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摘 要
煙草行業(yè)是我國稅收的一個(gè)重要來源，卷煙包裝的生產(chǎn)效率直接影響香煙的生產(chǎn)效益，卷煙包裝機(jī)折角結(jié)構(gòu)對(duì)于卷煙包裝起著至關(guān)重要的作用，本論文重點(diǎn)研究卷煙包裝機(jī)折角結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，來提高卷煙包裝的效率，降低卷煙包裝的廢品率。
本文首先論述當(dāng)前國內(nèi)外煙草包裝機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀，其次根據(jù)卷煙包裝的設(shè)計(jì)要求，對(duì)卷煙包裝折角結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)煙包推送機(jī)構(gòu)、包裝紙進(jìn)紙結(jié)構(gòu)、內(nèi)襯紙折角結(jié)構(gòu)和商標(biāo)紙折角結(jié)構(gòu)的功能需要，對(duì)推送機(jī)構(gòu)及進(jìn)紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論計(jì)算為折角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了主要結(jié)構(gòu)并給出了關(guān)鍵部分的機(jī)構(gòu)原理圖，對(duì)原理圖的功能進(jìn)行了描述。最后利用 SolidWorks 軟件建立關(guān)鍵部分的三維模型，當(dāng)包裝機(jī)在極限受力下，運(yùn)用 SolidWorks Simulation 有限元軟件對(duì)關(guān)鍵受力部件進(jìn)行有限元受力分析。分析結(jié)果表明施加應(yīng)力后的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)低于材料的許用屈服強(qiáng)度，因此卷煙包裝機(jī)折角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果滿足使用要求。
本課題對(duì)所設(shè)計(jì)的卷煙包裝機(jī)折角結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，有利于改善卷煙包裝的自動(dòng)化生產(chǎn)，降低包裝過程中的煙支損壞率。有限元分析得出的應(yīng)力與應(yīng)變較小的部位，為以后結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：包裝機(jī)；折角結(jié)構(gòu)；有限元分析
ABSTRACT
Tobacco industry is an important source of tax revenue in China. The production efficiency of cigarette packaging has a direct impact on the production efficiency of cigarettes. The angle structure of cigarette packaging machine plays an important role in cigarette packaging. This paper focuses on the design of angle structure of cigarette packaging machine, To improve the efficiency of cigarette packaging, reduce the rejection rate of cigarette packaging.
This paper first discusses the current situation of tobacco packaging machine technology at home and abroad, and then designs the angle structure of cigarette packaging according to the design requirements of cigarette packaging. According to the function of the cigarette bag pushing mechanism, wrapping paper feeding structure, the angle structure of the lining paper and the angle structure of the trademark paper, the theoretical calculation of the pushing mechanism and the paper feeding structure is provided for the design of the angle structure, and the main design Structure and gives a key part of the organization schematic diagram, the schematic diagram of the function were described. Finally, the 3D model of key part is established by using SolidWorks software. When the packaging machine is under limited force, the finite element software is used to analyze the finite element force of finite force component. The results show that the yield strength of the cigarette packaging machine is much lower than that of the material. Therefore, the design results of the angle structure of the cigarette packaging machine meet the requirements.
