【正文】 壓力試驗機能 檢測包裝紙箱在流通中的靜力壓載，以檢測包裝紙箱 的承載能力， 因此 包裝 紙箱 壓力 變形 試驗機是包裝領(lǐng)域重要的試驗儀器。 當(dāng)今傳統(tǒng)包裝紙箱壓力變形試驗機一般采用普通（或步進 ）電機 、皮帶輪傳動、直齒輪傳動 等，傳動速度和行程的 控制 精確度都不能保證，而且效率較低，能耗 較 高，不適合現(xiàn)代包裝理念中對實驗的要求。采用 交流 伺服電機作為驅(qū)動， 是因為交流 伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動 ， 伺服系統(tǒng)的加速性能較好 ， 從靜止加速到 其額定轉(zhuǎn)速僅需幾毫秒 ，而且 調(diào)速范圍寬 ，因此可以精確控制轉(zhuǎn)速和行程，這樣就可以精確 的 完成實驗，并且伺服電機響應(yīng)時間短，大大提高了實驗的準(zhǔn)確性。 本次設(shè)計的試驗機主要采用的是鏈傳動，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要用到了直齒圓柱齒輪、直齒錐齒輪、鏈輪等傳動結(jié)構(gòu)。 包裝紙箱 壓力 變形 試驗機的主要設(shè)計參數(shù)如下所示： （ 1） 試驗最大包裝紙箱尺寸規(guī)格 :1200mm、 1200mm、 1200mm； （ 2） 對試驗件最大施加壓力： 5KN； （ 3） 對試件施壓的最大速度： 10mm\min； （ 4） 擬定傳動部分的總傳動比： 20。 包裝紙箱 壓力 變形 試驗機機械部分 的 設(shè)計 為 了 能 夠 滿足各種包裝 紙箱 的測試要求，該 壓力變形 試驗機的機械部分的設(shè)計主要包括如下幾個部分： （ 1） 壓力變形試驗機傳動方案的設(shè)計； （ 2） 交流伺服電機的選型； （ 3） 鏈及鏈輪的選擇； （ 4） 直齒圓柱齒輪的選擇及校核； （ 5） 錐齒輪的選擇及校核； （ 6） 軸以及軸承、鍵的選擇和校核； 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 （ 7） 減速器的選擇及應(yīng)用分析； （ 8） 一些其他零部件的設(shè)計。 本課題研究主要內(nèi)容及基本過程是在深入調(diào)查研究及查閱相關(guān)資料，進行資料的收集與整理工作基礎(chǔ)之上的。由于，是對一個完整的工作任務(wù)進行設(shè)計，所以除了對以上每個分功能進行設(shè)計內(nèi)容的研究外，之后還要從整體上看各個裝置、機構(gòu)的整體配合， 以及它們之間的連接元件等。有必要的時候還應(yīng)考慮主要受力機構(gòu)的受力分析等。 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 2 設(shè)計內(nèi)容 理論依據(jù) 傳統(tǒng)的 壓力試驗機一般采用皮帶輪傳動動、滾珠絲杠傳動、普通（或步進）電動機等，對傳動速度和行程控制不夠準(zhǔn)確，而且效率較差能耗較高，不適合現(xiàn)代包裝理念中對實驗的要求。 本文設(shè)計的包裝紙箱壓力變形試驗機是以交流伺服電機為動力，通過齒輪和鏈等傳動裝置將電動機的螺旋運動轉(zhuǎn)化為上壓板的直線運動。動力源 采用伺服電動機的原因是：因為 交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象 ，而且 交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出 ， 不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠 ，最主要的是它速度響應(yīng)快 從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速僅需幾毫秒 。 