绪 论
1. 防水布的基本概念
防水性一般的外衣或多或少都具有泼水的功能，但是在长时间暴露于恶劣环境
下还能保持干燥的布料却十分稀少。根据美国陆军所定的标准，一种布料必须能承
受每平方英吋25磅的水压而不漏水，才可称为具‘防水性’。也就是布
料必须能在高水压之下阻挡水的渗入。
测试结果显示：一般布料能承受每平方英吋3到5磅的水压，而Gore-Tex则能
承受每平方英吋65磅的水压而不渗水，可知它具有优良的防水性。
2．防水布的生产加工
防水布主要分为两种：1、组织结构属于高支高密的防水布；2、采用涂层和助
剂来拒水的防水布。我们设计的机械主要用于的是由防水面料和无纺布经过挤压而
成的防水布，如图1-1
所示。
图
1-1防水布加工的平面简图
下面详细介绍一下防水面料和无纺布：
防水面料
防水面料是一种新型的纺织面料，其成份是由高分子防水透气材料（PTFE膜）
加上布料复合面料而成。防水透气面料的主要功能有：防水，透湿，透气，绝缘，
防风，保暖。从制作工艺上讲，防水透气面料的技术要求要比一般的防水面料高的
多。同时从品质上来看，防水透气面料也具有其他防水面料所不具备的功能性特点。
防水透气面料在加强布料气密性、水密性的同时，其独特的透汽性能，可使结构内
部水汽迅速排出，避免结构孳生霉菌，并保持人体始终干爽，完美解决了透气与防
风，防水，保暖等问题，是一种健康环保的新型面料。真正的防水面料长期处于潮
湿的气候环境中也能经得住渗水压力，不渗水。比如长时间地在风雨交加的户外行
走，跪或坐在潮湿的地面，都不会渗水。在水汽的状态下，水颗粒非常细小，根据
毛细运动的原理，可以顺利渗透到毛细管到另一侧，从而发生透汽现象。当水汽冷
凝变成水珠后，颗粒变大，由于水珠表面张力的作用（水分子之间互相“拉扯
抗衡”），水分子就不能顺利脱离水珠渗透到另一侧，也就是防止了水的渗透
发生，使透气膜有了防水的功能。
无纺布
无纺布（英文名：Non Woven），又称不织布，是由定向的或随机的纤维而构成，
是新一代环保材料，具有防潮、透气、柔韧、质轻、不助燃、容易分解、无毒无刺
激性、色彩丰富、价格低廉、可循环再用等特点。多采用聚丙烯（pp材质）粒料为
原料，经高温熔融、喷丝、铺纲、热压卷取连续一步法生产而成。因具有布的外观
和某些性能而称其为布。
无纺布生产用纤维主要是丙纶（PP）、涤纶（PET）。此外，还有锦纶（PA）、粘
胶纤维、腈纶、乙纶（HDPE）、氯纶（PVC）。按应用要求，无纺布分为一次性应用
型和耐用型两大类。
因为它是一种不需要纺纱织布而形成的织物，只是将纺织短纤维或者长丝进行定向
或随机撑列，形成纤网结构，然后采用机械、热粘或化学等方法加固而成。它不是
由一根一根的纱线交织、编结在一起的，而是将纤维直接通过物理的方法粘合在一
起的，所以，当你拿到你衣服里的粘称时，就会发现，是抽不出一根根的线头的。
非织造布突破了传统的纺织原理，并具有工艺流程短、生产速率快、产量高、成本
低、用途广、原料来源多等特点。
3．防水布的应用
防水布可应用到许多方面服装、鞋子、工程用布等多方面。比如：
（1）可作各种养殖场卷帘，如猪场、养牛场、养鸡场等；
（2）可作车站、码头、海港、飞机场的露天仓库堆放物遮盖用；
（3）可搭建临时粮仓及各种农作物露天遮盖用；
（4）可作建筑工地、电力建设工地等各种工地搭建临时工棚、临时仓库的材料；
（5）可用汽车、火车、轮船、货船的货运篷布；
（6）可用包装机械、包装机器等。
产品特点：具有防水、防霉功能，并具有材轻、抗拉强度高、耐酸碱、抗高温、
洗刷折叠方便等特点。
使用注意点：在使用过程中应避免与锋利的金属快口撞击。
4．针对防水布生产过程中的问题及相应设计机械的解决方案
在防水布生产过程中，在防水层与无纺布压合之前需要在无纺布上穿线，线的
