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揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 高速雙色牙刷植毛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
學(xué) 生 姓 名 陳沛東
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
班 級 機(jī)械81001班
指 導(dǎo) 教 師 竺志大
完 成 日 期 2014年05月28日
中文摘要
高速雙色牙刷植毛機(jī)是提高效率，進(jìn)行生產(chǎn)牙刷加工的先進(jìn)設(shè)備。大大提高了生產(chǎn)效率，生產(chǎn)質(zhì)量，生產(chǎn)品種。工效比原來的人工操作提高了6~ 7 倍, 日完成量達(dá)15000~ 20000支牙刷, 極大地滿足了市場的需求, 取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。本課題的目的就是為了使每個(gè)流程之間聯(lián)系起來，提高機(jī)械化程度，減少人工的參與，既能夠減少成本又能夠提高生產(chǎn)效率。
綜合了以上考慮之后，我將本次設(shè)計(jì)的題目定為高速雙色牙刷植毛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中主要使用了CAD、Solidworks等工程制圖軟件進(jìn)行繪圖和結(jié)構(gòu)分析。并對一些重要的部件進(jìn)行必要的計(jì)算和校核。
關(guān)鍵詞：植毛機(jī)，設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)分析
ABSTRACT
High-speed color toothbrush tufting machine is improve efficiency and advanced processing equipment of toothbrushes.Greatly improved production efficiency,production quality, production varieties. Efficiency than the original manual operations increased by 6 to 7 times，completion 15000 amounted to 20000 Toothbrush in every day，great to meet the needs of the market.and achieved good economic.The purpose of this project is to make the link between each process, and enhance the degree of mechanization to reduce labor participation, both to reduce costs and to improve the efficiency of a production.
After considering a combination of the above,I will be the topic of this design is the high-speed color toothbrush tufting machine mechanical structure design.Design of the main uses CAD, Solidworks and other engineering drawing software for drawing and structural analysis. And some important components necessary calculations and verification.
Key words: toothbrush-hair planting;Design;Structural Analysis
目錄
中文摘要
ABSTRACT
第一章 緒論 1
1.1 課題背景和研究意義 1
1.2 近代牙刷的發(fā)展歷程 2
1.3 國內(nèi)外植毛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.4 本課題的立題依據(jù) 3
1.5 本課題研究的內(nèi)容 4
第二章 植毛機(jī)的工作原理 5
第三章 植毛機(jī)總體方案選擇 7
3.1植毛機(jī)的技術(shù)進(jìn)展 7
3.2植毛機(jī)的結(jié)構(gòu) 9
第四章 植毛機(jī)的總體結(jié)構(gòu)及組成部分結(jié)構(gòu) 11
4.1 植毛機(jī)的布局 11
4.2 刷柄自動裝夾設(shè)計(jì) 12
4.3 刷柄自動運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
4.4 自動分絲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
4.5 自動送鋁片、及自動切斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 16
4.6自動鉤絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17
4.7 本章小結(jié) 17
第五章 植毛機(jī)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
5.1系統(tǒng)的運(yùn)動分析 18
5.2主軸箱電機(jī)的選擇 19
5.3皮帶的選擇 21
5.4主軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 23
5.5送絲嘴運(yùn)動分析計(jì)算 28
