纸箱提手穿带装置设计与分析

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Design and Analysis of CartonHandle ApplicatorCHENG Chao，CAI Jifei，WU Gaohua(Beijing Institute of Graphic Communication，Beijing 102600，China)Abstract： In order tO solve the problem that the mountingstrength of the handle belt in the recent box handle assemblingmachine is low，this paper proposes a new design using theCAM swinging rod mechanism to achieve the instalation ofhandle belt due to the law of the motion and the WOrkrequirements in the analysis of the organization，and works outthe contour line of cam， then proves it with ADAMS. Theresult shows that the design plan is correct，the problem of thehandle belt Cal be solved，and it can be widely used in someother designs which involve the Swinging rod CAM mechanismcoordinated periodicity。

Key words： canon handle； handle mounting mechanism ；swing cam mechanism ；kinematic analysis纸箱提手安装机是 国内外包装企业中常见 的- 种包装机械设备 ，与传统的手工安装纸箱提手相比，其效率更高。现行的提手带安装装置只适用于安装塑料提手 ，塑料提手成本高、占用空 间大、不利于堆叠运输，不能满足绿色环保的要求。

现行提手穿带装置采用气缸直接驱动执行部件 ，工作精度低、噪声大、冲击大、速度低，从机器的自身收稿日期 ：2013-03-22基金项目：北京市教委学术创新团队资助项目(PHR201107144)驱动方式和其适用范围两个方面来讲，塑料提手安装装置既不能达到高速要求，也不能达到环保要求。作为-种代替现行塑料提手安装装置的绿色包装设备 ，新型提手 带(包括无纺布带 、特制纸带等)安装装置不但适用于纸质提手，而且工作速度高，具有良好的市场潜力，其在市场的应用也初具规模。Roberts PolyPro公 司生 产 的 提 手 安 装 装置 (Pop-Up Paper Handle Applicator)就是采用环保型纸质提手带的全自动提手安装机，广泛适用于食品、饮料包装。其工作状况以及生产成品见图1。目前，国内提手带安装装置发展相对滞后，新型提手安装机 还处于初期研制阶段。

-图 1 Roberts PolyPro公司生产的纸箱提手安装设备虽然国外的新型环保纸箱提手安装机解决了塑料提手不环保的问题，但其采用直接涂胶粘贴的方式使其提手承重强度较低，不能满足更高的承重要求。针对这-问题，本文采用理论和仿真试验相结合的方式，基于新型提手安装装置 的工作要求提出两种解决方案，以保证在不降低工作速度的前提下增大提手带安装强度为 目标 ，通过 比较两种方案的优缺点，确定采用凸轮摆杆式穿带设计方案，并求得凸轮轮廓线。此外，在所确定的最优方案的基础上设计了-种新型提手安装装置，又称纸箱提手穿带机，建立了纸箱提手穿带装置三维简化仿真模型，并进行了运动学仿真验证，以确保新型穿带装置能够实现高速工作，满足提手带安装强度的要求。

1 提手安装装置工作原理与结构分析提手安装装置的结构有很多种，相对比较简单26 北 京 印 刷 学 院 学 报的方式就是 Roberts PolyPro公司研发的装置。图 2为该装置的工作原理图，带有热熔胶的提手带被翻转吸盘吸住 ，经过 180。翻转粘贴到输送带上 的未折纸箱上，通过热熔胶的作用粘贴到纸箱卡纸上，提手的形状见图 1右图。

图 2 国外新型穿带装置原理 图这种提手带的安装方式结构简单，制造成本低，但是由于其采用提手带和纸箱直接粘贴的方式 ，会降低提手带的安装强度。

为了解决提手带安装强度低的问题，可以先在纸箱上模切两个穿带孔，通过相关执行机构将提手带穿过模切孔插进纸板的背面，然后通过压合动作将涂有胶水的纸板与提手粘贴在-起。图3为纸箱提手的安装方式 ，由于采用这种方式安装的提手带是和纸箱背面粘贴的，在承受载荷的时候，纸箱本身就起到-个衬垫缓冲的作用，从而提高纸箱提手的抗拉强度 。

