PM1824 型包裝機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與可靠性仿真分析

趙成英，李學(xué)藝，何巍華，李嘉琳

（東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

1 引言

目前，國內(nèi)外包裝機械發(fā)展迅速、競爭激烈，總體趨向于高自動化的發(fā)展趨勢，包裝機械的研究方向目前更注重于資源節(jié)約、結(jié)構(gòu)簡便、體積小、重量輕、工作效率高等[1-3]方面。國內(nèi)機械市場用來包裝煙盒、高檔酒盒的包裝機械自動化水平較高，但其價格昂貴，使用和維護成本較高[4-5]，中小微型企業(yè)難以負擔(dān)使用此類機器的成本，因此中小微型企業(yè)需要適合自身的紙盒成型包裝設(shè)備。

鑒于經(jīng)濟實用體積小等的特點，設(shè)計一臺紙盒成型包裝設(shè)備，主要實現(xiàn)對襯衫類紙盒的折疊技術(shù)，可以提高工作效率、保障折疊質(zhì)量、減少對工人手部的損傷，該技術(shù)具有重要的工程價值和實際意義。

2 主要研究內(nèi)容

2.1 包裝機的設(shè)計要求

由于目前中小微型企業(yè)對于紙盒完全是手工進行折疊，不僅效率低而且質(zhì)量不易控制，因此研發(fā)成本低，易操作，節(jié)能環(huán)保，使用和維護成本低的小型包裝機械，對于解決日益上升的人力成本問題，降低安全事故發(fā)生的可能性，具有實際工程意義[6-7]，此種設(shè)備所生產(chǎn)的產(chǎn)品比手工操作生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定，因此針對紙盒形狀提出對PM1824 型包裝機的設(shè)計。

PM1824 型包裝機的設(shè)計要求如下：

（1）體積小：PM1824 型包裝機機構(gòu)的體積不能超過（700×800×1200），單位（mm）；

（2）重量輕：PM1824 型包裝機機構(gòu)的重量不能超過25kg；

（3）成本低：PM1824 型包裝機機構(gòu)的成本不能超過1 萬元；

（4）效率高：PM1824 型包裝機完成紙盒折疊的時間應(yīng)小于30s。

2.2 包裝工藝流程設(shè)計

紙盒的平面展開圖，如圖1 所示。待折疊的區(qū)域為圖中所標(biāo)注的區(qū)域一、區(qū)域二、區(qū)域三、區(qū)域四、耳朵一和耳朵二及其相對稱的部分，并要求折疊后的成品紙盒，如圖2 所示。

圖1 紙盒平面展開圖Fig.1 Carton Plane Expansion

圖2 紙盒成品圖Fig.2 Carton Drawings

按照紙盒的外形及折疊后紙盒的形狀設(shè)計紙盒折疊的工藝過程，如圖3 所示。首先，對紙盒的區(qū)域三及區(qū)域四進行折疊，其次對紙盒的耳朵部分進行折疊，最后對紙盒的區(qū)域一及區(qū)域二進行折疊從而實現(xiàn)對紙盒完整的折疊。

圖3 紙盒折疊工藝過程Fig.3 Folding Process of Carton

3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

PM1824 型包裝機主要由四個子機構(gòu)組成，分別為主工作板機構(gòu)、凸輪組機構(gòu)、短立沿機構(gòu)和耳朵機構(gòu)，三維圖，如圖4 所示。樣機實物圖，如圖5 所示。各個子機構(gòu)分別有其對應(yīng)的功能，主工作板機構(gòu)主要實現(xiàn)紙盒的壓實功能；短立沿主要是配合主工作板機構(gòu)實現(xiàn)對紙盒的區(qū)域一及區(qū)域二的折疊功能；凸輪組機構(gòu)主要是配合主工作板機構(gòu)實現(xiàn)對紙盒兩側(cè)區(qū)域三機構(gòu)及區(qū)域四的折疊功能；耳朵機構(gòu)實現(xiàn)對紙盒的耳朵一及耳朵的折疊功能。

圖4 PM1824 型包裝機三維圖Fig.4 3D Drawing of PM1824 Packaging Machine

圖5 PM1824 型包裝機樣機實物圖Fig.5 Physical Drawing of PM1824 Packaging Machine Prototype

3.1 折疊包裝過程的工序動作時間分配

表1 折疊包裝過程的工序動作時間分配Tab.1 Process Action Time Allocation in Folding Packaging Process

表1 折疊包裝過程的工序動作時間分配（續(xù)表）Tab.1 Process Action Time Allocation in Folding Packaging Process（Continued）

