澳门新葡澳京官网多类型水果包装机的结构设计—包装封口结构设计docx

　　澳门新葡澳京官网多类型水果包装机的结构设计—包装封口结构设计docxPAGE 48 PAGE 1 多类型水果包装机的结构设计—包装封口结构设计 随着全球信息化连续不断的发展，各行各业的市场已普遍涉及互联网，而互联网中有着重要的一部分——物流，随着物流量的上涨，产品打包效率问题接踵而来，较为落后的手工打包封箱速度和质量已经不能在大批量作业中得到保证，由于市场急需，设计1种能够自动打包的封箱机构已经成为了走在行业重要性前头的重中之重。当今商场与之类似的产品繁多，各种形式的封箱机构都有，而本课题选择纸箱和胶带作为包装材料，对纸箱进行封口，主要是因为较诸如用扎带捆扎的方式或者用薄膜缠绕的方式，更加节省成本和遏制过度包装，运用机械结构解决封口机构的可靠性和稳定性，并对其中几种物理量进行计算，最后应用软件进行有限元分析。 关键字：封口结构、封箱、机械结构设计、计算、有限元分析 目录 TOC \o 1-3 \h \z \u 第一章 绪论 1 1.1 国内外概况 1 1.2 研究背景和意义 2 1.3 研究内容 4 第二章 原理方案设计 5 2.1 总体方案 5 2.2 原理方案设计 6 2.3 计算自由度 8 第三章 三维建模及装配 9 3.1 软件简介及使用体会 9 3.2 设计改进过程 10 3.2.1 第一版封箱机构 10 3.2.2 第二版封箱机构 11 3.2.3 第三版封箱机构和步骤详解 12 第四章 物理量的计算 23 4.1 物理量查看 23 4.2 切胶带时力的计算 26 4.3 受力分析 29 第五章 有限元分析 33 5.1 零件有限元分析 33 5.2 问题分析 40 5.3 方案改进 41 参考文献 43 谢辞 44 附录 45 第一章 绪论 国内外概况 本课题选择研究胶带封箱机，在国内是一款技术比较成熟的封箱机，发展已经基本稳定，有的零部件甚至实现了通用化，得益于网上购物平台的发展，在我国大大小小的包装生产线上都能看到它的身影，运用广泛，趋于普遍。而国外由于缺少劳动力，这种自动化设备普及程度更高。但某些发达国家的封箱机比较集成化，往往是从开箱到产品完成包装到出线，都是一条完整的生产线，如果只想使用部分功能，显然全盘引进是不符合实际的。而国内的封箱机从一开始的设计用途就是多机台配合使用，按需求来建设生产线，这样当客户只需少数部分功能时，即可针对其下单购买设备，在满足需要的大环境下，大大地减少了成本。 图1.1固尔琦GPC-50封箱机 这是一款来自深圳固尔琦包装机械有限公司的双立柱自动折盖封箱机GPC-50，是一款量产产品，它能对所有的箱盖进行折合，平稳顺畅，盖箱盖胶带封箱一条龙，结构简单明了，维修空间大，维修时，只需要拆解部分结构，大大减少维修时间和成本。下面的滚筒成排布局，贯穿前后，方便连接其他自动化产线设备，当要包装的纸箱尺寸需要调整时澳门·新葡澳京(中国)官方网站，可人工调整封箱机构上下的高度和两边传送带的宽度来继续生产，上下调整时只需按照纸箱的高度为参考即可。 研究背景和意义 随着全球信息化连续不断的发展，各行各业的市场已普遍涉及互联网，而互联网中有着重要的一部分——物流，随着物流量的上涨，产品打包效率问题接踵而来，较为落后的手工打包封箱速度和质量已经不能在大批量作业中得到保证，由于市场急需，设计1种能够自动打包的封箱机构已经成为了走在行业重要性前头的重中之重。本课题首先是要选择一种具有代表性的被封物体作为封箱机构的设计针对对象，根据现在市场上常见的包装方式，用胶带把自己移动纸箱封箱的方式更为普遍，这种包装方式较于其他包装方式，诸如用扎带捆扎的方式或者用薄膜缠绕的方式，更加节省成本和遏制过度包装。 作为一种已存在100多年历史的包装方式，除了水果包装，它早已普及到各行各业，尤其是一些互联网商家，这种商家往往物品规格多样，手上的包装纸箱也有很多种规格，而本次研究的水果包装也是如此，每种水果单个大小不一，贵重稀有的水果包装比较小，这个问题涉及到封箱机的柔性问题，人工虽然相对来说比较适合这种多变的生产方式，但是，水果作为一种食物，应该保持卫生，食品车间无论对人员的卫生要求有多高，也是无法与机器比拟的。 