毕业设计（论文）-平面口罩耳线自动焊接装置的仿真设计

毕业设计平面口罩耳线自动焊接装置的仿真设计

摘要平面口罩耳线自动焊接装置是口罩自动化生产线中的重要组成，口罩在佩戴中耳线的牢靠非常重要，起着固定的作用。智能制造、精密制造已经是现在刻不容缓的话题，如何才能实现高的工作效率，还要降低生产成本保证企业利润，未来关于口罩耳线自动焊接装置的结构越来越精密、精度越来越高、智能化会越来越强大。本次设计的平面口罩耳线自动焊接装置的工作原理为：平面口罩放置于入料台面之上，耳带通过顶耳带机构固定住，焊接装置通过气缸带着机构向下运动，底部振动子机构进行振动，焊接完成之后切割机构自动启动，以上各机构均固定在底部装配之上，同时底部装配机构拥有输送系统，将加工完成的口罩输送走，旋转机构处设计有焊接检测工位，对不合格的口罩进行自动移除。口罩耳线焊接自动化设备的使用、有效的提高了口罩加工的效率，面对新冠肺炎疫情人们出行均佩戴口罩，保证自身和他人的安全，口罩的需求量也是非常巨大，研究口罩生产设备具有非常重要的意义。关键词：平面口罩；耳线；自动焊接；机构全套图纸加V信153893706或扣3346389411

AbstractTheautomaticweldingdeviceoftheplanemaskearlineisanimportantpartofthemaskautomaticproductionline.Itisveryimportantforthemasktowearthemiddleearlinefirmlyandplaysafixedrole.Intelligentmanufacturing,precisionmanufacturingisnowanurgenttopic,howtoachievehighworkefficiency,butalsoreduceproductioncoststoensureenterpriseprofits,thefutureoftheautomaticweldingdevicefortheearlineofmaskstructureismoreandmoreprecise,higherandhigherprecision,intelligentwillbemoreandmorepowerful.Theworkingprincipleoftheautomaticweldingdeviceforplanemaskearlineisasfollows:theplanemaskisplacedonthefeedingtable,theearbeltisfixedbythetopearbeltmechanism,theweldingdevicemovesdownwardwiththemechanismthroughthecylinder,thebottomvibrationsubmechanismvibrates,thecuttingmechanismstartsautomaticallyafterwelding,andalltheabovemechanismsarefixedonthebottomassembly,Atthesametime,thebottomassemblymechanismhasaconveyingsystemtotransporttheprocessedmasksaway,andaweldingdetectionstationisdesignedattherotatingmechanismtoautomaticallyremovetheunqualifiedmasks.Thenovelcoronaviruspneumoniaweldingprocesshasbeenusedeffectivelytoimprovetheefficiencyofmaskprocessing.Peoplearewearingmaskstoensuretheirsafetyandsafety.Thedemandforrespiratorsisalsoveryhuge.Itisofgreatsignificancetostudythemaskproductionequipment.Keywords:planemask;Earline;Automaticwelding;mechanism

