塑料餐具磨边机设计（函授本科）
第1章 绪论
1.1研究背景和意义
随着餐饮业，特别是快餐外卖行业的的快速发展，人们对塑料餐具的需求量也大大增加，使得塑料餐具行业也得到迅速的崛起。由于塑料餐具加工机械水平技术的不完善，大部分塑料餐具加工企业的生产能力和加工质量存在很大的问题。塑料餐具的生产加工商家都在为降低生产成本而费尽脑汁，工艺的改进也是迫在眉睫的事情。正如我们所知道的快餐行业正在快速发展，使得餐饮业中的塑料餐具需求量也就越来越大，如各种塑料碗、塑料盆、塑料组合餐具等占很大的比重。所以，高效、节能、环保型塑料餐具的开发使用对餐饮行业有着非常重要的意义。我国的餐具产业发展一直比较迅速，尤其是目前的塑料餐具产业，随着快餐外卖行业的日渐发展，其发展规模越来越大，发展前景也越来越好。磨边机是塑料餐盘加工的重要机器加工设备，磨边机的设计和制造有着非常严格的要求，便捷、省力的磨边机对于塑料餐具的加工有着重要的意义。然而我国塑料餐盘磨边工序大部分通过工人手工打磨完成，该方式生产效率低、工人劳动强度大、粉尘多，对工人身体健康危害较大，且磨边效果不稳定；少量采用磨边设备加工的，这正是由于我们生产的磨边机技术还不够成熟，不能大批量的生产，单件加工的效率根本不能满足我们的需要。设计一个自动塑料餐具磨边机就是为了决绝这一问题，本文所设计的塑料餐盘磨边机就是要提高磨边机的生产效率为量产的实现做铺垫。
本课题是一个关于塑料餐盘磨边机的一个结构设计，通过该课题的完成，能加强自身对机械设备的设计、制造工艺的了解以及理论结合实际的掌握，进而提升个人能力，在这同时由于课题涉及的知识面比较广，对个人而言是一个不小的挑战，这个挑战也将为能让自己更好的面对毕业后的工作，是对大学知识的总结，同时也是个人能力在实际应用中得到一次升华。
1.2国内外发展情况
随着材料技术的发展给与了塑料更多的应用场景，塑料餐具的应用也沾了大光可以有更多更好的材料。然而我国虽然这方面技术在突飞猛进的发展但跟发达国家还是有不小的差距，特别是塑料餐具的整体生产还不能与之相提并论。但这说明在这方面我国的发展空间是巨大的，还没有形成专业化的规模生产，有些领域甚至是空白的情况[1]。
现在我国使用的成品塑料餐具磨边机设备大多都依赖于进口。进口磨边机效率高，生产出来的产品成品率也比较高，比较能符合市场需求。这些磨边机主要是欧洲发达国家生产但是也有来自与发达的美国、及韩国台湾生产。进口塑料餐具磨边机的生产效率，加工精度也是国产机不能比拟的，机器自生的质量也非常好，但也不是那么的完美毕竟价格摆在那里进口的塑料餐具磨边机的价格比国产机要贵5到10倍不等[2]。现投产的塑料餐具磨边机大都依赖于进口，虽然能缓解一时的生产压力，但是随之而来的负面效应是我们所不愿意承担和支付的，依赖他人的技术导致国有自主研发企业发展十分缓慢，技术得不到提升，导致我国将长期摆脱不了这个自主研发的困境，而且进口设备的维修成本那是高昂的，设备的零件依然来源于进口，维护也只能请外国工程师。所以自主研发塑料餐具磨边机的任务迫在眉睫，这不仅仅能提高生产力，降低生产成本减少不必要的开支，我们应该抓住这次发展的好时机，而且现在快餐行业的迅猛发展市场的前景也越来越大[4]。
目前我国自主生产的塑料餐具磨边机自动化程度不是很理想，产品加工的稳定性不强，加工的精度也远远落后于进口的塑料餐具磨边机，但这并不能阻挡我国塑料餐具磨边机发展的迅猛趋势。
1.3 研究内容
塑料餐具磨边机设计是在现有磨边机发展的基础上，整合现有技术，实现可用于塑料餐具磨边的专用磨边机。
结合现有磨边设备，研究其工作原理，设计一款可代替人工的，高自动化程度的塑料餐盘磨边机在。塑料餐盘磨边机的设计包括动力源选择、传动装置设计、执行机构设计。本次设计主要研究磨边装置的设计，抛除可直接选型的取件和放件机械臂，重点设计磨边机构的传动装置与执行件部分。
第2章
设计方案的确定
2.1 磨边机作用