采用鏈傳動的原因是因為：鏈傳動與帶傳動相比無彈性滑動和整體打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的傳動比，傳動效率較高，又因為鏈條不需要像帶那樣張的很緊，所以作用于軸上的徑向壓力比較小，而且結(jié)構(gòu)較為緊湊，同時，鏈傳動能在高溫和潮濕的環(huán)境中工作，并且鏈傳動需要的張緊力較小。鏈傳動主要用在工作可靠，兩軸相距較遠，低速重載的場合 。因此鏈傳動正適合做此次試驗機的傳動裝置 [4]。 此次設(shè)計的壓力變形試驗機不但保持了機械驅(qū)動的優(yōu)點，而且也改變了其他工作特性不可調(diào)的缺點，簡化了整體的結(jié)構(gòu)，減輕了總裝置的質(zhì)量，使壓力變形試驗機的工作性能大大提高了。 總體方案的設(shè)計 機器的工作性能和制造工藝是由機器的總體方案的設(shè)計直接決定的，因總體方案的設(shè)計是機器的設(shè)計過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)。 方案比較 方案一： 將電動機放在包裝紙箱壓力變形試驗機的上部，電動機的旋轉(zhuǎn)運動是通過減速器和滾珠絲杠副轉(zhuǎn)化為壓板的直線運動的，進而實現(xiàn)機器的工 作。如圖 （ a） 所示 該方案的優(yōu)點是整體結(jié)構(gòu)簡單，底座較低可以節(jié)省材料。缺點是將電動機放在機器的頂部，很難固定住，因此會導(dǎo)致機器的整體穩(wěn)定性不好，況且電動機還要與減速器相連，工藝上較為難實現(xiàn)，而且電動機放在外面很容易受到外物沖撞，嚴(yán)重影響實驗準(zhǔn)確度，用絲杠傳動成本較高，安裝精度要求高，而且不適合遠距離傳輸。 方案二： 將交流伺服電動機放在壓力變形試驗機底座內(nèi)，通過齒輪和兩條雙排鏈將動力傳濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 遞到上壓板上用來實現(xiàn)壓力變形試驗機的工作。如圖 （ b）所示 該方案的優(yōu)點是用鏈傳動安裝，精度要求較低，成本也較低， 工作穩(wěn)定可靠，比較適合遠距離及低速重載時的傳輸，而且將電動機放在試驗機底座的內(nèi)部，使電動機盡可能少的受到外界的沖撞，而且外表簡單美觀，更重要的是保證了電動機和減速器的穩(wěn)定工作。 （ a） （ b） 圖 兩種方案的對比 方案 的 選定 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 通過兩種設(shè)計方案的比較，此次設(shè)計的包裝紙箱壓力變形試驗機選擇的是第二種設(shè)計方案。 此方案的機械運動機構(gòu)的工作原理是： 在整個機械運動中采用的動力源是交流伺服電機，機構(gòu)的運動方向是豎直向下的。在整個運動過程中電機通過聯(lián)軸器跟軸相連進而帶動軸轉(zhuǎn)動，一級傳動是通過 直齒圓柱齒輪來實現(xiàn)的，即與電機相連的軸上連接的是直齒圓柱齒輪，另一端連接的是中間的橫向的軸，中間的橫向的軸兩端通過直齒錐齒輪與兩個縱向的軸相連，縱向軸的兩端安裝有鏈輪，通過鏈輪的轉(zhuǎn)動帶動鏈的上下移動來實現(xiàn)壓板的上下移動，來壓紙箱通過紙箱的變形來測出紙箱所能承受的壓力。與電機通過聯(lián)軸器相連的軸因為小齒輪的軸頸較小所以在設(shè)計時可以把這根軸設(shè)計成為齒輪軸，來與直齒圓柱齒輪相嚙合，實現(xiàn)一級傳動。 中間軸通過直齒錐齒輪與兩端的縱向的軸相連，為了實現(xiàn)鏈的運動方向一致（即兩邊的鏈帶動壓板同時上升后同時下降），因此在設(shè)計直 齒錐齒輪的連接時要注意直齒錐齒輪的轉(zhuǎn)動方向從而達到保證縱向的兩軸相朝相反的方向運動，這樣才可以保證兩邊的鏈?zhǔn)峭瑫r下降或同時上升的。 由于下壓板的重量較大，所以選用雙排鏈，以保證機構(gòu)的強度要求。