按照所設(shè)計的PM1824 型包裝機的紙盒折疊工藝流程，規(guī)劃PM1824 型包裝機中主工作板機構(gòu)、凸輪組機構(gòu)、短立沿機構(gòu)及耳朵機構(gòu)的折疊包裝過程的工序動作時間分配，通過設(shè)計四個機構(gòu)折疊包裝過程的工序動作時間實現(xiàn)對紙盒的完整折疊。PM1824 型包裝機機構(gòu)的折疊包裝過程工序動作時間分配，如表1 所示。由單片機控制主工作板機構(gòu)、短立沿機構(gòu)、凸輪組機構(gòu)及耳朵機構(gòu)之間的相互配合運動實現(xiàn)對紙盒的折疊。

3.2 主工作板機構(gòu)

圖6 主工作板機構(gòu)Fig.6 Main Working Plate Mechanism

主工作板機構(gòu)中步進電機與減速器固定連接同時通過梅花聯(lián)軸器與滾珠絲杠連接，連接板固定于滾珠絲杠的滑塊上，同時固定在左右圓柱直線導(dǎo)軌的滑塊上，左右連接桿的上端分別通過折頁與連接板固定連接，下端與主工作板固定連接；水平安裝板上有兩個通孔，分別安裝鋁合金滑槽，主工作板左右連接桿分別穿過安裝在水平安裝板上的兩個鋁合金滑槽；該機構(gòu)在設(shè)計的過程中左右各采用一組圓柱直線導(dǎo)軌和連接桿的目的是保證主工作板在進給和返回過程中的運動平穩(wěn)性，采用鋁合金滑槽目的是減少主工作板在工作過程中兩側(cè)的連接桿的與孔之間的摩擦作用，提高主工作板工作過程的穩(wěn)定性，減少主工作板機構(gòu)工作過程中末端構(gòu)件的偏移。

主工作板機構(gòu)工作的過程主要是由單片機控制步進電機，步進電機通過梅花聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠進行轉(zhuǎn)動，由于滾珠絲杠上的滑塊與連接板固定連接，連接桿通過折頁與連接板固定連接，主工作板與左右連接桿固定連接，從而滑塊通過連接板、折頁、連接桿帶動主工作板往復(fù)運動。

3.3 短立沿機構(gòu)

短立沿結(jié)構(gòu)中步進電機與減速器固定連接并通過梅花聯(lián)軸器與短立沿軸相連，短立沿鐵板固定在短立沿軸上，兩個基座固定在短立沿鐵板上，短立沿折板固定在短立沿鐵板的自由端，鋁合金板固定于短軸上且該軸與兩個基座軸孔配合相連，基座的結(jié)構(gòu)形狀使固定在短軸上的鋁合金板只能在一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，短立沿彈簧通過彈簧固定半環(huán)分別與短立沿鐵板及鋁合金板連接，彈簧的拉力使鋁合金板與短立沿鐵板形成一定的角度。在步進電機帶動短立沿軸轉(zhuǎn)動的過程中，當(dāng)鋁合金板與紙盒的折疊區(qū)域一接觸時，推動紙盒首尾部分向中心進行折疊，在此過程中步進電機帶動短立沿軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動，在短立沿鐵板及短立沿折板和鋁合金板配合的作用下實現(xiàn)對紙盒首尾部分的折疊。由于機架中工作平面結(jié)構(gòu)的限制作用在電機帶動短立沿軸工作的過程中，鋁合金板運動到機架的工作平面處停止運動，電機繼續(xù)帶動短立沿機構(gòu)轉(zhuǎn)動，鋁合金板逐漸與短立沿鐵板貼合，當(dāng)步進電機帶動短立沿機構(gòu)做返回運動時，鋁合金板在彈簧拉力的作用下恢復(fù)到初始狀態(tài)。短立沿機構(gòu)中的鋁合金板主要是將紙盒的區(qū)域一及區(qū)域二沿折痕向紙盒的中心進行折疊。短立沿折板與短立沿固定成L 形目的是將紙盒的區(qū)域二沿折痕折疊成與紙盒的區(qū)域一成垂直的狀態(tài)，即如圖3（f）所示狀態(tài)。

圖7 短立沿機構(gòu)Fig.7 The Short Vertical Plate Mechanism

3.4 凸輪組機構(gòu)

