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1、第一章 绪论 1.1 课题的研究背景和意义随着市场经济的不断发展，不断增长的多样化需求，使包装生产企业面临着生产多品种、多规格包装产品的压力。如图1所示，单一生产线将转变为多品种的混合型包装生产线。混合包装生产线复杂性和有效性在很大程度上与参与混合的不同包装间的相似程度有关，相似度越高，则复杂性越低，有效性越高，明智的设计者，必然选取相似度较高的不同包装组成自己的生产线。图1 混合型包装生产线 石英板性能好，如图2所示，石英板耐磨抗压，可抵抗起重设备运行的磨损，石英抗化学性，对中度酸、碱溶液、清洁剂等化学物质有良好的抗化性，石英板耐污染，防滑、防尘、防火、防噪音、防静电。图2 石英板石英板优点
2、及性能，具有防静电持久、耐老化、耐腐蚀、防水性能，可以直接贴在地面上，也可贴在高架地板上使用，能大大减少人们在行走及搬运设备过程中产生噪音，便您在舒适、宁静的机房环境中发挥您的想象力及创造力。石英板应用广泛，石英板制作作为中国的优势产业参与国际市场的竞争。目前国内许多家大、中型石英板生产厂的规模在不断扩人，需要各种类型的自动化石英板生产和包装设备，如图3所示，力求改变手工操作的传统加工方式，以提高产品质量，并使石英板的生产过程符合GMP(GoodManufacturingPractice石英板制造及质量管理标准)标准。图3 人造石英板生产线目前，在自动化石英板生产和包装设备方面己经形成一个几十
3、亿元的市场容量。但是，目前国内外尚没有形成专门研制高级自动化石英板生产和包装设备的专业企业。目前国内大、中型石英板生产企业的生产规模迅速扩大，有的公司还瞄准了国际市场，他们都急需一流现代先进的生产技术及自动化生产和包装设备，力求改变手工操作的传统加工方式，使石英板生产过程满足GMP标准。现今，已经在石英板新工艺加工等自动化石英板生产和包装设备方面形成一个几十亿元的大市场，这些市场有如下3个特点:1、石英板市场竞争的焦点是提升产品的技术含量和质量水准、采用现代化工成熟技术及自动化生产和包装设备，以增强产品竞争能力。但是，国内、外大型机械设备制造企业并不想为石英板企业单台套研制生产线，小的设备制造
4、厂又缺乏综合科技实力，从而形成高级石英板设备少有人研制的空白状况。2、许多带有中国特色产品的石英板加工工艺不能使用通用加工设备实现。3、许多石英板厂关键设备改造更新时，时间要求紧，质量要求高，多属单台套开发制造，因而需要很大投资。例如某制药公司投资开发研制的两套设备，对设备的体积、结构、材料、外观、自动化水平和生产速度都有极高要求，投资高达二百多万元。胶带封边和成品经传送部分送出部分是石英板全生产线中的核心设备，它直接影响到整套设备的总体生产效率与精度。因此胶带封边和传送装置自动生产线的设计和改进就显得尤为重要。由于本项目的石英板包装要求很高，而市场上出售的传感器均不能满足该项目要求，因此研制
5、出一批新型组合式光电计数器，精度很高，抗干扰性极强，既经济又实用。本课题研制的产品在工厂投产以后，一定会有很人的市场发展前景，并用有限的资金创造出巨大的社会效益。现在该封边装置和传送机构模型己经制作成功，并调试完毕。本课题项目完成后，将大大改善石英板工厂人的劳动强度、降低原料消耗、减小生产成本、提高劳动生产率、增加石英板公司利润以及在保证产品质量等方面有重大意义。1.2 国内外研究现状石英板包装设备的自动化程度直接影响到石英板厂的经济效益和石英板厂的形象，所以自动化高的设备在市场上极具竞争力。通过多次参观大型石英板包装展览会，对当今世界石英板包装的现状，对世界石英板包装技术的发展和前景都有较深