In this paper, the design and analysis of the angle structure of the cigarette packaging machine are designed and analyzed, which is helpful to improve the automatic production of cigarette packaging and reduce the damage rate of cigarette in the packaging process. Finite element analysis of the stress and strain of the smaller parts for the future structure of the optimal design to provide theoretical data..
Key Words：Packing Machine; Angle structure; Finite element analysis
II
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 - 1 -
1.1研究現(xiàn)狀 - 1 -
1.2發(fā)展趨勢(shì) - 1 -
1.3研究內(nèi)容 - 2 -
2折角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 3 -
2.1卷煙包裝機(jī)性能參數(shù)與設(shè)計(jì)要求 - 3 -
2.2 折角工藝過程 - 3 -
3方案設(shè)計(jì)、對(duì)比與選擇 - 5 -
3.1包裝機(jī)的工作原理 - 5 -
3.2設(shè)計(jì)對(duì)比并選擇方案 - 5 -
4煙包推送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) - 7 -
4.1推送機(jī)構(gòu) - 7 -
4.2 滾珠絲杠副的導(dǎo)程 - 7 -
4.3 滾珠絲杠副轉(zhuǎn)速、載荷 - 8 -
4.4 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算并校核 - 8 -
4.5 扭矩的計(jì)算與校核 - 9 -
5包裝紙進(jìn)紙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) - 11 -
5.1包裝紙結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)理論計(jì)算 - 11 -
6 內(nèi)襯紙折角設(shè)計(jì) - 14 -
6.1 內(nèi)襯紙上折角設(shè)計(jì) - 15 -
6.2 內(nèi)襯紙下折角設(shè)計(jì) - 15 -
7 商標(biāo)紙折角設(shè)計(jì) - 16 -
7.1 商標(biāo)紙上折角設(shè)計(jì) - 17 -
7.2 商標(biāo)紙下折角設(shè)計(jì) - 18 -
8 折角結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件有限元分析 - 19 -
8.1 煙包推板有限元分析 - 20 -
8.2 內(nèi)襯紙上折角有限元分析 - 23 -
8.3 內(nèi)襯紙下折角有限元分析 - 27 -
9結(jié)論 - 32 -
參考文獻(xiàn) - 33 -
附錄 1：外文翻譯 - 34 -
附錄2：外文原文 - 46 -
致謝 - 55 -
卷煙包裝機(jī)的折角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1 緒論
煙草行業(yè)是我國的國稅收收入的主要來源之一，然而全國有許多大中型卷煙廠所生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)常處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。而如何使香煙生產(chǎn)獲得較高的生產(chǎn)效率和較好的包裝質(zhì)量，一直以來都是值得研究的重要問題。煙草包裝的好壞對(duì)卷煙包裝市場(chǎng)產(chǎn)生了重要的影響，直接或間接的影響了香煙生產(chǎn)。香煙包裝順序依次為內(nèi)襯紙、商標(biāo)紙、煙包封簽、煙盒撕帶、透明薄膜包裝，最后再到條盒撕帶和透明薄膜的包裝。[1]在香煙包裝過程中，包裝速度和傳輸速度起著決定性作用。而卷煙包裝機(jī)折角結(jié)構(gòu)性能的好壞決定了卷煙效率、卷煙質(zhì)量。從而影響著香煙銷售競(jìng)爭力和經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)于卷煙包裝機(jī)的研究也正在受到相關(guān)企業(yè)的重視。
1.1研究現(xiàn)狀
國外包裝機(jī)械工業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：簡單機(jī)械化、初級(jí)機(jī)械化、自動(dòng)包裝生產(chǎn)線、計(jì)算機(jī)控制的更高速、全自動(dòng)、智能化的高度自動(dòng)化生產(chǎn)線。最近幾年，美國、德國、英國，日本等國家的包裝機(jī)械設(shè)備發(fā)展呈現(xiàn)出新的趨勢(shì)。為了提高生產(chǎn)率，提高設(shè)備的柔性和靈活性，增加機(jī)械手完成復(fù)雜的包裝動(dòng)作（模擬手工包裝）而呈現(xiàn)的越來越高的自動(dòng)化工藝流程與機(jī)電一體化的控制。經(jīng)過不斷的發(fā)展，國外包裝機(jī)械工業(yè)和包裝機(jī)技術(shù)已經(jīng)形成了獨(dú)立完整的體系，成為機(jī)械制造的重要分支。
