【文章內(nèi)容簡介】 與芯軸始終受到周期波動的切削力作用，使刀具產(chǎn)生磨損不均勻現(xiàn)象。并且在角部已經(jīng)切斷的情況下，平面處尚未切斷，必須繼續(xù)進行切割這樣必然會對角部的芯軸產(chǎn)生破壞 ，并額外增加刀具的工作量，造成二者使用壽命過短。 芯軸剛度不足 原有紙管切割機一般為單側(cè)刀切割，使芯軸受到很大的徑向力，當(dāng)芯軸呈細長狀時，顯得剛度明顯不足。 生產(chǎn)效率低下 人工操作完成。 對小截面方形紙管每上料、卸料一次只能切割一段。 解決方案 切深不均的解決方案 方管切割與圓管切割主要的不同之處在于方管不是回轉(zhuǎn)體，在回轉(zhuǎn)運動時其與刀具接觸點隨角度變化而產(chǎn)生周期性的相對的徑向移動，本設(shè)計采用了凸輪仿形結(jié)構(gòu)，從而可以使工件回轉(zhuǎn)時，刀具的同步進退，能有效解決切 深不均問題以及刀具和芯軸使用壽命短問題。仿形塊與芯軸通過齒輪以 2： 1 的傳動比聯(lián)系在一起。 刀具進給與返回 仿形塊帶動氣缸在滑軌上來回滑動，氣缸再帶動刀具，氣缸與刀具均由仿形塊帶動，靠氣缸自身的伸縮實現(xiàn)刀具的進給與返回。 各工藝過程的連鎖動作 設(shè)有手自動轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)手動與自動自由轉(zhuǎn)換。 自動工作時，在裝完毛料后，按下 “啟動 ”按鈕，此后包括停止在內(nèi)的所有動作均由機器自動完成。 工作過程如下： 將紙管套裝在芯軸之上，按啟動按鈕，電機啟動，工件開始旋轉(zhuǎn)，同時電磁閥動作，汽缸通氣，氣缸帶動刀具進給 將道具壓在紙管上，彈簧伸縮，使刀具對紙管的壓力接近要求壓力（此壓力由紙管厚度及經(jīng)驗確定），到達要求壓力后，開始切割，時間繼電器到達調(diào)定的合適時間后（此時間根據(jù)試驗及經(jīng)驗確定），電磁閥換向，氣缸帶動刀具返回原位，電機停止，手工卸料，一個工作循環(huán)完成。 在以上解決方案解決中，用凸輪機構(gòu)解決切深不均的問題，并使刀具對紙管的壓力恒哈爾濱遠東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 定，同時緩解了刀具與芯軸的磨損情況，同時也實現(xiàn)了仿形的功能。道具的進給用氣缸控制，這樣能實現(xiàn)道具頻繁的換向和自動進給，而且還能用氣缸保護刀具切割時的過載。 立題意義 本課題的意義在 于研究一種操作簡單方便、生產(chǎn)成本低、高精度、高效率的方形紙筒切管機，這個題目的成功研制將會提高紙制品的生產(chǎn)效率、加工精度以及降低生產(chǎn)成本具有重要意義。 本文主要內(nèi)容 本文對方紙管的切割現(xiàn)狀進行了分析，有針對性進行了功能元分解與設(shè)計，選用一些經(jīng)濟實用、同時對部分主要零部件進行了計算與校核，最后對本產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的社會與經(jīng)濟效益進行了分析，對設(shè)計進行了總結(jié)。 哈爾濱遠東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 第 2 章 設(shè)計說明 概述 本產(chǎn)品由驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、橫向行走機構(gòu)、對切刀架總成、尾座總成、控制系統(tǒng)、機架等幾部分組成，詳見總裝配圖《紙筒 切管機》。本產(chǎn)品專門用于切割方形紙管（下稱紙管），并能夠通過更換仿形凸輪達到切割多種規(guī)格紙管的目的。 功能元分解 驅(qū)動系統(tǒng) 減速機是一種相對精密的機械，使用它的目的是降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩。它的種類繁多，型號 各異，不同種類有不同的用途。