6、入的了解。目前国外包装机械发展极为迅速，如松野包装机械、西斗门膜工业有限公司等制造厂的产品都证明了这一点，如图4所示。图4 石英板包装机械国内用户较多的石英板设备制造厂还有：荷兰克拉玛公司、西安亚德工业自动化有限责任公司、上海恒谊设备制造厂、瑞安市华立机械厂等。虽然国内的大型石英长厂在石英板研制方面己经有了一部分自动化设备，例如大十力有限责任公司，己经研制成功了一种半自动化石英板包装设备，如图5所示，而我们的目的是在此基础上实现更高级的全自动化生产线。图5 半自动化石英板包装设备根据多次的国内调研，可以得到如下结论：1、目前，石英板包装机械主要集中在泡罩封装、水剂封装装等通用设备上，这些石英板
7、的绝打部分设备适用于等石英地板的包装形式，要求石英板之间空隙小、携带方便、易于保管、防潮性好及开封性好等。2、虽然目前石英板在装盒、装箱等工序都可以使用通用包装设备，但是其它许多工序都只能用手或非自动设备生产。3、石英板包装机械朝着通用化、专用化方向发展，许多包装设备采用万能下料装置，使机器适合于各类型板材包装。而另外许多包装机则只针对某一种或某一类板材，所以可以做到体积小、结构简单、操作方便，但是功能单一，不能在一台机器上完成多工序任务。4、电气控制微机化，石英板包装机械普遍采用可编程(PLC)作为核心控制器，通过传感器检测各部位状态，经过PLC处理后再控制执行机构动作，这就简化了机械、电气
8、结构，可靠性大大提高。5、石英板机器结构合理且坚固，高级设备的表面大都采用铝合金外包或喷塑，外表美观大方，但紧凑性不够，体积较大。6、从整体来看，国内石英板的包装机械水平较高，基本上接近了国际水平，石英板包装行业发展也极为迅速，已经成为一个主流行业。但是，在石英板包装行业中，国内行业与国外行业的主要差距在于包装机械和装盒机械使用不够广泛。究其原因有二：一是各厂石英板生产规模有限；一是市场包装机的生产速度不高。例如，国内几家主要包装设备，只要达到100瓶/分的生产速度时，都会产生相当人的机械噪声和电气噪声。1.3 生产线包装和出料的设计思路整套设各采用全自动原则，因此要求设计思想应实现整体化、模
9、块化、集成化、开放式设计。1、整体化设计：该设备为一套全自动生产线，因而要求各环节联系非常紧密，从自动封装到自动出料是一条生产线，各工位间有较严密的时序逻辑关系，要求具有同步性，一旦某个工作环节脱节，将会使整条生产线的运行产生瓶颈效应，直接影响到公司的生产效益。2、模块化设计：整套设备可分为两大部分，机械部分和自动控制部分，自动控制部分可分为检测和控制两大模块。检测模块由计数和物位传感器组成，控制模块由单片机、PC机及触摸屏等构成，各模块之间相对独立,便于检测和调试。3、集成化设计：在一台设备上实现多个工序的操作，尽量减少传送环节，在一台设备上几个瓶同时包装。4.开放式设计思想：广泛开展市场调
10、杳、技术调研及资料收集工作，尽量选用标准件和较成熟的理论及技术。这样，避免了重复设计，减少了研制周期，便于了解世界包装技术的动态，使得设计研制的成果达到国内领先水平。该设备主要特色及创新为如下几点:1、全套生产线属机、光、电、气和计算机一体化设备。主要控制部件采用国内外优质名牌产品，以确保长期运行中的高精度和高可靠性。2、全新的包装线设计模式：设备采用多排式并行结构，将10条包装线集合在一台主机上。这样的设计，优化了结构，提高了生产速度，实现工位间的材料直接传递。3、保证精度，先利用机械上料系统，达到定量板上具有100%的封装率，使次封装不少于5块石英板。4、设备效率高，效益大，每天装板1万块
11、，单台设备的下线产品总价值近200万元，效率比人工提高40倍以上。5、采用模块化设计，调整和更换部件简单方便，缩短故障停机时间。6、采用气动排板法，由于石英板重量比较大，不容易移动，因此为保证封装率，必须设计高效方法，并且此种方法属国内创新。1.4 生产线间歇机构简介有些机械需要其构件周期地运动和停歇，能够将原动件的连续转动转变为从动件周期性运动和停歇的机构，称为间歇运动机构。例如牛头刨床工作台的横向进给运动，电影放映机的送片运动等都用有间歇运动机构。间歇运动机构可分为单向运动和往复运动两类。常见的间歇运动机构有：凸轮机构、棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构。1、凸轮机构。如图6所示，凸轮机构
