紙箱封裝機(jī)折頁(yè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

王瀟，高銘洋，湯一凡，張志強(qiáng)

紙箱封裝機(jī)折頁(yè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

王瀟1，高銘洋2，湯一凡3，張志強(qiáng)1

（1.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100096；2.紐約大學(xué)工學(xué)院，紐約 11201；3.北京英博國(guó)際管理咨詢有限公司，北京 100000）

為解決現(xiàn)有的紙箱自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線上紙箱封裝機(jī)的折頁(yè)機(jī)構(gòu)折側(cè)頁(yè)不可靠、無法對(duì)多規(guī)格的紙箱進(jìn)行折頁(yè)的問題，設(shè)計(jì)一種可靠、適用于多規(guī)格的紙箱折頁(yè)機(jī)構(gòu)以提高紙箱包裝質(zhì)量和包裝效率。通過對(duì)折頁(yè)功能、紙箱狀態(tài)和封裝機(jī)整體進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)2組紙箱折頁(yè)機(jī)構(gòu)；用機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析方法對(duì)2組折頁(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，用Matlab對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程求解；用SolidWorks軟件對(duì)2組折頁(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維建模；將所設(shè)計(jì)的2組折頁(yè)機(jī)構(gòu)實(shí)物組裝在封裝機(jī)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果表明，2組折頁(yè)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)紙箱頁(yè)旋轉(zhuǎn)的最終角位移能夠準(zhǔn)確地使紙箱頁(yè)完成折疊工作；動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果表明，2組折頁(yè)機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)力矩和驅(qū)動(dòng)力符合動(dòng)力元件的力矩和力的使用范圍。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的折頁(yè)機(jī)構(gòu)能夠?qū)Χ喾N規(guī)格的紙箱實(shí)現(xiàn)可靠的折頁(yè)工作。該紙箱折頁(yè)機(jī)構(gòu)能夠可靠地完成不同規(guī)格的紙箱折頁(yè)工作，實(shí)現(xiàn)了紙箱折頁(yè)的自動(dòng)化與柔性化，可在一定程度上提高紙箱包裝生產(chǎn)線的包裝效率。

封裝機(jī)；折頁(yè)機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；動(dòng)力學(xué)分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在消費(fèi)與日俱增的今天，用戶對(duì)包裝紙箱的質(zhì)量、功能、印刷內(nèi)容精良等要求逐步上升，因此紙箱包裝行業(yè)面臨著越來越激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，各大企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)改革，推動(dòng)紙箱生產(chǎn)向自動(dòng)化、智能化方向轉(zhuǎn)變[1]。目前大多數(shù)中小型企業(yè)的紙箱封裝工作多采用人工進(jìn)行紙箱折頁(yè)，存在工作效率低、包裝質(zhì)量參差不齊的問題，而市面上的自動(dòng)封箱機(jī)器大都占地空間大、價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜[2-5]，不適合中小型企業(yè)。對(duì)此，國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者對(duì)紙箱封裝機(jī)做了一定的研究并取得了一些重大突破[6-9]，但仍然存在封裝機(jī)的折頁(yè)機(jī)構(gòu)折側(cè)頁(yè)不可靠、無法對(duì)多規(guī)格的紙箱進(jìn)行折頁(yè)的問題。

正對(duì)上述問題，文中提出一種應(yīng)用在紙箱包裝生產(chǎn)線上紙箱封裝環(huán)節(jié)的適用于多規(guī)格的紙箱自動(dòng)折頁(yè)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了兩組折頁(yè)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)對(duì)紙箱4個(gè)側(cè)頁(yè)進(jìn)行折疊。文中首先利用凸輪機(jī)構(gòu)和滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)這2組折頁(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；然后對(duì)這2組折頁(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，并用Matlab對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行求解，求解結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的折頁(yè)機(jī)構(gòu)能夠有效地實(shí)現(xiàn)紙箱側(cè)頁(yè)的自動(dòng)折頁(yè)工作；然后根據(jù)紙箱封裝機(jī)整體結(jié)構(gòu)對(duì)所設(shè)計(jì)的紙箱折頁(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并用SolidWorks進(jìn)行三維建模；最后將所設(shè)計(jì)的折頁(yè)機(jī)構(gòu)組裝在紙箱封裝機(jī)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的紙箱自動(dòng)折頁(yè)機(jī)構(gòu)能夠可靠地對(duì)多種規(guī)格的紙箱完成折疊工作。