在当今提倡精益生产的发展趋势下，在满足要求的情况下，物品应该竟可能做到一物多用，机器也应该如此，即可减少人工，又可以减少生产成本。 综上所述，水果封箱机不仅仅要适用单一的工作环境，更应该考虑到机器适用的工作环境范围，正如以上所说，适用的产品为普通纸箱，以标准纸箱为例： 表1.1标准纸箱规格表 箱号 长*宽*高 用途 1号标准5层 530*290*370mm 大件商品 2号标准5层 530*230*290mm 箱包等 3号标准3层 430*210*270mm 箱包及鞋子等 4号标准3层 350*190*230mm 鞋子等 5号标准3层 290*170*190mm 装饰品等 6号标准3层 260*150*180mm 化妆品、饰品等 7号标准3层 230*130*160mm 化妆品、饰品等 8号标准3层 210*110*140mm 化妆品、饰品等 9号标准3层 195*105*135mm 化妆品、饰品等 10号标准3层 175*95*115mm 化妆品、CD等 11号标准3层 145*85*105mm 化妆品、CD等 12号标准3层 130*80*90mm 化妆品、小饰品 特大号标准5层 600*500*400mm 适用搬家 从以上标准纸箱的尺寸和用途，本次课题要设计的水果包装机的封箱部分，它所适用纸箱的设计尺寸就出来了。 封箱机的尺寸取决于它对要封箱的纸箱的外观尺寸，而封箱机主要是把纸箱左右两个箱盖用胶带封紧，所以进入封箱机构的是垂直于左右箱盖后要缝起来的纸箱侧面，综上所述，考虑封箱机大小的主要尺寸因数为纸箱的宽度，次要考虑的尺寸因数为纸箱的高度和长度，从以上标准纸箱的尺寸表不难看出，我设计的纸箱封箱机构部分宽度需要到达500mm，高度大于400mm，面对这样的需求，应该要把宽度尺寸设计得有一定的余量和留给机械结构运动的空间，还有必要的调整空间，所以封箱机中间的通过空间为600mm*500mm较为适合，即保证了封箱机的通用型，也适当地减少了封箱机的占地空间。 研究内容 研究方向为： 包装材料为各种规格的纸板箱（宽小于600mm，高小于500mm）及普通封箱透明胶带。 在货物进入纸板箱后，自动关箱和自动封口。 整体称重及贴签。 通用化、经济化、小型化。 流水线作业，输送和封箱无停顿。 研究内容为： 纸板箱的自动送入过程。 纸板箱的封口过程。 完成纸板箱封口的机械结构设计。 简单研究称重和贴签动作方案。 对关键零件进行有限元分析。 第二章 原理方案设计 总体方案 考虑本课题研究的要求，需要把封箱、称重和贴签进行合理的先后顺序排列。 根据生产线的无停顿原则，水果装完箱后的步骤前后分布顺序为： 称重封箱 贴签 称重 封箱 贴签 图2.1 工序简图 考虑到贴签时，贴签机需要根据称重设备得出的数据来打印产品信息，这一个步骤需要停顿的时间，但是如果通过把称重和贴签间的步骤距离分开，时间就可以分散到移动时间当中，让已经打印好的标签在贴签机里等封箱完成后的纸箱，在纸箱经过时贴上即可，称重后只需保证中途无增加水果和纸箱的前后顺序调换，即可做到无停顿贴签。 尺寸确定 本设计按照包装材料和封箱材料作为尺寸确定的依据，市面上封箱胶带的宽度主要规格有：60mm、48mm、40mm、30mm等。为了最大限度满足通用性要求，机构应尽可能把胶带通过的地方尺寸放大到60mm以上，确保胶带通过性。由于纸箱规格较多，且宽度和高度不确定，因此根据常用纸箱里最大的规格作为参考，并设计成可调节机构。 原理方案设计 封箱结构主动件是纸箱推动滚筒的摇杆，摇杆通过连接杆把第二根摇杆往上顶然后第二根摇杆带动中间的联动杆，联动杆在槽里移动，带动刀具卡扣把刀具同时往上抬，与此同时第二根摇杆带动刀具卡钳凸轮，把刀具卡钳往内顶，准备把刀具卡住，而刀具卡扣到了预定高度后，由于两边轨道的缩小，卡扣受到挤压，自然拉直，放开刀具，刀具在弹簧拉力的作用下往下运动，此时刀具卡钳处于待放开状态，卡扣往下掉后，卡钳会把刀具卡死。 