XY-4钻机弹簧式给进装置设计

毕业论文（设计）
题目：XY-4钻机弹簧式给进装置设计
Design Of Spring Moving System By XY-4 drilling machine
2010 年5 月
XY-4钻机弹簧式给进装置设计
摘要
瓶装牛肉酱自动生产线是一类比较传统的生产线，随着国民经济的发展和人民生活的改善，这种自动生产线技术也得到了空前的发展。

近年来，我国的瓶装牛肉酱需求量日趋增大，随着市场竞争的加剧与消费群体的日益成熟，对瓶装牛肉酱的要求也越来越高。

但是我国的瓶装牛肉酱生产工业目前还存在许多不尽如人意的地方。

由于瓶装牛肉酱自动生产线的控制复杂，目前我国大多数瓶装牛肉酱生产企业技术装备落后，自动化程度低，产品质量不稳定。

如何提高瓶装牛肉酱生产的综合自动化水平，增强我国瓶装牛肉酱产业的综合实力和国际竞争力是一个刻不容缓的研究课题。

为此，本文通过对瓶装牛肉酱自动生产线的控制及关键问题的分析，从硬件、软件两个方面对瓶装牛肉酱生产过程中的自动控制系统进行设计。

整个系统分为两个部分。

第一部分为可编程控制器(PLC)控制系统的设计，控制瓶装牛肉酱自动生产线的相关动作，主要完成对现场数字、模拟信号进行采集和处理以及对执行元件进行实时控制的功能。

第二部分为测试系统的设计，通过PLC系统的内部信号对系统进行测试，并将结果显示到文本屏上，方便用户处理各种情况。

关键词：装箱机；瓶装牛肉酱；PLC
Abstract
Automatic production line of bottled sauce beef is one of traditional production line. With the development of civil economy and the improvement of demotic living condition，Bottled sauce beef industry has also been rapidly improved. But still，because of the complex technology of the bottled sauce beef production，there are many drawbacks，Such as behindhand technical equipments，rare application of automation，instable product quality. How to improve the integrated automation level in automatic production line of bottled sauce beef becomes a urgent research project. Thus，this paper designs the automatic production line of bottled sauce beef in hardware and software through analyzing the technology and the analysis of key issues. Two aspects of the bottled sauce beef process in the control system design. Adopting a classification system as a whole structure. The first class for the programmable logic controller(PLC), complete control of the main software interface and control process data monitoring, management and recording functions. PLC main sub-stations between the stations and through network connection, PLC and IPC network connection. The two class for Test System (PLC),system is tested by internal signal of PLC, and result is printed by the signal screen for convenient.
Key words: packing machine ; bottled sauce beef ; PLC
目录
第1章绪论 (1)
1.1 国外包装机械概述 (1)
1.2 我国包装机械业发展的思考和发展战略 ............. 错误！未定义书签。

1.3 我国牛肉酱装箱机的发展历程及发展现状 ......... 错误！未定义书签。

1.4 牛肉酱装箱机发展中面临的问题研究及发展方向评估错误！未定义书签。

1.5 毕业设计题目及基本参数 (2)
第2章总体方案设计 (7)
2.1 总体方案设计 (7)
2.2 执行机构方案设计 (7)
2.2.1 纸箱上料机构设计 ...................................... 错误！未定义书签。

2.2.2 牛肉酱上料机构设计 .................................. 错误！未定义书签。

2.2.3 装箱装置设计 .............................................. 错误！未定义书签。

第3章硬件电路设计 (9)
3.1 齿轮传动设计计算 (9)
3.2 轴的设计计算 (33)
3.3 滚动轴承寿命计算 (37)
3.4 键联接的选择和验算 (37)
第4章软件程序设计 .......................................................... 错误！未定义书签。

4.1 纸箱上料机构方案设计 ......................................... 错误！未定义书签。

4.1.1 凸轮机构设计计算 ...................................... 错误！未定义书签。

4.1.2 气阀结构设计 .............................................. 错误！未定义书签。

4.1.3挡爪机构设计 ............................................ 错误！未定义书签。

4.2 牛肉酱上料机构方案设计 ..................................... 错误！未定义书签。

4.3 纸箱上料机构方案设计 ......................................... 错误！未定义书签。

4.4 循环图设计 ............................................................. 错误！未定义书签。

