哈工大机械原理课程设计-产品包装线设计

哈工大机械原理课程设计—产品包装线设计一、引言在现代工业生产中，产品包装线起着至关重要的作用。它能够高效地完成产品从生产到包装出厂的一系列流程，提高生产效率，保证产品质量，降低生产成本。本次课程设计旨在设计一条满足特定生产需求的产品包装线，通过运用机械原理等相关知识，实现包装线各环节的合理设计与协同工作。

二、设计要求1.包装对象：某特定产品，形状为长方体，尺寸为长200mm×宽150mm×高100mm，重量约为5kg。2.包装产量：每小时包装产品数量不少于600件。3.包装工艺：产品输送、自动装箱、封箱、贴标等环节。

三、总体设计方案（一）包装线流程概述整个包装线主要由上料输送段、装箱段、封箱段、贴标段以及控制系统组成。产品首先通过上料输送段被输送至装箱位置，然后在装箱段完成装箱操作，接着进入封箱段进行封箱，最后在贴标段贴上标签，完成整个包装过程。

（二）各段设计1.上料输送段采用链式输送机作为主要输送设备，链条节距为25.4mm，链条速度根据产量要求设定为0.5m/s左右。输送机的驱动装置选用电机通过减速器带动主动链轮，从而驱动链条运动。为了保证产品在输送过程中的平稳性，每隔一定距离设置一组托辊，托辊直径为50mm。同时，在输送机入口处设置一个自动上料装置，采用振动盘将产品有序地送上输送机。2.装箱段设计一个专用的装箱机构，采用曲柄摇杆机构带动推板将产品推装入纸箱。曲柄长度为100mm，摇杆长度为200mm，通过电机驱动曲柄旋转，从而实现推板的往复运动。纸箱放置在一个可升降的平台上，当产品被推到平台上方时，平台下降，使产品落入纸箱中。为了确保产品准确装箱，在推板上设置定位装置，与产品的形状相匹配。3.封箱段封箱采用胶带封箱方式，设计一个封箱机，包括胶带卷轴、滚轮以及驱动装置。胶带卷轴直径为150mm，通过电机带动卷轴旋转，使胶带缠绕在纸箱上。滚轮用于压紧胶带，保证封箱牢固。封箱机安装在一个机架上，机架底部设置可调地脚，以便调整封箱机的高度和水平度。4.贴标段采用不干胶贴标机进行贴标操作，贴标机的工作原理是通过滚轮将标签从卷轴上拉出，然后贴附在纸箱表面。标签卷轴直径为100mm，贴标速度根据包装线速度进行匹配，设定为每秒贴标23张。在贴标机上方设置一个光电传感器，用于检测纸箱的位置，确保标签准确贴在指定位置。

四、机械运动方案设计（一）上料输送段运动方案链式输送机的主动链轮由电机通过减速器驱动，电机选用型号为Y132S4的三相异步电动机，功率为5.5kW，转速为1440r/min。减速器选用圆柱齿轮减速器，传动比根据输送机的运行速度和电机转速计算得出，约为20。通过这种传动方式，实现链条的平稳、匀速运动，从而带动产品在输送线上移动。

（二）装箱段运动方案曲柄摇杆机构中，电机通过联轴器与曲柄轴相连，电机选用型号为Y90S4的三相异步电动机，功率为1.1kW，转速为1400r/min。电机驱动曲柄做圆周运动，通过连杆带动摇杆做往复摆动，摇杆的摆动通过推板转化为直线运动，实现产品的装箱动作。在运动过程中，通过合理设计曲柄、摇杆和连杆的长度，保证推板的行程和运动速度满足装箱要求。

（三）封箱段运动方案封箱机的胶带卷轴由电机直接驱动，电机选用型号为Y80M14的三相异步电动机，功率为0.55kW，转速为1390r/min。电机带动胶带卷轴旋转，使胶带不断放出并缠绕在纸箱上。滚轮通过与胶带卷轴的联动，在胶带缠绕过程中对其进行压紧，确保封箱效果。

（四）贴标段运动方案贴标机的标签卷轴由电机驱动，电机选用型号为Y80M24的三相异步电动机，功率为0.75kW，转速为1390r/min。电机通过传动机构带动标签卷轴旋转，同时通过滚轮将标签拉出并贴附在纸箱上。光电传感器检测到纸箱位置后，控制系统发出信号，使贴标机构准确动作，完成贴标操作。

五、主要零部件设计（一）链条根据输送要求，选用滚子链，型号为16A，节距为25.4mm，滚子外径为15.88mm，内链节内宽为15.75mm。链条的抗拉强度应满足输送机的承载要求，经过计算，所选链条能够承受产品和输送过程中的各种载荷。

（二）托辊托辊选用无缝钢管制成，外径为50mm，壁厚为3mm。托辊的长度根据输送机的宽度确定，为了保证托辊的转动灵活性，在托辊两端安装轴承，轴承型号为6205。

（三）曲柄摇杆机构零件曲柄、摇杆和连杆均采用45钢制造，经过调质处理，硬度为220250HBW。曲柄的直径根据其受力情况和强度要求确定为30mm，摇杆直径为25mm，连杆厚度为20mm。在零件加工过程中，保证各零件的尺寸精度和表面粗糙度，以确保机构的运动精度。

（四）封箱机胶带卷轴胶带卷轴采用无缝钢管制成，外径为150mm，壁厚为5mm。在卷轴两端加工螺纹，用于安装胶带盘，并通过螺母进行紧固。为了保证卷轴的强度和刚度，在卷轴内部设置加强筋。

