2024年4月1日发(作者：元清漪)
高速自动分切机设计 I
摘要
分切机是一种将宽幅纸张或薄膜分切成多条窄幅材料的机械设备，常用于造
纸机械及印刷包装机械。然而，目前国内分切机的现状及其与一些国际知名品牌之间
存在的较大大差距，因此分析国内分切机特点，结合一些国际知名品牌设计经验，吸取
国内外一些知名品牌制造厂商的控制经验和新的控制思想。从基本结构、设计思路、张
力检测及控制、等方面进行改进。对国产设备逐步取代进口设备具有非常重要的意义。
关键词
：分切机，造纸机械，单片机控制，张力控制，纠偏控制
高速自动分切机设计 II
ABSTRACT
Slitter is a wideformat paper or film to be cut into more than a narrow range of
materials machincal equipment
，
commonly used in paper making machinery and printing
and packaging machinery. However
，
the current status is which has large gaps between a
number of international brands and domestic slitter. Therefor
，
analysis the characteristics of
domestic cutting machine
，
combined with some international famous brand design
experience
，
to learnsome domestic and abroad wellknownbrand manufacturers controling
experience and the new controling ideas. Improving it in the basic structure
，
design ideas
，
tension measurement
，
control
，
and other has very important significance that
equipment made bydomestic to gradually replace the imported equipment.
Key words:
slitter,
Paper Machinery, MCU control, tension control, corrective control
高速自动分切机设计 III
目 录
1 绪论 .........................................................1
1．1 选题背景及其意义 .................................................1
1.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势） ..............................1
1.3 研究内容 ..........................................................2
2 分切机机械结构部分设计 .......................................3
2．1课题需要解决的问题以及相关参数设定................................3
2．2分切机的总体方案的确定............................................3
2．3分切机的纠偏控制结构设计..........................................4
2．4气胀轴的结构设计及计算...........................................12
2．5分切机的张力控制结构设计.........................................17
3 分切机电气控制部分设计 ......................................23
3．1分切机的纠偏控制.................................................23
3．2分切机的张力控制.................................................24
3．3分切机的收卷电机控制.............................................27
4 结论 ........................................................36
参考文献 ......................................................37
致谢 ..........................................................38
高速自动分切机设计 1
1 绪论
1．1 选题背景及其意义
随着科技的发展、社会文明的进步，人们对纸的需求越来越大，促使近年来我国造
纸行业的迅速蓬勃发展， 作为配套的分切机在产品的分切及质量控制方面起着关键的作
用，分切是宽幅纸张生产线或印后加工的最后一道工序，在整个生产流程中占有十分重
要的地位。鉴于我国分切机仍与一些国际的品牌存在着较大的差距，分切机又有其特有
的专一性，我们有责任和义务，结合目前国内分切机的现状及其与一些国际知名品牌之
间存在的较大大差距，并吸取国内外一些知名品牌制造厂商的控制经验和新的控制思
想，从结构及人性化设计、电气控制、生产制造等方面严格要求，在不断学习国外知名
品牌的先进理念的同时，要勇于开拓创新、大胆走出自己的特色，研制出控制先进、操
作方便可靠、更加人性化、外形简洁美观的适合用户的分切机。
1.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）
目前我国的分切机与一些国际的品牌(如德国的康普 KAMPE、英国的埃特拉斯
ATLAS、意大利的铁坦TITAN、日本的不--FUJI等)之间仍存在着较大的差距，国内所生
产的分切机自动化水平还停留在中下游水平上， 虽说对国内外控制原器件运用已非常普
及，价格也较低廉，但国内分切机厂家在使用时，对分切工艺及材料特性等的理解深度
上远远落后于国外发达国家水平，特别是在控制系统上与分切机的结构、和所分切的物
料上缺乏有机的结合，在这个层面上讲，国产分切机绝大多数还停留在粗线条上，还没
有更深入领会分切机控制系统的严密性和合理性。在科学技术日新月异发展的当今时
代，随着现代造纸机械的发展，为满足当代消费者对商品包装多样化、精美化的需要。
随之人们对造纸机械的高自动化、人性化及高的安全可靠性等要求也越来越高，伴随着
计算机在工业领域应用的日益广泛和深入，同时将微电子技术、新传感技术、信息处理
技术、新工艺技术、新材料技术及微型计算机等技术的应用迅速渗透到造纸机械制造领
域，这反映出我国现代造纸机械向高科技水平发展。随着工业控制技术水平的提高，尤
其是微电子技术的迅猛发展，微处理器与可编程控制器等大规模集成电路的广泛应用，
将它们与传统工业控制相结合，加速了工业自动化水平的提高。越来越多的工业控制过
程在使用单片机，并在实时控制方面取得了很好的效果。
以 TEMPO、FUJI、TEKKO 等为代表的世界先进制造厂商，主要从以下几个方面提高
产品质量和性能：
1采用对话式键盘操作，同时数据化显示卷取数据，
2使操作不会因人而异
高速自动分切机设计 2
3操作方便可靠、更加人性化、外形美观大方
1.2.1、国产分切机特点
（1）分切盘纸质量不高
国产分切机自动化控制程度低，操作不方便，油路、各线路不封闭，机架材质差。
需要人工使用吊车上辊、卸辊；卷纸辊采用的是光辊，由于设计精度不高，分盘时需借
用外力开盘，导致盘纸达不到工艺要求，卷烟厂家上机时易产生摇摆，影响使用质量。
（2）设备运行质量差
一方面，国产分切机使用一台电机来完成牵引，这台电机传动牵引辊匀速转动，牵
引辊牵引分切材料恒线速度运行，同时牵引辊带动磁粉离合器输入轴，输入轴带动分切
轴运行。由于分切材料直径不断增大，为了保持分切材料的恒线速度运行，分切轴的转
速必须不断减小，就导致输出、输入轴的转差不断增大，增大的转差全都由磁粉离合器
转换成热能消耗掉。由于磁粉离合器热功率有限，因此就限制了分切机的运行速度。另
一方面，因磁粉离合器的热量随转差增大而升高，过高的温度常常将磁粉离合器的磁粉
和轴承烧结，摩擦系数随之增大，因此必须经常更换磁粉和轴承，严重时必须更换新的
离合器。而且，摩擦系数的变化和离合器转差增大直接影响扭力，使分切材料质量受到
影响。
（3）结构设计不合理
国产分切机退纸架较低，不能分切辊径过大的纸辊，因此增加工人劳动强度。没有
断纸吸走装置， 当纸辊由于纸病在分切过程中产生单盘断纸时， 经常出现缠绕底刀现象，
造成跳刀，使整辊盘纸起毛、起刺。在安全设计方面没有任何联锁装置、刹车装置，也
没有安全防护装置，安全系数几乎为零。
总之，控制先进、操作方便可靠、更加人性化、高效节能、外形简洁美观是目前分
切机的发展趋势。
1.3 研究内容
本课题的主要是借鉴国外先进分切机制造技术，结合自身特点，设计出一台具有结
构合理，运行稳定可靠，高质量分切盘纸的分切机。
1.3.1、分切机机械结构部分主要完成以下机构部分设计
放卷装置
分切装置
收卷装置
高速自动分切机设计 3
1，3-导向辊；2-张力控制辊；4，5，6，7，9，11，12，13- 导向辊；
9-刀槽辊 13-压辊；14-跟踪辊；15装卸卷芯小车
结构图
1.3.2、在完成机械结构部分设计的同时，采用单片机对分切机进行纠偏及张力控
制。提高分切机人性化、自动化程度。
2 分切机机械结构部分设计
2．1 课题需要解决的问题以及相关参数设定
2.1.1 本课题需要解决的问题
（1）确定分切机布置的合理方案；
（2）分切机的纠偏控制；
（3）收放卷装置的设计；
（4）分切机的张力控制；
2.1.2 相关参数
（1）分切材料为纸张；
（2）材料分切速度5～160m/min；
（3）分切卷材最大宽度1100mm；
（4）分切卷材最大直径φ600mm；
（5）纠偏误差＜±0.5mm。
2．2 分切机的总体方案的确定
分切机布置的方案
采用收卷辊、放卷辊置于分切机左右两端，导向辊置于收卷放卷辊之间，并具有一
高速自动分切机设计 4
定高度，这样变不会被操作人员碰到，而造成危险。
导向辊轴承校核
导向辊处轴承选用轴承6015
mm
； 其中：内径：
d = 75
mm
； 外径：
D = 115
. 2 kN
。
or
= 33
额定静载荷：
C
导向辊为选用部件， 质量未知， 为此假设起为45#钢 （导向辊质量远小于同体积45#
3
r
=
7. 85 kg / m
钢，），密度 ，
对导向辊的重量进行近似计算，
2
r
2
L = 3 . 14 ´ 0 . 075 ´ 1680 = 29 . 67 m
3
； 导向辊体积：
V »
p
V = 7 . 85 ´ 29 . 67 = 232 . 93 kg
； 导向辊的质量：
m =
r
. 93 ´ 10 = 2329 . 3 N
。 胀轴的重力：
G = mg = 232
. 3 N
a
= G = 2329
轴承承受的轴向力：
F
由于轴承只受轴向力，初步计算当量动载荷：
P = F . 3 N
a
= 2329
轴承的寿命（其中对球轴承
e
=
3
）
6 6
10 10
æ
C
ö æ
33200
ö
L ' =
= . 78 h
ç ÷ ç ÷
= 18349
h
60 n 60 ´ 2630
è
2329 . 3
ø
m
è
P
ø
e
3
轴承的寿命足够。
2．3 分切机的纠偏控制结构设计
2.3.1 纠偏控制结构设计
引起跑偏的主要原因有：张力不适应或张力波动大、辊系不的不平行、棍子的偏心
或有锥度、纸带的厚度不均匀及横向弯曲等，跑偏控制的作用在于使机组中收卷纸卷的
定位，避免纸带跑偏过大，而造成断带停产，同时由于实现了自动卷齐。使纸卷质量高。
本设计是采用直流伺服电机带动与之连接的滚珠丝杠旋转， 推动收卷部分工作
台移动，在收卷部分跑偏是，检测装置检测到跑偏信号，通过电路控制直流伺服电机，
高速自动分切机设计 5
推动收卷部分支架的移动，从而达到纠偏的控制。本系统中，由于检测装置安装在卷取
移动部件上，检测装置也随着收卷部分支架的移动而移动，实现了直接位置反馈。
2.3.2 直线滚动导轨副的计算与选型
1.1、导轨上移动部件的重量估算
卷筒纸的重量估算算
查有关数据知：
单位面积普通纸张重量： g g / m
2
1
= 100
普通纸张厚度：
d
=
0 . 1 mm
由以上两式得普通纸张的密度：
r
=
g /
d
= 100 / 0 . 1 = 1000 kg / m
3
；
2
卷筒纸的体积： V =
r
2
dp
= 0 . 3 ´ 1 . 1 ´ 3 . 14 = 0 . 31 m
3
；
卷筒纸的质量： m
1
=
r
V = 1000 ´ 0 . 31 = 310 kg ；
卷筒纸的力： G
1
= mg = 310 ´ 10 = 3100 N ；
收卷部分支架采用槽钢焊接而成，所使用的槽钢总长约为：
L = 20 m
；
查《机械设计手册》知 单位长度槽钢的质量 g
2
= 6 kg / m ；
收卷部分支架的质量 m ´ 6 = 90 kg ；
2
= Lg
2
= 15
收卷部分支架的力 G ´ 10 = 900 N ；
2
= mg = 90
直流电机Z4-100-1的质量 m
3
= 72 kg ；
直流电机的力 G ´ 10 = 720 N
3
= mg = 72
收卷部分的力 G » G N …………（1）
1
+ G
2
+ G
3
= 3100 + 900 + 720 = 4720
高速自动分切机设计 6
考虑到此为估算值，故留余量，取
G = 5 kN
由以上知， 导轨上面移动部件， 包括电路板、 电机、 工作台等， 估计重量约为
G = 5 kN
1.2、受力的计算
导轨仅受径向力的作用：
F = G = 5 KN
1.3、直线滚动导轨副的计算与选型
（1）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取
工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。 本次设计的工作台为水平布
置，采用双导轨、四滑块的支撑形式。最大工作载荷， F
max
= G = 5 KN
查 《机电一体化系统设计课程设计指导书》 表3-41 （P48）， 根据工作载荷 F
max
= 5 KN ，
初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA—LG35型，其额定动载荷 C . 1 KN ，额
a
= 35
定静载荷 C . 2 KN 。
0 a
= 47
工作台面尺寸为
1960 mm ´ 500 mm
，行程范围很小，查《机电一体化系统设计课程
设计指导书》表3-35（P45），按标准系列，选取导轨的长度为
1960 mm
（2）距离额定寿命
L
的计算
由《机电一体化系统设计课程设计指导书》式（3-33 P46）知距离额定寿命
L
的
计算公式为：
æ
f
H
f
T
f
C
f
R
C
a
ö
÷
L =
ç
ç ÷
´ 50
f F
W max
ø è
3
…………（2）。
…………（3）
上述选取的 KL 系列 JSK—LG35 型导轨副的滚道硬度为
60HRC
，工作温度小于
100° C
，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，载荷不大。查《机电一体化系统设计
课程设计指导书》表3-36~表3-40 分别取硬度系数 f 1.0 、温度系数 f
H
=
T
= 1.00 、接触
系数 f 、精度系数 f 1.5 ，代入式（3），得距离寿命：
C
= 0.81
R
= 0.9 、载荷系数 f
W
=
æ
f
H
f
T
f
C
f
R
C
a
ö
. 81 ´ 0 . 9 35 . 1
ö æ
1 ´ 1 ´ 0
÷
L =
ç
´ 50 = ´ . 6 Km
ç ÷
´ 50 = 1985
ç ÷
f F 1 . 5 5
ø è
W max
ø è
远大于期望值
50km
，距离额定寿命满足要求。
2.3.3 滚珠丝杠副选型和计算
（1）最大工作载荷 F
m
的计算
如前所述，工作台受垂直方向的力（与工作台面垂直）G=5KN。按矩形导轨进行
3
3
高速自动分切机设计 7
计算。查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-29(P38)，知最大工作载荷计算
公式为：
(
F
z
+ F
y
+ G
)
F
m
=
KF
x
+
m
得滚珠丝杠副的最大工作载荷为：
…………（4）
取颠覆力矩影响系数
K= 1.1
，滚动导轨上的摩擦因数
m
= 0.004
，代入式（4），求
(
F
z
+ F
y
+ G
)
= 1 . 1 ´ 5 + 0 . 004 ´ 5 = 5 . 52 KN F
m
=
KF
x
+
m
（2）最大动载荷
F
Q
的计算
由《机电一体化系统设计课程设计指导书》式（3-23 P38）得最大动载荷的
计算公式为：
F
Q
=
3