由于封箱机构是一个对称结构，当纸箱进入端的摇杆被顶起时，通过中间的联动杆，纸箱退出端的摇杆都会被顶起，随着运动传到后端，后端的摇杆也会同时升起，所以当纸箱通过前端入口后，不会被后端的摇杆顶到，而且两端摇杆的抬起时间近乎同时，时间差来自于零件之间的间隙，两端的连接方式是纯机械结构，特点是可靠性较好，维修成本低廉，兼结构简单，符合批量生产要求，和零件可更替性强。 关箱盖部分是封箱机构重要的辅助机构，兼顾前后左右箱盖的闭合，考虑到传统纸箱封箱步骤，一般先关前后两端的箱盖，左后再关左右两边的箱盖，由于前后箱盖的闭合动作在封箱前，比较难与封箱的动作形成联系，所以拟采用传感器控制气缸的简单动作命令来完成后箱盖的运动，前箱盖则通过纸箱自己向前运动的时候撞到封箱机构前的一块前端带有一个圆弧的钣金块实现自动闭合。 图2.2 箱盖闭合钣金和关后盖气缸机构 后箱盖则须运用到上文所提及的简单传感器控制气缸的方法完成，具体方案是，提前量好箱盖平行于折边的边界与折边的距离，以此为参考，调整气缸的位置，以把封箱的成功率和效率提高，当纸箱触发传感器后，气缸通过推出杠杆上端，使杠杆下端把后箱盖闭合，在纸箱自己运动，后箱盖被后面的钣金压住后，气缸顶杆再由传感器的控制下缩回原来的位置，把杠杆拉回，待执行后面纸箱的闭合动作。 左右封盖动作在前后封盖后，不需要加任何可运动装置，主要靠两根带有一定夹脚的不锈钢管材杆来完成，纸箱在下面的滚筒上滑行主动撞到杆上后，在杆引导下，左右两端的箱盖同时闭合，压在前后箱盖之上，随后进入封箱机构进行封箱。 图2.3 关箱杆 计算自由度 图2.4封箱机构结构简明示意图 如图所示，活动构件1为原动件，活动构件为1、2、3、4、6、7、8、9，凸轮6与5为一体，5主要给凸轮6起导向作用，表示的是装在凸轮上的一个轴，贯穿机架的圆槽口和构件3上的直槽口，所以5和6之间没有转动副，因此图中转动副为7个，移动副为4个，构件9上的圆表示的是一个轴承，属于局部自由度，凸轮6与轴承接触属于一对高副。通过计算自由度的公式： F=3n-2PL-PH 插入因子n=8，PL=11，PH=1， 得出机构自由度F=1 而原定件数W=1，机构的自由度F等于本课题设计机构中的原动件数量W，得出的结论是机构不会随意乱动，能够稳定完成设想动作。  第三章 三维建模及装配 软件简介及使用体会 本次课题的建模工具为SolidWorks2015版，此软件功能多样，兼备三维建模、三维图纸转二维图纸加尺寸注释、有限元分析、运动过程动画制作等等功能，且可加装的组件繁多，可以通过插件，输入数据就能找到可以直接插入到装配体使用的标准件，节省了根据数据再手动出标准件三维图的时间，SolidWorks不仅功能强大，还有一个让它受欢迎的地方是它易学易用的特点。 以我自己为例，我学的第一个三维软件并非SolidWorks，而是PRO/e5.0，因为刚开始的时候PRO/e5.0是我们在课堂上学的，虽然有过比较系统的学习过程，但是由于其在一些比较难的命令好像并不太人性化，导致很多地方在课后比较容易忘记步骤，由于没有强大的标准件插件，连一颗螺丝也需要自己动手画出来，如果需要做到完全仿真，而非修饰螺纹的话，极大的浪费时间，显然这种操作在企业里是不可取的。在做异形孔方面，SolidWorks也更胜一筹，在零件图里，特征的命令菜单下有一个异形孔向导，这个命令就是它在这反面明显碾压对手的方法，随手输入孔的数据后，在打孔的面上打上几个点，并用尺寸进行约束即可在正确位置上，打上需要的孔，不单只有螺纹孔，槽口、过孔、沉孔都有。 但是，自我12月份与企业实习后，到如今大约5个月的时间，我在设计零件和画零件二维图时，已经能把这款软件大部分能节约设计时间的功能基本用上了，SolidWorks有一个PRO/e 5.0无法做到的功能是：在三维状态下，显示尺寸后，可以直接变化草图的尺寸，在需要修改三维模型时，绝对是个不二选择。 