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茶叶自动装盒机的设计与研究 摘要 据调查，全世界袋泡茶的销售额占茶叶总销售量的三分之一，袋泡 茶已成为各个国家茶叶消费的主要品种之一。以往茶叶包装完全由人工 完成，但随着科学技术的不断进步，生产量需求的提高和人工成本的不 断上涨，茶叶专用包装机械也相继问世并应用于生产，这种需求的增加 无疑促进了茶叶相关包装机械市场的繁荣。 袋泡茶叶包装过程已基本实现自动化生产，但装盒工序目前仍是人 工操作，特别是能将小袋物品装入盒中的自动装盒机在国内的研究尚属 空白。深圳某公司根据茶叶装盒工序完全是人工操作的现状，提出了茶 叶自动装盒机的设计要求，并委托我校立项。 本文根据装盒机的发展现状和存在的问题，提出了论文的研究意义 和目的。在对装盒机工艺过程进行分析的基础上，确定了总体设计方案， 包括装盒机的功能和应用范围、工艺路线、整体布局图、工作循环图和 主要技术参数；完成了关键机构的设计，主要包括纸盒盒坯料仓机构、 开盒成形机构、推料机构以及封盒装置的扣盖机构和拨盖机构。 本课题针对机构的运动要求和强度、刚度要求，基于s o l i d w o r k s 、 a d a m s 和a n s y s 等软件平台，建立机构的实体模型，进行了运动特 性分析和有限元分析。利用a d a m s 动力学仿真分析，得到了关键机构 的运动动画以及位移、速度、加速度等运动特性曲线图；通过a n s y s 对开盒杆进行有限元分析，并对部分结构进行了改进。最后利用 s o l i d w o r k s 完成了自动装盒机虚拟样机的装配。 本课题研究的自动装盒机适用于多种规格纸盒的袋泡茶包装，也可 用于其他袋装物品的包装。这种全自动装盒机不仅能满足巨大的市场需 求，更能推进我国包装机械自动化的快速发展，降低生产成本，提高生 产率。 关键词：茶叶包装，自动装盒机，开盒机构，封盒机构，a d m a s ， 有限元分析。 d e s i g na n dr e s e a r c ho ft e a a u t o m a t i cc a r t o n i n gm 匕c h i n e a b s t r a c t c h i n ai sat e ap r o d u c t i o nc o u n t r y m a r k e t i n gs u r v e y ss h o wt h a t o n e t h i r do ft h et o t a lt e as a l e sa r et e ab a g s t h e yh a v eb e c o m eo n eo ft h e m a i nt y p e so ft e ac o n s u m p t i o n i nt h ep a s t ，t h ep a c k a g i n go ft e aw a sd o n e m a n u a l l y b u tw i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a n dr i s i n gl a b o rw a g e s ，m o r ea n dm o r ef o o dp a c k a g i n gm a c h i n e sa r eb e i n g u s e di nt e ap a c k a g i n g t h es p e c i a l t yp a c k a g i n gm a c h i n e r yf o rt e ah a v eb e e n d e v e l o p e da n da p p l i e d t o p r o d u c t i o n t h ep r o m o t i o no ft e ap a c k a g i n g m a c h i n e r ym a r k e ti su n d o u b t e d l yd r i v e nb yd e m a n d 1 1 1 ep r o c e s so ft e a b a gp a c k i n gh a v eb e c o m ea u t o m a t e d ，b u tt h ep r o c e s s o fc a r t o n i n gi s m a n u a l l yd o n e t m si s s u ew a sf o u n db y at e c h n o l o g y s e r v i c e sc o m p a n yi ns h e n z h e nw h e ni tw a sh i r e db yaf o r e i g nc o m p a n yt h a t p a c k a g e dt e a b a g d t h ef o r e i g nc o m p a n yh a sr e q u e s t e dt h a ta na u t o m a t i c t e a b a gc a r t o n i