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摘要
隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平的提高，商品經(jīng)濟的發(fā)展，人們對商品包裝提出了更高的要求．哪里有商品，哪里就有包裝．可以說包裝工業(yè)對國民經(jīng)濟整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展起著重要的作用。包裝機械產(chǎn)品量大面廣，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工、軍工等各個行業(yè)。效率低，成本高一直以來都是捆扎機設(shè)計遇到的問題。解決此問題我采取的措施是運用了一個單向離合器，這一巧妙的設(shè)計，一舉解決了兩個問題，一是帶的熔接，二是帶圈的形成，這樣以來，不僅使自動捆扎機的機構(gòu)變得簡單，也使的捆扎機的成本有所降低。本文致力于研究和開發(fā)一種成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便的自動捆扎機。主要工作是根據(jù)實際的捆扎工藝，設(shè)計了捆扎機的總體結(jié)構(gòu)；然后對捆扎工藝中的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究，設(shè)計了機電一體化機構(gòu)，運用PLC編程來實現(xiàn)控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)捆扎，轉(zhuǎn)動，推箱等動作。本設(shè)計為快速方便的實現(xiàn)十字形捆扎提供了一種可靠的裝置。
關(guān)鍵詞：捆扎、單向離合器、機電一體化、自動捆扎機、PLC
Abstract
With the rapid development of China's economy, the improvement of living standard and the development of commodity economy, the requirements of commodity packaging is getting more important to both manufactures and comsumers.Where there are commodity goods, there is packaging. It can be said that the packaging industry plays an important role on the development of the structure of national economy. Packaging Machinery Products Widely used in food, medicine, chemical, military and other industries.Low efficiency, high cost has been problems encountered by design binding machine. This problem Can be sloved by applying a oneway clutch. This ingenious design can slove two problems. First ,melding the strap,second,the formation of strap ring.Therefore, the mechanism in Automatic Strapping Machine is simple, lower the cost of Automatic Strapping Machine. Therefore, this paper devoted to the research and development of a low cost, compact, simply operated Automatic Strapping Machine. The major work is designing the overall structure of Automatic Strapping Machine according to the actual bind process. Then the key technologies of the labeling are studied, design a mechanism of electromechanical integration, use of PLC programming to achieve control system. Finally, Realize binding, rotating, pushing the carton and other movement. This designed a rapid realization of cross Banding mahchine.