1 折頁(yè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

紙箱包裝生產(chǎn)線上的紙箱包裝流程為開箱—裝料—封裝—貼膠—入庫(kù)，文中主要對(duì)封裝環(huán)節(jié)中的折頁(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。完成裝料后的紙箱狀態(tài)見圖1，此時(shí)紙箱8個(gè)頁(yè)均處于展開狀態(tài)。紙箱進(jìn)入封裝機(jī)后開始進(jìn)行折疊工作。由于封箱機(jī)結(jié)構(gòu)空間的限制，推動(dòng)折頁(yè)撥叉2的雙軸氣缸無法正對(duì)著紙箱頁(yè)進(jìn)行安裝，只能安裝在紙箱頁(yè)的外側(cè)。鑒于此，所設(shè)計(jì)的折頁(yè)撥叉2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖3。如圖3紙箱折頁(yè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖所示，折頁(yè)撥叉1與紙箱頁(yè)1組成折頁(yè)機(jī)構(gòu)1，折頁(yè)撥叉1與旋轉(zhuǎn)氣缸（圖3中未示出）固定，旋轉(zhuǎn)氣缸固定在機(jī)架上，折頁(yè)撥叉1可在旋轉(zhuǎn)氣缸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)進(jìn)而推動(dòng)紙箱頁(yè)1旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)90°時(shí)紙箱頁(yè)1完成折疊動(dòng)作；折頁(yè)撥叉2與紙箱頁(yè)2組成折頁(yè)機(jī)構(gòu)2，折頁(yè)撥叉2與雙軸氣缸（圖3中未示出）固定，雙軸氣缸推動(dòng)折頁(yè)撥叉2進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，折頁(yè)撥叉2在運(yùn)動(dòng)的過程中推動(dòng)紙箱頁(yè)2旋轉(zhuǎn)，直至將紙箱頁(yè)2推動(dòng)至折疊狀態(tài)為止。折頁(yè)機(jī)構(gòu)1和折頁(yè)機(jī)構(gòu)2對(duì)稱布置在紙箱兩側(cè)對(duì)紙箱進(jìn)行折頁(yè)工作，圖中實(shí)線部分為折疊過程中的狀態(tài)，虛線部分為折疊完成的狀態(tài)。

紙箱的折疊的順序：紙箱兩側(cè)對(duì)稱布置的折頁(yè)撥叉2在雙軸氣缸的推動(dòng)下將紙箱兩側(cè)的紙箱頁(yè)2進(jìn)行折疊，折疊完成后紙箱兩側(cè)的折頁(yè)撥叉2可壓緊紙箱使其固定?。徽垌?yè)撥叉1在旋轉(zhuǎn)氣缸的帶動(dòng)下將紙箱兩側(cè)的紙箱頁(yè)1進(jìn)行折疊；再由紙箱封裝機(jī)上原有的折上下頁(yè)機(jī)構(gòu)將紙箱兩側(cè)的上下頁(yè)進(jìn)行折疊。折疊后的紙箱狀態(tài)如圖2所示，即8個(gè)頁(yè)均處于折疊狀態(tài)。

圖1 紙箱折疊前狀態(tài)

圖2 紙箱折疊后狀態(tài)

1. 折頁(yè)撥叉1 2. 紙箱頁(yè)1 3. 折頁(yè)撥叉2 4. 紙箱頁(yè)2

折頁(yè)機(jī)構(gòu)1有兩個(gè)活動(dòng)構(gòu)件（部件1；部件2），2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副（A、B），1個(gè)高副（部件1和部件2之間），該組合機(jī)構(gòu)的自由度[10]為：

處固定的旋轉(zhuǎn)氣缸帶動(dòng)部件1（折頁(yè)撥叉1）轉(zhuǎn)動(dòng)，部件1在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中推動(dòng)部件2（紙箱頁(yè)1）轉(zhuǎn)動(dòng)，部件2在部件1的推動(dòng)下繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)紙箱頁(yè)旋轉(zhuǎn)至圖中虛線部分所示位置時(shí)完成紙箱的折頁(yè)工作。