n gm a c h i n eb ed e s i g n e d f i r s t ，b a s e do nt h ec u r r e n tc a r t o n i n gm a c h i n ed e s i g na n dp r o b l e m ，a r e s e a r c hg o a lw a sp r o p o s e d s e c o n d ，o nt h eb a s i so fb o x e sm a c h i n ep r o c e s s t e c h n o l o g ya n a l y s i s ，t h ef u n c t i o n ，a p p l i c a t i o nr a n g e ，p r o c e s sr o u t e ，o v e r a l l l a y o u t ，w o r k i n gc i r c l eg r a p h s ，a n dt h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h e a u t o m a t i cc a r t o n i n gm a c h i n ew a sd e t e r m i n e d t h i r d ，t h ek e yp a r t sw a s d e s i g n e dm a i n l yi n c l u d et h es i l om e c h a n i s m s ，o p e nb o xf o r m i n gm e c h a n i s m s ， p u s h i n gm e c h a n i s m s ，a n ds e a l i n gb o x e sm e c h a n i s m s ( i n c l u d i n gt h ec o v e r m e c h a n i s m sa n da g e n c i e sc o v e r e dm e c h a n i s m s ) i nf o l l o w i n gw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，t h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n d f i n i t e e l e m e n tm u s tb ea n a l y z e d u s i n gs o l i d w o r k s ，a d a m sa n da n s y s ， t h e hd i m e n s i o n a ld i g i t i z e dv i r t u a lp r o t o t y l o fi n s t i t u t i o n swasthree-dimensional d i g i t i z e dp r o t o t y p e e s t a b l i s h e d t h e nt h em o d e lw a si m p o r t e di n t od y n a m i c ss o f t w a r ea d a m s f o rs i m u l a t i o na n a l y s i s ，t og e tt h es p e e d ，a c c e l e r a t i o n ，a n dd i s p l a c e m e n t m o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ek e yc o m p o n e n t s w i t ht h er e s u l t sf o r ma d a m s ， a n s y sw a su s e dt oa n a l y s et h eo p e nb o xs t e ma n dd i a lb o xs t e m m e a s u r e s i i i w e r et a k e nt or e d u c es t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dd e f o r m a t i o n f i n a l l y , t h ev i r t u a l a s s e m b l yo ft h ea u t o m a t i cc a r t o n i n gm a c h i n e sw a sb u i l di n s o l i d w o r k st o d e t e r m i n ew h e t h e rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev a r i o u sc o m p o n e n t sc a nm e e t d e s i g nr e q u i r e m e n t s t h i sp r