牛振華 許洪振 劉姣娣 李 強(qiáng)

(桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541006)

食品飲料包裝領(lǐng)域多采用紙箱包裝。中國(guó)在紙箱包裝領(lǐng)域的市場(chǎng)份額大，越來(lái)越多的產(chǎn)品為提高便利性，通常采用提手紙箱包裝形式，提手紙箱需求量不斷增長(zhǎng)[1-2]。目前，在中國(guó)紙箱提手的安裝方式仍以人工安裝為主，效率低，用人成本高[3]，能否實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化安裝，成為制約紙箱包裝行業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。劉慶峰等[4]設(shè)計(jì)的包裝箱提手安裝設(shè)備，能夠?qū)σ颜砗玫奶崾诌M(jìn)行自動(dòng)安裝，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)零散提手的整理；程超等[5]研究的紙箱提手穿帶裝置能夠?qū)π滦吞崾謳?無(wú)紡布帶、特制紙帶)等進(jìn)行安裝，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)承受力更大的塑料提手的安裝。目前未見有關(guān)零散提手整理裝置的臺(tái)架試驗(yàn)研究的相關(guān)報(bào)道。

研究擬提出一種紙箱提手自動(dòng)整理裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)零散提手的自動(dòng)整理，并對(duì)提手掛取階段可能出現(xiàn)的提手重疊、倒掛、反掛等進(jìn)行剔除，通過(guò)解析法設(shè)計(jì)整理裝置的關(guān)鍵部件凸輪機(jī)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和靜力分析，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，以期為紙箱提手的自動(dòng)安裝提供思路。

1 紙箱提手整理裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

紙箱提手整理裝置主要由凸輪、提手掛桿、剔除推桿、提手輸送裝置等部分組成，如圖1所示。提手掛桿由鏈條帶動(dòng)，剔除推桿與凸輪輪廓接觸，通過(guò)凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)提手的掛取和剔除，最終由提手輸送裝置將整理好的提手輸送至后續(xù)的提手安裝工位。其中，對(duì)凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)是能否實(shí)現(xiàn)提手掛取和剔除的關(guān)鍵[6]。

1. 提手輸送裝置 2. 提手掛桿 3. 機(jī)架 4. 凸輪 5. 鏈條 6. 剔除推桿 7. 提手料箱

凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理：提手掛桿在鏈條的帶動(dòng)下進(jìn)入提手料箱掛取提手，當(dāng)提手到達(dá)指定位置時(shí)，凸輪機(jī)構(gòu)通過(guò)導(dǎo)桿帶動(dòng)剔除推桿，剔除推桿在導(dǎo)桿的帶動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)(如圖2)，進(jìn)行剔除作業(yè)，機(jī)構(gòu)通過(guò)提手掛桿和剔除推桿的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)提手的掛取和剔除動(dòng)作，完成提手的整理，有效剔除提手掛桿掛取過(guò)程中存在的重疊、反掛和交叉等無(wú)效提手(如圖3)。

紙箱提手整理裝置運(yùn)動(dòng)需要經(jīng)過(guò)提手掛取、無(wú)效提手剔除動(dòng)作，根據(jù)工作要求，可相應(yīng)地將凸輪劃分為如圖4 所示的4個(gè)工作段。

(1) 提手掛取段AB：當(dāng)導(dǎo)桿與凸輪輪廓A點(diǎn)接觸時(shí)掛取動(dòng)作開始，此時(shí)導(dǎo)桿繞A順時(shí)針擺動(dòng)，推桿掛取提手后由推桿帶動(dòng)到達(dá)剔除作用起始位置B。

(2) 提手第1次剔除段BC：在此階段，提手掛桿停止運(yùn)動(dòng)，提手到達(dá)預(yù)定的剔除位置，提手剔除推桿在導(dǎo)桿的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)第1次剔除作業(yè)到達(dá)C點(diǎn)。

(3) 提手第2次剔除段CD：從C點(diǎn)開始，提手剔除推桿從距離提手最遠(yuǎn)位置開始進(jìn)行第二次剔除作業(yè)，將提手掛桿上的零散提手中倒掛和反掛的提手進(jìn)行剔除。