塑料餐具是我们日常生活中常常使用到的生活用具，它非常实用、好看、使用寿命还非常长久，越来越被人们所接受。被广泛用于快餐业及儿童饮食业等;由于塑料餐具是通过加热加压压制成型工艺制作而成，因此压制成型后的塑料餐具边缘处一般会出现不光滑的现象就是我们所说的飞边影响使用手感，我们应采取打磨的方式使得塑料餐具更加的美观实用边缘更加的光滑，但是如果我们采用人工打磨的话，速度必然不快对于生产加工来说这是不合理的，毕竟我们是用量产人工打磨容易照成餐具破裂，增加了制造成本，而却也得不到我们想要的美观实用的产品。
我所设计的磨边机是为了避免人工手动磨边带来的弊端而设计，磨边机运作前先把被加工的塑料餐盘放置在加工托盘，调整磨头位置，通过磨头电机驱动磨头转动，使得塑料餐盘可以磨削，去除飞边毛刺。
2.2塑料餐具磨边机总体方案确定
通过圆柱形磨头实现对塑料餐具磨边，由于塑料餐具是圆形的，磨边需要对塑料餐具全周进行磨边，因此需要塑料餐具能够绕圆周转动，或者磨头能够沿着塑料餐具边沿做圆周运动，本设计将固定磨头，使其只能自转，而使塑料餐具能够绕其几何中心转动。
使塑料餐具能够转动，因此需要使安放塑料餐具的托盘能够转动，本文设计的塑料餐具托盘转动的动力源为电机，电机通过涡轮减速机进行减速。塑料餐具在磨边的过程中，若没有防卡死装置，则工人在操作过程中存在安全隐患，因此在此设计带轮传动。及电机提供动力，通过涡轮减速机和带传动二级减速，来带动托盘转动，这样设计的好处，如果托盘发生卡死，则皮带能自动打滑，可以避免造成安全事故。
塑料餐具安放在托盘上是，需要塑料餐具随着托盘一起转动，这就要求，需要一个压紧机构将塑料餐盘压紧在托盘上，放置在磨边过程中，塑料餐具飞出。本文设计一个可以随着塑料餐具转动的气缸，通过气缸的伸缩来压紧，放松餐盘，实现餐盘的放取。如下图2-1所示。
图2-1磨边机主体机构
2.3选择驱动方式
塑料餐具磨边机的选取，应根据其性能要求、应用环境及作业要求、性能价格比以及其它因素综合加以考虑。由于所设计的塑料餐具磨边机对控制精度要求高，需实现高速，高灵敏的连续轨迹控制，同时考虑到绕线的成本，以及操作、安全性、环保、维修及使用等方面的综合因素，于是将驱动方式设计为电机驱动和气压驱动相结合的方式。
第3章
传动系统设计
3.1电机的选型
三相异步电动机在空气良好的或者要求简单的机械设备广泛使用，初步选择电动机为普通三相异步电动机Y90S-4型，电机参数如下：
功率：1.1KW 电压：380V 电流：2.7A
绝缘：B 噪音：67 dB(A) 转速 1440 r/min
Y90S-4型三相异步电动机耗电低，节能低碳环保，工作时声音小，震动也比较轻微，绝缘效果好，使用起来也比较安全 考虑到本机器体积小，功率消耗不大。只是旋转运动本设计使用场合一般没有特殊要求初步选择电动机为普通三相异步电动机Y90S-4型。
图3-1 电机
3.2蜗轮蜗杆减速器的选型
电机动力通过传出后，需要通过减速器减速根据结构采取输入轴与输出轴垂直的减速器，这样的减速器比较常见的有两种，一种是蜗轮蜗杆减速器它的传动比较大，而另一种就是圆锥齿轮减速器，该减速器传动比比较小由于前节选择的电动机的转速1440 r/min，转速比较高，而本设计的塑料餐具磨边机要求的转速非常的低。由《机械设计课程设计手册》吴宗泽编写可知蜗轮蜗杆减速器的传动比在十五到六十之间另一种减速器的传动比一般来说会小于或者等于五。显然在设计塑料餐具磨边机的时候的时候减速器我选择蜗轮蜗杆减速器。
本课题设计的塑料餐具磨边机对工作转速并没有严格的要求，根据产品工况来选择涡轮蜗杆减速器。蜗轮蜗杆减速机最大优点是传动比大、结构比较经凑。蜗杆传动的传动比一般为i=10-40，最大的话可以达到80左右。若只是单单的传递运动比如分度运动的话，他的传动比能高达1000左右。
一般涡轮蜗杆减速机工作的原理就是增加它的转矩，在某些特殊的情况之下还能作为增速器。蜗轮蜗杆减速机它是通过速度转换器把电机的速度降下来用这样的方式来正大他的转矩。