o je c td e s i g n e da na u t o m a t i cc a r t o n i n gm a c h i n et h a tc a nb e a p p l i e d t oav a r i e t yo ft e ab a gc a r t o np a c k a g e s i ta l s oc a nb e u s e dt op a c k e d o t h e ri t e m s t h i sa u t o m a t i cc a r t o n i n gm a c h i n ec a nm e e tt h eh u g em a r k e t d e m a n d ，a n di t c a na l s o p r o p e lt h ed e v e l o p m e n to fc h i n a sp a c k a g i n g m a c h i n e r y t or e d u c ep r o d u c t i o nc o s t sa n di m p r o v ep r o d u c t i v i t y k e yw o r d s ：t e ab a gp a c k i n g ，a u t o m a t i cc a r t o n i n gm a c h i n e s ，o p e nb o x m e c h a n i s m ，s e a l e db o xm e c h a n i s m ，a n s y s ，f i n i t ee l e m e n t 茶叶自动装盒的设计与研究 1 绪论 1 1 研究背景 我国茶叶种植面积世界第一，总产量亦居世界第一，是茶叶生产大国。据有关 资料显示，全世界袋泡茶的销售已占茶叶总销售量的三分之一，袋泡茶在发达国家 已经成为茶叶消费的主要品种。目前北京、上海、广州等大城市袋泡茶的销售几乎 与传统包装的茶叶平分秋色，并有逐步稳定增加的趋势。以往茶叶的包装完全由人 工完成，随着科学技术的不断进步，更由于人工成本的不断增加，一些食品包装机 械陆续应用于茶叶包装，茶叶专用包装机械也相继问世并应用于生产。这种需求的 增加无疑促进了茶叶相关包装机械市场的繁荣【l 】。 茶叶包装通常包括散茶类的箱包装、袋包装、直接零售的小包装等。茶叶包装 机的特点主要是在自动化、生产效率、计量及包装精度等方面高于其它包装机械的 要求。目前世界上仅有屈指可数的几个工业发达国家能生产，国内一些企业结合我 国国情，也相继开发茶叶包装机械，其价格和服务具有较大的竞争优势，替代了一些 进口产品，扩大了包装机械的选择范卧2 一】。 袋泡茶的包装流程如图1 1 所示。 图l 一1 茶叶包装全自动流程示意图 f i g l 一1t e aa u t o m a t i cp a c k a g i n gf l o wd i a g r a m 袋泡茶叶包装过程已实现自动化生产，但是装盒工艺目前还是人工操作，特别 是将小袋物品装入盒中的自动装盒机在国内的研究尚为空白。本课题是深圳某公司 在对外技术服务过程中，发现茶叶装盒过程完全是人工操作。因此，向我们提出该 茶叶自动装盒机的设计要求，茶叶包装所用纸盒盒型为管式折叠型。本文意在设计 一种可以适用于多种规格的纸盒进行袋泡茶包装的自动装盒机。 所研究的这种自动装盒机，也可以应用于其他袋装物品的包装。因此，研制袋 装物全自动装盒机不仅能满足巨大的市场需求，更能推进我国包装机械自动化快速 发展，降低生产成本，提高生产率。 1 2 装盒机简介 盒装包装是一种应用广泛的包装方式，它是将被包装物品装入包装盒中，并进 行封口得到相应的产品，而装盒机就是实现这一过程的机械，也是解脱手工装盒与 陕西科技大学硕士学位论文 提高生产效率的重要机械。 1 2 1 装盒机的概念 装盒机是集光、电、机等学科于一体的高科技产品，这种机械能将内装物自动 装入纸盒中，并进行监控、智能管理，具有自动处理不合格产品、自动报警，无产 品自动停机等功能。在g b ，r 1 5 6 9 2 标准中，装盒机械定义为：能完成开盒，插入使 用说明书，对瓶子、软管、泡罩板等包装物装盒、封盒的机械【4 】。 1 2 2 装盒机的工作流程 c ， 西 臼 图1 - 2 装盒机工作流程示意图 f i g l 一2c a r t o n i n gm a c h i n e sw o r kf l o wd i a g r a m 1 2 3 装盒机的分类 装盒机按不同的分类方式可以分为不同形式【5 1 ，常用的分类基准有结构配置型 式、充填方式、功能、包装层次等，具体如表1 1 所示。 表1 - 1 装盒机的分类 t a b1 - 1c l a s s i f i c a t i o no fc a r t o n i n gm a c h i n e s 2 茶叶自动装盒的设计与研究 而装盒机亦可以按速度进行分类：装盒速度在6 0 1 2 0 盒m i n 为中低速型： 1 5 0 1 8 0 盒m i n 为中高速型；2 0 0 3 0 0 盒m i n 为高速型；大于3 5 0 棠r m i n 为超高速 型。 