L
0
f
W
f
H
F
m
设最快速度： v
x
= 200mm / min ；
初选丝杠导程： P mm ；
h
= 6
则此时丝杠转速： n = v / P . 33 r / min 。
h
= 200 / 6 = 33
6
取滚珠丝杠的使用寿命
T = 6000
，得丝杠寿命系数：
h
，代入
L
0
= 60nT 10
…………（5）
6
6
10
L = 60 ´ 33 . 33 ´ 6000 / 10 = 12
（单位为： r）。查《机电一体化系统设计课程设计指
0
导书》 表3-30 （P39）， 取载荷系数 f
W
= 1.2 ， 滚道硬度为
60HRC
时， 取硬度系数 f 1.0 ，
H
=
代入式（5），求得最大动载荷为：
3
3
F 1 . 2 ´ 1 . 2 ´ 5 . 52 = 15 . 17 KN
Q
= L
0
f
W
f
H
F
m
= 12 ´
（3）初选型号
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查《机电一体化系统设计课程设计指
导书》表 3-31（P39），选择 G 系列 4006—3 型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺
母式，其公称直径为 d
0
= 40 mm ，导程为 P mm ，循环滚珠为3圈x1列，精度等级
h
= 6
取5级，额定动载荷为 C
a
= 15 . 96 KN ，大于
F
Q
，满足要求。
h
的计算 （4）传动效率
由《机电一体化系统设计课程设计指导书》式（3-24 P39）知道滚珠丝杠副的传
动效率计算公式为：
高速自动分切机设计 8
h
=
tan
l
(
tan
l
+
j
)
…………（6）
将公称直径 d
0
= 40 mm ，导程 P mm ，代入
l
= arctan é
p
d
0
)
ù
h
= 6
ë
P
h
(
û
，得丝杠螺旋
升角
l
=
2°
，得传动效率为：
44 ' 6 "
。将摩擦角
j
= 10'
代入式（6）
h
=
tan
l
tan 2 ° 44 ' 6 "
= ´ 100 % = 94 . 2 %
( (
2 °
)
tan
l
+
j
)
tan 44 ' 6 " + 10 '
（5）刚度的验算
1）丝杠的拉伸或压缩变形量
d
1
的计算
在总变形量中占得比重较大可按根据《机电一体化系统设计课程设计指导书》公式
2
F
m
a Ma
（3-25 P41）计算。其中， “+”号用于拉伸， “-”号用于压缩。由于
d
±
1
=±
ES2
p
IE
转矩M一般较小，式中第 2项在计算时可酌情忽略。
工作台滚珠丝杠副的支撑均采用“双推-简支”的方式。丝杠一端安装推力角接触
球轴承和深沟球轴承，另一端仅安装深沟球轴承，左、右支撑的中心距离约为
10
5
MPa
；查《机电一体化系统设计课程设计指导
a= 2000mm
；钢的弹性模量
E =2.1´
书》表3-31（P39），得
滚珠直径： D . 969 mm ，
W
= 3
丝杠底径： d
2
= 35 . 2 ，
丝杠截面积：
S =
p
d
2
/ 4 = 972 . 65 mm
2
。
F
m
a Ma
2
m
作用下产生的拉压变形 忽略式
d
± 中第二项， 算得丝杠在工作载荷
F
1
=±
ES2
p
IE
5 . 52 ´ 10
3
´ 2000
量为：
d
1
=
= 5 . 4 ´ 10
- 2
mm
5
2 . 1 ´ 10 ´ 972 . 65
2）滚珠与滚道间的接触变形量
d
2
的计算
根据《机电一体化系统设计课程设计指导书》式（3-26）和（3-27 P41），滚珠与
螺纹滚道间的接触变形量
d
2
的计算公式为：
ö
1
æ
F
3
ç
m
÷
无预紧时
d
2
= 0 . 0038
ç
10 D Z
å
÷
W
è ø
2
2
…………（7）
高速自动分切机设计 9
有预紧时
d
2
= 0 . 0013
F
m
2
å
…………（8）
3
10 D / 10
W
F
YJ
Z
d
当滚珠丝杠副有预紧力， 且预紧力达轴向工作载荷的
1/3
时，
2
值可减小一半左右。
根据公式
Z=
(
p
d
0
D
W
)
- 3
，求得单圈滚珠数：
Z = 29
；该型号丝杠为单螺母，滚
珠的圈数
´
列数为
3´
：
Z
S
=Z ´圈数
1
，代入公式
´ 列数
，得滚珠总数量：
Z
å
= 29 ´ 3 ´ 1 = 87 。丝杠无预紧时，则由式（7），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量：
1
æ
5 . 52
ö
3
d
2
=
0 . 0038 . 26 ´ 10
- 3
。
ç ÷
= 8
3 . 969
è
10 ´ 87
ø
因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的
1/3
，所以实际变形量可减小一半，取：
2
d
2
=
4 . 13 ´ 10
- 3
。
3）将以上算出的
d d
2
代入
d
总
=
d
1
+
d
2
，求得丝杠的总变形量
1
和
d
总
=
d
1
+
d
2
= 5 . 4 ´ 10
- 2
+ 4 . 13 ´ 10
- 3
= 5 . 813 ´ 10
- 2
mm
。
本次设计中，丝杠的有效行程很小，由《机电一体化系统设计课程设计指导书》表
3-27（P35）知，5 级精度滚珠丝杠有效行程在<315mm 时，行程偏差允许达到 23μm，
可见丝杠刚度足够。
（6）压杆稳定性校核
根据《机电一体化系统设计课程设计指导书》公式（3-28 P42）知，滚珠丝杠失
k
应满足： 稳时的临界载荷
F
f
k
p
2
EI
F
k
=³ F
m
2
Ka
…………（9）
查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表 3-34（P42），取支承系数 f
k
= 2 ；
由丝杠底径 d
2
= 35 . 2 mm ，求得截面惯性
I =
p
d
2
/ 64 = 75321 . 7 mm
4
；压杆稳定系数取
；滚动螺母至轴向固定处的距离α取最大值
a = 2000 K = 3
（丝杠卧式水平安装）
mm
。
代入式（9），得临界载荷：
2 ´ 3 . 14
2
´ 2 . 1 ´ 10
5
´ 75321 . 7
F = = 26 . 0 KN
k
3 ´ 2000
2
远大于工作载荷 F . 52 KN ，故丝杠不会失稳。
m
= 5
4
高速自动分切机设计 10
综上所述，初选滚珠丝杠副满足使用要求。
2.3.4 直流伺服电机选型和计算
（1）计算加在直流伺服电动机转轴上的总转动惯量
J
eq
已知：滚珠丝杠的公称直径 d
0
= 40 mm = 4 cm ，总长
l = 1595 mm = 159 . 5 cm
，导程
r
=7.85´ 10
- 3
kg/cm
3
；移动部件总重量
G = 5
P = 6 mm ，材料密度
KN
h
根据《机电一体化系统设计课程设计指导书》表 4-1（P56）常用部件转动惯量计
算公式算得各零部件的转动惯量如下：
滚珠丝杠的转动惯量：
J
s
=
m
j
D
2
8
3 . 14 ´ 159 . 5 ´ 7 . 85 ´ 10
-3
´ 4
2
= = = 1 . 966 kg · cm
2
32 32
4
p
l
r
d
0
拖板折算到丝杠上的转动惯量：
. 6
ö
5000
æ
P
ö
æ
0
J
W
=
ç
h
÷
m = = 4 . 56 kg · cm
2
ç ÷
´
i
ø
. 14
ø
10
è
2 ´ 3
è
2
p
2
2
初选直流伺服电动机型号为安川直流伺服电机 SGMGH-03A B 型，查得该型号电动
机转子的转动惯量
J
m
= 7 . 24 kg · cm
2
。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：
J
eq
= J
m
+ J
z 1
+
(
J
z 2
+ J
W
+ J
S
)
/ i
2
= 7 . 24 + 1 . 966 + 4 . 56 = 13 . 77 kg · cm
2
T
（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩
eq
1）电动机转轴所承受的负载转矩
T
eq
的计算
由《机电一体化系统设计课程设计指导书》式（4-8 P61）知
T
eq
包括三部分：即
快速起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 T 移动部件运动时折算到电动机转
amax
、
轴上的摩擦转矩 T T 因为滚珠
f
和滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩
0
。
丝杠副的传动效率很高，且 T T T
0
相对于
amax
和
f
很小，可以忽略不计，则有：
T
eq
=T
amax
+ T
f
…………（10）
根据《机电一体化系统设计课程设计指导书》式（4-9 P61），考虑传动链的总效
h
，得快速起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩的计算公式为：率
高速自动分切机设计 11
T
a max
=
2
p
J
eq
n
m
60 t
a
h
…………（11）
式中： n
m
——对应最快移动速度的步进电动机最高转速，
单位为r/min（
n
m
=
v
max
a
360
d
）；
n
m
t
a
——步进电动机由静止到加速至 转速所需的时间，单位s。
m
转速所需要的时间 t = 0.4s ，传动链总效率 设步进电动机由静止到加速至
n
a
h
= 0.7
，其中
n
m
=
v
200 ´ 0 . 75
max
a
= = 7 . 17 r / min
。
360
d
360 ´ 0 . 05813
代入式（11）求得：
2 ´ 3 . 14 ´ 6 . 53 ´ 10
-
4
´ 7 . 17
T = = = 0 . 0175 N · m
a max
60 t
a
h
60 ´ 0 . 4 ´ 0 . 7
根据《机电一体化系统设计课程设计指导书》式（4-10 P61），移动部件运动时，
折算到电动机转轴上的摩擦转矩 T
f
的计算公式为：
T
f
=
2
p
J
eq
n
m
m
GP
h
2
ph
i
…………（12）
取滚动导轨的导轨的摩擦因数
m
=
0 . 005 ，取传动链总效率
h
= 0.7
，
代入式（12），得：
T
f
=
m
GP
0 . 005 ´ 5000 ´ 0 . 006
h
= = 0 . 0341 N · m
2
ph
i 2 ´ 3 . 14 ´ 0 . 7 ´ 1
把 T . 0175 N · m 和
T
f
= 0 . 0341 N · m
代入式（10），求得快速起动时电动机转轴
a max
= 0
所承受的负载转矩：
T . 0516 N · m
。
eq
= T
a max
+ T
f
= 0
（3）直流伺服电动机最大静转矩的选定
考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压的影响较大，当输入电压降低时，其输出
转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据
T
eq
来选择步进电动机的最大静转
矩时，要考虑安全系数。本次设计取安全系数
K = 4
，则步进电动机的最大静转矩应满
足：
T
j max
³4 T ´ 0 . 0516 = 0 . 2064 N · m
eq
= 4
高速自动分切机设计 12
由以上参数，选择安川直流伺服电机 SGMGH-03A B型
额定功率：
P = 0 . 3 kW
；
额定转矩：
T = 2 . 84 N · m
；
瞬间最大转矩： T . 17 N · m ；
max
= 7
额定转速：
n = 1000r / min
；
最高转速： n r / min ；
max
= 2000
转子惯量： J = 7 . 24 kg · c m
2
；
允许负载惯量 电机惯量5倍以下
额定功率响应率：
h
=
11 . 2 kW / s 。
2．4 气胀轴的结构设计及计算
2．4.1 主要结构及其工作原理
胀轴是卷筒纸分切机上的关键设备之一， 它的好坏直接影响着卷筒纸卷材的分切
质量， 其中包括容易造成的卷材边部翘边、错层等质量缺陷。
气胀轴结构图
该胀轴主要由轴向移动的活塞体、 胀轴主体、 胀缩滑块、 两端轴头及充气装置组成。
活塞体从充气的传动侧气腔中获得轴向推力，通过 T 形块把推力传递给下滑块，由上
下滑块的摩擦斜面转变为上滑块的径向推力，从而使胀轴胀开。相反， 胀轴传动侧气
腔停止充气后，活塞体在非传动侧的弹簧的力的作用下，通过 T 形块把推力传递给下
滑块，使得上滑块失去径向推力的作用，从而使胀轴不在胀开。下面分别叙述各部件的
结构和作用。
（1）活塞体
活塞体由组合密封、T 形块等组成， 装入胀轴主体中， 它在胀轴主体中可以作轴
向滑动。当气体进入胀轴传动侧气腔中时， 活塞体就会被轴向推动， 从而带动 T 形
块轴向移动。而当停止通气时，在非传动侧弹簧力的作用下，活塞体将回复初始状态。
（2）胀轴主体
胀轴主体是整个胀轴的最重要的构件， 它支撑着整个胀轴的重量， 同时支撑着铝
高速自动分切机设计 13
卷材的重量， 它两端内壁是组成胀轴气缸的气缸筒， 活塞体在它内部轴向滑动， 同
时胀轴主体两端连接轴头， 外部沟槽是胀缩滑块的导向槽及支撑体。选用刚性较好且
不易锈蚀的材料制造。
（3）胀缩滑块
胀缩滑块由上滑块和下滑块组成， 上滑块和下滑块的摩擦面与轴心线成一个角度
a
， 当传动侧气腔充气时， 活塞体通过 T 形块带动下滑块向非传动侧方向作轴向移
动， 下滑块的斜面和轴头端面合力迫使上滑块作径向移动，形成胀轴的胀开。
（4）轴头和充气装置
传动侧轴头上0形密封圈的端面和胀轴主体内壁、活塞体组成一个气腔，传动侧轴
轴头气嘴接一个旋转接头， 胀轴工作时它一直给胀轴充气， 以保证胀轴不会因震动或
其它原因缩回， 避免了上滑块和卷芯内壁可能产生的松动。
2．4.2 技术参数及技术特性
主要技术参数：
(1) 胀轴正圆直径为：148mm；
胀轴胀开直径为：150mm (最大) ；
胀轴收缩直径为：146mm (最小) ；
(2) 速度为：2630r/min (最大) ；
(3) 压缩空气为：700kPa；
(4) 使用卷芯规格：宽度为1100mm (最大) ；
内径为150±2mm；
(5) 卷重为：310kg (最大)。
技术特性：
1) 采用标准密封件， 标准螺钉等标件， 方便以后的维护和备件管理；
2) 采用通用的工业气源；
3) 由于该胀轴有自锁性， 即使有一定的漏气，也不会对卷取产生大的影响。
2．4.3 几个主要参数的计算
（1）上下滑块摩擦斜面与轴心夹角
a
的确定
由于胀轴胀缩时主要摩擦力集中在上下滑块间的摩擦面和下滑块与胀轴主体的摩
擦面，所以忽略其它影响较小的摩擦力和下滑块的重量，主要分析上下滑块间的摩擦面
和下滑块与胀轴主体的摩擦面的摩擦力。当胀轴套上卷芯胀开后，气缸卸压，由于卷芯
的张力和弹簧回复力的作用，通过扇形块传递给上滑块一个压力
N
，该压力又被上滑
块传递给下滑块，使下滑块产生一个向右滑动的趋势。
高速自动分切机设计 14
下滑块所受水平方向合力(向右为正) ：
å
F
a
- f
2 x
= N
1
sin
a
- f
1
cos … ………………………（1）
由
å
F
y
= N -
(
N
1
cos
a
+ f
1
sin
a
)
= 0
得：
N
1
=
(
N - f / cos
a
1
sin
a
)
f
1 1
=
m
N
f
2
=
m
N
(2) (3) (4) 代入(1) 得：
…………………………（2）
………………………………（3）
…………（4）
)
å
F
a
1 -
m
2
- 2
m
/
(
m
tan
a
+ 1
x
= N tan
[
(
]
)
…………（5）
高速自动分切机设计 15
式中：
m
——下滑块两个相同摩擦副的摩擦系数；
N
1
——上滑块和下滑块斜面正压力；
N
——胀轴主体对下滑块的支撑力(上滑块的径向胀力) ；
f
1
——上滑块和下滑块斜面的摩擦力；
f
2
——下滑块和胀轴主体的摩擦力。
由(5) 式可知，
a
的取值在0～ 45°间，当 tan
a
> 2
m
/
(
1 -
m
2
)
时， åF > 0 时，下
滑块将不能自锁，会向右移动； 当 tan
a
< 2
m
/
(
1 -
m
2
)
时，下滑块将能自锁，但 å F
X
数
值将随着A的减小而负增大(此时即摩擦阻力变大) ，它将消耗活塞体提供的动力， 并
且容易造成胀轴卡死。因此合适选择A角度将会更有利于胀轴的使用。
m
值可参照表1
选用。
选择45#钢做为胀轴的材料，查上表得：
m
=
0 . 15
将其代入，求得：
2
tan
a
=
2
m
/
(
1 -
m
2
)
= 2 ´ 0 . 15 /
(
1 - 0 . 15
)
= 0 . 369
…………（6）
…………（7）
由已知得：
N = G = 3100 N
…………（8）
将（6）（7）（8）式代入（5）式得：
高速自动分切机设计 16
[ ]
)
]
/
(
0 . 15 ´ 0 . 369 + 1
)
= 3100 ´
[
0 . 369 ´
(
1 - 0 . 15 - 2 ´ 0 . 15