5.6 送鋁片運(yùn)動分析計(jì)算 30
5.7 鋁片切斷運(yùn)動分析計(jì)算 32
5.8 送絲凸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 35
5.8.1送絲凸輪的基本尺寸 35
5.8.2送絲凸輪的理論輪廓 35
5.8.3送絲凸輪的工作輪廓 36
5.9 本章小結(jié) 38
第六章 植毛機(jī)控制系統(tǒng) 39
6.1牙刷植毛機(jī)數(shù)控系統(tǒng)工作原理及其總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 39
6.2 PLC 控制電路圖 41
6.3 I/O擴(kuò)展電路 42
參考文獻(xiàn) 43
致謝 44
II
陳沛東 高速雙色牙刷植毛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第一章 緒論
1.1 課題背景和研究意義
2000多年前，古人就懂得如何保護(hù)牙齒，《史記·倉公傳》中指出蟲牙的原因是 “食而不漱”，《禮記》中“雞初鳴，咸盥嗽”說明了那個(gè)年代的人就有了漱口的習(xí)慣。民間有“挑馬勘牙，選郎見齒”之說，大意是挑馬要看牙口，挑女婿也要看牙口，齒強(qiáng)則體健已經(jīng)是很普遍的社會生活常識。公元前3500年，巴比倫人挑選富有香氣的細(xì)根樹枝末端嚼松軟，形如刷毛，用于刷牙，另一端則削成尖頭，方便剔牙。公元前3000年蘇美人烏爾城邦的國王墓穴中就曾發(fā)現(xiàn)過清理口腔用的最早工具---牙棒。中國大約在公元前1600年就有牙刷和刷牙了，公元15世紀(jì)已經(jīng)有了如今牙刷方式的雛形。唐代開始，人們用柳枝做成刷，蘸藥水揩齒，這就是早期牙刷、牙膏的雛形。宋代，人們主張每日早晚用柳枝揩牙兩次。到了元代，一般人用柳枝當(dāng)做牙刷，參合中草藥制成的揩齒粉末刷牙。公元16世紀(jì)，中國人利用西伯利亞山豬毛和竹子或骨骼做柄發(fā)明了史上第一支真正的牙刷，人們用竹子做柄，附著野豬毛，這樣的牙刷就是今天牙刷的祖先。世界上第一支牙刷，長16.5cm寬1.1cm厚0.2cm共三排31孔，中間為11孔，兩邊為10孔，孔直徑為0.22cm整體為骨質(zhì)結(jié)構(gòu)，頭部和尾部為眼觀見骨。20世紀(jì)30年代，Wallace H Carothers 在杜邦實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了尼龍，尼龍成為現(xiàn)代化的標(biāo)志，這個(gè)發(fā)明永遠(yuǎn)改變了牙刷的歷史。
普通牙刷組成： 牙刷把 刷頭 手柄 牙刷毛。普通牙刷的原材料：牙刷把：聚苯乙烯，牙刷把上軟軟的部分 ：彈性橡膠粒子，牙刷毛：目前的刷毛多用尼龍絲制成。可分為兩種――普通絲和杜邦絲。壓線：鋁或銅。生產(chǎn)牙刷需要的設(shè)備為注塑機(jī)，植毛機(jī)，磨毛機(jī)。牙刷生產(chǎn)工藝流程：注塑、注膠、植毛、平毛、磨毛、清洗、檢測、包裝。其中，注塑：將顆粒狀或粉狀塑料置于注射機(jī)料筒內(nèi)加熱，使其軟化后用推桿或旋轉(zhuǎn)螺桿連續(xù)從?？跀D出（?？诘男螤罴礊樗柚破返臄嗝嫘螤?，長度視需要而定），冷卻后即為所需的制品.植毛：就是將牙刷的毛送到牙刷柄中去，植毛后要把毛切成各種需要的形狀。磨毛：刷毛在切割后，如果沒有經(jīng)過圓滑處理，容易因太過尖銳而造成傷害。把刷毛尖磨圓，可防止這種傷害。以及拉應(yīng)力檢測和對牙刷進(jìn)行包裝。
1.2 近代牙刷的發(fā)展歷程
1、通用型和特異型保健牙刷。既符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)又不損傷牙齒和牙齦。
2、指套式牙刷：適用于嬰幼兒。
3、電動牙刷：有潔齒及按摩牙齦的作用，效果均比普通的牙刷好。
4、聲波牙刷：一分鐘3萬次的沖擊力。清洗牙齒上的污垢和食物殘?jiān)?
5、電離子牙刷：刷牙時(shí)可發(fā)出一系列微量元素和陰離子，有消炎殺菌作用。
6、磁性保健牙刷：利用磁場（磁場強(qiáng)度高達(dá)1500高斯）起保健按摩、清潔口腔同時(shí)可達(dá)到消炎止痛、活血固齒的功效。
1.3 國內(nèi)外植毛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
我國是全球最大的牙刷產(chǎn)銷國。自改革開放以來，國內(nèi)牙刷整體發(fā)展較快，特別是近5年，牙刷總產(chǎn)量和牙刷出口量年平均增長超過22％，出口金額年平均增長達(dá)到36％以上。2008年，中國大陸牙刷產(chǎn)量將近100億支，其中：出口31.2億支，實(shí)現(xiàn)銷售68億元，實(shí)現(xiàn)稅金6.12億。經(jīng)過多年發(fā)展，牙刷重點(diǎn)企業(yè)快速做大做強(qiáng)，已形成一批具有一定規(guī)模的企業(yè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，前10名重點(diǎn)企業(yè)產(chǎn)品市場占有率占全國總量的60％，牙刷出口量占世界牙刷消費(fèi)量的40％以上，其中，前10名重點(diǎn)企業(yè)有7名在江蘇省揚(yáng)州市邗江區(qū)杭集鎮(zhèn)，其牙刷產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的70％。目前，邗江區(qū)杭集鎮(zhèn)已成為我國牙刷的主產(chǎn)區(qū)，素有“中國牙刷之都”的美稱，其“產(chǎn)業(yè)洼地”的效應(yīng)逐步顯現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)鏈條逐步拉長，形成了以高露潔公司、兩面針集團(tuán)、山鷹紙業(yè)為龍頭的旅游牙刷制造業(yè)、原材料供應(yīng)業(yè)和紙箱包裝配套業(yè)。