我國包裝機(jī)械在改革開放前基本上是一片空白，然而在改革開放后，由于我國的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)得到了發(fā)展，因而包裝機(jī)械便開始在中國以快速發(fā)展之勢(shì)呈現(xiàn)。同時(shí)隨著市場(chǎng)的需求，我國的包裝機(jī)械于是覆蓋了多領(lǐng)域，其中就包括了煙草包裝行業(yè)。另外，由于我國也在不斷地吸取前人的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷創(chuàng)新，讓包裝行業(yè)得到了較大的發(fā)展。
從低速到高速，再從直式包裝機(jī)到橫式包裝機(jī)，我國的包裝機(jī)械經(jīng)歷了由最初的自己設(shè)計(jì)到引進(jìn)國外整體包裝機(jī)技術(shù)再到改進(jìn)技術(shù)并優(yōu)化，最后進(jìn)行自我制造的過程。
我國的煙草包裝機(jī)主要是1988年從意大利GD公司引進(jìn)的并消化組裝技術(shù)，為我國各卷煙廠提供ZB45硬盒包裝機(jī)組和ZB25軟盒包裝機(jī)組。這兩種機(jī)組很大程度上使得產(chǎn)品技術(shù)性能和功能水平有了大幅度提升，均能達(dá)到400包/分鐘。其電控系統(tǒng)雖然讀取程序速度快，但是它具有開放性差，通用性差以及故障率高等缺點(diǎn)。上世紀(jì)末，改用西門子PLC，也增加更多的檢測(cè)裝置和控制邏輯，這在很大程度上提高了包裝機(jī)的工作效率。近年來，我國剛剛接觸超高速包裝機(jī)械組的研制，和國外存在一定的差距但也在通過技術(shù)創(chuàng)新逐步縮小這個(gè)差距。
1.2發(fā)展趨勢(shì)
隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國香煙包裝機(jī)有了新的發(fā)展，呈現(xiàn)出了新的發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)代卷煙生產(chǎn)包裝機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)主要是：
（1） 高速、高效、高可靠性；
（2） 煙支柔和保護(hù)的研究；
（3） 環(huán)保原輔材料的應(yīng)用；
（4） 驅(qū)動(dòng)方式的變革；
（5） 控制技術(shù)的高度數(shù)字化、智能化；
（6） 更完整的包裝質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)；
（7） 更為實(shí)用的人機(jī)工程；
（8） 降耗、節(jié)能。
由此可見，卷煙包裝機(jī)械正在向著連續(xù)化生產(chǎn)、專業(yè)化作業(yè)、自動(dòng)化調(diào)節(jié)發(fā)展。高效率化、數(shù)控化、柔性化、智能化、多功能化、模式化已成為煙草包裝機(jī)械發(fā)展的必然趨勢(shì)。
1.3研究內(nèi)容
根據(jù)對(duì)國內(nèi)外煙草包裝機(jī)械的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的分析，此論文研究內(nèi)容主要為：根據(jù)包裝機(jī)的工作原理和其折角結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，首先構(gòu)思出卷煙包裝機(jī)的折角結(jié)構(gòu)方案并對(duì)這些方案進(jìn)行對(duì)比之后進(jìn)行選擇，其次根據(jù)所選擇的折角結(jié)構(gòu)方案對(duì)所要設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。卷煙包裝機(jī)的折角結(jié)構(gòu)主要包括推送機(jī)構(gòu)、進(jìn)紙結(jié)構(gòu)、折角結(jié)構(gòu)，我們?cè)诹私饬诉@些機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的功能以及它們所需要求后，并開始對(duì)煙包推送機(jī)構(gòu)和進(jìn)紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行理論計(jì)算，這是折角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，完成對(duì)推送機(jī)構(gòu)和進(jìn)紙結(jié)構(gòu)的計(jì)算，畫出折角機(jī)構(gòu)各部件的3D原理圖，以此來說明各折角機(jī)構(gòu)的工作原理。最后運(yùn)用 SolidWorks Simulation 有限元軟件對(duì)折角結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部件進(jìn)行有限元受力分析。
2折角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
要想獲得卷煙包裝機(jī)的折角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先得明確了解卷包包裝機(jī)其包裝的設(shè)計(jì)與功能要求。然后明確包裝機(jī)的包裝工業(yè)過程并對(duì)各個(gè)工業(yè)過程的包裝功能進(jìn)行深入了解，并知道每一步驟的具體功能。最后在這些基礎(chǔ)上對(duì)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。
2.1卷煙包裝機(jī)性能參數(shù)與設(shè)計(jì)要求
2.1.1技術(shù)性能要求
包裝香煙的速度：每分鐘200包；
香煙的尺寸：高 85mm； 長 53mm； 厚 22mm；
包裝紙大小：包裝紙寬度 97mm；
香煙包裝煙包重量:250±5g；
2.2.2功能要求