目录1绪论 42平面口罩耳线自动焊接装置总体方案设计 63主要零部件的设计 83.1输送马达的选择 83.2驱动马达的校核 93.2同步带轮的设计与校核 123.3同步带轮轴的设计与校核 141）同步带轮结构 14图3-3同步带轮轴结构示意图 152）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 153）轴上零件的轴向定位 154）确定轴端倒角 155）轴的受力分析以及轴的校核 153.4轴承的设计与校核 174基于Solidworks的三维建模 194.1平面口罩耳线自动焊接装置三维建模 194.2平面口罩耳线自动焊接装置运动仿真 205焊接装置运动学分析及优化 225.1焊接装置运动学分析 225.2焊接装置运动学规律优化 236结束语 26致谢 27参考文献 281绪论我国随着改革开放直到现在已经经过40多年的时间。医疗机械也是不断发展，从早期通过外国引进，到如今自主创新、中国制造的高速发展，充分体现了中国机械制造业的发达。中国制造行业不断发展、在国外先进技术的基础之上添加中国自主设计理念，逐渐走入了先进制造技术的世界前列。医疗机械基于机械制造行业的发展而发展，同时医疗机械拥有更高的技术要求，需要充分保证精密度、才能制造出更精密、更高效的医疗器械。2020年2月至今，新型冠状病毒席卷全球各国，对于我们日常生活的影响是巨大的，人们从之前几乎不戴口罩到如今的只要一出门人人佩戴口罩，人们对口罩的需求越来越大。为了提高口罩生产的效率，生产口罩的设备也越来越自动化、高效化。生产口罩的自动化设备也是不断创新，其中平面口罩耳线自动焊接装置是口罩生产中的重要环节，在口罩生产中起着重要的作用，研究平面口罩耳线自动焊接装置有着非常重要的意义。我国自动化行业的发展可谓日新月异、发展非常迅速，尤其是珠三角、长三角等电子行业密集城市对自动化的要求也越高。多数自动化设备需要根据生产的产品量身定做，所以通常我们对这个行业也称之为非标自动化，相对于标准的车床、铣床、钻床等这些通用设备都会有相对应的国家标准，而非标自动化设备只有采用的标准件拥有国家标准，其整个设备是没有对应的国家标准的。非标之所以叫做非标就是因为没有对应的标准。口罩生产设备就是非标设备，口罩又分为平面口罩、弧形口罩、其他形状口罩等，根据使用的人群又分为儿童口罩、成人口罩等，根据使用的场所等还会又更细的其它划分方式。每一种型号、每一种尺寸、每一种样式都会有对应的自动化非标生产线设备，都是根据产品的样式非标设计定做。通过这次疫情设计人员对口罩自动化生产线更追求高效化，口罩的生产速度已经能达到200多个每分钟的速度，中国口罩设备引领全球口罩生产设备，中国的机械制造技术尤其是近十几年发展尤为迅速，以此应对不断发展的国际形势，我们只能自己拥有核心技术才能立足于世界的舞台。当前纵观整个国际社会，自动化程度比较高的是德国和日本，这两个国家的自动化设备起步时间比较早，发展的速度也是很快的，尤其是德国对设备的精益求精的制造精神，是值得世界各国学习的。日本的制造技术非常发达，日本人对设计、生产、组装每个环节都非常认真，一丝不苟的工作精神是值得我们学习的。我国的自动化设备发展相对发展国家比较晚，但是发展速度的是非常迅速的。国内非标自动化的小型企业较多，设备的质量相对不是太高，但是国内关于非标自动化的大型企业也是有很多的，比如新松机器人、大疆无人机等诸多私营企业，都是我们学习的榜样，他们的发展在整个国际上都是比较知名的。小型企业应该不断整合资源，在技术上要精益求精、不断像国内前列企业看齐，只有这样我们才能整体发展，不断进步、并超过德国日本这样的高度自动化的国家。