因此鏈輪的選擇同樣要選用雙排鏈輪，因為總的轉(zhuǎn)矩及總的功率不是很大，所以鏈輪的尺寸可以不用選的很大，鏈輪同過螺栓與下壓板相連，下壓板的上表面可以做一些空心的結(jié)構(gòu)以減輕壓板的重量。 由四條鏈帶動壓板下降的時候，壓板肯定會四處擺動不平穩(wěn)，所以為了保持架子和壓板的穩(wěn)定性在機架上應(yīng)做一些設(shè)計。首先為了保持機架的穩(wěn)定性可以在機架的 中間加一根橫梁以保持架子的穩(wěn)定性；其次為了保持壓板的穩(wěn)定性，可以在壓板上設(shè)計導(dǎo)向輪，壓板下降時讓導(dǎo)向輪沿著機桿運動以確保壓板下降時不會亂擺動，保證了整個機構(gòu)和壓板下降時的穩(wěn)定性。 因為壓板下降的速度和壓板下降到紙箱后下壓的速度是不一樣的，壓板下降可以自行調(diào)節(jié)但是壓板下降到紙箱時下壓的速度卻很小，因此為了實現(xiàn)這個功能，選用電動機時就要考慮到選用的電動機不僅可以調(diào)節(jié)速度而且要有很快的速度響應(yīng)，來完成結(jié)構(gòu)運動中的速度轉(zhuǎn)換。因此選用的電動機是交流伺服電動機，采用伺服電動機的原因是：因為 交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使 在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象 ，而且 交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出 ， 不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠 ，最主要的是它速度響應(yīng)快 從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速僅需幾毫秒 。 在整個設(shè)計過程中，由于機架箱體比較大，所有設(shè)計時所用的軸就會比較的長，因此設(shè)計時要注意軸的定位問題，選擇合適的軸承，在整個設(shè)計過程中除了有軸承定位還涉及到了圓螺母定位，軸端有軸端檔圈定位。 因此系統(tǒng)的整個運動過程就是：交流伺服電機帶動軸轉(zhuǎn)動，軸上裝有直齒圓柱齒輪，繼而帶動橫向軸 的轉(zhuǎn)動，橫向軸通過直齒錐齒輪帶動兩根縱向軸轉(zhuǎn)動，兩根縱向濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 8 軸上裝有鏈輪，鏈輪與鏈嚙合從帶動鏈的移動，進而帶動壓板的上下移動。 通過選定的方案進行初步設(shè)計，可以選擇出在本文所設(shè)計的包裝紙箱壓力變形試驗機中所用到得所有機械零部件，以及零部件的連接方式，因此就可以得初步的包裝紙箱壓力變形試驗機的執(zhí)行機構(gòu)的簡圖。如圖 所示 圖 22 執(zhí)行機構(gòu)簡圖 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 3 執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計 電動機的選擇 傳統(tǒng)的壓力變形試驗機，它是以液壓系統(tǒng)為動力源來推動壓板來實現(xiàn)其工作的，但是此種動力源無 法精確地控制壓板恒速下壓 ，而且 速度響應(yīng)慢 ，無法靜態(tài)的完成壓縮實驗， 工作過程中液壓油容易泄漏，會造成試驗樣品的污染， 而且噪音很 大，然而交流伺服電機具有使運動控制更加柔性、 消除液壓油泄漏 等許多 的 優(yōu)點。 目前市場上所用的壓力變形試驗機多 數(shù) 是以普通電 動機為動力機的壓力試驗機，常 見的是 以步進電機為動力機， 但是 步進電機往往會出現(xiàn)失步 的 現(xiàn)象，這樣 很 容易造成 工作中的 誤差，但是交流伺服電機可省去離合器等零部件，使傳動環(huán)節(jié)大大減少了，因而相應(yīng)的維修工作量也會大大減少。 