基于四連桿機構的飛機盒成型機構設計及分析

陳柳邑　成泰洪　管天源　方凱盛　胡作棟　陳聰

【摘 要】飛機盒折疊成型的最關鍵步驟是將飛機盒底部的左右側翼部分通過一次折疊，使進入盒底已經成型的插槽部分，并做到準確牢固，保證整個飛機盒的成型質量。在此步驟的設計過程中，擬定多種方案，并最終決定使用完全的機械結構來實現動作。利用四連桿機構的聯動特點和特定的軌跡路線，安裝于連桿機構上的折疊板可順利將飛機盒的左右側翼部分折疊并插入槽內。本裝置最大的特點在于機構創新，聯動效果出色，控制簡單，折疊動作一次成型。

【關鍵詞】包裝機械；四連桿機構；紙盒成型

0 引言

隨著互聯網的日益發展，開網店的門檻較低，更多商戶選擇涌入電商行業，而在包裝發貨流程當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選擇成本相對低廉，抗壓強度大，性價比較高的飛機盒作為發貨打包首選。“飛機盒”因其展開外形酷似飛機而得名，其材質為瓦楞紙，屬于紙箱的一種類型。

為了方便下文對飛機盒的折紙盒方法進行說明，圖1中對飛機盒的各個部分作標記（編號為1至5）。要完成整個飛機盒的包裝任務需要分步驟對各個位置進行成型。順序依次為成型兩側1和3部分，成型兩側的2部分，之后完成4的成型，最后封蓋，成型5部分，以上便是整個飛機盒成型流程。

1 盒底側邊成型機構設計

1.1 設計目標

采用機械傳動的方式完成飛機盒底兩側邊2的成型。

1.2 總體方案

紙盒折疊裝置如圖2所示，具體結構設計方案為：擋塊通過導軌1和直線軸承與底板連接，當紙盒到達指定位置時，導軌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。與導軌1連接的兩側的連桿 2帶動固定在底板上的連桿軸承座上的直線軸承運動。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，完成旋轉動作。當連桿2在導軌1下壓時完成抬升動作，帶動直線軸承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向上運動帶動齒輪5旋轉，從而使與齒輪5固定的連桿組6和7做旋轉運動，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以對稱的兩組連桿組成。當連桿組6和7向下旋轉時，折疊板8向下運動，完成成型動作。當順利完成兩側的成型動作后，料倉在電機的帶動下先前推進，離開成型裝置。隨后氣缸復位，使導軌1上升，整體成型裝置復位。

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構使用螺栓剛性連接。下部杠桿機構帶動中部齒輪齒條機構，再由齒輪齒條機構帶動上半部分的四連桿成型機構。

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

2 基于SolidWorks motion的機構運動分析

添加約束與動力：軸承座與底板為剛性連接，直線軸承作直線運動，杠桿機構與四連桿機構桿件與桿件之間通過轉動銷連接。

動力作用在中間的直線導軌上，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，運動時間約為5s，符合設計要求，而且末端曲線可以滿足對飛機盒側翼的要求。

3 基于ANSYS的有限元分析

3.1 有限元模型建立

網格劃分：網格數量主要影響計算結果的精度和規模大小，故采用接近及曲率的高質量實體網格。圖6為四連桿機構中連桿的有限元模型，劃分網格電源總數為2142，節點總數為11119，公差為3.6787e-005 m。材料為45鋼

3.2 有限元模型分析

應用ANSYS Workbench對連桿進行靜力學分析，連桿的應力圖如圖7所示，連桿的位移圖如8所示。

由圖7和圖8可知，基座最大應力和最大位移出現在固定的銷孔附近，最大應力12Mpa（45鋼的屈服強度為355Mpa），最大位移為0.08mm，符合設計規范，應力分布也比較均勻，且應力集中的位置與實際情況相符，設計合理。

4 結論

（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構末端運動曲線符合實際成型需求。

（2）四連桿成型機構的連桿最大應力12Mpa，最大位移為0.08mm，小于所采用材料45鋼的屈服強度355Mpa。最大應力出現在固定銷孔附近，最大位移出現在受力點附近，應力分布均勻且應力集中位置與實際情況相符，設計合理。

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