作用是在防水布使用过程中用于悬挂铺设。线段规格要求：线段长500mm，穿入针
脚距离120mm，一次穿入线段共四排，排间距为800mm，在无纺布的横向均匀分布，
无纺布上纵向每组线段之间的距离为1.5m。如图1-1所示。目前这项工作主要由工
人手工完成，存在着工人劳动强度大并且凭借目测不能准确地确定穿线的位置且手
工完成质量不能保证线段的直线度等缺点。
为了改善现状，实现自动化生产，提高生产率和产品质量，设计相应的穿线机
械，采用气动机械手代替人工完成穿线的整个动作。其基本思路如下：使用一个有
PLC控制的伺服电机（通过负载选电机），通过减速器减速再由同步齿形带传递动
力给相互啮合的四个齿轮齿条机构，同时带动四个并排的机械手上下完成穿线动作。
首先，使机械手由静止加速到与布输送同速之后，机械手上装有动夹子和静夹子，
动夹子先夹住线头将线从线轴上往下拉，拉到指定位置后在该位置的静夹子将线夹
住同时动夹子返回，这时相距120mm针由气缸带动一级气动穿上线向前顶到布上，
然后机械手上方的小剪刀将这段线（此段线长为500mm）剪断，这时针由气缸二级
气动带动继续向前顶穿过布，使两端的线头穿过布，然后针退回，完成整个穿线过
程之后机械手减速至0，再反向运动回到起点，以此循环。
整个过程机械手穿线动作采用气动控制，由于在穿线的过程中布是3m/min的速
度向上运动的，所以要求四个并排的机械手在电动机的带动下与布同步向上运动，
设计要求机械手上升运动400mm的过程中完成整个穿针的过程。
一．传动系统相关计算
1.传动系统各工作部分的确定
工作部件机械手的动作是由静止加速至无纺布的传输速度，完成穿线动作后再
减速至零，之后空载回程至起点。系统的动力驱动采用一交流伺服电机，机械部分
的动力传动顺序如下：
同步带 伺服电机2.确定执行部件 减速器齿轮齿条机构机械手部件
为了实现机械手竖直方向的直线运动，拟采用以下两种方案：
（1） 采用滚珠丝杠带动机械手运动；
（2） 采用齿轮齿条机构带动机械手运动。
经过实际验证，当采用第一种方案时，会出现四个机械手部件的运动不一致，
出现一边高一边低现象，无法达到生产要求，故采用第二种方案，通过四组齿轮齿
条机构带动四个机械手部件同时实现预定动作。
确定齿轮尺寸参数。根据设备空间尺寸要求以及考虑到齿轮的承载能力确定各
个参数如下：
取模数m=3mm；齿数z=22；
分度圆直径d=mz=66mm；
齿顶高ha=m=3mm
齿根高hf=1.25m=3.75mm
齿距p=mπ=9.42mm
3.确定机械手部件运动模式
机械手部件的直线运动由正向加速、匀速、减速、反向加速、匀速、减速六段
组成。现已知无纺布传输速度为v=0.05m/s,线段间隔距离为1.5m，设计要求机械手
在竖直上升行程s=400mm内完成一次穿线的动作，因此机械手必须由起点开始短时
间内加速到与无纺布同速，完成穿线动作再在短时间内减速到零，之后反向经过加
速、匀速、减速过程回到起点，现初定加速、减速时间各为t1=t3=1s ,
加速和减速段加速度a=0.05m/s2
加速行程s1=12at =25mm 2
减速行程s3=s1=25mm
匀速行程s2=s-s1-s2=350mm
匀速时间t2=s2/v=7s
上升总时间t=t1+t2+t3=9s
由于正向工作时间小于单次循环时间的二分之一，故返程各段时间可取与正向上升
时间相等，即各段运动情况相同。其速度变化情况如下图：
0.05
4.齿轮转速的计算
当齿轮齿条机构带动机械手工作状态运动时
齿轮转速s=
5.伺服电机的选择
考虑到机器中各传动环节的传动效率、传动部件之间的摩擦损失，以及为以后企业扩大生产设备能适应改进所留出的相应功率余量，现设定无纺布输送速度v=9m/s，负载质量t=1000kg，故设计功率P=vF=vtg=1.47kw