)
å
F
a
(
1 -
m
2
- 2
m
)
/
(
m
tan
a
+ 1
x
= N tan
2
= 739 . 34 N
（2）活塞直径和气源气压的确定
胀轴收缩时，活塞体向下滑块提供的轴向力 T
1
> å F
X
， 即：
T . 34 N …………（9）
1
> å F
x
= 739
选取弹簧使得在压紧状态时：
T
1
= 750 N …………（10）
胀轴胀开时，活塞体向下滑块提供的轴向力：
T N
a
+ f
2
) + T
2
>
(
1
sin
a
+ f
1
cos
1
…………（11）
将（2）、（3）、（4）、（6）、（7）式代入（11）式中，得：
T N
a
+ f
2
) + T . 635 N + T
2
>
(
1
sin
a
+ f
1
cos
1
= 0
1
…………（12）
为了制造方便，让胀轴两侧气腔活塞直径相同，只用分析胀轴胀开时活塞体向下滑
块提供的轴向力 T
2
的气压即可。
)
P
…………（13）
T D /
2
2
=
p
(
2
将(12) 式代入（13) 式中得：
P
= 4T
2
/
(
p
D
2
)
> 4 ´ ( 0 . 635 N + T
p
D
2
…………（14）
1
) /
式中：
N
——胀轴主体对下滑块的支撑力(上滑块的径向胀力) ；
T
1
——胀轴收缩时活塞体向下滑块提供的轴向力；
T
2
——胀轴胀开时活塞体向下滑块提供的轴向力；
D
——活塞直径；
P
—— 空气压力；
由(14) 式可知，当上滑块需要的径向力
N
(即胀轴的胀开力) 一定时，活塞直径
D
越大，所需要的空气压力就越小。为了让空气压力
P
的值在通用工业气源范围内，
在不影响胀轴主体强度的情况下，尽可能扩大活塞直径
D
的尺寸。
综合设计结构及气压参数等选取直径：
D = 83mm
得：
P >
4 ´ ( 0 . 635 N + T
p
D = 4 ´ ( 0 . 635 ´ 3100 + 750 ) /
(
p
´ 83
2
)
= 0 . 50 Mpa
1
) /
即所提供的气压应大于0.5Mpa。
高速自动分切机设计 17
（3）胀轴重量估算
胀轴大部分材料为45#钢， 故用45#钢的密度（即取
r
=
7 . 85 kg / m
3
） ，
对胀轴的重量进行近似计算，
胀轴体积： V »
p
r
2
L = 3 . 14 ´ 0 . 075
2
´ 1350 = 23 . 84 m
3
；
胀轴的质量： m =
r
V = 7 . 85 ´ 23 . 84 = 187 . 18 kg ；
胀轴的力： G = mg = 187 . 18 ´ 10 = 1871 . 8 N ；
支撑胀轴所需的力 F =
( G
a
= ( 3100 + 1871 . 8 ) / cos 15 ° = 5147 . 2 N ；
1
+ G
2
) / cos
初选选取气缸：缸径：
D = 32 mm
；
活塞杆直径：
d = 12 mm
；
气缸推力： F
= P
p
d
2
4
；
即工作压力
P ³
4 F
4 ´ 5147 . 2
1
= = 42 . 3 Mpa
即可。
p
d
2
3 . 14 ´ 12
2
2．5 分切机的张力控制结构设计
2.5.1 张力控制结构设计
分切机采用直流电机控制主动收卷，被动放卷，放卷辊轴端安装摩擦片，控制增加
放卷阻尼，进行初步的张力控制，再在放卷与收卷部分安装张力传感器、气缸及力控制
辊，张力传感器检测张力大小，用此信号控制气缸上下移动，气缸与张力控制辊的一端
相连，气缸上下移动，通过张力控制辊上的支点，控制另一端上下移动从而达到进一步
控制张力的目的。
张力控制部分简图
高速自动分切机设计 18
2.5.2 传感器的选型
普通纸张张力一般小于30N。由此选择张力传感器：
ABB张力传感器：Rectangular load cells PFVL 141V，
Measurement range 0.63 – 56 N ，
380X130
其中 F 、
L = 130 mm
、
W = 300 mm
。
N
= 31N
2.5.3 气缸的选型及计算
由杠杆的平衡公式： F
1
' / L / L
1
= F
2
'
2
，得：
F
1
' = F ´ 267 . 5 / 1120 = 7 . 17 N
2
' L
1
/ L
2
= 30
因为气压缸所推动的力较小，选择较小的气压缸即可
选取气缸：缸径：
D = 12 mm
；
活塞杆直径：
d = 6 mm
。
由活塞杆直径求得气缸推力：
F
= P
p
d
2
4
气压缸向下运动时带动杠杆的另一端向上运动，此时所受的力不受影响；气压缸向
上运动时，带动杠杆另一端向下运动，此时所施加的力应大于纸张张力，所以气缸的推
力应满足：
F
1
=
P
p
d
2
4
³ F
1
'
4 F
4 ´ 7 . 17
1
= = 0 . 25 Mpa
p
d
2
3 . 14 ´ 6
2
即工作压力
P ³
取 P = 0 . 3 Mpa 即气缸所需的气压为0.3Mpa
2.5.4 直流电机的选型及同步带的计算
（1）直流电机的选型
收卷部分采用直流电机收卷。由设计要求知：
分切卷材最大直径
D = 600 mm = 0 . 6 m
材料分切速度：
v = 5 ~ 160 m / min
收卷胀轴的直径可视为最小直径：
d = 150 mm = 0 . 15 m
…………（1）；
…………（2）；
…………（3）
高速自动分切机设计 19
分切材料为纸张，查得纸张张力不得大于
30 N
，故取：
F = 30 N
…………（4）
当分切速度不变时，卷筒纸卷径越小，转速越大，所以:
n
p
v / d = 4 ´ 3 . 14 v / 0 . 15 = 83 . 73 v
max
=
4
将（2）式代入（5）式中得：
n . 73 ´ ( 5 ~ 160 ) = 418 . 67 ~ 13397 r / min
max
= 83
当纸张张力不变时，卷筒纸卷径越大，所需的力矩越大，所以：
T · D / 2 = 30 ´ 0 . 6 / 2 = 9 N · m
max
= F
根据 T n
max
及
max
的值，初选直流电机Z4-100-1。
其中： P kW
N
= 4
n
N
= 2630r / min
由公式：
P = Tn
N
/ 9550 = 9 ´ 2630 / 9550 = 2 . 48 kW
知： P
N
> P
故直流电机Z4-100-1符合要求。
其中：最高转速： n r / min ；
max
= 2630
线速度： v =
nr /( 2
p
) = 2630 ´ 0 . 075 /( 2 ´ 3 . 14 ) = 31 . 41 m / min ；
最低转速 n
p
v / R = 2 ´ 3 . 14 ´ 31 . 41 / 0 . 3 = 657 . 5 r / min 。
min
=
2
（2）同步带传动的设计
同步带传动是一种新型的机械传动。由于它是一种啮合传动，因而带和带轮之间没
有相对滑动，从而使主、从轮间的传动达到同步。
同步带传动和V带、平带相比具有：
(1)传动准确，无滑动，能达到同步传动的目的；
(2)传动效率高·一般可达驰蓐；
(3)速比范围大 允许线速度也高；
(4)传递功率范围大。从几十瓦到几百千瓦；
(5)结构紧凑，还适用于长轴传动等优点。
因此， 同步带传动已日益引起各方面的注意和重视，并把这种传动应用到各种机
械设备上。相应地设计者要求有一种设计方法来台理地选择同步带传动的各项参数。
高速自动分切机设计 20
一、同步带传动的设计准则
同步带传动是以带齿与轮齿依次啮合来传递动力。达到同步传动的目的。因此，在
同步带传递扭矩时，带将受拉力作用。带齿承受剪切，而带齿的工作表面在进入和退出
与轮齿啮合的过程中将被磨损。因此同步带的主要失效形式有如下三种：
(1)同步带承载绳(又称骨架绳)的疲劳断裂；
(2)带齿的剪切破裂：
(3)带齿工作表面磨损。失去原来的形状。
根据试验分析， 当同步带绕于带轮时， 在所包圆弧内 带齿与带轮齿的啮合齿数z． 大
于 6 时 带齿的剪切强度将大干带的抗拉强度。同时，随着粘附于带齿工作表面上的尼
龙包布层的设置．使带齿的耐磨性有了很大的提高。因此在同步带正常工作条件下，同
步带的主要失效形式是带在变拉力作用下的疲劳断裂 所以同步带传动是根据带的抗拉
强度作为设计准则来进行设计的。
1、确定同步带传动的设计功率 P
d
P
d
= K
A
´ P
式中： K
A
——载荷修正系数，
P
——工作机上的电机功率：
根据原动机工作类型和每日运转时间等因素查表 8-7（机械设计第八版.濮良贵主
编），载荷变动微小，每天工作小时<10h，取：K=1.0，则：
P ´ 2 . 48 = 2 . 48 kW
d
= K
A
´ P = 1
2、确定带的型号和节距
根据同步带传动的设计功率 P . 48 kW 和小带轮转速 n r / min ，查得带的
d
= 2
2
= 2630
型号为L型，对应节距 P . 525 mm （见《机械设计手册》）
b
= 9
3、选择小带轮齿数
由小带轮转速 n
1
= 2630 r / min 和L型带，查表（见《机械设计手册》）得小带轮最
小许用齿数： Z
1 min
= 16 ， 取 Z
1
= 20
由 i = n
1
/ n
2
= 1 ，
得大齿轮齿数： Z
2
= Z
1
= 20
4、确定带轮节圆直径：
d
p
= 9 . 525 ´ 20 / 3 . 14 = 61 mm
1
=
d
2
= P
b
Z
1
/
高速自动分切机设计 21
5、确定同步带的节线长度 L
P
L a cos
j
+
p
( d
2
+ d ( d
2
- d 180
P
=
2
1
) / 2 +
pj
1
) /
式中
j
= arcsin
d
2
- d
80 - 80
1
= arcsin = 0
（以a=600mm计）则：
2 a 2 a
L a cos
j
+
p
( d
2
+ d ( d
2
- d 180
P
=
2
1
) / 2 +
pj
1
) /
)
/ 2 = 1391 . 54 mm = 2 ´ 600 + 3 . 14 ´
(
61 + 61
6、计算同步带齿数 Z
b
同步带齿数：
Z
b
= L . 54 / 9 . 525 = 146
P
/ P
b
= 1391
7、确定同步带设计功率为 P
d
时所需带宽
（1）计算所选型号同步带的基准额定功率 P
0
2
P T v / 1000
0
= (
a
- mv )
式中： T
a
——许用工作拉力；
m——单位长度质量；
v—— 线速度；
查表（见《机械设计手册》）得： T . 46 N 、 m = 0 . 095 kg / m 。
a
= 244
同步带的速度：
w
P 10
-
3
b
Z
1
´
v = = 2630 ´ 9 . 525 ´ 20 ´ 10
- 3
= 0 . 5 m / s
2
p
其中
w
= 2
p
n
1
，代入上式得：
2
P T v / 1000 = ( 244 . 46 - 0 . 095 ´ 0 . 5
2
) ´ 0 . 5 / 1000 = 122 . 22 w
0
= (
a
- mv )
（2）计算小带轮啮合齿数 Z
m
小带轮的啮合齿数：
Z
m
=
Z
1
P Z
-
b
2
1
= 5 . 8 < 6
2
2
p
a
（3）确定实际所需带宽 b
r
高速自动分切机设计 22
P » P
0
K
Z
K
w
式中：
P
——带所能传递功率 kW
K
Z
——啮合系数， 因 Z
m
< 6 时 K
Z
= 1 - 0 . 2 ( 6 - Z
m
) = 0 . 9744
1 . 14
K
w
——带宽系数 ，
K
w
= ( b
，查表1L型带 b . 1 mm
r
/ b
ra
)
ra
= 19
将
P
式代入 P ³ P
d
，则：
æ
P
d
ö
ç ÷
b
r
³ b
ra
ç ÷
0
ø è
K
z
P
取标准宽度：
b
ra
= 12 . 7 mm （见《机械设计手册》）
8、验算
æ
b
2
ö
- 3
r
÷
P =
ç
K K T - mv v ´ 10 = 3 . 24 kW ³ 2 . 48 kW
z w a
ç ÷
b
ra
è ø
1 / 1 . 14
= 1 . 3 mm
额定功率大于设计功率，则带的传动能力已足够，所选参数合格。
9、结果整理
(1)带：选用L型同步带
其中：节距： P . 525 mm
b
= 9
带长：
L
p
= 1391 . 54 mm
齿数： Z
b
= 146
标准宽度： b . 7 mm
r
= 12
(2)带轮：齿数： Z
1
= Z
2
= 20
直径： d mm
1
=d
2
= 61
高速自动分切机设计 23
3 分切机电气控制部分设计
3．1 分切机的纠偏控制
3.1.1 控制原理
直流伺服电机控制常见的跑偏控制系统有气液和光电伺服控制系统。 两者的工作原
理相同，区别仅在于检测装置的不同。前者为气动检测装置和气、液伺服阀，后者为光
电检测装置和直流伺服电机。他们各有所长。采用光电检测装置和直流伺服电机控制系
统。系统有信号传输快、反馈方便，光电检测装置安装方便等特点，但系统较复杂。下
面对该系统的控制原理进行简要分析。
系统由光电检测装置，电放大器，直流伺服电机、卷取机所组成。光电检测装置用
来检测纸带的横向跑偏及方向，它由电源和光电管接收器组成。利用光电管作为一个桥
臂构成的电桥电路，输出的电压信号是反映带边偏离的偏差信号，送入放大器。当纸带
正常运行时， 光电管的一半接受光照， 其电阻值为R1=a， 调整电阻R2、 R3使R1*R3=R2*R4，
电桥平衡无输出。当纸带跑偏，带边偏离检测装置的中央位置时光电管接收的光照发生
变化，电阻值也随之变化，使电桥失去平衡，从而产生偏差信号，此信号经放大器放大
后输入直流伺服电机，直流伺服电机获得信号后，正转或反转，再在通过滚珠丝杠副带
动滚珠丝杠副上的收卷部分支架向向跑偏的方向跟踪，当跟踪位移和跑偏的位移相等
时，偏差信号等于零，卷筒停止移动。在新的平衡状态下卷取，完成了自动纠偏过程。
此外，将检测装置安装在收卷部分支架上，使得检测装置随着支架的移动而移动，检测
装置的随动在完成纠偏后，检测装置的偏差信号变为0，从而形成自动纠偏控制。
X +
X
Xp
Xe
差动
电流
跟踪
位移
光电
Ug
检测器
运算
放大器
直流伺
服电机
卷取机
跑偏控制系统工作原理图
高速自动分切机设计 24
3.1.2 硬件接线
跑偏控制系统电路图
放大倍数的计算
由电路结构分析可知：
æ
R
ö
R
1 1
ç ÷
u = 1 + u - u
01 i 1 i 2
ç
R
÷
R
è
G
ø
G
æ
R
ö
R
2 2
ç ÷
u = 1 + u - u
o 2 i 1 i 1
ç
R
÷
R
è
G
ø
G
æ
R
ö
R
R
4 4 6
ç ÷
u = - u + 1 + u
0 o 1
ç
o 2
÷
R R R + R
3
è
3
ø
5 6
通常电路中 R
1
= R R u
2
,
3
= R
5
, R
4
= R
6
，则对差模输入电压
i 1
- u
i 2
，测量放大器的增
益为：
A
vf
=
ö
u
R
æ
2 R
o 1
= -
4
ç
1 +
ç
R
÷
÷
u - u R
i 1 i 2 3
è
G
ø
3．2 分切机的张力控制
3.2.1 控制原理
纸带张力控制由张力控制辊、收卷电机、放卷部分摩擦片来组建立。卷筒纸带以直
流电机作牵引带动收卷胀轴，安装在轴端的摩擦片产生放卷负载以造成所需的张力。但
由于系统各部件惯性大，时间滞后大，当外界干扰引起纸带的内张力波动时，不能及时
调整。其控制精度低，不能满足要求。为了满足张力波动控制要求，在张力辊组之间设
高速自动分切机设计 25
立一气压张力伺服控制系统来提高控制精度。他的工作原理如下：在一导向辊的左右两
轴承座下各安装一力传感器作为检查装置。 两传感器检查所得信号的平均值与给定的信
号值比较。出现偏差时，信号经测量放大器放大后输入伺服阀。若实际张力与给定值相
等，则偏差信号为零，伺服阀无输出，气压缸保持不动。当张力增大时，偏差信号使伺
服阀在某一方向产生开口量，输出一定电流，使气压缸向上移动，抬起张力控制辊，张
力减小到额定值。反之张力减小时，则产生的偏差信号使伺服阀控制气压缸向下运动，
张力控制辊下移张紧纸带，使张力升高到额定值。因此系统是一个恒值控制系统。他保
证纸带张力符合要求，提高了卷纸的质量。
给定张力X +
X
Xp
运算
放大器
电气
伺服阀
气压缸
张力
调节器
实际张力
张力
传感器
张力控制系统工作原理图
3.2.2 硬件接线
张力控制系统电路图
(1)反相电路
反相放大器的原理：
根据分析可知：
i u
-
» u
i
» i
f
,
+
= 0
；
如图可列出：
高速自动分切机设计 26
i
i
=
u u
i
- u
-
=
i
R R
1 1
u u
-
- u
0
= -
0
R R
2 2
i
f
=
由此得出：
R
2
u = - u
o i
R
1
则闭环电压放大倍数为：
A
uf
=
u
R
o
= -
2
u R
i 1
反相放大器
当取 R
1
= R
1
，反相放大器将传感器的正信号变为负信号，在将它的输
vf
= -
2
时，
A
出端接在反相放大器A5的正端进行比较。
（2）比较电路
在比较电路中使： R
4
= R
5
= R
6
= R
a
，则：
u ( u
o
= -
i 1
+ u
i 2
)
（3）放大电路
通常电路中 R
7
= R u
8
, R
9
= R
11
, R
10
= R
12
，则对差模输入电压
