一種新型黃紙折紙機的研制

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的研制

沈恒宇，管鋒，胡書闖，劉昊，高睿成

（長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023）

為了解決黃紙紙質粗糙柔軟，不易加工的缺點，設計了一種新型黃紙折紙機，具有自動進紙、分紙、折紙等功能，通過SolidWorks三維建模軟件建立折紙機的整體結構以及模擬工作過程，用AutoCAD對關鍵零件尺寸的設計，然后通過MATLAB工程分析軟件分析關鍵零件的結構與性能，反復模擬得出折紙機折紙的最佳效果。在工廠制造樣機，再通過現場折紙的試驗表明該黃紙折紙機的折紙速度較快、方便折疊，并且減少了折紙過程中產生的粉塵，保證了折紙工人的身體健康。

燒紙；自動折紙；分紙機構

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

本文旨在介紹一種新型折紙機，其在電機控制下使用新型絞龍葉片和曲柄滑塊機構分別實現分紙和折紙的功能，從而提高折紙速度，達到高度自動化作業水平，減少人力的使用。

1 功能分析

該新型折紙機應具有進紙、分紙、折紙等功能，并具有合理的尺寸和運行空間以及美觀的設計構架。

自動進紙功能應減少人力操作，每個間隔時間進多少數量的紙，以及判斷進入的紙是否合格等都由裝置來完成，實現自動智能化進紙。設計間歇式電機和皮帶輪來實現此部分運轉，自動進紙的電機部分還設計相應的控制電路來調整電機的工作速度，可根據季節性需求來增減黃紙的生產量。

分紙功能是根據工廠實際需求、為盡可能減少機器的復雜度而設計的機構，一方面減少電控方面的復雜度，也便于各個部分的協調運動，另一方面，分紙過程中會出一些粉塵，所以設計時需注意盡可能不引起粉塵的飛揚，以提高裝置的使用壽命，也減少空氣的粉塵污染。

折紙功能的設計滿足高效率并且不會出現卡紙、堵塞等狀況，也能滿足有利于生產環境的要求。此部分主要由橡膠輪來對紙張進行折疊，由于橡膠輪的平穩滾動，燒紙在折疊過程中不會產生粉塵，通過控制兩對橡膠輪速度的變化可以提高折紙效率。

2 結構設計

2.1 結構方案

根據工廠需求以及對黃紙的調查研究，提出如下兩種方案可實現預期結果。

方案一：如圖1所示，將折紙機整體結構分為送紙、分紙、折紙三個部分。送紙機構主要是由一個可以調節角度的傾斜的送紙軌道和送紙傳送帶組成；連續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紙張進行均勻分離；已經分離的紙張隨著豎直氣缸活塞繼續向后運動，經過兩對橡膠輪的擠壓后對折成型；成型紙張利用慣性進入后部傳送帶，進入包裝捆扎部分，完成整個流程。

方案二：機器的整體設計同樣分為三個部分，如圖2所示。

1.長斜板 2.進紙軌道 3.傳送帶側板 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.機座 18.51K120RA-C電機電 19.捻鈔輪電機固定板 20.51K120RA-C電機 21.E型連接板 22.聯軸器 23.切紙板氣缸 24.120W調速電機 25.橡膠輪軸承板（下） 26.直角連接件

1.傳送帶側板 2.旋片固定桿 3.減速輪 4.51K120RA-C電機 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 18.機架 19.送紙皮帶 20.中間盤 21.折紙固定板 22.出紙皮帶輪 23.進紙皮帶輪 24.電機墊板 25.電機座 26.51K40RA-C電機 27.連接扣

送紙部分有小型可調速電機帶動，送紙軌道兩側分別有擋紙板，可以使紙在運送到分紙結構前始終保持直立狀態；分紙機構設計出一種新型的絞龍葉片結構，絞龍葉片通過螺旋式結構葉片的旋轉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構，將紙送至橡膠輪正上方；同時切刀垂直向下運動將接紙盒里的紙從中間對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折完成并輸送到打包機里。

通過對市場的調查以及其他類型的折紙機所存在問題的研究，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行平穩，不容易出現破紙現象，其尺寸也滿足工廠的需求，方案一占地面積過大。對方案二作進一步研究，經過大量的模擬實驗分析，然后在初步構思的基礎上，再對工廠需求的調研考察中獲取一些基本的數據后，此時方案已確立。接著利用三維模型軟件建立原始機構模型反復進行運行模擬[4]，在SolidWorks中建立零件簡體模型，進一步細化制作出實體模型，初步將整個裝置分為兩個部分，左邊區域是送紙機構、分紙機構和整個裝置的控制電路的放置區，右邊區域主要是折紙機構，同時每個機構區域留出小部分空間以便對該裝置功能優化及智能化。