装配时也是，只要选中两个要陪和的面，软件会自动浮出窗口选一些简单的装配方式，在装配时会节省大量时间，等距装配或对称装配的零件可以直接使用整列装配，在本设计中也有应用。 使用SolidWorks出二维图纸也是一个愉快的工作，较PRO/e5.0，SolidWorks的出图方式是傻瓜式的，只要是有基础的人员就可以使用，非常的智能化和人性化。 设计改进过程 本次课题的设计外形和部分原理参考与现有设备，但是本次课题的主要部分——封箱机构部分，为我本人重新设计，设计的重要部分为切割刀具的切割方式和时机。 第一版封箱机构 首先，我的设想是通过一种传感器加定时器的方式释放刀具，即纸箱接触摇杆，装在摇杆旁边的光传感器由于没有感应到摇杆，所以电源断开，给连接在中间连接杆磁铁载板上的电磁铁通电，把刀架铁块往上拉，与此同时，触发计时器，在通过计算传送带带动纸箱走动的速率和纸箱的长度，设定计时器给电磁铁断电的时间，刀具向下走，最终达到切割胶带的目的。 图3.1 电磁铁抬刀结构 经过一段时间的设想结构和功能考虑，这个方法带来了问题： 由于是电控制的运动，可能会因为机台的震动和传送带打滑原因，可能导致切割时机不准确，如果切割时间有提前，很有可能会把刀具直接插到已经包装好的水果纸箱上，由于刀具比较薄，离固定的位置远，极有可能导致刀具碎裂或弯折，给后面的生产带来麻烦。切割时间滞后，则会导致胶带被拉长，在封箱机构的后面的摇杆就无法把胶带贴死，留着一段在下面飘，如果没有及时发现，就会慢慢积尘，贴到的部分也会变得不粘，长途运输或存放后就会封不牢。稳定性能比较低。 电控设备不一定可靠，而且封箱动作本来就较为简单，机械式的结构可靠性更高，也不需要每次换规格不同的包装纸箱后都要花时间调整计时器，因为机械式的结构，只要纸箱到设计好的位置，刀具就会把胶带切断，节省了调整生产的调试时间，和人工成本。 第二版封箱机构 这一版的封箱机构沿用了通过电磁铁把刀具往上带和释放刀具的动作，在释放条件上做出了改变，第二版方案中，继续沿用光电传感器，不仅感应前摇杆，还在后摇杆上加装了，目的是在后摇杆在升起后再下落时感应一次，这一次是使电磁铁断电，迫使刀架下落，从而切断胶带。 这个版本的改进，免除了调试计时器的步骤，只需通过调整后面摇杆光电传感器的感应位置来确定刀架和刀具下落的时机，减少了很多不确定因素，如果传感器没有被意外遮挡到，就可以在固定的位置下落刀具，与前面的封胶距离相差无几，封箱长度的统一性得到了提升，质量也会相应提高。 但是，正如上午提到，光电传感器万一被意外出发，还是具有一定的风险，所以本版方案只解决了封箱的稳定性问题，我追求的可靠性还是未能达到要求，最终目标是让机械化程度达到最高，把故障率减少。  第三版封箱机构和步骤详解 此版本的封箱结构是纯机械化结构。 第一部分：摇杆部分 图3.2 连杆部分结构图 图3.3 中间连接杆位置示意图 如图，1为接触纸箱的滚筒，2为推动其他构件运动的摇杆1，4为推动中间连接杆的摇杆2,3为连接摇杆1和摇杆2的连杆，5为辅助结构，用于摆放胶带卷的芯轴。 图3. 4 纸箱顶住摇杆1上的滚筒 纸箱在传送带的引导下，向箭头移动方向前进，前摇杆1受到力的作用沿顺时针方向运动，通过连接杆，摇杆1把摇杆2顶起做顺时针运动，摇杆2运动时，在机架槽里的中间连接杆就会被顺势带起，动作通过中间连接杆传递到左半部分，也就是封箱后段，经过与前面对称的动作后，后端的摇杆1也会抬起，此时，纸箱就可以顺利通过封箱机构下的空间了澳门·新葡澳京(中国)官方网站。 图3. 5 纸箱与滚筒接触时，胶带粘到纸箱上 胶带的背面靠在大滚筒上，胶面面向即将到来的纸箱，在纸箱接触摇杆1前面的大滚轮时，在大滚轮上的胶带顺势贴到纸箱上，并利用大滚轮绕摇杆固定位的圆周运动，由于在初始状态下大滚轮与纸箱的接触线竖直方向下向下运动，把下面一段多出来的胶带剩余部分压死在纸箱上。 