1、摘 要隨著經濟的快速發展，人們通過電商平臺購買商品的數量不斷增加，導致物流行業對紙箱的需求顯著上升，傳統手工制作的紙箱產量已遠遠不能滿足市場。因此自動化紙箱生產流水線的研制變得越來越具有可行性和迫切性。本文搜集了海內外自動紙盒機的研制現狀，同時給出了其優缺點對比。在分析了紙箱加工的工藝過程和瓦楞紙板的各類特性，同時對比分析了各類自動化設備中使用的動力、傳動、自動控制等系統的性能及優缺點之后，確定了送料，壓痕，切邊，涂膠，折邊，堆料的自動紙盒成型機結構方案。考慮到實際應用背景，方案中使用了高可靠性低成本的絲杠導軌傳動系統以及相應快速，結構緊湊的氣動傳動系統，同時使用PLC進行自動化控制等。通過理

2、論計算和使用Solidworks軟件三維建模，進一步優化了系統中各個關鍵部件的設計，從而實現了在給定加工速率下，可以用不同型號及尺寸的瓦楞紙板加工出多品種的紙盒。關鍵詞：自動化機械，三維建模，PLC，瓦楞紙箱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自動紙盒加工系統設計陳長祺 0112153250 緒論隨著我國經濟力量的不斷發展，城市化水平不斷上升1（如圖0.1所示），人們的生活水平得到了極大的改善，引發了對商品的大量需求。圖0.1 中國城鎮化率隨時間的變化曲線現在人們可以輕松地通過各種渠道購買到種類繁多的商品，而且我國一流的電商和物

9、流服務也讓這種購買變得不受地域和時間限制。然而在物流運輸過程中，為了保護商品不受損壞，一般都必須把商品裝入紙箱中，再填充緩震材料。與此同時紙箱在許多行業中也是不可或缺的配件之一，往往需要在短周期內生產大量優質的紙盒或紙箱。傳統紙箱加工一般使用手工制作或半自動機械制作，然而這些方法具有諸多缺點。對于手工制作來說，特別是瓦楞紙材質的紙箱，大多需要工人手工涂上膠水然后在折疊、粘合，生產效率太過低下，一批產品的制作周期往往會很長；而且由于工人熟練度的不同，產品的質量也會參差不齊。在行業競爭的壓力日漸增大的市場中，這種方式根本無法滿足需求，嚴重影響企業的生存。對于半自動機械加工來說，雖然產品的生產效率在

10、機械設備的幫助下得到一定提高，但依舊需要大量的人力操作而且安全系數不高，易出現事故。如圖2所示，近年來我國人口老齡化嚴重2，而且新興勞動力的培養尚需年日，所以手工及半自動勞動模式下的人工成本逐漸走高，嚴重影響企業利潤。圖0.2 2007-2016年我國65歲以上人口統計圖制造業是一個國家的支柱產業，在社會發展中起著中流砥柱的作用。它作為一項傳統行業，但往往也是發生改變最快、最激烈的地方。從百年前的工業革命到現在中國制造2025以及工業4.0，制造業的生產方式與產品類型已經發生了翻天覆地的變化。特別是最近幾十年，機械技術與電子電氣、計算機技術的結合越來越緊密，誕成了工業機器人、柔性制造系統等高端

11、自動化產品，讓人類社會的生產力到達了一個全新的高度。這些機電一體化系統有著高效率、低能耗、安全系數高、生產質量高等一系列優點，而且只要少數人員即可進行生產，能最大程度上減少人員成本，是未來的發展趨勢。因此在包裝行業，這種自動化紙盒生產線的研制便有了很大的必要性和迫切性。同時，開發出先進的國產自動化紙盒生產線也能打破國外設備在包裝行業的壟斷，讓國內企業不再承受其高昂的價格和維護成本，真正實現利潤最大化。1 自動紙盒加工機械的國內外發展現狀我國自動紙盒加工機械的研制起步較晚，在改革開放之前此領域基本處于空白狀態。八十年代改革開放之后，我國經濟飛速發展，包裝機械行業也發生了脫胎換骨般的改變，九十年代

12、時年收入增長速率超過20%，從機械的品質到品種都取得了令人矚目的成就3。然而國產包裝機械仍存在諸多問題，比如設備裝備落后，自動化程度低，生產規模小，成本高、效益低和維護技術力量薄弱等。目前通用性較高的自動紙盒成型機或開箱機可以自動完成將紙箱板開箱、成型、下底折葉折曲并實現箱底膠帶粘貼等工序，在包裝、物流行業應用廣泛4。由中科天工研制的TG-3C40P 型全自動天地蓋制盒機是目前國內較為先進的全自動紙盒成型設備，應用于高端精品盒包裝領域的天地蓋紙盒定制成型，其外形結構如圖1.1。圖1.1 TG-3C40P 型全自動天地蓋制盒機此設備采用可編程序控制器（PLC）、光電追蹤系統、氣動液壓系統、友好的

13、人機界面，可以實現自動傳遞紙板，紙面涂膠，紙板折疊并進行紙面貼合一次性完成，整臺設備全自動全天候運行。它還具有定位精度高、節省材料、結構緊湊等特性，生產效率與質量都要比傳統半自動或手工制作有很大的提高。其生產工序如圖1.2所示。圖1.2 TG-3C40P 型全自動天地蓋制盒機的生產工序國外包裝行業的機械化、自動化進程相比國內要早很多，其中美國、德國、日本、意大利的包裝成型機械位于世界領先水平5。這些國家的包裝機械雖各有特點，但總體都有高度集成化、自動化、生產質量高、可以柔性兼容多種紙盒類型、可靠性高等特點。日本三菱重工的EVOL系列紙盒自動成型設備（如圖1.3所示）可以兼容多種紙盒尺寸，集成多