Keywords: Band,oneway clutch, electromechanical integration, Automatic Strapping Machine, PLC
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目 錄
1 緒論 1
1.1引言 1
1.2捆扎機的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1
1.3本課題研究內(nèi)容 5
2系統(tǒng)分析 7
2.1系統(tǒng)功能需求分析 7
2.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計 7
2.2.1工藝分析 7
2.2.2捆扎機主要結(jié)構(gòu)設(shè)計及其原理 8
3機構(gòu)中重要的計算 13
3.1電動機的選擇 13
3.2重要軸的校核 17
3.2.1軸1的校核計算 17
3.2.2軸2的校核計算 19
3.3工作周期的計算 21
3.4主要參數(shù)的設(shè)計計算 23
4 控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 26
4.1控制系統(tǒng)的流程 26
4.2控制系統(tǒng)的程序 28
5 技術(shù)經(jīng)濟分析 30
6 結(jié)語 31
7 致謝 32
參考文獻 33
IV
1 緒論
1.1引言
隨著人民生活水平的不斷提高，對商品包裝提出了更高的要求．哪里有商品，哪里就有包裝．可以說包裝工業(yè)對國民經(jīng)濟整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展起著重要的作用。包裝機械產(chǎn)品量大面廣，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工、軍工等各個行業(yè)。我國捆扎包裝是改革開放以后發(fā)展起來的．由于起步較晚，大部分設(shè)備都是通過引進設(shè)備消化吸收研制出來的，行業(yè)從無到有，從小到大，逐步發(fā)展起來。隨著我國食品工業(yè)、包裝工業(yè)和農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展．我國的包裝食品機械行業(yè)取得了世人矚目的進步．產(chǎn)品品種的數(shù)量不斷增加．使包裝和食品機械行業(yè)成為直接為提高人民生活質(zhì)量服務(wù)，為包裝廠業(yè)和食品工業(yè)服務(wù)．為農(nóng)業(yè)和農(nóng)副產(chǎn)品深加工業(yè)服務(wù)的新興行業(yè)．成為我國機械工業(yè)十大支柱產(chǎn)業(yè)之一．基本上能生產(chǎn)出滿足人民生活需求的各種各樣、各種檔次的產(chǎn)品，并正在不斷努力、提高、縮小與國外先進水平、先進技術(shù)、先進設(shè)備的差距。在全行業(yè)廣大企業(yè)、科研單位技術(shù)人員及行業(yè)工作者的共同努力下，新產(chǎn)品、新技術(shù)日益涌現(xiàn)并轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。我國人口眾多，民以食為天，包裝與食品機械產(chǎn)品市場廣闊、潛力巨大包裝與食品機械業(yè)在我同的迅速崛起已引起社會的廣泛關(guān)注。
1.2捆扎機的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
我國捆扎機械的生產(chǎn)，在經(jīng)歷了二十多年的發(fā)展之后，從無到有，從簡到精，已經(jīng)成為我國包裝機械領(lǐng)域中的主要產(chǎn)品。他以量大面廣、無所不捆的鮮明特點，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、食品業(yè)、運輸業(yè)、商業(yè)、金融業(yè)和服務(wù)行業(yè)等，成為現(xiàn)代工業(yè)化社會不可缺少的設(shè)備，捆扎機械作為包裝設(shè)備中的一個主要分支．是將一個或多個包裝物用捆扎帶(繩)緊束一起的機器，使包裝件便于運輸、保管和裝卸，屬于外包裝設(shè)備。捆扎機械的發(fā)展．在一定程度上惜助于捆扎材料的開發(fā)應(yīng)用在捆扎材料中，先后出現(xiàn)的有草繩、綿麻繩、紙繩、盒屬絲、塑料繩、塑料帶、鋼帶、聚胺酯帶等等但由于其本身的強度和延伸率不同和對機械捆扎的適應(yīng)程度各異，以及考慮制作成本：目前以鋼帶和塑料帶的應(yīng)用最為廣泛。特別是自五十年代以來，隨著石油化工的崛起，開始用塑料作為捆扎材料．為塑料帶（繩）捆扎機械的開發(fā)成功奠定了基礎(chǔ)．由于塑料帶比鋼帶、紙帶具有較低的使用成本和不銹蝕、不污染、強度適中、手感柔軟、制造方便、外觀美觀等優(yōu)點，使之在許多領(lǐng)域逐步替代原來的鋼帶，紙帶，塑料帶捆扎機成為包裝機械中少有的技術(shù)成熟、簡單可靠、品種齊全、覆蓋面廣的主要設(shè)備。