i 1
- u
i 2
，测量放大器的
增益为：
A
vf
=
ö
u R
æ
2 R
o 7
= -
10
ç
1+
ç
R
÷
÷
u - u R
i 1 i 2 9
è
G
ø
高速自动分切机设计 27
3．3 分切机的收卷电机控制
3.1.1 控制原理
由于分切机的分切速度保持恒定不变，而卷筒纸的直径不断减小，为保持分切速度
恒定，需要对收卷装置进行调速控制。
本设计采用AT89C51单片机控制，由键盘输入初始信号，单片机输出脉冲信号，经
过放大电路，对直流电机进行调速控制，并且对键盘输入进行显示。
(1)8051单片机的基本组成
8051 单片机由 CPU 和 8 个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构
依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式， 但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存
器的集中控制方法。其基本组成如下图所示：
8051单片机基本组成
（2）CPU及8个部件的作用功能介绍如下
中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。
内部数据存储器：8051 芯片中共有 256 个 RAM 单元，能作为存储器使用的只是前
128个单元，其地址为00H—7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简
称内部RAM。
特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态
寄存器， 是一个特殊功能的RAM区， 位于内部RAM的高128个单元， 其地址为80H—FFH。
内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，
简称内部ROM。
并行I/O口：8051芯片内部有4 个8位的I/O 口（P0，P1，P2，P3），以实现数据
的并行输入输出。
串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。
定时器：8051片内有2 个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其
定时或计数结果对计算机进行控制。
中断控制系统：该芯片共有 5 个中断源，即外部中断 2 个，定时/计数中断 2 个和
高速自动分切机设计 28
串行中断1个。
振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成 8051 单片机产生时钟脉冲序列的
时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz。
（3）8051单片机引脚图
8051单片机引脚图
(4)单片机系统中所用其他芯片简介
1.地址锁存器74LS373
74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。其结构如下图所示：
74LS373片内三态门的D锁存
当使能端G呈高电平时，锁存器中的内容可以更新，而在返回低电平的瞬间实现锁
存。如果此时芯片的输出控制端
OE
为低，也即是输出三态门打开，锁存器中的地址信
息便可以通过三态门输出。以下是其引脚图：
____
高速自动分切机设计 29
74LS37引脚图
2.扩展模块8255A芯片的介绍
8255 作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的 3 个总线接口，即数据
线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口 A、B、C 口。由于 8255 可
编程，所以必须具有逻辑控制部分，因而 8255 内部结构分为 3 个部分：与 CPU 连接部
分、与外设连接部分、控制部分。
CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时，即/CS=0时，表示芯片被选中，
允许8255与CPU进行通讯；/CS=1时，8255无法与CPU做数据传输. RD:读信号线，当
这个输入引脚为低电平时，即/RD=0且/CS=0时，允许8255通过数据总线向CPU发送数
据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。
WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，即/WR=0且/CS=0时，允许CPU将数据
或控制字写入 8255。A1，A0:地址选择线，用来选择 8255 的 PA 口，PB 口，PC 口和控
制寄存器.
当A1=0，A0=0时，PA口被选择；
当A1=0，A0=1时，PB口被选择；
高速自动分切机设计 30
当A1=1，A0=0时，PC口被选择；
当A1=1.A0=1时，控制寄存器被选择.
3.1.2 键盘及显示的接线图编程
8051 外扩 1 片 8255，8255 的 PA 口为输出口，控制键盘列线的扫描，PA 口同时为
共阴极显示器的位扫描口。PB口作为显示器的段码口，8255的PC口作为键盘行线的输
入口，7407为同向驱动器。
键盘及显示器的硬件接线图
高速自动分切机设计 31
开始
有键闭合否？
N
调用显示子程序延迟6ms
Y
2 次调用显示子程序延迟
12ms
N
有键闭合否？
Y
判断闭合键键号→堆栈
N
有键闭合否？
Y
输入键号→A
返回
键盘子程序的流程图
高速自动分切机设计 32
开始
显示器缓冲区指针
置初值 79H→R0
扫描模式置初值
01H→R3
R3→8255A口
取显示数据查表转
换为段码→8255B口
延时 1ms
显示缓冲器指针 R0
加 1
Y
（R3）.5=1？
R3 左移 1 位
返回
显示子程序流程图
高速自动分切机设计 33
3.1.3 直流电机 PWM 控制的接线图及编程
直流电动机具有优良的调速特性和良好的启动性能和调速特性，调速平滑、方便，
调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动
和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，启动转矩大，最大转矩
大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调
速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。电动机调速系统采用微机实
现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现
全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较
高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于单片
机性能优越，具有较佳的性能价格比，所以单片机在工业过程及设备控制中得到日益广
泛的应用。
（1）PWM的基本原理
PWM 调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点:由于PWM 调速系统的开关频
率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好；同样，由于
开关频率高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只
工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高。
PWM 调速系统很早已出现， 但是因为缺乏高速开关元件而未能在生产实际中推广应
用。在近年来，由于大功率开关器件的制造成功和成本的不断下降， PWM 调速系统又
受到重视。PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载
两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：
电机调速、温度控制、压力控制等等。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需
要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占
空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM
又被称为“开关驱动装置”。
如下图所示：
时序图
设电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax，设占空比为 D = t T ，则电机的
1
/
高速自动分切机设计 34
平均速度为 v 其中 Va 指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时
a
= v
max
´ D V
的最大速度； D = t T 是指占空比。
1
/
由上面的公式可见，当我们改变占空比 D = t T 时，就可以得到不同的电机平均速
1
/
度Va， 从而达到调速的目的。 严格来说， 平均速度Va 与占空比D并非严格的线性关系，
但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。
同过控制 PWM 的占空比来控制直流电机的平均电压，从而达到控制直流电机的目
的。
硬件系统:
直流电机调速的计算
由体积相等求得卷筒纸的长度：
2
p
( r
2
- 0 . 075 )
L =
d
已知
L= vt
（其中：
v
——分切速度），得：
2
p
( r
2
-
0 . 075 )
= vt
d
，
v / r
，得： 又已知
n = 2
p
2
2
p
2
( r
2
- 0 . 075 )
n
=
d
rt
高速自动分切机设计 35
由公式知
n- t
曲线为非线性曲线，为方便控制，根据卷径将其近似为3段直线，
在卷径为0.300~0.225mm时，速度变化为657.5~876.7r/min，所用时间63.26min
在卷径为0.225~0.150mm时，速度变化为876.7~1315.0r/min，所用时间42.18min
在卷径为0.150~0.075mm时，速度变化为2630~1315.0r/min，所用时间21.9min
由以上数据的到3条曲线。
方波子程序流程图如下：
高速自动分切机设计 36
开始
读取输入卷径
换算成占空比
给初值
小
比较占空比大小
大
中
设定计数器
计数次数 1
设定计数器
计数次数 2
设定计数器
计数次数 7
占空比是
否为 0
调用方波子程序
占空比加 1
N
是否到执行次数
Y
返回
4 结论
近半年来，通过对以《告诉自动分切机的设计》为题的毕业设计的研究，使我对机
高速自动分切机设计 37
械设计以及对机械电子工程专业的学习有了更进一步的认识。从总体方案设计、方案对
比、确定最终设计方案，到分切机纠偏控制的设计、张力控制的设计，我获益匪浅。读
万卷书，行万里路。从无从下手到最终完成，这是一种过程，一种把大学四年所学知识
融合的过程，是一个将知识运动到实践的过程，更是一条让我们从学校慢慢踏上工作的
一个必经之路。
作为机械电子工程专业的学生，除了设计机械结构方面，还要涉及电气控制。利用
微机进行编程，对直流电机进行控制。当然，在编写程序的时候，会遇到不少困难，如：
对汇编语言的生疏，PWM控制知识的模糊、单片机的硬件接线等等。但是在老师的悉心
指导下和阅读相关微机控制以及电机控制的书籍后，问题都迎刃而解了。
通过本次毕业设计，也暴露了一些自己平时学习上的一些不足，比如：专业知识不
扎实、一知半解；对机床设计了解还不够，包括如何精确定位、如何正确安装等；计算
机辅助软件操作生疏等，但这些不是坏事，反而给我今后的学习照亮了方向，明确了学
习目标，相信通过自己的努力，一定能弥补这些不足。
最终，完成了A0#《分切机总装图》、A1《气胀轴装配图》、A1#《分切机电气图》
以及若干零件图，设计说明书一份，开题报告一份，外文文献翻译两篇等。
相信通过此次毕业设计，对今后从事机电行业的我一定能带来很大的帮助。
参考文献
【1】崔再生编著.常用印刷技术小词典.国防工业出版社，2006年08月第1版
【2】陈永常编.复合软包装材料的制作与印刷.中国轻工业出版社，2007年1月.
【3】 《包装与食品机械》杂志社编。 《包装机械产品样本 （第二版）》
高速自动分切机设计 38
【4】尹燕平主编.
《双向拉伸塑料薄膜》
第：184页
【5】西安造纸机械设计研究室编译。
《纸的整饰完成》
第：114页
【6】高春南 陈丽莲汇编.毛纺织染整技术资料汇编.
【7】WEB GUIDE SYSTEM.自动纠偏装置LPC 日本三桥株式会社.
【8】刘艳梅等《三菱PLC基础与系统设计》 机械工业出版社 2009
【9】张建民等《机电一体化系统设计》 高等教育出版社 2010
【10】邓星钟等《机电传动控制》（第四版） 华中科技大学出版社
【11】16BIT EMBEDDED CONTROLLER CORPORATION，1989
【12】 （苏）И·Я·艾德林著 马伯龙译.造纸机与整饰机械.轻工业出版社，1965年08
月第1版
【13】Rodrigo Carrasco and M. Aníbal Valenzuela ，Senior Member，n Control
of a TwoDrum Winder Using Paper Tension Estimation
【14】H. W. ATE AIEE. Regenerative Tension ControlforPaper Winders
致谢
我本次毕业设计的题目是高速自动分切机设计， 通过自己的学习和韩雄飞老师的耐
心指导，按时完成了本次毕业设计。在设计过程中，我发现设计是一个不断发现问题并
解决问题的过程， 是将知识付诸实践的过程。 在这个过程中， 通过不断完善所学的知识，
高速自动分切机设计 39
使设计变得更加完整和充实。
本次设计是在尊敬的韩雄飞老师的精心指导和悉心关怀下完成的。在办公室里，他
牺牲了自己休息的时间，认真的向我讲解分切机的结构，特别是张力控制系统，纠偏控
制系统的结构及其原理；为我指出设计中的不足、说明书的缺陷。他以其渊博的知识、
严谨的治学态度、开拓进取精神和高度的责任心和热情，给我的学习、生活以及以后的
工作态度产生了很大的影响，使我受益终生。在此谨向恩师致以最诚挚的敬意和深深的
感谢。
同时，我还要感谢每一位老师给予我的帮助、指导与鼓励；感谢与我并肩作战的各
位同学与我一起学习，一起探究！谢谢！
由于时间有限和本人的水平关系，本论文存在着许多问题和不足，希望各位老师批
评指正，特此致以诚挚的谢意！
谢谢！
2024年4月1日发(作者：元清漪)
高速自动分切机设计 I
摘要
分切机是一种将宽幅纸张或薄膜分切成多条窄幅材料的机械设备，常用于造
纸机械及印刷包装机械。然而，目前国内分切机的现状及其与一些国际知名品牌之间
存在的较大大差距，因此分析国内分切机特点，结合一些国际知名品牌设计经验，吸取
国内外一些知名品牌制造厂商的控制经验和新的控制思想。从基本结构、设计思路、张
力检测及控制、等方面进行改进。对国产设备逐步取代进口设备具有非常重要的意义。
关键词
：分切机，造纸机械，单片机控制，张力控制，纠偏控制
高速自动分切机设计 II
ABSTRACT
Slitter is a wideformat paper or film to be cut into more than a narrow range of
materials machincal equipment
，
commonly used in paper making machinery and printing
and packaging machinery. However
，
the current status is which has large gaps between a
number of international brands and domestic slitter. Therefor
，
analysis the characteristics of
domestic cutting machine
，
combined with some international famous brand design
experience
，
to learnsome domestic and abroad wellknownbrand manufacturers controling
experience and the new controling ideas. Improving it in the basic structure
，
design ideas
，
tension measurement
，
control
，
and other has very important significance that
equipment made bydomestic to gradually replace the imported equipment.
