平行四邊形機構在后道包裝機械中的應用分析

曹俊

（陜西沛愉包裝科技研究院，陜西 西安 723000）

平行四邊形機構在后道包裝機械中的應用分析

曹俊

（陜西沛愉包裝科技研究院，陜西 西安 723000）

文章對平行四邊形機構在后道包裝機械的應用方法研究，以平面四桿機構作為研究案例，分析平行四邊形機構實際運動特征。以機構學理論作為基礎條件，對后道包裝工作流程下平行四邊性機構應用詳細分析。經過分析之后發現，平行四邊形機構在后道包裝機械上承擔著重要作用。

平行四邊形機構；運動分析；后包裝機械

為了能夠提高產品生產質量，擴大建設規模，提升生產流程自動化水平，快速消費品產業一直都在努力為之奮斗。后道包裝也被稱之為二次包裝，主要表示產品為運輸所進行的包裝工序，是食品及飲料行業重點生產內容。為了能夠解決后道包裝自動化操作問題，研究人員研發了各種設備。平行四邊形機構由于具有良好穩定性及結構簡單，進而得到了廣泛應用。

1 運動分析

平面連桿機構作為應用廣泛的機械設備，在實際應用過程中具有以下4點優勢：①構件采取面接觸方式，構件單位面積所承受的壓力較小，可以承載大載荷物體，并且潤滑十分方便；②構件接觸面屬于平面或者是圓柱形狀，進而實際生產加工較為簡單，生產精度可以顯著提升；③構件之間的接觸全部通過幾何封閉方式實現，進而實際應用十分方便；④平面連桿機構在實際運行過程中，具有多種運動軌跡，進而可以滿足多樣化運行需求。

在平面連桿機構眾多結構中，四桿機構屬于應用最為廣泛的機構。平面四桿機構代表性型式就是鉸鏈四桿機構。鉸鏈四桿機構存在曲柄條件，也就是最短桿與最長桿之間的和要小于剩下兩桿之和，并且最短桿為機架。

2 平行四邊形機構在生產中應用

后道包裝機械有三個，分別為裝箱機、紙箱成型機與碼垛機。這三種包裝設備內都包含了多種運行機構，但是基本上都屬于平行四邊形機構。

2.1 紙箱成型機

紙箱成型機作為專用設備，主要就是將筒形片狀紙板箱打開成型，進而紙箱成型機也被稱之為開箱機。紙箱成型機在實際運行過程中，可以自動完成紙箱張開及成形，并且還可以合攏紙箱底部，應用膠帶進行粘貼。紙箱成型機在整個運行流程過程中，紙箱底部需要按照一定流程進行折疊，底部紙張在向前折疊過程中，需要應用固定折頁塊完成紙箱折合操作；紙箱在向后折疊過程中，需要應用專屬機構帶動，完成紙箱頁塊折合任務。但是需要特別注意，紙箱在整個折合過程中，都需要提前設置好折疊線條，并且按照一定時間完成指向折疊，最終確定紙箱形狀。紙箱后折頁機構主要由三部分構成，分別為回轉式、直線式與連桿式。

（1）連桿式折合機構。連桿式折合機構作為代表性平行四邊形機構，在實際運行過程中通過弧線平動的方式完成折頁的折疊操作。連桿式折合機構和其他兩種方式相比較，整個紙箱折合流程都較為平滑，同時紙箱成型之后穩定性較高，定位點十分明確。

（2）曲柄式折合機構。曲炳式折合機構作為代表性曲柄平行四邊形機構，在實際運行過程中借助氣缸作用，曲柄在驅動力作用之下按照力矩進行負向旋轉，進而驅動平行四邊形機構穩定運動。連桿在曲柄式折合機構整個運行過程中，始終采取平移位置方式，同時連桿任意一點的運動軌跡都為圓形。

2.2 裝箱機

裝箱機作為一種自動裝入運輸包裝設備，主要在無包裝產品及小包裝產品包裝生產過程中應用。一般情況下，裝箱機主要由七部分構成，分別為平行四邊形連桿、驅動機構、平行四邊形曲柄、滑槽、平行四邊形機架、真空抓取器。

（1）裝箱機工藝流程。裝箱機在實際運行過程中，需要將實瓶運輸到傳送帶上，特別注意實瓶必須排列整齊，然后應用真空抓取器將實瓶放入到另一個傳輸帶上面。真空抓取器在整個移動過程中，真空抓取器全部保持平衡。一旦真空抓取器在移動過程中出現歪斜情況，實瓶和真空抓取器之間就會出現接觸不均衡問題，造成鉆孔抓取器和實瓶之間無法處于真空狀態，無法完成實瓶移動操作。真空抓取器在放下實瓶過程中，要是和箱子之間出現偏差，也無法順利完成實瓶裝箱操作。裝箱機實際上就是借助平行四邊形機構的運行特征，通過平行移動完成實瓶整個裝箱操作流程。

