徐 靜，張志強(qiáng)，馬鳳儀

（北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

0 引言

紙箱包裝是生產(chǎn)線上產(chǎn)品常見的打包方式，將產(chǎn)品打包裝入紙箱便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸。尚東陽等［1］基于模塊化設(shè)計(jì)的紙箱打包機(jī)解決了現(xiàn)有紙箱包裝機(jī)體積大、價(jià)格昂貴的問題，但針對(duì)不同的紙箱規(guī)格包裝效果不理想；韓占華等［2］指出自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用在包裝機(jī)械上能夠大幅度提高包裝效率；LOTOSHYNSKA等針對(duì)二次包裝的藥品生產(chǎn)線設(shè)計(jì)了精簡打包裝置［3-4］，體現(xiàn)了藥品和食品“不可觸摸”原則，但只是針對(duì)小盒產(chǎn)品，無法實(shí)現(xiàn)紙箱包裝產(chǎn)品的打包；劉寶華等針對(duì)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真和搭建試驗(yàn)平臺(tái)［5-6］，得出不同條件下曲柄搖塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，但該機(jī)構(gòu)沒有應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)線上；姜慧君等［7］采用SolidWorks里的Motion分析模塊對(duì)曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，但該方法只能針對(duì)簡單機(jī)構(gòu)；王明遠(yuǎn)等［8］設(shè)計(jì)的汽車門鎖機(jī)構(gòu)可根據(jù)不同驅(qū)動(dòng)方式和不同限位邊界實(shí)現(xiàn)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)、平面五桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖塊機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)4種運(yùn)動(dòng)模式及模式間切換；陳然等對(duì)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真［9-10］，但設(shè)備仍舊不夠靈敏，存在使用不簡便和維護(hù)復(fù)雜等問題，不能滿足多種規(guī)格紙箱的折邊需求。本文研究可加快智慧工廠實(shí)現(xiàn)進(jìn)程，加快企業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)步伐。

工廠現(xiàn)有部分生產(chǎn)線如圖1所示，工人將紙盒放入紙箱，再將紙箱折邊密封后放入封膠機(jī)中，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。并且現(xiàn)有的折邊裝置只能針對(duì)單一規(guī)格紙箱，無法實(shí)現(xiàn)柔性化調(diào)節(jié)。本文從同一條生產(chǎn)線上的不同規(guī)格包裝箱出發(fā)，設(shè)計(jì)可柔性調(diào)節(jié)的紙箱預(yù)封裝置，實(shí)現(xiàn)將裝好產(chǎn)品的紙箱折邊后送入封膠機(jī)的動(dòng)作。首先采用SolidWorks建立紙箱預(yù)封裝置三維模型，對(duì)紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型；然后用解析法作為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析方法，根據(jù)氣缸運(yùn)動(dòng)行程求各連桿角速度和角加速度；最后將設(shè)計(jì)好的紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)化建模并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性和紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)方案的可行性。

圖1 工廠現(xiàn)有部分生產(chǎn)線Fig.1 Part of the existing production line of the plant

1 紙箱預(yù)封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有紙箱參數(shù)，統(tǒng)計(jì)得出紙箱高度變化范圍：129～214 mm；寬度變化范圍：154～302 mm；長度變化范圍：236～343 mm；由此得出紙箱預(yù)封裝置的柔性調(diào)節(jié)范圍。

紙箱預(yù)封裝置如圖2所示，主要由紙箱折邊機(jī)構(gòu)、推箱機(jī)構(gòu)和紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。