在中國牙刷行業(yè)屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，在《國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類》中，屬C2673口腔清潔用品。其特點(diǎn)是：?1、資金投入大。由于牙刷是塑料產(chǎn)品，需要空間容積較大的原材料、半成品、產(chǎn)成品等車間或倉庫，故需征用一定規(guī)模的土地，新建成片的廠房。同時(shí)，還需購進(jìn)多種配套的生產(chǎn)設(shè)備，據(jù)了解，一條生產(chǎn)流水線最低投入需100多萬。 2、科技含量低。由于牙刷是勞動密集型產(chǎn)品，科技含量低，僅生產(chǎn)牙刷，就有配料、注塑、注膠、植毛、入盒、包裝等十多道工序，且從業(yè)要求不高，其勞動密集度高于服裝、玩具等產(chǎn)業(yè)。3、回報(bào)周期長。由于牙刷是民用生活必需品，價(jià)廉物美，其正常零售價(jià)每支不足1元，且毛利率僅為15%左右。同時(shí)，牙刷耐磨耐用，使用周期長，故雖有需求市場，但需求量不大。?4、資源浪費(fèi)高。 由于牙刷是一次性消費(fèi)品，特別是其原材料為聚本乙烯、聚丙烯等化工原料，對資源的依賴和消費(fèi)程度較大。同時(shí)，其廢品回收價(jià)值低，且回收成本高。
牙刷至17世紀(jì)方出現(xiàn)，至19世紀(jì)才廣泛流行。1938年杜邦化工推出以合成纖維（多數(shù)是尼龍）代替動物鬃毛的牙刷，第一支以尼龍紗線作刷毛的牙刷于該年2月24日上市。2003年1月，根據(jù)勒梅爾森—麻省理工發(fā)明指數(shù)，牙刷獲選為“美國人生活不可或缺的發(fā)明”第一位，擊敗了汽車、個(gè)人電腦、手提電話和微波爐。在歐洲，牙刷是由英國皮匠愛迪斯于1780年在倫敦首先發(fā)明的。在此之前，歐洲人用布擦洗牙齒，愛迪斯認(rèn)為用布擦牙效率太低，而且擦不干凈，他把鬃毛縛在骨頭上，刷牙效果很好，從此改進(jìn)了歐洲人的刷牙工具，愛迪斯創(chuàng)立的公司至今仍在生產(chǎn)牙刷。歐洲的植毛牙刷于1646年首先出現(xiàn)于法國。從1840年開始德國才正式制造牙刷，后來傳到美洲。美國于1900年由拉拜塞夫公司用橡膠加硫法制造牙刷柄知道1920年才被淘汰，后來又用賽璐珞制造牙刷柄，又經(jīng)過一段時(shí)間，則多用注入法制造牙刷柄了。1930年出現(xiàn)了尼龍絲，1938年就用以代替天然鬢來制造牙刷，因?yàn)槟猃埥z具有粗細(xì)均勻，光滑牢固和容易保持清潔的優(yōu)點(diǎn)，所以現(xiàn)在國內(nèi)外大多用尼龍絲來制造牙刷了。在國外，牙刷機(jī)器比較先進(jìn)，生產(chǎn)工序中的植毛、磨毛、平毛可以通過連續(xù)完成，人工只需要參與一次就行了，可以大大減少人工的參與，而且可以減少工序之間半成品的流動運(yùn)輸與周轉(zhuǎn)，這樣可以提高生產(chǎn)效率。因?yàn)榘氤善凡恍枰鲃舆\(yùn)輸，所以占據(jù)的廠房空間也就相對變小，質(zhì)量也較高，工作環(huán)境噪聲也很小。
1.4 本課題的立題依據(jù)
牙刷是我們?nèi)粘Ｉ钪须x不開的口腔衛(wèi)生工具，在調(diào)查問卷中，有44.4%的人堅(jiān)持早晚刷牙。每天早上起床后第一件事就是刷牙，睡覺前的最后一件事也是刷牙。在如今的生活中，刷牙不再僅僅為了口腔衛(wèi)生，還能提高一個(gè)人的個(gè)人形象。以前的牙刷機(jī)是利用人工進(jìn)行生產(chǎn)，如今面對龐大的人群和用量，這種效率很低，我國牙刷生產(chǎn)現(xiàn)狀（勞動密集型，工藝流程中每道工序之間是相互獨(dú)立的，每道工序之間都存在半成品要人工上料和下料的問題，且每道工序之間半成品流動運(yùn)輸、周轉(zhuǎn)都導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、同時(shí)半成品占據(jù)廠房空間大，質(zhì)量不穩(wěn)定、工人勞動強(qiáng)大、工作環(huán)境噪聲、橡塑氣味都影響工人身體健康。），所以要通過設(shè)計(jì)制造先進(jìn)的牙刷制造裝備來改善上述的落后狀況和追趕超越先進(jìn)國家。本 課 題 在消化吸收原來工藝及設(shè)備的基礎(chǔ)上，針對企業(yè)需求，對原來工藝及設(shè)備進(jìn)行總體優(yōu)化改進(jìn)。以提高產(chǎn)品質(zhì)量，減輕勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。設(shè)計(jì)的植毛機(jī)則大大的減輕了員工的負(fù)擔(dān)，工效比原來的人工操作提高了6~ 7 倍, 日完成量達(dá)15000~ 20000支牙刷, 極大地滿足了市場的需求。綜上所述，選擇“高速雙色牙刷植毛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”這個(gè)題目。
1.5 本課題研究的內(nèi)容
牙刷生產(chǎn)工藝流程：刷柄注塑、注膠、切毛、植毛、平毛、磨毛、包裝。其中植毛是關(guān)鍵，從手串，到簡單機(jī)械植毛，至今天的高速多色植毛，本植毛機(jī)要求植兩種顏色，生產(chǎn)率：750-900孔/分鐘（25-30支/分鐘），設(shè)計(jì)刷柄自動裝夾、X/Y方向自動運(yùn)行機(jī)構(gòu)、自動分毛機(jī)構(gòu)、送毛機(jī)構(gòu)。
第二章 植毛機(jī)的工作原理
全自動牙刷植毛機(jī)是具備檢測、控制、報(bào)警、人機(jī)對話等一系列功能, 它的工作效率比半自動植毛機(jī)提高了2~ 3 倍, 日完成量達(dá)2萬支牙刷, 很好地滿足了市場的需求, 取得了非常好的經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計(jì)的全自動牙刷植毛機(jī)主要由3 部組成: 植毛機(jī)構(gòu), 高精度X 、Y 方向運(yùn)動平臺和單片微機(jī)控制系統(tǒng)。
圖1
植毛機(jī)構(gòu)：