随着国际社会的疫情的不断发展，未来关于口罩耳线自动焊接装置的结构越来越精密、精度越来越高、智能化会越来越强大。通过自动化设备的使用、有效的提高了口罩加工的效率，面对新冠肺炎疫情人们出行均佩戴口罩，保证自身和他人的安全，口罩的需求量也是非常巨大，研究口罩生产设备具有非常重要的意义。平面口罩耳线自动焊接装置是口罩生产线的重要组成部分，只有不断研究勇于创新，才能设计并制造出高自动化的口罩生产设备，做为设计人员也应该多学习、多思考、勇往直前。高度自动化的口罩加工生产线也是一个国家制造技术发达的表现。2平面口罩耳线自动焊接装置总体方案设计平面口罩耳线自动焊接装置是口罩自动化生产线中的重要组成，口罩在佩戴中耳线的牢靠非常重要，起着固定的作用。如下图2-1所示，3平面口罩放置于2入料台面之上，耳带通过8顶耳带机构固定住，1焊接装置通过气缸带着机构向下运动，底部5振动子机构进行振动，焊接完成之后7切割机构自动启动，以上各机构均固定在6底部装配之上，同时6底部装配机构拥有输送系统，将加工完成的口罩输送走，4旋转机构处设计有焊接检测工位，对不合格的口罩进行自动移除，其中9定位挡板是对输送链条进行定位的治具。整个设备采用PLC控制，实现高度的自动化。设备中气缸旋转SMC品牌，电机选择进口电机东方马达品牌，所有轴承选用SKF进口轴承，充分保证每个环节的制造精度，充分保证设备的加工精密度。图2-1总体方案图表2-1总体方案零部件明细表

序号名称数量材料1焊接装置1装配件2入料台面1SUS3043平面口罩1成品4旋转机构1装配件5振动子机构1装配件6底部装配1装配件7切割机构1装配件8顶耳带机构1装配件9定位挡板2ABS3主要零部件的设计3.1输送马达的选择马达做为自动化设备中的动力源，选择合适的马达既能满足使用需求，又能降低成本。选择过大的马达是对资源的浪费，设计合适的安全系数尤为重要。本次设计选择进口的东方马达具体参数型号如表3-1所示。其对应的负载扭矩特性如图3-1所示。后续通过对电机进行校核计算，充分保证所选择马达满足使用要求。电机校核的每个环节都非常重要，设计过程中需认真计算、校核得出结论。表3-1AZM46MK-HP9+AZD-KD+CC020VZFB2电机参数参数具体情况参数具体情况安装尺寸40mm容许转矩2.5N・m轴型单轴电源输入电压DC24V/DC48V电磁制动有电源输入电压容许范围±5%电缆线2m（标准电缆线）电源输入电流1.8A驱动器型内藏定位型CE标志是的励磁最大静止转矩2.5N・mPC设定程序MEXE02转子转动惯量J71×10^-7kg・m^2电动机部质量0.88kg齿隙3arcmin(0.05°)电路部质量0.15kg速度范围0～600r/min减速比5分辨率000P/R设定时0.04°/脉冲图3-1负载扭矩特性图3.2驱动马达的校核（1）转动惯量的详细计算电机中转子的转动惯量旋转轴的计算转动惯量（3-1）式中：——步进距离，cm；——工作台的质量，kg。将已知条件，代入到公式（3-1）中可得联轴器转动惯量系统等效转动惯量（2）计算转矩特性Mjmax为电机的最大静转矩，也是电机的定位转矩，通过查阅机械设计手册得到Mmq为电机的名义启动转矩，Mmq与Mjmax具有线性关系，可以表达为公式（3-2）（3-2）在资料中查得。将数据代入到公式中得电机空载启动扭矩的计算如公式（3-3）（3-3）式中Mkq——空载启动时的力矩，N·m；Mka——空载启动情况下，可移动部件的速度由零升速到最大时，折算到电机轴上的加速力矩，N·m；Mkf——在电机上的摩擦力矩（空载启动时），N·m。计算Mkq的各相关项的力矩值如下：加速力矩Mka的计算如公式（3-4）（3-4）其中机构运动最大速度时电机的输出转速值的计算如公式（3-5）（3-5）式中：Jε——机械结构中等效的转动惯量值；ε——电机加速度的最大值；T——运动机构从静止状态下启动加速到最大快进速度所需的时间；vmax——运行装置的最大移栽速度；Ɵb——初选电机的步距角；δb——脉冲当量。