14、種傳感器和CNC控制單元，能夠實現完全自動化運行，并且在其專利技術的支持下可以實現更高的紙盒折疊精度，其結構如圖1.4。圖1.3 日本三菱重工EVOL系列自動紙盒成型設備圖1.4 EVOL系列紙盒自動成型設備折疊專利技術2 課題主要工作內容本設計主要偏重于自動紙盒加工系統中所有機械部分的設計，在對紙盒成型過程及技術要求進行分析后，制定裝置總體方案，對關鍵零件和部分非標零件進行理論計算和外形設計，得到自動紙盒加工系統總體裝配圖和主要零部件圖。本設計同時對電氣控制系統也進行了相應的設計。3 課題分析3.1 設計技術要求(1)紙板加工最大尺寸1000 x1000mm；(2)自動紙板從堆料倉攝取到加工

15、為處，并定位；(3)機器能根據紙盒加工順序進行紙板的自動壓邊、涂膠、折疊連接等工作；(4)成品放到堆料區；(5)每分鐘加工5只紙盒。3.2 紙盒加工工藝分析本設計最終得到的成品是便于運輸存儲的、未經開盒成立體盒形的紙盒皮，如圖3.1所示。圖3.1 易于存儲的紙盒皮市面主流的紙盒加工機械按照如圖3.2所示的工藝流程進行加工，但存在模切模具成本高、模切刀具壽命短、柔性差等缺點。本設計因此提出將切邊與壓痕分為兩道工序的改進工藝流程（如圖3.3所示），避免使用模具。圖3.2 市面主流紙盒加工工藝流程3.3 本設計采用的紙盒加工工藝流程本設計根據國家標準GBT 6543-2008運輸包裝用單瓦楞紙箱和雙

16、瓦楞紙箱，選取0203型為最終得到的紙盒皮展開圖（尺寸如圖3.4所示），并以此為基礎設計自動紙盒加工系統。圖3.4 紙盒皮展開圖4 系統方案確定本設計根據選定的紙盒加工工藝流程，確定自動紙盒加工系統的機械結構主要由送料部、輸送部、壓痕部、裁切部、折疊部和堆料部等部分組成，再使用自動控制系統進行控制。本設計系統方案如圖4.1所示。圖4.1 系統設計方案5 機械結構部分具體設計內容5.1 輸送部（動力滾筒輸送機）設計輸送部用于連續、均勻、穩定地輸送紙板，可選用的輸送機械設備有帶式輸送機和滾筒輸送機。5.1.1 帶式輸送機帶式輸送機是應用最廣泛的輸送機械，其組成材料簡單，主要構成為連續傳送裝置和一條

17、緊密封閉的輸送帶。主要特點有：(1)材料容易獲得，工作機制簡單，工作狀態穩定；(2)適用面廣，可以廣泛應用于各種場合；(3)對于被輸送的物品要求低，可以用于輸送密度不小于0.5g/cm3顆粒、粉狀物體等；(4)其主要類型有：(5)普通膠帶輸送機：通用帶式輸送機、氣墊帶式輸送機、輕型固定式帶式輸送機等；(6)特種膠帶輸送機：鋼繩芯帶式輸送機、管狀帶式輸送機等；(7)特種帶式輸送機：磁性帶式輸送機、鋼繩牽引帶式輸送機等；5.1.2 滾筒輸送機滾筒輸送機又被稱為滾柱輸送機。它主要由相互之間具有一定距離的滾筒構成，在滾筒上蓋上輸送履帶，加以動力就可以對貨物進行輸送。滾筒輸送機原理在于滾筒與履帶之間的摩

18、擦力，所以一般來說，制造滾筒輸送機要求滾筒表面和履帶之間的摩擦系數要較大，同時為了保證滾筒的剛度，滾筒主要由鋁合金來制作。為了保證滾筒輸送機的正常運行和物品的穩定，滾筒之間的距離應該小于物品支撐面長度的14。滾筒輸送機的研發解決了很多物品運輸方面的問題，其主要運用于生產車間運送物品。滾筒輸送機在車間被廣泛采用。主要因為它對環境的要求不高，在各個場合都能適用，不僅適用于物品生產流水線，還可以在生產的工藝上直接用上。因此，很多行業在生產中多選用了滾筒輸送機。作為一種輸送機，滾筒送機沒有撓性牽引構件，它與其它輸送機相比，擁有多種多樣的功能，而且它的結構簡單、維護方便、而且運轉起來可靠性較高，但是他最

19、突出的就是能夠在生產工藝過程當中實現很好的銜接和配套。它具體表現為:(1)它可以根據需要改變為各種形式的輸送線，在進行布置的時候很靈活，很容易進行分段和連接。(2)擁有多種多樣的功能。在輸送或者積存物料的時候，我們可以使用無動力式、動力式和積放式等多種運輸方式。而且在輸送的過程中，可以對物料進行升降、移動和翻轉，另外還可以實現和其它輸送機之間進行轉運。(3)與其他工藝設備之間可以進行銜接和配套，而且非常方便和簡單，特殊時候也可以直接作為工藝設備。(4)在輸送物料的時候，輸送平穩、停靠準確，在訴訟的過程當中，方便我們進行一些其他操作，而且還方便實現自動控制的功能。(5)對于一些尺寸較小的物料，我

