哈工大機械原理課程設計—產品包裝線設計?一、引言在現代工業生產中，產品包裝線起著至關重要的作用。它能夠高效地完成產品從生產到包裝出廠的一系列流程，提高生產效率，保證產品質量，降低生產成本。本次課程設計旨在設計一條滿足特定生產需求的產品包裝線，通過運用機械原理等相關知識，實現包裝線各環節的合理設計與協同工作。

二、設計要求1.包裝對象：某特定產品，形狀為長方體，尺寸為長200mm×寬150mm×高100mm，重量約為5kg。2.包裝產量：每小時包裝產品數量不少于600件。3.包裝工藝：產品輸送、自動裝箱、封箱、貼標等環節。

三、總體設計方案（一）包裝線流程概述整個包裝線主要由上料輸送段、裝箱段、封箱段、貼標段以及控制系統組成。產品首先通過上料輸送段被輸送至裝箱位置，然后在裝箱段完成裝箱操作，接著進入封箱段進行封箱，最后在貼標段貼上標簽，完成整個包裝過程。

（二）各段設計1.上料輸送段采用鏈式輸送機作為主要輸送設備，鏈條節距為25.4mm，鏈條速度根據產量要求設定為0.5m/s左右。輸送機的驅動裝置選用電機通過減速器帶動主動鏈輪，從而驅動鏈條運動。為了保證產品在輸送過程中的平穩性，每隔一定距離設置一組托輥，托輥直徑為50mm。同時，在輸送機入口處設置一個自動上料裝置，采用振動盤將產品有序地送上輸送機。2.裝箱段設計一個專用的裝箱機構，采用曲柄搖桿機構帶動推板將產品推裝入紙箱。曲柄長度為100mm，搖桿長度為200mm，通過電機驅動曲柄旋轉，從而實現推板的往復運動。紙箱放置在一個可升降的平臺上，當產品被推到平臺上方時，平臺下降，使產品落入紙箱中。為了確保產品準確裝箱，在推板上設置定位裝置，與產品的形狀相匹配。3.封箱段封箱采用膠帶封箱方式，設計一個封箱機，包括膠帶卷軸、滾輪以及驅動裝置。膠帶卷軸直徑為150mm，通過電機帶動卷軸旋轉，使膠帶纏繞在紙箱上。滾輪用于壓緊膠帶，保證封箱牢固。封箱機安裝在一個機架上，機架底部設置可調地腳，以便調整封箱機的高度和水平度。4.貼標段采用不干膠貼標機進行貼標操作，貼標機的工作原理是通過滾輪將標簽從卷軸上拉出，然后貼附在紙箱表面。標簽卷軸直徑為100mm，貼標速度根據包裝線速度進行匹配，設定為每秒貼標23張。在貼標機上方設置一個光電傳感器，用于檢測紙箱的位置，確保標簽準確貼在指定位置。

四、機械運動方案設計（一）上料輸送段運動方案鏈式輸送機的主動鏈輪由電機通過減速器驅動，電機選用型號為Y132S4的三相異步電動機，功率為5.5kW，轉速為1440r/min。減速器選用圓柱齒輪減速器，傳動比根據輸送機的運行速度和電機轉速計算得出，約為20。通過這種傳動方式，實現鏈條的平穩、勻速運動，從而帶動產品在輸送線上移動。

（二）裝箱段運動方案曲柄搖桿機構中，電機通過聯軸器與曲柄軸相連，電機選用型號為Y90S4的三相異步電動機，功率為1.1kW，轉速為1400r/min。電機驅動曲柄做圓周運動，通過連桿帶動搖桿做往復擺動，搖桿的擺動通過推板轉化為直線運動，實現產品的裝箱動作。在運動過程中，通過合理設計曲柄、搖桿和連桿的長度，保證推板的行程和運動速度滿足裝箱要求。