它主要完成刷絲傳送、鋁片傳送、鋁片剪切、刷絲與鋁片合成、植入刷板等等動作。它的工作原理是: 啟動主軸電機(jī), 帶動了主軸旋轉(zhuǎn), 安裝在主軸上的3只互成一定角度的凸輪進(jìn)行啟動。第一凸輪驅(qū)動一為換向裝置, 它帶動拉毛梭芯在梭殼中來回進(jìn)行拉絲, 從而可以不斷的將牙刷絲送入植毛嘴中; 與此同時(shí)，另一凸輪來帶動送鋁片機(jī)構(gòu),可以將鋁片送入切片刀盒; 此時(shí)連桿機(jī)構(gòu)帶動刀片切出116 mm *1 mm *014 mm 的薄片, 并與梭芯拉入的刷絲一起送入植毛嘴中, 由步進(jìn)電機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動的裝有刷板的工作臺移到植毛嘴下, 將一束刷絲連同鋁片植入當(dāng)前刷板孔中,完成了一次循環(huán)。
運(yùn)動平臺：
這是一套很高精度的兩軸定位系統(tǒng), 它主要是完成牙刷取板, 刷板定位, X 、Y 方向移位,牙刷進(jìn)行出板等一系列動作。因此, 這部分精度如何影響到整機(jī)性能及牙刷植毛質(zhì)量, 要求運(yùn)動平穩(wěn)、移位速度快、到位精度高。通常刷板孔徑在116 mm 左右, 要能準(zhǔn)確地將毛絲及鋁片植入刷板每孔中心, 給運(yùn)動平臺提出了較高要求。其設(shè)計(jì)原理是: 由微電腦控制步進(jìn)電機(jī), 來驅(qū)動X 軸與Y 軸, 而X 軸和Y軸采用定制精密滾珠絲杠。工作臺的平移運(yùn)動, 由X 、Y 軸運(yùn)動基座加裝導(dǎo)桿, 并在導(dǎo)桿上安裝立線軸承, 以消除晃動及步距誤差, 夾板裝置安裝固定在運(yùn)動平臺上, 由電磁氣動閥完成刷板的夾緊及彈出。
單片微機(jī)控制系統(tǒng)：
該部分是全自動植毛機(jī)的心臟, 它所完成的工作主要包括4 個(gè)方面:( 1) 協(xié)調(diào)整機(jī)工作狀態(tài), 檢測各個(gè)控制環(huán)節(jié), 包括X 軸零位、Y 軸零位、板倉空、毛色、重毛、移位等的檢測。( 2) 控制各支路動作, 包括X 、Y 軸步進(jìn)電機(jī)正、反向運(yùn)動控制, 移位步距控制, 主軸驅(qū)動電機(jī)啟、?？刂? 剎車、換毛、出板氣泵的工作時(shí)序。( 3) 故障報(bào)警指示, 包括重毛故障, 電源故障, X 、Y 軸不能回零, 毛色不能變換, 移位計(jì)數(shù)等指示。( 4) 人機(jī)對話功能, 包括是否緊急停機(jī),故障清除恢復(fù), 主軸電磁剎車是否釋放, 是否啟動工作, 新牙刷品種的程序編制, 日產(chǎn)量計(jì)數(shù), 總產(chǎn)量計(jì)數(shù), 工作臺移位速度的設(shè)定, 毛色設(shè)定, 出板位置的設(shè)定, X 、Y 軸偏移量的修正。
第三章 植毛機(jī)總體方案選擇
3.1植毛機(jī)的技術(shù)進(jìn)展
手動植毛機(jī):通過人來搖手柄來驅(qū)動，主軸上有兩個(gè)凸輪，第一個(gè)是用來控制牙刷孔的位置，第二個(gè)凸輪控制鋁片的長度，在后面通過連桿機(jī)構(gòu)將鉤絲、切鋁片和將鋁片、刷絲植入刷柄一同完成，整個(gè)過程完全手動，工人一邊扶著刷柄一邊搖手柄。所以，手動植毛機(jī)的效率很低，一天最多能植2000~3000支牙刷。只能植一種顏色的刷絲。
圖2 圖3
半自動植毛機(jī)：半自動植毛機(jī)是在手動植毛機(jī)上進(jìn)行了一些改造，動力源由電機(jī)提供，牙刷孔的定位也由步進(jìn)電機(jī)控制，而且可以植兩種顏色的刷絲，效率大大提高，一天可以植6000~7000支牙刷。
圖4
全自動植毛機(jī)：全自動牙刷植毛機(jī)是具備檢測、控制、報(bào)警、人機(jī)對話、自動裝夾等一系列功能, 它的工作效率比半自動提高了2~3 倍, 日完成量達(dá)2萬支牙刷, 很好地滿足了市場的需求, 取得了非常好的經(jīng)濟(jì)效益。
圖5 圖6
3.2植毛機(jī)的結(jié)構(gòu)
方案一如圖所示
圖7
方案二如圖所示
圖8
如上圖，是植毛機(jī)的總體結(jié)構(gòu)的兩種不同的方案，兩種方案的不同之處是第一種方案是用兩個(gè)電機(jī)分別控制刷柄的轉(zhuǎn)動和兩個(gè)方向的位移，而第二種方案是通過齒輪和軸的傳動來實(shí)現(xiàn)刷柄的轉(zhuǎn)動和兩個(gè)方向的位移的確定。第一種方案是用額外的一個(gè)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)兩種植毛機(jī)兩種不同顏色絲的傳送，而第二種是在第一個(gè)軸上面利用齒輪來和毛色的傳送進(jìn)行結(jié)合從而來控制兩種毛色的傳送。
很顯然，第一種設(shè)計(jì)的方案比第二種更好，第一種是單獨(dú)進(jìn)行控制能夠很精確的進(jìn)行傳送和定位，而第二種是經(jīng)過了很多傳送機(jī)構(gòu)后再來進(jìn)行控制和定位，經(jīng)過了多次傳送機(jī)構(gòu)后，很顯然會影響設(shè)計(jì)時(shí)候所想要達(dá)到希望的精度和需要，第一種不需要多次的傳送，直接作用于零件上，很好的保護(hù)了效率和精度，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，選用了第一種的方案。
第四章 植毛機(jī)的總體結(jié)構(gòu)及組成部分結(jié)構(gòu)
4.1 植毛機(jī)的布局
圖9