20、們可以直接利用兩臺滾筒運送機進行連接。(6)對于一些大型的成件物料，我們可以采用雙排或者多排滾筒運輸機，并排一起組成一個寬大的滾筒運輸機。(7)對于一些高溫的物料也可以進行輸送。(8)這種輸送機的標準化、系列化和通用化的程度都比較高，可以進行組裝，然后形成不同的運輸系統。 滾筒輸送機的種類有很多，通常可分為無動力式和動力式兩種。無動力滾筒輸送機無動力滾筒輸送機本身不含有驅動裝置，在輸送過程中，一般以機械、重力等外部牽引力作為裝置進行工作。其常見的裝置布置有兩種，分別為水平輸送和傾斜輸送。水平輸送主要依靠外力作用來對物品進行移動。主要適用于作業強度低、運送距離短等場合。其工作原理為人工采用鏈繩、

21、膠帶等對其輸送。好處在于方便人工控制，可以自行對其輸送速度、輸送路程的選取等；缺點在于對物件大的貨物不方便輸送，輸送距離長對人工要求高。傾斜輸送主要是依靠重力的作用，從上往下進行傳動輸送，現階段最常見的就為傾斜輸送。其主要優點在于制作成本低、結構設置簡單、方便移動；缺點在于不適合輸送微小物品、易碎物品等，在輸送過程中不方便對其進行實時掌控。一般適用于工廠等輸送中小型貨物。如果輸送距離較長，必須分成幾段，在每段的終點升降臺把物料提升一定高度，使物料再次沿重力式輥道輸送。動力式滾筒輸送機動力式滾筒輸送機的結構內部含有驅動器，驅動方式為電力驅動。滾動輸送機為主動輸送，可以在人工控制或者機械自動控制，

22、方便于物品在輸送過程中出現突發事故進行及時控制。動力式滾筒輸送機的驅動方式有：鏈條驅動，電動機驅動，帶驅動式和錐齒輪驅動。根據本設計的工況，選用單鏈驅動動力滾筒輸送機，其特點為：輸送機承載能力范圍大，通用性好，結構緊湊，布置方便，適用于輕載、低速的場合。5.1.3 外形設計根據技術要求中最大紙板尺寸為10001000mm，確定兩段動力滾筒輸送機空心滾筒的長度為1050mm，直徑80mm，兩滾筒軸心距為280mm。如圖5.1所示圖5.1 動力滾筒輸送機因為紙板的長度比較短，滾筒的長度比較長，所以要在滾筒上加上一個如圖5.2所示的紙板導向定位裝置。圖5.2 紙板定位導向板5.1.4 主要參數計算輸

23、送的紙板重量最大為:G=m1g=0.79.8=6.86N（5.1）一塊紙板最多由四個滾筒支撐，則每個滾筒所受載荷為：Ftq=6.86N41.8N（5.2）滾筒外表面材料為橡膠，干燥情況下，取摩擦系數為t=0.9，重量為Gt=20N;軸承的摩擦系數為z=0.002，則滾筒與紙板間的摩擦力為：ft1= tG=0.96.8641.5N（5.3）軸承的滾動摩擦力為：ft2= zGt=0.00220=0.04N（5.4）根據技術參數，一個滾筒每分鐘過五塊紙板（以最大1米算）再加每個紙板間的距離20cm，總共1m的余量，可得滾筒線速度： v=6m/min=0.1m/s （5.5）滾筒轉速為： n=6021

24、0rpm（5.6）單個滾筒的功率為：Ptq=ft1+ft2v=1.5+0.040.1=0.1W（5.7）每段動力滾筒輸送機上有21個滾筒，則所需總功率為：Pt=210.1=2.1W（5.8）故可以選擇三相異步電動機中功率最小的一種作為動力滾筒輸送機的驅動電機，可供選擇的電機如表5.1所示：表5.1 可供選擇的電機型號型號額定功率/kW滿載轉速/rpm同步轉速重量/kgY90S-60.75910100021Y80M1-40.551390150017經比較可知，雖然YS90-6傳動比小，但比Y80M1-4重，而且價格方面更貴，因此選擇Y80M1-4為動力滾筒輸送機的電機。經三維建模軟件測量，可得動

25、力滾筒機的總質量為531kg，需要用10根鋁型材支撐，每根需承受53.1kg的質量，取豎直鋁型材長度L=700mm，鋁型材拉伸彈性模量E=26GPa，根據兩端固定壓桿臨界力歐拉公式，則每根梁的極慣性矩為：I1=(0.5L)2PCR12E=(0.5700)253.19.81033.14226106=2.48104mm4（5.9）遠小于表中鋁型材中最小規格型號的慣性矩，因此可任意選用表中鋁型材作為機架材料。表5.2 常用鋁型材型號及參數型號重量/kg/m截面積/mm2慣性矩/mm4壁厚/mm20200.4611700.651041.530301.166427.73.731042.540401.21

26、4458.21041.560603.02111946.71042.580805.92168155.410445.2 壓痕部設計壓痕部用于壓出紙板上橫、縱兩向折疊痕。完成壓痕后，壓痕處比紙板平整處更容易彎折。5.2.1 外形設計本文選用輥壓式設計，即橡膠主動輥（下輥）提供支持力，套在從動軸上的輥壓刀片（上輥）進行壓痕，刀片在無動力軸上的軸向位置可根據加工紙板尺寸進行靈活調整，同時可加裝或減去刀片用于橫向或縱向壓痕,如圖5.3所示。刀片上制動裝置配合無動力軸上的固定槽，可以保證刀片相對紙板的位置在壓痕時保持不變。從動軸可手動通過旋轉螺母手柄上下移動，以適應不同厚度的瓦楞紙板。圖5.3 壓痕部（四刀