带入公式（3-5）可得再将结果带入公式（3-4）可得空载摩擦力矩Mkf的计算如公式（3-6）（3-6）式中：M——运动部件的总重量；μ——摩擦系数；η——传动系统总效率，（）；L——旋转轴的最大行程。所以带入公式（3-6）可得附加摩擦力矩M0的计算如公式（3-7）（3-7）式中：FYJ——使用的旋转轴的预紧压力值（为最大轴向负载的1/3）；η0——旋转轴未预紧时的传动效率，这里取。带入公式（3-7）可得通过将以上计算所得的加速力矩Mka、空载摩擦力矩Mkf以及附加摩擦力矩M0，带入公式（3-3）可得到马达启动的空载转矩为：电机进行校核时计算出的扭矩不能超过电机额定扭矩，只有这样才能充分保证使用需求。通过以上计算校核，合格。（3）校核电机的启动矩频特性一般来说，起动转速是指电机从静止状态起动时的转速，很少用于电机的跳跃起动。电动机启动后，当电动机工作转速在启动结束时达到最大值时，其转速在一定时间内保持正常。图4-2显示了起动转矩和电机频率特性之间的关系。通过对比得到结论进行对比。图3-2矩频特性图在此图中，纵轴为空载启动力矩，单位为N▪cm，横轴为对应的启动频率，单位为KHz。根据上述计算可知空载启动力矩。在图3-2中可以查得对应的允许启动频率。而其相应的启动频率，符合设计的要求，可以选用。（4）运行矩频特性校核电机的最高快进运行频率fkz的计算需满足公式（3-8）（3-8）式中：Vmax——机构运动的最大速度柱；δp——脉冲当量。带入公式（3-8）可得快进力矩MKJ的计算如公式（3-9）（3-9）式中：MKF——快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩；M0——附加摩擦力矩。带入公式（3-9）可得由图3-2可知。对应的允许快进频率；所以东方马达AZ系列DC电源输入内藏定位型AZM46MK-HP9+AZD-KD+CC020VZFB2，经过计算校核符合要求，可以使用。3.2同步带轮的设计与校核驱动机构的最大工作转速为318r/min，而电机转速为3000r/min，驱动机构与电机之间的传动比为：而减速器的传动比为5.33，因此，同步带的传动比为：根据查阅资料以及已经得出的数值，电机额定功率0.3KW，小带轮转速562r/min，传动比，轴间距约200。每天二班制工作（按16计算）。设计功率查阅相关的机械设计手册，可查的选择带型和节矩根据=0.45KW和，查阅机械零件设计手册，选取L型，节矩=9.5253）小带轮齿数根据带型L和小带轮转速，查阅手册得小带轮的最小齿数，此处取。小带轮的节圆直径查机械设计手册得其外径。大带轮的齿数圆整后，取36。6）大带轮的节圆直径查机械设计手册得其外径。带速8）初定轴间距取=2000带长及齿数由机械设计手册查得应选用带长代号为270的型同步带，其节线长，节线长的齿数。10）实际轴间距。此结构的轴间距可调整：11）小带轮啮合齿数代入相关参数，可得：12）基本额定功率查机械设计手册可知：计算带宽选择同步带L型、宽25.4mm、齿数72。3.3同步带轮轴的设计与校核1）同步带轮结构同步带轮结构示意图如图3-3所示。图3-3同步带轮轴结构示意图同步带轴左端与联轴器连接，右端分别安装轴承，套筒以及轴承端盖。2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度（1）选择轴的材料为45钢，调质处理。由机械设计表15-3查的，于是得，故取。（2）由于段是与同步带轮连接，故。（3）第三部分选择的轴承为深沟球轴承61901，其主要尺寸为即可。3）轴上零件的轴向定位带轮与轴的周向固定采用平键连接。轴向固定采用套筒和轴承端盖的方式。4）确定轴端倒角轴端倒角取。5）轴的受力分析以及轴的校核（1）作用在同步带轮上的力即圆周力、径向力及齿轮作用在轴上的力（2）根据轴的结构图做出轴的受力简图轴的受力简图如图3-4所示。图3-4轴受力简图右端是以轴端挡圈进行固定，因此可以把轴看作是悬臂梁，由力矩平衡可知：最终可以得到：计算得到水平面的力矩分别为：计算竖直面的力矩为：计算力矩合理：输入轴是收到的扭矩为：5090N·mm，最终合成弯矩和扭矩，得到弯扭矩图如图3-5所示。