快递物品快速包装设备设计本科毕业论文.docx
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快递物品快速包装设备设计本科毕业论文
机械工程学院毕业设计（论文）
题目：
快递物品快速包装设备设计
专业：
机械设计制造及其自动化
班
级：
121
姓
名：
吴
健
学
号：
1666120127
指导教师：
乔印虎
日
期：
2015.12.15
1
1、绪论3
1.1引言3
1.2国内外研究现状及分析3
1.3本文研究目标与意义4
2、书本打包机总体设计4
2.1书本捆扎规格4
2.2打包工艺方案设计5
2.3、工作工艺图示5
3、书本打包机机械结构设计6
3．1送书机构6
3.2推书机构7
3.2.1、计算气缸提供的推力9
3.2.2、活塞杆直径计算9
3.3折上下边及折侧边机构10
3.3.1、丝杠的初级估算11
3.3.2、丝杠的验算：
11
3.4取纸送纸机构设计12
3.4.1送纸机构原理13
3.4.2纸张测厚检测原理14
3.5折四角机构设计16
3.5.1、直齿锥齿轮的估算17
3.5.2、直齿锥齿轮的当量齿轮和重合度：
19
3.5.3直齿锥齿轮的强度校核：
19
4、书本打包机控制系统设计23
4.1、书本打包机工作流程：
23
4.2书本打包机各部分控制设计：
23
4.3、书本打包机信号输入输出分配表：
24
2
快递物品快速包装设备设计
摘要：
随着经济的发展，电商的快速崛起，商业印刷行业也得到了飞速的提
高，这对书本打包的快速性和精确性提出了更高的要求。
书本打包机的横向送书
机构、纵向推书机构、折上下边及侧边机构、折四角机构、送纸机构进行设计是
此次设计的重点，它们的正确与否决定了设计的成功和失败。
本书本打包机设计
中应用了多种传感器，由传感器进行检测，传输给PLC，由PLC对书本打包机的
各保证动作进行控制，减轻了工人工作负担，实现了机器的智能化控制更保障包
装的高精度和高质量。
用机器代替人工完成书本的包装工作，即节省时间和劳动
力又保证了长时间工作的高包装质量。
关键词：
送书机构；推书机构；折上下边及侧边机构；PLC控制
1、绪论
1.1引言
近年来随着科技水平的提高,教育的普及,这也推动商业印刷和包装工业的快速发展的市场,这对图书输送物流提出了更高的要求。
电商的迅速崛起促使商业
印刷不停前进，但是传统的打包工艺无法满足现代社会的需要，它的高成本，打包缓慢，精度低，效率低等缺陷严重制约了商业印刷的发展。
为了解决这种问题，在包装行业使用自动化书本打包机势在必行。
1.2国内外研究现状及分析
经济发展的越来越快，人们的需求也在日益提高，包装的速度、工艺及包装质量都遭受着严重的挑战。
但是随着计算机技术和自动化技术的不断发展，我们找到了书本打包机新的发展路线，书本打包机将向着自动化、精密化、智能化进行改进。
本次设计将对书本打包机的纵向送书机构、送纸机构、折上下边及侧边机构、折四角等机构进行设计计算，并对书本打包机的流程及控制系统进行设计，已达到自动化包装的目的。
目前在我国书本打包多数还是采用人工打包，这与国外先进的全自动化包装机械存在着很大的差距，这主要表现在：
（1）包装纸裹包书摞没有专业的摞书装置进行摞书，裹包折叠书包的外观
形态形状大小各异没有统一的格式，造成了在捆扎书摞时皮带受力不均匀，可能会造成裹包的散捆。
（2）手工多于机器：
在书本的运输，打包等方面自动化水平低，无法满足众多客户的需要跟不上现代图书物流业的发展。
（3）书本打包的低效率、高成本、低外观，包装方法和工艺不尽完善，仍需后续加工处理，这些都对商品造成了严重的负担。
3
我国的书本打包技术较国外十分的落后，已经无法适应现代化图书物流业的需求了，书本打包机要向一下几个方面进行改进：
（1）机械功能多元化：
因为人们的需求各有不同，为了满足大多数人的需求，书本打包机必须能对多种规格的书本进行打包。
（2）机械设计标准化：
必须充分利用模块化设计方法使其能在短时间内更换新机型，提高产品的市场反应速度，满足市场的需求。
（3）控制智能化：
书本打包机的包装动作以及检测都将由计算机进行控制，提高了包装的精度，并降低了工人的压力。
（4）提高包装的精确性：
在设计机械时要保证严格的配合性，保证机械的正
常运行，书本打包机的每一个工作都由传感器检测，并由PLC控制，保证了机械运动的高度精确性。
1.3本文研究目标与意义
在整个书本配送过程中，无疑打包是最费时也是最直接呈现商品的一个环节。
