装对缝隙进行调整的装置。(3)燕尾形导轨磨损后不能自动补偿间隙，需设调整间隙装置。这种形状的导轨自身结构比较紧凑，而且高度不是很高，但是可以承受颠覆力矩。这种导轨的缺点是具备的刚度比较小，而且制造也比较困难，不容易进行检修。这种导轨的主要应用在于要求速度不快，对高度有要求的地方。(4)截面为圆形的导轨在制造方面比较容易，结构较为单一。有外圆和内孔两个部分，两者之间的配合精度可以达到较高的层次，但是在磨损过后，可能对其进行调整和修补。综

44、上根据本设计工况选择矩形凸导轨。以下将阐述几种滑动导轨材料的性能。(1)铸铁铸铁这种材料的特点是耐磨性和减震性都具有较好的优势，高温状态下稳定性也比较高，在加工制造方面难度系数较低，加工制造成本低等等。(2)钢如果使用淬硬的钢材料导轨的话，对导轨的耐磨性有一定的提高作用，进行淬火过后的钢导轨是可以直接在导轨上进行镶装或者焊接的。这种材料的耐磨性高，在进行淬硬过后效果更是明显。40Cr、GCr15、GCr15SiMn、45钢、T8A、T10A这些钢材料都可以进行淬火；或20Cr、，20 CrMnTi、15钢等滲碳淬火。(3)有色金属在我们的生活当中，铝青铜、锌合金、锡青铜、黄铜等都是比较常用的有

45、色金属材料。图5.10 升降折叠板运动结构5.5.2 主要参数计算(1)升降动力系统确定由于载荷较小，所以折叠板升降运动可用气动系统完成，其优点有： = 1 * GB3 空气作为无处不在的资源，可以无成本随意取用，不必担心储存问题；气动系统中的废气可以随意排出，不会造成环境污染；此外，气动系统也不存在像液压系统那样存在介质失效和循环更新的问题。 = 2 * GB3 空气在管路内流动时的阻力较小，沿程压力损失小，因此做功效率高，而且不易造成气路堵塞。 = 3 * GB3 气动系统比液压系统在执行动作时反应更快，因此适用于小行程轻负载工况应用。 = 4 * GB3 气动系统的组件通用性高、结构简单

46、，易于维护和更换。 = 5 * GB3 根据热力学第二定律，气缸放气时被排出的气体因为体积变大而温度降低，导致气动系统可以循环自行降温，适宜应用于长期重复性工况。(2)气缸作用方式选择气缸作用方式主要分为三类： = 1 * GB3 单作用气缸：它只有一端有活塞杆，从活塞一侧进气产生气压，然后气压推动活塞向前运动，返回需要取消进气，然后靠自身重力或者内置弹簧收缩； = 2 * GB3 双作用气缸：活塞两侧都可以进气，可以向一个或者同时向两个方向出力； = 3 * GB3 膜片式气缸：这种气缸将活塞用膜片将活塞代替，仅向单个方向运动，然后靠弹簧返回。其特点是密闭性能出色，但行程短。根据三维建模可以

47、看出，留给气缸安装的空间十分狭小，因此需要选用结构紧凑的双作用气缸。(3)气缸载荷的计算选折叠板的材料为铝合金，密度为板=2.7g/cm3，通过建模得其体积为V板=1472cm3，则折叠板的重量为：G板=板V板g=2.714721039.8=39N（5.29）气缸总载荷包含折叠板重量以及其余载荷，如摩擦载荷和弯折载荷，可用如下公式简化计算：F气=K2G板=239=78N（5.30）式中：K2为载荷系数，取2；(4)气缸活塞行程确定根据建模尺寸，可知气缸活塞行程至少为30mm。根据以上计算，可选FESTO公司DFM-16-50-P-A-GF型双作用导向气缸，其技术参数如表5.5所示：表5.5 D

48、FM-16-50-P-A-GF型双作用导向气缸技术参数行程/mm工作压力/bar回复行程作用力/N进程作用力/N重量/kg50210901210.7(5) 丝杠导轨设计 = 1 * GB3 载荷计算取折叠板基座等零件平均密度为座=7.8g/cm3，经建模测得其体积约为V座=1510cm3，则可估得重量为：m座=座V座=7.81510103=11.8kg（5.31）导轨螺母上的总负载为：m轨=m座+m缸+m板=11.8+0.7+3.9=16.4kg（5.32） = 2 * GB3 驱动电机参数计算取螺母移动速度为v1=6m/min，丝杠导程PB=4mm，丝杠长度0.6m，导轨与滑块间的摩擦系数轨