其反映到电动机轴上的机械功率为P=TLwm（拟选择功率P=1.5kw;转速n=3000r/min
的伺服电机）
故 TL=P/ wm=
其中：wm=2π
n 6060⨯350=14.48r/min 9.42⨯22⨯79.55Fv=4.77Nm n
经选择，拟选用博美德牌110mm，220V级伺服电机SM110-060-30LFB型号，其额定功率P=1.6kw，额定转矩T=6.0Nm，额定转速n=3000r/min，其转矩-转速图如下
V (r/min)
3000
6 18 T(Nm)
6.校验系统稳定性
（1）判断负载特性
该生产机械属于提升机构一类，故其负载特性为恒转矩型。负载转矩-转速图如下
V (r/min)
0 4.77 T(Nm)
（2）稳定工作点的判别
负载和电动机的转矩-转速曲线有交点如下图
V (r/min)
3000 0 4.77 6 18
T(Nm)
由图可以看出该机电传动系统符合稳定运行条件：
a.电动机的机械特性曲线和生产机械的负载特征曲线有交点A；
b.当转速达与平衡点A所对应的转速时，TmTL，即若干扰使转速下降，当干扰消除后有Tm-TL>0
故所选电动机符合设计要求。
7.确定减速器减速比
减速器减速比：i=3000/14.48=207
二．机械手部件滑动支架部分设计说明
整个机械由支撑架体、机械手部件、机械手部件支架、电机传动系统、气动系统等几部分组成。下面仅对机械手部件支架部分的设计进行相关说明。
机械手部件的支架部分的作用是用于安装机械手、气缸、剪刀等部件，并通过其于整个机械的支撑架体相连，整个支架通过其上面安装的四个滚轮在轨道内的垂直运动来带动机械手实现与无纺布的同步运动。支架的运动驱动机构由安装在其上
面的齿条齿轮机构组成。
绪 论
1. 防水布的基本概念
防水性一般的外衣或多或少都具有泼水的功能，但是在长时间暴露于恶劣环境
下还能保持干燥的布料却十分稀少。根据美国陆军所定的标准，一种布料必须能承
受每平方英吋25磅的水压而不漏水，才可称为具‘防水性’。也就是布
料必须能在高水压之下阻挡水的渗入。
测试结果显示：一般布料能承受每平方英吋3到5磅的水压，而Gore-Tex则能
承受每平方英吋65磅的水压而不渗水，可知它具有优良的防水性。
2．防水布的生产加工
防水布主要分为两种：1、组织结构属于高支高密的防水布；2、采用涂层和助
剂来拒水的防水布。我们设计的机械主要用于的是由防水面料和无纺布经过挤压而
成的防水布，如图1-1
所示。
图
1-1防水布加工的平面简图
下面详细介绍一下防水面料和无纺布：
防水面料
防水面料是一种新型的纺织面料，其成份是由高分子防水透气材料（PTFE膜）
加上布料复合面料而成。防水透气面料的主要功能有：防水，透湿，透气，绝缘，
防风，保暖。从制作工艺上讲，防水透气面料的技术要求要比一般的防水面料高的
多。同时从品质上来看，防水透气面料也具有其他防水面料所不具备的功能性特点。
防水透气面料在加强布料气密性、水密性的同时，其独特的透汽性能，可使结构内
部水汽迅速排出，避免结构孳生霉菌，并保持人体始终干爽，完美解决了透气与防
风，防水，保暖等问题，是一种健康环保的新型面料。真正的防水面料长期处于潮
湿的气候环境中也能经得住渗水压力，不渗水。比如长时间地在风雨交加的户外行
走，跪或坐在潮湿的地面，都不会渗水。在水汽的状态下，水颗粒非常细小，根据
毛细运动的原理，可以顺利渗透到毛细管到另一侧，从而发生透汽现象。当水汽冷
凝变成水珠后，颗粒变大，由于水珠表面张力的作用（水分子之间互相“拉扯
抗衡”），水分子就不能顺利脱离水珠渗透到另一侧，也就是防止了水的渗透