國內(nèi)外發(fā)展概況
國外捆扎機械的應(yīng)用，起始可追溯到本世紀初期，如美國的SIGNODE公司、德國的CYKLOP公司等就涉足捆扎行業(yè)，生產(chǎn)鋼帶捆扎設(shè)備為主，但其規(guī)模和生產(chǎn)技術(shù)水平都還較低：直到本世紀的五十年代，由于塑料材料的問世，使以塑料帶作為捆扎材料成為現(xiàn)實，這也就大大地促進了塑料帶捆扎機的發(fā)展，較早的如日本的下島株式會社、日魯工業(yè)株式會社等。至1991年， 日本的塑料帶捆扎機總產(chǎn)量達14萬臺，約占包裝機械總數(shù)的19.5％，總產(chǎn)值達300億口元，每年約有30％的出口，幾乎占領(lǐng)了全部東南亞市場。由于他們能成功地引進和消化吸收別國的經(jīng)驗，不斷改進發(fā)展出結(jié)構(gòu)較為簡單，可靠性高，在國際市場上有很大的競爭能力。其中最大的生產(chǎn)廠家為下島株式會社，于1969年開始正式生產(chǎn)自動捆扎機，至1985年總產(chǎn)量就突破5萬臺，年銷售額達61億日元，全公司僅150多人．主要從事產(chǎn)品開發(fā)，產(chǎn)品質(zhì)量控制和推銷工作，其零部件加工和裝配均通過擴散的辦法：在國內(nèi)設(shè)有17家分公司和270個代銷點，并在35個國家和地區(qū)設(shè)有代理點產(chǎn)品品種多達200多個。
美國的SIGNODE公司則是一家以鋼帶捆扎機為主，塑料帶、聚酯帶捆扎工具為輔的跨國公司，屬于美國上市公司。在美國和其他六個國家設(shè)有分公司．該公司自1913年就開始從事捆扎機械的生產(chǎn)，為lOO多個國家的工業(yè)產(chǎn)品包裝提供服務(wù)，并為各國用戶 提供24小時內(nèi)的配件供應(yīng)服務(wù)，他們不僅具有巨大的生產(chǎn)能力，而且還有一支精益求精的研制和開發(fā)隊伍，通過對捆扎機械各功能部件的反復試驗和多方案對比，生產(chǎn)出的捆扎機械具有很好的可靠性和最佳的經(jīng)濟壽命．雖然價格昂貴，但很搶手。
我國捆扎機械生產(chǎn)自1976年開始，隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展和各行業(yè)對改善產(chǎn)品包裝質(zhì)量的要求日益迫切。使捆軋機械不論在生產(chǎn)能力，生產(chǎn)技術(shù)整體性能方面有了很大的提高，其主要的表現(xiàn)為：
1 已將微機技術(shù)應(yīng)用于捆扎機程序控制，具有溫度控制，自動計數(shù)，定長送帶，故障報警等多種功能，不僅可單機使用也可多機聯(lián)用或與自動生產(chǎn)線配套使用。
2、從機器的傳動開方式來看．有機械傳動液壓傳動和氣動，特別是隨液壓傳動具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便的特點．是我國特有的機型。
3、品種規(guī)格比較齊全．為適應(yīng)不同的用戶需要，已有全自動、半自動和手提式捆扎機，根據(jù)包件捆扎要求不同．除通用的普通型外，又有帶壓力的捆扎機，雙軌道捆扎機,側(cè)封式捆扎機等，其工作臺面有高有低，可適應(yīng)單件捆扎或自動連續(xù)捆扎的需要，目前最大的自動捆尺寸可達2000x 1200毫米，最小的可捆扎：50×80毫米的包件品種已達二十多種。
4、捆扎能力在每分鐘12到21道之間，基本率能滿足當前的生產(chǎn)需要。
5、目前仍大量采用寬度為l3.5毫米的塑料捆扎帶和折徑為30毫米的筒形薄膜捆扎繩，并正在開發(fā)使用寬度為5-1O毫米的塑料捆扎帶的捆扎機，但國外大繁使用的鋼帶自動捆扎機在國內(nèi)尚未開發(fā)。
6、捆扎帶粘接主要利用燙頭將捆扎帶兩端加熱，一定溫度后再施壓使之粘合，稱為熱熔搭接型，其接頭的拉力強度可達母帶強度的80％。 塑料繩捆結(jié)機則以打結(jié)的形式捆緊包件。
7、目前已能生產(chǎn)二十多個品種的捆扎機和三十品種的捆結(jié)機，基本上能滿足國內(nèi)需求，其中半自動捆扎機的整機性能已接近國外先進水平．故每年有較大的批量出口，而自動捆扎機仍與國外有較大的差距：與國外捆扎機械生產(chǎn)技術(shù)水平相比．國產(chǎn)機差距主要表現(xiàn)為：
品種單一，生產(chǎn)能力低。雖然經(jīng)過二十多年的發(fā)展．但只能生產(chǎn)20多個品種 還不及國外一個公司的品種數(shù) 而且只能生產(chǎn)通用型的產(chǎn)品，如鋼帶自動捆扎機的生產(chǎn)至今仍是一個空白．無法滿足一些特殊行業(yè)的需要。我國捆扎機械的生產(chǎn)起步較晚，主要是靠引進國外的樣機經(jīng)消化改進二次開發(fā)生產(chǎn)的．因此在生產(chǎn)中著重于產(chǎn)品的整機性能而忽視了對零部件的研究。導致在捆扎速度、接頭粘接方式和送帶軌道等主要技術(shù)性能方面不及國外先進水平。工作可靠性較差，其中特別是捆扎帶和元器件的質(zhì)量不穩(wěn)定對整機的性能帶來很大的影響。捆扎機在我國發(fā)展趨勢，捆扎機械的發(fā)展只有二十多年的歷史?？茖W技術(shù)的發(fā)展和各行業(yè)對提高產(chǎn)品包裝質(zhì)量的要求正在不斷地推動捆扎機械的發(fā)展，并將會出現(xiàn)以下的變化：