图3-4输入轴弯扭矩图最大危险界面校核：由图3-4可知同步带轮轴在输出端弯扭矩最大，因此只需要验证齿轮处的界面应力是否大于许用应力即可。根据设计要求有，通过计算校核合格，可以使用。3.4轴承的设计与校核本文设计的同步带轮轴两端均由轴承连接，轴承的型号为：7204，轴承的校核主要根据轴承的使用寿命，轴承预期寿命计算公式如下：通过查阅机械设计手册可知，轴承7204的额定动载荷为，两个轴承的受力在前节已经详细计算，其合力计算公式如下：将相关数值代入，可得：取：，轴承安装位置靠近轮胎，存在一定的振动冲击，取。接下来计算两个轴承的当量动载荷，计算公式如下：当相关参数代入上式，可得到具体数值为：接着分别计算两个轴承的工作寿命，计算结果如下：通过上式可得，两个轴承的工作寿命分别为：以及，均超过了预期寿命11520h，验算合格。

4基于Solidworks的三维建模4.1平面口罩耳线自动焊接装置三维建模Solidworks是法国达索公司开发的一款三维设计软件，和UG、PROE、CATIA等三维软件相比，Solidworks三维软件操作简单、容易操作、功能也很强大。平面口罩耳线自动焊接装置是由很多部件构成，其中每一个部件又由很多零件组成。通过Solidworks绘制每一个零件，绘制中充分运用拉伸、切除、旋转、阵列等基本功能。关于气缸、轴承、轴承座、电机等这一类的标准件可以通过Solidworks软件或者厂家提供的插件自动生成。所有零件绘制完成之后，通过装配功能将每个零件以及标准件组装到一起，组装中充分运用各种配合，比如同心、垂直、平行、接触、机械传动配合等。每个部件组装完成之后，再对所有部件进行组装，最终整个设备的所有部件装配再一起，具体如下图4-1平面口罩耳线自动焊接装置三维装配图所示。图4-1平面口罩耳线自动焊接装置三维装配图Solidworks深受广大机械设计工程师喜欢的一个重要原因就是多层次展示设计的设备，并可通过非常便捷的渲染功能、直观的展示在电脑前。在设计前期就可以通过三维模拟展示在面前。各种配合模拟实际的安装，通过软件可自行检测各零部件是否干涉，解决问题。另外通过设置每个零件的材料，可以准确的得到设备的重量参数，前期设计阶段就可以找出设备的重心，充分保证设备的强度。4.2平面口罩耳线自动焊接装置运动仿真Animator是SolidWorks的自有插件，可以通过对各个运动机构进行设置，模拟设备的运行、并输出动画，更直观的表达设备的功能，这对前期的设备开发阶段具有重要的指导意义。常用的运动有直线马达、旋转马达，并可针对各运动设置阻力等各参数，充分模拟实际使用中的工况。最终可以输出位移曲线图、速度曲线图、加速度曲线图等诸多参数变化曲线，对分析结构、校核结构都具有重要的指导意义。下图4-2为进行运动仿真的具体操作流程，适用于所有设备的仿真操作。新建运动仿真新建运动仿真环境设置创建模型定义材料创建运动副添加载荷和接触创建驱动指定封装选项创建解算方案求解执行分析工作图4-2Solidworks运动仿真流程图打开装配模型，左下角选择运动算例，进入后可进行相关设置，如图4-3所示。图4-3选择运动算例选择Motion分析，然后可进行动画仿真、参数设置等。图4-4运动算例分析5焊接装置运动学分析及优化5.1焊接装置运动学分析由于本文设计的焊接装置其最大运动速度需要达到5m/s，因此在运动过程中，对焊接装置的运动平稳性提出了较高的要求，所以本章重点对焊接装置进行了运动学分析，其目的在于验证焊接装置在运动过程中，有无加速度突变以及冲击。结合上文可知，运动平台最大速度为5m/s，假定加速时间为2s，结合上述数据，设计焊接装置的运行速度（线性规律）如下：（5-1）画出上述运动规律下，焊接装置的位移、速度以及加速度曲线，如图5-1~图5-3所示。