其中：中低速型装盒机以凸轮机构为主，其优点是适应性强、结构紧凑、体积 小、方便实惠，缺点是速度低、不易调整；中高速型装盒机具有调整方便、运行相 对稳定、应用领域广的优点，通常以机械凸轮机构为主，缺点是回转式纸盒成型展 开机构不能适应生产效率的变化；高速型装盒机具有速度高，生产率高的优点，以 机械连续工作型机构为主，缺点是使用针对性强、对包材要求苛刻；超高速型装盒 机以机械、伺服等先进控制技术为主【6 】。 一般6 0 1 2 0 盒m i n 装盒机多属于间歇型，而1 5 0 1 8 0 盒m i n 装盒机属于连续 工作型，现把二者进行比较，如表1 2 所示【7 1 。 表1 - 2 连续性与间歇性装盒机的对比 t a b1 - 2c o m p a r i s o nb e t w e e nc o n t i n u o u sa n di n t e r m i t t e n tc a r t o n i n gm a c h i n e s 1 3 国内外装盒机发展现状及存在的问题 1 3 1 国内外装盒机的现状 据统计，全球的包装机需求量在以每年5 3 的速度在增长【8 】。其中，美国、日 本、德国、意大利和中国都拥有较强的包装设备生产能力。随着我国食品、医药、 化妆品等行业的不断发展，相应产品的质量要求也不断提高。作为主要包装设备之 一的自动装盒机正在各企业中得到广泛使用和发展。 陕西科技大学硕士学位论文 最早的装盒机制造起源于2 0 世纪5 0 年代的欧洲。我国在2 0 世纪6 0 年代，天 津力生制药厂、上海信谊制药厂进口国外的全自动装盒机。但是，由于国内的纸盒 质量达不到要求，装盒机无法正常工作，因此全自动装盒机在国内就一直得不到推 广、发展。虽然，国内也有几家自动装盒机的生产商，但由于生产的数量有限，一 直没有全面推广。到2 0 世纪7 0 年代上海牙膏厂引进瑞典n o r d o n 公司的装盒机， 经上海轻工设计院的测绘设计和上海一化机厂的制造，国内的首台装盒机才得以问 世。继后，随着时代的变迁和改革开放，国内的全自动装盒机制造商才逐渐增加， 并且不断研制、生产新型与较高速度的装盒机。至此，在医药和部分日用行业，一 些产量大的企业才逐步使用全自动装盒机来代替传统的手工包装。进入到2 l 世纪 以后，我国的包装纸盒质量不断提高，国内外生产的装盒机在各行业中得到广泛的 使用 7 , 8 , 1 0 1 。 国外装盒机较典型的厂商有德国i w k a 、瑞典n o r d o n 、意大利c a m 、美国 r o m a c o 公司。根据2 0 0 5 年的调查数据可知，生产速度1 3 0 盒m 洫的国外自动装盒 机，价格都在1 6 0 万元左右，整机体积较大。但是近几年的调查显示，国外的装盒 机发展迅速，其装盒速度可达5 0 0 - - 6 0 0 盒m i n ，如意大利c a m 推出的高速c a m k o 装盒机，其定位于医药或糖果的泡罩包装，每分钟可以完成6 0 0 多个泡罩的装盒工 作，是一台连续动作机械驱动的设备，其在机器中央还涉及了一个滚筒，滚筒在垂 直面内旋转，带动产品和纸盒推动器整体运行2 ，1 3 1 。 国内的自动装盒机与国外的相比，特别是同意大利、德国相比，装盒机技术整 整差了1 0 年，无论是在速度、制造精度、内装物方式，还是在控制技术方面均有 所差距。但是，近几年，随着国内技术的提高，与国际水平的差距不断缩短，发生 了质的飞跃。从国内装盒机制造商的数量来看，中国的装盒机无疑是世界制造大国， 其发展势头超过了其他国家，有很大的潜力。 1 3 2 国内装盒机存在的问题 从质量、产品适应性、可靠性、工作效率和研发能力五个方面对国内装盒机进 行分析，发现主要存在的问题为【6 ，8 l l 】： 1 ) 质量方面 装盒机是包装机械中典型的机械，其许多执行机构属精致的机械动作，若机器 的制造、设计、装配、配置等环节存在质量问题的话，将导致机器运转不稳定。国 内的多数装盒机是仿制进口产品，加工工艺落后，无论是最初的设计或是最好的产 品与国外厂商的产品差异较大。 2 ) 产品适应性 国内的装盒机型号单一，对待内装物的体积、大小有严格的限制，较难适应用 4 茶叶自动装盒的设计与研究 户装盒的多样化需求。但是国内的食品、药品、化妆品等生产企业数量众多，各产 品的规格不大相同。同一企业生产的产品规格也不大相同，产量也不同，就给企业 的相关工作带来了困难。而国外装盒机制造商特别注重这一问题，使得同一装盒机 可适用于不同产品，降低企业的成本。 3 ) 可靠性 在设备运行的可靠性方面，国产装盒机故障率较高，而进口装盒机的故障率就 小很多。因此，许多企业不得不购买多台国产自动装盒机，以免维修设备而影响正 常的生产并延误交货期。 4 ) 工作效率 由于国产装盒机大多处于中低档水平，并且自动化程度较低，生产率不如国外 装盒机，这就无形增加了企业的成本，造成了极大的浪费，降低了企业的利润。 5 ) 研发能力 装盒机是一个复杂的设备，它包括机、电、光、气等技术于一体，需要雄厚的 技术力量和精密的生产工艺等要求。