哈工大機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)-產(chǎn)品包裝線設(shè)計(jì)

哈工大機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)—產(chǎn)品包裝線設(shè)計(jì)?一、引言在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)品包裝線起著至關(guān)重要的作用。它能夠高效地完成產(chǎn)品從生產(chǎn)到包裝出廠的一系列流程，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。本次課程設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)一條滿足特定生產(chǎn)需求的產(chǎn)品包裝線，通過運(yùn)用機(jī)械原理等相關(guān)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)包裝線各環(huán)節(jié)的合理設(shè)計(jì)與協(xié)同工作。

二、設(shè)計(jì)要求1.包裝對(duì)象：某特定產(chǎn)品，形狀為長(zhǎng)方體，尺寸為長(zhǎng)200mm×寬150mm×高100mm，重量約為5kg。2.包裝產(chǎn)量：每小時(shí)包裝產(chǎn)品數(shù)量不少于600件。3.包裝工藝：產(chǎn)品輸送、自動(dòng)裝箱、封箱、貼標(biāo)等環(huán)節(jié)。

三、總體設(shè)計(jì)方案（一）包裝線流程概述整個(gè)包裝線主要由上料輸送段、裝箱段、封箱段、貼標(biāo)段以及控制系統(tǒng)組成。產(chǎn)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(jìn)入封箱段進(jìn)行封箱，最后在貼標(biāo)段貼上標(biāo)簽，完成整個(gè)包裝過程。

（二）各段設(shè)計(jì)1.上料輸送段采用鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)作為主要輸送設(shè)備，鏈條節(jié)距為25.4mm，鏈條速度根據(jù)產(chǎn)量要求設(shè)定為0.5m/s左右。輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置選用電機(jī)通過減速器帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪，從而驅(qū)動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)。為了保證產(chǎn)品在輸送過程中的平穩(wěn)性，每隔一定距離設(shè)置一組托輥，托輥直徑為50mm。同時(shí)，在輸送機(jī)入口處設(shè)置一個(gè)自動(dòng)上料裝置，采用振動(dòng)盤將產(chǎn)品有序地送上輸送機(jī)。2.裝箱段設(shè)計(jì)一個(gè)專用的裝箱機(jī)構(gòu)，采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)推板將產(chǎn)品推裝入紙箱。曲柄長(zhǎng)度為100mm，搖桿長(zhǎng)度為200mm，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)推板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。紙箱放置在一個(gè)可升降的平臺(tái)上，當(dāng)產(chǎn)品被推到平臺(tái)上方時(shí)，平臺(tái)下降，使產(chǎn)品落入紙箱中。為了確保產(chǎn)品準(zhǔn)確裝箱，在推板上設(shè)置定位裝置，與產(chǎn)品的形狀相匹配。3.封箱段封箱采用膠帶封箱方式，設(shè)計(jì)一個(gè)封箱機(jī)，包括膠帶卷軸、滾輪以及驅(qū)動(dòng)裝置。膠帶卷軸直徑為150mm，通過電機(jī)帶動(dòng)卷軸旋轉(zhuǎn)，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(jī)安裝在一個(gè)機(jī)架上，機(jī)架底部設(shè)置可調(diào)地腳，以便調(diào)整封箱機(jī)的高度和水平度。4.貼標(biāo)段采用不干膠貼標(biāo)機(jī)進(jìn)行貼標(biāo)操作，貼標(biāo)機(jī)的工作原理是通過滾輪將標(biāo)簽從卷軸上拉出，然后貼附在紙箱表面。標(biāo)簽卷軸直徑為100mm，貼標(biāo)速度根據(jù)包裝線速度進(jìn)行匹配，設(shè)定為每秒貼標(biāo)23張。在貼標(biāo)機(jī)上方設(shè)置一個(gè)光電傳感器，用于檢測(cè)紙箱的位置，確保標(biāo)簽準(zhǔn)確貼在指定位置。

四、機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)（一）上料輸送段運(yùn)動(dòng)方案鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)的主動(dòng)鏈輪由電機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)，電機(jī)選用型號(hào)為Y132S4的三相異步電動(dòng)機(jī)，功率為5.5kW，轉(zhuǎn)速為1440r/min。減速器選用圓柱齒輪減速器，傳動(dòng)比根據(jù)輸送機(jī)的運(yùn)行速度和電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算得出，約為20。通過這種傳動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)鏈條的平穩(wěn)、勻速運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)產(chǎn)品在輸送線上移動(dòng)。

（二）裝箱段運(yùn)動(dòng)方案曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，電機(jī)通過聯(lián)軸器與曲柄軸相連，電機(jī)選用型號(hào)為Y90S4的三相異步電動(dòng)機(jī)，功率為1.1kW，轉(zhuǎn)速為1400r/min。電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄做圓周運(yùn)動(dòng)，通過連桿帶動(dòng)搖桿做往復(fù)擺動(dòng)，搖桿的擺動(dòng)通過推板轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的裝箱動(dòng)作。在運(yùn)動(dòng)過程中，通過合理設(shè)計(jì)曲柄、搖桿和連桿的長(zhǎng)度，保證推板的行程和運(yùn)動(dòng)速度滿足裝箱要求。