(4) 提手第3次剔除段DA：提手剔除推桿重復(fù)第1次和第2次剔除運(yùn)動(dòng)，將前兩次剔除作業(yè)中剔除不徹底的無(wú)效提手剔除出提手掛桿，至A點(diǎn)完成一次完整的剔除作業(yè)。 為下一次提手掛取和剔除作準(zhǔn)備。

1. 導(dǎo)桿 2. 凸輪軸 3. 剔除推桿 4. 凸輪

圖3 無(wú)效提手示意圖

2 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

紙箱提手整理裝置凸輪機(jī)構(gòu)根據(jù)解析法設(shè)計(jì)，其基本思路是：根據(jù)提手掛桿的空間布局以及提手剔除推桿作用的位置，確定了凸輪的基圓半徑r0；根據(jù)剔除推桿剔除次數(shù)和距離的要求，確定凸輪的輪廓曲線[7]。

2.1 基本參數(shù)的確定

根據(jù)紙箱提手整理裝置凸輪機(jī)構(gòu)的3次剔除工作要求和配合安裝尺寸，計(jì)算得出基本設(shè)計(jì)參數(shù)，見表1。

2.2 凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)

從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)的核心要素，因此要想得到符合運(yùn)動(dòng)要求的輪廓曲線，準(zhǔn)確選擇從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律至關(guān)重要[8]。紙箱提手整理裝置的提手掛桿和提手推桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為低速輕載，除此之外，速度在從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇過(guò)程中也是需要考慮的要素[9]。

由于提手剔除推桿需要沖擊作用才會(huì)達(dá)到很好的剔除效果，文中從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律擬采用二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在凸輪的推程、回程階段發(fā)生瞬間的剛性沖擊，二次多項(xiàng)式的運(yùn)動(dòng)規(guī)律速度變化曲線是連續(xù)的，沒(méi)有間斷點(diǎn)，存在加速度的突變現(xiàn)象，從動(dòng)件的慣性力也因此發(fā)生突變，能夠達(dá)到推桿的剔除效果。

2.3 各區(qū)段輪廓曲線的設(shè)計(jì)

BC段、CD段和DA段，根據(jù)從動(dòng)件在實(shí)際剔除過(guò)程中，需要一定的沖擊，因此選擇從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其位移和速度曲線如圖4所示，根據(jù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程劃分為第1次剔除加速段和減速段，第2次剔除加速段和減速段，第3次剔除加速段和減速段。

1. 第1次剔除段 2. 第1次剔除段 3. 第1次剔除段 4. 提手掛取段

表1 凸輪基本設(shè)計(jì)參數(shù)

第1次剔除加速段：

(1)

第1次剔除減速段：

(2)

第2次剔除加速段：

(3)

第2次剔除減速段：

(4)

第3次剔除加速段：

(5)

第3次剔除減速段：

(6)

式中：

h——凸輪行程，mm；

s——從動(dòng)件位移，mm；

v——從動(dòng)件速度，mm/s；

a——從動(dòng)件加速度，mm/s2；

ω1——凸輪角速度，rad/s；

φ——凸輪轉(zhuǎn)角，°；

φ0——第1剔除階段運(yùn)動(dòng)角，°；

φ0'——第2剔除階段運(yùn)動(dòng)角，°；

根據(jù)研究的需要，使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行文獻(xiàn)檢索和相關(guān)資料的收集整理工作，認(rèn)真并且詳細(xì)查閱關(guān)于大學(xué)生足球運(yùn)動(dòng)開展?fàn)顩r一些文獻(xiàn)資料、論文和期刊30余篇，并通過(guò)對(duì)長(zhǎng)春市圖書館、吉林體育學(xué)院圖書館查閱的相關(guān)資料信息進(jìn)行分析和研究，為本文的研究奠定了科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ).