第5章结论 (40)
参考文献 (42)
致谢 (44)
附录 (45)
第1章绪论
1.1装箱机的定义
装箱机是一种将无包装的产品或者小包装的产品半自动或者自动装入运输包装的一种设备，其工作原理是将产品按一定排列方式和定量装入箱中（瓦楞纸箱、塑料箱、托盘），并把箱的开口部分闭合或封牢。

按照装箱机的要求，它应具有纸箱成形(或打开纸箱)、计量、装箱的功能，有些还配有封口或者捆扎功能。

包装机械是集机、电、光、声、磁、化、生、美为一体的高技术、高智能、高竞争的产品。

发展速度快、更新速度快是它的一大特点。

世界上一切高技术成果，都会在包装机械产品中得到应用。

自动装箱机用于完成运输包装，它将包装成品按一定排列方式和定量装入箱中，并把箱的开口部分闭合或封固。

装盒机是用于产品销售包装的机械，它将经过计量的一份定量物料装入盒中，并把盒的开口部分闭合或封固。

装箱机和装盒机均有容器成形(或打开容器)、计量、装入、封口等功能。

1.2装箱机的工作过程
在自动包装流水线中，装箱机是整线系统运行的核心，包装机械虽不是产品直接生产机械，但它却是实现生产自动化所必需的。

装箱机用于完成运输包装，它将包装成品按一定排列方式和定量装入箱中，并把箱的开口部分闭合或封固。

1.3自动装箱机的工作原理
自动装箱机能自动将包装物整形排列，装入打开的纸箱中，并完成不干胶封口等动作的装箱设备，所有动作都是全自动完成的。

大多数自动装箱机采用新型为组合结构，包括成箱装置、整列装置、充填装置和封箱装置等功能单元，分别完成相应的功能动作，各装置都安装在同一主机架上。

成箱装置的箱坯架在上方，充填装置在成箱装置正下方，整列装置在充填装置的前
方，封箱装置在充填装置的后方。

采用PLC和示屏控制。

设有缺瓶报警停机，无瓶不装箱安全装置。

大大方便操作、管理、减少生产人员和劳动强度，是自动化规模生产必不可少的设备。

1.4装箱机的选择
装箱机的选择一般可从以下方面考虑：
（1）．机械结构：产品的收集、整理、集束排列是装箱机的关键，所以用户在选购前应该注意装箱机的机械结构部分是否能满足用户的生产需要。

另外，根据产品的不同装箱方式，一般有抓、夹、吸、推四种可选择的装箱方式，用户选购前应该根据需要选择最佳的装箱方式。

（2）．自动控制：控制系统是所有功能正常运行的保证，也是对故障和出现意外时的自动保护，所以用户在选择时要详细了解控制系统是如何设置的。

（3）．生产速度：能否达到生产要求。

（4）．内部配置：好的配置才能保证有好的产品，所以用户在选购装箱机时要注意其内部的配置是否选用了品质较好的配件。

1.5我国装箱机市场状况
资料显示，包括装箱机在年内全球的包装机械需求以每年5.3%的速度增长。

全球市场上的包装机械（包括装箱机）大约有三分之一来自德国，销量名列全球第一，其次是美国、日本和意大利。

我国一些跨国公司和外资企业使用的装箱机大部分都是从国外进口。

有关信息显示，到2010年国内食品和包装机械市场总需求量将达到1100亿元，其中装箱机的市场需求量潜力巨大，仅中粮集团的30多条生产线，潜在销售额就达到2000万元左右。

另外，装箱机在金属铁罐生产领域内的应用也具有非常大的市场。

据调查，全国的制罐企业有一千多家，如果每个企业配置1至3台装箱机，那么市场容量为1000~3000台，销售额可达6~18亿元人民币。

由此可见国内装箱机市场前景非常乐观。

我国的装箱机制造业起步较晚，目前国内专业装箱机的生产企业只有十几家。

国产装箱机与世界先进水平还有较大的差距，还不适应国内市场需求和国际市场的竞争环境。

国产设备在自动控制、自动化程度和加工精度等方面还比较落后。

性能不稳定、结构复杂、耗能、维修麻烦、效率低是国产装箱机需要解决的主要问题。

针对上述情况，我国有的啤酒企业的工程技术人员，针对啤酒装箱机性能单一的弊端，设计出了新型直线连续式啤酒装箱机，可以适应各种产量的包装生产线，动力配置只有0.12kw。