图 3 纸箱提手的安装方式根据上述工作方式 ，可以确定新型提手安装机(穿带装置)的工作原理：将成卷提手带根据长度需要进行裁切，然后在保证裁切后的提手带形成提手形状的情况下，把提手带粘贴到已经涂胶和打孔后的瓦楞纸板上，并完成整个动作，继续下-个循环 。

按照该装置的工作原理，为了实现提手带的安装，需要各穿带执行部件的相互配合。由于实现穿带动作的各执行部件都是直线运动，其驱动方式有多种可眩对于穿带机构而言，最简单的驱动方式是采用气缸直接驱动。气缸直接驱动方式结构最简单，成本最低。不过，穿带机构对执行部件在时序配合上的要求相对较高，如果采用控制精度相对较低 、且执行动作较慢的气缸来驱动穿带执行部件，很难满足穿带机高速精准的工作要求。既然穿带执行部件需要精确控制，就不宜采用气缸驱动，而应该采用凸轮摆杆机构驱动 ，即用-个凸轮推动滚子摆杆来实现精确驱动。对于凸轮摆杆机构来说，只要凸轮曲线选取得当，其相关从动执行部件完全能实现任何运动规律的高速运动。因此，决定采用凸轮摆杆机构来实现提手带的安装工作。整套穿带机的凸轮摆杆机构设计方案也适用于其他需要多执行部件配合运动的包装机械设备。

该凸轮摆杆式穿带装置总共 由以下 7大执行部件组成 ：①给带辊 ；②抹带执行部件 ；③压带执行部件；④上成型托板；⑤下成型托块；⑥穿带执行部件；⑦裁带执行部件。这些执行部件的特点是运动的轨迹都是直线，并且每个执行部件的动作必须相互协调配合 ，只有同时满足这两个要求 ，穿带装置才能顺利完成穿带的动作。然而，由于图 4中的抹带执行部件运动方 向与其他所有执行部件的运动方 向垂直，要求其凸轮转轴与驱动压带执行部件凸轮转轴同轴且与驱动其他执行部分的凸轮转轴平行。图 5所示的平 面凸轮机构不能满足其空间运动的要求，由于该装置是-种将原动件的转动转化成从动件的移动的机构，采用两个相邻球面副的空间四杆机构 RSSR机构 和凸轮机构的串联式组合机构，其中凸轮摆杆机构的输出构件是 RSSR机构的输入构件 ，其机构简图见图6左图。但是，空间连杆机构设计复杂，可以将平面连杆机构设计方法推广到该 空间连杆 机构 ，用平面 凸轮摆杆机构来简化设计模型 ，从而获得相应的机构设计参数值 ，其简化模型见 图 6右图。综上所述 ，求 出凸轮摆杆机构的相关参数 ，就能设计出满足要求的提手带安装装置。

图 4 执行部件结构原理图第 2期 程超，蔡吉飞，吴高华：纸箱提手穿带装置设计与分析 27执行部件图5 凸轮连杆机构驱动部分凸轮图6 抹带执行部分空间机构与等效简化机构2 凸轮摆杆机构设计2.1 工作循环图的制定穿带装置的主要工作任务就是将成卷提手带按照规定长度进行裁切 ，然后准确无误地安装粘贴到静止等待的瓦楞纸板上并形成提手状。要设计好穿带装置，最重要的就是分析清楚其每-个工作循环内各执行部件的运动状态，只有清楚了其工作原理及工艺要求 ，才能更好地制定穿带装置的循环图 。图 7是根据穿带装置 的工作原理得 到的工作循环图。按照穿带装置的工作原理，可分为以下几个运动阶段 ：1)以下成型托块开始上升为0”点，此时无纺布布带已经被裁切并且夹在下成型托块和上成型托板 中间。

2)下成型托块、上成 型托板 和穿带执行部件按照相同的运动速度上升 lOOmm(对应 70。位置)，然后下成型托块与上成型托板保持静止并且拖住等待着的瓦楞纸板。

3)在维持第二阶段的状态下，穿带执行部件继续上升25mm(对应 102。位置)，并且带着提手带穿过上成型托板 的两个开孔 ，从图 4可 以看到，提手带的两端是没有被夹紧的，所以很容易被穿到开孔上方，并且能很顺利地穿过与开孔对应的瓦楞纸板的模切孔。

