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分 類 號 TH457 密 級 公開 寧 寧波大紅鷹學院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 電池包裝送料機構設計 所 在 學 院 機 械 與 電 氣 工 程 學 院 專 業(yè) 機 械 設 計 制 造 及 其 自 動 化 班 級 姓 名 學 號 指 導 老 師 2013 年 3 月 31 日 誠 信 承 諾 我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《電池包裝送料機構設計》 均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料， 均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。 承諾人（簽名）： 年 月 日 I 摘 要 電池是一種能產生電能的小型裝置，是現代生活中重要的能源。電池作為一種商 品，在流通過程中需要進行包裝，應用自動化的電池包裝機能有效提高電池包裝效率， 降低生產成本，本文針對五號電池的自動化包裝，設計了本電池包裝機送料機構。 本文首先進行總體的設計方案，擬定螺旋傳動副為電池送料方案，對方案進行特 點分析，然后針對關鍵傳動件設計，選擇電動機，對重要零件進行強度校核，對軸和 軸承的壽命進行計算校核，最后對重要零部件進行結構設計，包括材料的選擇、尺寸 的確定、結構工藝性的滿足、以及與其他零件的配合的要求等。 關鍵詞：電池，包裝，推桿，螺旋傳動 II Abstract Cell is a small device that can generate electricity, is one of the most important energy in modern life. Battery as a commodity, in the circulation process needs packaging, packaging cell function application automation improve battery packing efficiency, reduce the production cost, this paper packaging automation for the number five batteries, design of the feeding mechanism of the battery packaging machine. Firstly, the overall design scheme, make the spiral transmission pair for the battery feeding scheme, characteristics analysis of the scheme, then the motor selection for key transmission parts, design, strength check of important parts, the life of the shaft and bearings are calculated, the important parts of the structure design, including material selection determine the size, structure, process, and meet the demand for cooperating with other parts etc.. Key Words: Battery, packaging, push rod, screw drive III 目 錄 摘 要 ....................................................................I ABSTRACT .................................................................II 目 錄 ..................................................................III 第 1 章 緒論 ...............................................................1 1.1 常見電池型號及尺寸 ...................................................1 1.2 機構 .................................................................2 1.3 包裝機的作用 .........................................................2 1.4 中國包裝機械的發(fā)展 ...................................................3 1.5 本課題研究目的和要求 .................................................4 第 2 章 整體方案設計 .......................................................5 2.1 設計參數與技術要求 ...................................................5 2.2 電池包裝機的傳動原理 ................................................5 第 3 章 傳動設計與計算 .....................................................7 3.1 電動推桿設計計算 .....................................................7 3.1.1 伺服電機的選擇 ..................................................7 3.1.2 滑動螺旋副的計算 ...............................................11 3.1.3 聯(lián)軸器的選用 ...................................................13 3.2 膠輥設計 ............................................................15 3.2.1 微型電機選擇 ....................................................15 3.2.2 微型皮帶輪傳動設計 ..............................................15 3.3 電磁閥的選擇 ........................................................17 3.4 步進電機選擇及傳送帶設計 ...........................................18 3.4.1 步進電機的選擇 .................................................18 3.4.2 輸送帶的選擇 ...................................................20 第 4 章 主要零部件結構設計 ................................................21 IV 4.1 機架設計 ............................................................21 4.1.1 機架設計準則 ....................................................21 4.1.2 機座主體設計 ...................................................22 4.2 包裝袋托架設計 .....................................................22 4.3 集料槽設計 .........................................................23 4.4 軸承選擇與校核 ......................................................24 4.4.1 軸承校核的概念及方法 ...........................................24 4.4.2 電動推桿處軸承校核 ..............................................25 第 5 章 安裝檢驗及使用維修 ................................................26 5.1 檢驗規(guī)則 ............................................................26 5.2 包裝機安裝 .........................................................26 5.3 設備調整 ...........................................................26 5.4 使用操作 ............................................................26 5.5 維修保養(yǎng)和故障排除 ..................................................26 總結 .....................................................................27 參考文獻 .................................................................28 致 謝 ....................................................................29 電池包裝機送料機構設計 1 第 1 章 緒論 1.1 常見電池型號及尺寸 在電池體上看到的 AAA、AA、C、D、N、F、SC 等標識都是美國型號標識，在 我國除了幾種按號稱呼之外，其它還是采用美國的命名方式。此外，針對二次鋰電池 的型號表示方法是采用五位數(圓柱型)或六位數(方型)，如 14500、103450... （一）常見電池型號、尺寸對照表 編號 美國型號 中國俗稱 尺寸（平頭） 1 AAAA AAAA 直徑 8.1±0.2mm,高度 41.5±0.5mm 2 AAA 7 號 直徑 10.1±0.2mm,高度 43.6±0.5mm 3 AA 5 號 直徑 14.1±0.2mm,高度 48.0±0.5mm 4 A A 直徑 16.8±0.2mm,高度 49.0±0.5mm 5 SC SC 直徑 22.1±0.2mm,高度 42.0±0.5mm 6 C 2 號 直徑 25.3±0.2mm,高度 49.5±0.5mm 7 D 1 號 直徑 32.3±0.2mm,高度 59.0±0.5mm 8 N N 直徑 11.7±0.2mm,高度 28.5±0.5mm 9 F F 直徑 32.3±0.2mm,高度 89.0±0.5mm 平頭，指的是電池正極是平的，沒有突起，使用做電池組點焊使用的電池芯，一般同 等型號尖頭的（可以用作單體電池供電的） ，在高度上就多了 0.5mm。以此類推，我不 逐一解釋。還有，電池很多的時候并不是規(guī)規(guī)矩矩的＂ AAA，AA，A，SC，C， D，N，F ＂這些主型號，前面還時常有分數＂ 1/3，2/3，1/2，2/3，4/5，5/4，7/5＂，這些分數表示的是池體相應的高度，例如＂ 2/3AA＂就是表示高是一般 AA 電池的 2/3 的充電電池；再如＂4/5A＂就是表示高是一 般 A 電池的 4/5 的充電電池。 （二）鋰離子電池芯型號、尺寸 (1) 圓柱型鋰離子電池芯：通常用五位數字表示，前兩位數字是指池體直徑，后三位數 字是指池體高，例如 14500 就是指 AA 電池，即大約直徑 14mm，高 50mm。常見的型 號：14500，14650, 17490，18500, 18650，26500。 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文） 2 常見比克、三洋圓柱電芯規(guī)格型號： 比克 18650 2200mAh 3.7V ，比克 18650 2600mAh 3.7V ，比克 18650 2000mAh 3.6V 三元長壽命 三洋 18650 2100mAh 3.7V ，三洋 18650 2500mAh 3.7V ，三洋 18650 1500 mAh 3.7V18650 (2) 方型鋰離子電池芯：通常用六位數字表示，分別表示電池的厚度、寬度和高度，單 位毫米，例如 103450 即 10(厚度) ×34( 寬度) ×50( 高度)mm。若厚度數值大于寬度數值， 則厚度要*0.1，例如 433861 即 4.3（43*0.1）×38×61mm。 常見比克、三洋方型電芯規(guī)格型號： 比克 523450A 1000mAh 3.7V ，比克 063450A 1200mAh 3.7V ，比克 633770A 2020mAh 3.7V 三洋 UF103450P 1880mAh 3.7V ，三洋 UF653450R 1100mAh 3.7V 1.2 機構 由兩個或兩個以上構件通過活動聯(lián)接形成的構件系統(tǒng)。按組成的各構件間相對運動的 不同，機構可分為平面機構（如平面連桿機構、圓柱齒輪機構等）和空間機構（如空 間連桿機構、蝸輪蝸桿機構等） ；按運動副類別可分為低副機構（如連桿機構等）和高 副機構（如凸輪機構等） ；按結構特征可分為連桿機構、齒輪機構、斜面機構、棘輪機 構等；按所轉換的運動或力的特征可分為勻速和非勻速轉動機構、直線運動機構、換 向機構、間歇運動機構等 ；按功用可分為安全保險機構、聯(lián)鎖機構、擒縱機構等。 1.3 包裝機的作用 包裝是產品進入流通領域的必要條件，而實現包裝的主要手段是使用包裝機械。 隨著時代的發(fā)展，技術的進步，包裝機械在包裝領域中正起著越來越大的作用，其主 要作用有以下幾點： (1) 可大大提高勞動生產率。滑臺式吸塑封口機機械包裝比手工包裝快得多，如糖 果包裝，手工包糖 1 分鐘只能包十幾塊，而糖果包裝機每分鐘可達數百塊甚至上千塊， 提高效率數十倍。 (2) 能有效地保證包裝質量。機械包裝可根據包裝物品的要求，按照需要的形態(tài)、 大小，得到規(guī)格一致的包裝物，而手工包裝是無法保證的。這對出口商品尤為重要， 電池包裝機送料機構設計 3 只有機械包裝，才能達到包裝規(guī)格化、標準化，符合集合包裝的要求。 (3) 能實現手工包裝無法實現的操作有些包裝操作。如真空包裝、充氣包裝、貼體 包裝、等壓灌裝等，都是手工包裝無法實現的，只能用機械包裝實現。 (4) 可降低勞動強度，改善勞動條件手工包裝的勞動強度很大。如用手工包裝體積 大、重量重的產品，既耗體力，又不安全；而對輕小產品，由于頻率較高，動作單調， 易使工人得職業(yè)病。 (5) 有利于工人的勞動保護。對于某些嚴重影響身體健康的產品，如粉塵嚴重、有毒 的產品有刺激性、放射性的產品，用手工包裝難免危害健康，而機械包裝則可避免， 且能有效地保護環(huán)境不被污染。 (6) 可降低包裝成本，節(jié)省貯運費用對松散產品。如棉花、煙葉、絲、麻等，采用 壓縮包裝機壓縮打包，可大大縮小體積，從而降低包裝成本。同時由于體積大為縮小， 節(jié)省倉容，減少保管費用，有利于運輸。 (7) 能可靠地保證產品衛(wèi)生某些產品。如食品、藥品的包裝，根據衛(wèi)生法是不允許 用手工包裝的，因為會污染產品，而機械包裝避免了人手直接接觸食品、藥品，保證 了衛(wèi)生質量。 (8) 可促進相關工業(yè)的發(fā)展。包裝機械是一門綜合性科學，它涉及到材料、工藝、設 備、電子、電器、自動控制等多種學科，要求各相關學科同步、協(xié)調地發(fā)展，任何學 科的問題都將影響包裝機械的整體性能。 1.4 中國包裝機械的發(fā)展 中國包裝機械起步較晚，起于上個世紀 70 年代，北京市商業(yè)機械研究所在研究了日本 的包裝機械后，完成制造了中國第一臺包裝機，經過 20 多年的發(fā)展，中國包裝機械已 成為機械工業(yè)中十大行業(yè)之一，為中國包裝工業(yè)快速發(fā)展提供了有力的保障，有些包 裝機械填補了國內空白，已能基本滿足國內市場的需求，部分產品還有出口。但在目 前，中國包裝機械出口額還不足總產值的 5%，進口額卻與總產值大抵相當，與發(fā)達國 家相去甚遠。在行業(yè)快速發(fā)展的同時也存在一系列的問題，現階段中國包裝機械行業(yè) 水平還不夠高。包裝機械市場日趨壟斷化，除了瓦楞紙箱包裝機械和一些小型包裝機 有一定規(guī)模和優(yōu)勢外，其它包裝機械幾乎不成體系和規(guī)模，特別是市場上需求量大的 一些成套包裝生產線，如液體灌裝生產線、飲料包裝容器成套設備、無菌包裝生產線 等，在世界包裝機械市場中均被幾家大包裝機械企業(yè)集團所壟斷，面對國外品牌強勁 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文） 4 沖擊國內企業(yè)應該采取積極對策。從現階段情況看，全球的包裝機械需求以每年 5.3% 的速度增長。美國擁有最大的包裝設備生產商，其次是日本，其他主要生產商還包括 德國、意大利和中國。但未來包裝設備生產增長最快的是在發(fā)展中的國家和地區(qū)。發(fā) 達國家將從刺激國內需求中獲利，并在發(fā)展中國家尋找當地合適的生產廠家，特別是 在食品加工廠進行投資，提供包裝機械設備。而中國自加入世貿組織以來取得了長足 的進步，中國的包裝機械水平提升非?？欤c世界的先進水平差距逐漸縮小。隨著中 國的日益開放，中國的包裝機械也將進一步打開國際市場。 