27、片縱壓痕）5.2.2 主要參數計算根據國家標準GBT 6544-2008瓦楞紙板，本設計選擇雙瓦楞紙箱BD-1.5型作為極限計算條件。BD-1.5型紙箱使用A楞型D-1.5優等雙瓦楞紙板，其具體參數如表5.2。表5.3 D-1.5優等雙瓦楞紙板參數重量（g/m2）耐破強度/kPa壓痕強度/(kN/m)厚度（最大）/mm70019009.0010由表5.2可知，紙板在被壓痕時，垂直紙面的壓力（即輥壓力豎直分力）Fpy至少為9kN。壓痕過程紙板的受力分析圖如圖5.4所示：圖5.4 輥壓受力示意圖主動輥順時針轉動時，紙板下側受到向由的摩擦力f2，帶動其向前運動；圖示幾何條件下，紙板與壓痕刀片接觸時的

28、輥壓壓力角為=16.83，則輥壓力的水平分力為： Fpx=Fpytan=9tan16.832.7kN（5.10）因為瓦楞紙重力G遠小于輥壓力豎直分力，則可忽略不計，于是下紙面正壓力為：N2Fpy=9kN（5.11）主動輥表面材料為橡膠時，取摩擦系數2=0.8，則下紙面摩擦力為：f2=N22=90.=7.2kN（5.12）上紙面正壓力為：N1=Fpy=9kN（5.13）壓痕刀片材料為45鋼時，取摩擦系數1=0.3，則上紙面摩擦力為：f1=N11=90.3=2.7kN（5.14）對于四刀片縱向輥壓部，主動輥所取驅動功率為：Pgq4=f2v4=7.20.34=8.64kW（5.15）主動輥驅動電機功

29、率為：Pg4=PgqK1=8.640.751.5=17.64kW（5.16）式中為電機效率，取75%；K1為安全系數，取1.5。因此，查表選擇Y180M-4型三相交流電機用于雙刀片和四刀片輥壓部，其參數見表5.4。表5.4 Y180M-4電機性能參數型號額定功率/kW滿載轉速/rpm同步轉速/rpm重量/kgY180M-418.5147015001745.3 裁切部設計裁切部用于裁切經過壓痕的紙板，獲得搭接舌邊和折痕切槽。5.3.1 外形設計如圖5.6所示，裁切部下的皮帶輸送機帶動紙板前進，當紙板到達裁切位置后可被光電傳感器檢測到，皮帶輸送機下的擋板升起，將紙板定位，然后兩側氣動裁切部同時向下

30、運動裁切紙板。裁切延時結束后，擋板降下，紙板繼續前進，擋板作用示意如圖5.7所示。光電限位開關是一種光電傳感器，它能感知發射端與接收端之間光束的有無和強弱變化。它之所以能廣泛在許多場合應用，是因為它的光電電路和輸入輸出電路是電隔離的。大部分光電傳感器采用集成電路技術和SMT表面安裝工藝制造而成，具有延時、外同步和自診斷等功能。這種光電開關同時采用了PWM技術，可以做到主動光電探測。其使用的光源有紅外光或RGB光源，因此它可以做到非接觸無損傷探測各類材料的物體。同時它還具有抗干擾、可靠性高、響應速度快、體積緊湊等優點。圖5.6 裁切部圖5.7 光電限位開關和擋板配合完成紙板定位裁切部刀片分為裁切

31、折痕切槽用的窄刀片和裁切搭接舌邊的厚刀片，刀片下有刀槽，刀槽內有斜坡，便于切下的紙板滑出防止堵塞。如圖5.8所示，刀槽呈“L”型，其上有導軌凹槽，可與刀片上的突起配合，如此二者可以共同在導軌上左右移動，以適應不同尺寸的紙板；導軌滑塊上有止動銷孔，可以配合止動銷完成刀片與刀槽在導軌上的定位。圖5.8 刀片（厚）和刀槽5.4.2 主要參數計算(1)裁切動力系統確定裁切部極限工作條件下所裁切的紙板為D-1.5型優等雙瓦楞紙板，根據表5.3可得其耐破強度為=1900kPa；在最大尺寸10001000mm，取0203型紙箱長寬比為L:B=2.5:1，舌邊寬b=35mm（雙瓦楞紙箱）時，可得： b+2L+

32、2B=1000（5.17） 2B+H=1000（5.18）所以各邊最大尺寸為：B=138mm，L=345mm， H=724mm。當紙板厚度h=10mm時，最大裁切橫截面積為： A1=Bh=13810=1380mm2（5.19）設折痕切槽寬固定為b=17mm，則其余裁切面積分別為： A2=bh=3010=350mm2（5.20） A3=bh=1710=170mm2（5.21）裁切時，各裁切面處有： Fc=A（5.22）式中，Fc為裁切力，則單側總需要的裁切力為： Fc總= 7A1+A2+3A3=190010371380+350+317010620kN（5.23）這些裁切載荷由三個作用桿分擔，則每

33、個作用桿裁切時需要的下推力為： Fcq=Fc總3=2036.7kN（5.24）經查閱資料可知，在這樣的負載下，若選用氣動系統，會導致氣缸直徑過大，不便于安裝和維護，因此選擇液壓系統作為裁切部動力源。在液壓系統中，液壓泵通過做功將液壓油加壓達到工作壓力，通過液壓閥等元件控制液壓油的流向、流量和壓力。之后活塞得到液壓泵輸出的動力完成動作，進行對外做功。液壓系統有在本設計裁切工況下有如下優點： = 1 * GB3 由于液壓介質本身性質，液壓裝置能夠做到啟動、傳動、制動、換向時運動平穩。 = 2 * GB3 相同輸出功率下，與氣動裝置相比，液壓裝置體積更小；與電機傳動裝置相比，液壓裝置的重量更輕。 =