但是，目前我国对于这方面的投资较少，行业 中产品生产与研究经费的比例严重失调，各生产厂家只顾眼前利益，不愿意为科研 投入，使得装盒机的质量含量低下，无法同国外装盒机竞争，只能以低价来维持市 场的占有率，从长远考虑这种做法不可行。另外，国内许多厂家规模很小，大多在 生产同类型的产品，使得产品只是低水平重复，应变能力差，形成恶性竞争，随时 有被市场淘汰的可能。 1 4 课题研究的内容及意义 随着我国茶叶行业规模的不断发展，茶叶包装呈现出种类数目不断增多与不断 丰富的局面。尤其是茶叶制品生产质量不断提高，对其包装技术提出了更高的要求， 特别是对茶叶装盒机提出了更新更高的要求。但是在我国，茶叶装盒机仍以采用进 口的茶叶装盒机为主，造成这一现象的原因是国产普通装盒机的综合性能指标达不 到茶叶包装的需求，所以尽管进口茶叶装盒机的价格要比国产的高出许多，销量还 是持续攀升。因此茶叶装盒机的国产化有着重要的意义。 针对现在市场对于袋装物品适用的装盒机的空白，本课题意在设计一种可以适 用于多种规格的纸盒进行袋泡茶包装的自动装盒机。主要研究内容如下： 1 ) 茶叶自动装盒机整体方案的设计 总体方案设计师技术设计的前提和依据，它的好坏对项目的成败和技术性能的 好坏有着决定性的影响。在调研的基础上，结合现有的装盒机的特点和茶叶机市场 需求、主要技术参数，确定装盒机的功能和应用范围，设计工艺路线，绘制自动装 5 陕西科技大学硕士学位论文 盒机的整体布局图、编制工作循环图，最后拟定主要技术参数。 2 ) 茶叶自动装盒机关键部位的机械设计 对茶叶自动装盒机中的关键部位进行设计。主要包括纸盒盒坯的料仓、开盒成 形机构、推料机构以及封盒装置。 3 ) 关键部分动力学及有限元分析 为了研究所设计的自动装盒机能否满足运动、强度、刚度要求，需要对自动装 盒机中的关键机构进运动学仿真分析和有限元分析。首先使用三维建模软件 s o l i d w o r k s 建立机构的实体模型，并适当简化，然后用机械动力学软件a d a m s 仿 真分析得到其关键部件运动的动画以及速度、加速度、位移等运动特性曲线，从而 验证所设计机构是否满足要求。以a d a m s 仿真结果为依据，在a n s y s 中对开盒 杆进行有限有分析，对应力集中及易发生变形的部分结构进行改进或者设置加强装 置。 4 ) 产品的三维实体模型与装配仿真 机械构件的配合和装配是设计人员最容易出错的地方。按传统的方法往往是在 产品加工生产后，才能发现设计的错误地方，这导致了工期的延误和零件的浪费； 采用计算机辅助设计和计算机仿真技术，可以再现自动装盒机的装配过程，以及工 作状态。在设计阶段，就解决了各部件之间的协调关系，运动关系等问题。这部分 的主要工作是在s o l i d w o r k s 中建立纸盒盒坯料仓、开盒成形机构、推料机构、封盒 装置等机构的三维实体模型，并进行虚拟装配，来确定各构件之间的关系是否满足 设计要求。 6 茶叶自动装盒的设计与研究 2 茶叶自动装盒机的总体设计方案 根据茶叶自动装盒机设计的主要依据参数和功能要求，分析自动装盒机的工艺 流程，绘制总体布局图，编制工作循环图，并设计主传动系统方案。 2 1 设计的主要依据参数 生产能力：8 0 - - - 1 1 0 盒分钟 纸盒尺寸：见表2 1 所示 说明书尺寸：( 9 0 - - 2 0 0 ) 宰( 1 5 0 - 2 5 0 ) m l t l 纸盒要求：2 0 0 - - 4 5 0 克平方米 说明书要求：5 0 - 6 0 克平方米 表2 - 1 纸盒尺寸 t a b 2 1s i z eo fc a r t o n 2 2 功能要求 本课题设计的是多用全自动装盒机，又叫盒成型一充填一封口机，主要用于包 装袋装茶叶。为了增加装盒机的使用范围，根据内装物的形状、体积、个数的变化， 允许纸盒规格有一定选择范围。在更换产品时，只需调节有关执行机构即可( 包括 纸盒撑开供送、内装物与纸盒的传送、折舌封口、成品输出等) 。并且具有自锁控 制功能：没有说明书不吸纸盒；没有纸盒不推被包装物；传送链上没有被包装物机 器暂停运行，当被包装物恢复供应后机器自动重新运行；连续没有纸盒供应自动停 机；连续没有说明书自动停机。 7 陕西科技大学硕士学位论文 本课题以图2 1 所示规格的纸盒为基本参数来设计茶叶自动装盒机。包装盒规 格：纸板定量大于2 2 5 9 m ：，厚度为0 1 m m 的纸材【1 4 1 。卧式包装盒尺寸长l1 0 7 n l l i l 宽w1 0 6 r a m 、高h6 0 r a m 。包装盒为管式折叠纸盒。 i 4 5 。 l t ； i 荔】+ | 肛叠 ，_ 一 d 。4 l 图2 - 1 纸盒展开图 f i 9 2 - 1c a r t o ne x p a n s i o nd w g 2 3 工艺分析 2 3 1 机器类型的选择 常用的工位类型有单工位和多工位：单工位的包装机是所有的工序都集中在一 个工位中，当一个物品包装完成，下一件物品才能进行包装；多工位包装机是物品 从输入到输出，必须经过不同的工位，不同的包装工序在不同的工位上完成。茶叶 自动装盒机虽生产批量较小，但是包装动作较复杂，因此为了提高生产效率，采用 多工位包装机，将各个包装操作环节分散在不同的工位上。 