1.5 本課題研究目的和要求 通過對電池包裝送料裝置機構的設計，進一步鞏固與深化學生對理論課程及實踐性教 學環(huán)節(jié)中所學知識的理解，培養(yǎng)學生綜合運用所學基礎知識、基本理論和基本技能來 分析和解決相關專業(yè)問題，以及收集、整理、分析、利用資料的能力，使學生受到工 程師工作能力的綜合訓練，提高學生的獨立工作能力與綜合素質。 電池包裝機送料機構設計 5 第 2 章 整體方案設計 2.1 設計參數與技術要求 包裝規(guī)格為 5 號電池， 電池包裝的基本要求：2 節(jié)電池為一袋，一分鐘包裝 120 袋。 2.2 電池包裝機的傳動原理 圖 2-1 電池包裝機整體方案 五號電池包裝機的總體傳動方案如上圖 2-1 所示，它由 1 個電池集料槽、4 個電池 通道、4 個推桿、1 個真空吸盤、1 把切斷刀、膠輥、包裝袋托架等組成。 集料槽下端出口處傾斜能夠使電池自動滑入軌道，由集料槽出來的電池進入一號通道， 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文） 6 通道的寬度剛好能容納兩節(jié)縱向放置電池，由伺服電動機正轉帶動絲杠正轉，從而帶 動一號通道的推桿（即絲杠螺母）沿著一號通道向前移動，將電池推到二號通道指定 的位置后，電動機反轉使推桿回到原位。此時的電池已經進入二號通道，二號通道的 電動推桿將橫放的電池推入到由吸盤吸起的包裝袋內（吸盤由電磁閥通電控制工作， 上吸盤和切斷刀連接在另一電磁閥推桿上，上吸盤及切斷刀能隨電磁閥推桿上下運動， 推桿向下運動時帶著切刀將包裝袋切斷，推桿向上運動時吸盤提起包裝袋向上提升 2 厘米），第三通道的推桿將縱向的含在包裝袋里的電池推入到四號通道，最后由第四 號通道的推桿將電池推送到傳送帶，傳送帶由一步電動機控制，傳送帶上有等間距的 小格，每一小格能容納兩節(jié)五號電池，每次工作時格子底部與電池底部在同一水平面， 電池經傳送帶送入高溫箱，出來冷卻即達到包裝效果。 每次包裝袋切斷后由電動機帶動膠輥將放在托架上的包裝袋輸送到吸盤處。 對于本五號電池傳動方案：結構簡單，制造調試方便，由于采用了四個伺服電動 機及兩個電磁閥，因此要對協(xié)調控制要求較高。 電池包裝機送料機構設計 7 第 3 章 傳動設計與計算 3.1 電動推桿設計計算 電動推桿如下圖 3-1 所示，由伺服電機帶動絲杠轉動，絲杠轉動使通道中的滑塊 做直線移動。 圖 3-1 電動推桿傳動方案 3.1.1 伺服電機的選擇 1）機電領域中伺服電機的選擇原則 現代機電行業(yè)中經常會碰到一些復雜的運動，這對電機的動力荷載有很大影響。伺 服驅動裝置是許多機電系統(tǒng)的核心，因此，伺服電機的選擇就變得尤為重要。首先要 選出滿足給定負載要求的電動機，然后再從中按價格、重量、體積等技術經濟指標選 擇最適合的電機。 （1）傳統(tǒng)的選擇方法 這里只考慮電機的動力問題，對于直線運動用速度 v(t)，加速度 a(t)和所需外力 F(t)表 示，對于旋轉運動用角速度 (t)，角加速度 (t)和所需扭矩 T(t)表示，它們均可以表示?? 為時間的函數，與其他因素無關。很顯然，電機的最大功率 P 電機，最大應大于工作 負載所需的峰值功率 P 峰值，但僅僅如此是不夠的，物理意義上的功率包含扭矩和速 度兩部分，但在實際的傳動機構中它們是受限制的。用 峰值，T 峰值表示最大值或? 者峰值。電機的最大速度決定了減速器減速比的上限，n 上限= 峰值，最大/ 峰值，? 同樣，電機的最大扭矩決定了減速比的下限，n 下限=T 峰值/T 電機，最大，如果 n 下 限大于 n 上限，選擇的電機是不合適的。反之，則可以通過對每種電機的廣泛類比來 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文） 8 確定上下限之間可行的傳動比范圍。只用峰值功率作為選擇電機的原則是不充分的， 而且傳動比的準確計算非常繁瑣。 （2）新的選擇方法 一種新的選擇原則是將電機特性與負載特性分離開，并用圖解的形式表示，這種表 示方法使得驅動裝置的可行性檢查和不同系統(tǒng)間的比較更方便，另外，還提供了傳動 比的一個可能范圍。這種方法的優(yōu)點：適用于各種負載情況；將負載和電機的特性分 離開；有關動力的各個參數均可用圖解的形式表示并且適用于各種電機。因此，不再 需要用大量的類比來檢查電機是否能夠驅動某個特定的負載。 在電機和負載之間的傳動比會改變電機提供的動力荷載參數。比如，一個大的傳動 比會減小外部扭矩對電機運轉的影響，而且，為輸出同樣的運動，電機就得以較高的 速度旋轉，產生較大的加速度，因此電機需要較大的慣量扭矩。選擇一個合適的傳動 比就能平衡這相反的兩個方面。通常，應用有如下兩種方法可以找到這個傳動比 n，它 會把電機與工作任務很好地協(xié)調起來。一是，從電機得到的最大速度小于電機自身的 最大速度 電機，最大；二是，電機任意時刻的標準扭矩小于電機額定扭矩 M 額定。? 2）選擇伺服電機 （1）推桿移動速度 SVt? S——推桿移動距離 其中第一通道推桿移動距離 =85.5mm，第二通道推桿移動距離 =90.75mm，第1 2S 三通道推桿移動距離 =117mm，第四通道推桿移動距離 =143.25mm。3S 4 t——時間，包裝頻率為每分鐘 120 個，則每包裝一個的時間為 0.5 秒，則推桿推動運 動過程所用時間不超過 0.5 秒，現令推桿推動時間為 0.2 秒，退回時間為 0.2 秒，停頓 0.1 秒，所以 m/min10.8562.5SVt??? m/min2.97. m/min30.1635.1?? 電池包裝機送料機構設計 9 m/min40.132564.975V??? （2）絲杠導程的確定 載荷的重量： =mg NW59.84?? 絲杠的最大負荷 ， 為慣性力，由上面的運動節(jié)拍分析該F0max??慣 慣 運動時間為 0.2s、伸縮行程的要求按最大第四通道計算， =143.25mm。電機啟4S 動時間 0.1s，加速度 a= =tV? 3214.250/.716/ms??? = = =35.8N慣Fma7.6 查《機械設計課程設計手冊》表 1-10 常用材料摩擦系數 取 0.2。則0? =45.6Nmax35.8490.2??? 