折頁(yè)機(jī)構(gòu)2有2個(gè)活動(dòng)構(gòu)件（部件3、部件4），1個(gè)移動(dòng)副（部件3和基座之間），1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副（C），1個(gè)高副（部件3和部件4之間）。該組合機(jī)構(gòu)的自由度為：

雙軸氣缸驅(qū)動(dòng)與之固連的部件3（折頁(yè)撥叉2）沿氣缸軸移動(dòng)，部件3移動(dòng)的過程中推動(dòng)部件4（紙箱頁(yè)2）繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)部件4旋轉(zhuǎn)至圖3中虛線所示位置時(shí)完成紙箱的折頁(yè)工作。

2 折頁(yè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析

2.1 折頁(yè)機(jī)構(gòu)1運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析

如圖4所示，將折頁(yè)機(jī)構(gòu)1的運(yùn)動(dòng)類比為一對(duì)擺動(dòng)從動(dòng)桿平面凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)[11-12]，將部件1（折頁(yè)撥叉1）類比為繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的凸輪，將部件2（紙箱頁(yè)1）類比為由部件1帶動(dòng)的擺桿，部件1上的點(diǎn)為部件1與部件2的接觸點(diǎn)。以點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。分析時(shí)將部件1固定不動(dòng)，將部件2（擺桿）繞點(diǎn)按照凸輪的旋轉(zhuǎn)規(guī)律進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。部件2（擺桿）末端（、、點(diǎn)）的坐標(biāo)為：

圖4 折頁(yè)機(jī)構(gòu)1運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

式中：為凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；為擺桿的長(zhǎng)度（即、、之間的距離）；為部件2（擺桿）的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

點(diǎn)坐標(biāo)又可寫為：

式中： l為隨著機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)擺桿末端點(diǎn)與部件1上的點(diǎn)之間的長(zhǎng)度。

聯(lián)立方程（1）—（4）得：

對(duì)方（5）—（6）兩邊求導(dǎo)得：

對(duì)方程（7）—（8）兩邊再次求導(dǎo)得：

折頁(yè)機(jī)構(gòu)1運(yùn)動(dòng)的速度較高，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，在對(duì)折頁(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)應(yīng)將慣性力計(jì)入平衡方程中，即對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)靜力分析[13-14]。由于紙箱和用鈑金件設(shè)計(jì)的折頁(yè)撥叉質(zhì)量較輕，因此在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)可忽略不計(jì)。對(duì)折頁(yè)機(jī)構(gòu)1進(jìn)行受力分析，見圖5。

圖5 折頁(yè)機(jī)構(gòu)1受力分析

折頁(yè)機(jī)構(gòu)1的力平衡方程如下：

對(duì)主動(dòng)凸輪（部件1）

對(duì)從動(dòng)件（部件2）

根據(jù)設(shè)計(jì)值，=144.5 mm、=160 mm、0=152 mm、0=95 mm0=71°，將主動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為勻速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：

用Matlab對(duì)折頁(yè)機(jī)構(gòu)1中的部件2（紙箱頁(yè)1）的擺動(dòng)角位移、角速度、角加速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，仿真結(jié)果見圖7。由圖6可知，初始狀態(tài)時(shí)紙箱頁(yè)1與豎直方向的夾角為70°，當(dāng)折頁(yè)撥叉1旋轉(zhuǎn)48°左右后帶動(dòng)紙箱頁(yè)1旋轉(zhuǎn)至與豎直方向夾角為136°，此時(shí)即β0+β=70°+66°=136°的位置。由圖7的仿真結(jié)果可知，部件2（紙箱頁(yè)1）最終的擺動(dòng)角位移為66°左右，則β0+β=70°+66°=136°，由此說明部件2（紙箱頁(yè)1）最終的擺動(dòng)角位移符合紙箱頁(yè)折疊完成時(shí)的位置。此外，部件2（紙箱頁(yè)1）的角速度和角加速度變化平緩無突變，說明紙箱頁(yè)在由旋轉(zhuǎn)氣缸帶動(dòng)的折邊撥叉1的帶動(dòng)下能穩(wěn)定地完成折頁(yè)動(dòng)作。