34、 3 * GB3 液壓傳動時可以通過調節閥輕易實現大范圍無極變速，可以適應多種工況。 = 4 * GB3 液壓油自帶潤滑功能，所以液壓裝置的重復工作壽命更長；通過泄壓閥，可以實現過載保護。常用的液壓缸有四類： = 1 * GB3 活塞桿液壓缸：單作用液壓缸只有一端有活塞桿，活塞返回需靠重力或彈簧；雙作用液壓缸兩端都可以進油出油，活塞桿可以雙向運動。 = 2 * GB3 柱塞式液壓缸：它是一種單作用液壓缸，通過柱塞傳遞動力；柱塞不與缸套接觸，所以缸套內表面要求低，易于加工，因此可以用于長行程液壓缸；由于柱塞質量較大，所以不適于水平安裝，容易導致單邊磨損。 = 3 * GB3 伸縮式液壓缸：這種液

35、壓缸具有兩級或兩級以上活塞，其做功運動順序通常為大直徑活塞到小直徑活塞，回程相反。它可以用于較長行程的工作情況，且結構緊湊。 = 4 * GB3 擺動式液壓缸（擺動式液壓馬達）：可以輸出扭矩并旋轉運動，結構有單葉片和雙葉片兩種。(2)液壓系統參數計算經過Solidworks三維建模軟件進行外形設計后，取平均密度7.8g/cm3可估得刀片等需要上下移動的部件的總重量載荷為G刀660N，經查手冊可知0.5噸以下液壓缸的工作壓力在0.11MPa之間，此處取P工=0.5MPa為液壓缸工作壓力，負荷率=80%。根據公式：F=PS（5.25）可得液壓缸活塞面積：S活=FcqP工=6.71030.51060

36、.816.75cm2（5.26）活塞直徑：D活=2S活/3.14=216.75/3.14=4.6cm=46mm（5.27）故液壓缸內直徑取D活=50mm。根據紙板厚度取活塞桿工作行程l活=30mm。經三維建模軟件測量，可得單側裁切部的總質量約為2900kg，需要用4根鋁型材支撐，每根需承受725kg的質量，取豎直鋁型材長度L=480mm，鋁型材拉伸彈性模量E=26GPa，根據兩端固定壓桿臨界力歐拉公式，則每根梁的極慣性矩為：I1=(0.5L)2PCR12E=(0.5480)27259.81033.14226106=1.5103mm4（5.28）可選4040鋁型材作為機架支撐。5.5 涂膠折疊部

37、設計完成裁切后，紙板通過皮帶輸送機被送至涂膠折疊部進行折疊封邊，完成最后的工序。5.5.1 外形設計如圖5.9所示，當紙板前進到一定位置處時，設置在紙板兩邊（一前一后）下方的兩個彈片式行程開關（圖中紅色部件）的檢測彈片會被同時壓下，皮帶輪輸送機電機停止，紙板下方的吸盤通氣工作，將紙板吸牢，完成定位。之后涂膠頭降下，沿搭接舌邊均勻涂膠。折疊時，未涂膠的一邊先通過折疊板被抬起，然后涂膠的一邊再抬起；抬起一定高度后，兩折疊板相向前推，一定距離后下壓，將涂膠的一邊壓緊；粘合延時結束后，兩折疊板原路返回，準備下一次折疊；紙板前部的擋板降下，皮帶輪輸送機啟動，使紙盒皮成品繼續前進。圖5.9 涂膠折疊部如圖

38、5.10所示，升降折疊板通過氣缸驅動進行垂直位移，絲杠導軌驅動折疊板水平位移。折疊板的相向進給運動由步進電機驅動的絲杠螺母導軌實現。絲杠導軌是將電機的回轉運動轉化為托盤直線運動的傳動裝置，它通常具有高效、高精度的特點。絲杠螺母機構通常有三種類型：(1)滾珠絲杠：摩擦系數很小，傳動效率高，動作靈敏，運動平穩。常用于精密傳動，由螺桿、螺母、鋼球、預壓片、反向器、防塵器等元件組成，結構復雜，成本較高，且不能自鎖。(2)滑動絲杠：結構簡單，成本低廉；由于螺母與絲杠直接滑動接觸，所以摩擦阻力較大，易磨損，傳動效率低，但具有一定的自鎖性能，廣泛應用于一般機床上的進給、調整和定位機構。(3)液體靜壓絲杠螺母

39、：其傳動精度和定位精度高、承載能力大、剛度高、抗振性好、傳動平穩、傳動效率高，但其結構復雜，安裝調試困難，不能自鎖。常用于高精度機床和重型機床等。另一方面，導軌需要滿足的要求是剛度值要求強、比較高的抗磨性、導向精度高、低速運動平穩和結構工藝性好五個方面的要求。導向精度高。導向精度基本定義是：就對機床來說，其工作時處于正在發生移動的部件能否與相關的基面能否有相對準確的沿著直線進行工作。而在運用上，導軌的精度對于很多需要精密操作的儀器是至關重要的，零件的切削、深度尺的測量、紅外線測溫槍等都需要很高的導軌精度。而影響導軌精度的的因素一般為導軌的磨損、結構、出廠質量的誤差等，同時連續超負荷的使用、過熱

