沈恒宇，管鋒，胡書闖，劉昊，高睿成

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一種新型黃紙折紙機(jī)的研制

沈恒宇，管鋒，胡書闖，劉昊，高睿成

（長江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

為了解決黃紙紙質(zhì)粗糙柔軟，不易加工的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型黃紙折紙機(jī)，具有自動(dòng)進(jìn)紙、分紙、折紙等功能，通過SolidWorks三維建模軟件建立折紙機(jī)的整體結(jié)構(gòu)以及模擬工作過程，用AutoCAD對(duì)關(guān)鍵零件尺寸的設(shè)計(jì)，然后通過MATLAB工程分析軟件分析關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)與性能，反復(fù)模擬得出折紙機(jī)折紙的最佳效果。在工廠制造樣機(jī)，再通過現(xiàn)場折紙的試驗(yàn)表明該黃紙折紙機(jī)的折紙速度較快、方便折疊，并且減少了折紙過程中產(chǎn)生的粉塵，保證了折紙工人的身體健康。

燒紙；自動(dòng)折紙；分紙機(jī)構(gòu)

目前國外所研究比較成熟的折紙機(jī)大都是濾清器芯紙折紙機(jī)、藥品和食品紙盒折紙機(jī)、面巾紙折紙機(jī)、辦公折紙機(jī)等[1-2]，這些折紙機(jī)并不適合加工紙質(zhì)粗糙、質(zhì)軟的黃紙[3]，同時(shí)也不能滿足黃紙的規(guī)格尺寸要求。

本文旨在介紹一種新型折紙機(jī)，其在電機(jī)控制下使用新型絞龍葉片和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)分紙和折紙的功能，從而提高折紙速度，達(dá)到高度自動(dòng)化作業(yè)水平，減少人力的使用。

1 功能分析

該新型折紙機(jī)應(yīng)具有進(jìn)紙、分紙、折紙等功能，并具有合理的尺寸和運(yùn)行空間以及美觀的設(shè)計(jì)構(gòu)架。

自動(dòng)進(jìn)紙功能應(yīng)減少人力操作，每個(gè)間隔時(shí)間進(jìn)多少數(shù)量的紙，以及判斷進(jìn)入的紙是否合格等都由裝置來完成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)智能化進(jìn)紙。設(shè)計(jì)間歇式電機(jī)和皮帶輪來實(shí)現(xiàn)此部分運(yùn)轉(zhuǎn)，自動(dòng)進(jìn)紙的電機(jī)部分還設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制電路來調(diào)整電機(jī)的工作速度，可根據(jù)季節(jié)性需求來增減黃紙的生產(chǎn)量。

分紙功能是根據(jù)工廠實(shí)際需求、為盡可能減少機(jī)器的復(fù)雜度而設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)，一方面減少電控方面的復(fù)雜度，也便于各個(gè)部分的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，另一方面，分紙過程中會(huì)出一些粉塵，所以設(shè)計(jì)時(shí)需注意盡可能不引起粉塵的飛揚(yáng)，以提高裝置的使用壽命，也減少空氣的粉塵污染。

折紙功能的設(shè)計(jì)滿足高效率并且不會(huì)出現(xiàn)卡紙、堵塞等狀況，也能滿足有利于生產(chǎn)環(huán)境的要求。此部分主要由橡膠輪來對(duì)紙張進(jìn)行折疊，由于橡膠輪的平穩(wěn)滾動(dòng)，燒紙?jiān)谡郫B過程中不會(huì)產(chǎn)生粉塵，通過控制兩對(duì)橡膠輪速度的變化可以提高折紙效率。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)工廠需求以及對(duì)黃紙的調(diào)查研究，提出如下兩種方案可實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果。

方案一：如圖1所示，將折紙機(jī)整體結(jié)構(gòu)分為送紙、分紙、折紙三個(gè)部分。送紙機(jī)構(gòu)主要是由一個(gè)可以調(diào)節(jié)角度的傾斜的送紙軌道和送紙傳送帶組成；連續(xù)的紙張放在傾斜軌道上，利用重力作用擠壓紙張，保證紙張豎直以便氣缸活塞桿插入紙張中拉動(dòng)紙張進(jìn)行均勻分離；已經(jīng)分離的紙張隨著豎直氣缸活塞繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過兩對(duì)橡膠輪的擠壓后對(duì)折成型；成型紙張利用慣性進(jìn)入后部傳送帶，進(jìn)入包裝捆扎部分，完成整個(gè)流程。