用Matlab對(duì)折頁(yè)機(jī)構(gòu)1上需要施加在主動(dòng)件上的驅(qū)動(dòng)力矩M和主動(dòng)件與從動(dòng)件之間的鉸約束力F進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，仿真結(jié)果如圖8所示，由圖8可以看出，折頁(yè)機(jī)構(gòu)1的驅(qū)動(dòng)力矩在折頁(yè)機(jī)構(gòu)1運(yùn)動(dòng)初期穩(wěn)定基本無變化，當(dāng)折頁(yè)機(jī)構(gòu)1運(yùn)動(dòng)至接近終點(diǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩逐漸增加，折頁(yè)機(jī)構(gòu)1的主動(dòng)件與從動(dòng)件之間的鉸約束力變化規(guī)律與驅(qū)動(dòng)力矩的變化規(guī)律類似。折頁(yè)機(jī)構(gòu)1選用的旋轉(zhuǎn)氣缸是缸徑為25 mm的90度旋轉(zhuǎn)氣缸，查詢此型號(hào)氣缸的容許慣性扭矩并計(jì)算最大驅(qū)動(dòng)力矩約為1 200 N·m，由圖7可以看出折頁(yè)機(jī)構(gòu)1完成紙箱折頁(yè)功能所需要的驅(qū)動(dòng)力矩小于旋轉(zhuǎn)氣缸的最大驅(qū)動(dòng)力矩，因此此型號(hào)的旋轉(zhuǎn)氣缸可以驅(qū)動(dòng)折頁(yè)機(jī)構(gòu)1完成紙箱折頁(yè)動(dòng)作。

圖7 折頁(yè)機(jī)構(gòu)1運(yùn)動(dòng)特性曲線

圖8 折頁(yè)機(jī)構(gòu)1動(dòng)力特性曲線

2.2 折頁(yè)機(jī)構(gòu)2運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析

如圖9所示，以點(diǎn)為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系，規(guī)定所有運(yùn)動(dòng)角度均以順時(shí)針方向?yàn)檎较?。利用矢量方程解析法[15]建立折頁(yè)機(jī)構(gòu)2的位移、速度、加速度方程。

圖9 折頁(yè)機(jī)構(gòu)2運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

設(shè)固定點(diǎn)為原點(diǎn)，由矢量三角形可得點(diǎn)方程為：

點(diǎn)在部件3（折頁(yè)撥叉2）上隨著部件3移動(dòng)，假設(shè)部件3向右勻速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：

點(diǎn)的方程又可寫為：

聯(lián)立方程（18）—（22）得：

聯(lián)立方程（23）—（24）可求得紙箱頁(yè)2角位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

對(duì)方程（23）—（24）兩邊求導(dǎo)得：

對(duì)方程（25）—（26）兩邊再求導(dǎo)得：

對(duì)折頁(yè)機(jī)構(gòu)2進(jìn)行受力分析，見圖10。

圖10 折頁(yè)機(jī)構(gòu)2受力分析

折頁(yè)機(jī)構(gòu)2的力平衡方程如下。

對(duì)主動(dòng)件（部件3）

對(duì)從動(dòng)件（部件4）

根據(jù)設(shè)計(jì)值，l=135 mm、0=32°、0=0、0= 85.4 mm，將主動(dòng)件簡(jiǎn)化為勻速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：

用Matlab對(duì)折頁(yè)機(jī)構(gòu)2的從動(dòng)件（紙箱頁(yè)2）的擺動(dòng)角位移、角速度、角加速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，分析結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出，部件4（紙箱頁(yè)2）最終的擺動(dòng)角位移為58°左右，則0+=90°。通過對(duì)圖8的分析可知，當(dāng)0=90°時(shí)，紙箱頁(yè)旋轉(zhuǎn)90度完成折疊，由此得出折頁(yè)機(jī)構(gòu)2的部件4（紙箱頁(yè)2）最終擺動(dòng)角位移符合紙箱頁(yè)折疊完成時(shí)的位置。此外，部件4（紙箱頁(yè)2）的角速度持續(xù)增長(zhǎng)，角加速度先增加后減小且變化平緩無突變，說明紙箱頁(yè)2在由雙軸氣缸帶動(dòng)的折邊撥叉的帶動(dòng)下能穩(wěn)定地完成折頁(yè)動(dòng)作。

