托盤捆扎機構(gòu)設(shè)計與ADAMS仿真

晏祖根，李 鵬，周 彤，孫智慧，孟 爽，朱 迪

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱 150028）

0 引言

堆垛貨物的托盤外包裝可采用套袋、纏繞、捆扎等方式。采用托盤捆扎的方式，具有包裝成本低、設(shè)備投入小的優(yōu)點，已成為現(xiàn)代物流運輸包裝的一種重要形式。國內(nèi)公司已研發(fā)系列托盤捆扎機，但與國外先進(jìn)水平相比，還存在高端產(chǎn)品少、智能水平低、捆扎速度慢等不足［1-2］。

捆扎機構(gòu)是影響托盤捆扎機性能的關(guān)鍵部件。為提高捆扎機構(gòu)的性能，晏祖根、周彤等開展了頂捆穿箭式托盤捆扎機和捆扎機構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化的研究［3-4］；索利利等［5］研發(fā)了一種自動粽子捆扎夾持機構(gòu)；曹巨江等［6］開展了高速取紙機構(gòu)主凸輪輪廓線的設(shè)計及優(yōu)化；劉飛飛等［7］采用ADAMS進(jìn)行了的捆扎機鎖緊機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。國內(nèi)的相關(guān)研究成果促進(jìn)了我國捆扎機的技術(shù)水平與性能。

本文面向行業(yè)對高端大型托盤捆扎機的實際需求，設(shè)計多機構(gòu)協(xié)同運動的托盤捆扎機構(gòu)，基于捆扎機構(gòu)工作循環(huán)圖的設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計張緊組件的張緊凸輪，并對機構(gòu)進(jìn)行ADAMS動力學(xué)仿真與優(yōu)化，提高捆扎機頭的動態(tài)性能與捆扎速度。

1 托盤捆扎機頭工作原理

頂捆穿箭式托盤捆扎機主要由托盤輸送機、龍門式升降機、捆扎機頭、穿箭機構(gòu)和儲帶箱等組成，如圖1所示。捆扎機按照工藝流程，自動完成托盤供送、捆扎帶穿箭閉合、捆扎頭下降壓垛、強力熔接和切斷等動作。

圖1 頂捆穿箭式托盤捆扎機工作原理Fig.1 Schematic diagram of the vertical pallet strapping machine

捆扎機頭是托盤捆扎機的關(guān)鍵部件，安裝在龍門式主機的升降平臺上，隨升降平臺自動適應(yīng)垛盤的高度變化，壓平垛盤，自動完成垛盤的強力捆扎。

捆扎機頭的原理模型如圖2所示，主要由隔離組件、左爪組件、中爪組件、右爪組件、燙頭組件、張緊組件以及凸輪電機、供帶電機等組成。張緊組件的張緊凸輪采用碗凸輪，其他組件采用盤面凸輪。各執(zhí)行機構(gòu)組件采用拉伸彈簧，使?jié)L子與凸輪可靠接觸。全部凸輪安裝在分配軸上，通過凸輪電機、電磁制動器以及多凸輪連桿機構(gòu)的協(xié)同控制，實現(xiàn)各組件的順序節(jié)拍動作。PLC通過檢測相應(yīng)的光電傳感器，通過帶傳動，實時地驅(qū)動送帶電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，驅(qū)動送帶輥輪相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)捆扎帶的快速送帶、收帶與放帶。

圖2 捆扎機頭的原理模型Fig.2 Simplified model of the strapping head

捆扎帶張緊機構(gòu)如圖3所示。為適應(yīng)托盤捆扎要求及包裝箱尺寸、內(nèi)包裝物的不同，設(shè)計由調(diào)節(jié)臂、調(diào)節(jié)輪和彈簧等組成的張緊力調(diào)整機構(gòu)。通過調(diào)節(jié)偏心輪的相位，調(diào)節(jié)張緊頭卡緊捆扎帶的位置，實現(xiàn)對捆扎帶張緊程度的調(diào)節(jié)，即調(diào)整捆扎力的大小。將從動送帶輥輪的中心軸做成偏心軸，調(diào)整該偏心軸的相位，可調(diào)整2個送帶輥輪的中心距，以適應(yīng)不同捆扎帶厚度的變化。

圖3 張緊組件的機構(gòu)原理圖Fig.3 Schematic diagram of tension assembly mechanism

按捆扎工藝要求，凸輪電機驅(qū)動分配軸及張緊凸輪旋轉(zhuǎn)，張緊臂跟隨擺動。此時，張緊機構(gòu)上的手爪夾住捆扎帶一起擺動，拉緊捆扎帶。當(dāng)張緊臂上的軸承移動到張緊凸輪的最高點時，張緊臂擺動角度最大，捆扎帶拉得最緊。凸輪軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動，在拉伸彈簧的作用下，張緊臂開始回復(fù)運動，直至回到起始位置。

捆扎機頭的燙頭組件與隔離組件的機構(gòu)如圖4所示。隔離組件將捆扎帶的端部與上層捆扎帶隔開一定的距離，捆扎帶的端部放置在熱合臺上，上層捆扎帶放置于隔離器中。燙頭組件設(shè)計安裝加熱器與薄型燙頭。