现有的装盒机一般采用以下2 种运动形式【1 5 】： 1 ) 间歇步进运动，包装操作主要在物品静止时完成，但是这种方式的惯性力 和冲击现象不适应于大型物品的包装。 2 ) 连续式盒成型推入式充填封口机，这种方式适用于物品和主传动系统作连 续等速运动时。 茶叶自动装盒机主要是用于包装一些小型物品，因此为了简化机构，减小机械 8 茶叶自动装盒的设计与研究 的体积、降低成本，我们选用间隙式运动方式。 综上所述，我们采用多工位、间歇运动型机器。 2 3 2 工艺路线图 工艺路线包括包装材料、被包装物品的供送路线和输出路线。多工位包装机常 见的工艺路线有：直线型、圆弧型、组合型。根据装盒机工艺流程，结合茶叶自动 装盒机的设计要求，选用直线型工艺路线，工位数有9 个，具体路线图如图2 2 所 示。 - 断- 5 87 1 盒坯；2 开盒成型；3 名- 底盖副摇翼，将顶盖主摇翼反折；4 充填物y o ；5 冶顺盖副摇翼； 6 折底盖和顶盖；7 新顶盖和底盖插舌；8 将顶盖和底盖插舌插入 图2 2 直线型工艺路线图 f i 薛- 2l i n e a rp r o c e s sm a p 2 4 总体布局 包装机械中的组件、部件在整个机械中都应有合理的空间相对位置。茶叶自动 装盒机的总体布局图如图2 3 所示。本机采用全封闭式框架结构，主要部件有：料 仓，纸盒开盒成型机构，分立式挡板纸盒输送链，分立式挡板内装物输送链，推料 机构，封盒机构，说明书折叠机构，成品输出与不合格品剔除机构、编码打印、自 动控制、吸盘抽真空系统等。 2 5 工作循环图 包装机械中，各执行机构的运动是多样的，要使各机构自动可靠地完成包装操 作，每个执行机构必须按照给定的规律运动，并且相互之间要协调配合，按一定步 骤依次进行【1 6 1 。因此，为了缩短循环周期，提高工作效率，在自动机械的设计中， 循环图的绘制是必不可少的。 9 陕西科技大学硕士学位论文 2 5 1 执行机构的动作配合要求 图2 3 为本设计总体机构图，主要的执行机构有开盒摆杆机构( 包括摆杆和吸 盘) 、纸盒传送装置( 传送链) 、内装物传送装置( 传送链) 、推料机构( 推杆) 、封 盒机构( 折底盖小舌、折顶盖小舌、折顶盖和底盖插舌、插顶盖和底盖、压盖) 。 1 料仓2 开盒机构3 输送链i 箱5 内装物输送链6 摊料机构 7 推料辅助机构8 扣盖机构9 合盖，压盖机构1 0 一出盒部件 图2 3 总体布局图 f i 9 2 3g e n e r a ll a y o u td i a g r a m 开盒摆杆机构：间歇运动，吸盘随开盒摆杆做往复摆动。静止时完成纸盒从料 仓中取出及纸盒的开盒成型的动作，运动时开盒摆杆回到初始位置。 纸盒传送装置：间歇运动，当纸盒被传送到下一工位时，停止运动，方便相应 结构执行包装操作。 内装物传送装置：间歇运动，当内装物被传送到推料机构所在位置时，停止运 动，将内装物推入纸盒中。 1 0 茶叶自动装盒的设计与研究 推料机构：间歇运动，内装物与纸盒处在合适位置时，推料杆前进，完成后退 回到初始位置。 封盒机构：折底盖小舌、折顶盖小舌、压盖是在纸盒运动时完成，折顶盖和底 盖插舌、插顶盖和底盖是在纸盒静止时完成。 各执行机构间的运动应该相互协调，运动时间尽量重叠，便于缩短周期，提高 效率。 2 5 2 执行机构的行程时间和速度 在包装机械中，对于具体的执行机构来说，完成一个物品包装的全部工作运动 时间和空程运动时间( 包括停止) 是执行机构的运动循环周期，简称为运动周期t 。 通常包括三个部分： t = t l + t 2 + i 3 其中：t l 工作运动时间 t 2 一空程运动时间 t 3 一停止时间 已知本课题所设计的茶叶自动装盒机技术参数生产能力为8 0 - - 1 1 0 盒分钟，我 们以最低生产能力来确定运动周期。包装一件物品所需的时间为6 0 + 8 0 = 0 7 5 s ，因 此一个运动周期t = 0 7 5 s 。 2 5 3 绘制工作循环图 根据茶叶自动装盒机各执行机构的运动规律和它们的配合要求，绘制工作循环 图。本设计选取直角坐标式运动循环图，取水平轴表示一个运动循环周期，将各个 执行部件的运动状况分别表示出来。如图2 4 所示，从中可以看出机械中各执行结 构式以怎样的顺序对产品进行加工。 2 6 传动系统设计 动力系统常采用电动机来驱动。根据类比调查法，确定本包装机选择y l 9 0 l 4 单相异步电动机，其额定功率为1 5 k w ，额定速度比为1 4 2 0 r j m i n ，电压为2 2 0 v ， 频率为5 0 h z 。而传动系统是将电动机提供的动力，通过分配轴，传送给个执行机 构。 如图2 5 所示为分配轴传动简图，电动机1 经带传动至蜗轮蜗杆减速器2 ，减 速器通过分配轴将动力输出。分配轴上有开盒摆杆1 、传送链( t g 括纸盒传送链3 和内装物传送链2 ) 、折底盖小舌装置4 、折顶盖小舌装置5 、封盒机构6 和7 。 