（三）封箱段運(yùn)動(dòng)方案封箱機(jī)的膠帶卷軸由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)選用型號(hào)為Y80M14的三相異步電動(dòng)機(jī)，功率為0.55kW，轉(zhuǎn)速為1390r/min。電機(jī)帶動(dòng)膠帶卷軸旋轉(zhuǎn)，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(lián)動(dòng)，在膠帶纏繞過程中對(duì)其進(jìn)行壓緊，確保封箱效果。

（四）貼標(biāo)段運(yùn)動(dòng)方案貼標(biāo)機(jī)的標(biāo)簽卷軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)選用型號(hào)為Y80M24的三相異步電動(dòng)機(jī)，功率為0.75kW，轉(zhuǎn)速為1390r/min。電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)標(biāo)簽卷軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過滾輪將標(biāo)簽拉出并貼附在紙箱上。光電傳感器檢測(cè)到紙箱位置后，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，使貼標(biāo)機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確動(dòng)作，完成貼標(biāo)操作。

五、主要零部件設(shè)計(jì)（一）鏈條根據(jù)輸送要求，選用滾子鏈，型號(hào)為16A，節(jié)距為25.4mm，滾子外徑為15.88mm，內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬為15.75mm。鏈條的抗拉強(qiáng)度應(yīng)滿足輸送機(jī)的承載要求，經(jīng)過計(jì)算，所選鏈條能夠承受產(chǎn)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(zhǎng)度根據(jù)輸送機(jī)的寬度確定，為了保證托輥的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性，在托輥兩端安裝軸承，軸承型號(hào)為6205。

（三）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)零件曲柄、搖桿和連桿均采用45鋼制造，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，硬度為220250HBW。曲柄的直徑根據(jù)其受力情況和強(qiáng)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度。

（四）封箱機(jī)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(jìn)行緊固。為了保證卷軸的強(qiáng)度和剛度，在卷軸內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)筋。

（五）貼標(biāo)機(jī)標(biāo)簽卷軸標(biāo)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(shè)計(jì)要便于標(biāo)簽的纏繞和放出，同時(shí)要保證在貼標(biāo)過程中標(biāo)簽的張力穩(wěn)定。

六、動(dòng)力計(jì)算（一）上料輸送段1.鏈條拉力計(jì)算考慮產(chǎn)品重量、鏈條自重以及運(yùn)行阻力等因素，鏈條的拉力約為800N。2.電機(jī)功率計(jì)算根據(jù)鏈條拉力和輸送速度，計(jì)算出輸送機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)功率。通過公式\(P=Fv\)（其中\(zhòng)(P\)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(dòng)效率等因素，實(shí)際選用電機(jī)功率為5.5kW。

（二）裝箱段1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)受力分析在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，對(duì)曲柄、搖桿和連桿進(jìn)行受力分析。計(jì)算出各構(gòu)件在不同位置時(shí)的受力大小和方向，為零件強(qiáng)度計(jì)算提供依據(jù)。2.電機(jī)功率計(jì)算根據(jù)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的受力情況和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)曲柄所需的電機(jī)功率。通過分析，選用功率為1.1kW的電機(jī)能夠滿足機(jī)構(gòu)的運(yùn)行要求。

（三）封箱段1.膠帶拉力計(jì)算封箱時(shí)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(jīng)計(jì)算膠帶拉力約為300N。2.電機(jī)功率計(jì)算根據(jù)膠帶拉力和貼標(biāo)速度，計(jì)算出封箱機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)功率。通過公式計(jì)算，實(shí)際選用功率為0.55kW的電機(jī)。

（四）貼標(biāo)段1.標(biāo)簽拉力計(jì)算貼標(biāo)過程中標(biāo)簽的拉力主要用于克服標(biāo)簽與卷軸之間的摩擦力以及保證貼標(biāo)時(shí)的張力，標(biāo)簽拉力約為150N。2.電機(jī)功率計(jì)算根據(jù)標(biāo)簽拉力和貼標(biāo)速度，計(jì)算出貼標(biāo)機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)功率。選用功率為0.75kW的電機(jī)能夠滿足貼標(biāo)工作要求。

七、潤(rùn)滑與密封（一）潤(rùn)滑1.鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)的鏈條和鏈輪采用油脂潤(rùn)滑，每隔一定時(shí)間涂抹一次潤(rùn)滑脂，以減少磨損，保證傳動(dòng)效率。2.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)副（如曲柄軸與軸承、搖桿軸與軸承等）采用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，通過油杯定期添加潤(rùn)滑油，確保各轉(zhuǎn)動(dòng)部位的良好潤(rùn)滑。3.封箱機(jī)和貼標(biāo)機(jī)的電機(jī)軸承采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，在安裝電機(jī)時(shí)將潤(rùn)滑脂填充到軸承內(nèi)部，一般每運(yùn)行一段時(shí)間進(jìn)行一次檢查和補(bǔ)充。