（2）裝箱機運動特征。按照裝箱機結構及工藝流程可知，裝箱機由一個平行四邊形機構及擺桿驅動的滑塊機構組成，其中滑塊機構充當裝箱機驅動機構，讓裝箱機從滑槽根據槽型完成整個運動過程。槽型也就是真空抓取器在裝箱機內運動整個軌跡，為了能夠保證真空抓取器可以一直保持平衡勻速運行狀態，因此裝箱機引入了平行四邊形機構。滑塊在運行過程中將平行四邊形機構看做機架，讓平行四邊形機構一邊始終處于豎直狀態。按照平行四邊形機構運動特征顯示，平行四邊形連桿在運行過程中，對稱邊連桿必須始終保持平行狀態，同時連桿運動軌跡應該和真空抓取器運行軌跡相同。裝箱機只有在這種運行狀態之下，才可以保證真空抓取器在運行過程中，始終處于豎直勻速狀態，同時平行四邊形機構的連桿按照滑槽形狀運行。

2.3 碼垛機器人

隨著我國社會經濟快速發展，我國原本勞動力低廉優勢已經并不明顯，勞動力成本也在不斷提高，食品、飲料等行業為了能夠降低自身運行成本，開始逐漸在產品轉運等過程中應用碼垛機器人。碼垛機器人結構相對簡單，對于運行空間要求較低，具有良好適用性，能源消耗量較低，進而在食品、飲料等行業中得到了廣泛應用。碼垛機器人具有多種類型，文章主要對平行四邊形機構式碼垛機器人進行分析。平行四邊形機構式碼垛機器人具有四個自由度，分別為肩關節、腰關節、肘關節、腕關節，同時添加了三種平行四邊形機構。

（1）平行四邊形機構式碼垛機器人功能。按照平行四邊形機構式碼垛機器人結構可知，該碼垛機器人具有以下兩點功能：①前臂及大臂在驅動電機驅動之下，可以大幅度降低前臂運行重量，進而提高碼垛機器人運行過程中的動力學性能；②由于平行四邊形機構運行特征影響，該類型碼垛機器人可以讓末端執行器在整個運行過程中，始終都可以處于和水平面平行狀態。

（2）平行四邊形機構式碼垛機器人運行特征。由平行四邊形機構式碼垛機器人結構可知，大臂作為平行四邊形機構上的機架，機架按照肩關節以一定速度進行圓周運動；前臂作為平行四邊形機構上的曲柄，按照平行四邊形機構運行特征，前臂在大臂上按照一定角速度呈現圓周運動。因此，碼垛機器人在整個運行過程中，大臂及前臂上面的每一個點運行軌跡全部是由角速度所構成的空間軌跡。借助平行四邊形機構特征，驅動電機在肘關節移動到肩關節情況之下，前臂重量在減少的同時，前臂運行位移也得到了確定，角速度及角加速度始終處于穩定不變狀態。

碼垛機器人在具有兩種平行四邊形機構時，其中一組平行四邊形和旋轉基座相連接，一同完成旋轉運動。大臂以移動速度在做圓周運動過程中，平行四邊形機構上面的連桿僅僅做平行運動，也就是平行四邊形機構在運動過程中，連桿及水平面之間的角度始終處于固定不變狀態。另一組平行四邊形機構和機架相連接，同時還和上一組平行四邊形機構上的連桿相連接。因此，該組平行四邊形機構在安裝過程中，必須始終和末端執行器之間處于平衡狀態。這也就保證，前臂及大臂在實際運行過程中，末端執行器都可以處于水平狀態。

3 結語

按照國內后道包裝工業生產要求，對平行四邊形機構運動特征及在后道包裝機構上應用進行分析研究。筆者得到了三點結論，首先，了解平行四邊形機構的運動特征，可以保證平行四邊形運行穩定性；其次，從開箱機、裝箱機及碼垛機器人三個方面了解平行四邊形機構應用情況，研究平行四邊形機構的實際應用情況；最后，機構學在深入分析過程中，平行四邊形機構將會具有更加廣泛的應用前景。

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［3］任國斌，孟婥，孫以澤，等.雙平行四邊形機構在方塊地毯包裝機取紙箱機構中的應用［J］.機械科學與技術，2016，（2）.

曹俊（1986-），女，陜西西安人，助理工程師，主要研究方向：輕工機械設計制造。