1、發(fā)展多品種，系列化生產(chǎn)
由于社會商品生產(chǎn)的逐漸發(fā)達和捆扎機械在使用過程中所顯示的極大適應(yīng)性，使捆扎機械的應(yīng)用越來越廣，除要滿足一般重量，大小和批量的包件捆扎外，還要求有能適應(yīng)防水（水產(chǎn)品和易腐蝕品等液體包裝品)．防塵(建材和粉狀物品包裝)，防爆(易爆物品包裝J型捆扎機．能適應(yīng)特重物品、松輕物品的捆扎機，能十字自動捆扎．多道同時捆扎．加壓捆扎和帶托盤捆扎的捆扎機。在今后，捆扎機將會出現(xiàn)在不僅僅是工業(yè)系統(tǒng)，而會向辦公、銀行、郵電等部門發(fā)展 捆扎的目的也不會再局限于保護商品，便于運輸．而是向美化商品發(fā)展，如禮品的包裝捆扎．超級市場的小包裝捆扎，借助多彩的捆扎帶給商品增添美感。其二是在捆扎用帶方面，除了現(xiàn)在大量使用的聚丙烯塑料帶外，將會有鋼帶捆扎，聚胺酯帶捆扎機．以適應(yīng)鋼鐵等重型物品的捆扎。塑料薄膜拉伸捆扎將會越來越廣砭，以適應(yīng)帶托盤集合包裝物的捆扎和型材的捆扎。
2、提高自動化程度
工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展．對包裝捆扎的自動化程度要求越來越高，雖然在八十年代已成功的開發(fā)了微機控制的自動捆扎機．具備了燙頭溫度控制，故障報警．自動捆扎，自動計數(shù)的功能，但對于流水線生產(chǎn)中的自動送包、自動定位、自動轉(zhuǎn)位．以及十字捆扎，井字形捆扎等功能來講，還沒有成功的機型，對提高捆扎機的監(jiān)控水平來講．應(yīng)利用光導纖維控制，實現(xiàn)遠距離操縱，并通過監(jiān)視系統(tǒng)和報警系統(tǒng)，及
時發(fā)現(xiàn)問題，排除故障。此外，通過自動化水平的提高，還應(yīng)使機器的操作與維修更趨向方便，無須熟練的工人就可操作，無須有一定水平的技術(shù)人員就能維修，使之達到機器智能化，這在一定的程度上可促進捆扎機械推廣使用。
3、提高捆扎速度
為適應(yīng)生產(chǎn)流水線的需要，必須相應(yīng)的提高捆扎速度．目前我國自動捆扎機的普遍水平為每道捆扎時間3——3 .5秒，最快的為2.8秒，而國外的普遍水平為1.8——2.5秒，最快的0.96秒。
4、提高送帶可靠性
目前，我國自動捆扎機的送帶軌道大多采用金屬葉片翻轉(zhuǎn)式，利用送帶滾輪將捆扎帶送入軌道，送帶時摩擦力較大，對捆扎帶的直線性要求較高，而且噪音也大．這種滾輪式送帶只能適用于9毫米以上的塑料帶：為降低物品包裝成本，在國外已大量使用9毫米以下寬度的窄帶捆扎帶．這就要求捆扎機的送帶機構(gòu)有相應(yīng)的改進，以保證窄帶捆扎的可靠性，為此，可以采用牽引式送帶裝置，利用卡頭夾住捆扎帶的頭部沿環(huán)型軌道凹槽使帶子在捆扎過程中始終緊貼包件表面，保持較大的捆緊力，這種方法能克服滾輪式送帶必須考慮捆扎帶本身的剛性和沿軌道的送帶能力的缺點，對各種寬度的捆扎帶均能使用，可有效地提高捆扎的可靠性。
5、改進燙頭結(jié)構(gòu)
塑料帶捆扎機是利用塑料捆扎帶捆緊包件后，使帶的兩端搭接而實現(xiàn)捆扎的，如何使帶的二端搭接有多種不同的方法．如利用電熱燙頭使兩端加熱熔融狀態(tài)并在兩端施壓后實現(xiàn)搭接的熱熔措接法、高頻加熱法．也有利用加熱后釘子扎進帶的兩端進行粘接的卡釘法．在我國目前均使用熱熔搭接法，這種方法雖然具有粘接強度好，加熱快．成本低等特點，對于某些易爆、易燃物品的捆扎就難以適應(yīng)，如火藥、化纖等物品。由于采用電熱加熱．燙頭的表面溫度分布不均勻而且熱效率低．影響接頭質(zhì)量，增加了能耗，因此為提高燙頭的工作可靠性，必須對燙頭加熱形式進行改進。
6、改進捆緊機構(gòu)
理想的捆扎應(yīng)是對包件施以足夠的捆緊力，并能針對包件的變化，通過調(diào)整確保捆緊力。目前，我國的自動捆扎機太多采用調(diào)整張緊臂的擺動角度來實現(xiàn)調(diào)整。半自動捆扎機則是通過調(diào)整壓縮彈簧對摩擦離合器的壓力，因此改變送帶滾輪的傳動力來實現(xiàn)捆緊力的調(diào)整，前者屬于定距離型捆緊．而后者則是屬于定力量型，從調(diào)整的范圍和對包件的適應(yīng)性來講．定力量型能更好地實現(xiàn)有效捆扎，因此對于自動捆扎機來講，有必要改進捆緊機構(gòu)，以便根據(jù)不同的包件(硬包、軟包)進行自如的調(diào)整。
1.3本課題研究內(nèi)容
紙箱自動捆扎機該課題主要研究的內(nèi)容有：
1.自動形成垂直帶圈
獨特的設(shè)計，使機器能自動形成一個垂直帶圈。操作者只須將待捆扎物品放入帶圈內(nèi)，并推動操作開關(guān)，機器便自動完成收帶，張緊熔接、切斷等工序．待捆扎好的物品移開，機器便又自動做出一個新的帶圈．準備下一道的捆扎，每個周期約5s．一般捆扎機帶圈形成是一難題，大多用手工操作，有的捆扎機是在機器工作臺上方設(shè)計一個帶子運行的軌道，機器的外形尺寸很大。本機垂直帶圈的自動形成使捆扎速度大為提高，并使操作者的勞動強度減輕．