從香煙外觀以及為了獲得更好的收益，香煙包裝機(jī)的折角結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足以下要求：
（1） 包裝設(shè)備滿足方便工作人員操作；
（2） 包裝結(jié)果滿足外觀平整美觀；
（3） 包裝紙能滿足平進(jìn)出以減少浪費(fèi)；
（4） 包裝機(jī)結(jié)構(gòu)滿足簡單易操作，便于生產(chǎn)以及后期的維修和使用。
2.2 折角工藝過程
圖2.1 香煙包裝的工藝順序
要對(duì)卷煙包裝機(jī)的折角結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，先得明確香煙的包裝過程，然后制定其包裝的工藝順序、折角工藝順序。圖2.1為香煙包裝的工藝順序，包裝機(jī)的折角處的工藝順序：
商標(biāo)紙進(jìn)紙
內(nèi)襯紙折角
推送煙支
內(nèi)襯紙進(jìn)紙 紙紙
內(nèi)襯紙端頭折角
商標(biāo)紙折角
其中，在內(nèi)襯紙進(jìn)紙完成以后，內(nèi)襯紙要先對(duì)折，與煙支包裹，然后在內(nèi)襯紙的側(cè)面上部，開始對(duì)內(nèi)襯紙上側(cè)面進(jìn)行折角，上側(cè)面折角完成后便開始內(nèi)襯紙側(cè)面下部的折角。同樣地，商標(biāo)紙?jiān)谶M(jìn)紙完后便與裹著煙支的煙包接觸，不同的是我們需要先對(duì)商標(biāo)紙的端部進(jìn)行折疊動(dòng)作，完成以后才對(duì)商標(biāo)紙側(cè)面的上下兩邊進(jìn)行折角處理并進(jìn)行粘封。接著對(duì)內(nèi)襯紙端頭兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行折角，完成后對(duì)此端頭的上下兩邊進(jìn)行折角處理后便是完成了折角過程。
- 73 -
3方案設(shè)計(jì)、對(duì)比與選擇
3.1包裝機(jī)的工作原理
圖3.1香煙包裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
如圖所示：當(dāng)推送機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到堆放煙支（儲(chǔ)料倉）的下面時(shí)，排列好的煙支下落到推送機(jī)構(gòu)的推板上隨著推送機(jī)構(gòu)的推送而向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)其運(yùn)動(dòng)到包裝材料輸送切斷棍時(shí)，香煙的包裝材料從包裝卷筒材料中被拉出，并在包裝材料輸出及切斷棍的作用下切斷，然后煙支與香煙包裝材料進(jìn)入帶導(dǎo)槽的回轉(zhuǎn)體里面，由于回轉(zhuǎn)體里導(dǎo)槽側(cè)面的作用，煙支與包裝材料緊密接觸并呈包裹之態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)塔運(yùn)動(dòng)到側(cè)面折疊機(jī)構(gòu)到間歇工位這段時(shí)間，兩折疊板對(duì)香煙長側(cè)面進(jìn)行折疊包裹，然后轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)到側(cè)面熱封接機(jī)構(gòu)時(shí)，將完成對(duì)香煙包裝紙的側(cè)面封接。在完成了側(cè)面折疊與熱封接后，推桿運(yùn)動(dòng)將運(yùn)動(dòng)到水平位置的煙包從回轉(zhuǎn)塔的導(dǎo)槽里推出。當(dāng)煙包繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到端面折疊機(jī)構(gòu)時(shí)，此機(jī)構(gòu)將會(huì)對(duì)煙包包裝紙的端面進(jìn)行折疊工作完成折疊工作的煙包最后經(jīng)推送機(jī)構(gòu)的推送而被推出。
3.2設(shè)計(jì)對(duì)比并選擇方案
3.2.1 方案一
階梯折疊型：階梯型折疊在煙包推送機(jī)構(gòu)的推送下，煙包實(shí)現(xiàn)的先水平方向后垂直方向的運(yùn)動(dòng)過程并在此運(yùn)動(dòng)過程中完成和折角結(jié)構(gòu)的接觸來完成對(duì)折角結(jié)構(gòu)的折疊與粘封。
3.2.2 方案二
回轉(zhuǎn)折疊型：此結(jié)構(gòu)的煙包是通過做圓弧運(yùn)動(dòng)來完成對(duì)煙包的折角折疊。當(dāng)煙包沿著圓弧的軌跡運(yùn)動(dòng)，此時(shí)煙包會(huì)順次完成各個(gè)包裝面的折疊和在此軌道中完成各個(gè)包裝面的粘封，最后輸出圓弧軌跡通道時(shí)便完成了包裝。
3.2.3 方案三
直線折疊型：煙包在推送機(jī)構(gòu)的推送下沿著直線做持續(xù)的直線運(yùn)動(dòng)。煙包在直線運(yùn)動(dòng)的過程中，煙支與包裝紙接觸而形成包裹，隨后在包裝通道的折角機(jī)構(gòu)內(nèi)完成對(duì)香煙的包裝與粘封。
表3.1 方案對(duì)比
階梯型折疊
回轉(zhuǎn)折疊型
直線型折疊
優(yōu)點(diǎn)：輸送的路線短，煙包可實(shí)現(xiàn)首尾相接
缺點(diǎn)：包裝輸送機(jī)構(gòu)相對(duì)而言較多
優(yōu)點(diǎn)：布局密集，占地面積小，可減少香煙包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)鏈
缺點(diǎn)：由于各執(zhí)行機(jī)構(gòu)易發(fā)生干涉，需要另行增加調(diào)節(jié)裝置
優(yōu)點(diǎn)：由于其對(duì)于煙包的輸送結(jié)構(gòu)相對(duì)這三個(gè)方案來說是最簡單的，并且煙包可實(shí)現(xiàn)首尾相接
缺點(diǎn)：由于是直線型折疊，所以其輸送的距離較長，因此機(jī)械占地面積相對(duì)會(huì)大。
通過對(duì)上述三種方案優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比，選擇輸送結(jié)構(gòu)簡單的方案三。