发生，使透气膜有了防水的功能。
无纺布
无纺布（英文名：Non Woven），又称不织布，是由定向的或随机的纤维而构成，
是新一代环保材料，具有防潮、透气、柔韧、质轻、不助燃、容易分解、无毒无刺
激性、色彩丰富、价格低廉、可循环再用等特点。多采用聚丙烯（pp材质）粒料为
原料，经高温熔融、喷丝、铺纲、热压卷取连续一步法生产而成。因具有布的外观
和某些性能而称其为布。
无纺布生产用纤维主要是丙纶（PP）、涤纶（PET）。此外，还有锦纶（PA）、粘
胶纤维、腈纶、乙纶（HDPE）、氯纶（PVC）。按应用要求，无纺布分为一次性应用
型和耐用型两大类。
因为它是一种不需要纺纱织布而形成的织物，只是将纺织短纤维或者长丝进行定向
或随机撑列，形成纤网结构，然后采用机械、热粘或化学等方法加固而成。它不是
由一根一根的纱线交织、编结在一起的，而是将纤维直接通过物理的方法粘合在一
起的，所以，当你拿到你衣服里的粘称时，就会发现，是抽不出一根根的线头的。
非织造布突破了传统的纺织原理，并具有工艺流程短、生产速率快、产量高、成本
低、用途广、原料来源多等特点。
3．防水布的应用
防水布可应用到许多方面服装、鞋子、工程用布等多方面。比如：
（1）可作各种养殖场卷帘，如猪场、养牛场、养鸡场等；
（2）可作车站、码头、海港、飞机场的露天仓库堆放物遮盖用；
（3）可搭建临时粮仓及各种农作物露天遮盖用；
（4）可作建筑工地、电力建设工地等各种工地搭建临时工棚、临时仓库的材料；
（5）可用汽车、火车、轮船、货船的货运篷布；
（6）可用包装机械、包装机器等。
产品特点：具有防水、防霉功能，并具有材轻、抗拉强度高、耐酸碱、抗高温、
洗刷折叠方便等特点。
使用注意点：在使用过程中应避免与锋利的金属快口撞击。
4．针对防水布生产过程中的问题及相应设计机械的解决方案
在防水布生产过程中，在防水层与无纺布压合之前需要在无纺布上穿线，线的
作用是在防水布使用过程中用于悬挂铺设。线段规格要求：线段长500mm，穿入针
脚距离120mm，一次穿入线段共四排，排间距为800mm，在无纺布的横向均匀分布，
无纺布上纵向每组线段之间的距离为1.5m。如图1-1所示。目前这项工作主要由工
人手工完成，存在着工人劳动强度大并且凭借目测不能准确地确定穿线的位置且手
工完成质量不能保证线段的直线度等缺点。
为了改善现状，实现自动化生产，提高生产率和产品质量，设计相应的穿线机
械，采用气动机械手代替人工完成穿线的整个动作。其基本思路如下：使用一个有
PLC控制的伺服电机（通过负载选电机），通过减速器减速再由同步齿形带传递动
力给相互啮合的四个齿轮齿条机构，同时带动四个并排的机械手上下完成穿线动作。
首先，使机械手由静止加速到与布输送同速之后，机械手上装有动夹子和静夹子，
动夹子先夹住线头将线从线轴上往下拉，拉到指定位置后在该位置的静夹子将线夹
住同时动夹子返回，这时相距120mm针由气缸带动一级气动穿上线向前顶到布上，
然后机械手上方的小剪刀将这段线（此段线长为500mm）剪断，这时针由气缸二级
气动带动继续向前顶穿过布，使两端的线头穿过布，然后针退回，完成整个穿线过
程之后机械手减速至0，再反向运动回到起点，以此循环。
整个过程机械手穿线动作采用气动控制，由于在穿线的过程中布是3m/min的速
度向上运动的，所以要求四个并排的机械手在电动机的带动下与布同步向上运动，
设计要求机械手上升运动400mm的过程中完成整个穿针的过程。
一．传动系统相关计算
1.传动系统各工作部分的确定
工作部件机械手的动作是由静止加速至无纺布的传输速度，完成穿线动作后再
减速至零，之后空载回程至起点。系统的动力驱动采用一交流伺服电机，机械部分
的动力传动顺序如下：
同步带 伺服电机2.确定执行部件 减速器齿轮齿条机构机械手部件