2.帶接頭的摩擦熔接
一般捆扎機帶接頭采用烙鐵加熱使帶子熔融后壓緊的方法．這種方法當塑料帶熔融時散發(fā)的氣味對操作者的健康是有害的，對環(huán)境產(chǎn)生污染。本機采用摩擦熔接。包裹被捆緊，帶子的二端被夾緊，夾緊的部位，其中一個夾緊件相對于另一個夾緊件作高速振動，摩擦產(chǎn)生的熱量使塑料帶熔接．摩擦熔接速度快(僅零點幾秒)、熔接質(zhì)量好、無污染。
3.紙箱在捆扎機中的移動
由于紙箱在捆扎機中完成第一道捆扎后，砧軸要再次形成一個帶圈，紙箱需要移開位置，給砧軸充分的空間形成帶圈，所以要設(shè)計一個機構(gòu)使紙箱移開一端距離，讓砧軸形成帶圈后，使紙箱再次送回捆扎。
4.紙箱的轉(zhuǎn)動
紙箱捆扎時為了使捆扎牢固可靠，捆扎一道是不夠的，因此需要捆扎兩道，捆扎兩道就大大增加了捆扎機機構(gòu)的難度，捆扎一道采用三個電機，一個用來產(chǎn)生帶圈和熔接帶，一個用來送帶收帶，一個用來控制時序，但是如果要捆扎兩道PP帶，就需要增加一臺電機來轉(zhuǎn)動紙箱，再用一臺電機來移動紙箱使帶圈順利形成。
5.機電一體化
運用PLC編程來控制5只電機輪流工作。自動完成一個工作循環(huán)。微機控制使機構(gòu)動作準確、工作可靠。由于省卻丁許多傳動部件，使機器功耗小、噪聲低。
2系統(tǒng)分析
2.1系統(tǒng)功能需求分析
紙箱自動捆扎機的用途：對紙箱包裹等固體物件進行捆扎。
該捆扎機捆扎的規(guī)格：捆扎材料是6mm寬的PP帶，捆扎紙箱等物件的尺寸為：(mm)，以及比該尺寸小的紙箱等物件，但改變時要對各運動參數(shù)稍做修改，方可進行捆扎。
設(shè)計的捆扎機需滿足以下功能要求：
（1）可完成紙箱十字形捆扎
要完成這一功能，系統(tǒng)必須實現(xiàn)以下操作：在紙箱捆扎完第一道后，紙箱被推箱機構(gòu)移開一段距離，以便形成下一個帶圈，待帶圈形成后，推箱機構(gòu)再將紙箱推進帶圈，完成第二道捆扎。
（2）全自動的連續(xù)捆扎
捆扎過程中的各項操作，均為自動執(zhí)行，無需人工干預(yù)并可通過控制系統(tǒng)完成對各操作動作的協(xié)調(diào)控制和連續(xù)執(zhí)行。
（3）較低的設(shè)計和制造成本
該捆扎機綜合運用機電一體化技術(shù)，減少了許多機械機構(gòu)的設(shè)計，降低整個捆扎機的設(shè)計和制造成本，使其具有較好的推廣性。
（4）具有緊湊的機械機構(gòu)
根據(jù)各部分的運動規(guī)律，簡化機械傳動裝置，合理安排各機構(gòu)的布局。
2.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計
2.2.1工藝分析
選擇和擬定工藝過程是捆扎機設(shè)計第一階段的任務(wù)，是捆扎貼標機設(shè)計的基礎(chǔ)。工藝過程方案是否合理和先進，將直接影響所研制的捆扎機結(jié)構(gòu)、外形尺寸、機構(gòu)的運動方式和捆扎質(zhì)量。下面對所研制的捆扎機的具體工藝進行分析。
本捆扎機采用十字型捆扎，即用捆扎帶捆扎橫豎各一道。
在捆扎過程中，主要考慮如何減少工作行程和空程時間，提高生產(chǎn)率，簡化傳動裝置，使得貼標機的整體結(jié)構(gòu)緊湊。
捆扎機的一次工作過程為：
1）形成帶圈；
2）送帶；
3）等待傳送帶將紙箱送進捆扎機；
4）收帶；
5）紙箱轉(zhuǎn)動90度；
6）推出紙箱；
7）形成帶圈；
8）送帶
9）推進紙箱
10）收帶
11）等待傳送帶將紙箱推出捆扎機
其中1——6為一個捆扎循環(huán)，捆扎機做一次捆扎。全周期做兩次捆扎。
2.2.2捆扎機主要結(jié)構(gòu)設(shè)計及其原理
根據(jù)以上分析的捆扎機的功能以及工藝，可以確定捆扎機的結(jié)構(gòu)。將捆扎機分為幾個部分，各部分分別完成各自的動作，并協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)捆扎機功能。
（1）垂直帶圈形成的結(jié)構(gòu)
圖1 帶圈形成原理
如圖1所示．帶子下面是一個光滑平臺(砧臺)，表面粗糙度為0．8。帶子上面是一個夾緊件砧，砧底部制出網(wǎng)狀齒紋，齒深約0．2mm。砧對帶子有壓緊力P，帶子頭伸出砧外約25mm。當砧以r為半徑旋轉(zhuǎn)時，帶子的頭也隨砧轉(zhuǎn)動．圖1中點劃線表示砧及帶子的一端在原始位置及轉(zhuǎn)90度、180度、270度、360度時的情況．砧旋轉(zhuǎn)360度后停下，帶子就形成了一個大約以r為半徑的圈．此時控制系統(tǒng)控制電機運轉(zhuǎn)送帶，使環(huán)增大至要求尺寸。帶子在形成環(huán)后，便“站立”起來，形成一垂直帶圈．這是因為帶子的截面是扁平的。帶子在寬度方向有一定的剛度。本機使用普通塑料帶，寬度為6mm。
（2）摩擦熔接
