紙箱提手整理裝置凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計

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。中國在紙箱包裝領(lǐng)域的市場份額大，越來越多的產(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[1-2]。目前，在中國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]，能否實現(xiàn)機(jī)械自動化安裝，成為制約紙箱包裝行業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵問題。劉慶峰等[4]設(shè)計的包裝箱提手安裝設(shè)備，能夠?qū)σ颜砗玫奶崾诌M(jìn)行自動安裝，但是無法實現(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?無紡布帶、特制紙帶)等進(jìn)行安裝，但是無法實現(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架試驗研究的相關(guān)報道。

研究擬提出一種紙箱提手自動整理裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)零散提手的自動整理，并對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，通過解析法設(shè)計整理裝置的關(guān)鍵部件凸輪機(jī)構(gòu)，對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真和靜力分析，并通過臺架試驗驗證機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性，以期為紙箱提手的自動安裝提供思路。

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，剔除推桿與凸輪輪廓接觸，通過凸輪的轉(zhuǎn)動進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，從而實現(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，對凸輪輪廓曲線的設(shè)計是能否實現(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下進(jìn)入提手料箱掛取提手，當(dāng)提手到達(dá)指定位置時，凸輪機(jī)構(gòu)通過導(dǎo)桿帶動剔除推桿，剔除推桿在導(dǎo)桿的帶動下往復(fù)運(yùn)動(如圖2)，進(jìn)行剔除作業(yè)，機(jī)構(gòu)通過提手掛桿和剔除推桿的配合來實現(xiàn)提手的掛取和剔除動作，完成提手的整理，有效剔除提手掛桿掛取過程中存在的重疊、反掛和交叉等無效提手(如圖3)。

紙箱提手整理裝置運(yùn)動需要經(jīng)過提手掛取、無效提手剔除動作，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個工作段。

(1) 提手掛取段AB：當(dāng)導(dǎo)桿與凸輪輪廓A點接觸時掛取動作開始，此時導(dǎo)桿繞A順時針擺動，推桿掛取提手后由推桿帶動到達(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，提手到達(dá)預(yù)定的剔除位置，提手剔除推桿在導(dǎo)桿的帶動下實現(xiàn)第1次剔除作業(yè)到達(dá)C點。

(3) 提手第2次剔除段CD：從C點開始，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，將前兩次剔除作業(yè)中剔除不徹底的無效提手剔除出提手掛桿，至A點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 無效提手示意圖

2 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計

紙箱提手整理裝置凸輪機(jī)構(gòu)根據(jù)解析法設(shè)計，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，計算得出基本設(shè)計參數(shù)，見表1。

2.2 凸輪輪廓曲線的設(shè)計

從動件的運(yùn)動規(guī)律是凸輪輪廓曲線設(shè)計的核心要素，因此要想得到符合運(yùn)動要求的輪廓曲線，準(zhǔn)確選擇從動件的運(yùn)動規(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)動狀態(tài)為低速輕載，除此之外，速度在從動件運(yùn)動規(guī)律的選擇過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達(dá)到很好的剔除效果，文中從動件運(yùn)動規(guī)律擬采用二次多項式運(yùn)動規(guī)律，在凸輪的推程、回程階段發(fā)生瞬間的剛性沖擊，二次多項式的運(yùn)動規(guī)律速度變化曲線是連續(xù)的，沒有間斷點，存在加速度的突變現(xiàn)象，從動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

BC段、CD段和DA段，根據(jù)從動件在實際剔除過程中，需要一定的沖擊，因此選擇從動件的運(yùn)動規(guī)律符合二次多項式運(yùn)動規(guī)律，其位移和速度曲線如圖4所示，根據(jù)運(yùn)動過程劃分為第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——從動件位移，mm；

v——從動件速度，mm/s；

a——從動件加速度，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)動角，°；

φ0'——第2剔除階段運(yùn)動角，°；

根據(jù)研究的需要，使用計算機(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)動開展?fàn)顩r一些文獻(xiàn)資料、論文和期刊30余篇，并通過對長春市圖書館、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)動角，°。

3 凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真與分析

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)動力學(xué)自動分析軟件中[10-11]，如圖5所示，通過運(yùn)動學(xué)仿真驗證所設(shè)計凸輪是否滿足工作要求。

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

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

1. 凸輪 2. 導(dǎo)桿

圖6 導(dǎo)桿從動件速度曲線

圖7 導(dǎo)桿從動件位移曲線

由速度曲線可知：凸輪在從B點到A點的運(yùn)動過程中，速度在尖點位置C、D、A處會發(fā)生突變現(xiàn)象，速度沖擊帶動從動件對提手進(jìn)行快速的剔除運(yùn)動，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)格劃分的大小對求解時間有直接影響，算例采用中等密度劃分即可，通過“生成網(wǎng)格”命令，對軟件默認(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，選擇整個凸輪輪廓曲線工作面，根據(jù)從動件作用力要求，將導(dǎo)桿從動件計算分析作用力設(shè)定為100 N，點擊運(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)動要求。

5 樣機(jī)試驗

5.1 試驗材料與方法

型號為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)備試驗樣機(jī)。將零散提手隨機(jī)放入提手料箱，運(yùn)行試驗樣機(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。試驗運(yùn)行5次，記錄試驗結(jié)果[14]。

5.2 試驗結(jié)果與分析

經(jīng)試驗，紙箱提手整理裝置能夠正常完成提手的掛取、剔除動作，提手剔除裝置運(yùn)行正常，記錄試驗結(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%，試驗結(jié)果滿足設(shè)計目標(biāo)。

圖8 凸輪的應(yīng)力應(yīng)變圖

表2 紙箱提手整理裝置臺架試驗結(jié)果

6 結(jié)論

(1) 設(shè)計了紙箱提手整理裝置，通過解析法對整理裝置的凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，導(dǎo)桿從動件采用二次多項式運(yùn)動規(guī)律，得出凸輪輪廓曲線。對凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真，得出位移曲線和速度曲線，符合設(shè)計要求。對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) 臺架試驗證明紙箱提手整理裝置能夠?qū)崿F(xiàn)零散提手的自動掛取和剔除，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%，試驗結(jié)果符合預(yù)期。

(3) 對紙箱提手整理裝置凸輪輪廓曲線有待進(jìn)一步優(yōu)化，對剔除推桿在不同作用角度下對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。