4煙包推送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1推送機(jī)構(gòu)
煙包的推送機(jī)構(gòu)是與滾珠絲杠連接在一起的，由于滾珠絲杠的摩擦損失率小、傳動(dòng)率高、精度高、軸向剛度高，所以選擇滾珠絲杠。然后在直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下煙包推板隨著滾珠絲杠的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而做向前的直線間歇運(yùn)動(dòng)，而煙包推板的作用便是在運(yùn)動(dòng)過程中推動(dòng)內(nèi)襯紙、商標(biāo)紙與煙支的包裹接觸來完成對(duì)香煙折角結(jié)構(gòu)的折疊的。
圖4.1 推送機(jī)構(gòu)示意圖
4.2 滾珠絲杠副的導(dǎo)程
選用YEJ132S2-2驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速最快3000r/min，電機(jī)的輸出端和滾珠絲杠的傳動(dòng)比為1:1,電機(jī)的慣量：0.06434kg?m2，絲杠的最大速度：1800r/min,所以：
P= Vi×n=18001×3000=0.6mm
因?yàn)橛?jì)算出的滾柱絲杠的導(dǎo)程P=0.6mm,所以我們選用導(dǎo)程為10mm的滾珠絲杠副。
4.3 滾珠絲杠副轉(zhuǎn)速、載荷
圖4.2滾珠絲杠副的受力簡圖
上圖所示為滾珠絲杠副的受力簡圖，取滾珠絲杠導(dǎo)軌的滑動(dòng)系數(shù)為0.01，則滾珠絲杠副導(dǎo)軌所受的總摩擦力為：
F=Mgu1+mgu2=1×10N/kg×0.01+0.25×10N/kg×0.8=2.1N
式中：
M：煙包推板和滑塊的總質(zhì)量取1Kg；
m:根據(jù)設(shè)計(jì)要求所設(shè)計(jì)的煙包的重量為0.25Kg；
u1:導(dǎo)軌與滑塊間的摩擦系數(shù)0.01；
u2：工作平臺(tái)和紙之間的摩擦系數(shù)；
則如果要推動(dòng)2.1N的力所需要的扭矩為：
T=F×P2π×η=2×102π×0.96=3.32N
轉(zhuǎn)速為：
V=60×VP=60×3010=180r/min
4.4 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算并校核
滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J1=12m?r2=12×7×0.0252=0.002Kg?m2
式中：
m:滾珠絲杠的重量（滾珠絲杠長為1m質(zhì)量約為7Kg）；
r:滾珠絲杠的公稱直徑為25mm；
外部的載荷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J2=M?(P2π)2=1×(0.012π)2=0.0000202Kg?m2
JW=J1+J2=0.002+0.0000202=0.002202Kg?m2
因?yàn)镴W
10%
0
扭曲單元百分比
0
8.1.2 煙包推板材料屬性
表8.3材料屬性
參考模型
屬性
名稱：AISI 105號(hào)鋼
模型類型：線性彈性同向
失敗默認(rèn)準(zhǔn)則：最大von Mises應(yīng)力
屈服強(qiáng)度：530N/mm2
張力強(qiáng)度:625N/mm2
8.1.3 定義負(fù)載與約束
由于煙包的推板不受其他的約束力，并且在螺栓的連接下而固定在滾柱絲杠的螺母上。因此對(duì)煙包推板的螺栓孔施加固定的約束。
假設(shè)將煙包推板的推力設(shè)為10N,然后將它加在煙包推板的平面上
表8.4約束屬性
約束名稱
約束圖像
約束細(xì)節(jié)
固定——2
實(shí)體：2面
類型：固定幾何體
表8.5載荷屬性
載荷名稱
加載圖像
負(fù)載細(xì)節(jié)
力——2
實(shí)體：1面
類型：應(yīng)用法向力
值：10N
8.1.4 算例結(jié)果與結(jié)果分析
對(duì)于煙包推板所選用的AISI1045號(hào)鋼，其屈服應(yīng)力為530MPa,如下圖所示為煙包推板在10載荷作用下的應(yīng)力云圖，通過下圖我們可以可以看出煙包推板其所受的大部分應(yīng)力都在0.8MPa以下，并且應(yīng)力的最大值4.587遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，所以內(nèi)襯紙的上折角的強(qiáng)度符合要求。
表8.6煙包推板應(yīng)力云圖
表8.7煙包推板應(yīng)變?cè)茍D
名稱
類型
最小
最大
Displacement
URES:合位移
0.000e+0.000mm
節(jié)：1
4.052e-0.03mm
節(jié)：64423
上圖所示為煙包推板在10N載荷情況下的應(yīng)變?cè)茍D，從圖中可以看出煙包推板受到的最大變形量為0.004052mm，在煙包推板工作面的最上邊。
8.2 內(nèi)襯紙上折角有限元分析
8.2.1內(nèi)襯紙上折角的網(wǎng)格劃分
表8.8內(nèi)襯紙網(wǎng)格信息
網(wǎng)格的類型
實(shí)體網(wǎng)絡(luò)
所有的網(wǎng)格器
標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)
自動(dòng)過渡
關(guān)閉
網(wǎng)格自動(dòng)環(huán)
關(guān)閉
扭曲單元的點(diǎn)
4點(diǎn)
單元大小
0.85864mm
公差大小
0.42932mm
網(wǎng)格的品質(zhì)圖解
高
表8.9網(wǎng)格信息細(xì)節(jié)
8.2.2 內(nèi)襯紙上折角的材料屬性
表8.10材料屬性
參考模型
屬性
名稱：AISI 1045號(hào)鋼
模型類型：線性彈性同向
失敗默認(rèn)準(zhǔn)則：最大von Mises應(yīng)力
屈服強(qiáng)度：530N/mm2
張力強(qiáng)度: 625N/mm2
8.2.3 定義負(fù)載與約束