图3.6 压紧胶带 在纸箱推动摇杆1后，大滚筒按圆周运动公转向下，把下面没压死的胶带压在纸箱上。 图3. 7 胶带初始状态图 在胶带初始状态下，大滚筒上会有一段自由下垂的胶带，这是由于在上一个纸箱的胶带末端被切断后留下的，它的长度是由大滚筒在被压到顶的状态下，最低点离刀具的距离决定。 图3.8大滚筒最顶状态下离刀具的距离 同理，在另一端的大滚筒起到的是把胶带压到纸箱尾端上。这样纸箱就能从头到尾都有胶带被压上，并保证封箱的整体质量良好，不会出现前端紧后端松的情况了。  第二部分：刀架和刀具抬举部分 结构介绍： 刀具的抬举由机械结构解决，代替第二版的电磁铁带动刀架。 图3.9 刀架与中间连杆连接卡扣装置  图3 .10卡口组件解析图 如图，卡扣组件连接在中间连接杆上，它与中间连接杆同时上下运动，与刀架连接件的联系是通过两个可运动的卡扣，每对卡扣上都与卡扣组件部分有弹簧连接，在不需要运动时，会让两个卡扣自动复位，在拉簧拉紧后，两个卡扣的背面会顶住顶针的倒角，在背部被支撑后，卡扣就不会过度复位了。在初始状态下，压簧会把顶住往上顶，定在台阶上，所以复位的卡扣并不会把顶针再往上顶。 图3.11与刀架部分连接的卡扣 如图所示，此卡扣为刀架部分的刀架卡扣，作用是在卡扣组件上的卡扣1和2处于张开状态时，把它带上去，而刀架卡扣连接的是刀架，所以刀架就会随着刀架卡扣上升。 图3. SEQ 图3 \* ARABIC 12 活动卡扣1和2在进入刀架卡扣的状态 在上一周期后，刀架卡扣已经在底板槽的底下，当卡扣组件被中间连接杆往下带的时候，卡扣1和2会接触处于停止状态下的刀架卡扣，原卡扣1和2突出于卡扣组件的上半部分会受到刀架卡扣的挤压而收回到组件内，当组件下落到最终停下的位置后，卡扣1和2不再受到刀架卡扣的挤压，被拉伸弹簧拉回原来的位置，背后靠住顶针，待中间连杆上升后带动刀架。 图3.13卡扣被顶针顶下的状态 在中间连接杆带动卡扣组件运动到一定位置时，由于轨道有突出的凸台，会把顶针定住，但是中间连杆此时还未停止运动，所以顶针相对于整个还在上升的卡扣组件来说在向下运动，这时候卡扣1和2就会被挤到竖直，这种状态下卡扣组件就无法把刀架卡扣撑住，于是刀架就会自动向下，沿底板上的槽垂直下落。 图3 .14卡扣组件爆炸图 第三部分：卡钳部分 图3 .15卡钳部分 卡钳部分的作用是把刀架上的卡扣卡在特定的位置上，控制卡钳伸缩的零件是一个凸轮，凸轮由摇杆部分的摇杆2控制。 图3.16固定在凸轮上的轴 固定在凸轮上的轴，即穿过底板上的槽，也通过摇杆上的槽，底板上的槽主要作用是让轴穿过底板，摇杆通过纸箱的带动，向上提的同时带动固定在凸轮上的轴，让凸轮逆时针旋转大约90度，把卡钳顶出去，此时两边卡钳突出的部分可以刚好把已经被带到上面去的刀架和卡扣撑住。 图3.17卡钳在摇杆1到达最高位时突出，顶住卡扣。 当纸箱把摇杆推到完全顶住的状态后就会出现图的现象，当纸箱走过整个机构的中心轴后，纸箱与封箱机构的连接只剩下后端的大滚筒，与纸箱进入封箱机构时的动作刚好相反，在纸箱向前走后，后端滚轮带动连杆部分下落，前后部分的连杆2都会下落，并带动所有凸轮顺时针旋转，在卡钳压簧的作用下，卡钳沿着凸轮的外轮廓收回，刀架卡扣缺少卡钳的支撑自动下落，在下落过程中，刀具把胶带切断，纸箱就与还在胶带卷端的胶带分离了，待中间连接杆回到最初状态后，卡扣又会被重新扣上，待下次被提起来。  第四部分:刀具 图3.18 刀具外形尺寸 刀具设计如图，因为在封箱过程中，纸箱通过传送带的带动下做直线匀速运动，粘着胶带后，主动带动胶带，在刀具下面处于绷紧状态，刀具只需在第一接触点把胶带扎破，胶带便会快速裂开。在刀具和刀架从卡钳下落到胶带后，由于刀具是从中间把胶带切开的，所以胶带便会有一个较为平整的刀口。 刀具上的两个孔是刀具的安装孔，采用基轴制的间隙配合，孔的公差带代号为常用配合F8，查表孔的下极限偏差EI=+0.01mm，上极限偏差ES=+0.028mm。为了保证刀具的刚度，选刀具厚度T=1.5mm。  