用Matlab對(duì)折頁(yè)機(jī)構(gòu)2上需要施加在主動(dòng)件上的驅(qū)動(dòng)力t和主動(dòng)件與從動(dòng)件之間的鉸約束力R進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，仿真結(jié)果如圖12所示，由圖12可以看出，折頁(yè)機(jī)構(gòu)2的驅(qū)動(dòng)力在折頁(yè)機(jī)構(gòu)2運(yùn)動(dòng)過程中先增加后減小，折頁(yè)機(jī)構(gòu)2的主動(dòng)件與從動(dòng)件之間的鉸約束力變化規(guī)律與驅(qū)動(dòng)力矩的變化規(guī)律相反，即先減小后增加，且變化平穩(wěn)無突變。折頁(yè)機(jī)構(gòu)2選用的雙軸氣缸為缸徑為25 mm的氣缸，查詢此型號(hào)氣缸的最大輸出力最大為9.6×104N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于折頁(yè)所需要的驅(qū)動(dòng)力，因此此型號(hào)的雙軸氣缸可以驅(qū)動(dòng)折頁(yè)機(jī)構(gòu)2完成紙箱折頁(yè)工作。

圖11 折頁(yè)機(jī)構(gòu)2運(yùn)動(dòng)特性曲線

圖12 折頁(yè)機(jī)構(gòu)2動(dòng)力特性曲線

3 折頁(yè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維建模

3.1 封裝機(jī)整體結(jié)構(gòu)介紹

根據(jù)以上對(duì)折頁(yè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析，所設(shè)計(jì)的折頁(yè)機(jī)構(gòu)滿足紙箱折頁(yè)要求?，F(xiàn)對(duì)折頁(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)。如圖13所示為封箱機(jī)的整體結(jié)構(gòu)。由折頁(yè)機(jī)構(gòu)1、折頁(yè)機(jī)構(gòu)2、折頁(yè)機(jī)構(gòu)3、推送機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成。折頁(yè)機(jī)構(gòu)1、折頁(yè)機(jī)構(gòu)2和折頁(yè)機(jī)構(gòu)3對(duì)稱布置在紙箱兩側(cè)對(duì)紙箱的8個(gè)側(cè)頁(yè)進(jìn)行折疊。折頁(yè)機(jī)構(gòu)1和折頁(yè)機(jī)構(gòu)2對(duì)紙箱的4個(gè)側(cè)頁(yè)進(jìn)行折疊；折頁(yè)機(jī)構(gòu)3對(duì)紙箱的上下頁(yè)進(jìn)行折疊；推送機(jī)構(gòu)由無桿氣缸帶動(dòng)可將完成折頁(yè)的紙箱推至下一個(gè)工位處；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)折疊完成的機(jī)構(gòu)進(jìn)行整形、壓緊、導(dǎo)向，防止折疊完成的紙箱頁(yè)松開。

圖13 紙箱封裝機(jī)整體結(jié)構(gòu)

3.2 折頁(yè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模

折頁(yè)機(jī)構(gòu)1需滿足的功能為：折頁(yè)機(jī)構(gòu)1需在旋轉(zhuǎn)氣缸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)90°時(shí)能正好推動(dòng)紙箱頁(yè)旋轉(zhuǎn)至紙箱頁(yè)完成折疊的角度；折頁(yè)機(jī)構(gòu)1需在紙箱頁(yè)完成折疊后能將紙箱頁(yè)壓緊實(shí)現(xiàn)對(duì)紙箱進(jìn)行整形的效果；折頁(yè)機(jī)構(gòu)1需在封箱機(jī)機(jī)架上能夠調(diào)節(jié)位置以便對(duì)不同規(guī)格的紙箱進(jìn)行折疊。折頁(yè)機(jī)構(gòu)2需滿足的功能為：折頁(yè)機(jī)構(gòu)2需在雙軸氣缸的驅(qū)動(dòng)下推動(dòng)紙箱頁(yè)使其旋轉(zhuǎn)至完成折疊的角度；折頁(yè)機(jī)構(gòu)2需在紙箱頁(yè)完成折疊后將紙箱壓緊實(shí)現(xiàn)對(duì)紙箱進(jìn)行暫時(shí)固定的作用，防止接下來折頁(yè)機(jī)構(gòu)1對(duì)紙箱進(jìn)行折疊時(shí)紙箱移動(dòng)；折頁(yè)機(jī)構(gòu)2需在封箱機(jī)機(jī)架上能夠調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同規(guī)格的紙箱折頁(yè)功能。根據(jù)2組折頁(yè)機(jī)構(gòu)需滿足的功能要求，用SolisWorks對(duì)折頁(yè)機(jī)構(gòu)1和折頁(yè)機(jī)構(gòu)2的每個(gè)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于鈑金件具有質(zhì)量小、強(qiáng)度高、導(dǎo)電、成本低、大規(guī)模量產(chǎn)性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此折頁(yè)撥叉1、折頁(yè)撥叉2以及折頁(yè)機(jī)構(gòu)與封裝機(jī)機(jī)架的連接件均用鈑金設(shè)計(jì)。