φ0''——第3剔除階段運(yùn)動(dòng)角，°。

3 凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真與分析

根據(jù)凸輪基圓半徑、凸輪行程以及各剔除階段的工作角度，在SolidWorks 2016中建立紙箱提手整理裝置的凸輪模型。將模型導(dǎo)入ADAMS機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件中[10-11]，如圖5所示，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)凸輪是否滿足工作要求。

在ADAMS中，添加運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)，設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)和步長(zhǎng)等參數(shù)，運(yùn)行仿真，通過(guò)后處理得出從動(dòng)件的速度和位移曲線[12]，如圖6、7所示。

通過(guò)仿真曲線可知：從動(dòng)件從B點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)的過(guò)程中，導(dǎo)桿從動(dòng)件行程為65 mm，符合設(shè)計(jì)要求。凸輪從B點(diǎn)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)，從動(dòng)件先完成從靜止?fàn)顟B(tài)到輪廓曲線最低點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)從動(dòng)件帶動(dòng)提手剔除推桿完成第1次剔除動(dòng)作，隨后從動(dòng)件從最低點(diǎn)回到初始高度，到達(dá)C位置，從C位置到D位置從動(dòng)件完成第2次剔除運(yùn)動(dòng)，D到A位置從動(dòng)件完成第3次剔除運(yùn)動(dòng)回到初始狀態(tài)。

1. 凸輪 2. 導(dǎo)桿

圖6 導(dǎo)桿從動(dòng)件速度曲線

圖7 導(dǎo)桿從動(dòng)件位移曲線

由速度曲線可知：凸輪在從B點(diǎn)到A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，速度在尖點(diǎn)位置C、D、A處會(huì)發(fā)生突變現(xiàn)象，速度沖擊帶動(dòng)從動(dòng)件對(duì)提手進(jìn)行快速的剔除運(yùn)動(dòng)，符合提手剔除整理裝置的工作要求和性能要求。

4 凸輪的靜應(yīng)力分析

4.1 應(yīng)用材料及網(wǎng)格劃分

運(yùn)行結(jié)果的準(zhǔn)確性和網(wǎng)格的劃分密度密不可分，網(wǎng)格劃分的大小對(duì)求解時(shí)間有直接影響，算例采用中等密度劃分即可，通過(guò)“生成網(wǎng)格”命令，對(duì)軟件默認(rèn)的網(wǎng)格劃分密度保持不變。

4.2 靜力學(xué)分析

單擊外部載荷下的力選項(xiàng)，選擇整個(gè)凸輪輪廓曲線工作面，根據(jù)從動(dòng)件作用力要求，將導(dǎo)桿從動(dòng)件計(jì)算分析作用力設(shè)定為100 N，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，求解出凸輪的應(yīng)力應(yīng)變圖解如圖8所示。結(jié)果表明，最大應(yīng)力為38.5 MPa，所選合金鋼材料能夠完全滿足提手剔除運(yùn)動(dòng)要求。

5 樣機(jī)試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料與方法

型號(hào)為TS-1515J塑料零散提手600支，桂林藝宇印刷包裝有限公司紙箱提手安裝設(shè)備試驗(yàn)樣機(jī)。將零散提手隨機(jī)放入提手料箱，運(yùn)行試驗(yàn)樣機(jī)，記錄掛桿掛取數(shù)量以及倒掛和重疊等不合格提手?jǐn)?shù)量，提手經(jīng)剔除推桿剔除后，記錄提手剔除數(shù)量。試驗(yàn)運(yùn)行5次，記錄試驗(yàn)結(jié)果[14]。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)試驗(yàn)，紙箱提手整理裝置能夠正常完成提手的掛取、剔除動(dòng)作，提手剔除裝置運(yùn)行正常，記錄試驗(yàn)結(jié)果(如表2)單根提手掛桿平均掛取提手20根，剔除裝置平均有效剔除率83.6%，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖8 凸輪的應(yīng)力應(yīng)變圖

表2 紙箱提手整理裝置臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)了紙箱提手整理裝置，通過(guò)解析法對(duì)整理裝置的凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)桿從動(dòng)件采用二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得出凸輪輪廓曲線。對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得出位移曲線和速度曲線，符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)凸輪輪廓曲線工作面進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到最大應(yīng)力是38.5 MPa，滿足工作要求。

(2) 臺(tái)架試驗(yàn)證明紙箱提手整理裝置能夠?qū)崿F(xiàn)零散提手的自動(dòng)掛取和剔除，解決了零散塑料提手整理的難題，單根提手掛桿平均掛取提手20根，剔除裝置平均有效剔除率83.6%，試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期。

(3) 對(duì)紙箱提手整理裝置凸輪輪廓曲線有待進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)剔除推桿在不同作用角度下對(duì)提手剔除效果的影響有待進(jìn)一步研究，以提升紙箱提手整理裝置的整機(jī)性能。