第四章 物理量的计算 物理量查看 受到现有条件的限制，无法找到以上所设计刀具的替代品做力学实验，但是从现有资源可用侧面反映部分事实，机器的尖头测具比刀具的尖头面积大。 P=F/S （4-1） 根据公式4-1，力在相同大小的作用下，面积越小压强越大，测具能在这种情况下捅破胶带，那么刀具也能捅破。 本次实验的机器是一台实验室测力仪，由于此仪器并非专门用于测试形变比较大的物体，因此能找到最小的测具是直径为1.5mm的圆柱头，此测具与胶带的接触面远大于刀具的刃口。因此以此测具扎破胶带的数据，完全可以满足需要。 实验过程：首先把绷紧的胶带贴在两端有支撑，中间空心的物品上，在电脑里给定的测试参数是测具竖直方向移动的行程和负载，经过多次参数更改，当给定行程上限为7mm，压力为20N的情况下澳门·新葡澳京(中国)官方网站，测具在移动大约6.8mm，负载到达稍大于14N时，胶带被扎破，说明胶带在绷紧状态下，在接触面积为1.77mm的面积上，最多承受在14N的压力，以下计算以14N为刀具扎破胶带时力的上限值为参考。 图4. SEQ 图4. \* ARABIC 1 测试过程 图4. SEQ 图4. \* ARABIC 2 测试结果  零件的质量以Solidwoks2015的质量属性为参考。 图4. SEQ 图4. \* ARABIC 3 刀架卡扣质量为68. 44克 图4. SEQ 图4. \* ARABIC 4 刀架质量为99.41克 图4. SEQ 图4. \* ARABIC 5 刀具质量为40.98克 切胶带时力的计算 和刀具关联部分的质量合计为： m=68.44×2＋99.41＋40.98=277.27（克）≈0.28（千克） 通过公式： G=mg （4-2） 重力加速度g取9.8m/s2，m的计算结果带入公式4-2 得刀具关联部分的重力为： G=2.744N 显然，只通过刀具部分所有零件的自身重力是远远未能达到14N的。 所以需要给刀具部分施加额外的力才能满足切断要求，根据结构的要求，选择在刀架卡扣上连接拉伸弹簧，施加额外的力。 因此，得到公式： F （4-3） F1是以实验得出扎破胶带的数据为参考的力，即14N 由此计算结果，可作为基本参数用于两边四个刀架拉伸弹簧的选型标准。 通过公式4-3反推需要额外增加的弹簧力。 得 FN=11.256N 两边的刀架卡扣分别由两条弹簧提供弹力，总共4根拉伸弹簧，每根弹簧需要提供2.814N的弹簧力。 F （4-4） 在刀具卡扣在卡钳位时，钢丝绳的形变量并不大，可粗略认为拉伸弹簧的拉伸量?x就是刀架部分的运动距离，即刀架卡扣从卡钳位到槽的最低位。 图4. SEQ 图4. \* ARABIC 6 卡钳位到槽的最低位距离为69.72mm 通过公式4-4反推得每条弹簧的劲度系数k： k≈40N/m 已知1Kgf≈9.8N 所以 1Kgf/m≈9.8N/m 由以上结论得： 40×10-3N/mm=4.08×10 通过公式： k=G× 公式中： G为弹簧线材的刚性模数，d为弹簧线径，Dm为弹簧中径，Nc为有效圈数，单位为kgf 把上文中转化单位后的k值，即0.00408 Kgf/mm，带入到以上公式中。 取d=0.5mm，Dm=6.5 得： N 为方便选型，Nc选为50.5  受力分析 摇杆2在被顶升至最高点状态且假设未放开刀架时受力分析 图4. SEQ 图4. \* ARABIC 7摇杆2受力相关位置尺寸 通过观察摇杆2的机构位置，此杆容易弯曲变形。通过已知数据计算剪力和弯矩。 本计算通过截面法画图计算。 图4. SEQ 图4. \* ARABIC 8 摇杆2受力分析简图 通过截线. \* ARABIC 9 右端受力简图 图4. SEQ 图4. \* ARABIC 10 左端受力简图 FS为摇杆2的弯曲内力，在数值上等于截面以右所有外力在垂直方向的代数和；M是弯矩，等于截面以右所有外力对截面形心力矩的代数和，即截面上的弯曲内力FS和M可以用截面右侧的外力计算，杆中F1 各方向上的合力为0，力矩为0。 