基于四連桿機(jī)構(gòu)的飛機(jī)盒成型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

陳柳邑　成泰洪　管天源　方凱盛　胡作棟　陳聰

【摘 要】飛機(jī)盒折疊成型的最關(guān)鍵步驟是將飛機(jī)盒底部的左右側(cè)翼部分通過一次折疊，使進(jìn)入盒底已經(jīng)成型的插槽部分，并做到準(zhǔn)確牢固，保證整個(gè)飛機(jī)盒的成型質(zhì)量。在此步驟的設(shè)計(jì)過程中，擬定多種方案，并最終決定使用完全的機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。利用四連桿機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)特點(diǎn)和特定的軌跡路線，安裝于連桿機(jī)構(gòu)上的折疊板可順利將飛機(jī)盒的左右側(cè)翼部分折疊并插入槽內(nèi)。本裝置最大的特點(diǎn)在于機(jī)構(gòu)創(chuàng)新，聯(lián)動(dòng)效果出色，控制簡單，折疊動(dòng)作一次成型。

【關(guān)鍵詞】包裝機(jī)械；四連桿機(jī)構(gòu)；紙盒成型

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益發(fā)展，開網(wǎng)店的門檻較低，更多商戶選擇涌入電商行業(yè)，而在包裝發(fā)貨流程當(dāng)中如何避免貨物損壞是必須要考慮到的問題，所以越來越多的商家會(huì)選擇成本相對(duì)低廉，抗壓強(qiáng)度大，性價(jià)比較高的飛機(jī)盒作為發(fā)貨打包首選?！帮w機(jī)盒”因其展開外形酷似飛機(jī)而得名，其材質(zhì)為瓦楞紙，屬于紙箱的一種類型。

為了方便下文對(duì)飛機(jī)盒的折紙盒方法進(jìn)行說明，圖1中對(duì)飛機(jī)盒的各個(gè)部分作標(biāo)記（編號(hào)為1至5）。要完成整個(gè)飛機(jī)盒的包裝任務(wù)需要分步驟對(duì)各個(gè)位置進(jìn)行成型。順序依次為成型兩側(cè)1和3部分，成型兩側(cè)的2部分，之后完成4的成型，最后封蓋，成型5部分，以上便是整個(gè)飛機(jī)盒成型流程。

1 盒底側(cè)邊成型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

采用機(jī)械傳動(dòng)的方式完成飛機(jī)盒底兩側(cè)邊2的成型。

1.2 總體方案

紙盒折疊裝置如圖2所示，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為：擋塊通過導(dǎo)軌1和直線軸承與底板連接，當(dāng)紙盒到達(dá)指定位置時(shí)，導(dǎo)軌1通過螺母螺栓與固定在底板下方的伸縮氣缸連接，并被氣缸下拉。與導(dǎo)軌1連接的兩側(cè)的連桿 2帶動(dòng)固定在底板上的連桿軸承座上的直線軸承運(yùn)動(dòng)。直線軸承的下方通過螺紋連接與下方的軸承座固定，并同樣與連桿2連接，完成旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。當(dāng)連桿2在導(dǎo)軌1下壓時(shí)完成抬升動(dòng)作，帶動(dòng)直線軸承3上升。直線軸承3的上方同樣通過螺紋連接與齒條固定。底板與成型裝置通過型材安裝架固定，成型裝置

上的折疊板固定方形軸承座，方形軸承座與齒輪5通過銷連接，齒輪5與齒條4嚙合，齒條4向上運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪5旋轉(zhuǎn)，從而使與齒輪5固定的連桿組6和7做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿組6和7與折疊板8通過軸承連接。為了使折疊板8以平行于底板的形式下降，連桿組6和7以對(duì)稱的兩組連桿組成。當(dāng)連桿組6和7向下旋轉(zhuǎn)時(shí)，折疊板8向下運(yùn)動(dòng)，完成成型動(dòng)作。當(dāng)順利完成兩側(cè)的成型動(dòng)作后，料倉在電機(jī)的帶動(dòng)下先前推進(jìn)，離開成型裝置。隨后氣缸復(fù)位，使導(dǎo)軌1上升，整體成型裝置復(fù)位。

1.3 三維模型的建立

基座選用304不銹鋼材料，它與上半部分的折疊機(jī)構(gòu)使用螺栓剛性連接。下部杠桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)中部齒輪齒條機(jī)構(gòu)，再由齒輪齒條機(jī)構(gòu)帶動(dòng)上半部分的四連桿成型機(jī)構(gòu)。

四連桿的參數(shù)為：桿長65mm，桿寬15mm，桿厚10mm；齒輪模數(shù)為1.5，齒數(shù)為20T；杠桿的參數(shù)為：桿長120mm， 桿寬15mm，桿厚10mm；建立實(shí)體三維模型如圖3。

2 基于SolidWorks motion的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

添加約束與動(dòng)力：軸承座與底板為剛性連接，直線軸承作直線運(yùn)動(dòng)，杠桿機(jī)構(gòu)與四連桿機(jī)構(gòu)桿件與桿件之間通過轉(zhuǎn)動(dòng)銷連接。

動(dòng)力作用在中間的直線導(dǎo)軌上，ω=10mm/s

通過SolidWorks motion的分析，由圖4可知，四連桿的角速度約為21°/s，運(yùn)動(dòng)時(shí)間約為5s，符合設(shè)計(jì)要求，而且末端曲線可以滿足對(duì)飛機(jī)盒側(cè)翼的要求。

3 基于ANSYS的有限元分析

3.1 有限元模型建立

網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格數(shù)量主要影響計(jì)算結(jié)果的精度和規(guī)模大小，故采用接近及曲率的高質(zhì)量實(shí)體網(wǎng)格。圖6為四連桿機(jī)構(gòu)中連桿的有限元模型，劃分網(wǎng)格電源總數(shù)為2142，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為11119，公差為3.6787e-005 m。材料為45鋼

3.2 有限元模型分析

應(yīng)用ANSYS Workbench對(duì)連桿進(jìn)行靜力學(xué)分析，連桿的應(yīng)力圖如圖7所示，連桿的位移圖如8所示。

由圖7和圖8可知，基座最大應(yīng)力和最大位移出現(xiàn)在固定的銷孔附近，最大應(yīng)力12Mpa（45鋼的屈服強(qiáng)度為355Mpa），最大位移為0.08mm，符合設(shè)計(jì)規(guī)范，應(yīng)力分布也比較均勻，且應(yīng)力集中的位置與實(shí)際情況相符，設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)論

（1）連桿的角速度為21 deg/s，而且曲線比較平滑。通過軟件仿真得到的機(jī)構(gòu)末端運(yùn)動(dòng)曲線符合實(shí)際成型需求。

（2）四連桿成型機(jī)構(gòu)的連桿最大應(yīng)力12Mpa，最大位移為0.08mm，小于所采用材料45鋼的屈服強(qiáng)度355Mpa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在固定銷孔附近，最大位移出現(xiàn)在受力點(diǎn)附近，應(yīng)力分布均勻且應(yīng)力集中位置與實(shí)際情況相符，設(shè)計(jì)合理。

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