Key words:
slitter,
Paper Machinery, MCU control, tension control, corrective control
高速自动分切机设计 III
目 录
1 绪论 .........................................................1
1．1 选题背景及其意义 .................................................1
1.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势） ..............................1
1.3 研究内容 ..........................................................2
2 分切机机械结构部分设计 .......................................3
2．1课题需要解决的问题以及相关参数设定................................3
2．2分切机的总体方案的确定............................................3
2．3分切机的纠偏控制结构设计..........................................4
2．4气胀轴的结构设计及计算...........................................12
2．5分切机的张力控制结构设计.........................................17
3 分切机电气控制部分设计 ......................................23
3．1分切机的纠偏控制.................................................23
3．2分切机的张力控制.................................................24
3．3分切机的收卷电机控制.............................................27
4 结论 ........................................................36
参考文献 ......................................................37
致谢 ..........................................................38
高速自动分切机设计 1
1 绪论
1．1 选题背景及其意义
随着科技的发展、社会文明的进步，人们对纸的需求越来越大，促使近年来我国造
纸行业的迅速蓬勃发展， 作为配套的分切机在产品的分切及质量控制方面起着关键的作
用，分切是宽幅纸张生产线或印后加工的最后一道工序，在整个生产流程中占有十分重
要的地位。鉴于我国分切机仍与一些国际的品牌存在着较大的差距，分切机又有其特有
的专一性，我们有责任和义务，结合目前国内分切机的现状及其与一些国际知名品牌之
间存在的较大大差距，并吸取国内外一些知名品牌制造厂商的控制经验和新的控制思
想，从结构及人性化设计、电气控制、生产制造等方面严格要求，在不断学习国外知名
品牌的先进理念的同时，要勇于开拓创新、大胆走出自己的特色，研制出控制先进、操
作方便可靠、更加人性化、外形简洁美观的适合用户的分切机。
1.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）
目前我国的分切机与一些国际的品牌(如德国的康普 KAMPE、英国的埃特拉斯
ATLAS、意大利的铁坦TITAN、日本的不--FUJI等)之间仍存在着较大的差距，国内所生
产的分切机自动化水平还停留在中下游水平上， 虽说对国内外控制原器件运用已非常普
及，价格也较低廉，但国内分切机厂家在使用时，对分切工艺及材料特性等的理解深度
上远远落后于国外发达国家水平，特别是在控制系统上与分切机的结构、和所分切的物
料上缺乏有机的结合，在这个层面上讲，国产分切机绝大多数还停留在粗线条上，还没
有更深入领会分切机控制系统的严密性和合理性。在科学技术日新月异发展的当今时
代，随着现代造纸机械的发展，为满足当代消费者对商品包装多样化、精美化的需要。
随之人们对造纸机械的高自动化、人性化及高的安全可靠性等要求也越来越高，伴随着
计算机在工业领域应用的日益广泛和深入，同时将微电子技术、新传感技术、信息处理
技术、新工艺技术、新材料技术及微型计算机等技术的应用迅速渗透到造纸机械制造领
域，这反映出我国现代造纸机械向高科技水平发展。随着工业控制技术水平的提高，尤
其是微电子技术的迅猛发展，微处理器与可编程控制器等大规模集成电路的广泛应用，
将它们与传统工业控制相结合，加速了工业自动化水平的提高。越来越多的工业控制过
程在使用单片机，并在实时控制方面取得了很好的效果。
以 TEMPO、FUJI、TEKKO 等为代表的世界先进制造厂商，主要从以下几个方面提高
产品质量和性能：
1采用对话式键盘操作，同时数据化显示卷取数据，
2使操作不会因人而异
高速自动分切机设计 2
3操作方便可靠、更加人性化、外形美观大方
1.2.1、国产分切机特点
（1）分切盘纸质量不高
国产分切机自动化控制程度低，操作不方便，油路、各线路不封闭，机架材质差。
需要人工使用吊车上辊、卸辊；卷纸辊采用的是光辊，由于设计精度不高，分盘时需借
用外力开盘，导致盘纸达不到工艺要求，卷烟厂家上机时易产生摇摆，影响使用质量。
（2）设备运行质量差
一方面，国产分切机使用一台电机来完成牵引，这台电机传动牵引辊匀速转动，牵
引辊牵引分切材料恒线速度运行，同时牵引辊带动磁粉离合器输入轴，输入轴带动分切
轴运行。由于分切材料直径不断增大，为了保持分切材料的恒线速度运行，分切轴的转
速必须不断减小，就导致输出、输入轴的转差不断增大，增大的转差全都由磁粉离合器
转换成热能消耗掉。由于磁粉离合器热功率有限，因此就限制了分切机的运行速度。另
一方面，因磁粉离合器的热量随转差增大而升高，过高的温度常常将磁粉离合器的磁粉
和轴承烧结，摩擦系数随之增大，因此必须经常更换磁粉和轴承，严重时必须更换新的
离合器。而且，摩擦系数的变化和离合器转差增大直接影响扭力，使分切材料质量受到
影响。
（3）结构设计不合理
国产分切机退纸架较低，不能分切辊径过大的纸辊，因此增加工人劳动强度。没有
断纸吸走装置， 当纸辊由于纸病在分切过程中产生单盘断纸时， 经常出现缠绕底刀现象，
造成跳刀，使整辊盘纸起毛、起刺。在安全设计方面没有任何联锁装置、刹车装置，也
没有安全防护装置，安全系数几乎为零。
总之，控制先进、操作方便可靠、更加人性化、高效节能、外形简洁美观是目前分
切机的发展趋势。
1.3 研究内容
本课题的主要是借鉴国外先进分切机制造技术，结合自身特点，设计出一台具有结
构合理，运行稳定可靠，高质量分切盘纸的分切机。
1.3.1、分切机机械结构部分主要完成以下机构部分设计
放卷装置
分切装置
收卷装置
高速自动分切机设计 3
1，3-导向辊；2-张力控制辊；4，5，6，7，9，11，12，13- 导向辊；
9-刀槽辊 13-压辊；14-跟踪辊；15装卸卷芯小车
结构图
1.3.2、在完成机械结构部分设计的同时，采用单片机对分切机进行纠偏及张力控
制。提高分切机人性化、自动化程度。
2 分切机机械结构部分设计
2．1 课题需要解决的问题以及相关参数设定
2.1.1 本课题需要解决的问题
（1）确定分切机布置的合理方案；
（2）分切机的纠偏控制；
（3）收放卷装置的设计；
（4）分切机的张力控制；
2.1.2 相关参数
（1）分切材料为纸张；
（2）材料分切速度5～160m/min；
（3）分切卷材最大宽度1100mm；
（4）分切卷材最大直径φ600mm；
（5）纠偏误差＜±0.5mm。
2．2 分切机的总体方案的确定
分切机布置的方案
采用收卷辊、放卷辊置于分切机左右两端，导向辊置于收卷放卷辊之间，并具有一
高速自动分切机设计 4
定高度，这样变不会被操作人员碰到，而造成危险。
导向辊轴承校核
导向辊处轴承选用轴承6015
mm
； 其中：内径：
d = 75
mm
； 外径：
D = 115
. 2 kN
。
or
= 33
额定静载荷：
C
导向辊为选用部件， 质量未知， 为此假设起为45#钢 （导向辊质量远小于同体积45#
3
r
=
7. 85 kg / m
钢，），密度 ，
对导向辊的重量进行近似计算，
2
r
2
L = 3 . 14 ´ 0 . 075 ´ 1680 = 29 . 67 m
3
； 导向辊体积：
V »
p
V = 7 . 85 ´ 29 . 67 = 232 . 93 kg
； 导向辊的质量：
m =
r
. 93 ´ 10 = 2329 . 3 N
。 胀轴的重力：
G = mg = 232
. 3 N
a
= G = 2329
轴承承受的轴向力：
F
由于轴承只受轴向力，初步计算当量动载荷：
P = F . 3 N
a
= 2329
轴承的寿命（其中对球轴承
e
=
3
）
6 6
10 10
æ
C
ö æ
33200
ö
L ' =
= . 78 h
ç ÷ ç ÷
= 18349
h
60 n 60 ´ 2630
è
2329 . 3
ø
m
è
P
ø
e
3
轴承的寿命足够。
2．3 分切机的纠偏控制结构设计
2.3.1 纠偏控制结构设计
引起跑偏的主要原因有：张力不适应或张力波动大、辊系不的不平行、棍子的偏心
或有锥度、纸带的厚度不均匀及横向弯曲等，跑偏控制的作用在于使机组中收卷纸卷的
定位，避免纸带跑偏过大，而造成断带停产，同时由于实现了自动卷齐。使纸卷质量高。
本设计是采用直流伺服电机带动与之连接的滚珠丝杠旋转， 推动收卷部分工作
台移动，在收卷部分跑偏是，检测装置检测到跑偏信号，通过电路控制直流伺服电机，
高速自动分切机设计 5
推动收卷部分支架的移动，从而达到纠偏的控制。本系统中，由于检测装置安装在卷取
移动部件上，检测装置也随着收卷部分支架的移动而移动，实现了直接位置反馈。
2.3.2 直线滚动导轨副的计算与选型
1.1、导轨上移动部件的重量估算
卷筒纸的重量估算算
查有关数据知：
单位面积普通纸张重量： g g / m
2
1
= 100
普通纸张厚度：
d
=
0 . 1 mm
由以上两式得普通纸张的密度：
r
=
g /
d
= 100 / 0 . 1 = 1000 kg / m
3
；
2
卷筒纸的体积： V =
r
2
dp
= 0 . 3 ´ 1 . 1 ´ 3 . 14 = 0 . 31 m
3
；
卷筒纸的质量： m
1
=
r
V = 1000 ´ 0 . 31 = 310 kg ；
卷筒纸的力： G
1
= mg = 310 ´ 10 = 3100 N ；
收卷部分支架采用槽钢焊接而成，所使用的槽钢总长约为：
L = 20 m
；
查《机械设计手册》知 单位长度槽钢的质量 g
2
= 6 kg / m ；
收卷部分支架的质量 m ´ 6 = 90 kg ；
2
= Lg
2
= 15
收卷部分支架的力 G ´ 10 = 900 N ；
2
= mg = 90
直流电机Z4-100-1的质量 m
3
= 72 kg ；
直流电机的力 G ´ 10 = 720 N
3
= mg = 72
收卷部分的力 G » G N …………（1）
1
+ G
2
+ G
3
= 3100 + 900 + 720 = 4720
高速自动分切机设计 6
考虑到此为估算值，故留余量，取
G = 5 kN
由以上知， 导轨上面移动部件， 包括电路板、 电机、 工作台等， 估计重量约为
G = 5 kN
1.2、受力的计算
导轨仅受径向力的作用：
F = G = 5 KN
1.3、直线滚动导轨副的计算与选型
（1）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取
工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。 本次设计的工作台为水平布
置，采用双导轨、四滑块的支撑形式。最大工作载荷， F
max
= G = 5 KN
查 《机电一体化系统设计课程设计指导书》 表3-41 （P48）， 根据工作载荷 F
max
= 5 KN ，
初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA—LG35型，其额定动载荷 C . 1 KN ，额
a
= 35
定静载荷 C . 2 KN 。
0 a
= 47
工作台面尺寸为
1960 mm ´ 500 mm
，行程范围很小，查《机电一体化系统设计课程
设计指导书》表3-35（P45），按标准系列，选取导轨的长度为
1960 mm
（2）距离额定寿命
L
的计算
由《机电一体化系统设计课程设计指导书》式（3-33 P46）知距离额定寿命
L
的
计算公式为：
æ
f
H
f
T
f
C
f
R
C
a
ö
÷
L =
ç
ç ÷
´ 50
f F
W max
ø è
3
…………（2）。
…………（3）
上述选取的 KL 系列 JSK—LG35 型导轨副的滚道硬度为
60HRC
，工作温度小于
100° C
，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，载荷不大。查《机电一体化系统设计
课程设计指导书》表3-36~表3-40 分别取硬度系数 f 1.0 、温度系数 f
H
=
T
= 1.00 、接触
系数 f 、精度系数 f 1.5 ，代入式（3），得距离寿命：
C
= 0.81
R
= 0.9 、载荷系数 f
W
=
æ
f
H
f
T
f
C
f
R
C
a
ö
. 81 ´ 0 . 9 35 . 1
ö æ
1 ´ 1 ´ 0
÷
L =
ç
´ 50 = ´ . 6 Km
ç ÷
´ 50 = 1985
ç ÷
f F 1 . 5 5
ø è
W max
ø è
远大于期望值
50km
，距离额定寿命满足要求。
2.3.3 滚珠丝杠副选型和计算
（1）最大工作载荷 F
m
的计算
如前所述，工作台受垂直方向的力（与工作台面垂直）G=5KN。按矩形导轨进行
3
3
高速自动分切机设计 7
计算。查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-29(P38)，知最大工作载荷计算
公式为：
(
F
z
+ F
y
+ G
)
F
m
=
KF
x
+
m
得滚珠丝杠副的最大工作载荷为：
…………（4）
取颠覆力矩影响系数
K= 1.1
，滚动导轨上的摩擦因数
m
= 0.004
，代入式（4），求
(
F
z
+ F
y
+ G
)
= 1 . 1 ´ 5 + 0 . 004 ´ 5 = 5 . 52 KN F
m
=
KF
x
+
m
（2）最大动载荷
F
Q
的计算
由《机电一体化系统设计课程设计指导书》式（3-23 P38）得最大动载荷的
计算公式为：
F
Q
=
3
L
0
f
W
f
H
F
m
设最快速度： v
x
= 200mm / min ；
初选丝杠导程： P mm ；
h
= 6
则此时丝杠转速： n = v / P . 33 r / min 。
h
= 200 / 6 = 33
6
取滚珠丝杠的使用寿命
T = 6000
，得丝杠寿命系数：
h
，代入
L
0
= 60nT 10
…………（5）
6
6
10
L = 60 ´ 33 . 33 ´ 6000 / 10 = 12
（单位为： r）。查《机电一体化系统设计课程设计指
0
导书》 表3-30 （P39）， 取载荷系数 f
W
= 1.2 ， 滚道硬度为
60HRC
时， 取硬度系数 f 1.0 ，
H
=
代入式（5），求得最大动载荷为：
3
3
F 1 . 2 ´ 1 . 2 ´ 5 . 52 = 15 . 17 KN
Q
= L
0
f
W
f
H
F
m
= 12 ´
（3）初选型号
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查《机电一体化系统设计课程设计指