為使設計更可靠令當量載荷 = ,假設絲杠副最大相對轉速為mFax45.6N? =4500r/min。查表 11-1-25 精度推薦表，確定機械手使用的精度為 5 級。初maxn 算導程： = =9.55mmmax/nVPh?314.25016/in/mir?? 根據《機械設計手冊—機械傳動》表 11-1-15 查得 應該大于或等于 9.55mmhP 取 10mm。 （3）電機的最高轉速 電機選擇首先依據推桿快速行程速度。快速行程的電機轉速應嚴格控制在電機的 額定轉速之內。 3maxmax10hVunnP??? 式中， 為電機的額定轉速（rpm） ；n 為移動時電機的轉速（ rpm） ； 為直線運maxn maxV 行速度（m/min） ；u 為系統(tǒng)傳動比，u=n 電機/n 絲杠=1； 絲杠導程（mm） ，hP 。10hP? 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文） 10 所以 3125.610256/minnr???327.7/i335.1051/innr???342.974297./mi 所以，電機最高轉速選為 4500r/min.選用臺達伺服電機 ECMA-C30602ES。 4)根據負載轉矩選擇伺服電機 根據伺服電機的工作曲線，負載轉矩應滿足：當設備作空載運行時，在整個速度范 圍內，加在伺服電機軸上的負載轉矩應在電機的連續(xù)額定轉矩范圍內，即在工作曲線 的連續(xù)工作區(qū)；最大負載轉矩，加載周期及過載時間應在特性曲線的允許范圍內。加 在電機軸上的負載轉矩可以折算出加到電機軸上的負載轉矩。 CLTF?????2 式中， 為折算到電機軸上的負載轉矩（N.m） ；F 為軸向移動滑塊時所需的力LT （N） ；L 為電機每轉的機械位移量（m）L=0.012m； 為絲杠軸承等摩擦轉矩折算到C 電機軸上的負載轉矩（N.m） ， N.m； 為驅動系統(tǒng)的效率。0.1CT??WF0max??慣 由上可知 =45.6Nmax35.849.2F?? 計算轉矩時下列幾點應特別注意。 （a）由于鑲條產生的摩擦轉矩必須充分地考慮。通常，僅僅從滑塊的重量和摩擦 系數來計算的轉矩很小的。請?zhí)貏e注意由于鑲條加緊以及滑塊表面的精度誤差所產生 的力矩。 （b）由于軸承，螺母的預加載，以及絲杠的預緊力滾珠接觸面的摩擦等所產生的 轉矩均不能忽略。尤其是小型輕重量的設備。這樣的轉矩回應影響整個轉矩。所以要 特別注意。 電池包裝機送料機構設計 11 （c）切削力的反作用力會使工作臺的摩擦增加，以此承受切削反作用力的點與承 受驅動力的點通常是分離的。如圖所示，在承受大的切削反作用力的瞬間，滑塊表面 的負載也增加。當計算切削期間的轉矩時，由于這一載荷而引起的摩擦轉矩的增加應 給予考慮。 （d）摩擦轉矩受進給速率的影響很大，必須研究測量因速度工作臺支撐物(滑塊， 滾珠，壓力)，滑塊表面材料及潤滑條件的改變而引起的摩擦的變化。已得出正確的數 值。 （e）通常，即使在同一臺的機械上，隨調整條件，周圍溫度，或潤滑條件等因素 而變化。當計算負載轉矩時，請盡量借助測量同種機械上而積累的參數，來得到正確 的數據。 所以 45.6012.238LCFT??????? =0.12N.m 所以，臺達伺服電機 ECMA-C30602ES，額定轉矩 0.6n.m，轉速為 4500r/min， 3.1.2 滑動螺旋副的計算 1）螺旋傳動的材料 絲杠螺桿要有足夠的強度，較高的耐磨性和良好的工藝性，一般采用 45 或 50 剛， 較重要的螺桿可采用 40Cr 等合金鋼，本絲杠采用 45 鋼。 推桿（螺母）應該具有較低的摩擦系數和較高的耐磨性，一般可選用鑄造青銅，如 ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5 及 ZCuAl10Fe3，要求較低時可采用耐磨鑄鐵，本推桿要 求不高，采用球墨鑄鐵 QT400-17。 2）耐磨性的計算 設螺母高為 H，螺距為 P，螺紋中徑為 ，螺紋工作高度為 h，則螺紋承載圈數2d Z=H/P， 螺旋總軸向載荷為 ，每一圈螺紋承受的軸向載荷為 ,其成載面積 。QFzFQ/ 2Adh?? 因此。螺紋工作面上的壓強為 ,己耐磨性條件為：cp 2 []Qc cPpZAdhH??? 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文） 12 表 3-1 滑動螺旋副材料的許用壓強[ ]cp 螺桿材料 螺母材料 滑動速度（m/s） 許用壓強 鋼 青銅 18～25 鋼 鋼 低速 7.5～13 鋼 鑄鐵 ＜0.04 13～18 鋼 青銅 ＜0.05 11～18 鋼 鑄鐵 4～7 鋼 耐磨鑄鐵 6～8 鋼 青銅 0.1～0.2 7～10 設 ，則 ，代入上式并整理后可得：2/dH??2d?? 2[]QcFPhp?? 對于梯形螺紋，h=0.5P，由上表 3-1，選取[ ]=6Mpa 則cp 2 45.60.650.3.27[]Qcdp????? 考慮到螺旋導程不能太小,取導程 P=10mm，選取螺桿中徑 ，外徑為21dm 16mm 3）螺母螺紋牙的強度校核 在軸向載荷 的作用下，螺紋牙可能在根部發(fā)生剪斷或彎斷，由于推桿為鑄鐵，QF 螺牙的強度低于螺桿，故只需要校核推桿（螺母）螺紋牙的強度。 許用應力材料 [σ] [ ]b?[ ]? 螺桿 鋼 3~5s? 青銅 40～60 30～40 耐磨鑄鐵 50～60 40 螺母 鑄鐵 45～55 40 電池包裝機送料機構設計 13 鋼 0.6[σ] 注： 1、 為材料屈服極限；s? 2、載荷穩(wěn)定時，許用應力取大值。 將一圈螺母的螺紋沿根部大徑 D 處展開，并將談看作寬度為 的懸臂梁，在 h/2D? 處作用載荷 ，則螺紋牙危險平剖面 a－a 的剪切強度條件為zFQ/ ??45.60.8531QFMpabz? ?????? 符合強度要求。 螺紋牙危險剖面ａ－ａ的彎曲強度條件為 222345.610.56[]386QQb bFhMz paDWbz? ???????? 符合強度要求。 4）螺桿的強度校核 螺桿工作地承受軸向壓力（或拉力） ，又受螺紋力矩 T 的扭轉作用。螺桿QF 危險剖面上既有壓縮（或拉伸）應力，又有扭轉剪應力。因此，螺桿剖面上是正應力 和剪應力的復合應力狀態(tài)。