圖8 凸輪組機構(gòu)Fig.8 Cam Mechanism

凸輪組機構(gòu)中步進電機與減速器固定連接并通過梅花聯(lián)軸器與凸輪安裝軸連接，凸輪一、凸輪二、凸輪三通過鍵、彈性擋圈與凸輪安裝軸固定連接，凸輪一、凸輪三對稱安裝。凸輪一及凸輪三對應(yīng)安裝的凸輪從動直角件主要是實現(xiàn)將紙盒的耳朵部分保持與紙盒的區(qū)域三四成圖3（e）所示狀態(tài)。根據(jù)PM1824 型包裝機折疊包裝過程的工序動作時間分配計算得凸輪一、三與凸輪二中心線安裝時應(yīng)錯開160°角，并且凸輪一與凸輪三對稱布置。小軸承通過軸承軸安裝在軸承基座上，凸輪從動件的形狀為一半為方形一半為圓柱形，在圓柱形的一側(cè)安裝凸輪從動件彈簧，方形的一側(cè)安裝到從動件滑槽中，將凸輪從動件設(shè)計成一半為方形一半為圓柱形主要目的是凸輪從動件方形的一側(cè)安裝到從動件滑槽中后，凸輪從動件不會發(fā)生轉(zhuǎn)動提高機構(gòu)運動的準(zhǔn)確性。軸承基座固定于凸輪從動件圓柱形一側(cè)，在凸輪工作至升程的過程中，推動凸輪從動件做直線進給運動，由于滑槽的限制作用，使彈簧壓縮，在凸輪運動至回程階段，彈簧壓縮產(chǎn)生的力使凸輪從動件末端安裝的小軸承沿著凸輪的外輪廓曲線運動，兩側(cè)的凸輪從動直角件固定在直角連接件上，直角連接件與軸承基座固定連接，從動件滑槽固定在凸輪組基座上，在凸輪從動直角件運動的過程中起到導(dǎo)向的作用使直角件能夠沿指定的方向運動。中間凸輪的旋轉(zhuǎn)運動帶動其從動件實現(xiàn)往復(fù)直線運動，該運動主要目的是實現(xiàn)將紙盒的區(qū)域四沿折痕折疊使紙盒由圖3 所示狀態(tài)折疊至圖4 所示狀態(tài)。兩側(cè)凸輪的旋轉(zhuǎn)運動帶動從動件直角件實現(xiàn)往復(fù)直線運動，該從動直角件主要是實現(xiàn)將紙盒的耳朵保持狀態(tài)，如圖6 所示。以便接下來的短立沿機構(gòu)的運動實現(xiàn)對紙盒區(qū)域一二的折疊。

3.5 耳朵機構(gòu)

圖9 耳朵機構(gòu)Fig.9 Ear Mechanism

耳朵機構(gòu)中的步進電機與減速器固定連接并通過梅花聯(lián)軸器與連接軸一連接，連接軸一與連接軸二通過不銹鋼彎頭連接，耳朵工作件固定在連接軸二上。耳朵機構(gòu)主要實現(xiàn)對紙盒耳朵部分沿各自的z 軸方向向中心處折疊，使紙盒由圖5 所示紙盒狀態(tài)三折疊至紙盒狀態(tài)四，并且在凸輪組機構(gòu)的中凸輪一、三的作用下，凸輪從動直角件將紙盒耳朵部分固定在折疊狀態(tài)四下，以方便接下來短立沿機構(gòu)的運動，如圖6 所示。

4 PM1824 型包裝機的可靠性分析

利用ADAMS 軟件對PM1824 型包裝機的各個機構(gòu)進行運動可靠性仿真，分別對主工作板機構(gòu)、短立沿機構(gòu)、凸輪組機構(gòu)及耳朵機構(gòu)進行參數(shù)化建模，對模型添加約束及驅(qū)動，基于蒙特卡洛法[8]編制各機構(gòu)的仿真程序[9]，分別對各機構(gòu)進行10000 組仿真，可靠度計算公式，如式（1）所示[10]。對仿真結(jié)果進行處理得主工作板機構(gòu)的運動可靠度為0.9977，短立沿機構(gòu)的運動可靠度為0.9975，凸輪組機構(gòu)的運動可靠度為0.9988，耳朵機構(gòu)的運動可靠度為0.9932，PM1824 型包裝機的系統(tǒng)可靠度為0.9852。

圖10 運動可靠性仿真流程Fig.10 Motion Reliability Simulation Flow

式中：Ng—ADAMS 軟件仿真得到的極限狀態(tài)函數(shù)小于零的樣本的個數(shù)。完成首臺實物樣機的制作后，進行了500 組折疊紙盒試驗，其中成功的實現(xiàn)了493 組紙盒的折疊，針對其中7 組中折疊失敗的情況進行分析總結(jié)，可對所設(shè)計的PM1824 型包裝機進行優(yōu)化從而提高機構(gòu)的可靠度。

5 結(jié)論

鑒于紙盒形狀的特點，提出了紙盒折疊工藝流程規(guī)劃方案與折疊工藝流程，在設(shè)計的過程中進行了多次的調(diào)整與修改，最終確定了PM1824 型包裝機的總體設(shè)計方案，并且制作了首臺實物樣機，對實物樣機進行了裝配與調(diào)試，最終能夠?qū)崿F(xiàn)體積小、重量輕、成本及效率高的特點，且紙盒折疊質(zhì)量較好。同時基于ADAMS 軟件對機構(gòu)進行了可靠性的仿真分析，各機構(gòu)的運動都較為可靠。后續(xù)研究中可以設(shè)計紙盒傳送機構(gòu)，從而實現(xiàn)折疊紙盒的流水線作業(yè)。