导书》表 3-31（P39），选择 G 系列 4006—3 型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺
母式，其公称直径为 d
0
= 40 mm ，导程为 P mm ，循环滚珠为3圈x1列，精度等级
h
= 6
取5级，额定动载荷为 C
a
= 15 . 96 KN ，大于
F
Q
，满足要求。
h
的计算 （4）传动效率
由《机电一体化系统设计课程设计指导书》式（3-24 P39）知道滚珠丝杠副的传
动效率计算公式为：
高速自动分切机设计 8
h
=
tan
l
(
tan
l
+
j
)
…………（6）
将公称直径 d
0
= 40 mm ，导程 P mm ，代入
l
= arctan é
p
d
0
)
ù
h
= 6
ë
P
h
(
û
，得丝杠螺旋
升角
l
=
2°
，得传动效率为：
44 ' 6 "
。将摩擦角
j
= 10'
代入式（6）
h
=
tan
l
tan 2 ° 44 ' 6 "
= ´ 100 % = 94 . 2 %
( (
2 °
)
tan
l
+
j
)
tan 44 ' 6 " + 10 '
（5）刚度的验算
1）丝杠的拉伸或压缩变形量
d
1
的计算
在总变形量中占得比重较大可按根据《机电一体化系统设计课程设计指导书》公式
2
F
m
a Ma
（3-25 P41）计算。其中， “+”号用于拉伸， “-”号用于压缩。由于
d
±
1
=±
ES2
p
IE
转矩M一般较小，式中第 2项在计算时可酌情忽略。
工作台滚珠丝杠副的支撑均采用“双推-简支”的方式。丝杠一端安装推力角接触
球轴承和深沟球轴承，另一端仅安装深沟球轴承，左、右支撑的中心距离约为
10
5
MPa
；查《机电一体化系统设计课程设计指导
a= 2000mm
；钢的弹性模量
E =2.1´
书》表3-31（P39），得
滚珠直径： D . 969 mm ，
W
= 3
丝杠底径： d
2
= 35 . 2 ，
丝杠截面积：
S =
p
d
2
/ 4 = 972 . 65 mm
2
。
F
m
a Ma
2
m
作用下产生的拉压变形 忽略式
d
± 中第二项， 算得丝杠在工作载荷
F
1
=±
ES2
p
IE
5 . 52 ´ 10
3
´ 2000
量为：
d
1
=
= 5 . 4 ´ 10
- 2
mm
5
2 . 1 ´ 10 ´ 972 . 65
2）滚珠与滚道间的接触变形量
d
2
的计算
根据《机电一体化系统设计课程设计指导书》式（3-26）和（3-27 P41），滚珠与
螺纹滚道间的接触变形量
d
2
的计算公式为：
ö
1
æ
F
3
ç
m
÷
无预紧时
d
2
= 0 . 0038
ç
10 D Z
å
÷
W
è ø
2
2
…………（7）
高速自动分切机设计 9
有预紧时
d
2
= 0 . 0013
F
m
2
å
…………（8）
3
10 D / 10
W
F
YJ
Z
d
当滚珠丝杠副有预紧力， 且预紧力达轴向工作载荷的
1/3
时，
2
值可减小一半左右。
根据公式
Z=
(
p
d
0
D
W
)
- 3
，求得单圈滚珠数：
Z = 29
；该型号丝杠为单螺母，滚
珠的圈数
´
列数为
3´
：
Z
S
=Z ´圈数
1
，代入公式
´ 列数
，得滚珠总数量：
Z
å
= 29 ´ 3 ´ 1 = 87 。丝杠无预紧时，则由式（7），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量：
1
æ
5 . 52
ö
3
d
2
=
0 . 0038 . 26 ´ 10
- 3
。
ç ÷
= 8
3 . 969
è
10 ´ 87
ø
因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的
1/3
，所以实际变形量可减小一半，取：
2
d
2
=
4 . 13 ´ 10
- 3
。
3）将以上算出的
d d
2
代入
d
总
=
d
1
+
d
2
，求得丝杠的总变形量
1
和
d
总
=
d
1
+
d
2
= 5 . 4 ´ 10
- 2
+ 4 . 13 ´ 10
- 3
= 5 . 813 ´ 10
- 2
mm
。
本次设计中，丝杠的有效行程很小，由《机电一体化系统设计课程设计指导书》表
3-27（P35）知，5 级精度滚珠丝杠有效行程在<315mm 时，行程偏差允许达到 23μm，
可见丝杠刚度足够。
（6）压杆稳定性校核
根据《机电一体化系统设计课程设计指导书》公式（3-28 P42）知，滚珠丝杠失
k
应满足： 稳时的临界载荷
F
f
k
p
2
EI
F
k
=³ F
m
2
Ka
…………（9）
查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表 3-34（P42），取支承系数 f
k
= 2 ；
由丝杠底径 d
2
= 35 . 2 mm ，求得截面惯性
I =
p
d
2
/ 64 = 75321 . 7 mm
4
；压杆稳定系数取
；滚动螺母至轴向固定处的距离α取最大值
a = 2000 K = 3
（丝杠卧式水平安装）
mm
。
代入式（9），得临界载荷：
2 ´ 3 . 14
2
´ 2 . 1 ´ 10
5
´ 75321 . 7
F = = 26 . 0 KN
k
3 ´ 2000
2
远大于工作载荷 F . 52 KN ，故丝杠不会失稳。
m
= 5
4
高速自动分切机设计 10
综上所述，初选滚珠丝杠副满足使用要求。
2.3.4 直流伺服电机选型和计算
（1）计算加在直流伺服电动机转轴上的总转动惯量
J
eq
已知：滚珠丝杠的公称直径 d
0
= 40 mm = 4 cm ，总长
l = 1595 mm = 159 . 5 cm
，导程
r
=7.85´ 10
- 3
kg/cm
3
；移动部件总重量
G = 5
P = 6 mm ，材料密度
KN
h
根据《机电一体化系统设计课程设计指导书》表 4-1（P56）常用部件转动惯量计
算公式算得各零部件的转动惯量如下：
滚珠丝杠的转动惯量：
J
s
=
m
j
D
2
8
3 . 14 ´ 159 . 5 ´ 7 . 85 ´ 10
-3
´ 4
2
= = = 1 . 966 kg · cm
2
32 32
4
p
l
r
d
0
拖板折算到丝杠上的转动惯量：
. 6
ö
5000
æ
P
ö
æ
0
J
W
=
ç
h
÷
m = = 4 . 56 kg · cm
2
ç ÷
´
i
ø
. 14
ø
10
è
2 ´ 3
è
2
p
2
2
初选直流伺服电动机型号为安川直流伺服电机 SGMGH-03A B 型，查得该型号电动
机转子的转动惯量
J
m
= 7 . 24 kg · cm
2
。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：
J
eq
= J
m
+ J
z 1
+
(
J
z 2
+ J
W
+ J
S
)
/ i
2
= 7 . 24 + 1 . 966 + 4 . 56 = 13 . 77 kg · cm
2
T
（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩
eq
1）电动机转轴所承受的负载转矩
T
eq
的计算
由《机电一体化系统设计课程设计指导书》式（4-8 P61）知
T
eq
包括三部分：即
快速起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 T 移动部件运动时折算到电动机转
amax
、
轴上的摩擦转矩 T T 因为滚珠
f
和滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩
0
。
丝杠副的传动效率很高，且 T T T
0
相对于
amax
和
f
很小，可以忽略不计，则有：
T
eq
=T
amax
+ T
f
…………（10）
根据《机电一体化系统设计课程设计指导书》式（4-9 P61），考虑传动链的总效
h
，得快速起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩的计算公式为：率
高速自动分切机设计 11
T
a max
=
2
p
J
eq
n
m
60 t
a
h
…………（11）
式中： n
m
——对应最快移动速度的步进电动机最高转速，
单位为r/min（
n
m
=
v
max
a
360
d
）；
n
m
t
a
——步进电动机由静止到加速至 转速所需的时间，单位s。
m
转速所需要的时间 t = 0.4s ，传动链总效率 设步进电动机由静止到加速至
n
a
h
= 0.7
，其中
n
m
=
v
200 ´ 0 . 75
max
a
= = 7 . 17 r / min
。
360
d
360 ´ 0 . 05813
代入式（11）求得：
2 ´ 3 . 14 ´ 6 . 53 ´ 10
-
4
´ 7 . 17
T = = = 0 . 0175 N · m
a max
60 t
a
h
60 ´ 0 . 4 ´ 0 . 7
根据《机电一体化系统设计课程设计指导书》式（4-10 P61），移动部件运动时，
折算到电动机转轴上的摩擦转矩 T
f
的计算公式为：
T
f
=
2
p
J
eq
n
m
m
GP
h
2
ph
i
…………（12）
取滚动导轨的导轨的摩擦因数
m
=
0 . 005 ，取传动链总效率
h
= 0.7
，
代入式（12），得：
T
f
=
m
GP
0 . 005 ´ 5000 ´ 0 . 006
h
= = 0 . 0341 N · m
2
ph
i 2 ´ 3 . 14 ´ 0 . 7 ´ 1
把 T . 0175 N · m 和
T
f
= 0 . 0341 N · m
代入式（10），求得快速起动时电动机转轴
a max
= 0
所承受的负载转矩：
T . 0516 N · m
。
eq
= T
a max
+ T
f
= 0
（3）直流伺服电动机最大静转矩的选定
考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压的影响较大，当输入电压降低时，其输出
转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据
T
eq
来选择步进电动机的最大静转
矩时，要考虑安全系数。本次设计取安全系数
K = 4
，则步进电动机的最大静转矩应满
足：
T
j max
³4 T ´ 0 . 0516 = 0 . 2064 N · m
eq
= 4
高速自动分切机设计 12
由以上参数，选择安川直流伺服电机 SGMGH-03A B型
额定功率：
P = 0 . 3 kW
；
额定转矩：
T = 2 . 84 N · m
；
瞬间最大转矩： T . 17 N · m ；
max
= 7
额定转速：
n = 1000r / min
；
最高转速： n r / min ；
max
= 2000
转子惯量： J = 7 . 24 kg · c m
2
；
允许负载惯量 电机惯量5倍以下
额定功率响应率：
h
=
11 . 2 kW / s 。
2．4 气胀轴的结构设计及计算
2．4.1 主要结构及其工作原理
胀轴是卷筒纸分切机上的关键设备之一， 它的好坏直接影响着卷筒纸卷材的分切
质量， 其中包括容易造成的卷材边部翘边、错层等质量缺陷。
气胀轴结构图
该胀轴主要由轴向移动的活塞体、 胀轴主体、 胀缩滑块、 两端轴头及充气装置组成。
活塞体从充气的传动侧气腔中获得轴向推力，通过 T 形块把推力传递给下滑块，由上
下滑块的摩擦斜面转变为上滑块的径向推力，从而使胀轴胀开。相反， 胀轴传动侧气
腔停止充气后，活塞体在非传动侧的弹簧的力的作用下，通过 T 形块把推力传递给下
滑块，使得上滑块失去径向推力的作用，从而使胀轴不在胀开。下面分别叙述各部件的
结构和作用。
（1）活塞体
活塞体由组合密封、T 形块等组成， 装入胀轴主体中， 它在胀轴主体中可以作轴
向滑动。当气体进入胀轴传动侧气腔中时， 活塞体就会被轴向推动， 从而带动 T 形
块轴向移动。而当停止通气时，在非传动侧弹簧力的作用下，活塞体将回复初始状态。
（2）胀轴主体
胀轴主体是整个胀轴的最重要的构件， 它支撑着整个胀轴的重量， 同时支撑着铝
高速自动分切机设计 13
卷材的重量， 它两端内壁是组成胀轴气缸的气缸筒， 活塞体在它内部轴向滑动， 同
时胀轴主体两端连接轴头， 外部沟槽是胀缩滑块的导向槽及支撑体。选用刚性较好且
不易锈蚀的材料制造。
（3）胀缩滑块
胀缩滑块由上滑块和下滑块组成， 上滑块和下滑块的摩擦面与轴心线成一个角度
a
， 当传动侧气腔充气时， 活塞体通过 T 形块带动下滑块向非传动侧方向作轴向移
动， 下滑块的斜面和轴头端面合力迫使上滑块作径向移动，形成胀轴的胀开。
（4）轴头和充气装置
传动侧轴头上0形密封圈的端面和胀轴主体内壁、活塞体组成一个气腔，传动侧轴
轴头气嘴接一个旋转接头， 胀轴工作时它一直给胀轴充气， 以保证胀轴不会因震动或
其它原因缩回， 避免了上滑块和卷芯内壁可能产生的松动。
2．4.2 技术参数及技术特性
主要技术参数：
(1) 胀轴正圆直径为：148mm；
胀轴胀开直径为：150mm (最大) ；
胀轴收缩直径为：146mm (最小) ；
(2) 速度为：2630r/min (最大) ；
(3) 压缩空气为：700kPa；
(4) 使用卷芯规格：宽度为1100mm (最大) ；
内径为150±2mm；
(5) 卷重为：310kg (最大)。
技术特性：
1) 采用标准密封件， 标准螺钉等标件， 方便以后的维护和备件管理；
2) 采用通用的工业气源；
3) 由于该胀轴有自锁性， 即使有一定的漏气，也不会对卷取产生大的影响。
2．4.3 几个主要参数的计算
（1）上下滑块摩擦斜面与轴心夹角
a
的确定
由于胀轴胀缩时主要摩擦力集中在上下滑块间的摩擦面和下滑块与胀轴主体的摩
擦面，所以忽略其它影响较小的摩擦力和下滑块的重量，主要分析上下滑块间的摩擦面
和下滑块与胀轴主体的摩擦面的摩擦力。当胀轴套上卷芯胀开后，气缸卸压，由于卷芯
的张力和弹簧回复力的作用，通过扇形块传递给上滑块一个压力
N
，该压力又被上滑
块传递给下滑块，使下滑块产生一个向右滑动的趋势。
高速自动分切机设计 14
下滑块所受水平方向合力(向右为正) ：
å
F
a
- f
2 x
= N
1
sin
a
- f
1
cos … ………………………（1）
由
å
F
y
= N -
(
N
1
cos
a
+ f
1
sin
a
)
= 0
得：
N
1
=
(
N - f / cos
a
1
sin
a
)
f
1 1
=
m
N
f
2
=
m
N
(2) (3) (4) 代入(1) 得：
…………………………（2）
………………………………（3）
…………（4）
)
å
F
a
1 -
m
2
- 2
m
/
(
m
tan
a
+ 1
x
= N tan
[
(
]
)
…………（5）
高速自动分切机设计 15
式中：
m
——下滑块两个相同摩擦副的摩擦系数；
N
1
——上滑块和下滑块斜面正压力；
N
——胀轴主体对下滑块的支撑力(上滑块的径向胀力) ；
f
1
——上滑块和下滑块斜面的摩擦力；
f
2
——下滑块和胀轴主体的摩擦力。
由(5) 式可知，
a
的取值在0～ 45°间，当 tan
a
> 2
m
/
(
1 -
m
2
)
时， åF > 0 时，下
滑块将不能自锁，会向右移动； 当 tan
a
< 2
m
/
(
1 -
m
2
)
时，下滑块将能自锁，但 å F
X
数
值将随着A的减小而负增大(此时即摩擦阻力变大) ，它将消耗活塞体提供的动力， 并
且容易造成胀轴卡死。因此合适选择A角度将会更有利于胀轴的使用。
m
值可参照表1
选用。
选择45#钢做为胀轴的材料，查上表得：
m
=
0 . 15
将其代入，求得：
2
tan
a
=
2
m
/
(
1 -
m
2
)
= 2 ´ 0 . 15 /
(
1 - 0 . 15
)
= 0 . 369
…………（6）
…………（7）
由已知得：
N = G = 3100 N
…………（8）
将（6）（7）（8）式代入（5）式得：
高速自动分切机设计 16
[ ]
)
]
/
(
0 . 15 ´ 0 . 369 + 1
)
= 3100 ´
[
0 . 369 ´
(
1 - 0 . 15 - 2 ´ 0 . 15