（二）密封1.對(duì)于鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，采用密封罩將電機(jī)和減速器封閉起來，防止灰塵、雜物等進(jìn)入，同時(shí)也能減少潤(rùn)滑油的泄漏。2.在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的箱體上設(shè)置密封墊，防止?jié)櫥托孤?。?duì)于運(yùn)動(dòng)部件的軸孔處，采用油封進(jìn)行密封，保證潤(rùn)滑油不外泄，同時(shí)防止外界灰塵等進(jìn)入機(jī)構(gòu)內(nèi)部。3.封箱機(jī)和貼標(biāo)機(jī)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(xiàn)偏移或雜物進(jìn)入影響工作。

八、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）控制要求1.實(shí)現(xiàn)各段設(shè)備的順序啟動(dòng)和停止，保證包裝線的運(yùn)行流程順暢。2.能夠根據(jù)包裝產(chǎn)量自動(dòng)調(diào)節(jié)各段設(shè)備的運(yùn)行速度，確保生產(chǎn)效率。3.具備故障檢測(cè)和報(bào)警功能，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)停機(jī)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（二）控制方案采用可編程邏輯控制器（PLC）作為控制系統(tǒng)的核心。PLC選用西門子S7200系列，根據(jù)控制要求編寫梯形圖程序。1.輸入信號(hào)：包括各段設(shè)備的啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、光電傳感器信號(hào)、過載保護(hù)信號(hào)等。2.輸出信號(hào)：控制各段電機(jī)的啟動(dòng)和停止、指示燈的顯示等。3.程序設(shè)計(jì)：通過編寫邏輯程序，實(shí)現(xiàn)包裝線各段設(shè)備的順序控制、速度調(diào)節(jié)以及故障報(bào)警等功能。例如，當(dāng)包裝產(chǎn)量低于設(shè)定值時(shí)，PLC程序自動(dòng)控制上料輸送段的電機(jī)加速，提高輸送速度；當(dāng)檢測(cè)到某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)過載等故障時(shí)，PLC立即發(fā)出停機(jī)信號(hào)，并通過指示燈顯示故障類型。

九、安裝與調(diào)試（一）安裝步驟1.首先安裝包裝線的基礎(chǔ)框架，確?？蚣艿乃蕉群痛怪倍确弦?，各支撐腳牢固地固定在地面上。2.按照設(shè)計(jì)要求依次安裝上料輸送段、裝箱段、封箱段、貼標(biāo)段等設(shè)備，各設(shè)備之間通過螺栓或焊接等方式進(jìn)行連接，保證連接緊密、牢固。3.安裝驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)部件等，如電機(jī)、減速器、鏈條、皮帶等，確保各傳動(dòng)部件的安裝位置準(zhǔn)確，傳動(dòng)靈活。4.連接電氣線路，按照電氣原理圖進(jìn)行布線，確保線路連接正確、牢固，同時(shí)做好接地保護(hù)措施。5.安裝控制系統(tǒng)，將PLC及相關(guān)傳感器、執(zhí)行元件等安裝到合適位置，并進(jìn)行線路連接和程序調(diào)試。

（二）調(diào)試過程1.空載調(diào)試：在設(shè)備安裝完成后，首先進(jìn)行空載調(diào)試。啟動(dòng)各段設(shè)備，檢查設(shè)備的運(yùn)行方向是否正確，各部件的運(yùn)轉(zhuǎn)是否平穩(wěn)，有無異常聲響和振動(dòng)。調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，使其符合設(shè)計(jì)要求。2.負(fù)載調(diào)試：在空載調(diào)試正常后，進(jìn)行負(fù)載調(diào)試。將產(chǎn)品放置在上料輸送段，按照包裝工藝要求逐步進(jìn)行裝箱、封箱、貼標(biāo)等操作。檢查各設(shè)備在負(fù)載情況下的運(yùn)行情況，如鏈條的拉力是否在允許范圍內(nèi)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是否順暢，封箱和貼標(biāo)是否準(zhǔn)確等。根據(jù)調(diào)試情況，對(duì)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整和優(yōu)化，如調(diào)整推板的位置、膠帶的張力等，直至包裝線能夠穩(wěn)定、高效地運(yùn)行，滿足設(shè)計(jì)產(chǎn)量要求。

十、結(jié)論通過本次課程設(shè)計(jì)，成功完成了一條產(chǎn)品包裝線的設(shè)計(jì)。該包裝線滿足了給定的包裝對(duì)象、產(chǎn)量和包裝工藝要求，通過合理的總體設(shè)計(jì)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)、主要零部件設(shè)計(jì)、動(dòng)力計(jì)算、潤(rùn)滑與密封以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品從輸送到包裝的自動(dòng)化流程。在安裝與調(diào)試過程中，經(jīng)過空載調(diào)試和負(fù)載調(diào)試，包裝線能夠穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)性能指標(biāo)