根据塑料餐具磨边机的需要在这选择CWS63型号的减速器
3.3 带传动计算
1）确定设计功率
公式 ： Pd=KAP （3-1）
式中： KA工作情况系数；
P所传递的功率KW；
由《机械设计基础》表7-8得，KA=1.2，故有：
Pd=1.32kw
2）选择V带的型号
普通V带的型号根据传动设计功率Pd=1.32kw，n=1440r/min，查《机械设计基础》图7-10应选用B型带。
3）确定带轮基准的直径d1，d2
由机械设计基础选取d1=140mm，则：
d2= d1=n1d1/n2=150mm （3-2）
验算带速v ：
v=v1=
d1n1/60000m/s=3.14*1460dd1/60000 （3-3）
=18.6m/s≤25m/s
带速在允许范围之内。
4）验算传动比误差
转动比： i= d2/d1=150/140 =0.97 （3-4）
原传动比： i =n2/n1=1460/1440 =0.96
δ=（0.97-0.96）/0.97=+2.2≤5%
在允许误差范围内。
5）确定中心距a及带的基准长度Ld
可设定中心距：ao=500mm，可以计算带长Ld0，由公式：
Ld0≈2a0+（dd1+ dd2） （3-5）
得
Ld0=2*500+1.57（140+150）+102/6000
=450mm
由资料选取Ld0=500mm
确定实际的中心距a，由公式：
a=500+100/2
=550mm
中心距调整范围：
amax=a+0.03Ld=550+0.03*3550=1656.5mm
amin=a-0.015Ld=550-0.015*3550=1496.75mm
=180-57．3°X0.01
=175.3°≥120°
所以合适。
其中查表得q=0.17kg/m带入数据，得：F0=256N
9）计算作用在轴上的压力Fz，由公式：
Fz≈2ZF0sina/2 （3-9）
得：Fz=2X3X sin180/2≈2136N
第4章
气缸的设计与选型
4.1气动技术
气动技术，全称气压传动与控制技术，在加工制造业领域越来越受到人们的重视。具有高效高速，成本低廉，环保，维护简单等特点。目前，是生产过程中使设备达到高度的自动化的简单手段之一，在机械化的进程中得到了前所未有的发展。气动技术食品包装技术的推进也起到了重要的作用。其高灵敏的的特征还使他广泛运用于工业机器人当中。
气动技术在农业，动物饲料生产，公共设施，塑料加工，化学工业等领域扮演着重要角色。在农业方面，在田间使用的机械设备在进行倾斜与旋转的时候有重要作用。在动物饲料生产方面，生产和包装饲料的设备拆卸，称量饲料，搅拌饲料，储存饲料的机械设备中都有应用。在公共设施方面，燃料的供给，水位的控制，控制阀的自动操作等等也应用广泛。在塑料加工方面，模压的关闭装置，成型和粘合装置，以及安全操作等起着重要作用。在化学工业，搅拌杆的调节，化学实验混合装置，控制阀的操作也有着重要意义。
气动技术利用充足且成本低廉的空气，加上性质稳定的惰性气体，使他们作为它的工作介质。这么做的目的是清洁环保，还可以远距离输送，应用场景广。但是空气的压缩性容易受到影响导致输出的力就比较小且稳定性不是很好。
4.2气缸的计算
4.2.1气缸负载
估算要驱动的负载大小为100N，考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响，并考虑到机械爪的质量。在研究气缸的性能和确定气缸的缸径时，常用到负载率β：
运动的速度v=50mm/s，取β=0.60，所以实际的气缸缸负载的大小为：F=F0/β=163N
4.2.2气缸内径的确定
表4.2 气缸内径确定公式
F为气缸的输出拉力 N；
P 为气缸的工作压力Pa=8Mpa
按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=80 mm