根據(jù)以前植毛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參考其他自動化設(shè)備的結(jié)構(gòu)，將制造的植毛機(jī)分為電氣控制柜，儀表界面，刷柄自動運(yùn)行系統(tǒng)，送鋁片，切斷，送絲機(jī)構(gòu)，分絲機(jī)構(gòu)和機(jī)架，電氣控制柜是對設(shè)備的運(yùn)行提供動力和控制，儀表界面是對植毛機(jī)進(jìn)行一個(gè)總體的匯總，可以對植毛機(jī)進(jìn)行指令的輸入輸出，刷柄自動運(yùn)行系統(tǒng)是對刷柄的二維運(yùn)動進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制夾緊牙刷和與送絲嘴送絲進(jìn)行配合。送鋁片，切斷，送絲機(jī)構(gòu)是設(shè)計(jì)在植毛機(jī)進(jìn)行工作的過程中，將鋁片送入到送絲嘴并且進(jìn)行切斷的一個(gè)機(jī)構(gòu)。分絲機(jī)構(gòu)是將兩種不同顏色的毛進(jìn)行送到送絲嘴，這個(gè)過程是通過分絲機(jī)構(gòu)來完成。而機(jī)架是植毛機(jī)的一個(gè)總體框架，是對這些設(shè)備進(jìn)行支撐，將這些機(jī)構(gòu)進(jìn)行一些合理的分配以匯成一個(gè)完整的整體，以便更好的為植毛來服務(wù)。具體的總體布局如上圖顯示。
4.2 刷柄自動裝夾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
工件在開始加工前，首先必須使工件在機(jī)床上或夾具中占有某一正確的位置，這個(gè)過程稱為定位。為了使定位好的工件不致于在切削力的作用下發(fā)生位移，使其在加工過程始終保持正確的位置，還需將工件壓緊夾牢，這個(gè)過程稱為夾緊。定位和夾緊的整個(gè)過程合起來稱為裝夾。
刷柄的裝夾采用自動裝夾，由電磁氣動閥完成刷板的夾緊及彈出。具體的設(shè)計(jì)如下圖。
圖10
圖11
4.3 刷柄自動運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
刷柄的運(yùn)行機(jī)構(gòu)是負(fù)責(zé)對裝夾機(jī)構(gòu)進(jìn)行兩個(gè)方向的運(yùn)行，是由微電腦來控制步進(jìn)電機(jī),兩個(gè)電機(jī)分別來驅(qū)動X 軸方向和Y 軸方向, 而X 軸和Y軸采用定制精密滾珠絲杠。工作臺的平移運(yùn)動, 由X 、Y 軸運(yùn)動基座和加裝導(dǎo)桿, 并且在導(dǎo)桿上安裝立線軸承, 從而可以消除晃動及步距誤差。具體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示
圖12 圖13
圖14
4.4 自動分絲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
分絲機(jī)構(gòu)的作用是將兩種不同顏色的絲分別通過分絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行輸送，再通過送絲嘴將不同顏色的絲和鋁片送往刷柄的孔中，從而完成牙刷分毛的工序，它是利用凸輪驅(qū)動成為換向裝置, 它帶動拉毛梭芯在梭殼中來回進(jìn)行拉絲, 從而可以不斷的將牙刷絲送入植毛嘴中，具體的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)如下圖。
圖15
圖16
4.5 自動送鋁片、及自動切斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
自動送鋁片、及自動切斷機(jī)構(gòu)是和分絲機(jī)構(gòu)及送毛嘴一起作用，是對牙刷毛固定在牙刷孔中，它是通過凸輪來帶動送鋁片機(jī)構(gòu),通過一些連桿機(jī)構(gòu)可以將鋁片送入切片刀盒; 此時(shí)連桿機(jī)構(gòu)帶動刀片切出的薄片, 這樣就與梭芯拉入的刷絲一起送入植毛嘴中，從而完成植毛的工序過程。自動送鋁片、及自動切斷的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖所示。
圖17
4.6自動鉤絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
自動鉤絲通過一些擺桿和連桿，連接到主軸，最后將動力傳遞到鉤絲的刀片上，鉤絲的刀片做周期性的擺動，在刀片的圓周上有個(gè)直徑為4mm的小孔，當(dāng)?shù)镀剞D(zhuǎn)到分絲機(jī)構(gòu)時(shí)，刷絲在彈簧壓力和自身重力的作用下，進(jìn)入到刀片的小孔中完成刷絲的鉤取，并將刷絲送到送絲嘴的前面，等待送絲機(jī)構(gòu)將其植入牙刷柄對應(yīng)的孔內(nèi)。
圖18 圖19
4.7 本章小結(jié)
本章是說明了方案的選擇，并且設(shè)計(jì)了植毛機(jī)一些必要結(jié)構(gòu)，包括刷柄自動裝夾設(shè)計(jì)， 刷柄自動運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，自動分絲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及自動送鋁片、及自動切斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和自動鉤絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
第五章 植毛機(jī)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.1系統(tǒng)的運(yùn)動分析
圖20
啟動主軸箱電機(jī), 通過皮帶的傳動，帶動了主軸的轉(zhuǎn)動，安裝在主軸上的3只互成一定角度的凸輪進(jìn)行啟動。第一凸輪驅(qū)動一為換向裝置, 它帶動拉毛梭芯在梭殼中來回進(jìn)行拉絲, 從而可以不斷的將牙刷絲送入植毛嘴中; 第二凸輪是帶動擺桿機(jī)構(gòu)對植毛嘴進(jìn)行前后進(jìn)行運(yùn)動。與此同時(shí)，另一凸輪來帶動送鐵片機(jī)構(gòu),可以將鐵片送入切片刀盒; 此時(shí)連桿機(jī)構(gòu)帶動刀片切出116 mm * 1 mm * 014 mm 的薄片, 并與梭芯拉入的刷絲一起送入植毛嘴中, 由步進(jìn)電機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動的裝有刷板的工作臺移到植毛嘴下, 將一束刷絲連同鐵片植入當(dāng)前刷板孔中,完成了一次循環(huán)。下面進(jìn)行主軸箱電機(jī)、皮帶、主軸進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)，并對送絲嘴、切鋁片速度進(jìn)行計(jì)算和送絲凸輪進(jìn)行分析計(jì)算。