同樣地因?yàn)閮?nèi)襯紙的上折角是用螺栓固定在蓋板上而致其不受其他與約束，因而同樣地對(duì)是對(duì)內(nèi)襯紙的上折角處螺栓孔的地方施加固定的約束。
將煙包推板推送煙包的10N力轉(zhuǎn)化為子載荷且加到內(nèi)襯紙上折角的作用面上。
表8.11約束屬性
約束名稱
約束圖像
約束細(xì)節(jié)
固定——1
實(shí)體：2面
類型：固定幾何體
表8.12負(fù)載屬性
載荷名稱
加載圖像
負(fù)載細(xì)節(jié)
力——1
實(shí)體：1面
類型：應(yīng)用法向力
值：10N
8.2.4結(jié)果與結(jié)果分析
表8.13內(nèi)襯紙上折角應(yīng)力云圖
如上圖所示，從內(nèi)襯紙上折角的應(yīng)力云圖中可以看出當(dāng)在載荷為10N 的情況下，此材料即45號(hào)鋼所受到的屈服力是530MPa。而從其應(yīng)力云圖可以看到基本上大部分的應(yīng)力都在4MPa以下，并且最大為27.373MPa,這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力，因此內(nèi)襯紙上折角符合強(qiáng)度要求。
表8.14內(nèi)襯紙上折角應(yīng)變?cè)茍D
名稱
類型
最小
最大
Displacement
URES:合位移
0.000e+0.000mm
節(jié)：1
1.591e-0.02mm
節(jié)：2919
如上所示，從內(nèi)襯紙上折角的應(yīng)變?cè)茍D中我們可以看出，在載荷為10N 情況下內(nèi)襯紙上折角處的最大變形量是在內(nèi)襯紙上折角的折角底部，最大變形量為0.00159mm。
8.3 內(nèi)襯紙下折角有限元分析
8.3.1內(nèi)襯紙下折角網(wǎng)格劃分
表8.15網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格的類型
實(shí)體網(wǎng)絡(luò)
所有的網(wǎng)格器
標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)
自動(dòng)過渡
關(guān)閉
網(wǎng)格自動(dòng)環(huán)
關(guān)閉
扭曲單元的點(diǎn)
4點(diǎn)
單元大小
2.83273mm
公差大小
0.141636mm
網(wǎng)格的品質(zhì)圖解
高
表8.16網(wǎng)格細(xì)節(jié)
8.3.2內(nèi)襯紙下折角材料屬性
表8.17材料屬性
參考模型
屬性
名稱：AISI 1020號(hào)鋼
模型類型：線性彈性同向
失敗默認(rèn)準(zhǔn)則：最大von Mises應(yīng)力
屈服強(qiáng)度：351.57N/mm2
張力強(qiáng)度:420.507N/mm2
8.3.3定義載荷與約束
和煙包推板與內(nèi)襯紙上折角情況一樣，內(nèi)襯紙的下折角是通過螺栓固定在底板上而不受其他約束，所以直接對(duì)內(nèi)襯紙下折角的螺栓孔施加約束。
任然設(shè)10N的煙包推板力推送煙包，并轉(zhuǎn)化為載荷，而把此載荷加載到內(nèi)襯紙下折角的作用平面上。
表8.18約束屬性
名稱
圖像
細(xì)節(jié)
固定——1
實(shí)體——2面
類型——固定幾何體
表8.19負(fù)載屬性
名稱
圖像
細(xì)節(jié)
力——1
實(shí)體：1面，1基準(zhǔn)面
參考：上視基準(zhǔn)面
類型：應(yīng)用力
值：-10N
8.3.4結(jié)果與結(jié)果分析
下圖為內(nèi)襯紙下折角的應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，在10N 的載荷下，20號(hào)鋼的屈服應(yīng)力為355MPa，可以看到的是大部分的應(yīng)力都在0.021MP下，而應(yīng)力的最大值才為0.123MPa遠(yuǎn)小于內(nèi)襯紙下折角的許用應(yīng)力，因此符合強(qiáng)度要求。
表8.20內(nèi)襯紙下折角應(yīng)力云圖
名稱
類型
最小
最大
Stress
VON:von Mises 應(yīng)力
0.00N/mm2(MPa)
節(jié)：228
0.123Nmm2(MPa)
節(jié)：9592
表8.21內(nèi)襯紙下折角應(yīng)變?cè)茍D
名稱
類型
最小
最大
Displacement
URES:合位移
0.000e+0.000mm
節(jié)：1
3.370e-0.05mm
節(jié)：75
如上所示，從內(nèi)襯紙下折角的應(yīng)變?cè)茍D可以看出在10N載荷條件下，內(nèi)襯紙的下折角的變形最大處在下折角折角面的底部，最大變形量小于0.00337mm。
9結(jié)論
本文的設(shè)計(jì)題目為卷煙包裝機(jī)的折角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以卷煙包裝機(jī)的折角結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，從設(shè)計(jì)工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值出發(fā)，然后根據(jù)對(duì)國內(nèi)外卷包包裝機(jī)折角結(jié)構(gòu)的目前研究狀況和發(fā)展趨勢(shì)做了介紹。論文主要解決的是卷煙包裝機(jī)的折角結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)與其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。論文首先對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外煙草包裝機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀以及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行敘述，以確定本文研究的內(nèi)容與重點(diǎn)，其次根據(jù)卷煙包裝的設(shè)計(jì)要求及其功能要求，根據(jù)卷煙包裝機(jī)的工作原理，對(duì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)比并且選擇。