40、的環境等也會導致導軌精度出現偏差。比較高的抗磨性。導軌的抗磨性對于能否長期使用是一個必要因素。在使用儀器的過程中，導軌難免會產生一定量的磨損，導致導向精度會降低，從而對儀器的精度產生很大的影響。所以為了降低這種不可避免的影響，應該避免導軌長時間的使用。剛度值要求強。一般來說，導軌在使用過程中會不可避免的接觸到外部物體的壓力，導軌受力變形會嚴重的影響相關儀器的使用精度。所以對于導軌的設計方面上，設計者需要采用一些方法，用以讓導軌有足夠的剛度。現階段大多以加大導軌面積和采用輔助工具。(4)低速運動平穩。導軌在運動中摩擦力比較小，其低俗運動時沒有爬行狀況。(5)結構工藝性好。設計師在設計的時候采用的

41、零件材料比較容易獲得，裝配也比較方便，總體設計簡單，成本較低。一般常見的導軌副裝置有三種，分別是滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌，具體特點如下：滑動導軌：其制作簡單，材料獲取比較容易、足夠的剛度等。(2)滾動導軌：摩擦系數較小、反應度較高、在運行時候穩定不易發生震動。在低速運動時爬行狀況發生概率較小；可收縮，移動的時候方便；精度比較高；使用磨損比較慢，使用壽命長。但是在使用時候需要注意輕拿輕放，滾動導軌容易損壞，其制造需要的零件材料價格比較昂貴，成本較高。(3)靜壓導軌：摩擦系數小，機械效率高，能長期保持導軌的導向精度。其承載油膜有良。綜上，根據本設計工況選擇滑動導軌。不同款式的滑動導軌其性能也不

42、完全相同，一般來說，市面上常見的滑動導軌有三角狀、正方形狀、圓形、燕尾狀四個款式，每個款式又分成凹、凸兩種。對于凹型導軌來說，其可以在高速環境中運行，但是容易積累雜物；凸型則用于低俗環境，但是在運行中不容易有碎屑和雜物。根據滑動導軌的不同截面形狀可以歸納出不同的特點:(1)在受到垂直負載重力的作用下，截面為三角形的導軌可以在受到磨損過后自動恢復，并且是完全恢復到原樣不會有縫隙隙的產生，所以這種導軌的導向精度很高。但是，仍然需要在壓板面上安裝縫隙調整的裝置。(2)截面為矩形的導軌特點就比較多，在結構方面，它的結構很簡單，所以容易制造出來，在對其進行檢修和維修的過程也比較方便。由于是矩形的所以導軌

43、的面積比較寬，因此能夠承受的負載也比較大，這種形狀的導軌應用比較廣泛。與三角形的導軌相比，截面為矩形的導軌精度沒有三角形的高，在受到磨損過后不能自動恢復，所以要安裝對縫隙進行調整的裝置。(3)燕尾形導軌磨損后不能自動補償間隙，需設調整間隙裝置。這種形狀的導軌自身結構比較緊湊，而且高度不是很高，但是可以承受顛覆力矩。這種導軌的缺點是具備的剛度比較小，而且制造也比較困難，不容易進行檢修。這種導軌的主要應用在于要求速度不快，對高度有要求的地方。(4)截面為圓形的導軌在制造方面比較容易，結構較為單一。有外圓和內孔兩個部分，兩者之間的配合精度可以達到較高的層次，但是在磨損過后，可能對其進行調整和修補。綜

44、上根據本設計工況選擇矩形凸導軌。以下將闡述幾種滑動導軌材料的性能。(1)鑄鐵鑄鐵這種材料的特點是耐磨性和減震性都具有較好的優勢，高溫狀態下穩定性也比較高，在加工制造方面難度系數較低，加工制造成本低等等。(2)鋼如果使用淬硬的鋼材料導軌的話，對導軌的耐磨性有一定的提高作用，進行淬火過后的鋼導軌是可以直接在導軌上進行鑲裝或者焊接的。這種材料的耐磨性高，在進行淬硬過后效果更是明顯。40Cr、GCr15、GCr15SiMn、45鋼、T8A、T10A這些鋼材料都可以進行淬火；或20Cr、，20 CrMnTi、15鋼等滲碳淬火。(3)有色金屬在我們的生活當中，鋁青銅、鋅合金、錫青銅、黃銅等都是比較常用的有

45、色金屬材料。圖5.10 升降折疊板運動結構5.5.2 主要參數計算(1)升降動力系統確定由于載荷較小，所以折疊板升降運動可用氣動系統完成，其優點有： = 1 * GB3 空氣作為無處不在的資源，可以無成本隨意取用，不必擔心儲存問題；氣動系統中的廢氣可以隨意排出，不會造成環境污染；此外，氣動系統也不存在像液壓系統那樣存在介質失效和循環更新的問題。 = 2 * GB3 空氣在管路內流動時的阻力較小，沿程壓力損失小，因此做功效率高，而且不易造成氣路堵塞。 = 3 * GB3 氣動系統比液壓系統在執行動作時反應更快，因此適用于小行程輕負載工況應用。 = 4 * GB3 氣動系統的組件通用性高、結構簡單

46、，易于維護和更換。 = 5 * GB3 根據熱力學第二定律，氣缸放氣時被排出的氣體因為體積變大而溫度降低，導致氣動系統可以循環自行降溫，適宜應用于長期重復性工況。(2)氣缸作用方式選擇氣缸作用方式主要分為三類： = 1 * GB3 單作用氣缸：它只有一端有活塞桿，從活塞一側進氣產生氣壓，然后氣壓推動活塞向前運動，返回需要取消進氣，然后靠自身重力或者內置彈簧收縮； = 2 * GB3 雙作用氣缸：活塞兩側都可以進氣，可以向一個或者同時向兩個方向出力； = 3 * GB3 膜片式氣缸：這種氣缸將活塞用膜片將活塞代替，僅向單個方向運動，然后靠彈簧返回。其特點是密閉性能出色，但行程短。根據三維建模可以