圖4 燙頭組件與隔離組件的機構(gòu)原理圖Fig.4 Schematic diagram of head components and isolation components

捆扎機頭左爪組件、中爪組件、右爪組件的機構(gòu)如圖5所示。中爪組件的中爪上安裝切刀，在切斷捆扎帶時，左爪與中爪共同夾持住捆扎帶。

圖5 左爪、中爪、右爪組件的機構(gòu)原理圖Fig.5 Schematic diagram of left claw, middle claw and right claw components

結(jié)合上述各圖的機構(gòu)分析，設(shè)計捆扎機構(gòu)的捆扎工藝流程如下：

（1）捆扎機頭回復(fù)到高位，送帶機構(gòu)與送帶輥輪快速旋轉(zhuǎn)，將捆扎帶沿封閉的導(dǎo)帶軌道快速運動，直至捆扎帶的端部撞上熱合臺，送帶輥輪停止送帶運動；

（2）捆扎機頭隨升降臺緩慢下降，同時送帶輥輪慢速反向旋轉(zhuǎn)，緩慢收帶；

（3）當(dāng)捆扎機頭壓平垛盤時，觸發(fā)行程開關(guān)，升降臺停止下降運動，右爪機構(gòu)動作，將捆扎帶的端部緊緊地壓在熱合臺上；

（4）隔離器進(jìn)入熱合位置，將捆扎帶端部與上層捆扎帶分開一定的距離，同時，送帶輥輪繼續(xù)慢速反向旋轉(zhuǎn)、收帶，直至將捆扎帶緊緊地貼合在托盤及包裝箱的外表面；

（5）張緊機構(gòu)動作，強力拉緊捆扎帶；

（6）左爪機構(gòu)動作，將上層捆扎帶壓緊在熱合臺的另一面；

（7）燙頭機構(gòu)動作，將已加熱的燙頭伸入2層捆扎帶的縫隙中，加熱捆扎帶，隨后燙頭退出；

（8）中爪機構(gòu)動作，將2層捆扎帶緊緊地壓合在一起，經(jīng)過一段時間的冷卻定型，實現(xiàn)塑料捆扎帶的熱熔接，同時，中爪上安裝的切刀將已熔接的2層捆扎帶切斷，完成1次托盤垛的自動捆扎工藝。

2 捆扎機構(gòu)工作循環(huán)圖設(shè)計

捆扎機頭執(zhí)行機構(gòu)協(xié)調(diào)運動，實現(xiàn)捆扎帶的自動送帶、燙合和切斷等動作。結(jié)合機構(gòu)設(shè)計與捆扎工藝流程分析，綜合考慮零件加工誤差、裝配誤差和分配轉(zhuǎn)角的延時滯后等因素，通過對各執(zhí)行機構(gòu)運動循環(huán)圖的時間同步化，設(shè)計捆扎機構(gòu)的工作循環(huán)如圖6所示。

圖6 捆扎機構(gòu)工作循環(huán)圖Fig.6 Working cycle diagram of the strapping mechanism

由于捆扎要求、垛盤高度、捆扎帶材料性能的不同，使得捆扎帶的送帶、熱熔接、冷卻定型所耗費的時間也不同。根據(jù)實際工作需要，以光電傳感器反饋的開關(guān)凸輪位置信號，PLC控制實時啟停凸輪電機、電磁制動器和送帶電機，以備有足夠的時間完成送帶、退帶和熱熔接等工藝動作。凸輪電機在1個工作循環(huán)中（分配軸旋轉(zhuǎn)1周），共需停止5次，停止時間取決于實際捆扎工藝。

3 捆扎機構(gòu)的凸輪設(shè)計

捆扎機構(gòu)通過多凸輪連桿機構(gòu)協(xié)調(diào)運動，凸輪設(shè)計是捆扎機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先，結(jié)合捆扎機構(gòu)的工作循環(huán)圖，以解析法求得各凸輪的基圓半徑，再利用Solidworks的ToolBox插件，建立各驅(qū)動凸輪的三維，求取捆扎機凸輪組相應(yīng)凸輪的理論廓線。以張緊組件的張緊凸輪為例，根據(jù)張緊機構(gòu)的運動循環(huán)圖，以及捆扎機執(zhí)行動作的具體要求，設(shè)計張緊凸輪，如圖7所示。

圖7 張緊臂凸輪設(shè)計圖Fig.7 Design drawing of tension arm cam

張緊凸輪的第1次推程h1=39 mm，第1次升程角φ01=79°，第 1次遠(yuǎn)休止角φS1=24°，第 1 次回程h2=7.2 mm，第1次回程角φh1=12°，第 1 次近休止角φS2=74°；第2次推程h3=7.2 mm，第2次升程角φ02=42°，第 2次遠(yuǎn)休止角φS3=61°，第 2 次回程h4=39 mm，第2次回程角φh2=37°，第2次近休止角φS4=31°。凸輪基圓半徑為48.5 mm。