圖2 紙箱預(yù)封裝置Fig.2 Carton pre-sealing device

紙箱折邊機(jī)構(gòu)如圖3所示，主要包括斜坡、上流利條壓桿、推箱機(jī)構(gòu)、后折邊弧形板、旋轉(zhuǎn)下壓氣缸、前折邊弧形板、下流利條、折邊壓桿和可自鎖滑臺(tái)等。裝箱機(jī)將商品放入開口紙箱后推上斜坡，降落在下流利條上，由在紙箱兩側(cè)排布的前折邊弧形板完成紙箱前側(cè)的折邊，兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)下壓氣缸配合弧形板完成紙箱后側(cè)的折邊，隨著紙箱前進(jìn)到壓桿區(qū)域，在壓桿的作用下實(shí)現(xiàn)上下兩側(cè)的紙箱折邊，此時(shí)紙箱需貼膠條的位置在左右2個(gè)方向上。為滿足適應(yīng)性，紙箱左側(cè)折邊機(jī)構(gòu)固定安裝，因此不論何種規(guī)格紙箱，在進(jìn)入折邊機(jī)構(gòu)時(shí)，紙箱折痕與左側(cè)固定安裝的折邊機(jī)構(gòu)相切；右側(cè)折邊機(jī)構(gòu)安裝在可自鎖滑臺(tái)處，實(shí)現(xiàn)左右方向的無極調(diào)節(jié)；紙箱底部的流利條按照可允許的最大間隙布置，方便推箱板在流利條之間順暢推箱。

圖3 紙箱折邊機(jī)構(gòu)Fig.3 Carton folding device

紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要包含翻轉(zhuǎn)氣缸、接頭、中心軸、軸承和托架等。當(dāng)折好邊的紙箱被推入紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處，在翻轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)下，裝有紙箱的托架翻轉(zhuǎn)90°實(shí)現(xiàn)紙箱翻轉(zhuǎn)，此時(shí)紙箱需貼膠條的方向與貼膠機(jī)重合。為滿足適應(yīng)性，托架右側(cè)擋板與底部支撐板可無極調(diào)節(jié)，托架上方擋板寬度不大于最小紙箱高度。

圖4 紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.4 Carton flipping device

2 紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

對(duì)紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是指在不考慮力作用的前提下，分別對(duì)托架的位置、速度和加速度變化進(jìn)行分析，以確定所得的數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)要求。紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡圖如圖5所示。傳統(tǒng)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)一般在連桿2上［11-12］，連桿為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。該紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)較大扭矩的快速翻轉(zhuǎn)，采用氣缸為驅(qū)動(dòng)元件，因此滑塊在連桿1上的直線運(yùn)動(dòng)為勻速運(yùn)動(dòng)。圖中連桿1為AC桿，連桿2為CB桿；連桿1的長度LAC，連桿2的長度LCB；∠CAB為β，∠ACB為 π/2-α，∠ABC為θ；VC為滑塊相對(duì)于連桿1的速度，VC1為連桿1在C點(diǎn)的速度，VC2為連桿2在C點(diǎn)的速度。

圖5 紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡圖Fig.5 Sketch of carton flipping device mechanism

已知滑塊相對(duì)于連桿1的速度為VC，則滑塊的速度：

連桿2的角速度：

連桿1在C點(diǎn)的速度：

連桿1的角速度：

在△ABC中，由三角形邊角互化公式得：

將式（6）、（7）代入式（1）～（4）得：

3 紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的ADAMS仿真與優(yōu)化

3.1 ADAMS參數(shù)化建模及仿真分析

ADAMS是專用于機(jī)械類產(chǎn)品虛擬樣機(jī)開發(fā)的工具，通過建立虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)模型進(jìn)行試驗(yàn)和測試，進(jìn)而使設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并提出改進(jìn)辦法［13］。由于ADAMS在進(jìn)行仿真時(shí)只考慮零件的質(zhì)心和質(zhì)量，而對(duì)零件的外部形狀不予考慮，因此在對(duì)紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真時(shí)可對(duì)機(jī)構(gòu)適當(dāng)簡化：

（1）氣缸的缸體和活塞桿之間為移動(dòng)副；紙箱托架和活塞桿之間為旋轉(zhuǎn)副；中心軸與軸承之間為旋轉(zhuǎn)副。

（2）氣缸選型為CTMA系列，缸徑32 mm，行程150 mm，在移動(dòng)副上添加移動(dòng)驅(qū)動(dòng)，1個(gè)周期內(nèi)平移驅(qū)動(dòng)函數(shù)為 Step（time，0，0，1，150）+Step（time，1，0，2，-150）。