減速器的種類繁多，按照傳動類型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器和行星齒輪減速器；按照傳動級數(shù)不同可分為單級和多級減速器；按照齒輪形狀可分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐－圓柱齒輪減速器；按照傳動的布置形式又可 分為展開式、分流式和同軸式減速器。以下是常用的減速 機分類： （ 1）擺線針輪是減速器 （ 2）硬齒面減速機 （ 3）圓柱齒輪減速機 （ 4）行星齒輪減速機 （ 5）三環(huán)減速機 （ 6）起重機減速機 （ 7）蝸桿減速機 （ 8）軸裝式硬齒面減速機 （ 9）無級變速器 蝸輪蝸桿減速機的主要特點是具有反向自鎖功能，可以有較大的減速比，輸入軸和輸出軸不在同一軸線上，也不在同一平面上。但是一般體積較大，傳動效率不高，精度不高。諧波減速機的諧波傳動是利用柔性元件可控的彈性變形來傳遞運動和動力的，體積不大、精度很高，但缺點是柔輪壽命有限、不耐沖擊，剛性與金屬件相比較差。輸 入轉(zhuǎn)速不能太高。行星減速機其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長，額定輸出扭矩可以做的很大。但價格略貴。 為了使切管機結(jié)構(gòu)緊湊，在這里選擇的驅(qū)動系統(tǒng)由電機及擺線針輪減速器組成，為傳動機構(gòu)中兩根軸的轉(zhuǎn)動提供動力源。 傳動系統(tǒng) 傳動系統(tǒng)由變速器、紙管芯軸、仿形軸、仿形凸輪等組成，由于變速器的作用，使紙哈爾濱遠東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 管芯軸與仿形軸的之間形成一個固定的轉(zhuǎn)速比 1： 2，這樣的傳動比要比二者轉(zhuǎn)速相同好，因為這樣可以使仿形凸輪結(jié)構(gòu)尺寸變小并獲得相同的仿形效果。傳動系統(tǒng)使紙管芯軸及仿形凸輪獲得需要的轉(zhuǎn)速。 紙 管芯軸由工程塑料制成，工程塑料的主要優(yōu)點如下： (1)由于工程塑料可以直接注射成型外形復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式 ,因此便于制成所需的芯軸形狀。 (2)當(dāng)切透紙管時，用塑料芯軸能有效防止刀具與芯軸的作用刀具和芯軸。 (3)工程塑料密度低 ,僅為鋼的 1/7,因此芯軸本身得重力小，在同等條件下可以有效緩解芯軸的剛度不足問題。 (4)耐摩擦 ,磨損，自潤滑性能優(yōu)異 ,在裝卸紙管時可以做到迅速更換。 (5)工程塑料的韌性好、耐沖擊、抗斷裂性好、緩振性好，當(dāng)出現(xiàn)刀具過載而使芯軸受力過大時，可以起到有效的緩解作用。 (6)耐酸 ,耐腐蝕，當(dāng) 紙筒切管機切割油性或酸性的紙筒時用塑料芯軸能有效防止用金屬芯軸出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象。 (7)成本低。 仿形凸輪機構(gòu)的優(yōu)點為：只需設(shè)計適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到所需的運動規(guī)律，并且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，設(shè)計方便。他的缺點是凸輪輪廓與從動件之間為點接觸或線接觸，易磨損，所以通常多用于傳力不大的控制機構(gòu)。 橫向行走機構(gòu) 橫向行走機構(gòu)主要由軌道、齒條及行走小車等組成，在主動軸上有兩個完全相同的齒輪同步驅(qū)動小車行走，小車上具有緊固輪，緊固以后可以使小車停在軌道之上的需要位置。當(dāng)切割不同長度的紙管時，可以轉(zhuǎn)動橫向 行走機構(gòu)的手輪，按標(biāo)尺指示長度的位置停穩(wěn)并擰緊緊固輪。需要說明的是，當(dāng)切割長度小于 100 時，需要在紙管芯軸靠近左端部的定位點右移（另配單獨的定位板），這樣就可以獲得較短的紙管。 對切刀架總成 對切刀架總成由切刀、小刀架、氣缸、氣缸架、導(dǎo)軌等組成，氣缸及切刀等件均安裝于導(dǎo)軌之上，并能自由滑動，同時氣缸可以推動切刀進給和退回，安裝于導(dǎo)軌之上的所有零部件均在仿形凸輪的帶動下隨紙管的轉(zhuǎn)動同步進退，小刀架之上安裝有保護彈簧，其彈簧力可以調(diào)至與設(shè)定切割力相同，能夠防止切刀和芯軸受過大切割力的破壞。 