5.2主軸箱電機(jī)的選擇
電機(jī)類型的選擇：
（1）根據(jù)電機(jī)的工作環(huán)境選擇電動機(jī)的類型
安裝方式：
選用臥式電動機(jī)
防護(hù)型式：
選用封閉自扇冷式，可在潮濕、多塵埃、高溫、有腐蝕性氣體或易受風(fēng)雨的環(huán)境中工作起動、制動較頻繁，選用線性轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)
電動機(jī)額定電壓的選擇
電動機(jī)額定電壓的選擇一般選擇與供電電壓一致，普通工廠的供電電壓為380V或220V，因此中小型交流電機(jī)的額定電壓大都是380V或220V，選用220V的電壓。
電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇
電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體情況來選擇。
要求調(diào)速的中高轉(zhuǎn)速生產(chǎn)機(jī)構(gòu)上使用的電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速的要求，選取合適傳動比的減速裝置，我們選用帶傳動減速裝置。
植毛機(jī)的送絲機(jī)構(gòu)817次每分鐘，因此主軸轉(zhuǎn)速為817r/min，傳動比為1.7，因此電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為1390r/min。
電動機(jī)容量的選擇
根據(jù)植毛機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)及給定條件計(jì)算負(fù)載功率
W
=801.28=102.4W
=1100.75=82.5W
=102.24
=22.4W
33W
350.7W
參照電動機(jī)的技術(shù)參數(shù)，根據(jù)表預(yù)選電動機(jī)的型號，使其額定功率，并且是盡量接近
=1.5350.7
=526.05W
電動機(jī)的發(fā)熱校核
計(jì)算出電動機(jī)的額大功率后，通常要對選擇的電動機(jī)進(jìn)行發(fā)熱校核，即限制電動機(jī)的溫升（電動機(jī)溫度與環(huán)境溫度差）以保證電動機(jī)的壽命與安全
式中 --------電動機(jī)的溫升
-------電動機(jī)的溫度
--------標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度：
--------電動機(jī)絕緣的最高允許溫升
---------電動機(jī)的最高允許溫度
等效功率法:
負(fù)載變化周期=0.075s
=350.7W
其中 --------等效功率
---------電動機(jī)額定功率
所以550W的電動機(jī)合格
選用Y801－4的電動機(jī)
電機(jī)功率P=0.55kw，轉(zhuǎn)速=1390r/min.選擇傳動比i=1.7
5.3皮帶的選擇
按照工作原理的不同，帶傳動可以分為摩擦型帶傳動和嚙合型帶傳動。本設(shè)計(jì)選用了摩擦型帶傳動，根據(jù)傳動帶橫截面積形狀的不同，又可以分為平帶傳動，圓帶傳動，V帶傳動和多楔帶傳動。
在本次設(shè)計(jì)中，我采用了V帶傳動，因?yàn)閂帶傳動橫截面積呈等腰梯形，帶輪也做了相應(yīng)的輪槽，可以提供更大的摩擦力，另外V帶輪允許的傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊，大多數(shù)V帶已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。因此選用了這種V帶輪。
1. 確定計(jì)算功率
由機(jī)械設(shè)計(jì)表8-7查得工作情況系數(shù)：=1.1，故
==1.1*0.55kw=0.605kw
2. 選擇V帶的帶型
根據(jù)和轉(zhuǎn)速,選用A型。
3. 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速v
1)初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑。由機(jī)械設(shè)計(jì)表8-6和表8-8，取小帶輪的基準(zhǔn)直徑=75mm。
2）驗(yàn)算轉(zhuǎn)速v，按照公式8-13驗(yàn)算帶的速度
因?yàn)?m/s
>S=1.6
（因計(jì)算精度較低，材料不夠均勻，故選取s＝1.6）
故該軸在截面V左側(cè)的強(qiáng)度也是足夠的。因無大的瞬時(shí)過載及嚴(yán)重的應(yīng)力循環(huán)不對稱性，故可略去靜強(qiáng)度校核。
5.5送絲嘴運(yùn)動分析計(jì)算
如圖，這是送絲嘴的兩種不同的狀態(tài)，各種數(shù)據(jù)如上圖，大致原理如下：由電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過皮帶來帶動第一根軸的轉(zhuǎn)動，通過軸上面的凸輪帶動滾子轉(zhuǎn)動，然后由于滾子滾動的軌跡來帶動連桿機(jī)構(gòu)的擺動，從而使送絲嘴能夠周期性的經(jīng)行送絲，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。
傳動路程：電動機(jī)—小帶輪—大帶輪—軸—凸輪—滾子—連桿機(jī)構(gòu)—送絲嘴
圖22
由小帶輪的直徑D1=75mm，大帶輪的直徑D2=125mm.