)
å
F
a
(
1 -
m
2
- 2
m
)
/
(
m
tan
a
+ 1
x
= N tan
2
= 739 . 34 N
（2）活塞直径和气源气压的确定
胀轴收缩时，活塞体向下滑块提供的轴向力 T
1
> å F
X
， 即：
T . 34 N …………（9）
1
> å F
x
= 739
选取弹簧使得在压紧状态时：
T
1
= 750 N …………（10）
胀轴胀开时，活塞体向下滑块提供的轴向力：
T N
a
+ f
2
) + T
2
>
(
1
sin
a
+ f
1
cos
1
…………（11）
将（2）、（3）、（4）、（6）、（7）式代入（11）式中，得：
T N
a
+ f
2
) + T . 635 N + T
2
>
(
1
sin
a
+ f
1
cos
1
= 0
1
…………（12）
为了制造方便，让胀轴两侧气腔活塞直径相同，只用分析胀轴胀开时活塞体向下滑
块提供的轴向力 T
2
的气压即可。
)
P
…………（13）
T D /
2
2
=
p
(
2
将(12) 式代入（13) 式中得：
P
= 4T
2
/
(
p
D
2
)
> 4 ´ ( 0 . 635 N + T
p
D
2
…………（14）
1
) /
式中：
N
——胀轴主体对下滑块的支撑力(上滑块的径向胀力) ；
T
1
——胀轴收缩时活塞体向下滑块提供的轴向力；
T
2
——胀轴胀开时活塞体向下滑块提供的轴向力；
D
——活塞直径；
P
—— 空气压力；
由(14) 式可知，当上滑块需要的径向力
N
(即胀轴的胀开力) 一定时，活塞直径
D
越大，所需要的空气压力就越小。为了让空气压力
P
的值在通用工业气源范围内，
在不影响胀轴主体强度的情况下，尽可能扩大活塞直径
D
的尺寸。
综合设计结构及气压参数等选取直径：
D = 83mm
得：
P >
4 ´ ( 0 . 635 N + T
p
D = 4 ´ ( 0 . 635 ´ 3100 + 750 ) /
(
p
´ 83
2
)
= 0 . 50 Mpa
1
) /
即所提供的气压应大于0.5Mpa。
高速自动分切机设计 17
（3）胀轴重量估算
胀轴大部分材料为45#钢， 故用45#钢的密度（即取
r
=
7 . 85 kg / m
3
） ，
对胀轴的重量进行近似计算，
胀轴体积： V »
p
r
2
L = 3 . 14 ´ 0 . 075
2
´ 1350 = 23 . 84 m
3
；
胀轴的质量： m =
r
V = 7 . 85 ´ 23 . 84 = 187 . 18 kg ；
胀轴的力： G = mg = 187 . 18 ´ 10 = 1871 . 8 N ；
支撑胀轴所需的力 F =
( G
a
= ( 3100 + 1871 . 8 ) / cos 15 ° = 5147 . 2 N ；
1
+ G
2
) / cos
初选选取气缸：缸径：
D = 32 mm
；
活塞杆直径：
d = 12 mm
；
气缸推力： F
= P
p
d
2
4
；
即工作压力
P ³
4 F
4 ´ 5147 . 2
1
= = 42 . 3 Mpa
即可。
p
d
2
3 . 14 ´ 12
2
2．5 分切机的张力控制结构设计
2.5.1 张力控制结构设计
分切机采用直流电机控制主动收卷，被动放卷，放卷辊轴端安装摩擦片，控制增加
放卷阻尼，进行初步的张力控制，再在放卷与收卷部分安装张力传感器、气缸及力控制
辊，张力传感器检测张力大小，用此信号控制气缸上下移动，气缸与张力控制辊的一端
相连，气缸上下移动，通过张力控制辊上的支点，控制另一端上下移动从而达到进一步
控制张力的目的。
张力控制部分简图
高速自动分切机设计 18
2.5.2 传感器的选型
普通纸张张力一般小于30N。由此选择张力传感器：
ABB张力传感器：Rectangular load cells PFVL 141V，
Measurement range 0.63 – 56 N ，
380X130
其中 F 、
L = 130 mm
、
W = 300 mm
。
N
= 31N
2.5.3 气缸的选型及计算
由杠杆的平衡公式： F
1
' / L / L
1
= F
2
'
2
，得：
F
1
' = F ´ 267 . 5 / 1120 = 7 . 17 N
2
' L
1
/ L
2
= 30
因为气压缸所推动的力较小，选择较小的气压缸即可
选取气缸：缸径：
D = 12 mm
；
活塞杆直径：
d = 6 mm
。
由活塞杆直径求得气缸推力：
F
= P
p
d
2
4
气压缸向下运动时带动杠杆的另一端向上运动，此时所受的力不受影响；气压缸向
上运动时，带动杠杆另一端向下运动，此时所施加的力应大于纸张张力，所以气缸的推
力应满足：
F
1
=
P
p
d
2
4
³ F
1
'
4 F
4 ´ 7 . 17
1
= = 0 . 25 Mpa
p
d
2
3 . 14 ´ 6
2
即工作压力
P ³
取 P = 0 . 3 Mpa 即气缸所需的气压为0.3Mpa
2.5.4 直流电机的选型及同步带的计算
（1）直流电机的选型
收卷部分采用直流电机收卷。由设计要求知：
分切卷材最大直径
D = 600 mm = 0 . 6 m
材料分切速度：
v = 5 ~ 160 m / min
收卷胀轴的直径可视为最小直径：
d = 150 mm = 0 . 15 m
…………（1）；
…………（2）；
…………（3）
高速自动分切机设计 19
分切材料为纸张，查得纸张张力不得大于
30 N
，故取：
F = 30 N
…………（4）
当分切速度不变时，卷筒纸卷径越小，转速越大，所以:
n
p
v / d = 4 ´ 3 . 14 v / 0 . 15 = 83 . 73 v
max
=
4
将（2）式代入（5）式中得：
n . 73 ´ ( 5 ~ 160 ) = 418 . 67 ~ 13397 r / min
max
= 83
当纸张张力不变时，卷筒纸卷径越大，所需的力矩越大，所以：
T · D / 2 = 30 ´ 0 . 6 / 2 = 9 N · m
max
= F
根据 T n
max
及
max
的值，初选直流电机Z4-100-1。
其中： P kW
N
= 4
n
N
= 2630r / min
由公式：
P = Tn
N
/ 9550 = 9 ´ 2630 / 9550 = 2 . 48 kW
知： P
N
> P
故直流电机Z4-100-1符合要求。
其中：最高转速： n r / min ；
max
= 2630
线速度： v =
nr /( 2
p
) = 2630 ´ 0 . 075 /( 2 ´ 3 . 14 ) = 31 . 41 m / min ；
最低转速 n
p
v / R = 2 ´ 3 . 14 ´ 31 . 41 / 0 . 3 = 657 . 5 r / min 。
min
=
2
（2）同步带传动的设计
同步带传动是一种新型的机械传动。由于它是一种啮合传动，因而带和带轮之间没
有相对滑动，从而使主、从轮间的传动达到同步。
同步带传动和V带、平带相比具有：
(1)传动准确，无滑动，能达到同步传动的目的；
(2)传动效率高·一般可达驰蓐；
(3)速比范围大 允许线速度也高；
(4)传递功率范围大。从几十瓦到几百千瓦；
(5)结构紧凑，还适用于长轴传动等优点。
因此， 同步带传动已日益引起各方面的注意和重视，并把这种传动应用到各种机
械设备上。相应地设计者要求有一种设计方法来台理地选择同步带传动的各项参数。
高速自动分切机设计 20
一、同步带传动的设计准则
同步带传动是以带齿与轮齿依次啮合来传递动力。达到同步传动的目的。因此，在
同步带传递扭矩时，带将受拉力作用。带齿承受剪切，而带齿的工作表面在进入和退出
与轮齿啮合的过程中将被磨损。因此同步带的主要失效形式有如下三种：
(1)同步带承载绳(又称骨架绳)的疲劳断裂；
(2)带齿的剪切破裂：
(3)带齿工作表面磨损。失去原来的形状。
根据试验分析， 当同步带绕于带轮时， 在所包圆弧内 带齿与带轮齿的啮合齿数z． 大
于 6 时 带齿的剪切强度将大干带的抗拉强度。同时，随着粘附于带齿工作表面上的尼
龙包布层的设置．使带齿的耐磨性有了很大的提高。因此在同步带正常工作条件下，同
步带的主要失效形式是带在变拉力作用下的疲劳断裂 所以同步带传动是根据带的抗拉
强度作为设计准则来进行设计的。
1、确定同步带传动的设计功率 P
d
P
d
= K
A
´ P
式中： K
A
——载荷修正系数，
P
——工作机上的电机功率：
根据原动机工作类型和每日运转时间等因素查表 8-7（机械设计第八版.濮良贵主
编），载荷变动微小，每天工作小时<10h，取：K=1.0，则：
P ´ 2 . 48 = 2 . 48 kW
d
= K
A
´ P = 1
2、确定带的型号和节距
根据同步带传动的设计功率 P . 48 kW 和小带轮转速 n r / min ，查得带的
d
= 2
2
= 2630
型号为L型，对应节距 P . 525 mm （见《机械设计手册》）
b
= 9
3、选择小带轮齿数
由小带轮转速 n
1
= 2630 r / min 和L型带，查表（见《机械设计手册》）得小带轮最
小许用齿数： Z
1 min
= 16 ， 取 Z
1
= 20
由 i = n
1
/ n
2
= 1 ，
得大齿轮齿数： Z
2
= Z
1
= 20
4、确定带轮节圆直径：
d
p
= 9 . 525 ´ 20 / 3 . 14 = 61 mm
1
=
d
2
= P
b
Z
1
/
高速自动分切机设计 21
5、确定同步带的节线长度 L
P
L a cos
j
+
p
( d
2
+ d ( d
2
- d 180
P
=
2
1
) / 2 +
pj
1
) /
式中
j
= arcsin
d
2
- d
80 - 80
1
= arcsin = 0
（以a=600mm计）则：
2 a 2 a
L a cos
j
+
p
( d
2
+ d ( d
2
- d 180
P
=
2
1
) / 2 +
pj
1
) /
)
/ 2 = 1391 . 54 mm = 2 ´ 600 + 3 . 14 ´
(
61 + 61
6、计算同步带齿数 Z
b
同步带齿数：
Z
b
= L . 54 / 9 . 525 = 146
P
/ P
b
= 1391
7、确定同步带设计功率为 P
d
时所需带宽
（1）计算所选型号同步带的基准额定功率 P
0
2
P T v / 1000
0
= (
a
- mv )
式中： T
a
——许用工作拉力；
m——单位长度质量；
v—— 线速度；
查表（见《机械设计手册》）得： T . 46 N 、 m = 0 . 095 kg / m 。
a
= 244
同步带的速度：
w
P 10
-
3
b
Z
1
´
v = = 2630 ´ 9 . 525 ´ 20 ´ 10
- 3
= 0 . 5 m / s
2
p
其中
w
= 2
p
n
1
，代入上式得：
2
P T v / 1000 = ( 244 . 46 - 0 . 095 ´ 0 . 5
2
) ´ 0 . 5 / 1000 = 122 . 22 w
0
= (
a
- mv )
（2）计算小带轮啮合齿数 Z
m
小带轮的啮合齿数：
Z
m
=
Z
1
P Z
-
b
2
1
= 5 . 8 < 6
2
2
p
a
（3）确定实际所需带宽 b
r
高速自动分切机设计 22
P » P
0
K
Z
K
w
式中：
P
——带所能传递功率 kW
K
Z
——啮合系数， 因 Z
m
< 6 时 K
Z
= 1 - 0 . 2 ( 6 - Z
m
) = 0 . 9744
1 . 14
K
w
——带宽系数 ，
K
w
= ( b
，查表1L型带 b . 1 mm
r
/ b
ra
)
ra
= 19
将
P
式代入 P ³ P
d
，则：
æ
P
d
ö
ç ÷
b
r
³ b
ra
ç ÷
0
ø è
K
z
P
取标准宽度：
b
ra
= 12 . 7 mm （见《机械设计手册》）
8、验算
æ
b
2
ö
- 3
r
÷
P =
ç
K K T - mv v ´ 10 = 3 . 24 kW ³ 2 . 48 kW
z w a
ç ÷
b
ra
è ø
1 / 1 . 14
= 1 . 3 mm
额定功率大于设计功率，则带的传动能力已足够，所选参数合格。
9、结果整理
(1)带：选用L型同步带
其中：节距： P . 525 mm
b
= 9
带长：
L
p
= 1391 . 54 mm
齿数： Z
b
= 146
标准宽度： b . 7 mm
r
= 12
(2)带轮：齿数： Z
1
= Z
2
= 20
直径： d mm
1
=d
2
= 61
高速自动分切机设计 23
3 分切机电气控制部分设计
3．1 分切机的纠偏控制
3.1.1 控制原理
直流伺服电机控制常见的跑偏控制系统有气液和光电伺服控制系统。 两者的工作原
理相同，区别仅在于检测装置的不同。前者为气动检测装置和气、液伺服阀，后者为光
电检测装置和直流伺服电机。他们各有所长。采用光电检测装置和直流伺服电机控制系
统。系统有信号传输快、反馈方便，光电检测装置安装方便等特点，但系统较复杂。下
面对该系统的控制原理进行简要分析。
系统由光电检测装置，电放大器，直流伺服电机、卷取机所组成。光电检测装置用
来检测纸带的横向跑偏及方向，它由电源和光电管接收器组成。利用光电管作为一个桥
臂构成的电桥电路，输出的电压信号是反映带边偏离的偏差信号，送入放大器。当纸带
正常运行时， 光电管的一半接受光照， 其电阻值为R1=a， 调整电阻R2、 R3使R1*R3=R2*R4，
电桥平衡无输出。当纸带跑偏，带边偏离检测装置的中央位置时光电管接收的光照发生
变化，电阻值也随之变化，使电桥失去平衡，从而产生偏差信号，此信号经放大器放大
后输入直流伺服电机，直流伺服电机获得信号后，正转或反转，再在通过滚珠丝杠副带
动滚珠丝杠副上的收卷部分支架向向跑偏的方向跟踪，当跟踪位移和跑偏的位移相等
时，偏差信号等于零，卷筒停止移动。在新的平衡状态下卷取，完成了自动纠偏过程。
此外，将检测装置安装在收卷部分支架上，使得检测装置随着支架的移动而移动，检测
装置的随动在完成纠偏后，检测装置的偏差信号变为0，从而形成自动纠偏控制。
X +
X
Xp
Xe
差动
电流
跟踪
位移
光电
Ug
检测器
运算
放大器
直流伺
服电机
卷取机
跑偏控制系统工作原理图
高速自动分切机设计 24
3.1.2 硬件接线
跑偏控制系统电路图
放大倍数的计算
由电路结构分析可知：
æ
R
ö
R
1 1
ç ÷
u = 1 + u - u
01 i 1 i 2
ç
R
÷
R
è
G
ø
G
æ
R
ö
R
2 2
ç ÷
u = 1 + u - u
o 2 i 1 i 1
ç
R
÷
R
è
G
ø
G
æ
R
ö
R
R
4 4 6
ç ÷
u = - u + 1 + u
0 o 1
ç
o 2
÷
R R R + R
3
è
3
ø
5 6
通常电路中 R
1
= R R u
2
,
3
= R
5
, R
4
= R
6
，则对差模输入电压
i 1
- u
i 2
，测量放大器的增
益为：
A
vf
=
ö
u
R
æ
2 R
o 1
= -
4
ç
1 +
ç
R
÷
÷
u - u R
i 1 i 2 3
è
G
ø
3．2 分切机的张力控制
3.2.1 控制原理
纸带张力控制由张力控制辊、收卷电机、放卷部分摩擦片来组建立。卷筒纸带以直
流电机作牵引带动收卷胀轴，安装在轴端的摩擦片产生放卷负载以造成所需的张力。但
由于系统各部件惯性大，时间滞后大，当外界干扰引起纸带的内张力波动时，不能及时
调整。其控制精度低，不能满足要求。为了满足张力波动控制要求，在张力辊组之间设
高速自动分切机设计 25
立一气压张力伺服控制系统来提高控制精度。他的工作原理如下：在一导向辊的左右两
轴承座下各安装一力传感器作为检查装置。 两传感器检查所得信号的平均值与给定的信
号值比较。出现偏差时，信号经测量放大器放大后输入伺服阀。若实际张力与给定值相
等，则偏差信号为零，伺服阀无输出，气压缸保持不动。当张力增大时，偏差信号使伺
服阀在某一方向产生开口量，输出一定电流，使气压缸向上移动，抬起张力控制辊，张
力减小到额定值。反之张力减小时，则产生的偏差信号使伺服阀控制气压缸向下运动，
张力控制辊下移张紧纸带，使张力升高到额定值。因此系统是一个恒值控制系统。他保