12、实现间歇运动最简单，只要把凸轮的某一部分设计成圆形，则凸轮半径没有改变，而顶杆也就没有位移，即没有动作。图6 凸轮机构2、槽轮机构。如图7所示，一个带槽的槽轮与一个带圆销件的机构组成。当圆销插入槽轮的槽中，带动槽轮转动，而圆销离开槽时，槽轮停止转动。图7 槽轮机构3、棘轮运动。杆左移，棘爪推动，棘轮转动，当杆右移时，棘爪滑动，棘爪的作用是防止棘轮转动。图8 棘轮机构4、不完全齿轮。即用一个没有布满圆周的齿轮做主动轮，则没有齿的一段圆弧就不会带动从动轮转动，而实现间歇运动。图9 不完全齿轮机构1.5 虚拟样机与运动仿真虚拟样机技术是上世纪80年逐渐兴起、基于计算机技术的一个新概念。从国内外对虚拟
13、样机技术 (Virtual Prototyping, VP)的研究可以看出，虚拟样机技术的概念还处于发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义。一般来讲，虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法。产品设计过程中进行虚拟样机制造和运动仿真，对于提高产品质量和降低成本具有重要的作用。本文将对凿岩机行走机构进行实体建模，制造虚拟样机，同时进行运动仿真。虚拟样机制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究
14、和应用。在这一领域，美国处于国际研究的前沿，福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术，大大缩短了产品的发布时间。波音公司设计的777型大型客机(如图10)是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机，它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。图10 777型大型客机 基于产品的数字化模型，应用先进的系统建模和仿真优化技术，虚拟制造实现了从产品的设计、加工、制造到检验全过程的动态模拟(如图11)，并对其运作进行了合理的决策与最优控制。虚拟制造以产品的“软”模型取代了实物样机，通过对模型的模拟测试进行产品评估，能够以较低的生产成本获得较高的设计质量，缩
15、短了产品的发布周期，提高了效率，本文将实现马尾纱包芯纱纺纱机样机的虚拟制造和动态仿真。图11 虚拟制造和动态模拟 1.5 本课题的研究任务为了在本项目完成后，使石英板的生产线和包装线实现产业化，本人在分析原来实验样机的基础上，制作出生产线包装和出料模型，并进行如下五项任务：1、做好调研，大量阅读文献，了解国内外的发展概况。2、设计总体方案，不断进行修改，直到满足生产工艺的要求。3、总体机构的优化，计算校核，确保机构安全合理工作。4、在设计好的基础上，进行三维实体建模，绘制二维工程图纸，为加工做准备。5、撰写毕设设计说明书。第二章 生产线包装和出料装置总体设计和计算2.1 包装和出料装置功能概述功能要求：石英板侧四周用宽单面胶带纸封边，包装后的成品板经传送装置送出。技术要求：1、板坯尺寸：1800mm 1000mm 12mm（长宽高）。2、板坯单板重量：80Kg。3、工序时间周期：2min；2.2 包装和出料装置总体方案设计根据功能要求，石英板包装和出料装置可以按以下思路进行设计：石英板在传送带上输送，同时需要进行包装，则传送机构和包装机构需要协调配合。因此，传送机构可以采用间歇机构，当将石英板送至包装位置时，停歇一定时间，包装机构进行包装，包装完成后，传送机构再开始运动，运动一段距离，出料机构将石英板拾起，同时装箱