2.2 送紙機構設計

送紙機構由減速電機、傳送帶、擋紙板組成，電動機軸與同步輪之間采用鍵連接的方式傳遞動力，皮帶一端與電動機同步輪連接，另一端連接傳送帶同步輪，傳送帶同步輪與傳送帶主動輪連接，紙張可以連續勻速傳遞到分紙機構里。

2.3 分紙機構設計

分紙機構的絞龍葉片材料為45鋼，主要由兩片葉片通過芯軸連接在一起，組成一個螺旋式結構，兩片葉片之間距離最大為3 mm。通過大量計算和對裝置整體尺寸的評估，絞龍葉片尺寸設計如表1所示[5]。

根據表1數據設計出絞龍葉片，如圖3所示，每轉可傳送3 mm厚的紙張，絞龍葉片一直處于旋轉狀態，所以分紙動作不間斷，很大程度上提高分紙的效率，同時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，且葉片旋轉速度中等、平穩，不易引起粉塵飛揚。

表1 絞龍葉片尺寸表

圖3 絞龍葉片

2.4 折紙機構設計

用SolidWorks設計出如圖4的三桿機構折紙模型[6-7]。

圖4 三桿機構圖

通過計算和SolidWorks motion仿真并進行運動分析[8-9]，從切刀的軌跡運行圖和角位移圖，可以看出切刀往返運動的幅度不大，大約在-27°～5°之間，這樣可以減少整個機構運行的空間量，并且提高套桿的使用壽命。用MATLAB對擺桿的角速度進行運動模擬計算，得出擺桿的角速度每秒在4°～10°，處于中等水平，桿件運行速度平緩，避免了速度大致使切刀對紙的 破壞，提高折紙的質量，同時也提高了工作效率和產量，另一方面中等速度減少了零部件之間的磨損，降低切刀的運動慣性，提高機器的使用壽命，從而提高工作質量。

2.5 機架設計

機架采用一種新型鋼材，便于拆裝而且穩定性好，適用于這種調試機機架的構建，不會造成鋼材的浪費。結構機架的各部分相互獨立，正常運作時不互相影響，使整機易于拆卸和重新組裝，可在其工作的工廠中進行組裝。

3 樣機測試

對加工完成的新型折紙機的樣機進行測驗，如圖5所示，接上電源后當把切好的黃色燒紙放在進紙道上，燒紙通過電機的運動傳送到絞龍葉片中，緊接著絞龍葉片把紙從整體中分離出來，落入接紙盒中，然后接紙盒按照預先設計的運行軌道把紙送到切刀的正下方進行折紙，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，各部分機構運行與預設結果誤差很小，無需工作人員進行操作或監察，形成高度自動化作業，達到工廠生產的需求。

圖5 實物圖

4 結論

（1）設計研發的新型黃紙折紙機，涵蓋了送紙、分紙、折紙等機構，通過對各部分機構進行運動學分析與計算，得到了比較好的設計模型，符合工廠實際生產過程的需要。

（2）通過現場測試，設計的黃紙折紙機達到預期的穩定運行、高效率折疊的生產效果，折出紙張整齊勻稱，并且省時省力，高效便捷，不會產生粉塵，可以直接應用于商業化生產。

[1]山西貴友自動化設備有限公司. 多功能折紙機，CN201621412490.7[P]. 2017-06-27.

[2]金旺. 日推出超高速折紙機[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下購物潮流[J]. 中國民政，2014（5）：57.

[4]陳國炎，管小麗. 基于Solidworks Motion軟件的機構運動仿真與分析[J]. 科技風，2014（1）：125.

[5]紀名剛. 機械設計（第七版）[M]. 高等教育出版社，2005.

[6]徐鋼濤. 機械設計基礎[M]. 北京：航空工業出版社，2012．

[7]李雅昔，李曉莉. 基于Solidworks的平面鉸鏈四桿機構的運動仿真分析[J]. 機械制造與自動化，2016（4）：135-136.

[8]陳超祥，胡其登. SolidWorks Motion 運動仿真[M]. 北京：機械工業出版社，2013.

[9]姜岳健. 基于SolidWorks Motion運動仿真跟蹤路徑的應用[J]. 機械研究與應用，2014（2）：187-188.

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

湖北省大學生創新創業計劃訓練項目（104892016062）

沈恒宇（1994－），男，江蘇徐州人，本科，主要研究方向為機械設計。

管鋒（1976－），男，山西懷仁人，博士，主要研究方向為機械工程。