纸箱提手整理装置凸轮机构设计

2021-03-10牛振华许洪振刘姣娣

食品与机械 2021年2期

牛振华许洪振刘姣娣李强

(桂林理工大学机械与控制工程学院，广西桂林 541006)

食品饮料包装领域多采用纸箱包装。中国在纸箱包装领域的市场份额大，越来越多的产品为提高便利性，通常采用提手纸箱包装形式，提手纸箱需求量不断增长[1-2]。目前，在中国纸箱提手的安装方式仍以人工安装为主，效率低，用人成本高[3]，能否实现机械自动化安装，成为制约纸箱包装行业快速发展的关键问题。刘庆峰等[4]设计的包装箱提手安装设备，能够对已整理好的提手进行自动安装，但是无法实现零散提手的整理；程超等[5]研究的纸箱提手穿带装置能够对新型提手带(无纺布带、特制纸带)等进行安装，但是无法实现承受力更大的塑料提手的安装。目前未见有关零散提手整理装置的台架试验研究的相关报道。

研究拟提出一种纸箱提手自动整理装置，能够实现零散提手的自动整理，并对提手挂取阶段可能出现的提手重叠、倒挂、反挂等进行剔除，通过解析法设计整理装置的关键部件凸轮机构，对其进行运动学仿真和静力分析，并通过台架试验验证机构设计的合理性，以期为纸箱提手的自动安装提供思路。

1 纸箱提手整理装置结构及工作原理

纸箱提手整理装置主要由凸轮、提手挂杆、剔除推杆、提手输送装置等部分组成，如图1所示。提手挂杆由链条带动，剔除推杆与凸轮轮廓接触，通过凸轮的转动进行往复运动，从而实现提手的挂取和剔除，最终由提手输送装置将整理好的提手输送至后续的提手安装工位。其中，对凸轮轮廓曲线的设计是能否实现提手挂取和剔除的关键[6]。

1. 提手输送装置 2. 提手挂杆 3. 机架 4. 凸轮 5. 链条 6. 剔除推杆 7. 提手料箱

凸轮机构的工作原理：提手挂杆在链条的带动下进入提手料箱挂取提手，当提手到达指定位置时，凸轮机构通过导杆带动剔除推杆，剔除推杆在导杆的带动下往复运动(如图2)，进行剔除作业，机构通过提手挂杆和剔除推杆的配合来实现提手的挂取和剔除动作，完成提手的整理，有效剔除提手挂杆挂取过程中存在的重叠、反挂和交叉等无效提手(如图3)。

纸箱提手整理装置运动需要经过提手挂取、无效提手剔除动作，根据工作要求，可相应地将凸轮划分为如图4 所示的4个工作段。

(1) 提手挂取段AB：当导杆与凸轮轮廓A点接触时挂取动作开始，此时导杆绕A顺时针摆动，推杆挂取提手后由推杆带动到达剔除作用起始位置B。

(2) 提手第1次剔除段BC：在此阶段，提手挂杆停止运动，提手到达预定的剔除位置，提手剔除推杆在导杆的带动下实现第1次剔除作业到达C点。

(3) 提手第2次剔除段CD：从C点开始，提手剔除推杆从距离提手最远位置开始进行第二次剔除作业，将提手挂杆上的零散提手中倒挂和反挂的提手进行剔除。

(4) 提手第3次剔除段DA：提手剔除推杆重复第1次和第2次剔除运动，将前两次剔除作业中剔除不彻底的无效提手剔除出提手挂杆，至A点完成一次完整的剔除作业。为下一次提手挂取和剔除作准备。

1. 导杆 2. 凸轮轴 3. 剔除推杆 4. 凸轮

图3 无效提手示意图

2 凸轮机构的设计

纸箱提手整理装置凸轮机构根据解析法设计，其基本思路是：根据提手挂杆的空间布局以及提手剔除推杆作用的位置，确定了凸轮的基圆半径r0；根据剔除推杆剔除次数和距离的要求，确定凸轮的轮廓曲线[7]。

2.1 基本参数的确定

根据纸箱提手整理装置凸轮机构的3次剔除工作要求和配合安装尺寸，计算得出基本设计参数，见表1。

2.2 凸轮轮廓曲线的设计

从动件的运动规律是凸轮轮廓曲线设计的核心要素，因此要想得到符合运动要求的轮廓曲线，准确选择从动件的运动规律至关重要[8]。纸箱提手整理装置的提手挂杆和提手推杆的运动状态为低速轻载，除此之外，速度在从动件运动规律的选择过程中也是需要考虑的要素[9]。

由于提手剔除推杆需要冲击作用才会达到很好的剔除效果，文中从动件运动规律拟采用二次多项式运动规律，在凸轮的推程、回程阶段发生瞬间的刚性冲击，二次多项式的运动规律速度变化曲线是连续的，没有间断点，存在加速度的突变现象，从动件的惯性力也因此发生突变，能够达到推杆的剔除效果。

2.3 各区段轮廓曲线的设计

BC段、CD段和DA段，根据从动件在实际剔除过程中，需要一定的冲击，因此选择从动件的运动规律符合二次多项式运动规律，其位移和速度曲线如图4所示，根据运动过程划分为第1次剔除加速段和减速段，第2次剔除加速段和减速段，第3次剔除加速段和减速段。

1. 第1次剔除段 2. 第1次剔除段 3. 第1次剔除段 4. 提手挂取段

表1 凸轮基本设计参数

第1次剔除加速段：

(1)

第1次剔除减速段：

(2)

第2次剔除加速段：

(3)

第2次剔除减速段：

(4)

第3次剔除加速段：

(5)

第3次剔除减速段：

(6)

式中：

h——凸轮行程，mm；

s——从动件位移，mm；

v——从动件速度，mm/s；

a——从动件加速度，mm/s2；

ω1——凸轮角速度，rad/s；

φ——凸轮转角，°；

φ0——第1剔除阶段运动角，°；

φ0'——第2剔除阶段运动角，°；

根据研究的需要，使用计算机网络进行文献检索和相关资料的收集整理工作，认真并且详细查阅关于大学生足球运动开展状况一些文献资料、论文和期刊30余篇，并通过对长春市图书馆、吉林体育学院图书馆查阅的相关资料信息进行分析和研究，为本文的研究奠定了科学依据和理论基础.

φ0''——第3剔除阶段运动角，°。

3 凸轮机构的运动仿真与分析

根据凸轮基圆半径、凸轮行程以及各剔除阶段的工作角度，在SolidWorks 2016中建立纸箱提手整理装置的凸轮模型。将模型导入ADAMS机械系统动力学自动分析软件中[10-11]，如图5所示，通过运动学仿真验证所设计凸轮是否满足工作要求。

在ADAMS中，添加运动副和驱动，设置仿真时长和步长等参数，运行仿真，通过后处理得出从动件的速度和位移曲线[12]，如图6、7所示。

通过仿真曲线可知：从动件从B点开始运动到A点的过程中，导杆从动件行程为65 mm，符合设计要求。凸轮从B点顺时针运动到C点，从动件先完成从静止状态到轮廓曲线最低点的运动，此时从动件带动提手剔除推杆完成第1次剔除动作，随后从动件从最低点回到初始高度，到达C位置，从C位置到D位置从动件完成第2次剔除运动，D到A位置从动件完成第3次剔除运动回到初始状态。