如圖13所示為設(shè)計(jì)的折頁(yè)機(jī)構(gòu)1三維模型，折頁(yè)撥叉1設(shè)計(jì)成T字形結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可使折頁(yè)撥叉1一端與旋轉(zhuǎn)氣缸固連，一端對(duì)紙箱頁(yè)進(jìn)行折疊，并在折疊后對(duì)紙箱頁(yè)進(jìn)行壓緊。設(shè)計(jì)的連接件1將旋轉(zhuǎn)氣缸與連接件2連接起來，連接件2上設(shè)計(jì)了長(zhǎng)腰孔與連接件3連接，連接件3上上設(shè)計(jì)長(zhǎng)腰孔與封裝機(jī)機(jī)架連接，通過連接件2和連接件3上的長(zhǎng)腰孔可以調(diào)節(jié)折頁(yè)機(jī)構(gòu)1在封裝機(jī)機(jī)架上的位置，通過調(diào)節(jié)折頁(yè)機(jī)構(gòu)1在封裝機(jī)機(jī)架上的位置來適應(yīng)不同規(guī)格的紙箱折頁(yè)工作。

圖14所示為設(shè)計(jì)的折頁(yè)機(jī)構(gòu)2三維模型，折頁(yè)撥叉2設(shè)計(jì)成如圖所示結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可使雙軸氣缸以一定傾斜角度向前推動(dòng)時(shí)折頁(yè)撥叉仍能從紙箱頁(yè)的法方向?qū)埾漤?yè)進(jìn)行推動(dòng)、壓緊。連接件2按照雙軸氣缸的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，將雙軸氣缸固定在連接件1上。連接件1將折頁(yè)機(jī)構(gòu)2整體固定在封裝機(jī)機(jī)架上。連接件1和連接件2上均設(shè)計(jì)了長(zhǎng)腰孔，通過長(zhǎng)腰孔可以調(diào)節(jié)折頁(yè)機(jī)構(gòu)2在封裝機(jī)機(jī)架上的位置，以此來適應(yīng)不同規(guī)格的紙箱折頁(yè)工作。

圖14 折頁(yè)機(jī)構(gòu)1三維模型

圖15 折頁(yè)機(jī)構(gòu)2三維模型

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

按照所設(shè)計(jì)的尺寸和形狀加工出折頁(yè)機(jī)構(gòu)的折頁(yè)撥叉和各個(gè)連接件，替換掉原來的折頁(yè)機(jī)構(gòu)，將所設(shè)計(jì)的折頁(yè)機(jī)構(gòu)實(shí)物組裝在紙箱封裝機(jī)上，旋轉(zhuǎn)氣缸選用的是亞德客32×90型號(hào)的氣缸，氣壓為0.7 MPa，旋轉(zhuǎn)角度為90°，容許的慣性扭矩低于8×10?4kg·m2。雙軸氣缸選用的是缸徑25 mm，行程150 mm的氣缸，控制系統(tǒng)用PLC進(jìn)行控制。用355 mm×197 mm×181 mm的紙箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，紙箱折疊前由推送機(jī)構(gòu)將紙箱推送至折頁(yè)機(jī)構(gòu)處，如圖15所示。折頁(yè)機(jī)構(gòu)1和折頁(yè)機(jī)構(gòu)2在PLC的控制下依次對(duì)紙箱兩側(cè)頁(yè)進(jìn)行折疊，折疊效果如圖16所示。再選用幾種(180～355) mm×(230～400) mm×(95～210)mm規(guī)格的紙箱進(jìn)行經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果均表明所設(shè)計(jì)的折頁(yè)機(jī)構(gòu)可以高效、可靠地完成不同規(guī)格的紙箱折頁(yè)工作。