由公式，N1*D1=N2*D2，則有N2=0.6N1.
所以軸上面轉(zhuǎn)速和大帶輪一樣，為N2；N2=834r/min 則N1=1390r/min
凸輪的半徑R0=36mm，故凸輪的線速度
滾子的線速度，
則滾子的角速度
在初始階段時(shí)，滾子速度和第二軸軸心連線的夾角
則有
則有
在末端時(shí)，滾子速度和第二軸連線的夾角
則有
5.6 送鋁片運(yùn)動分析計(jì)算
在植毛機(jī)的運(yùn)動中，通過凸輪及連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)送鋁片，大致過程如下：首先通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動來帶動第一根軸的轉(zhuǎn)動，由軸上的凸輪的轉(zhuǎn)動來帶動滾子的轉(zhuǎn)動，而滾子是連桿機(jī)構(gòu)的一部分，通過固定軸的轉(zhuǎn)動和連桿的形狀來表現(xiàn)出送鋁片的運(yùn)動，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。
傳動路程：電動機(jī)—小帶輪—大帶輪—軸—凸輪—滾子—連桿機(jī)構(gòu)—送鋁片
由上面可知，小帶輪的直徑D1=75mm，大帶輪的直徑D2=125mm.
由公式，N1*D1=N2*D2，則有N2=0.6N1.
所以軸上面轉(zhuǎn)速和大帶輪一樣，為N2；N2=834r/min 則N1=1390r/min
凸輪的半徑R0=44.5mm，故凸輪的線速度
.滾子的線速度，
則滾子的角速度
經(jīng)設(shè)計(jì)，滾子圓心和軸的圓心距離L1=89.5mm。
由solidworks可知
螺紋桿與兩中心的夾角為14.2°
軸中心與螺紋桿的距離mm
圖23
在初始狀態(tài)時(shí)，則有
則有
圖24
在末端時(shí)，如圖所示，推桿與兩中心直線之間的夾角為30.6°
螺紋桿與中心直線的夾角為12.4°
則有
在通過機(jī)構(gòu)傳到送鋁片的時(shí)候結(jié)構(gòu)如圖。L3=95.3mm，L4=131mm
則有
算出
同理
算出
5.7 鋁片切斷運(yùn)動分析計(jì)算
如圖，這是在鋁片切斷時(shí)候的初始狀態(tài)。
圖25
此時(shí)，滾子的速度與兩中心直線的夾角為33.38°兩中心的距離L5=94.51mm，切斷桿的速度與兩中心的夾角為1.88°，之間的距離L6=42.5mm。
則有
得出
在末端時(shí)，如圖所示，滾子的速度與兩中心直線的夾角為28.40°兩中心的距離L5=94.51mm，切斷桿的速度與兩中心的夾角為0.21°，之間的距離L6=42.5mm。
圖26
則有
得出
5.8 送絲凸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.8.1送絲凸輪的基本尺寸
根據(jù)設(shè)計(jì)的植毛機(jī)機(jī)構(gòu)，確定凸輪的基圓半徑r0=36mm，推桿滾子半徑為r1=16mm，其次是要選擇推桿的運(yùn)動規(guī)律，植毛機(jī)凸輪的工作條件是高速輕載，應(yīng)選用和較小的運(yùn)動規(guī)律，以保證推桿運(yùn)動的平穩(wěn)性和工作精度。推程轉(zhuǎn)角和回程角分別為100°和140°;遠(yuǎn)休止段半徑為50.60mm,轉(zhuǎn)角20°;近休止段半徑為36mm,轉(zhuǎn)角100°，根據(jù)機(jī)械原理書表可得，對送絲凸輪的運(yùn)動規(guī)律可選用正弦加速度運(yùn)動規(guī)律，回程運(yùn)動規(guī)律可選用五次多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律。
5.8.2送絲凸輪的理論輪廓
對于對心直動滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪的理論輪廓坐標(biāo)中的e=0，s0=r0，求得
，
公式中，位移s應(yīng)分段計(jì)算
（1）推程階段
（2）遠(yuǎn)休止階段
（3）回程階段
（4）近休止階段
5.8.3送絲凸輪的工作輪廓
由機(jī)械原理公式9-17得
其中：
（1）推程段
（2）遠(yuǎn)休止階段
（3）回程階段
（4）近休止段
最后利用solidworks來進(jìn)行繪畫，凸輪的輪廓曲線如圖
圖27
5.9 本章小結(jié)
本章對植毛機(jī)進(jìn)行了總體方案的設(shè)計(jì)和選擇，確定了植毛機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，并對植毛機(jī)的原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。對一些重要的零件的選擇和軸的校核進(jìn)行了必要的計(jì)算，對一些機(jī)構(gòu)的傳動和速度進(jìn)行了計(jì)算，并對送絲凸輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)，根據(jù)植毛機(jī)送絲的要求進(jìn)行了凸輪機(jī)構(gòu)分析，用解析法進(jìn)行了必要的計(jì)算，得出工作輪廓和理論輪廓的方程。