高速凸輪機構(gòu)必須保證全行程范圍內(nèi)角位移、角速度和角加速度無突變狀況，這是評價其運動規(guī)律優(yōu)劣的前提。如直接采用圖6所示的張緊臂凸輪運動循環(huán)圖設(shè)計凸輪，在各運動階段轉(zhuǎn)換處，張緊機構(gòu)必然會發(fā)生沖擊現(xiàn)象。凸輪機構(gòu)可采用等速、簡諧和擺線等運動規(guī)律設(shè)計凸輪的輪廓曲線。采用5次多項式運動規(guī)律設(shè)計的凸輪，在運動過程中從動件沒有沖擊現(xiàn)象并且最大加速度相對較小，適用于高速輕載工況，是一種比較理想的運動規(guī)律［8-9］。

綜合考慮捆扎機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式以及從動件質(zhì)量，采用5次多項式運動規(guī)律設(shè)計捆扎機構(gòu)凸輪輪廓，利用反轉(zhuǎn)法原理及從動推桿規(guī)律求解凸輪的理論輪廓。仍以張緊凸輪的輪廓曲線設(shè)計為例進(jìn)行說明。

張緊凸輪為空間端面凸輪，對其型線設(shè)計時要把型線展開進(jìn)行計算。展開時，第1次近休弧長l1=43.2 mm，推程為0。將各參數(shù)代入5次多項式運動規(guī)律函數(shù)，求得此階段的推程公式：S=0。

第1次推程弧長l2=76.3 mm，推程44.6 mm，推程公式：

第1次遠(yuǎn)休弧長l3=10.2 mm，推程S=44.6 mm。

第1次回程弧長l4=17.1 mm，回程8.7 mm，推程公式：

第2次近休弧長l5=80.5 mm，推程S=35.9 mm。

第2次推程弧長l6=36.3 mm，推程8.7mm，推程公式：

第2次遠(yuǎn)休弧長l7=52.3 mm，推程S=44.6 mm。

第2次回程弧長l8=28.1 mm，回程44.6 mm，推程公式：

基于上述張緊凸輪各運動階段的推程公式，利用Matlab可求得各凸輪輪廓的型線曲線數(shù)據(jù)值。將所求得的凸輪輪廓曲線導(dǎo)入Solidworks，可快速建立凸輪模型及各執(zhí)行機構(gòu)的裝配模型，完成捆扎機構(gòu)設(shè)計。

4 捆扎機構(gòu)ADAMS集成仿真

利用ADAMS對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行機械動力學(xué)仿真，求得機構(gòu)的位移、速度、加速度的曲線及固有頻率，是機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一種重要手段［10］。首先簡化捆扎機構(gòu)的Solidworks模型，刪除螺釘、螺母等零件，以免模型太過復(fù)雜影響仿真速度；再將機構(gòu)的Solidworks模型導(dǎo)入ADAMS，給模型添加相應(yīng)約束，在張緊臂滾輪軸承與張緊凸輪之間添加接觸力，在箱體與凸輪軸上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力；將仿真時長設(shè)為7 s，步數(shù)設(shè)為360步進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 張緊機構(gòu)的ADAMS仿真結(jié)果Fig.8 ADAMS simulation results of tension mechanism

由仿真結(jié)果可以看出，張緊凸輪機構(gòu)的位移運動符合5次多項式運動規(guī)律，凸輪在升程與回程階段會產(chǎn)生速度和加速度的變化，但中間過程躍度沒有突變；中間過程的加速度曲線幅值很小，可消除大部分的剛性沖擊，機構(gòu)運行更加平穩(wěn)。

通過捆扎機構(gòu)的ADAMS整機仿真，獲取捆扎機構(gòu)的前30階模態(tài)信息。捆扎機構(gòu)的前13階模態(tài)為臨界阻尼模態(tài)，不會產(chǎn)生機械系統(tǒng)的變形破壞。捆扎機構(gòu)的第14～22階固有頻率如表1所示。

表1 捆扎機構(gòu)的各階固有頻率Tab.1 Natural frequencies of strapping mechanism （單位：Hz）

捆扎機構(gòu)的凸輪驅(qū)動電機選用YH132S-4型異步電機，額定轉(zhuǎn)速為1 350 rad/min，計算得到電機的激振頻率為45.33 Hz。由表1可看出，與電機激振頻率最近的2階固有頻率分別為第20階和第21階，都遠(yuǎn)離45.33 Hz，捆扎機構(gòu)不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象。通過對捆扎機構(gòu)的多次ADAMS動力學(xué)分析，優(yōu)化設(shè)計機構(gòu)的部分尺寸，捆扎機頭運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。

5 結(jié)語

針對企業(yè)對高性能托盤捆扎機頭的需求，開展捆扎機構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化研究，建立執(zhí)行機構(gòu)的分析模型，設(shè)計捆扎機構(gòu)工作循環(huán)圖和基于5次多項式運動規(guī)律的凸輪輪廓，基于ADAMS進(jìn)行捆扎執(zhí)行機構(gòu)的動力學(xué)分析與優(yōu)化。優(yōu)化的捆扎機構(gòu)已在捆扎機上應(yīng)用，取得良好效果。