然而传统的手工包装方式，既费时又费力，效率低，质量差，高成本而又低回报，这种打包方式严重违反了市场的规律难以满足要求。
所以对书本打包机的自动化，智能化改造势在必行，本次设计将对书本打包机的纵向送书机构、送纸机构、折上下边及侧边机构、折四角等机构进行设计计算，并对书本打包机的流程及控制系统进行设计，已达到自动化包装的目的，能极大的提高打包效率，降低操作者劳动强度。
2、书本打包机总体设计
2.1书本捆扎规格
四种书本规格分别为：
表1书本规格
书本规格
长度（cm）
宽度（cm）
小32开
18.5
13
小16开
26
18.5
大32开
21
14.8
大16开
29.6
21
从表中可发现小32开正好是小16开的一半，大32开是大16开的一半。
故
可考虑采用控制复本数的方式规范为二种包装规格：
小包书摞：
长37cm，宽26cm；
4
大包书摞：
长42cm，宽29.6cm；
复合牛皮包装纸规格为：
长118cm，宽78cm。
2.2打包工艺方案设计
书本打包机的工艺流程为：
首先将待打包的书摞由横向送书装置的左侧送至纵
向推书的位置，同时送纸机构工作将包装纸送至指定位置，然后由气缸将书摞向
前推送再此过程中书本与包装纸相遇，书摞和包装纸一起向前运动书摞被裹包成
了“匸”字型，接着书摞和包装纸输送到折上下边及侧边工位，由折上下边及侧
边机构完成书摞前口、两侧边的上、下伸出端包装纸的折叠，最后书摞输送到折
四角工位，由折四角机构完成对四角伸出端包装纸的折叠。
其工艺顺序简略为：
推书→送纸→推书保三面→折上下边及两侧边→折前后角。
2.3、工作工艺图示
a推书送纸b推书包三面
c折上下边及侧边d折四角
图1书本打包机工艺
5
3、书本打包机机械结构设计
3．1送书机构
1-皮带；2-电动机；3-三脚架；4-滚轮；5-减速箱
图2送书机构
图2所示为送书机构，该机构的主要任务是将皮带左端的书本通过皮带运输到右端。
该机构主要由皮带、电动机、减速箱、滚轮、三角架构成。
书本利用皮带从左端运输到右端推书位置，由送书电机提供动力，通过皮带传输。
查阅机械设计手册知皮带选普通平带，需满足轴间距大。
：
皮带轮机构
皮带与重物的总重量
m120kg；滑动面的摩擦系数
u0.3；滚轮的直径
D100mm；滚轮的重量m21kg；皮带与滚轮的效
0.9；皮带的速度
140mm/s10%；电机电源：
单相110V60HZ;工作时间：
1天8小时运转。
：
决定减速箱的减速比：
减速箱的输出速度:
NG（V*60）/（D）1401460/（100）26.72.7[r/min]
6
电机（4极）在60HZ时的额定转速为1450~155r/min,故应选择减速比i60。
减速箱的减速比i为:
i（1450~1550）/NG（1450~1550）/（26.72.7）49.3~64.6
因为输送带启动时所需转矩为最大，故先计算启动时的必要转矩。
滑动面的摩擦力为F:
Fumg0.3209.80758.8（N）
负载转矩：
TLFD/2（58.8100103）/（20.9）3.27（NM）
因为此负载转矩是减速箱输出轴转矩，还需要转化成电机输出轴的转矩：
TMTL/iG3.27/（600.66）0.0826（Nm）82.6（mNm）（减速箱的传导效
率G0.66）
按使用电源电压波动（220V10%），设定安全率为2倍。
82.62165[mNm]
查阅标准电机型号/性能表，可得选用电机：
90YS40GV22，减速箱90GK60H。
确定负载惯性惯量：
皮带：
工作物的惯性惯量
Jm
m1
（M
D）/60i
500
104[kgm2]
1
滚轮的惯性惯量
Jm
1/8
m2
D2
1/81
（100
103）2
12.5104[kgm2]
2
减速箱输出轴的全负载惯性惯量
J
500
104
12.5
104
2
525
104
JG
0.75104
60
2
2700
104[kgm2]
因为J
JG,故选择是合适的。
且所选用的电机额定转矩为
260mNm，较实际
负载转矩大，可以提供更大的转速。
3.2推书机构
图3所示为横向推书机构，该机构的任务是当书摞运输到推书位置时，传感
7
器接受到信号，气缸开始工作，活塞杆推动推板向前推书。
该机构主要由气缸和推板构成。
图3横向推书机构
选择气缸型号：
表2气缸标准型号
缸径（mm）
40
50
63
80
100
使用压力范围
0.05~1.0MPa
环境和流体温度
无磁性开关：
-10?
c~+70?
c,带磁性开关：
-10?