之后便對(duì)煙包推送機(jī)構(gòu)以及包裝紙進(jìn)紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算，以便于更好的對(duì)折角結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了主要的折角機(jī)構(gòu)，并畫出其關(guān)鍵部位的3D效果圖并加以描述。最后，通過 SolidWorks Simulation 有限元分析模塊對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行校核，通過對(duì)比施加應(yīng)力后材料的屈服強(qiáng)度與材料的許用屈服強(qiáng)度來判斷所設(shè)計(jì)的折角結(jié)構(gòu)是否滿足要求。分析結(jié)果表明施加應(yīng)力后的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)小于材料的許用屈服強(qiáng)度，因此卷煙包裝機(jī)的折角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足使用要求。
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附錄 1：外文翻譯
基于約束的紙箱折疊模擬操作
G. 馬林斯，J.馬修斯
巴斯大學(xué)巴斯大學(xué)機(jī)械工程系創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制造研究中心 BA2 7AY，英國
摘要
紙箱是包裝各種物品的常用方法。紙箱通常由專用機(jī)器“豎立”，這些專用機(jī)器
將紙箱從平網(wǎng)折疊成形狀。當(dāng)需要使用新形式的紙箱時(shí)，專用機(jī)械可能不合適，可以使用可重新配置的系統(tǒng)。需要模擬安裝過程本身，以確保其按預(yù)期方式運(yùn)行。本文研究了使用基于約束的技術(shù)來生成這種仿真。必要的命令是從紙箱網(wǎng)的幾何生成的。 施幾何約束以確保網(wǎng)絡(luò)保持完整，從而解決存在環(huán)路的情況。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換 模擬 紙箱 紙箱架設(shè) 折疊 包裝 折紙
1.介紹
紙箱代表包裝各種消費(fèi)品的流行方式，包括食品，電子元件和固定供應(yīng)品。它們是通用的，并且它們可能增加受歡迎程度，因?yàn)樗鼈冊(cè)诨厥蘸徒到庑苑矫婢哂辛己玫沫h(huán)境性能。紙箱由已經(jīng)切割和印刷的紙板板的扁平網(wǎng)形成或豎立。另外，通常通過將薄金屬規(guī)則壓入平板來預(yù)先形成折痕。通常，通過沿著適當(dāng)?shù)恼酆壅郫B的專用包裝機(jī)器來執(zhí)行安裝過程。紙箱通常通過膠合或通過折疊和鎖定襟翼而保持在其豎立狀態(tài)。對(duì)于一些范圍的產(chǎn)品，期望適應(yīng)紙箱以適應(yīng)不同的尺寸和數(shù)量。還有對(duì)“創(chuàng)新”紙箱設(shè)計(jì)的興趣，以便為客戶提供更大的吸引力。這些想法可以通過設(shè)計(jì)新的專用機(jī)器或引入可重新配置的過程來適應(yīng)?？芍貥?gòu)性可以通過使用機(jī)器人來獲得，并且這些已經(jīng)以各種方式用于折疊紙箱。另外，在紙張折疊和使用機(jī)器人從紙張形成折紙模型中存在相關(guān)的興趣。
當(dāng)設(shè)計(jì)包裝系統(tǒng)時(shí)，自然需要模擬機(jī)器及其與包裝材料的相互作用。當(dāng)材料是紙板板時(shí)存在困難，因?yàn)槠湫再|(zhì)是非線性的并且可以隨著發(fā)生加工的環(huán)境的性質(zhì)而變化。通常需要諸如有限元分析的數(shù)值技術(shù)，其具有材料性質(zhì)的適當(dāng)表示。
在處理可重構(gòu)系統(tǒng)時(shí)，模擬紙箱本身的架設(shè)過程也很重要。這是為了確保該過程是可行的并且在紙箱的不同部分之間不發(fā)生不希望的干擾。它還有助于檢查被其他部分“捕獲”的網(wǎng)的部分被移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢?。仿真還在設(shè)置和控制參數(shù)方面為機(jī)器提供數(shù)據(jù)。
本文著眼于如何在安裝過程中提供這種紙箱運(yùn)動(dòng)的模擬。它的目的是基于從紙箱的原始平網(wǎng)的數(shù)據(jù)做到這一點(diǎn)。折疊沿著折痕發(fā)生，這些將網(wǎng)分割成面。下一節(jié)討論顯示面之間相鄰性的面圖。當(dāng)這沒有環(huán)（如使用簡單紙箱時(shí)可能發(fā)生的那樣），假設(shè)沒有面彼此干擾的情況，豎起過程是驅(qū)動(dòng)所有角度通過所需角度的環(huán)。干擾問題當(dāng)然是一個(gè)問題。對(duì)于簡單的紙箱，通?？梢灾苯恿私馊绾伪苊飧蓴_，但對(duì)于更一般的折疊操作不是這種情況。當(dāng)存在循環(huán)時(shí)，由于鄰近的運(yùn)動(dòng)，“角撐板”存在于其中面板移動(dòng)。第 3 節(jié)討論如何應(yīng)用變換來模擬紙箱的表面的運(yùn)動(dòng)，并且其示出如何可以創(chuàng)建命令以使得能夠使用基于約束的方法找到角撐板折疊的角度。托盤紙箱的示例在前面部分中討論。第 4 節(jié)給出了煎鍋紙盒的第二個(gè)例子。第 5 節(jié)調(diào)查了該方法是否可以擴(kuò)展到更復(fù)雜的折疊情況，并看看從折紙得到的例子。特別地，這突出了通過相鄰位置的相對(duì)小的變化可以在一些角撐板折疊中引起的大的角度變化。這意味著需要小心確保約束分辨率找到適當(dāng)?shù)慕俏恢谩?