方案二：機(jī)器的整體設(shè)計(jì)同樣分為三個(gè)部分，如圖2所示。

1.長斜板 2.進(jìn)紙軌道 3.傳送帶側(cè)板 4.橡膠輪軸承板（上） 5.活塞桿 6.軸承座 7.氣缸 8.氣缸座 9.氣缸固定板 10.出紙口擋板 11.機(jī)架 12.出紙軌道 13.檔桿 14.橡膠輪 15.出紙皮帶輪 16.減速帶 17.機(jī)座 18.51K120RA-C電機(jī)電 19.捻鈔輪電機(jī)固定板 20.51K120RA-C電機(jī) 21.E型連接板 22.聯(lián)軸器 23.切紙板氣缸 24.120W調(diào)速電機(jī) 25.橡膠輪軸承板（下） 26.直角連接件

1.傳送帶側(cè)板 2.旋片固定桿 3.減速輪 4.51K120RA-C電機(jī) 5.皮帶輪 6.絞龍葉片 7.減速齒輪 8.齒輪軸 9.切紙刀 10.接紙架 11.接紙盒 12.橡膠輪軸 13.橡膠輪 14.滑套 15.滑桿 16.皮帶輪 17.51K40RA-C電機(jī) 18.機(jī)架 19.送紙皮帶 20.中間盤 21.折紙固定板 22.出紙皮帶輪 23.進(jìn)紙皮帶輪 24.電機(jī)墊板 25.電機(jī)座 26.51K40RA-C電機(jī) 27.連接扣

送紙部分有小型可調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)，送紙軌道兩側(cè)分別有擋紙板，可以使紙?jiān)谶\(yùn)送到分紙結(jié)構(gòu)前始終保持直立狀態(tài)；分紙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出一種新型的絞龍葉片結(jié)構(gòu)，絞龍葉片通過螺旋式結(jié)構(gòu)葉片的旋轉(zhuǎn)分出一沓一沓整齊均勻厚度的紙；分出的紙通過三桿式送紙機(jī)構(gòu)，將紙送至橡膠輪正上方；同時(shí)切刀垂直向下運(yùn)動(dòng)將接紙盒里的紙從中間對(duì)折并壓入到橡膠輪中，通過輪與輪之間的擠壓與摩擦將黃色燒紙對(duì)折完成并輸送到打包機(jī)里。

通過對(duì)市場的調(diào)查以及其他類型的折紙機(jī)所存在問題的研究，初步選擇方案二。方案二較方案一來說，折紙效率更高而且運(yùn)行平穩(wěn)，不容易出現(xiàn)破紙現(xiàn)象，其尺寸也滿足工廠的需求，方案一占地面積過大。對(duì)方案二作進(jìn)一步研究，經(jīng)過大量的模擬實(shí)驗(yàn)分析，然后在初步構(gòu)思的基礎(chǔ)上，再對(duì)工廠需求的調(diào)研考察中獲取一些基本的數(shù)據(jù)后，此時(shí)方案已確立。接著利用三維模型軟件建立原始機(jī)構(gòu)模型反復(fù)進(jìn)行運(yùn)行模擬[4]，在SolidWorks中建立零件簡體模型，進(jìn)一步細(xì)化制作出實(shí)體模型，初步將整個(gè)裝置分為兩個(gè)部分，左邊區(qū)域是送紙機(jī)構(gòu)、分紙機(jī)構(gòu)和整個(gè)裝置的控制電路的放置區(qū)，右邊區(qū)域主要是折紙機(jī)構(gòu)，同時(shí)每個(gè)機(jī)構(gòu)區(qū)域留出小部分空間以便對(duì)該裝置功能優(yōu)化及智能化。

2.2 送紙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

送紙機(jī)構(gòu)由減速電機(jī)、傳送帶、擋紙板組成，電動(dòng)機(jī)軸與同步輪之間采用鍵連接的方式傳遞動(dòng)力，皮帶一端與電動(dòng)機(jī)同步輪連接，另一端連接傳送帶同步輪，傳送帶同步輪與傳送帶主動(dòng)輪連接，紙張可以連續(xù)勻速傳遞到分紙機(jī)構(gòu)里。

2.3 分紙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

分紙機(jī)構(gòu)的絞龍葉片材料為45鋼，主要由兩片葉片通過芯軸連接在一起，組成一個(gè)螺旋式結(jié)構(gòu)，兩片葉片之間距離最大為3 mm。通過大量計(jì)算和對(duì)裝置整體尺寸的評(píng)估，絞龍葉片尺寸設(shè)計(jì)如表1所示[5]。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出絞龍葉片，如圖3所示，每轉(zhuǎn)可傳送3 mm厚的紙張，絞龍葉片一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以分紙動(dòng)作不間斷，很大程度上提高分紙的效率，同時(shí)絞龍葉片邊緣是圓弧狀，在與紙接觸過程中不易劃破紙張，從而減少不必要的浪費(fèi)，且葉片旋轉(zhuǎn)速度中等、平穩(wěn)，不易引起粉塵飛揚(yáng)。