C~+60?
C
使用活塞速度
50~500mm/s
缓冲
气缓冲
行程长度允差mm
~250
0
10
，251~100001.4
0
1.8
1001~1500
给油
不需要
接管口径（Rc）
1/4
3/8
1/2
8
表3行程/磁性开关型号
缸径
标注行程（mm）
磁性开关型号
磁性开关安装件
（mm）
拉杆安装
除A54外
仅A54
40
25,50,75,100,125,150,175,200,250,300,350
400,450,500
Z73
BA4-040
BT-04
50
25,50,75,100,125,150,175,200,250,300,350
Z76
63
400,500，600
A
BA4-063
BT-06
Y59B
A54
80
25,50,75,100,125,150,175,200,250,300,350
Y7BW
BA4-080
BT-08
Y7BAL
100
400,450,500,600，700
由工作条件：
工作行程超过300mm；工作压力0.05MPa。
查阅表2、3选择
气缸型号为SMC（中国）有限公司生产的CDA2B-50-350-Y7BAL。
3.2.1、计算气缸提供的推力
根据《机械设计手册5》得：
当推力作功时：
D4F1/（p）（m）
（1）
式中F1－－活塞杆上的推力N；p－－气缸工作压力Pa;
D－－活塞直径m；－－载荷效率，主要主要保证气缸特性参数及总阻力。
因
为在这里气缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，可只考虑其
总阻力，其载荷率可取0.7。
故F1D2
p/4=0.052
3.140.05106
0.74
68.69N
气缸工作时的总阻力：
Fumg0.320
9.806
58.84N；F1
F故气缸工
作时能提供比阻力更大的力。
3.2.2、活塞杆直径计算
查阅《机械设计手册5》得：
活塞杆直径d可根据气缸拉力预先估定，活塞
杆直径可按d/D0.2~0.3。
取d/D=0.2,故d0.2D0.25010（mm）。
按强度条件计算d4F1/P
（2）
式中F1－气缸的推力N;P－活塞杆材料的许用应力pa；
9
b－材料的抗拉强度pa;S－安全系数，S1.4;
pb/S
因为气缸由内置磁环，故活塞杆应选用5A03铝，查阅《机械设计课程设计
手册》表2-20得抗拉强度175MPa。
故p175/1.4125MPa。
带入公式得d468.693.141251060.837mm故活塞杆直径取d10mm，满足强度要求。
综上所诉，气缸选用CDA2BF-50-350-Y7BAL，工作压力0.05MPa，活塞杆直
径10mm。
3.3折上下边及折侧边机构
1-直流电机；2-刚性联轴器；3-滑动丝杠；4-右挡板；5-上挡板；
6-左挡板
图4折上边及侧边机构
图4所示折上边及侧边机构简图，该机构的任务是在书本经过送纸之后，对包装纸进行折上边及侧边。
该机构主要由直流电机，刚性联轴器，滑动丝杠，左
挡板，右挡板折，上挡板构成。
折上下边及侧边运动由电机带动丝杠运动来实现，因为工作只要求满足上下运动，无较高的精度要求，为了加工简单，选择易于自锁的滑动螺旋方式。
因为丝杠运动中传递力和运动，不承受冲击和变载荷，且精
度要求不高，故选用加工简单的矩形螺纹。
根据《机械设计大典4》螺杆材料选
10
45钢，螺母材料选耐磨铸铁。
3.3.1、丝杠的初级估算
螺母上的负载重量为10Kg;螺母移动速度为10cm/s;丝杠直径选用50mm;螺
母高度为2cm;导程为10mm。
螺纹工作高度h0.5Pp为螺距,查阅《机械设计课程设计手册》表3-1得：
P5；所以h0.552.5mm
螺旋圈数zH/P20/5410~12H为螺母高度；Z为螺旋圈数
查阅《中国机械设计大典4》得:
d1d2h50248mm;d2d1h48149mm
3.3.2、丝杠的验算：
1、校核工作强度:
P
F/d2hz
Pp
（3）
公式中：
F--轴向载荷（N）；
pp
--
许用压强（
）查阅《机械设计大典
》
Mpa
4
表37.2-8得pp
8mpa。
p
1010/3.14
4910
6.5mpa
8mpa
所以满足工作压强要求。
2、验算自锁
螺纹升角：
arctan（L/
d2）
'
（4）
p
'
arctan
us
通常可使
‘
430
cos（
/2）