图5-1焊接装置位移曲线图图5-2焊接装置速度曲线图图5-3焊接装置加速度曲线从图5-1~图5-3，当焊接装置采用式（5-1）所示的规律时（线性规律），焊接装置的位移，速度曲线均连续分布，无任何突变，即表明机构在运行过程中，无任何的刚性冲击，但是图5-3显示，在零时刻，加速度从0突变成1.5m/s2，在2s的时刻，加速度从1.5m/s2突变成0，因此焊接装置加速阶段存在2个加速度突变，即存在2个柔性冲击，而运行过程的柔性冲击会造成失稳、倾倒等后果。5.2焊接装置运动学规律优化根据上文分析可知，现有的动力运动规律会使得焊接装置在加速阶段存在一定的柔性冲击，因此本文接下来动力源的速度曲线进行优化，重新设计了动力源运动规律[18]，如下所示：第2种变化规律为余弦变化，驱动件速度变化公式如下：（5-2）将上述速度作为液压缸的驱动速度，可得到焊接装置的位移、速度以及加速度曲线，如图5-4~图5-6所示。图5-7焊接装置位移曲线图图5-8焊接装置速度曲线图图5-9焊接装置位移曲线图从图5-4~图5-6，当焊接装置采用式（5-2）所示的规律时，焊接装置的位移，速度曲线、加速度均连续分布，无任何突变，即表明在该运动规律下，焊接装置无任何的刚性以及柔性冲击，加速过程中平稳，无振动，综上所述，本文设计的焊接装置最终采用余弦运动规律。

6结束语本次的课题的主要是目的是设计一个平面口罩自动焊接装置仿真设计，实现自动焊接的装置。经过老师的教导学习并熟练掌握SolidWorks；solidword工程设计软件实战演练，通过对平面口罩耳线自动焊接装置的研究分析，应用solidword工程设计软件，设计平面口罩耳线自动焊接装置的仿真设计，对自动焊接装置的工作轨道进行仿真观察其仿真效果。虽然仿真成功，但现实中能否做出来，做出来了以后是否还会有什么缺陷，这些我们都是未知的，但在大学毕业面对未来的道路上，还有很多未知的机械结构和更为复杂的构造系统等着我们去学习，靠着自己未来参加工作实践，发扬学校里学到的知识，同时也要去发掘在学校没有接触过更为复杂多变的尖端机械构造。同时本次毕业设计也能很好的为我以后的机械事业迈出的一步。靠着本次设计也让我自身得到了，良好的锻炼。在不断的修改，讨论，论证中砥砺前行。而且在华侨大学读书这四年里，我虽然算不上勤勤恳恳努力读书的同学，成绩也相当一般，但是我的老师和同学们都很愿意帮助我，在我遇到困难，设计迟钝陷入迷茫的时候，为我点亮一盏希望的灯，让我顺利的学会并完成了设计。感谢那些个夜晚一起为学业奋斗的同学，还有那些为我们指点迷津的老师们，在我们一筹莫展时给予了我们更好的学习方法。当然毕业以后，我一定再接再厉，永不放弃，积极投入机械行业的生产和发展上，同时也希望能为国家的机械行业，尽一点绵薄之力。致谢大学的学习阶段即将结束，我们也即将步入社会，通过毕业设计将大学所学课程进行了一次综合性的考察。毕业设计从选择题目到查阅文献，一直到设计图纸、撰写说明书，最终完成毕业设计，其过程也是非常艰辛。每个阶段都离不开指导老师的帮助，在这里对指导老师以及大学学习过程中所有老师和帮助过我的同学们说一声谢谢。通过毕业设计把大学学过的知识复习了一遍，之前的学习更多是死记硬背没有联系实际，通过毕业设计考虑实际生产中的各因素，从实际出发解决平面口罩耳线自动焊接装置中的诸多实际生产问题。包括电机、减速机、联轴器、轴承、气缸等标准件的选用，以及轴、机架等的尺寸设计、强度校核都需要很多专业知识的支撑，通过毕设重新温习了一遍之前的课本。包括三维软件、二维CAD软件的使用等都是为将来走上工作岗位打下了一个坚实的基础。毕业设计的过程是艰辛的，老师的细心指导、设计过程中的不断完善、追求更完美的成果展示出来，对大学四年是一个综合考验。人生路很漫长，感谢在大学这一站点遇到你们，正是有了你们才使我的大学生活更加丰富多彩！明天我们即将步入社会，前往人生的另一站点，即将离开母校的我，预祝老师们工作顺利、身体健康，预祝同学们前程似锦、勇攀高峰！参考文献[1]超声波塑料焊接温度场有限元数值模拟[J].刘川,梁延德,邓莹莹.

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