按運動學(xué) 原理，所謂的導(dǎo)軌就將運動構(gòu)件約束到只有一個自由度的裝置。這一個自由度可以是直線運動或者是回轉(zhuǎn)運動。 導(dǎo)軌裝置，在機械中使用頻率較高的部件之一，沒有不使用導(dǎo)軌的機床；在測量機、繪圖機等上導(dǎo)軌是他們的工作基準(zhǔn)，在其他機械中也離不開導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用。由此可見導(dǎo)軌的精度、承載能力和使用壽命都將直接影響機械的質(zhì)量。 導(dǎo)軌設(shè)計要求： 哈爾濱遠東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 （ 1）幾何精度就是通常所說的導(dǎo)向精度，及運動的直線或回轉(zhuǎn)精度； （ 2）運動精度包括：運動的平穩(wěn)性（例如低速不爬行）和定位的精確性（角定位和線定位）； （ 3）具有足夠的剛度、承載能力和使用壽命 ； （ 4）機構(gòu)簡單、工藝性好、便于調(diào)整和維修； （ 5）具有良好的防護、潤滑。 導(dǎo)軌的設(shè)計及內(nèi)容： （ 1）根據(jù)載荷特點、工作條件，確定導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)尺寸、類型和截面形狀。 （ 2）導(dǎo)軌的力學(xué)計算，選擇導(dǎo)軌材料熱處理方法和表面精加工及硬度匹配。 （ 3）導(dǎo)軌的配合間隙和預(yù)加載荷調(diào)整機構(gòu)。 （ 4）導(dǎo)軌的潤滑系統(tǒng)及防護裝置。 （ 5）制定導(dǎo)軌的技術(shù)條件和精度。 在本紙筒切管機中，直線導(dǎo)軌副只起到限制刀架縱向行走機構(gòu)的自由度的作用，并且切管機對導(dǎo)軌的要求也不高，所以導(dǎo)軌用 Q235 鋼制作即可。 尾座總成 尾座總成主要 由回轉(zhuǎn)頂尖、尾座體、滑芯、螺桿等組成，前部安裝的回轉(zhuǎn)頂尖可以在尾座體上伸出和退回，工作時頂尖頂在仿形軸端部，以加強仿形凸輪軸的剛度，更換仿形凸輪時，回轉(zhuǎn)頂尖退回，更換完畢頂尖重新伸出。 頂尖的選擇 頂尖，機械加工中的機床尾座的部件?？蓪Χ嗣鎻?fù)雜的零件和不允許打中心孔的零件進行支承。頂尖主要由頂針、夾緊裝置、殼體、固定銷、軸承和芯軸組成。頂針的一端可頂中心孔或管料的內(nèi)孔，另一端可頂端面是球形或錐形的零件頂針由夾緊裝置固定。當(dāng)零件不允許或無法打中心孔時，可用夾緊裝置直接夾住車削。 機床尾座在加工中起著支撐、鉆孔、 鏜孔等等重要作用。在這里借用頂尖來提高仿形輪軸的剛度。 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)控制切割機按工藝要求進行工作，分為手動和自動兩種工作方式，自動控制時，事先按所切紙管的口徑和壁厚調(diào)整好定時器，按下啟動按鈕，電機工作，通過傳動機構(gòu)帶動主軸和仿形凸輪同時轉(zhuǎn)動，同時通過對電磁閥的控制，使氣缸伸出，開始切割，達到定時器調(diào)定的時間后，氣缸退回，電機斷電，停止切割，一個工作循環(huán)完成。如果下一次切割的紙管與上次相同，不必再重新調(diào)整定時器。手動控制時，以上每一步工作都由手動操作完成。 本章小結(jié) 在本章中，主要介 紹了紙筒切管機的主要組成機構(gòu)及系統(tǒng)，通過對比選擇了由電機及哈爾濱遠東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 擺線針輪減速器組成的減速機作為紙筒切管機的動力輸出系統(tǒng)，為了提高芯軸的耐用度選擇了工程材料制作的芯軸。提出了用仿形凸輪控制刀架的往復(fù)運動，根據(jù)軌道的設(shè)計要求選擇了導(dǎo)軌的材料。選用了尾座作為在加工中支撐仿形輪軸來提高仿形輪軸的剛度。