49、=0.1，传动效率=90%，可得：电机所需转速：NM=v1PB=64=1500rpm（5.33）轴向负载：FZ=m轨g轨=16.49.80.1=16.072N（5.34）负载转矩：TL=FZPB2=16.0720.00420.9=0.01Nm（5.35）直线运动平台与负载惯量：JL=m轨PB22=6.64106kgm2（5.36）滚珠丝杠惯量：JB=32BLBDB4=3.04105kgm2（5.37）式中B为丝杆密度，LB为丝杆长度，取0.6m，DB为丝杆直径，取16mm；连轴器惯量：JC=18mCDC2=3.3105kgm2（5.38）式中mC为联轴器质量，取0.3kg，DC为联轴器直径，取

50、30mm；总负荷惯量：J总=JL+JB+JCK3=1.4104kgm2=1400gcm2（5.39）式中K3为安全系数，取2。综上可选86系列步进电机，符合要求的为如下型号：表5.5 可供选择的86BYG步进电机型号步距角/保持转矩/Nm转动惯量/gcm2重量/kg86BYG250A-SAFRBL-04020.9/1.82.515401.75.6 堆料部设计堆料机构用于将加工好的纸盒皮成品堆垛，便于仓储和运输。5.6.1 外形设计如图5.11所示，当成品纸盒皮借助重力落下后，被做往复运动的拍板排齐。当成品累计到一定数目后，触碰到高度限位开关，拍板电机停止，可取下挡板将纸盒皮取出。图5.11 堆

51、料部5.6.3 主要参数计算(1)传动机构设计为了实现拍板的往复运动，本设计选择了类似于偏置曲柄摇杆滑块机构的传动结构。拍板工作时，电机驱动曲柄做圆周运动，相连的连杆做平面摆动，带动拍板在行程范围内以一定频率做往复运动。取拍板行程lp=200mm，偏距e=80mm，行程速比系数k=1.4，比例尺=1mm/mm，作图计算曲柄长度和连杆长度的过程如图5.12所示。图5.12 偏置曲柄摇杆滑块机构极位夹角为：=k1k+1180=1.411.4+1180（5.40）根据拍板行程，作出极限位置C1和C2。作直角三角形C1C2D，其中C1C2D=60。再做出三角形C1C2D的外接圆。作与C1C2平行且相距

52、e=80mm的直线，与圆相交于A点，即为曲柄回转中心的位置。从图中可测得AC2 =288.28mm，AC1=111mm，则曲柄长度：a=AC2AC12=288.281112=88.64mm（5.41）连杆长度：b=AC2+AC12=288.28+1112=199.64mm（5.42）(2)电机参数计算拍板尺寸600100030mm，材质为铝合金，则其重量为：G拍=拍V拍g=6001000301032.79.8=476.3kg（5.43）取拍板底面摩擦系数拍=0.3，则行程中摩擦阻力为：f拍=拍G拍=476.30.3=142.9N（5.44）则电机轴上需要的扭矩至少为：T拍=f拍a=142.98

53、8.64103=12.7Nm（5.45）取安全系数K4=2，曲柄转速为n拍=600rpm，则所需功率：P拍=T拍n拍K49550=12.760029550=1.6kW（5.46）根据计算选择Y100L1-4型三相交流电机，其参数如表5.6所示：表5.6 Y100L1-4三相交流电机参数额定功率/kW极限转速/rpm同步转速/rpm额定电流/A重量/kg2.2143015005345.7 送料部设计送料部用于将纸板从堆料处移动到输送机上。5.7.1 外型设计如图5.13，安装在机架上的吸盘起始位置在输送机正上方，启动后首先沿导轨移动到堆料处，下移吸到纸板后返回起始位置，放下纸板，之后重复动作。图

54、5.13 送料部5.7.2 主要参数计算通过三维建模软件测量，可得底部水平导轨移动平台上的总重约为G下=756.6N,取螺母移动速度为v1下=6m/min，丝杠导程PB下=6mm，导轨与滑块间的摩擦系数轨=0.1，传动效率=90%，可得：电机所需转速：NM下=v1下PB下=60.006=1000rpm（5.47）轴向负载：FZ下=G下轨=756.60.1=130.34N（5.48）负载转矩：TL下=FZ下PB下2=756.60.00620.9=0.08Nm（5.49）直线运动平台与负载惯量：JL下=m轨下PB下22=7.04105kgm2（5.50）滚珠丝杠惯量：JB下=32BLBDB4=5.