（3）各部件為剛體。

根據(jù)紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，按照上述設(shè)定，將紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)導(dǎo)入到Adams中并布爾操作簡化，如圖6所示。進(jìn)行1個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)仿真，主要分析連桿1和連桿2的速度和加速度的變化。

圖6 紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)化建模Fig.6 Parametric modeling of carton flipping device

紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果如圖7-8所示。

圖7 紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of carton flipping device

圖8 連桿2轉(zhuǎn)過的角度Fig.8 The angle through which the connecting link 2 turns

連桿1和連桿2角速度和角加速度仿真圖像呈軸對(duì)稱，說明紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)程和返程運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)一致。對(duì)比連桿1和連桿2角速度和角加速度的計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果，可以看出一致性，證明模型建立正確。連桿1和連桿2角速度和角加速度變化趨勢一致，呈現(xiàn)周期性變化，曲線光滑度較好，運(yùn)動(dòng)無明顯沖擊，運(yùn)動(dòng)較平。通過連桿2轉(zhuǎn)過的角度可知紙箱只能翻轉(zhuǎn)83°。

3.2 紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）由分析得連桿1、連桿2的方位是對(duì)紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響最大的參數(shù)，需要增設(shè)連桿1和連桿2的設(shè)計(jì)變量并標(biāo)定取值范圍；

（2）將擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的約束條件，轉(zhuǎn)換成ADAMS中的約束方程并建立測量函數(shù)，再以測量函數(shù)為參照建立約束函數(shù)；

（3）機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)角度由添加測量得到，以翻轉(zhuǎn)角度最接近90°為優(yōu)化目標(biāo)創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)；

（4）執(zhí)行優(yōu)化計(jì)算過程，通過20次迭代優(yōu)化，得到翻轉(zhuǎn)角度最接近90°的各桿坐標(biāo)，此時(shí)LAB=308.09，LAC=320，LBC=113.72，關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

表1 優(yōu)化后關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值Tab.1 Coordinate values of key points after optimization

優(yōu)化后翻轉(zhuǎn)角度變化如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后翻轉(zhuǎn)角度Fig.9 Optimized flip angle

4 試驗(yàn)平臺(tái)

控制系統(tǒng)采用PLC對(duì)紙箱預(yù)封裝置測試，搭建的試驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。

圖10 紙箱預(yù)封裝置試驗(yàn)圖片F(xiàn)ig.10 Pictures of carton pre-sealing device test

對(duì)不同規(guī)格的紙箱依次試驗(yàn)，結(jié)果表明：

（1）采用旋轉(zhuǎn)氣缸與滾輪相結(jié)合的方式可以完成紙箱折邊，但紙箱位置需嚴(yán)格限制在滾輪之間才能折邊完全；

（2）壓桿在設(shè)計(jì)時(shí)，為方便紙箱折上下兩邊，角度應(yīng)盡可能小才能不損壞紙箱，此外壓桿與紙箱折頁的角度應(yīng)盡可能大。

（3）紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)紙箱翻轉(zhuǎn)90°，滿足工作要求。

5 結(jié)語

（1）對(duì)片類產(chǎn)品包裝生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)計(jì)，用SolidWorks軟件建立紙箱預(yù)封裝置的三維模型，通過簡單動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)瓦楞紙箱的八面折邊、翻轉(zhuǎn)的功能，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡便、易操作、工作效率高和穩(wěn)定性好的紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；（2）對(duì)紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬樣機(jī)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連桿1和連桿2的角速度和角加速度曲線，以及紙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)真實(shí)轉(zhuǎn)過的角度，對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定桿長的最優(yōu)參數(shù)，得到翻轉(zhuǎn)角度最合適的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；（3）搭建試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證紙箱折邊方案的可行性，但應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化折邊壓桿角度，以降低壓桿對(duì)紙盒的損傷。