47、看出，留給氣缸安裝的空間十分狹小，因此需要選用結構緊湊的雙作用氣缸。(3)氣缸載荷的計算選折疊板的材料為鋁合金，密度為板=2.7g/cm3，通過建模得其體積為V板=1472cm3，則折疊板的重量為：G板=板V板g=2.714721039.8=39N（5.29）氣缸總載荷包含折疊板重量以及其余載荷，如摩擦載荷和彎折載荷，可用如下公式簡化計算：F氣=K2G板=239=78N（5.30）式中：K2為載荷系數，取2；(4)氣缸活塞行程確定根據建模尺寸，可知氣缸活塞行程至少為30mm。根據以上計算，可選FESTO公司DFM-16-50-P-A-GF型雙作用導向氣缸，其技術參數如表5.5所示：表5.5 D

48、FM-16-50-P-A-GF型雙作用導向氣缸技術參數行程/mm工作壓力/bar回復行程作用力/N進程作用力/N重量/kg50210901210.7(5) 絲杠導軌設計 = 1 * GB3 載荷計算取折疊板基座等零件平均密度為座=7.8g/cm3，經建模測得其體積約為V座=1510cm3，則可估得重量為：m座=座V座=7.81510103=11.8kg（5.31）導軌螺母上的總負載為：m軌=m座+m缸+m板=11.8+0.7+3.9=16.4kg（5.32） = 2 * GB3 驅動電機參數計算取螺母移動速度為v1=6m/min，絲杠導程PB=4mm，絲杠長度0.6m，導軌與滑塊間的摩擦系數軌

49、=0.1，傳動效率=90%，可得：電機所需轉速：NM=v1PB=64=1500rpm（5.33）軸向負載：FZ=m軌g軌=16.49.80.1=16.072N（5.34）負載轉矩：TL=FZPB2=16.0720.00420.9=0.01Nm（5.35）直線運動平臺與負載慣量：JL=m軌PB22=6.64106kgm2（5.36）滾珠絲杠慣量：JB=32BLBDB4=3.04105kgm2（5.37）式中B為絲桿密度，LB為絲桿長度，取0.6m，DB為絲桿直徑，取16mm；連軸器慣量：JC=18mCDC2=3.3105kgm2（5.38）式中mC為聯軸器質量，取0.3kg，DC為聯軸器直徑，取

50、30mm；總負荷慣量：J總=JL+JB+JCK3=1.4104kgm2=1400gcm2（5.39）式中K3為安全系數，取2。綜上可選86系列步進電機，符合要求的為如下型號：表5.5 可供選擇的86BYG步進電機型號步距角/保持轉矩/Nm轉動慣量/gcm2重量/kg86BYG250A-SAFRBL-04020.9/1.82.515401.75.6 堆料部設計堆料機構用于將加工好的紙盒皮成品堆垛，便于倉儲和運輸。5.6.1 外形設計如圖5.11所示，當成品紙盒皮借助重力落下后，被做往復運動的拍板排齊。當成品累計到一定數目后，觸碰到高度限位開關，拍板電機停止，可取下擋板將紙盒皮取出。圖5.11 堆

51、料部5.6.3 主要參數計算(1)傳動機構設計為了實現拍板的往復運動，本設計選擇了類似于偏置曲柄搖桿滑塊機構的傳動結構。拍板工作時，電機驅動曲柄做圓周運動，相連的連桿做平面擺動，帶動拍板在行程范圍內以一定頻率做往復運動。取拍板行程lp=200mm，偏距e=80mm，行程速比系數k=1.4，比例尺=1mm/mm，作圖計算曲柄長度和連桿長度的過程如圖5.12所示。圖5.12 偏置曲柄搖桿滑塊機構極位夾角為：=k1k+1180=1.411.4+1180（5.40）根據拍板行程，作出極限位置C1和C2。作直角三角形C1C2D，其中C1C2D=60。再做出三角形C1C2D的外接圓。作與C1C2平行且相距

52、e=80mm的直線，與圓相交于A點，即為曲柄回轉中心的位置。從圖中可測得AC2 =288.28mm，AC1=111mm，則曲柄長度：a=AC2AC12=288.281112=88.64mm（5.41）連桿長度：b=AC2+AC12=288.28+1112=199.64mm（5.42）(2)電機參數計算拍板尺寸600100030mm，材質為鋁合金，則其重量為：G拍=拍V拍g=6001000301032.79.8=476.3kg（5.43）取拍板底面摩擦系數拍=0.3，則行程中摩擦阻力為：f拍=拍G拍=476.30.3=142.9N（5.44）則電機軸上需要的扭矩至少為：T拍=f拍a=142.98

53、8.64103=12.7Nm（5.45）取安全系數K4=2，曲柄轉速為n拍=600rpm，則所需功率：P拍=T拍n拍K49550=12.760029550=1.6kW（5.46）根據計算選擇Y100L1-4型三相交流電機，其參數如表5.6所示：表5.6 Y100L1-4三相交流電機參數額定功率/kW極限轉速/rpm同步轉速/rpm額定電流/A重量/kg2.2143015005345.7 送料部設計送料部用于將紙板從堆料處移動到輸送機上。5.7.1 外型設計如圖5.13，安裝在機架上的吸盤起始位置在輸送機正上方，啟動后首先沿導軌移動到堆料處，下移吸到紙板后返回起始位置，放下紙板，之后重復動作。圖