（三）封箱段運動方案封箱機的膠帶卷軸由電機直接驅動，電機選用型號為Y80M14的三相異步電動機，功率為0.55kW，轉速為1390r/min。電機帶動膠帶卷軸旋轉，使膠帶不斷放出并纏繞在紙箱上。滾輪通過與膠帶卷軸的聯動，在膠帶纏繞過程中對其進行壓緊，確保封箱效果。

（四）貼標段運動方案貼標機的標簽卷軸由電機驅動，電機選用型號為Y80M24的三相異步電動機，功率為0.75kW，轉速為1390r/min。電機通過傳動機構帶動標簽卷軸旋轉，同時通過滾輪將標簽拉出并貼附在紙箱上。光電傳感器檢測到紙箱位置后，控制系統發出信號，使貼標機構準確動作，完成貼標操作。

五、主要零部件設計（一）鏈條根據輸送要求，選用滾子鏈，型號為16A，節距為25.4mm，滾子外徑為15.88mm，內鏈節內寬為15.75mm。鏈條的抗拉強度應滿足輸送機的承載要求，經過計算，所選鏈條能夠承受產品和輸送過程中的各種載荷。

（二）托輥托輥選用無縫鋼管制成，外徑為50mm，壁厚為3mm。托輥的長度根據輸送機的寬度確定，為了保證托輥的轉動靈活性，在托輥兩端安裝軸承，軸承型號為6205。

（三）曲柄搖桿機構零件曲柄、搖桿和連桿均采用45鋼制造，經過調質處理，硬度為220250HBW。曲柄的直徑根據其受力情況和強度要求確定為30mm，搖桿直徑為25mm，連桿厚度為20mm。在零件加工過程中，保證各零件的尺寸精度和表面粗糙度，以確保機構的運動精度。

（四）封箱機膠帶卷軸膠帶卷軸采用無縫鋼管制成，外徑為150mm，壁厚為5mm。在卷軸兩端加工螺紋，用于安裝膠帶盤，并通過螺母進行緊固。為了保證卷軸的強度和剛度，在卷軸內部設置加強筋。

（五）貼標機標簽卷軸標簽卷軸同樣采用無縫鋼管制成，外徑為100mm，壁厚為3mm。卷軸的設計要便于標簽的纏繞和放出，同時要保證在貼標過程中標簽的張力穩定。

六、動力計算（一）上料輸送段1.鏈條拉力計算考慮產品重量、鏈條自重以及運行阻力等因素，鏈條的拉力約為800N。2.電機功率計算根據鏈條拉力和輸送速度，計算出輸送機所需的驅動功率。通過公式\(P=Fv\)（其中\(P\)為功率，\(F\)為拉力，\(v\)為速度），可得所需功率約為0.4kW。考慮傳動效率等因素，實際選用電機功率為5.5kW。

（二）裝箱段1.曲柄搖桿機構受力分析在曲柄搖桿機構運動過程中，對曲柄、搖桿和連桿進行受力分析。計算出各構件在不同位置時的受力大小和方向，為零件強度計算提供依據。2.電機功率計算根據曲柄搖桿機構的受力情況和運動參數，計算出驅動曲柄所需的電機功率。通過分析，選用功率為1.1kW的電機能夠滿足機構的運行要求。

（三）封箱段1.膠帶拉力計算封箱時膠帶所需的拉力主要由紙箱的摩擦力和膠帶的粘性決定，經計算膠帶拉力約為300N。2.電機功率計算根據膠帶拉力和貼標速度，計算出封箱機所需的驅動功率。通過公式計算，實際選用功率為0.55kW的電機。

（四）貼標段1.標簽拉力計算貼標過程中標簽的拉力主要用于克服標簽與卷軸之間的摩擦力以及保證貼標時的張力，標簽拉力約為150N。2.電機功率計算根據標簽拉力和貼標速度，計算出貼標機所需的驅動功率。選用功率為0.75kW的電機能夠滿足貼標工作要求。