圖2為一捆緊的物件帶接頭摩擦熔接的情況，(圖中帶的厚度及熔接部位被局部放大)。在二層帶的重疊部位，上面是砧，下部是熔接墊。熔接墊可以升降。當帶圈形成后．紙箱放人圈內(nèi)，在機器收帶，張緊動作完成后，熔接墊便上升并使砧一起上升，將帶子的兩端夾緊．并同時切斷下位帶．熔接墊的頂面與砧底面一樣也有網(wǎng)狀齒紋。接著砧高速振動，振動速度9600轉(zhuǎn)／min。摩擦使帶子發(fā)熱熔融，并在壓力下粘接在一起。熔接時間很短，由控制凸輪決定。
圖2摩擦熔接原理
（3）傳動機構(gòu)
帶圈形成和摩擦熔接是由同一機構(gòu)完成的．這一機構(gòu)包括執(zhí)行元件：砧、砧軸、熔接墊、砧臺、等，還有一些傳動及控制元件。
砧的運動
砧在每一個循環(huán)里主要運動有：
(1) 360的水平回轉(zhuǎn)；
(2)水平高速振動；
(3)垂直升起或落下。
砧360度的水平回轉(zhuǎn)是為了做垂直帶圈，水平高速振動是為了摩擦熔接，垂直上下運動是為了切斷夾緊或松開帶子。
傳動機構(gòu)
圖3為砧軸的2個橫剖面圖。
圖3 (a)熔接電機上裝一偏心軸。當電機旋轉(zhuǎn)時．偏心軸便帶動單向離臺器來回擺動。砧軸在單向離合器內(nèi)，其相對于離合器只能作逆時針方向運動。
圖3 傳動機構(gòu)
圖3 (b)是砧軸的另一剖面。是一棘輪機構(gòu)。由于棘輪棘爪的作用，電機每轉(zhuǎn)一圈，砧軸便跟隨離合器來回擺動一次。電機轉(zhuǎn)速為9600r／min。砧便以9600次／min的速度振動。當機器需要做環(huán)時，棘爪從棘輪上脫開。這時，單向離合器的擺動使砧軸作單方向的間歇運動。砧旋轉(zhuǎn)360度便準確的停下，是靠棘輪棘爪定位的。
砧軸的運動規(guī)律
圖4 砧軸的擺角
砧軸運動規(guī)律如圖4所示
砧軸擺動角速度
式中較小，一般小于0.1，故略去。
圖5砧軸的速度規(guī)律
由此可見，砧軸的往復擺動運動規(guī)律可近似看作是余弦曲線規(guī)律。這種運動無剛性沖擊．對高速輕載的機構(gòu)是適合的。
圖5 (a)表示機構(gòu)樹在摩擦熔接時，砧的擺動角速度隨時間變化規(guī)律。圖5 (b)表示機構(gòu)在做環(huán)時，砧軸轉(zhuǎn)動角速度運動規(guī)律，是間歇運動。
縱上所述，本機的使用單向離合器，使機器的傳動過程非常簡單。它不僅實現(xiàn)了砧軸的二種運動需要．而且制造也非常簡單容易。因為離臺器是外購件，軸及偏心軸等都是容易制造的零件。目前不少捆扎機采用液壓傳動，液壓元件價格貴，油的泄漏又會造成環(huán)境污染。本機無水、無油、無污染。
（4）轉(zhuǎn)動90度及推箱機構(gòu)
該機構(gòu)都使用步進電機90BYG250A，轉(zhuǎn)動90度機構(gòu)采用齒輪與齒輪傳動，推箱機構(gòu)采用齒輪齒條傳動，驅(qū)動器用HB204A型，因為機構(gòu)簡單就不做詳細介紹了。
3機構(gòu)中重要的計算
3.1電動機的選擇
在紙箱自動捆扎集中我選用了五個電機,它們分別是:電機A,用于控制溶解墊的上下往復運動;電機B,用于收送帶和收帶;電機C,用于形成帶圈切斷捆扎帶和使帶圈熔接,要求電機有高轉(zhuǎn)速;電機D,用于使紙箱轉(zhuǎn)動九十度;電機E,用于推送紙箱.
電機A的選擇
圖6 凸輪
要選擇電機就要知道它所受的力，所以首先要知道電機帶動的部件的質(zhì)量
凸輪的質(zhì)量 將凸輪近似的看做一個半徑為r的圓，鋼密度ρ=7.9g/cm3
m = ρ v
= ρπr2h
= 7.9×3.14×5×5×1
= 620.15
熔接墊的質(zhì)量 m = ρ v
= 3×3×6×7.9
= 426.6
設(shè)切帶力為5N 鋼摩擦系數(shù)μ=0.005
F = m墊＋μN＋F切
= 620.15＋426.15×0.005＋500
= 1429
凸輪可近似看做半徑為r=L=0.062m
M = FL
= 14.29×0.062
= 0.88598
M = 9549 P/ n > 0.5876
9549×0.08 / 1200 = 0.6366 > 0.5876
因為要控制凸輪的轉(zhuǎn)速，所以選擇伺服電機
查表，最終選取90SL51型兩相交流伺服電機。
電機B的選擇
由機構(gòu)知收帶時的力大于送帶時的力，只用計算收帶時的力，因此用收帶力來選電機
設(shè)收緊力為F=15N
查得PP 帶與工程塑料輪的摩擦系數(shù)μ=1.0——4.0 這里取3.0
電動機受的力F=f + F1 = F1μ+ F1=15×3+15= 60
L為工程塑料輪的半徑 L=20
M = F L = 60×0.02 = 1.2
M = 9549 P / n > 1.2
9549× 0.75 / 2830 = 2.5 > 1.2
因此查機械設(shè)計手冊 單行本 減（變）速器電機與電器 選擇Y系列（IP44）三相異步電機 Y801-2 (JB/T9616-1999)
電機C的選擇
電機C用于形成帶圈和產(chǎn)生高速的振動，本身不承受很大的載荷，只要求有高的轉(zhuǎn)速，因此查光機電一體化設(shè)計使用手冊（下冊），最終選用70SL01兩相交流伺服電動機，轉(zhuǎn)速為9000轉(zhuǎn)/分鐘。
電機D的選擇
圖7 蓋板