第六章 植毛機(jī)控制系統(tǒng)
6.1牙刷植毛機(jī)數(shù)控系統(tǒng)工作原理及其總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
牙刷植毛機(jī)是以單片機(jī)及PLC為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心,驅(qū)動X、Y兩軸做插補(bǔ)運(yùn)動的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)。整套系統(tǒng)中包含電源變壓器、單片機(jī)系統(tǒng)、三菱PLC、鍵盤及液晶顯示屏、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器、高精度X、Y方向運(yùn)動平臺、控制軟件等。
在牙刷植毛機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,我們采用的是模塊化設(shè)計(jì)方法,把整個(gè)系統(tǒng)分解為若干個(gè)具有相對獨(dú)立功能的子系統(tǒng),形成不同的功能模塊,以提高產(chǎn)品的開發(fā)速度,快速響應(yīng)市場需求;同時(shí)希望提高產(chǎn)品的質(zhì)量、性能并降低成本。牙刷植毛機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總模塊設(shè)計(jì)如圖所示
圖28
系統(tǒng)控制原理流程圖如下
圖29
6.2 PLC 控制電路圖
PLC 控制電路圖
圖30
6.3 I/O擴(kuò)展電路
圖31
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致謝
經(jīng)過這幾個(gè)月的時(shí)間，從一開始的選題，從前期材料的收集，資料的選擇，外文的翻譯，實(shí)習(xí)報(bào)告等等，再到裝配圖，工程圖的繪制，再到從論文的撰寫，從寫稿到反復(fù)修改，在寫作論文的過程中心情是如此的復(fù)雜，在這期間經(jīng)歷了喜悅、聒噪、痛苦和彷徨。如今，經(jīng)過三個(gè)月的忙碌和工作，終于迎來了收獲。我所選擇的論文題目接近了尾聲，在揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院學(xué)習(xí)了四年，學(xué)到了不少的知識和經(jīng)驗(yàn)，可是作為一名本科生，經(jīng)驗(yàn)和實(shí)力難免有很多的不足，有很多不會和考慮不周的時(shí)候，如果沒有竺老師的輔導(dǎo)，沒有他的監(jiān)督和耐心的講解，沒有同學(xué)們一起討論，學(xué)習(xí)和交流，想要完成此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)師很難想象的。
首先，我想我最應(yīng)該感謝的是我的指導(dǎo)老師，竺志大老師，他作為一名優(yōu)秀的高級工程師，有著豐富的經(jīng)驗(yàn)和高深的專業(yè)的知識，在我從初期的資料收集，外文翻譯，開題報(bào)告的撰寫和畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，從一開始到最后，始終有他的幫助，他始終用一種深入淺出的方式在教導(dǎo)著我，每次我去找老師問問題的時(shí)候，他總是不耐其煩的一步步的教導(dǎo)我，在不懂得時(shí)候都再一次的和我解釋。在這段時(shí)間內(nèi)，我學(xué)到了不少關(guān)于植毛機(jī)的知識。再次，真摯的感謝竺老師對我的幫助和鼓勵(lì)。
除了竺老師外，還得感謝艾薩克公司的王總和姚工程師，在我們?nèi)スS參觀和學(xué)習(xí)的時(shí)候，是他們給予了我很多關(guān)于植毛機(jī)設(shè)計(jì)方面的知識，正是有了他們給的初期的資料和對我的指導(dǎo)，我才能夠繼續(xù)的完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，才能夠如此順利的完成我自己設(shè)計(jì)的內(nèi)容，感謝他們，感謝老師和前輩對我的指導(dǎo)。
還要感謝和我一起的劉同學(xué)，我們一起討論畢業(yè)設(shè)計(jì)的各個(gè)流程如何才可以更加有效率的完成，在交流的過程中，有了許多對知識的了解和熟悉，同時(shí)也對我的論文給了很多建議和參考，對此表示感謝。
最后，我得感謝對我在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中所有幫助過同學(xué)，老師以及師傅們。有了你們的幫助，我最后的論文才可以完成。我一定帶著你們的期望和鼓勵(lì)在今后的學(xué)習(xí)和工作中，不斷的努力，不斷的學(xué)習(xí)，讓自己在機(jī)械行業(yè)成為一位出色的工程師。
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