Fx=0，Fx1 Fy=0， M=0 设企图使微段沿顺时针方向转动的剪力为正，其他为负；使微段弯曲呈凹形的弯矩为正，反之为负。 由右段的受力分析图得： 因为： Fy （4-5） 由公式4-5得： FS= FS 因为： M=0 （4-6） 由公式4-6得： M M=0.2N/m 由左段的受力分析图得： 由公式4-5得： F 即： 2.814N- （4-7） 由公式4-6得： F （4-8） 即： F 由公式4-7和4-8 Fy1 2.814N- 求得： F F 因为F 得： F支 因为F 得： F 第五章 有限元分析 零件有限元分析 摇杆2在被顶升至最高点状态时有限元分析 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 1 摇杆2被顶升至最高点状态 摇杆2在此位置时，顶端受到中间连接杆的重力，在刀架和卡扣未分开时，受到的力最大，在力的作用下，摇杆2会产生应变。 以下是有限元分析的过程： 预选材料： 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 2 初选定材料 初选定材料为亚克力板，亚克力板化学名叫做PMMA，属聚丙烯酸酯类。 插入分割线. \* ARABIC 3 画施加在面上的受力位置 由于中间连接杆套入摇杆2上的腰槽上，且腰槽非水平，因此施压在摇杆2的力是腰槽和中间连接杆的接触线，但是由于接触时，零件会产生稍微变形，因此两个零件接触的地方为面，也方便后面的外载荷有地方加载。 画完零件接触面后，把草图插入为分割线. \* ARABIC 4 插入静应力分析新算例 使用Solidworks自带的插件simulation创建新算例，由于本次有限元分析的是摇杆2在静止状态下的应力情况，因此选择创建静应力分析即可。 创建约束： 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 5 创建摇杆2左端约束 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 6 创建中间位置约束 由于摇杆2在运动时，通过一根短轴与底板铰接，纸箱进出机构时摇杆2回围绕最左端的孔为圆心运动，但是，当摇杆2静止时，此点便作为约束之一，中间的孔是连接杆支撑摇杆2的铰接孔，当摇杆2静止时也可作为约束。两孔中间的腰槽是摇杆2带动凸轮运动的，产生的支撑力远小于其他地方受力，因此，此处忽略。 添加外部载荷： 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 7 添加中间连接杆施加在摇杆2上的力 中间连接杆的力为竖直水平面的力，但是摇杆2并非直杆，在离左端铰接孔位168mm的地方有一个155°拐角，所以施加在杆上的力是中间连接杆的一个垂直于摇杆2弯面上的分力，由勾股定理得，施加在摇杆上的力为sin65°F1，即2.55N 设置网格： 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 8 设置网格大小 设置网格大小为2mm，比率为1.5。 生成网格： 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 9 按照设置生成网格 生成网格较为均匀，无网格大小相差太大的地方。  运算结果： 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 10 应力的大小和分布结果 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 11 应力最大的地方 圈内为应力最大的地方，为2.586×10 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 12 位移的大小和分布结果 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 13 位移最大的地方 圈内为位移最大的地方，为0.66mm。 