按第四強度理論，其危險截面的強度條件為 ??222 32113230.445.6().1.3QeFTd?????????????????????? 強度符合要求。 3.1.3 聯(lián)軸器的選用 電機功率較小，螺桿驅動裝置采用聯(lián)軸器聯(lián)接電機。 聯(lián)軸器是機械傳動中常用的部件。它用來把兩軸聯(lián)接在一起，機器運轉時兩軸不 能分離：只有在機器停車并將聯(lián)接拆開后，兩軸才能分離。 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文） 14 聯(lián)軸器所聯(lián)接的兩軸，由于制造及安裝誤差、承載后的變形以及溫度變化的影響 等，往往不能保證嚴格的對中，而是存在著某種程度的相對位移。這就要求設計聯(lián)軸 器時，要從結構上采取各種不同的措施，使之具有適應一定范圍的相對位移的性能。 根據對各種相對位移有無補償能力（即能否在發(fā)生相對位移條件下保持聯(lián)接的功 能） ，聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器（無補償能力）和撓性聯(lián)軸器（有補償能力）兩大類。 撓性聯(lián)軸器又可按是否具有彈性元件分為無彈性元件的撓性聯(lián)軸器和有彈性元件的撓 性聯(lián)軸器兩個類別。 十字滑塊聯(lián)軸器又稱滑塊聯(lián)軸器，由兩個在端面上開有凹槽的半聯(lián)軸器和一個兩 面帶有凸牙的中間盤組成。因凸牙可在凹槽中滑動，故可補償安裝及運轉時兩軸間的 相對位移。這種聯(lián)軸器零件的材料可用 45 鋼，工作表面需要進行熱處理，以提高其硬 度；要求較低時也可用 Q275 鋼，不進行熱處理。為了減少摩擦及磨損，使用時應從中 間盤的油孔中注油進行潤滑。 因為半聯(lián)軸器與中間盤組成移動副，不能發(fā)生相對轉動，故主動軸與從動軸的角 速度應相等。但在兩軸間有相對位移的情況下工作時，中間盤就會產生很大的離心力， 從而增大動載荷及磨損。因此選用時應注意其工作轉速不得大于規(guī)定值。 彈性柱銷聯(lián)軸器能傳遞轉矩的能力很大，結構更為簡單，安裝、制造方便，耐久 性好，也有一定的緩沖和吸振能力，允許被聯(lián)接兩軸有一定的軸向位移以及少量的徑 向位移和角位移，適用于軸向竄動較大、正反轉變化較多和起動頻繁的場合。 本次設計中，由凌斯聯(lián)軸器公司樣本資料，查得電動機與減速器軸之間聯(lián)接選用 十字滑塊聯(lián)軸器 LS3-C25。 型號 額定轉矩(n.m) 最高轉速(rpm) 徑向偏差 mm LS3-C25 3.0 5800 1.9 電池包裝機送料機構設計 15 3.2 膠輥設計 圖 3-2 膠輥傳動圖 3.2.1 微型電機選擇 微型電動機體積、容量較小，輸 出功率一般在數百瓦以下的電機和用途、性能及 環(huán)境條件要求特殊的電機。全稱微型特種電機，簡稱微電機。常用于傳動機械負載， 也可作為設備的交、直流電源。微電機門類繁多，大體可分為直流電動機、交流電動 機、自態(tài)角電動機、步進電動機、旋轉變壓器、軸角編碼器、交直流兩用電動機、測 速發(fā)電機、感應同步器、直線電機、壓電電動機、電機機組、其他特種電機等 13 大類。 由于膠輥所傳動力很小，選擇電機時參照同類產品（如打印機）進行選擇，選擇 20BYG28-4 型步進電機 型 號 相數 電壓 電流 電阻 電感 轉 矩 重量 接線 圖 機身 長度 序 號 規(guī) 格 V A Ω mH g.cm kg mm 20BY G38-4 2 10 0.6 10 5.5 400 0.08 B 38 3.2.2 微型皮帶輪傳動設計 電機與輥輪之間以皮帶輪傳動， 1）與傳動比 i 已知大帶輪轉速 n2＝400r/m，帶傳動的傳動比一般為 i ≤ 7，推薦值為 i＝2～5。 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文） 16 故令 i＝2.5，則小帶輪轉速 n1＝1000 r/m。 2）功率與皮帶的帶型 （1）單根 V 帶的額定功率 pr r0P()LK???? P0 為基本額定功率； △ 為單根 V 帶額定功率增量； 為包角修正系數；K L 為o ? 帶長修正系數；查文獻[5]表 8-4a、表 8-4b、表 8-5、表 8-2 得 ＝0.006kw，△oP P＝0.002kw， ＝0.97，K L＝1.0。? ＝0.008×0.97×1.0＝0.0776kwr （2）計算功率 是根據傳遞功率 P 和帶的工作條件參數 KA 而定的，即?????? AcaP? 由文獻[5]表 8-7 查得 KA＝1.1，P ＝0.006kw；所以 KW 進而文獻[5]圖 8-11 選擇 A 型。1.06.AcaPK?? 3）選擇帶輪基準直徑 與帶速控制d （1）小帶輪基準直徑 ；參考文獻[5]表 8-6 和表 8-8 可確定小帶輪基準直徑1 ＝10mm。d （2）小帶輪線速度 即,13.40.52/6061dnv ms???? =0.52m/s。 1 （3）大帶輪基準直徑 ＝i ＝2.5×10＝25mm。2d1 3）中心距 a 及帶的基準長度 ???? （1）中心距的大小要根據實際應用時結構的尺寸、傳動平衡性以及使用壽命等要 求適當選擇。一般初選帶傳動中心距 為oa 120120.7()()dda??? 即 ＝24.5～70mm。初選 ＝40mm。a0 （2）相應帶長 doL210120()()36.54ddL ma????? 電池包裝機送料機構設計 17 取基準長度 180dLm? 按〔1〕式 8-23，計算實際中心距 001836.541.8222da m?????? 變動范圍 min.9.daL? x7 4） 驗算小帶輪的包角 2157.3180()6.049da???????? 5）計算帶的根數 （1）計算單根 rP ＝0.008×0.97×1.0＝0.0776kwr （2） V 帶根數 根 取 Z＝1r0.caZ? 3.3 電磁閥的選擇 （1）電磁閥的選型常識 1）可靠性 ●電磁閥分為常閉和常開二種；一般選用常閉型，通電打開，斷電關閉；但在開啟時 間很長關閉時要選用常開型了。 ●壽命試驗，工廠一般屬于型式試驗項目，確切地說人國還沒有電磁閥的專業(yè)標準， 因此選用電磁閥廠家時慎重。 ●動作時間很短頻率較高時一般選取直動式，大口徑選用快速系列。 2）安全性 ●一般電磁閥不防水，在條件不允許時請選用防水型，工廠可以定做。 ●有腐蝕性液體的應選用全不銹鋼型，強腐蝕性流體宜選用塑料王（SLF）電磁閥。 ●爆炸性環(huán)境必須選用相應的防爆產品。 3）經濟性 ●有很多電磁閥可經通用，但在能滿足以上特點的基礎上應選用最經濟的產品。 （2）電磁閥的結構原理 直動式電磁閥有常閉型和常開型二種。常閉型斷電時呈關閉狀態(tài)，當線圈通電時產 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文） 18 生電磁力，使動鐵芯克服彈簧力同靜鐵芯吸合直接開啟；當線圈斷電時電磁力消失， 動鐵芯在彈簧力的作用下復位，直接關閉。結構簡單，動作可靠，在零壓差和微真空 下正常工作。常開型正好相反。 電磁閥及吸盤結構示意圖如下圖 3-3 所示，電磁閥安裝在支架上，切刀及上吸盤安 裝在電磁閥的軸上。電磁閥向下運動時，先將包裝袋切開，然后由吸盤吸起，電磁閥 向上運動時，吸盤帶起包裝袋上膜，以方便電池被送進包裝袋。 圖 3-3 電磁閥及吸盤 由于切膜所需要的力非常小，根據經驗，切力一般為 F1=3N，吸起膜所需的力可呼略 不計，切刀及吸盤的重量為 0.15KG，重力 W1=0.15 =1.5N。因此，選用推力較小的0? 電磁推桿即可，經過比較，選擇河北秦能科技電磁鐵公司 MT05/25 型電磁閥（電磁推 桿） 。 型號 額定推（吸） 力 Kg 額定行程 mm 上升（吸合） 時間 S ≦ 下降（釋放） 時間 S ≦ 額定電壓 V MT05/25 5 25 0.15 0.15 12V 3.4 步進電機選擇及傳送帶設計 3.4.1 步進電機的選擇 1）機電領域中步進電機的選擇原則 步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。 電池包裝機送料機構設計 19 每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個步距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數成正比 例，相應的轉速取決于輸入脈沖頻率。 步進電機是機電一體化產品中關鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。 步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應用于機電一體 化產品中，如：數控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選 用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉矩，電機的矩頻特性能滿足機械負 載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須 在矩頻特性曲線的范圍內。一般地說最大靜力矩 Mjmax 大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當 量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是 可以通過步進電機的細分驅動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精 度是由電機的固有特性所決定。 選擇功率步進電機時，應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使 之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿 足執(zhí)行件快速移動的需要。 2）選擇步進電機 所需轉速計算 電機選擇首先依據推桿快速行程速度?？焖傩谐痰碾姍C轉速應嚴格控制在電機的 額定轉速之內。 由前述知道，包裝頻率為每分鐘 120 個，由結構設計及傳送帶輪可知，帶輪上每 22 度對應一個包裝隔架，因此，步進電機每分鐘轉 120 22=2640 度，相當于 7.3333? 圈。 126407.3/minnr? 所以，電機最高轉速選為 3600r/min.初步擬定為深圳眾為興技術股份有限公司步進電機 85BYGH830A。 85BYGH830A 技術參數如下： 步距角： o1.8 機身長：78mm 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文） 20 靜力矩：4.5N.m 3.4.2 輸送帶的選擇 輸送帶選擇蘇州機械輔件公司的白色帆布橡膠輸送帶 厚度：4MM 寬度：34MM 長度: 2250mm 電池包裝機送料機構設計 21 第 4 章 主要零部件結構設計 對于本電池包裝機的零部件設計，考慮到這種包裝機產品生產批量小，對于零件 部件等，盡量采用標準件常用件，采用易于應用常規(guī)加工方法加工的結構。 4.1 機架設計 4.1.1 機架設計準則 底座、機架、箱體、基板等零件都屬于機架零件。 機架零件可劃分為四大類：即機座類、機架類、基板類和箱殼類，對機架零件一般可 提出下列要求: (1)工況要求：即任何機架的設計首先必須保證機器的特定工作要求。例如，保證機架 上安裝的零部件能順利運轉，機架的外形或內部結構不致有阻礙運動件通過的突起,設 置執(zhí)行某一工況所必需的平臺；保證上下料的要求、人工操作的方便及安全等。 (2)剛度要求：在必須保證特定的外形條件下，對機架的主要要求是剛度。如果基礎部 件的剛性不足，則在工作的重力、夾緊力、摩擦力、慣性力和工作載荷等的作用下， 就會產生變形，振動或爬行，而影響產品定位精度、加工精度及其它性能。例如機床 的零部件中，床身的剛度則決定了機床的生產率和加工產品的精度。 (3)強度要求：對于一般設備的機架，剛度達到要求，同時也能滿足強度的要求 (4)穩(wěn)定性要求：對于細長的或薄壁的受壓結構及受彎-壓結構存在失穩(wěn)問題，某些板殼 結構也存在失穩(wěn)問題或局部失穩(wěn)問題。