（五）贴标机标签卷轴标签卷轴同样采用无缝钢管制成，外径为100mm，壁厚为3mm。卷轴的设计要便于标签的缠绕和放出，同时要保证在贴标过程中标签的张力稳定。

六、动力计算（一）上料输送段1.链条拉力计算考虑产品重量、链条自重以及运行阻力等因素，链条的拉力约为800N。2.电机功率计算根据链条拉力和输送速度，计算出输送机所需的驱动功率。通过公式\(P=Fv\)（其中\(P\)为功率，\(F\)为拉力，\(v\)为速度），可得所需功率约为0.4kW。考虑传动效率等因素，实际选用电机功率为5.5kW。

（二）装箱段1.曲柄摇杆机构受力分析在曲柄摇杆机构运动过程中，对曲柄、摇杆和连杆进行受力分析。计算出各构件在不同位置时的受力大小和方向，为零件强度计算提供依据。2.电机功率计算根据曲柄摇杆机构的受力情况和运动参数，计算出驱动曲柄所需的电机功率。通过分析，选用功率为1.1kW的电机能够满足机构的运行要求。

（三）封箱段1.胶带拉力计算封箱时胶带所需的拉力主要由纸箱的摩擦力和胶带的粘性决定，经计算胶带拉力约为300N。2.电机功率计算根据胶带拉力和贴标速度，计算出封箱机所需的驱动功率。通过公式计算，实际选用功率为0.55kW的电机。

（四）贴标段1.标签拉力计算贴标过程中标签的拉力主要用于克服标签与卷轴之间的摩擦力以及保证贴标时的张力，标签拉力约为150N。2.电机功率计算根据标签拉力和贴标速度，计算出贴标机所需的驱动功率。选用功率为0.75kW的电机能够满足贴标工作要求。

七、润滑与密封（一）润滑1.链式输送机的链条和链轮采用油脂润滑，每隔一定时间涂抹一次润滑脂，以减少磨损，保证传动效率。2.曲柄摇杆机构的转动副（如曲柄轴与轴承、摇杆轴与轴承等）采用润滑油润滑，通过油杯定期添加润滑油，确保各转动部位的良好润滑。3.封箱机和贴标机的电机轴承采用润滑脂润滑，在安装电机时将润滑脂填充到轴承内部，一般每运行一段时间进行一次检查和补充。

（二）密封1.对于链式输送机的驱动装置，采用密封罩将电机和减速器封闭起来，防止灰尘、杂物等进入，同时也能减少润滑油的泄漏。2.在曲柄摇杆机构的箱体上设置密封垫，防止润滑油泄漏。对于运动部件的轴孔处，采用油封进行密封，保证润滑油不外泄，同时防止外界灰尘等进入机构内部。3.封箱机和贴标机的胶带卷轴等部件，在与外界接触的部位采用密封措施，如在卷轴两端安装密封胶圈，防止胶带在缠绕过程中出现偏移或杂物进入影响工作。

八、控制系统设计（一）控制要求1.实现各段设备的顺序启动和停止，保证包装线的运行流程顺畅。2.能够根据包装产量自动调节各段设备的运行速度，确保生产效率。3.具备故障检测和报警功能，当设备出现故障时能够及时停机并发出报警信号。

（二）控制方案采用可编程逻辑控制器（PLC）作为控制系统的核心。PLC选用西门子S7200系列，根据控制要求编写梯形图程序。1.输入信号：包括各段设备的启动按钮、停止按钮、光电传感器信号、过载保护信号等。2.输出信号：控制各段电机的启动和停止、指示灯的显示等。3.程序设计：通过编写逻辑程序，实现包装线各段设备的顺序控制、速度调节以及故障报警等功能。例如，当包装产量低于设定值时，PLC程序自动控制上料输送段的电机加速，提高输送速度；当检测到某个设备出现过载等故障时，PLC立即发出停机信号，并通过指示灯显示故障类型。

九、安装与调试（一）安装步骤1.首先安装包装线的基础框架，确保框架的水平度和垂直度符合要求，各支撑脚牢固地固定在地面上。2.按照设计要求依次安装上料输送段、装箱段、封箱段、贴标段等设备，各设备之间通过螺栓或焊接等方式进行连接，保证连接紧密、牢固。3.安装驱动装置、传动部件等，如电机、减速器、链条、皮带等，确保各传动部件的安装位置准确，传动灵活。4.连接电气线路，按照电气原理图进行布线，确保线路连接正确、牢固，同时做好接地保护措施。5.安装控制系统，将PLC及相关传感器、执行元件等安装到合适位置，并进行线路连接和程序调试。

（二）调试过程1.空载调试：在设备安装完成后，首先进行空载调试。启动各段设备，检查设备的运行方向是否正确，各部件的运转是否平稳，有无异常声响和振动。调整电机的转速和转向，使其符合设计要求。2.负载调试：在空载调试正常后，进行负载调试。将产品放置在上料输送段，按照包装工艺要求逐步进行装箱、封箱、贴标等操作。检查各设备在负载情况下的运行情况，如链条的拉力是否在允许范围内，曲柄摇杆机构的运动是否顺畅，封箱和贴标是否准确等。根据调试情况，对设备进行进一步的调整和优化，如调整推板的位置、胶带的张力等，直至包装线能够稳定、高效地运行，满足设计产量要求。

十、结论通过本次课程设计，成功完成了一条产品包装线的设计。该包装线满足了给定的包装对象、产量和包装工艺要求，通过合理的总体设计、机械运动方案设计、主要零部件设计、动力计算、润滑与密封以及控制系统设计等环节，实现了产品从输送到包装的自动化流程。在安装与调试过程中，经过空载调试和负载调试，包装线能够稳定运行，各项性能指标