隨著微處理技術(shù) 、 材料、控制理論與電機理論 、電力電子技術(shù) 的發(fā) 展，壓力 變形試驗 機采用 交流 伺服電 動 機直接驅(qū)動的條件已經(jīng) 逐漸的 成熟。電動機分為交流電動機和直流電動機兩種，由于直流電動機需要直流電源，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，價格較為昂貴，維護比較不便，因此本課題選用交流伺服電動機作為壓力變形試驗機的動力源。 [2][3][4] 交流伺服電 動 機其優(yōu)點主要有以下幾點： （ 1） 控制精度高，對壓板的速度和位移可以進行精確控制，可分別實現(xiàn)恒壓 、恒速 、恒轉(zhuǎn)矩、定量行程四種工作狀態(tài)。 （ 2） 采用變頻調(diào)速，能耗小 、轉(zhuǎn)矩特性好、 效率高。 （ 3） 加速性能好 ，具有過載能力。 （ 4） 工作噪音小，環(huán)保，消除了油液的 污染。 因此結(jié)合了 上 述 的 優(yōu)點 可以 選取交流伺服電機作為該 包裝紙箱壓力變形試驗機的動力機。通過以下計算公式可以確定所選電機型號 。 )(1000/ KNFVPw ? () 公式 ()中： F工作阻力 (KN)； V最大下壓速度 (mm/min)。 將已知數(shù)據(jù) F=10(KN)； V=10(mm/min)=(mm/s)=(m/s)， 代入公式 ()計算可得： )(0 0 1 0 0 1 0 0 0 01 0 0 0/ KWFVP w ???? 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 10 根據(jù)伺服電機選型手冊可以選擇 SM 系列的交流伺服電機，根據(jù)計算所得確定選擇 SM13015015LFB，小功率電機。其技術(shù)參數(shù)如表 所示 表 電機的技術(shù)參數(shù) 主要參數(shù) 輸出功率 W 額定轉(zhuǎn)矩 MN? 最大轉(zhuǎn)速 min/r 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 2/mKg 數(shù)值 15 1500 ? 此電動機可以進行速度控制、位置控制和轉(zhuǎn)矩控制，結(jié)合本次設(shè)計采用位置控制和速度控制兩種模式。 因為此次設(shè)計的試驗機轉(zhuǎn)速較低、無沖擊、沒有很大的振動，所以可以選擇凸緣聯(lián)軸器，而且凸緣聯(lián)軸器的構(gòu)造就簡單、成本低。因此可以根據(jù)所選電動機型號，得到電動機伸出軸的直徑為 25mm，進而可以選聯(lián)軸器型號為 GY4。根據(jù)聯(lián)軸器的型號可以得到一些相關(guān)的參數(shù)。軸孔直徑 d=25(mm)，軸孔長度 L=62(mm)[8]。 齒輪的設(shè)計 根據(jù)總體方案的設(shè)計可以知道在此壓力變形 試驗機的傳動系統(tǒng)中用到了齒輪傳動，根據(jù)方案中執(zhí)行機構(gòu)簡圖，可以看出在此次壓力變形試驗機的設(shè)計中用到了直齒圓柱齒輪和直齒錐齒輪進行傳動。 直齒圓柱齒輪的設(shè)計 、材料及齒數(shù) （ 1）包裝紙箱壓力變形試驗機為一般工作機器，速度不高，故可以選用 7 級精度。 （ 2）材料的選擇。由表 [4]選擇小齒輪的材料為 45（調(diào)質(zhì)），硬度為 280HBS，大齒輪的材料為 45（調(diào)質(zhì)）硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS。 （ 3）選小齒輪的齒數(shù)為 Z1=24，大齒輪齒數(shù)為 1205242 ???Z ，（傳動比 i=5）。 由下面設(shè)計公式進行計算，即： ? ?3211 ???????????HEdt σ