55、4104kgm2（5.51）式中B为丝杆密度，取7900kg/m3，LB下为丝杆长度，取1.8m，DB下为丝杆直径，取25mm；连轴器惯量：JC=18mC下DC下2=1.8104kgm2（5.52）式中mC为联轴器质量，取0.4kg，DC为联轴器直径，取60mm；总负荷惯量：J总=JL下+JB下+JC下K下=7.91042=1.58103kgm2=15800gcm2（5.53）式中K下为安全系数，取2；据此可选110BYG350DH型步进电机，在表5.7当中有有其具体的参数：表5.7 110BYG350DH步进电机参数型号步距角/保持转矩/Nm转动惯量/gcm2重量/kg110BYG350DH

56、-SAKSMA-05010.6/1.2161740011.16 控制系统部分具体设计针对本设计的自动控制要求，可以使用的控制方式主要有可编程控制器（PLC）控制系统以及单片机控制系统。6.1 可编程控制器（PLC）控制系统6.1.1 PLC简介可编程控制器（Programmable Logic Controller）是一种以微处理器为核心，融合电气控制技术、计算机技术和通信技术的新兴工业控制装置。PLC技术在日益成熟的大规模集成电路与芯片技术的帮助下，获得了长足的发展。特别是在需要高可靠性以及恶劣工况等传统继电器无法工作的环境中，PLC可以凭借其结构紧凑、功能强大、运用灵活和维护方便等特点出色

57、地适应。6.1.2 PLC的特点PLC因其解决了工业生产中大量存在的可靠性、安全性、灵活性以及成本问题，所以被业界高度重视，得到了快速的发展。其主要有点有：(1)基于抗干扰能力的可靠性高可靠性是PLC被大量使用最主要的原因之一。它之所以能拥有相对于传统继电控制器超长的无故障工作时间，就是因为其内部有多种抗干扰措施进行保障： = 1 * GB3 硬件方面：为了抑制外界光电干扰对PLC的影响，其I/O通道采用了光电隔离技术；考虑到工业现场中经常出现的高频电信号影响，PLC的供电系统采用了多种形式的整流滤波元件进行噪声抑制或消除；对于核心元件微处理器，其外壳使用了优良的导电、导热和导磁材料进行空间电

58、磁或热干扰进行隔离；同时对电流电压大小的自诊断组件也提供了可靠性保障。 = 2 * GB3 软件方面：现代PLC内部软件系统具有故障检测机制，能对工作状态进行实时检测；出现重大错误或强烈外界干扰时，软件系统能及时将当前关键数据的读写中断保存，在干扰或故障消除后可以继续读取之前的数据完成工作。同时PLC的程序执行信号在集成电路中以极高的速度运行，所以不会出现像电继电器那种通电瞬间电信号抖动的现像。(2)编程语言简单易学且使用便利虽然PLC的组成中有一定的计算机技术，但其编程语言并不涉及计算机技术。当前广泛使用的PLC系统基本都使用梯形图语言作为面向用户和过程控制的编程语言，这是一种可视化很强的编

59、程语言，简单直观易懂。即使工程技术人员不具备计算机知识，也可以快速掌握。这种语言以其灵活以及简单可靠特特性，可以使编程者根据工业现场的不同状况快速地修改、测试，以完成生产流程的改变。许多PLC厂家也根据其产品特点单独设计开发了专用的编程语言，用来进一步优化PLC的性能。(3)通用模块化设计相比于早期PLC仅能实现逻辑运算、时序控制等功能，现代PLC已能做到数据处理、联网通信、信号转换等许多功能。拥有模块化设计理念的PLC可以提供包含大量型号的产品系列供用户灵活选择，以满足在不同工况下不同的自动控制需求。(4)安装和维护简单方便PLC未出现以前，工业控制运用了大量的继电器进行控制，导致出现了大量

60、接线和按钮等，给设备的安装调试带来了很多阻碍。而PLC通过采用计算机技术，将控制逻辑储存在微处理器内，通过信号传递与放大到外部电路，以实现控制功能，系统所需的排线电路很少；而且更大的存储器容量就意味着更多的控制触点，理论上可以实现无限拓展。PLC的高度集成化电路、模块化、低能耗设计替代了大量的排线和大型电气柜的设计，给用户带来了极大的安装便利。同时PLC程序可以独立在计算机上通过组态进行控制效果模拟，可以让用户及时发现和改正设计错误，大大缩短了设计周期。实际使用过程中，PLC的可靠性以及自诊断功能可以避免大多数故障的出现；即使出现故障，维护人员也能通过PLC内部故障数据记录快速排除故障从而继续