简洁的抓瓶头结构，简化的装卸方式，较低的压缩空气噪音和设备重量，以及方便的操作与维修，显著降低了能耗并提高工作效率。

1.6装箱机的技术发展趋势
当前，我国包装机械行业正受到国际金融危机的影响和国际市场竞争的挑战，以价格竞争的销售策略已经不能显现企业的优势。

抓住机遇，调整产品结构，以高科技产品提升企业竞争力是未来我国包装机械行业应对危机和挑战的唯一出路。

面对我国装箱机的市场需求，包装机械企业应重点开发一批具有国际先进水平的全自动、多功能、节能、环保的现代化装箱机，提高国产装箱机的市场竞争力。

专家指出，在开发装箱机产品中一定要充分体现出高效、高精、智能化、标准化、模块化、弹性化且具有多种切换功能、可拆卸以及节能、环保的设计理念。

在引进、消化、吸收的基础上，开发出具有自主知识产权的国产品牌。

1、模块化设计是未来包装机械设计的方向。

模块化设计就是在一定范围内，在对不同功能或相同功能下的不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，换用一个或几个单元，即可应对包装产品的变化，满足不同产品装箱的需求。

另外在设计中还要体现零件的可拆卸性。

良好的可拆卸性可以使装箱机便于维护，所用易损件要便于回收和可再生利用，从而达到方便用户、节省成本和保护环境的目的。

2、均衡寿命设计是近年来提出的科学、环保设计理念。

它要求在设计中尽量使每个零部件具有相同或相似的使用寿命。

就装箱机而言，某种重要组成模块应具有较长的寿命，而易于损坏的模块要易于更换，对于一些关键部件和涉及到安全性的模块在设计时应考虑设计成可维修、便于检测的结构。

3、人机工程设计在现代化的装箱机设计中也具有重要的意义。

人机工程设计的目的是为减少装箱机使用中人的差错，发挥人和机械各自的特点以提高装箱机整体的可靠性。

利用人机工程学原理设计装箱机的人机系统，包括要适于人的使用习惯，便于识别操作，保证安全问题和不易出错的防误操作设计等。

这些都要通过机电一体化控制，利用计算机实现自动操作、自动数据收集、自动检验以及自动诊断来实现。

1.7国外先进装箱机
近年来，国外一些厂商通过对技术的不断改进，使装箱机性能更好地适应了自动化、多功能及高效率的要求。

SWF公司推出的DP320装箱机，具有高速、适应性广、用户界面友好等特点。

该设备的装箱速度达到每分钟25箱，可以连续包装不同规格的玻璃、塑料或金属容器，适用的包装方式与容器尺寸范围很广。

DP320具有一系列的独特性能，包括垂直纸箱输送、PLC控制、安全保护自锁、拥堵自动截至传感器等。

还配有规格更换辅助装置、NEMA 12电控系统，下游还设有一个光电控制器以实现自动启动或停机。

该机器采用纸箱带式输送，配备低压气动装置和塑料带以实现平稳输送。

Douglas设备公司最新推出的Axiom系列新型装箱机通过采用伺服系统间歇运动控制纸箱包装过程，使生产速度提高50%，而运动范围则缩小30%。

Axiom系列采用第三代伺服设计，通过动态增强位置重复精度以及简化失误检测与恢复，使生产效率大幅提升。

该设备的不锈钢网板以及零部件数减少了50%，可有效减少设备维护和配件更换等所需时间。

ABC公司推出的新型装箱机在装箱同时，可以在高速生产线上直接完成纸箱表面印刷。

通过这台设备，客户可以在生产线上直接完成企业商标、产品批号、产品说明等信息的印制。

这种新型设备具有良好的适应性，当装箱完成时，相关的图案、文字就同时出现在纸箱的各个部分，如顶部、侧面、角部或端部。

包装制造商不再需要购买多色印刷头、纸箱旋转与定位设备，这些设备不但价格昂贵而且会影响生产线速度。