公式中：
p'--当量摩擦角；us
螺旋副的滑动摩擦系数，查阅《机械设计
大典4》表37.2-7
得us0.1；L--导程（mm）；
--牙型角，矩形螺纹
0
故p'
arctan
us
arctan
0.1
5.71
cos（
/2）
cos0
arctan
L
arctan
10
49
3.725.71
d
3.14
2
故螺旋升角满足要求。
11
3、验算螺杆中径：
d2
F/
PP
（5）
式中矩形螺母：
0.8；整体式螺母取
1.2~2.5取
2
；
F
usmgmg
1.110
9.807
107.88
N
d2
2.07mm
49mm故螺杆中径满足要求。
4、螺杆强度校验：
2
T
2
4F
3
p
（6）
d12
0.2d3
公式中：
T--传递扭矩Nmm；
p--
螺杆材料的许用应力（
），查阅
MPa
《中国机械设计大典
4》表37.2-9得：
p
s
s-材料的屈服极限，查阅《机
3~5
械设计课程设计手册》表2-7
得：
355
，故
355
71~118
s
p
3~5
传递扭矩TFD/2
107.88
502
2697（Nmm）
2
（4F2）2
3
T3
0.196
71~118故螺旋强度满足要求。
d1
0.2d
3.4取纸送纸机构设计
（a）单张纸运动过程
12
（b）多张纸运动过程
1-搓纸轮；2-拾纸轮；3-分离轮；4-电容传感器；
图6取纸送纸机构示意图
图6所示为取纸送纸结构示意图，该机构的任务是将包装纸从纸盒中取出，并输出单张包装纸。
该机构主要由搓纸轮、拾纸轮、分离轮、电容传感器、步进电机、引导板与分离轮电磁式离合器构成。
首先，搓纸轮工作将包装纸从纸盒中搓离出来，当电容传感器检测出包装纸为单张时如图（a），此时拾纸轮开始工作带动纸张输送且分离轮的轴离合器分离被纸张带动旋转；当电容传感器检测出多张进纸时如图（b），此时分离轮的离合器开始工作接合分离轮，分离轮开始逆时针旋转，将多余的纸张退回纸盒。
3.4.1送纸机构原理
图7单张纸受力模型
13
单张送纸过程的动力学方程：
1
M
F1r1
（7）
J1w
J2w2
F2r2
T
其中J1与J2分别为送纸轮与分离轮的转动惯量，
w1与w2分别为这两轮角速
度，r1与r2分别为其半径，M与T分别为其扭矩。
各接触表面相对运动速度方程：
Vr1r1w1Vp（8）
Vr2r2w2VP
从公式（7）可以看出，送纸轮与分离轮r1,r2与w1,w2大小相等，方向相反，为
了使传送平稳，即w的值趋近于0，则应该使MF1r10，F2r2T0。
从公式
（8）可以得出Vr1Vr2。
由上可得，在设计送纸轮与分离轮时，应尽量使两轮的转动惯量相等从而促使平稳传送。
如图8所示，当传感器发现多张送纸时，分离轮的电磁离合器闭合接触分离轮，分离轮逆时针旋转，将多余的包装纸退回纸盒。
图8多张纸受力模型
3.4.2纸张测厚检测原理
当包装纸送出时超过一张，如果包装纸视为一个整体就相当于单张纸的厚度
14
变大。
所以只需要检测包装纸的厚度就可以判断是否出现重叠输送问题。
此处使用平行板式电容作为传感器进行检测，其原理为当两极板之间的材料或厚度值改变时，电容值也会随着发生改变。
图9所示为在电容器传感器测包装纸的示意图。
图9纸张测厚示意图
其电容量为公式：
C
S
d1
d2
d3
1
2
3
公式中：
S--电容极板面积（单个极板）；
d1--包装纸上表面到电极的距离；
d2--包装纸厚度；
d3--包装纸下表面到电极的距离；
1--包装纸上表面到电极板之间介质的介电常数；
2--包装纸的介电常数；
3--包装纸下表面到电极之间介质的介电常数。
由于d1d3dd2，且当1
3时，
C
S
S1
dd2
d2
d（1
1）d2
1
2
2
（9）
（10）
15
公式中d是两电极板间的距离
一般电容极板的面积S，极板距离d保持不变的，当被测包装纸至电极之
间介质的介电常数1和3不变时，极板电容值只受包装纸的厚度d2及介电常数
2的变化的影响。
一般包装纸的介电常数2不变，故包装纸的厚度可以通过公
式计算出来。
3.5折四角机构设计
1-电动机；2-皮带；3-锥齿轮；4-挡板；5-轴；6-联轴器
图10折四角机构示意图
图3-5为折四角机构示意图，该机构的任务是当经过折上下边及侧边的书本到达折
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