陕西科技大学硕士学位论文 撂枰 升 目 抽气 充气 吸盘 静止 运动 纸盒传送链 内装物传送链 静止 运动 前迸后退 推杆 营止 逆时针旋转 一 一 顺时针麓转 折魔盖小舌营止 席时针薛转逆时针菇转 折顶盖小舌 静止 前进 后退 静止 折顽、底盖插舌 前进 后遣 苗止 插舌 压盖 前进 后退 静止 o o 2o o 6o 7 5s 图2 4 工作循环图 f i 醇- 4w o r k i n gc y c l ed i a g r a m 1 开盒摆杆2 - 内装物传送链3 纸盒传送链4 撕底盖小舌5 新顶盖小舌6 、7 封盒机构 图2 5 传动系统简图 f i 9 2 - 5d r i v e ns y s t e md i a g r a m 已知要求自动装盒机的生产能力为8 0 1 1 0 盒分钟，所以确定分配轴的转速可 在8 0 1 1 0 r m i n 范围内无极调速。 电动机的转速为1 4 2 0 r i m i n ，则总的传动比i 为 f = 1 4 2 0 ( 8 0 1 1 0 、= 1 3 1 7 7 5 因而，电动机到分配轴的降速比在1 3 1 7 7 5 内调节，为此我们采用蜗轮蜗杆 降速。 1 2 茶叶自动装盒的设计与研究 3 茶叶自动装盒机执行机构的设计 3 1 纸盒料仓的设计 3 1 1 纸盒料仓形式的选择 自动装盒机纸盒料仓可以分为垂直型、水平型、倾斜型三种【1 7 1 。以下分析各种 纸盒料仓的优缺点。 1 ) 垂直型料仓 纸盒水平放置，料仓下部设有挡板，防止纸盒掉落，吸盘吸紧纸盒做垂直运动， 供料方向如图3 1a ) 所示。纸盒下拉过程中通过开盒挡板成型，吸盘和纸盒的运动 方向单一，此种料仓设计占地小，结构紧凑，符合装盒机体积尽量小的设计要求。 但是这种方式纸盒存储量有限，且盒片的堆放高度不易过低，以免吸盘受力不足而 失效。 2 ) 水平型料仓 水平型料仓的供料部分包括纸盒分离和纸盒旋转两部分。吸盘吸住纸盒做水平 运动，运动方向如图3 1b ) 所示。之后纸盒随开盒杆做9 0 0 旋转，使得纸盒便于填料。 料仓后方应设有挡块，推动纸盒前进。此种纸盒料仓所占空间比较大，挡块前进设 计的速度要符合纸盒的减少速度，结构相对复杂，也不利于设计空间的紧凑。 3 ) 倾斜型料仓 从受力角度来看，倾斜型料仓所受重力可以分解为两个方向的压力，对料仓 外壁的压力和对挡板的压力，这样使得料仓外壁和挡板的受力都较小，对材料的抗 压强度要求不高。从吸盘运动的角度来看，吸盘吸附纸盒之后，随开盒杆做弧线运 动，运动方向如图3 1c ) 所示，纸盒通过开盒挡板成型，吸盘运动到输送带以下， 以便纸盒能够顺利通过。 、 ， 、 ， r 、 、， l 、 叫： ：、 ： 、， l 、 l ， 、 ， 、 ， 、k 、 ，u u a ) 垂直型料仓b ) 水平型料仓c ) 倾斜型料仓 图3 - 1 料仓的三种形式 f i 9 3 1t h e r et y p e so fs i l o s 三种料仓形式比较看来，水平型料仓占地面积较大，不利于机械整体空间的紧 1 3 陕西科技大学硕士学位论文 凑，垂直型料仓存储量有限，而倾斜型料仓对侧壁和挡板的受力都比较小，吸盘的 运动较为简单，而且可以增加纸盒存储的个数，延长了加纸额周期。综合考虑，选 用倾斜型料仓较符合茶叶包装机的设计要求。 3 1 2 纸盒料仓的整体设计方案 通过以上分析，纸盒料仓采用倾斜型料仓。料仓外壁采用宽3 0 m m 长5 0 m m 的 扁钢，高度为1 3 m 。详细见料仓整体设计图3 2 。为适应内装物的形状、体积、个 数的变化，允许纸盒规格有一定选择范围，因此纸盒料仓需为调节料仓。主要是x 、 y 方向的调节。 1 - 机架2 开盒机构连接架3 y 方向调节装置4 开盒档杆连接杆调节机构5 料仓连接架 6 料仓纸盒档杆7 x 方向调节装置8 料仓底部档杆9 开盒档杆机构 图3 - 2 料仓整体结构图 f i 够一2s t r u c t u r ed i a g r a mo fs i l o 3 1 3 料仓档杆的设计 a 设计方案 已知装盒机的效率是8 0 盒m i i l ，那么假设生产线工人1 5 分钟装一次料，则料仓 所承受的最大的重量是1 2 0 0 个纸盒的重量。经测定，单个纸盒的重量为2 1 6 2 4 9 ， 则1 2 0 0 个纸盒的重量为1 2 0 0 2 1 6 2 4 = 2 5 9 5 k g 。纸盒的厚度经测定为l m m ，那么 1 2 0 0 个纸盒厚度为1 2 0 0 1 = 1 2 m ，也就是说料仓挡板外壁的高度应该大于1 2 m ， 本设计取高度为1 3 m 。料仓采用倾斜料仓，由设计经验知料仓倾斜最佳角度为3 0 0 。 1 4 茶叶自动装盒的设计与研究 为了防止纸盒从料仓中跌出，需要设计合理的挡杆，其简图如图3 3 所示。这 种档杆既可以支撑纸盒，也可以对纸盒的插舌和副摇翼预折，为下步纸盒成型做准 备。档杆与料仓外侧支撑杆固定连接，档杆截面为圆形，直径为d ，总宽为h ，用 于支撑纸盒的长度为l 。其中，h 取决于纸盒宽度，l 取决于纸盒副摇翼的高度， 而d 的大小主要取决于档杆所承受的压力。 