4)当穿带执行部件上升到最高点时，此时的提手带已经依次穿过下成型托块的开孔、瓦楞纸板的模切孔 、压带执行部件的锁孔 ，随后穿带执行部件下降，并且脱离提手带。

5)此时 ，被锁在压带执行部件 的提手带 ，随着抹带执行部件向两端移动被抹开，抹带执行部件到达两端对应的角度是 154。。

6)当抹带执行部件到达两端 ，压带执行部应已开始下降，并且在 160。到达最低点，保证 l4。的压合时间 ，最后让开。

7)此时，提手带已经安装 在瓦楞纸板上，穿带执行部与下成型托块回到初始位置，但上成型托板继续保持静止，持续到 222。，然后，上成型托板在260。下降到距离下成型托台3mm的间隙，最后在319-始下降经过 7。与下成型托块压合 ，保 持压合 34。最后到起始点 0。。

2.2 凸轮机构尺寸设计设计-个滚子摆动从动件平面凸轮机构时，需要从凸轮曲线、最大压力角、行程、动程角等因素考O。 20。 40。 60。 80。 100。 120。 140。 160。 180。 200。 220。 240。 260。 280。 300。 320。 340。 360。

MS S- -，：t6c下成型托台 ，-- -7Oc l98o 、 - - ，-- 0。

上成型托板 . -- -70。 22： -o-、， - - -- 、 No 260。 319[02。

穿带执行 - --- --- ， - -- 70。 l29。 198 、 、 n0抹带 0o 12I ，24。

圈 7 穿带装置工作循环图28 北 京 印 刷 学 院 学 报虑。其中，凸轮 曲线决定的速度特性值 、最大压力角，行程决定的凸轮升程以及动程角共同决定了凸轮容许的最小有效半径，凸轮有效半径越大，压力角越校根据确定的有效半径可求 出滚子中心轨迹基圆半径和外半径。根据结构要求可以确定 中心距 ，为了消除凸轮的偏差角 ，摆杆 的长度可 以根据中心距和基圆半径与外半径运算近似求得。最后根据从动件运 动规律 运用解 析法计 算 凸轮轮廓线。

1)凸轮曲线的选择。凸轮曲线的选择就是运动规律的选择，对于所设计的穿带机，为了实现高速中载的工作要求，修正正弦曲线是最适合使用的标准曲线。

2)凸轮有效半径的确定。凸轮有效半径计算公式 ： ㈩ 式中，h 为凸轮升程 ，0 为对应凸轮升程 的凸轮轴转角 ， 为摆动从动件压力角 为 45。时 的最大值 。

4)摆杆长度的确定z√c -/'0r (2)式中，c为凸轮中心和杠杆 中心的距离，r。R- h r滚子中心轨迹基圆半径， ：R 等外半径。

5)凸轮轮廓解析法求解。从动件的角位移参数 ( )和 ds/d( )。

卢 ， 是起始位置时的角度，计算式为：arc ( E[0(3)arc ( ) 盯(4)凸轮实际轮廓的极坐标0 a0K∈ (0，2t)P P8cos(0B- K)AR COS[ -叩( "IT )- - ](5)(6)卵、A分别是引入的相对位置符号系数 和凸轮轮廓类型符号系数。对于本文穿带装置的凸轮摆杆机构 ，取 田-1，A-1。

3 凸轮轮廓线求解设计穿带装置 的凸轮机构 ，需要设计摆 杆长度 、中心距 、摆角、滚子半径等参数，在确定从动件运动规律的情况下，用解析法求出凸轮的理论轮廓线以及所需要的实际轮廓线。