54、5.13 送料部5.7.2 主要參數計算通過三維建模軟件測量，可得底部水平導軌移動平臺上的總重約為G下=756.6N,取螺母移動速度為v1下=6m/min，絲杠導程PB下=6mm，導軌與滑塊間的摩擦系數軌=0.1，傳動效率=90%，可得：電機所需轉速：NM下=v1下PB下=60.006=1000rpm（5.47）軸向負載：FZ下=G下軌=756.60.1=130.34N（5.48）負載轉矩：TL下=FZ下PB下2=756.60.00620.9=0.08Nm（5.49）直線運動平臺與負載慣量：JL下=m軌下PB下22=7.04105kgm2（5.50）滾珠絲杠慣量：JB下=32BLBDB4=5.

55、4104kgm2（5.51）式中B為絲桿密度，取7900kg/m3，LB下為絲桿長度，取1.8m，DB下為絲桿直徑，取25mm；連軸器慣量：JC=18mC下DC下2=1.8104kgm2（5.52）式中mC為聯軸器質量，取0.4kg，DC為聯軸器直徑，取60mm；總負荷慣量：J總=JL下+JB下+JC下K下=7.91042=1.58103kgm2=15800gcm2（5.53）式中K下為安全系數，取2；據此可選110BYG350DH型步進電機，在表5.7當中有有其具體的參數：表5.7 110BYG350DH步進電機參數型號步距角/保持轉矩/Nm轉動慣量/gcm2重量/kg110BYG350DH

56、-SAKSMA-05010.6/1.2161740011.16 控制系統部分具體設計針對本設計的自動控制要求，可以使用的控制方式主要有可編程控制器（PLC）控制系統以及單片機控制系統。6.1 可編程控制器（PLC）控制系統6.1.1 PLC簡介可編程控制器（Programmable Logic Controller）是一種以微處理器為核心，融合電氣控制技術、計算機技術和通信技術的新興工業控制裝置。PLC技術在日益成熟的大規模集成電路與芯片技術的幫助下，獲得了長足的發展。特別是在需要高可靠性以及惡劣工況等傳統繼電器無法工作的環境中，PLC可以憑借其結構緊湊、功能強大、運用靈活和維護方便等特點出色

57、地適應。6.1.2 PLC的特點PLC因其解決了工業生產中大量存在的可靠性、安全性、靈活性以及成本問題，所以被業界高度重視，得到了快速的發展。其主要有點有：(1)基于抗干擾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。它之所以能擁有相對于傳統繼電控制器超長的無故障工作時間，就是因為其內部有多種抗干擾措施進行保障： = 1 * GB3 硬件方面：為了抑制外界光電干擾對PLC的影響，其I/O通道采用了光電隔離技術；考慮到工業現場中經常出現的高頻電信號影響，PLC的供電系統采用了多種形式的整流濾波元件進行噪聲抑制或消除；對于核心元件微處理器，其外殼使用了優良的導電、導熱和導磁材料進行空間電

58、磁或熱干擾進行隔離；同時對電流電壓大小的自診斷組件也提供了可靠性保障。 = 2 * GB3 軟件方面：現代PLC內部軟件系統具有故障檢測機制，能對工作狀態進行實時檢測；出現重大錯誤或強烈外界干擾時，軟件系統能及時將當前關鍵數據的讀寫中斷保存，在干擾或故障消除后可以繼續讀取之前的數據完成工作。同時PLC的程序執行信號在集成電路中以極高的速度運行，所以不會出現像電繼電器那種通電瞬間電信號抖動的現像。(2)編程語言簡單易學且使用便利雖然PLC的組成中有一定的計算機技術，但其編程語言并不涉及計算機技術。當前廣泛使用的PLC系統基本都使用梯形圖語言作為面向用戶和過程控制的編程語言，這是一種可視化很強的編

59、程語言，簡單直觀易懂。即使工程技術人員不具備計算機知識，也可以快速掌握。這種語言以其靈活以及簡單可靠特特性，可以使編程者根據工業現場的不同狀況快速地修改、測試，以完成生產流程的改變。許多PLC廠家也根據其產品特點單獨設計開發了專用的編程語言，用來進一步優化PLC的性能。(3)通用模塊化設計相比于早期PLC僅能實現邏輯運算、時序控制等功能，現代PLC已能做到數據處理、聯網通信、信號轉換等許多功能。擁有模塊化設計理念的PLC可以提供包含大量型號的產品系列供用戶靈活選擇，以滿足在不同工況下不同的自動控制需求。(4)安裝和維護簡單方便PLC未出現以前，工業控制運用了大量的繼電器進行控制，導致出現了大量

60、接線和按鈕等，給設備的安裝調試帶來了很多阻礙。而PLC通過采用計算機技術，將控制邏輯儲存在微處理器內，通過信號傳遞與放大到外部電路，以實現控制功能，系統所需的排線電路很少；而且更大的存儲器容量就意味著更多的控制觸點，理論上可以實現無限拓展。PLC的高度集成化電路、模塊化、低能耗設計替代了大量的排線和大型電氣柜的設計，給用戶帶來了極大的安裝便利。同時PLC程序可以獨立在計算機上通過組態進行控制效果模擬，可以讓用戶及時發現和改正設計錯誤，大大縮短了設計周期。實際使用過程中，PLC的可靠性以及自診斷功能可以避免大多數故障的出現；即使出現故障，維護人員也能通過PLC內部故障數據記錄快速排除故障從而繼續