圖16 實(shí)際折頁(yè)效果

5 結(jié)語

為解決現(xiàn)有的紙箱自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線上的紙箱封裝機(jī)上的折頁(yè)機(jī)構(gòu)折側(cè)頁(yè)不可靠、無法實(shí)現(xiàn)對(duì)多種規(guī)格的紙箱進(jìn)行折頁(yè)的問題，設(shè)計(jì)了一種可靠、適用于多規(guī)格的紙箱折頁(yè)機(jī)構(gòu)，提高了紙箱包裝質(zhì)量和包裝效率。

1）通過對(duì)紙箱折頁(yè)功能要求、封箱機(jī)整體結(jié)構(gòu)和未折疊紙箱狀態(tài)進(jìn)行分析研究，利用凸輪機(jī)構(gòu)和滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了應(yīng)用在紙箱封裝機(jī)上的兩組紙箱折頁(yè)機(jī)構(gòu)。

2）用機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析方法對(duì)這2組折頁(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，分析結(jié)果表明，2組折頁(yè)機(jī)構(gòu)能夠準(zhǔn)確地使紙箱頁(yè)完成折疊工作。

3）對(duì)折頁(yè)機(jī)構(gòu)的功能要求和封裝機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，用SolidWorks軟件對(duì)2組折頁(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維建模，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種規(guī)格紙箱進(jìn)行折頁(yè)。

4）將所設(shè)計(jì)的2組折頁(yè)機(jī)構(gòu)實(shí)物組裝在封箱機(jī)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的有效工作空間為355 mm×400 mm×210 mm?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的紙箱折頁(yè)機(jī)構(gòu)能夠?qū)Χ喾N規(guī)格的紙箱實(shí)現(xiàn)可靠、高效的折頁(yè)工作，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低的特點(diǎn)，為紙箱折頁(yè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。

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Design and Research of Folding Mechanism for Carton Packaging Machine

WANG Xiao1, GAO Ming-yang2, TANG Yi-fan3, ZHANG Zhi-qiang1

(1. College of Mechanical & Electrical Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100096, China; 2. Polytechnic Institute of New York University, New York 11201, USA; 3. Beijing Yingbo International Management Consulting, Beijing 100000, China)

The work aims to design a reliable and suitable carton folding of multiple specifications to solve the problem that the folding mechanism of the carton packaging machine on the existing carton automatic packaging production line is unreliable and cannot fold the carton of multiple specifications, so as to improve the quality and efficiency of carton packaging. By analyzing and researching the folding function, carton status and the packaging machine as a whole, two carton folding mechanisms were designed; the dynamic static analysis method of the mechanism was used. Matlab was used to solve the kinematics and dynamics equations; SolidWorks software was used to carry out structural design and three-dimensional modeling of the two folding mechanisms. The two folding mechanisms designed were assembled on the packaging machine for on-site testing. The kinematic analysis results showed that the final angular displacements of the two folding mechanisms driving the carton page rotation can accurately make the carton pages complete the folding work; the dynamic analysis results showed that the driving torque and driving force required by the two folding mechanisms conformed to the use range of torque and force of power components. Field test results showed that the designed folding mechanism could achieve reliable folding of cartons of various specifications. The carton folding mechanism can reliably complete carton folding of different specifications and realize the automation and flexibility of carton folding, and can improve the packaging efficiency of the carton packaging production line to a certain extent.

packaging machine; folding mechanism; kinematic analysis; dynamic analysis; structural design

TH112

A

1001-3563(2022)17-0140-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.17.018

2021–11–09

北京市教委科研計(jì)劃科技一般項(xiàng)目（KM202011232011）

王瀟（1997—），女，碩士生，主攻機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用。

張志強(qiáng)（1964—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