七、潤滑與密封（一）潤滑1.鏈式輸送機的鏈條和鏈輪采用油脂潤滑，每隔一定時間涂抹一次潤滑脂，以減少磨損，保證傳動效率。2.曲柄搖桿機構的轉動副（如曲柄軸與軸承、搖桿軸與軸承等）采用潤滑油潤滑，通過油杯定期添加潤滑油，確保各轉動部位的良好潤滑。3.封箱機和貼標機的電機軸承采用潤滑脂潤滑，在安裝電機時將潤滑脂填充到軸承內部，一般每運行一段時間進行一次檢查和補充。

（二）密封1.對于鏈式輸送機的驅動裝置，采用密封罩將電機和減速器封閉起來，防止灰塵、雜物等進入，同時也能減少潤滑油的泄漏。2.在曲柄搖桿機構的箱體上設置密封墊，防止潤滑油泄漏。對于運動部件的軸孔處，采用油封進行密封，保證潤滑油不外泄，同時防止外界灰塵等進入機構內部。3.封箱機和貼標機的膠帶卷軸等部件，在與外界接觸的部位采用密封措施，如在卷軸兩端安裝密封膠圈，防止膠帶在纏繞過程中出現偏移或雜物進入影響工作。

八、控制系統設計（一）控制要求1.實現各段設備的順序啟動和停止，保證包裝線的運行流程順暢。2.能夠根據包裝產量自動調節各段設備的運行速度，確保生產效率。3.具備故障檢測和報警功能，當設備出現故障時能夠及時停機并發出報警信號。

（二）控制方案采用可編程邏輯控制器（PLC）作為控制系統的核心。PLC選用西門子S7200系列，根據控制要求編寫梯形圖程序。1.輸入信號：包括各段設備的啟動按鈕、停止按鈕、光電傳感器信號、過載保護信號等。2.輸出信號：控制各段電機的啟動和停止、指示燈的顯示等。3.程序設計：通過編寫邏輯程序，實現包裝線各段設備的順序控制、速度調節以及故障報警等功能。例如，當包裝產量低于設定值時，PLC程序自動控制上料輸送段的電機加速，提高輸送速度；當檢測到某個設備出現過載等故障時，PLC立即發出停機信號，并通過指示燈顯示故障類型。

九、安裝與調試（一）安裝步驟1.首先安裝包裝線的基礎框架，確保框架的水平度和垂直度符合要求，各支撐腳牢固地固定在地面上。2.按照設計要求依次安裝上料輸送段、裝箱段、封箱段、貼標段等設備，各設備之間通過螺栓或焊接等方式進行連接，保證連接緊密、牢固。3.安裝驅動裝置、傳動部件等，如電機、減速器、鏈條、皮帶等，確保各傳動部件的安裝位置準確，傳動靈活。4.連接電氣線路，按照電氣原理圖進行布線，確保線路連接正確、牢固，同時做好接地保護措施。5.安裝控制系統，將PLC及相關傳感器、執行元件等安裝到合適位置，并進行線路連接和程序調試。

（二）調試過程1.空載調試：在設備安裝完成后，首先進行空載調試。啟動各段設備，檢查設備的運行方向是否正確，各部件的運轉是否平穩，有無異常聲響和振動。調整電機的轉速和轉向，使其符合設計要求。2.負載調試：在空載調試正常后，進行負載調試。將產品放置在上料輸送段，按照包裝工藝要求逐步進行裝箱、封箱、貼標等操作。檢查各設備在負載情況下的運行情況，如鏈條的拉力是否在允許范圍內，曲柄搖桿機構的運動是否順暢，封箱和貼標是否準確等。根據調試情況，對設備進行進一步的調整和優化，如調整推板的位置、膠帶的張力等，直至包裝線能夠穩定、高效地運行，滿足設計產量要求。

十、結論通過本次課程設計，成功完成了一條產品包裝線的設計。該包裝線滿足了給定的包裝對象、產量和包裝工藝要求，通過合理的總體設計、機械運動方案設計、主要零部件設計、動力計算、潤滑與密封以及控制系統設計等環節，實現了產品從輸送到包裝的自動化流程。在安裝與調試過程中，經過空載調試和負載調試，包裝線能夠穩定運行，各項性能指標