提出了自動控制的設(shè)計思想。 哈爾濱遠東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 第 3 章 動力與結(jié)構(gòu)參數(shù)計算 功能描述 仿形切割 切深微調(diào)功能 切割長度可調(diào) 仿形凸輪可快速更換，以切割不同規(guī)格紙管 氣動進給與返回 具有手動 /自動切換功能 操 作及維修方便，使用安全可靠 工藝參數(shù) 切割紙管規(guī)格： 1515~5656mm 切割紙管最大長度： 550mm 紙管厚度： ≤3mm 主軸轉(zhuǎn)速： 20~30r/min 刀具切割徑向力： 15~25Kg 刀片規(guī)格： 76 工作條件 電源： ~380V 50Hz 氣源壓力： 3~5bar（壓縮空氣） 外形尺寸：寬 長 高 9002020980mm 環(huán)境溫度 ： 0~+40℃ 動力參數(shù)計算 推動力計算 設(shè)定刀具與工件之 間正壓力為： N=200~250N 氣缸的推力為 F，則： F= ?cosN = ?cos250 （ 31） 如圖 其中當(dāng) ? =0176。 時 F=N 當(dāng) ? =45176。時 F=2/2250=353N 哈爾濱遠東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 NF即 Fmax=353N 功率計算 有兩把切刀同時對工件進行切 割，設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速范圍為 20~25 r/min，主軸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為 T，主軸功率為 P，則： 當(dāng) α=45176。時，主軸轉(zhuǎn)矩最大 Tmax=250282=104 Nmm （ 32） 此時主軸功率 P= ?Tn=6 ? ?? = KW （ 33） 設(shè)在傳動鏈中各環(huán)節(jié)的效率分別為： 聯(lián)軸器 η1=； 軸承 η2=； 齒輪 η3=； 切刀 η4=； 凸輪 η5=； 直線導(dǎo)軌 η6=； 頂尖 η7=；減速器 η8= 總效率： η== （ 34） 電機功率： P0=P/η=（ 35） 考慮今后產(chǎn)品切刀數(shù)量擴展的可能及工作的穩(wěn)定可靠，選擇市場現(xiàn)成產(chǎn)品 ——擺線針輪式減速器，按功率 級別選用。 根據(jù)功率及結(jié)構(gòu)要 求，選擇減速器型號為 R67 型， 電機減速器做為本設(shè)備的驅(qū)動系統(tǒng)。（參考廠家為：北京北方明珠減速器有限公司） 擺線針輪減速機工作原理：擺線針輪減速機應(yīng)用行星式傳動原理。采用擺線針齒嚙合的傳動裝置，擺線針輪減速機傳動裝置可分為三部分：輸入部分、減速部分、輸出部分。在輸入軸上裝一個 180176。的雙偏心套（錯位的），在偏心套上裝有兩個滾柱軸承，形成 H 形機構(gòu)。兩個擺線輪中心孔即為偏心套上轉(zhuǎn)臂軸承的滾道，并由擺線輪和針齒輪上環(huán)形排列圖 31 刀具受力分析圖 哈爾濱遠東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 的針齒相嚙合，以組成齒差為一齒的內(nèi)齒嚙合減速機構(gòu)，（為了減小摩擦，在速度比小的減速 機中，針齒上帶有針齒套）。 當(dāng)輸入軸帶著偏心套轉(zhuǎn)動一周時，由于擺線輪上齒廓曲線的特點及其受針齒輪上針齒的限制，擺線輪的運動成為既有自轉(zhuǎn)又有公轉(zhuǎn)的平面運動，在輸入軸正轉(zhuǎn)一周時，偏心套也轉(zhuǎn)動一周，擺線輪于相反方向轉(zhuǎn)過一個齒以得到減速，再借助 W 形輸出機構(gòu)，將擺線輪的低速自轉(zhuǎn)運動通過銷軸，傳遞給輸出軸，從而得到較低輸出轉(zhuǎn)速。 擺線針輪減速機特點： 高速比和高效率單級傳動，就能達到一比八十七的減速比，效率在百分之九十以上，如果采用多級傳動，減速比更大。 結(jié)構(gòu)緊湊體積小，由于采用行星傳動原理，輸入軸輸出軸