证纸带张力符合要求，提高了卷纸的质量。
给定张力X +
X
Xp
运算
放大器
电气
伺服阀
气压缸
张力
调节器
实际张力
张力
传感器
张力控制系统工作原理图
3.2.2 硬件接线
张力控制系统电路图
(1)反相电路
反相放大器的原理：
根据分析可知：
i u
-
» u
i
» i
f
,
+
= 0
；
如图可列出：
高速自动分切机设计 26
i
i
=
u u
i
- u
-
=
i
R R
1 1
u u
-
- u
0
= -
0
R R
2 2
i
f
=
由此得出：
R
2
u = - u
o i
R
1
则闭环电压放大倍数为：
A
uf
=
u
R
o
= -
2
u R
i 1
反相放大器
当取 R
1
= R
1
，反相放大器将传感器的正信号变为负信号，在将它的输
vf
= -
2
时，
A
出端接在反相放大器A5的正端进行比较。
（2）比较电路
在比较电路中使： R
4
= R
5
= R
6
= R
a
，则：
u ( u
o
= -
i 1
+ u
i 2
)
（3）放大电路
通常电路中 R
7
= R u
8
, R
9
= R
11
, R
10
= R
12
，则对差模输入电压
i 1
- u
i 2
，测量放大器的
增益为：
A
vf
=
ö
u R
æ
2 R
o 7
= -
10
ç
1+
ç
R
÷
÷
u - u R
i 1 i 2 9
è
G
ø
高速自动分切机设计 27
3．3 分切机的收卷电机控制
3.1.1 控制原理
由于分切机的分切速度保持恒定不变，而卷筒纸的直径不断减小，为保持分切速度
恒定，需要对收卷装置进行调速控制。
本设计采用AT89C51单片机控制，由键盘输入初始信号，单片机输出脉冲信号，经
过放大电路，对直流电机进行调速控制，并且对键盘输入进行显示。
(1)8051单片机的基本组成
8051 单片机由 CPU 和 8 个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构
依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式， 但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存
器的集中控制方法。其基本组成如下图所示：
8051单片机基本组成
（2）CPU及8个部件的作用功能介绍如下
中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。
内部数据存储器：8051 芯片中共有 256 个 RAM 单元，能作为存储器使用的只是前
128个单元，其地址为00H—7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简
称内部RAM。
特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态
寄存器， 是一个特殊功能的RAM区， 位于内部RAM的高128个单元， 其地址为80H—FFH。
内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，
简称内部ROM。
并行I/O口：8051芯片内部有4 个8位的I/O 口（P0，P1，P2，P3），以实现数据
的并行输入输出。
串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。
定时器：8051片内有2 个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其
定时或计数结果对计算机进行控制。
中断控制系统：该芯片共有 5 个中断源，即外部中断 2 个，定时/计数中断 2 个和
高速自动分切机设计 28
串行中断1个。
振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成 8051 单片机产生时钟脉冲序列的
时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz。
（3）8051单片机引脚图
8051单片机引脚图
(4)单片机系统中所用其他芯片简介
1.地址锁存器74LS373
74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。其结构如下图所示：
74LS373片内三态门的D锁存
当使能端G呈高电平时，锁存器中的内容可以更新，而在返回低电平的瞬间实现锁
存。如果此时芯片的输出控制端
OE
为低，也即是输出三态门打开，锁存器中的地址信
息便可以通过三态门输出。以下是其引脚图：
____
高速自动分切机设计 29
74LS37引脚图
2.扩展模块8255A芯片的介绍
8255 作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的 3 个总线接口，即数据
线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口 A、B、C 口。由于 8255 可
编程，所以必须具有逻辑控制部分，因而 8255 内部结构分为 3 个部分：与 CPU 连接部
分、与外设连接部分、控制部分。
CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时，即/CS=0时，表示芯片被选中，
允许8255与CPU进行通讯；/CS=1时，8255无法与CPU做数据传输. RD:读信号线，当
这个输入引脚为低电平时，即/RD=0且/CS=0时，允许8255通过数据总线向CPU发送数
据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。
WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，即/WR=0且/CS=0时，允许CPU将数据
或控制字写入 8255。A1，A0:地址选择线，用来选择 8255 的 PA 口，PB 口，PC 口和控
制寄存器.
当A1=0，A0=0时，PA口被选择；
当A1=0，A0=1时，PB口被选择；
高速自动分切机设计 30
当A1=1，A0=0时，PC口被选择；
当A1=1.A0=1时，控制寄存器被选择.
3.1.2 键盘及显示的接线图编程
8051 外扩 1 片 8255，8255 的 PA 口为输出口，控制键盘列线的扫描，PA 口同时为
共阴极显示器的位扫描口。PB口作为显示器的段码口，8255的PC口作为键盘行线的输
入口，7407为同向驱动器。
键盘及显示器的硬件接线图
高速自动分切机设计 31
开始
有键闭合否？
N
调用显示子程序延迟6ms
Y
2 次调用显示子程序延迟
12ms
N
有键闭合否？
Y
判断闭合键键号→堆栈
N
有键闭合否？
Y
输入键号→A
返回
键盘子程序的流程图
高速自动分切机设计 32
开始
显示器缓冲区指针
置初值 79H→R0
扫描模式置初值
01H→R3
R3→8255A口
取显示数据查表转
换为段码→8255B口
延时 1ms
显示缓冲器指针 R0
加 1
Y
（R3）.5=1？
R3 左移 1 位
返回
显示子程序流程图
高速自动分切机设计 33
3.1.3 直流电机 PWM 控制的接线图及编程
直流电动机具有优良的调速特性和良好的启动性能和调速特性，调速平滑、方便，
调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动
和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，启动转矩大，最大转矩
大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调
速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。电动机调速系统采用微机实
现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现
全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较
高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于单片
机性能优越，具有较佳的性能价格比，所以单片机在工业过程及设备控制中得到日益广
泛的应用。
（1）PWM的基本原理
PWM 调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点:由于PWM 调速系统的开关频
率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好；同样，由于
开关频率高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只
工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高。
PWM 调速系统很早已出现， 但是因为缺乏高速开关元件而未能在生产实际中推广应
用。在近年来，由于大功率开关器件的制造成功和成本的不断下降， PWM 调速系统又
受到重视。PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载
两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：
电机调速、温度控制、压力控制等等。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需
要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占
空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM
又被称为“开关驱动装置”。
如下图所示：
时序图
设电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax，设占空比为 D = t T ，则电机的
1
/
高速自动分切机设计 34
平均速度为 v 其中 Va 指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时
a
= v
max
´ D V
的最大速度； D = t T 是指占空比。
1
/
由上面的公式可见，当我们改变占空比 D = t T 时，就可以得到不同的电机平均速
1
/
度Va， 从而达到调速的目的。 严格来说， 平均速度Va 与占空比D并非严格的线性关系，
但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。
同过控制 PWM 的占空比来控制直流电机的平均电压，从而达到控制直流电机的目
的。
硬件系统:
直流电机调速的计算
由体积相等求得卷筒纸的长度：
2
p
( r
2
- 0 . 075 )
L =
d
已知
L= vt
（其中：
v
——分切速度），得：
2
p
( r
2
-
0 . 075 )
= vt
d
，
v / r
，得： 又已知
n = 2
p
2
2
p
2
( r
2
- 0 . 075 )
n
=
d
rt
高速自动分切机设计 35
由公式知
n- t
曲线为非线性曲线，为方便控制，根据卷径将其近似为3段直线，
在卷径为0.300~0.225mm时，速度变化为657.5~876.7r/min，所用时间63.26min
在卷径为0.225~0.150mm时，速度变化为876.7~1315.0r/min，所用时间42.18min
在卷径为0.150~0.075mm时，速度变化为2630~1315.0r/min，所用时间21.9min
由以上数据的到3条曲线。
方波子程序流程图如下：
高速自动分切机设计 36
开始
读取输入卷径
换算成占空比
给初值
小
比较占空比大小
大
中
设定计数器
计数次数 1
设定计数器
计数次数 2
设定计数器
计数次数 7
占空比是
否为 0
调用方波子程序
占空比加 1
N
是否到执行次数
Y
返回
4 结论
近半年来，通过对以《告诉自动分切机的设计》为题的毕业设计的研究，使我对机
高速自动分切机设计 37
械设计以及对机械电子工程专业的学习有了更进一步的认识。从总体方案设计、方案对
比、确定最终设计方案，到分切机纠偏控制的设计、张力控制的设计，我获益匪浅。读
万卷书，行万里路。从无从下手到最终完成，这是一种过程，一种把大学四年所学知识
融合的过程，是一个将知识运动到实践的过程，更是一条让我们从学校慢慢踏上工作的
一个必经之路。
作为机械电子工程专业的学生，除了设计机械结构方面，还要涉及电气控制。利用
微机进行编程，对直流电机进行控制。当然，在编写程序的时候，会遇到不少困难，如：
对汇编语言的生疏，PWM控制知识的模糊、单片机的硬件接线等等。但是在老师的悉心
指导下和阅读相关微机控制以及电机控制的书籍后，问题都迎刃而解了。
通过本次毕业设计，也暴露了一些自己平时学习上的一些不足，比如：专业知识不
扎实、一知半解；对机床设计了解还不够，包括如何精确定位、如何正确安装等；计算
机辅助软件操作生疏等，但这些不是坏事，反而给我今后的学习照亮了方向，明确了学
习目标，相信通过自己的努力，一定能弥补这些不足。
最终，完成了A0#《分切机总装图》、A1《气胀轴装配图》、A1#《分切机电气图》
以及若干零件图，设计说明书一份，开题报告一份，外文文献翻译两篇等。
相信通过此次毕业设计，对今后从事机电行业的我一定能带来很大的帮助。
参考文献
【1】崔再生编著.常用印刷技术小词典.国防工业出版社，2006年08月第1版
【2】陈永常编.复合软包装材料的制作与印刷.中国轻工业出版社，2007年1月.
【3】 《包装与食品机械》杂志社编。 《包装机械产品样本 （第二版）》
高速自动分切机设计 38
【4】尹燕平主编.
《双向拉伸塑料薄膜》
第：184页
【5】西安造纸机械设计研究室编译。
《纸的整饰完成》
第：114页
【6】高春南 陈丽莲汇编.毛纺织染整技术资料汇编.
【7】WEB GUIDE SYSTEM.自动纠偏装置LPC 日本三桥株式会社.
【8】刘艳梅等《三菱PLC基础与系统设计》 机械工业出版社 2009
【9】张建民等《机电一体化系统设计》 高等教育出版社 2010
【10】邓星钟等《机电传动控制》（第四版） 华中科技大学出版社
【11】16BIT EMBEDDED CONTROLLER CORPORATION，1989
【12】 （苏）И·Я·艾德林著 马伯龙译.造纸机与整饰机械.轻工业出版社，1965年08
月第1版
【13】Rodrigo Carrasco and M. Aníbal Valenzuela ，Senior Member，n Control
of a TwoDrum Winder Using Paper Tension Estimation
【14】H. W. ATE AIEE. Regenerative Tension ControlforPaper Winders
致谢
我本次毕业设计的题目是高速自动分切机设计， 通过自己的学习和韩雄飞老师的耐
心指导，按时完成了本次毕业设计。在设计过程中，我发现设计是一个不断发现问题并
解决问题的过程， 是将知识付诸实践的过程。 在这个过程中， 通过不断完善所学的知识，
高速自动分切机设计 39
使设计变得更加完整和充实。
本次设计是在尊敬的韩雄飞老师的精心指导和悉心关怀下完成的。在办公室里，他
牺牲了自己休息的时间，认真的向我讲解分切机的结构，特别是张力控制系统，纠偏控
制系统的结构及其原理；为我指出设计中的不足、说明书的缺陷。他以其渊博的知识、
严谨的治学态度、开拓进取精神和高度的责任心和热情，给我的学习、生活以及以后的
工作态度产生了很大的影响，使我受益终生。在此谨向恩师致以最诚挚的敬意和深深的
感谢。
同时，我还要感谢每一位老师给予我的帮助、指导与鼓励；感谢与我并肩作战的各
位同学与我一起学习，一起探究！谢谢！
由于时间有限和本人的水平关系，本论文存在着许多问题和不足，希望各位老师批
评指正，特此致以诚挚的谢意！
谢谢！