为了实现机械手竖直方向的直线运动，拟采用以下两种方案：
（1） 采用滚珠丝杠带动机械手运动；
（2） 采用齿轮齿条机构带动机械手运动。
经过实际验证，当采用第一种方案时，会出现四个机械手部件的运动不一致，
出现一边高一边低现象，无法达到生产要求，故采用第二种方案，通过四组齿轮齿
条机构带动四个机械手部件同时实现预定动作。
确定齿轮尺寸参数。根据设备空间尺寸要求以及考虑到齿轮的承载能力确定各
个参数如下：
取模数m=3mm；齿数z=22；
分度圆直径d=mz=66mm；
齿顶高ha=m=3mm
齿根高hf=1.25m=3.75mm
齿距p=mπ=9.42mm
3.确定机械手部件运动模式
机械手部件的直线运动由正向加速、匀速、减速、反向加速、匀速、减速六段
组成。现已知无纺布传输速度为v=0.05m/s,线段间隔距离为1.5m，设计要求机械手
在竖直上升行程s=400mm内完成一次穿线的动作，因此机械手必须由起点开始短时
间内加速到与无纺布同速，完成穿线动作再在短时间内减速到零，之后反向经过加
速、匀速、减速过程回到起点，现初定加速、减速时间各为t1=t3=1s ,
加速和减速段加速度a=0.05m/s2
加速行程s1=12at =25mm 2
减速行程s3=s1=25mm
匀速行程s2=s-s1-s2=350mm
匀速时间t2=s2/v=7s
上升总时间t=t1+t2+t3=9s
由于正向工作时间小于单次循环时间的二分之一，故返程各段时间可取与正向上升
时间相等，即各段运动情况相同。其速度变化情况如下图：
0.05
4.齿轮转速的计算
当齿轮齿条机构带动机械手工作状态运动时
齿轮转速s=
5.伺服电机的选择
考虑到机器中各传动环节的传动效率、传动部件之间的摩擦损失，以及为以后企业扩大生产设备能适应改进所留出的相应功率余量，现设定无纺布输送速度v=9m/s，负载质量t=1000kg，故设计功率P=vF=vtg=1.47kw
其反映到电动机轴上的机械功率为P=TLwm（拟选择功率P=1.5kw;转速n=3000r/min
的伺服电机）
故 TL=P/ wm=
其中：wm=2π
n 6060⨯350=14.48r/min 9.42⨯22⨯79.55Fv=4.77Nm n
经选择，拟选用博美德牌110mm，220V级伺服电机SM110-060-30LFB型号，其额定功率P=1.6kw，额定转矩T=6.0Nm，额定转速n=3000r/min，其转矩-转速图如下
V (r/min)
3000
6 18 T(Nm)
6.校验系统稳定性
（1）判断负载特性
该生产机械属于提升机构一类，故其负载特性为恒转矩型。负载转矩-转速图如下
V (r/min)
0 4.77 T(Nm)
（2）稳定工作点的判别
负载和电动机的转矩-转速曲线有交点如下图
V (r/min)
3000 0 4.77 6 18
T(Nm)
由图可以看出该机电传动系统符合稳定运行条件：
a.电动机的机械特性曲线和生产机械的负载特征曲线有交点A；
b.当转速达与平衡点A所对应的转速时，TmTL，即若干扰使转速下降，当干扰消除后有Tm-TL>0
故所选电动机符合设计要求。
7.确定减速器减速比
减速器减速比：i=3000/14.48=207
二．机械手部件滑动支架部分设计说明
整个机械由支撑架体、机械手部件、机械手部件支架、电机传动系统、气动系统等几部分组成。下面仅对机械手部件支架部分的设计进行相关说明。
机械手部件的支架部分的作用是用于安装机械手、气缸、剪刀等部件，并通过其于整个机械的支撑架体相连，整个支架通过其上面安装的四个滚轮在轨道内的垂直运动来带动机械手实现与无纺布的同步运动。支架的运动驱动机构由安装在其上
面的齿条齿轮机构组成。