该机可实现纸箱双侧打码以及在包装与封箱两端加注运输标志，即采用一个印刷头能够完成纸箱的双侧印刷，或采用两个印刷头完成四面印刷。

如果纸箱干净、平整，可以获得最佳的印刷清晰度。

印刷控制系统可以安装于纸箱控制板旁边，易于纸箱规格更换或印刷数据切换。

它每分钟可以完成35箱的包装。

1.8国内设备的技术创新
近年来，国产装箱机在产品结构升级和技术创新方面也取得了较大的进展。

江西德赛特包装机械设备有限公司研制成功的多功能全自动装箱机在多项性能指标上都达到了国际先进水平。

这项多功能全自动装箱机适用各种规格圆形瓶、扁形瓶、方形瓶。

其特点是可以根据装箱要求，能将产品自动分道理排。

在控制上，它采用伺服系统，因而定位准确、动作稳定，可以自动完成瓶子提升、移动、降落的装箱动作，抓瓶器还可以将瓶子自动装进带隔板的纸箱内。

该机结构设计的合理性体现在：运动由伺服驱动器和变频器控制的电机驱动，起步和终止均缓慢平稳；装箱速度采用变频器进行无级调速，生产效率极高，生产速高达10000~90000瓶/小时；更换不同瓶型时，只需要更换夹瓶机构即可。

该装箱机采用现代显示技术——触摸屏，设备常见故障可自行分析、诊断，并排除。

产品除了设置保护罩，还配备光电安全保护装置，当装箱过程中出现缺瓶、缺箱、堵箱、错位等现象时，能立即自动停机，保护机器。

该公司正在开发一种适用于异形铁罐及PET瓶等高度不同的非标容器的装箱机，现在已经突破了倒罐、卡罐、吸罐导向、精确定位等一系列技术和制造难题，即将完成试制，投入批量生产。

大连佳林设备制造有限公司近日研制成功的润滑油全自动装箱机通过抓住塑料瓶的瓶颈每次可以将12~30瓶产品进行装箱，每小时装瓶数量达到7000瓶，这在国内处于领先水平。

该装箱机通过真空泵控制抓头上的真空或是通过电磁的吸、放来实现抓放产品。

它通过机械运转，气动和机电控制把产品准确可靠地从输瓶台上装入纸箱。

该设备运行平稳，动作协调，通过变频电机独立驱动不同的机械机构使产品提升、平移、降落，并与气动、电、光控制相结合实现自动化操作。

它采用无压力输送，输箱通道采用三段（进箱段，装箱段，出箱段）无压力控制设计，由变频驱动的减速电机来实现快速进箱、装箱及出箱。

此外，它采用两组箱体底部定位，不但定位效果好，还减少了因纸箱外型尺寸差异所造成的故障停机。

为了满足食品包装的要求，该设备还使用了无油润滑的气动元件，大部份运动部件之间均采用了终生不需要注油润滑的人性化设计，避免了油的污染，也减少了用户的维护成本。

1.9毕业设计题目及基本参数
本设计的题目为瓶装牛肉酱的封口机构包装机构及封箱的控制设计。

本设计主要完成纸盒、牛肉酱瓶的上料及装箱装置设计。

优点：
（1）直观性好，顾客易于辨认商品的品质；
（2）保护商品，防止损坏和污染；
（3）密封性好，防潮、防变质。

基本参数为：
1. 瓶装牛肉酱容量为230g，计量误差控制在±2g；
2. 瓶装牛肉酱尺寸：底部直径120mm，开口直径90mm，瓶高200mm；
3. 要求工作稳定，使用寿命10年；
4. 生产能力：50瓶／min；
5. 瓶装牛肉酱为36瓶一箱包装。

6.瓶子灌装之和的质量为：516g
本设计的设计任务为：
①．总体方案设计、传动系统控制设计；
②．纸箱上料机构的控制设计，完成相应PLC程序；
③．牛肉酱瓶上料机构的控制设计，完成相应PLC程序；
④．装箱装置机构的控制设计，完成相应PLC程序；
⑤．部分电路图设计；
⑥．设计说明书一份，字数为1.5万；
⑦．电气图纸合计为5张，利用计算机。