要選擇電機就要知道它所受的力，所以首先要知道電機帶動的部件的質(zhì)量
蓋板為四分之三圓如圖7所示 半徑r=385mm 厚度為h=3mm
m =ρv
= 3/4ρπr2h
= 3/4 ×7.9×3.14×38.52×0.3
= 8272.956
鋼條寬為10mm, 厚度為h=3mm
m = (3.14×77×0.3×3+100×0.3×2)×7.9
= 2193.0558
殼體為1mm厚的鋼板，h=1000mm
m = 3.14×77×100×0.1×7.9
= 19100.62
設(shè)紙箱的質(zhì)量最大為10kg 鋼與鋼的摩擦系數(shù)μ=0.005
F = μN = 0.005×(82.7 + 21.9 + 191 + 100)
= 1.978
M = F L = 1.978 × 0.385
= 0.76153
同理由公式M = 9549 P / n 且該電機要求往復轉(zhuǎn)動90度，所以選步進電機
90BYG250A。
電機E的選擇
要選擇電機就要知道它所受的力，所以首先要知道電機帶動的部件的質(zhì)量。
圖8 滑竿剖面
滑竿的質(zhì)量 竿長
擋板的質(zhì)量
由公式M = 9549 P/ n 選擇電機選步進電機90BYG250A。
3.2重要軸的校核
3.2.1軸1的校核計算
圖9 軸1
內(nèi)力計算
根據(jù)平衡原理：
則扭轉(zhuǎn)力矩分布圖，如圖10
圖10 扭轉(zhuǎn)力矩圖
軸扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力：
式中：——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
T——扭矩
——抗扭截面系數(shù)
圖11 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力分布圖
根據(jù)圓截面軸扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力分布情況，如圖11代入，得
查表可知，45鋼扭轉(zhuǎn)的切應(yīng)力許可值為
去下限值0.5
該軸校驗合格
（以上計算公式均出自 《材料力學 1》）
3.2.2軸2的校核計算
圖12 軸2
圖13 扭轉(zhuǎn)力矩簡圖
內(nèi)力計算
支反力的計算：
內(nèi)力分布圖
圖14 內(nèi)力分布圖
力矩分布圖
圖15 力矩分布圖
扭轉(zhuǎn)力矩圖
圖16 扭轉(zhuǎn)力矩圖
按照第三強度進行校核：
故軸2校驗合格。（以上公式均出自《材料力學 1》）
3.3工作周期的計算
形成帶圈時間的計算
設(shè)偏心軸的偏心距為，離合器與偏心軸接觸點處半徑為。
電機轉(zhuǎn)速為電機每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)砧軸移動距離為的線距離
將其轉(zhuǎn)化為角度
電機轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所需的時間為
于是砧軸每轉(zhuǎn)一周即形成帶圈的時間為
（s）
送帶的時間的計算
如果要讓紙箱能夠進入帶圈，帶圈必須足夠大。紙箱高度為270mm,所以帶圈形成一個半徑約為260mm的圈使電機B停轉(zhuǎn)，由于慣性帶還將被送出一段，足夠使紙箱進入帶圈。
送帶長度的計算 送帶長度 大帶圈長度半徑小帶圈長度 半徑
電機B的轉(zhuǎn)速為,工程塑料輪的直徑為
考慮到電機啟動也需要時間所以估計送帶需要大約0.4秒。
紙箱從傳送帶進入帶圈的時間
此部分的時間主要看傳送帶的傳送速度，估計約為0.5秒
收帶切斷熔接帶的時間
送帶電機反轉(zhuǎn)
電機送出帶的長度約為
繞箱一周所需帶的長度為
因此收回的帶約為
收帶需要時間
考慮電機啟動時間及熔接切斷帶，這一過程用事0.4秒
紙箱轉(zhuǎn)動九十度的時間
查的步進電機的步距角為度，啟動頻率為
紙箱轉(zhuǎn)動九十度需要轉(zhuǎn)過個度
紙箱轉(zhuǎn)動九十度的時間為
整個過程約耗時0.5秒
推出紙箱的時間
推出紙箱擋板至少要運動，查的步進電機的步距角為度，啟動頻率為，齒輪半徑為。
齒輪周長
擋板運動，齒輪要轉(zhuǎn)過的角度為
推出紙箱的時間為0.073秒，考慮電機啟動時間估計需0.5秒
以上便是第一道捆扎過程。再次形成帶圈用時與上次相同為0.3秒，送帶0.4秒，推進紙箱0.5秒，收帶0.4秒，等待傳送帶機構(gòu)將紙箱推出0.5秒。
第一道捆扎過程共用時2.6秒，為捆扎一個紙箱總時間的一半，此時凸輪轉(zhuǎn)動一周，捆扎兩道凸輪就轉(zhuǎn)動兩圈。
綜上，捆扎機捆扎一個紙箱的一個工作周期即紙箱由傳送帶送入至紙箱被送出捆扎機的時間為5.2秒。
3.4主要參數(shù)的設(shè)計計算
運動參數(shù)
砧做環(huán)時的轉(zhuǎn)速
砧做環(huán)時，電機轉(zhuǎn)一圈，砧軸轉(zhuǎn)動角度，因此電機轉(zhuǎn)速與砧軸轉(zhuǎn)速的傳動比
摩擦熔接時，砧高速振動的振幅為a，則每攻擺動的單向行程為2a
設(shè)砧的回轉(zhuǎn)半徑為r