表4.3气缸缸径尺寸系列
| 8 | 10 | 12 | 16 | 20 | 25 | 32 | 40 | 50 | 63 | 80 | （90） | 100 |
| （110） | 125 | （140） | 160 | （180） | 200 | （220） | 250 | 320 | 400 | 500 | 630 |
由d=0.3D 估取活塞杆的直径 d=25 mm
表4.4 活塞杆直径系列（mm）
| 4 | 5 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 25 | 28 |
| 32 | 36 | 40 | 45 | 50 | 56 | 63 | 70 | 80 | 90 | 100 | 110 | 125 |
| 140 | 160 | 180 | 200 | 220 | 250 | 280 | 320 | 360 | 400 |
缸筒的长度S=L+B+30，L为活塞的行程，B为活塞额厚度：
活塞的厚度B=(0.61.0)D= 0.780=56mm，由于气缸的行程L=800mm ,所以S=L+B+30=886 mm
导向套滑动面的长度A:
一般导向套滑动面的长度A，在D<80mm时，可取A=(0.61.0)D；在D>80mm时, 可取A=(0.61.0)d。
所以A=25mm
最小导向的长度H：
根据经验，当气缸最大的行程为L，缸筒的直径为D，最小导向的长度为：H
代入数据 即最小导向长度H =80 mm
活塞杆的长度l=L+B+A+80=800+56+25+40=961mm
4.2.5气缸筒的壁厚的确定
由《液压气动技术手册》可查得气缸筒的壁厚能根据薄避筒计算公式进行计算：
式中：缸筒的壁厚（m），缸筒的内径（m），缸筒承受的最大工作压力（MPa），缸筒材料许用应力（MPa）。
实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍，再圆整到标准管材尺码。
参考《液压与气压传动》缸筒壁厚强度计算及校核,我们的缸体的材料选择45钢。
n为安全系数 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉强度(Pa)
P—缸筒承受的最大工作压力（MPa）。当工作压力p≤16 MPa时，P=1.5p；当工作压力p＞16 MPa时，P=1.25p
由此可知工作压力0.6 MPa小于16 MPa，P=1.5p=1.5×0.6=0.9 MPa=0.3mm
参照下表 气缸筒的壁厚圆整取 = 7 mm
表4.5 气缸筒的壁厚 （mm）
| 材 料 | 气缸直径 | |||||||
| 50 | 80 | 100 | 125 | 160 | 200 | 250 | 320 | |
| 壁 厚 | ||||||||
| 铸铁HT15~33 | 7 | 8 | 10 | 10 | 12 | 14 | 16 | 16 |
| 钢A3.45 | 5 | 7 | 8 | 8 | 9 | 9 | 11 | 12 |
| 铝合金 | 8~12 | 12~14 | 14~17 | |||||
v—空气流经进排气口的速度，可取v=1015 选
取v = 12 m/s由公式d0 = 2代入数据得：d0 = 14.014 mm。
表4.6 气缸进排气口直径 （mm）
| 汽缸内径D | 气缸进排气口直径d0 | |||
| 40 | 8 | |||
| 50 | 63 | 10 | ||
| 80 | 100 | 125 | 15 | |
| 140 | 160 | 180 | 20 | |
Q——工作压力下输入气缸的空气流量
V——空气流经进排气口的速度，可取v=1025）
4.3气缸的选型
根据以上的计算及设计的综合考虑选用缸径为10mm，行程为80mm的亚德客笔型气缸，代号为PB-10
80。