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 14 应变最大的地方 圈内为应变最大的地方，为5.1×10 问题分析 参考分析结果，弯臂末端位移过大的原因可能为腰槽太长，弯臂减小了横截面积，承受大力矩时，无足够的刚度，导致位移过大。 应力和应变过为集中，且都集中在腰槽的底圆边上，原因可能是由于弯臂末端在形变位移时，把腰槽中间部分压到拱起，对腰槽底圆边上的地方产生拉伸，相对地，摇杆底部朝下部分则被压缩。 考虑到腰槽在机构中的作用和行程需求，同时减小变形、应变和应力集中，我的改进方案是把腰槽竟可能缩小。 方案改进 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 15 缩小腰槽长度后的摇杆 摇杆2的腰槽在右上侧底圆位置不变的情况下，把原来中心长70mm的腰槽缩小到30mm。 在受力位置无变化，网格设置不变，约束位置不变的情况下，重新进行静应力分析。 一下为有限元分析结果： 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 16 新的应力大小和分布结果 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 17 新的位移大小和分布结果 图5. SEQ 图5. \* ARABIC 18 新的应变大小和分布结果 零件改进后应力最大的地方为1.025×106N/m2，位移最大的地方为 由新方案的结果得出，改进方案有效，数据比起前版有较大改善，应力与应变比较分散，比起前者，零件断裂的危险性大大变小。  参考文献 庄宿涛.机械设计基础 [M].1版.成都：西南交通大学出版社，2016 倪小丹.机械制造技术基础 [M].1版.北京：清华大学出版社，2007 淘亦亦.工程材料与机械制造基础 [M].2版.北京：化学工业出版社，2012 秦雪梅，李冬冬.工程力学 [M].1版.武汉：华中科技大学出版社，2013 于雪梅.互换性与技术测量 [M].1版.北京：机械工业出版社，2013 哈尔滨工业大学理论力学教研组.理论力学 [M].7版.北京：高等教育出版社，2017 孙恒.机械原理 [M].7版.北京：高等教育出版社，2007 史美堂.金属材料及热处理 [M].7版.上海：上海科学家技术出版社，1980 朱龙根.简明机械零件设计手册 [M].2版.北京：机械工业出版社，2005 孙开元，郝振洁.机械制图工程手册 [M].2版.北京：化学工业出版社，2018 吴高阳.SolidWorks2010有限元、虚拟样机与流场分析从入门到精通 [M].2版.北京：机械工业出版社，2011 龙海. SolidWorks 2015中文版新手从入门到精通 [M].1版.北京：机械工业出版社，2016 赵建国. SolidWorks 2015三维设计及工程图应用 [M].1版.北京：电子工业出版社，2016 高志，黄纯颖.机械创新设计 [M].1版.北京：高等教育出版社 固尔琦GPC-50封箱机 [Z] Haixi Wu，Yan Wang，situ monitoring of FDM machine condition via acoustic emission [J].2015  附录

　　原创力文档创建于2008年，本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接分享给其他用户（可下载、阅读），本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人所有。原创力文档是网络服务平台方，若您的权利被侵害，请发链接和相关诉求至 电线) ，上传者