l 纸盒2 档杆3 料仓外侧支撑杆 图3 - 3 料仓档杆结构简图 f i e , 3 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i l o sl e v e r b 具体尺寸计算 我们已知纸盒坯的最大尺寸为2 5 0m m x l 2 0m m x 3 0 0r l l n l ，最小尺寸为 1 0 0 m m x 5 0 m m x l 0 0n u n ，因此我们取档杆总宽h 为1 5 0 m m ，档杆总长l 取值为5 0 n u n o 料仓挡板的受力简图见图如下3 4 所示，设底层纸盒受到的其余纸盒的重力为 f ，档杆对纸盒的支撑力为f l ，料仓壁对纸盒的支撑力为f 2 。 6 图3 4 料仓挡板的受力简图 f i 驴- 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i l o sb a f f l e g = m g = 2 5 9 5 x 9 8 = 2 5 4 3 1 n 6 1 1 f i = g c o s 3 0 0 = 2 5 4 3 1 0 8 7 = 2 2 1 2 5 n 1 5 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 陕西科技大学硕士学位论文 f 2 = g s i n 3 0 0 = 2 5 4 3 1 0 5 = 1 2 7 5 5 ( 3 3 ) 档杆有2 个，以极限值来计算档杆所承受的压力，那么每个档杆所承受最大力 f ：旦：2 2 1 2 5 2 ：1 1 0 6 2 5 n 。 2 由于在实际情况中，档杆形状、承受载荷及支撑情况比较复杂，因此为了分析 和计算，我们对档杆进行合理的简化。档杆在料仓外壁上的固定端简化为固定支座， 另一端简化为自由的梁，其上承受有满胯均布载荷，力的方向垂直于轴向，这种力 学模型称为悬臂梁18 1 ，如图3 5 所示。 q a 匆匹皿b 卜t 一 图3 - 5 档杆简化力学模型 f i 9 3 - 5s i m p l i f i e dm e c h a n i c a lm o d e lo f l e v e r 我们知道挠度与荷载大小、构件截面尺寸以及构件的材料物理性能有关。在本 模型中，荷载大小、构件的材料物理性能是确定的，那么，挠度的大小只与档杆截 面尺寸有关。而档杆的截面是圆形，那么就只与档杆直径d 有关。接下来我们给出 求解档杆直径d 的过程。 对于承受满胯均布载荷的悬臂梁，根据建筑工程施工常有资料手册可知， 梁所承受的最大挠度为： = w s ：尘 ( 3 5 ) w 麟= 2 三8 e 一 ( 3 。5 ，) 其中：q 为均布载荷 l 为梁的跨度 e 为材料的弹性模量 i 为截面的惯性矩 我们已知，= h = 1 5 0 r a m ，q = f = l 1 0 6 2 5 n 。 档杆材料选用4 5 钢，那么弹性模量e = 2 0 6 g p a = 2 0 6 x 1 0 1 1 p a 。 实心圆形截面的惯性矩为 i ：7 r d 4 ( 3 6 ) 1 6 茶叶自动装盒的设计与研究 查阅钢结构设计规范【2 0 】可知，对于工作平台梁的主梁，许用挠度为 w 】j 一 。4 0 0 舭w 姗2 2 矗2 忑1 1 0 丽6 2 5 x 理0 1 5 4 驯等 7 ) 可求得d q 1 8 4 6 1l x l 0 。1 1 m = o 0 0 7 m = 7 m m ( 3 8 ) 因此，我们取档杆直径d 的值为l o m m 。 3 2 开盒机构的设计 3 2 1 开盒机构的基本要求 1 ) 较高的开盒速度，以适应装盒机的需要。 2 ) 能平稳：可靠而准确地将纸盒运送至输送链上并正确定位。 3 ) 当纸盒规格变化时，能方便地进行调整。 4 ) 保证纸盒可以正确分离，当出现纸盒成型失败、纸盒歪斜、没有纸盒等故 障时，要有可靠的自动停机安全装置。 5 ) 开盒成型的运动周期为0 7 5 s 。 6 ) 开盒成型过程中，不能损伤纸板表面。 7 ) 结构简单，操作方面，占地面积小。在机器运转过程中能进行必要的调整。 3 2 2 开盒机构总体方案 本机构主要包括开盒摆杆、吸盘、开盒执行机构( 曲柄摇杆机构) 以及开盒档 杆机构，具有下部吸出式纸盒供送装置的特点，总体设计方案如图3 - 6 所示。开盒 摆杆5 固定在摇杆3 上，与摇杆做同步摆动。根据纸盒规格可以调整吸盘7 的吸力。 吸盘7 从纸盒料仓底部吸住底层纸盒后将纸盒送到输送链上挡板1 1 的位置，此时 吸盘7 充气，放松纸盒，然后随开盒摆杆回到初始位置，至此一个工作循环过程结 束。开盒档杆机构是纸盒能否顺利开盒的重要机构，它与料仓6 连接，并且根据纸 盒盒型的不同，可以调节可调机构8 、9 以调整档杆的位置。 3 2 3 开盒摆杆的设计与计算 开盒摆杆主要作用是从料仓中吸取料仓中最底下的一个纸盒，并带着纸盒旋转 一定角度，使纸盒脱离档杆下拉出料仓。此时借助固定开盒杆纸盒开盒成型，并落 在纸盒传送链的挡板中间，其结构简图如图3 7 所示。摆杆的一端固定在机架上， 另一端与真空吸盘相连。为了将真空吸盘与真空设备( 如真空发生器等) 接通，摆杆 1 7 陕西科技大学硕士学位论文 设计为空心杆。吸盘随开盒摆杆做往复摆动，在0 。- 3 0 。，主要完成纸盒从料仓中取 出及纸盒的开盒成型，在0 。到5 0 ，主要是为了让纸盒顺利通过，便