第2章 总体方案设计
2.1 液压钻机的基本工作原理
液压钻机在整个钻进过程中是靠液压卡盘夹住钻杆进行钻进的，液压卡盘夹紧主动钻杆，向钻杆传递扭矩及轴向力，实现钻头的回转和给进，完成加减压钻进。

2.2液压钻机回转器设计
图2-1瓶装牛肉酱自动生产线工艺流程示意图
回转器的功用是传递动力，使钻具以不同转速和扭矩作正转或反转，并导正钻具方向。

立轴回转器由箱壳、横轴、锥齿轮副、立轴导管、立轴及卡盘等主要
零件组成。

其中立轴与卡盘，除传递回转运动和扭矩外，还通过液压缸、活塞与
液压缸
立轴
碟簧
横梁的作用，带动钻具上下运动，传递给进力和上顶力。

XY-4型钻机回转器结构如图3-5所示。

回转器的角传动采用大锥齿轮下置式弧齿锥齿轮传动。

立轴导管两端各用一盘46221型轴承T支承在回转器箱体的镗孔中，立轴导管内孔与立轴间以六方截面作滑动配合，因而立轴既可随导管转动，又可在导管内上下滑动。

立轴通过卡盘将穿过其内孔的机上钻杆夹紧固定，故钻具与立轴作同步运动。

导管承受一定的径向力，并起导向作用。

立轴下端装有起辅助作用的手动下卡盘。

2.2液压钻机卡盘设计
卡盘的功用是传递回转运动与扭矩；传递轴向运动和给进（或上顶）力。

现代立轴式钻机上卡盘均采用液压卡盘。

液压卡盘可分为三种类型：
2.2.1 弹簧夹紧液压松开常闭型卡盘
该卡盘的夹紧动作由油缸内高压油卸荷来完成，在弹簧张力作用下，卡圈上移，卡圈斜面使齿瓦向内产生径向位移，并增力夹紧机上钻杆。

因为楔面角小于斜面摩擦角，具有自锁作用。

松开时，油缸内接高压油，在活塞上面产生大于弹簧负荷的向下的轴向力，卡圈随之下移，使齿瓦向外径方向位移，松开机上钻杆。

2.2.2 液压夹紧弹簧松开常开型卡盘
这种卡盘与前者基本相似，只是弹簧与油缸位置相互调换了，因此动作原理也要互换。

这种卡盘靠弹簧力松开，当夹持钻杆过紧时，有时发生不易松开现象。

2.2.3 液压紧松式卡盘
这类卡盘有两种型式：齿条齿轮螺旋增力式和楔面增力式。

XY-4型钻机的上卡盘为液压卡盘，下卡盘为机械卡盘。

下卡盘只传递回转运动和扭矩，并帮助保持主动钻杆的回转稳定性，通常在深孔钻进或强力起拔钻具时才使用。

XY-4型钻机液压卡盘（图3-5）是弹簧夹紧液压松开常闭型卡盘。

卡盘由卡盘上壳、卡盘下壳、活塞、碟簧、卡圈、卡瓦、卡瓦座等组成。

环状活塞装在液压缸内，构成单作用液压缸。

卡瓦座以内左旋方螺纹与立轴上端连接，卡瓦座外右旋螺纹拧有防松螺母，通过立轴轴肩将立轴与卡瓦座固紧，形成能承受正反扭矩的螺纹联接结构。

卡瓦座上部均布3个长方槽，3块卡瓦座装在槽内，可作径向移动。

卡瓦背面是6°斜面，用沉头螺钉拧接压板，压板装在卡圈的"T"形斜槽中，卡圈可作轴向移动。

9片碟簧套座在卡瓦座外圆上，卡圈坐在其上，在卡圈凸缘处装有单向推力球轴承。

卡瓦座上端用螺钉固定有顶盖。

2.3液压钻机碟簧及油缸选取
采用浮动双油缸碟簧夹紧方式，碟簧夹紧，油压放松。

综合考虑碟簧参数及各部分尺寸协调，有如下选择，方可满足碟簧力既大于所需夹紧力，又小于油缸压力，即碟簧夹紧，通油后进一步压缩碟簧，放松钻杆。

1. 系列B: D/t≈28；h0/t≈0.75；E=206GPa；μ=0.3。

2．标记：一级精度，系列B，外径D=112mm 的第2 类弹簧，标记为：碟簧B112-1 GB/T 1972－1992。

外径D =12 mm 内径d =57 mm 厚度t =4 mm 压平时变形量h0 =3.2 mm,自由高度H0= 7.2mm,设压力为F= 17800N, 正常变形量f= 2.4mm 0。