摩擦熔接時，砧帶動上位帶高速振動．如圖2示，使上下位帶之間產(chǎn)生相對運動，摩擦生熱。 此時紙箱已捆緊，帶除受正壓力外，還受捆緊力的作用，
所以振幅不宜過大，一般取。
砧做環(huán)時，平均速度
將代入，
摩擦熔接時，砧的平均線速度
（因為做環(huán)時是間歇運動）
幾何參數(shù)的確定
砧的回轉(zhuǎn)半徑r
砧做環(huán)時，砧依靠摩擦力帶動帶旋轉(zhuǎn)，因此帶的內(nèi)外側(cè)倒線速度不同。當砧壓力不足．或砧回轉(zhuǎn)半徑r過小，帶和砧之間有可能發(fā)生打滑現(xiàn)象而彤成不完整帶圈。具體數(shù)值應(yīng)由試驗決定。r大致可取帶寬的3～5倍。帶寬大的取大值。
最大擺角瓶和偏心距e及R的確定
從圖4可看出，R的大小由結(jié)構(gòu)確定，偏心距e也就隨之確定了。
熔接熱Q
設(shè)帶的截面寬b為6mm，熔接長度l=8mram，帶的密度，并假設(shè)二層帶子各熔融mm,則熔融質(zhì)量。
熔接熱
式中 -比熱，取0.4
-加熱溫度，聚丙烯帶熔比溫度為165℃ ，取180℃，工作溫度約200℃
4 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
4.1控制系統(tǒng)的流程
前面已經(jīng)計算過自動捆扎機的工作周期，一個工作周期約耗時5.2秒。控制流程圖如圖17。
圖17 控制流程圖
4.2控制系統(tǒng)的程序
根據(jù)控制系統(tǒng)流程圖編出PLC程序，如下
5 技術(shù)經(jīng)濟分析
在本課題的研究中，實現(xiàn)了捆扎機的結(jié)構(gòu)簡單、可適應(yīng)性強和自動化程度高的目的。采用的較復雜零件都是標準件，總體裝配完成后，體積和重量都不很大，搬運以及安裝都很方便。而且，采用了PLC控制系統(tǒng)，自動化程度高，工作可靠，捆扎外形美觀，包裝成本低；其次，該機無“煙”(無有害氣體選出)，無水、
無油、噪聲低，因而特別適合對環(huán)境要求高的或辦公室使用；再次，該機因結(jié)構(gòu)簡單，制翻造較容易，該機將在郵政、印制、電子、化工、五金百貨等行業(yè)被廣泛的應(yīng)用。
對于經(jīng)濟方面，在材料的選取上盡量采用通用材料，總的說來，此設(shè)計較好的滿足了經(jīng)濟性和技術(shù)性雙重要求。
6 結(jié) 語
隨著人民生活水平的不斷提高，對商品包裝提出了更高的要求．哪里有商品，哪里就有包裝．可以說包裝工業(yè)對國民經(jīng)濟整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展起著重要的作用。我國捆扎機起步也有二十多年了，但在這一領(lǐng)域與國外的先進水平還有差距，大部分捆扎機，采用閉環(huán)或是半閉環(huán)的方式進行送標精度控制，因而貼標機的結(jié)構(gòu)和控制復雜，制造成本較高。本設(shè)計結(jié)合機械電子技術(shù)，運用PLC技術(shù)，省去了部分純機械部分，起到了減低成本和加工難度的作用。
本文對該自動捆扎機的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入的研究。完成的工作主要有：
（1）設(shè)計了捆扎機總體結(jié)構(gòu)
對捆扎機的功能進行了深入分析，排定了符合捆扎機實際工作情況的工藝路線，確定了捆扎機的各個組成部分，即：形成帶圈熔接切斷帶的傳動部分、收送帶部分、旋轉(zhuǎn)部分、推箱部分。根據(jù)各部分的功能需求，對其基本結(jié)構(gòu)進行了初步設(shè)計。
（2）設(shè)計了巧妙的傳動機構(gòu)，即采用了一個單向離合器，將兩個運動形成帶圈和熔接切斷帶結(jié)合在一起，省去了一個電動機，使結(jié)構(gòu)變得簡單，且降低了成本。
（3）運用Auto CAD繪出自動捆扎機的裝配圖及零件圖，共計十六張，一張零號圖，一張一號圖，六張二號圖，八張三號圖。
（4）采用機電一體化控制的方式對系統(tǒng)進行控制
系統(tǒng)采用了PLC技術(shù)，使得控制系統(tǒng)的設(shè)計過程大為簡化，機構(gòu)變得簡單，降低了系統(tǒng)的成本，提高了系統(tǒng)的性能。
今后需要進一步研究的問題包括：在PLC編程控制系統(tǒng)方面進一步加強，設(shè)計更好的人機界面，使自動捆扎機在捆扎不同尺寸的物件時，方便快速的進行調(diào)整，且有記憶功能；如何進一步提高系統(tǒng)運行的可靠性和協(xié)調(diào)性，使系統(tǒng)對故障具有一定的應(yīng)變能力；對自動捆扎機的結(jié)構(gòu)及電機進行試驗，測試各部分動作的用時，做提高捆扎速度的改進，提高自動捆扎機工作的效率；進行系統(tǒng)調(diào)試運行，解決系統(tǒng)調(diào)試中出現(xiàn)的問題，進一步改善系統(tǒng)的設(shè)計，提高系統(tǒng)整體性能。
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