失穩(wěn)對結構會產生很大的破壞，設計時必須校 核。 (5)美觀：目前對機器的要求不僅要能完成特定的工作，還要使外形美觀。 (6)其它：如散熱的要求，防腐蝕及特定環(huán)境的要求。 在滿足機架設計準則的前提下，必須根據機架的不同用途和所處環(huán)境，考慮下列各 項要求，并有所偏重。 (1)機架的重量輕，材料選擇合適，成本低。 (2)結構合理，便于制造。 (3)結構應使機架上的零部件安裝、調整、修理和更換都方便。 (4)結構設計合理，工藝性好，還應使機架本身的內應力小，由溫度變化引起的變形應 電池包裝機送料機構設計 22 力小。 (5)抗振性能好。 (6)耐腐蝕，使機架結構在服務期限內盡量少修理。 (7)有導軌的機架要求機架導軌面受力合理，耐磨性良好。 4.1.2 機座主體設計 1）機座的結構及材料 進行機架結構形式的選擇是一個較復雜的過程，對結構形式、構件截面和結點構 造等均需要結合具體的情況進行仔細的分析。對結構方案要進行技術經濟比較。由于 各種設備有不同的規(guī)范和要求，制定統(tǒng)一的機架結構選擇方法較困難。但是，可以利 用結構力學的知識提出下列一般的規(guī)則。這些規(guī)則是為了節(jié)約材料在選擇形式時應遵 守的一般規(guī)律。 （1）結構的內力分布情況要與材料的性能相適應，以便發(fā)揮材料的優(yōu)點。軸力較 彎矩能更充分地利用材料。桿件受軸力作用時，截面上的材料分布是均勻的，所有材 料都能得到充分利用。但在彎矩作用下截面的應力分布是不均勻的，所以材料的應力 分布不夠經濟。 機械結構中許多構件所受的都是沿垂直于桿軸的方向作用的。彎矩沿桿變化很迅 速。有垂直載荷處，彎矩曲線有曲率，且曲率與載荷集度成正比。最大的彎矩限于一 小段內，在較長段內材料不能充分利用，這是彎曲構件不經濟的另一原因。 （2）結構的作用在于把載荷由施力點傳到基礎。載荷傳遞的路程愈短，結構使用 的材料愈省。 （3）結構的連續(xù)性可以降低內力，節(jié)省材料。 因該電池包裝機為尺寸小，結構緊湊，受力不大，精度要求不高，材料上，為減 輕重量，便于安裝，選擇 HT150 鑄件作為基座。 2）機體部分結構尺寸的確定 (1)安裝電動推桿螺栓直徑的確定 ，取 M8。??Dd25.0~18.? (2)安裝伺服電機螺栓直徑的確定，根據伺服電機提供的安裝螺紋孔，取 M5。 (3)安裝托架及膠輥螺釘直徑的確定，取 M4。 (4)安裝槽檔塊螺釘直徑的確定，取為 M5,定位銷取為直徑為 5mm. 3）壁厚，根據安裝要求，取得 14m?? 4.2 包裝袋托架設計 包裝袋托架如下圖 4-1 所示，支架材料為兩塊鈑金件，鈑金件材料為 304 不銹鋼， 電池包裝機送料機構設計 23 壁厚 3mm，中間為輥輪，輥輪是橡膠與 45 鋼套銅過盈配合聯(lián)接在一起，輥輪套在芯 軸上，可以繞心軸轉動，當一卷包裝袋用完了，擰開螺母，取下心軸，又可以換用另 一卷包裝袋上去。 圖 4-1 包裝袋托架 4.3 集料槽設計 集料槽的寬度按尺寸按五號電池的長度設計，設計為 50mm,為了方便電池能順利滾 入電池包裝機通道中，集料槽底部是傾斜的，如圖 4-2 所示。 圖 4-2 集料槽 電池包裝機送料機構設計 24 4.4 軸承選擇與校核 4.4.1 軸承校核的概念及方法 (一) 基本概念 (1)深溝球軸承壽命：軸承中任一元件出現疲勞剝落擴展跡象前運轉的總轉數或一 定轉速下的工作小時數。 批量生產的元件，由于材料的不均勻性，導致軸承的壽命有很大的離散性，最長 和最短的壽命可達幾十倍，必須采用統(tǒng)計的方法進行處理。 (2)基本額定壽命：是指 90％可靠度、常用材料和加工質量、常規(guī)運轉條件下的壽 命，以符號 L10（r ）或 L10h（h）表示。 (3)基本額定動載荷（C）：基本額定壽命為一百萬轉（10 6）時深溝球軸承所能承 受的恒定載荷。即在基本額定動載荷作用下，軸承可以工作 106 轉而不發(fā)生點蝕失效， 其可靠度為 90％。基本額定動載荷大，軸承抗疲勞的承載能力相應較強。 (4)基本額定靜載荷（徑向 C0r，軸向 C0a）：是指軸承最大載荷滾動體與滾道接觸 中心處引起以下接觸應力時所相當的假象徑向載荷或中心軸向靜載荷。 在設計中常用到深溝球軸承的三個基本參數：滿足一定疲勞壽命要求的基本額定 動載荷 Cr（徑向）或 Ca（軸向） ，滿足一定靜強度要求的基本額定靜強度 C0r（徑向） 或 C0a（軸向）和控制軸承磨損的極限轉速 N0。各種軸承性能指標值 C、C0、N0 等。 (二）壽命校核計算公式 深溝球軸承的壽命隨載荷的增大而降低，其曲線方程為 P ε L10=常數 其中 P-當量動載荷，N；L 10-基本額定壽命，常以 106r 為單位（當壽命為一百萬 轉時，L10=1） ；ε-壽命指數，球軸承 ε=3，滾子軸承 ε=10/3。 由手冊查得的基本額定動載荷 C 是以 L10=1、可靠度為 90％為依據的。由此可得 當軸承的當量動載荷為 P 時以轉速為單位的基本額定壽命 L10 為 C ε ×1=Pε ×L10 L10=(C/P) ε 106r 若軸承工作轉速為 n r/min，可求出以小時數為單位的基本額定壽命 應取 L10≥Lh＇。 Lh ＇為軸承的預期使用壽命。通常參照機器大修期限的預期使 電池包裝機送料機構設計 25 用壽命。 （三）當量動載荷 在實際工況中，深溝球軸承常同時受徑向和軸向聯(lián)合載荷，為了計算軸承壽命時 將基本額定動載荷與實際載荷在相同條件下比較，需將實際工作載荷轉化為當量動載 荷。在當量動載荷作用下，軸承的壽命與實際聯(lián)合載荷下軸承的壽命相同。當量動載 荷 P 的計算公式是 P=XFr+YFa 式中 Fr-徑向載荷，N；Fa-軸向載荷，N；X，Y-徑向動載荷系數和軸向動載荷系 數， 4.4.2 電動推桿處軸承校核 選擇軸承 6203，查得軸承性能參數 得, 7.35rCkN?04.5rk? 徑向力 ，10.8rFN?26 軸向力 ， 1a20aFN? 80.245aorC? 查[1]表 15-3，得 Y=2.3，e=0.19 ， 當量載荷 由于 ， ，180.7arFe??20areF? 所以 ，110.56)8.5raPYN?706F?? 軸承壽命的校核