因此，选用10 个，总变形量可达24mm。

根据所提要求初步确定选用油缸φ125mm，活塞杆φ40mm ，端部法兰连接4-φ18，所需行程较小且受安装位置限制。

系统油压p = 80bar产生的油压力F1 =88077N, 大于碟簧力F = 17800N ，满足F min= 14282N <F< F1= 88077N，因此可行。

满足夹紧钻杆时所需最小碟簧夹紧力14282N，每个碟簧被压缩1.9mm,碟簧总共被压缩约19mm.
活塞总行程40mm,在极限位置时，安装碟簧的位置空间为75mm,10 个碟簧自然长度为72mm, 满足安装条件。

活塞移动3mm, 开始压缩碟簧，继续移动19mm,压缩碟簧，夹紧钻杆.放松钻杆时在油压的作用下，碟簧继续可被压缩5mm.
碟簧被完全压平时，总变形为32mm，小于活塞总行程40mm.整体设计满足结构和功能要求。

第三章具体结构的设计与计算
3.1碟形弹簧的设计及校核
碟形弹簧的特点：
（1）在载荷作用方向上尺寸较小，且能在很小变形时承受很大载荷，轴向空间紧凑。

与其他类型的弹簧相比，其单位体积材料的变形能较大。

具有较好的缓冲吸振能力，特别是在采用叠合弹簧组时，由于表面摩擦阻尼作用，吸收冲击和消散能量的作用更显著。

（2）在承受和大载荷的组合弹簧中，每个碟片的尺寸不大，有利于制造和热
处理。

当一些碟片损坏时，只需要个别更换，因而有利于维护和修理。

（3）具有变刚度特性。

改变碟片内截锥高度h与碟片厚度t的比值，可以得到不同的弹簧特性曲线，可为直线型、渐增型、渐减型或是它们的组合型式。

此外还可以通过由不同厚度碟片组合或由不同片数叠合碟片的组合得到变刚度特性。

（4）由于改变碟片数量或碟片的组合形
式，可以得到不同的承载能力和特性曲线因此每种尺寸的碟片，可以适应很广泛的使用范围，这就使备件的准备和管理比较容易。

3.1.1碟形弹簧选取
考虑到碟形弹簧有如上所述特点，因此XY-4型钻机的杠杆式液压卡盘采用碟形弹簧式结构。

本章可能需要用到的公式见表4.1：
表 3.1 单片碟形弹簧的计算公式
续表
使用单片碟形弹簧时，由于变形量和载荷值往往不能满足要求，故常用若干碟形弹簧以不同形式，以满足不同的使用要求。

使用组合碟簧时，必须考虑摩擦力对特性曲线的影响。

摩擦力与组合碟簧的组数、每个叠层的片数有关，也与碟簧表面质量和润滑情况有关。

由于摩擦力的阻尼作用，叠合组合弹簧的刚性比理论计算值大，对合组合弹簧的各片变形量将依次递减。

在冲击载荷下的使用组合碟簧，外力的传递对各片也依次递减。

所以组合碟簧的片数不宜过多。

应尽量采用直径较大、片数减小的组合弹簧。

复合组合碟簧即由多组叠合碟簧对合组成的复合碟簧，仅考虑叠合面间的摩擦时
()
11-±=
n f nF
F M z
(3.13)
式中 z F ——弹簧的载荷
F ——碟簧未计摩擦力时的载荷
M f ——碟簧锥面间的摩擦系数 R f ——承载边缘处的摩擦系数 n ——碟簧的片数
3.1.2 碟形弹簧的设计
本论文需要设计一组合碟形弹簧，承受变载荷，在KN F 601=和KN F 802=之间循环工作，其最大工作变形量mm f 10=，要求其内径为mm d 57=。

按内径57=d mm 的要求，如表3.2所列：
表3.2
表中f 为变形量，其余各符号含义见图3.1。