表1 絞龍葉片尺寸表

圖3 絞龍葉片

2.4 折紙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

用SolidWorks設(shè)計(jì)出如圖4的三桿機(jī)構(gòu)折紙模型[6-7]。

圖4 三桿機(jī)構(gòu)圖

通過計(jì)算和SolidWorks motion仿真并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析[8-9]，從切刀的軌跡運(yùn)行圖和角位移圖，可以看出切刀往返運(yùn)動(dòng)的幅度不大，大約在-27°～5°之間，這樣可以減少整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的空間量，并且提高套桿的使用壽命。用MATLAB對(duì)擺桿的角速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬計(jì)算，得出擺桿的角速度每秒在4°～10°，處于中等水平，桿件運(yùn)行速度平緩，避免了速度大致使切刀對(duì)紙的 破壞，提高折紙的質(zhì)量，同時(shí)也提高了工作效率和產(chǎn)量，另一方面中等速度減少了零部件之間的磨損，降低切刀的運(yùn)動(dòng)慣性，提高機(jī)器的使用壽命，從而提高工作質(zhì)量。

2.5 機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架采用一種新型鋼材，便于拆裝而且穩(wěn)定性好，適用于這種調(diào)試機(jī)機(jī)架的構(gòu)建，不會(huì)造成鋼材的浪費(fèi)。結(jié)構(gòu)機(jī)架的各部分相互獨(dú)立，正常運(yùn)作時(shí)不互相影響，使整機(jī)易于拆卸和重新組裝，可在其工作的工廠中進(jìn)行組裝。

3 樣機(jī)測試

對(duì)加工完成的新型折紙機(jī)的樣機(jī)進(jìn)行測驗(yàn)，如圖5所示，接上電源后當(dāng)把切好的黃色燒紙放在進(jìn)紙道上，燒紙通過電機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳送到絞龍葉片中，緊接著絞龍葉片把紙從整體中分離出來，落入接紙盒中，然后接紙盒按照預(yù)先設(shè)計(jì)的運(yùn)行軌道把紙送到切刀的正下方進(jìn)行折紙，切刀把紙壓入橡膠輪中，把一沓紙折得整齊有序。在此過程中，各部分機(jī)構(gòu)運(yùn)行與預(yù)設(shè)結(jié)果誤差很小，無需工作人員進(jìn)行操作或監(jiān)察，形成高度自動(dòng)化作業(yè)，達(dá)到工廠生產(chǎn)的需求。

圖5 實(shí)物圖

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)研發(fā)的新型黃紙折紙機(jī)，涵蓋了送紙、分紙、折紙等機(jī)構(gòu)，通過對(duì)各部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與計(jì)算，得到了比較好的設(shè)計(jì)模型，符合工廠實(shí)際生產(chǎn)過程的需要。

（2）通過現(xiàn)場測試，設(shè)計(jì)的黃紙折紙機(jī)達(dá)到預(yù)期的穩(wěn)定運(yùn)行、高效率折疊的生產(chǎn)效果，折出紙張整齊勻稱，并且省時(shí)省力，高效便捷，不會(huì)產(chǎn)生粉塵，可以直接應(yīng)用于商業(yè)化生產(chǎn)。

[1]山西貴友自動(dòng)化設(shè)備有限公司. 多功能折紙機(jī)，CN201621412490.7[P]. 2017-06-27.

[2]金旺. 日推出超高速折紙機(jī)[J]. 中國印刷物資商情，2003（12）：32.

[3]聶晶. 中國人的清明祭品反映當(dāng)下購物潮流[J]. 中國民政，2014（5）：57.

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A New Paper Folding Machine for Paper Money

SHEN Hengyu，GUAN Feng，HU Shuchuang，LIU Hao，GAO Ruicheng

( School of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023, China )

The paper-money is rough and soft which causes lots of difficulties to process. In order to solve this problem, a new type of paper-money folding machine is designed, which has functions of automatic paper feeding, paper separation and paper folding. By following SolidWorks 3D modeling software, AutoCAD drawing software and MATLAB engineering analysis software's framework practice, dimension design and process simulation, this machine successfully passed the phase of trial test and showed its feasibility and practicality. This machine will increase the level of automation and improve production environment. At a result, this machine will safeguard the health of employees by reducing direct contact between the harsh working conditions workers and them.

paper money；automatic paper folding；paper separation mechanism

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.012

1006－0316 (2018) 12－0041－04

2018－03－26

湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃訓(xùn)練項(xiàng)目（104892016062）

沈恒宇（1994－），男，江蘇徐州人，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。

管鋒（1976－），男，山西懷仁人，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。