紙箱提手整理裝置凸輪機構設計

牛振華 許洪振 劉姣娣 李 強

(桂林理工大學機械與控制工程學院，廣西 桂林 541006)

食品飲料包裝領域多采用紙箱包裝。中國在紙箱包裝領域的市場份額大，越來越多的產品為提高便利性，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]，能否實現機械自動化安裝，成為制約紙箱包裝行業快速發展的關鍵問題。劉慶峰等[4]設計的包裝箱提手安裝設備，能夠對已整理好的提手進行自動安裝，但是無法實現零散提手的整理；程超等[5]研究的紙箱提手穿帶裝置能夠對新型提手帶(無紡布帶、特制紙帶)等進行安裝，但是無法實現承受力更大的塑料提手的安裝。目前未見有關零散提手整理裝置的臺架試驗研究的相關報道。

研究擬提出一種紙箱提手自動整理裝置，能夠實現零散提手的自動整理，并對提手掛取階段可能出現的提手重疊、倒掛、反掛等進行剔除，通過解析法設計整理裝置的關鍵部件凸輪機構，對其進行運動學仿真和靜力分析，并通過臺架試驗驗證機構設計的合理性，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構及工作原理

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，通過凸輪的轉動進行往復運動，從而實現提手的掛取和剔除，最終由提手輸送裝置將整理好的提手輸送至后續的提手安裝工位。其中，對凸輪輪廓曲線的設計是能否實現提手掛取和剔除的關鍵[6]。

1. 提手輸送裝置 2. 提手掛桿 3. 機架 4. 凸輪 5. 鏈條 6. 剔除推桿 7. 提手料箱

凸輪機構的工作原理：提手掛桿在鏈條的帶動下進入提手料箱掛取提手，當提手到達指定位置時，凸輪機構通過導桿帶動剔除推桿，剔除推桿在導桿的帶動下往復運動(如圖2)，進行剔除作業，機構通過提手掛桿和剔除推桿的配合來實現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動需要經過提手掛取、無效提手剔除動作，根據工作要求，可相應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：當導桿與凸輪輪廓A點接觸時掛取動作開始，此時導桿繞A順時針擺動，推桿掛取提手后由推桿帶動到達剔除作用起始位置B。

(2) 提手第1次剔除段BC：在此階段，提手掛桿停止運動，提手到達預定的剔除位置，提手剔除推桿在導桿的帶動下實現第1次剔除作業到達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位置開始進行第二次剔除作業，將提手掛桿上的零散提手中倒掛和反掛的提手進行剔除。

(4) 提手第3次剔除段DA：提手剔除推桿重復第1次和第2次剔除運動，將前兩次剔除作業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。 為下一次提手掛取和剔除作準備。

1. 導桿 2. 凸輪軸 3. 剔除推桿 4. 凸輪

圖3 無效提手示意圖

2 凸輪機構的設計

紙箱提手整理裝置凸輪機構根據解析法設計，其基本思路是：根據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；根據剔除推桿剔除次數和距離的要求，確定凸輪的輪廓曲線[7]。

2.1 基本參數的確定

根據紙箱提手整理裝置凸輪機構的3次剔除工作要求和配合安裝尺寸，計算得出基本設計參數，見表1。

2.2 凸輪輪廓曲線的設計

從動件的運動規律是凸輪輪廓曲線設計的核心要素，因此要想得到符合運動要求的輪廓曲線，準確選擇從動件的運動規律至關重要[8]。紙箱提手整理裝置的提手掛桿和提手推桿的運動狀態為低速輕載，除此之外，速度在從動件運動規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到很好的剔除效果，文中從動件運動規律擬采用二次多項式運動規律，在凸輪的推程、回程階段發生瞬間的剛性沖擊，二次多項式的運動規律速度變化曲線是連續的，沒有間斷點，存在加速度的突變現象，從動件的慣性力也因此發生突變，能夠達到推桿的剔除效果。

2.3 各區段輪廓曲線的設計

BC段、CD段和DA段，根據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動規律符合二次多項式運動規律，其位移和速度曲線如圖4所示，根據運動過程劃分為第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 凸輪基本設計參數

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——凸輪轉角，°；

φ0——第1剔除階段運動角，°；

φ0'——第2剔除階段運動角，°；

根據研究的需要，使用計算機網絡進行文獻檢索和相關資料的收集整理工作，認真并且詳細查閱關于大學生足球運動開展狀況一些文獻資料、論文和期刊30余篇，并通過對長春市圖書館、吉林體育學院圖書館查閱的相關資料信息進行分析和研究，為本文的研究奠定了科學依據和理論基礎.

φ0''——第3剔除階段運動角，°。

3 凸輪機構的運動仿真與分析

根據凸輪基圓半徑、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。將模型導入ADAMS機械系統動力學自動分析軟件中[10-11]，如圖5所示，通過運動學仿真驗證所設計凸輪是否滿足工作要求。

在ADAMS中，添加運動副和驅動，設置仿真時長和步長等參數，運行仿真，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點開始運動到A點的過程中，導桿從動件行程為65 mm，符合設計要求。凸輪從B點順時針運動到C點，從動件先完成從靜止狀態到輪廓曲線最低點的運動，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C位置，從C位置到D位置從動件完成第2次剔除運動，D到A位置從動件完成第3次剔除運動回到初始狀態。

1. 凸輪 2. 導桿

圖6 導桿從動件速度曲線

圖7 導桿從動件位移曲線

由速度曲線可知：凸輪在從B點到A點的運動過程中，速度在尖點位置C、D、A處會發生突變現象，速度沖擊帶動從動件對提手進行快速的剔除運動，符合提手剔除整理裝置的工作要求和性能要求。

4 凸輪的靜應力分析

4.1 應用材料及網格劃分

運行結果的準確性和網格的劃分密度密不可分，網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“生成網格”命令，對軟件默認的網格劃分密度保持不變。

4.2 靜力學分析

單擊外部載荷下的力選項，選擇整個凸輪輪廓曲線工作面，根據從動件作用力要求，將導桿從動件計算分析作用力設定為100 N，點擊運行按鈕，求解出凸輪的應力應變圖解如圖8所示。結果表明，最大應力為38.5 MPa，所選合金鋼材料能夠完全滿足提手剔除運動要求。

5 樣機試驗

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備試驗樣機。將零散提手隨機放入提手料箱，運行試驗樣機，記錄掛桿掛取數量以及倒掛和重疊等不合格提手數量，提手經剔除推桿剔除后，記錄提手剔除數量。試驗運行5次，記錄試驗結果[14]。

5.2 試驗結果與分析

經試驗，紙箱提手整理裝置能夠正常完成提手的掛取、剔除動作，提手剔除裝置運行正常，記錄試驗結果(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%，試驗結果滿足設計目標。

圖8 凸輪的應力應變圖

表2 紙箱提手整理裝置臺架試驗結果

6 結論

(1) 設計了紙箱提手整理裝置，通過解析法對整理裝置的凸輪機構進行設計，導桿從動件采用二次多項式運動規律，得出凸輪輪廓曲線。對凸輪機構進行了運動學仿真，得出位移曲線和速度曲線，符合設計要求。對凸輪輪廓曲線工作面進行靜力學分析，得到最大應力是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實現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%，試驗結果符合預期。

(3) 對紙箱提手整理裝置凸輪輪廓曲線有待進一步優化，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一步研究，以提升紙箱提手整理裝置的整機性能。