以下成型托块的设计为例，从图5的时序图可以看出，凸轮的升程 h 75mm，对应 的凸轮升程角0 7叮T/l8～ h 、0、V 1.760、 45。代人式(1)，计 算 得 到 凸轮 最 大 有 效半 径 maxR 108.04mm。为了保证 凸轮的压力角并且考虑到穿带装置结构，取凸轮有效半径R 177.5mm，此时，对应 的最大压力角为 31.32。。根据凸轮半径求得r0140mm和 rh215 mm，中心距 c取 250mm，将rn、r 、C代入式(2)，得到摆杆长度 f-180mm。然后 ，根据循环 图确定动程角 p，取从动件升程 hlOOmm，将参数代人公式(5)，(6)求出实际凸轮轮廓线的极坐标。表 1为凸轮理论轮廓线极坐标。

表 1 下成型托块凸轮理论轮廓线极坐标按照相同的计算方法求得其他 5个凸轮实际轮廓线及相关参数 ，见图 9和表 2。

通过计算机绘 图软件得到下成型托块凸轮的实际轮廓线(其中滚子采用直径为 28mm的深沟球轴承 6001)，见图 8。

- - - ---- - ) )砂 A l . .B砂- - ∞ l互 -第 2期 程超，蔡吉飞，吴高华：纸箱提手穿带装置设计与分析 29(d)抹带部分 (e)压带部分图 9 其他部分 凸轮实际轮 廓线表2 各凸轮相关设计参数 10所示 。

4 穿带装置三维建模与运动仿真分析在获得凸轮轮廓线和相关设计参数之后，穿带装置能否满足时序要求和高速穿带要求直接决定了试制物理样机的成功与否。因此，建立运动学仿真模型 ，计算各执行部件 的速度 、加速度 、跃度很有必要 。

4.1 三维仿真模型的建立穿带装置由凸轮连杆机构驱动 ，其 中高副由凸轮和滚子组成，在 ADAMS软件 中建立模型时，需要加入凸轮副 edge-CUI'Ve。以上成型托板为例 ，通过SolidWorks软件建立凸轮三维模型 ，将凸轮模型导入 ADAMS软件，并建立凸轮连杆仿真模型。

4.2 模型仿真与分析根据上述模型，施加相应的约束与动力进行仿真，取仿真时间 12s，仿真步数 600，得到上成型托板执行部件的位移、速度、加速度、跃度曲线，如图图 l0 上成型托板 的运动位移 曲线根据运动循环 图 7和 图 10～图 12可得 出如下结论：①所设计的执行部件在仿真时序上与设计内容-致，验证了设计的正确性。②所设计的执行部件速度 、加速度及跃度连续 ，并且峰值较小 ，表明能满足高速稳定穿带动作。

图 11 上成型托板的运动速度曲线30 北 京 印 刷 学 院 学 报 2013拄3o0200loo0蓄-100- 20o- 3o0- 400- -加速度 / -/- .跃/、-l 、- - f -图 12 上成型托板的加速度与跃度曲线5 结 论旦针对纸箱提手安装装置在提手带安装强度问题上的不足，通过对时序循环图和凸轮摆杆机构方案的讨论分析 ，设计了满足要求 的穿带装置(提手安装装置 )，同时，对建立 的穿带装置三维模 型进行了仿真分析，验证了设计方案的正确性。该设计方案不仅可以用于环保型提手带穿带机构 的设计 ，还可用于需要多个执行部件周期性相互配合运动的高速运动诚 。

(上接 第 24页)仓注入施胶胶斗的胶黏剂流量应为能够保持施胶胶斗中胶黏剂液面长期处于相对稳定状态。此外 ，机器停工后要及时清理胶仓、胶斗、塑料管及阀门中残 留的胶黏剂 ，以防被胶黏剂堵塞。

通过在糊盒机上安装该新型储胶胶仓 ，在-般生产过程中，机器运行-天，操作员只需添加-两次胶黏剂 ，大大简化了操作 ，省时省力。

4 结 论本项 目在糊盒机原有施胶机构系统 中增加 了- 个大容量储胶仓 ，成功地解决了糊盒机胶斗容量小 、高速施胶过程中操作员添加胶黏剂次数频繁的问题 ，同时还 可以精 确地控制胶斗 中胶黏剂 的含量 ，避免 了因胶斗胶黏剂含量过孝上胶量减少造成废品的问题。本项 目的实施得到杭州达乐印务有限公 司的支持 ，研究成果已应用在 DH-58E高