圖 1 折疊托盤紙箱 圖 2 托盤紙箱及關(guān)聯(lián)面圖
2.圖表
考慮圖 4 所示的托盤紙箱。該圖在安裝過程中給出了各個(gè)階段。原始網(wǎng)絡(luò)如圖 1所示。它總共有十五個(gè)面板。它們用編號(hào)為基座的面板編號(hào)為零。這可以被認(rèn)為是固定的，其它表面相對(duì)于它移動(dòng)。很可能用于豎立托盤的機(jī)構(gòu)或機(jī)器主要作用在主側(cè)壁上。因此，面板 1,4,7 和 10 轉(zhuǎn)過 90°，面板 13 和 14 每個(gè)相對(duì)于面板 4 和 10 轉(zhuǎn)過180°。在托盤的角落有四個(gè)“角撐板”的安排。示例包括面板 2 和 3。這些需要向內(nèi)移動(dòng)，如圖 1 所示，并且當(dāng)面板 13 折疊時(shí)，它們最終被捕獲并保持在短的雙壁端部內(nèi)。角撐板不需要被明確地推動(dòng); 它們隨著它們所附著的主板移動(dòng)而自然地移動(dòng)。然而，他們可能需要在其運(yùn)動(dòng)的初始階段期間被引導(dǎo)以確保它們向內(nèi)而不向外移動(dòng)。
圖 3 四桿機(jī)構(gòu)與空間圖
圖 2 中還示出了紙箱的面圖。該圖的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于紙箱的面板，并且如果在紙箱網(wǎng)中，兩個(gè)面具有公共邊緣，則兩個(gè)節(jié)點(diǎn)被接合。（如果面部網(wǎng)本身被視為平面圖，則面部圖本質(zhì)上是雙重圖。）
類似的圖形用于表示機(jī)構(gòu)或機(jī)器人的鏈接的互連，并且它們也被用于描述用于表示這樣的系統(tǒng)的“模型空間”的層級(jí)。模型空間是關(guān)于局部坐標(biāo)系所描述的幾何實(shí)體的集合。它還與它相關(guān)聯(lián)的變換，從局部空間映射到另一個(gè)坐標(biāo)系。第二個(gè)系統(tǒng)可以是世界空間或另一個(gè)模型空間。創(chuàng)建層次結(jié)構(gòu)，其中節(jié)點(diǎn)是空間本身，并且邊可以被視為它們之間的變換映射。層次結(jié)構(gòu)形成一個(gè)樹，其中根節(jié)點(diǎn)是世界空間。為了找到任何其他空間如何與世界相關(guān)，有必要通過沿著它與世界空間之間的邊緣的每個(gè)變換來映射它。由于層次結(jié)構(gòu)是樹，所以這個(gè)變換序列是唯一的。
如果指定每個(gè)變換，則確定每個(gè)模型空間的位置。因此，例如，對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)器人，如果每個(gè)關(guān)節(jié)角度是已知的，則建立末端執(zhí)行器的位置。然而，在實(shí)踐中，需要將末端執(zhí)行器帶到給定點(diǎn)。這有效地創(chuàng)造了一個(gè)新的邊緣，將末端執(zhí)行器直接連接到世界空間。這反過來在層次結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建一個(gè)循環(huán)，它不再是一個(gè)樹。一旦有循環(huán)，則確定變換更困難，因?yàn)榭赡艽嬖跊_突，這取決于循環(huán)遍歷的方式。
圖三中示出了示例，其示出了四桿機(jī)構(gòu)的三個(gè)移動(dòng)連桿。耦合器和從動(dòng)連桿未連接。相應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)也在圖中示出。連接兩個(gè)鏈接產(chǎn)生了附加的邊緣（如虛線所示）并且形成了環(huán)。建立組件的一種方式是將聯(lián)接器和從動(dòng)連桿的角度視為自由的。兩個(gè)這樣的鏈接形成一個(gè)“二元”。形成用于鏈路的端部的表達(dá)式并將它們?cè)O(shè)置為相等導(dǎo)致角度的兩個(gè)同時(shí)的非線性方程。這些可以通過各種技術(shù)在數(shù)字上解決。
圖 4 帶切割的托盤紙盒及其關(guān)聯(lián)樹
在托盤紙箱的情況下，四個(gè)角撐板角部中的每一個(gè)可以被視為二元組。如果每個(gè)都被認(rèn)為是沿著其對(duì)角折疊切割的，如圖 4 中左側(cè)的放大形式所示，則所得到的面部圖形在圖的右側(cè)示出。這個(gè)圖形現(xiàn)在是一個(gè)樹，實(shí)際上是原始圖形的生成樹，其邊緣表示涉及紙箱網(wǎng)中對(duì)應(yīng)邊緣的旋轉(zhuǎn)的變換。二元組中的切割表示需要求解的非線性方程。
二元組中的切割表示需要求解的非線性方程。使用約束建模環(huán)境，其中通過用戶界面語言指定幾何實(shí)體和它們之間的約束。所做的是從紙箱（及其二元組）的網(wǎng)絡(luò)的描述自動(dòng)創(chuàng)建約束建模器的命令文件。命令文件指定在其安裝的任何階段需要解決裝配紙箱的約束。可以通過指定關(guān)于未切割邊緣的旋轉(zhuǎn)的值的序列來獲得模擬。然后可以逐步通過，在每個(gè)階段約束解決。下一節(jié)討論從紙箱網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建命令文件。
最后在本節(jié)中，簡要概述了約束建模方法，用于本文中的示例。在包括圖形，概念設(shè)計(jì)和實(shí)施例設(shè)計(jì)的應(yīng)用中出現(xiàn)了許多基于約束的設(shè)計(jì)的方法。已經(jīng)使用了用于解決約束的各種裝置，包括聯(lián)立方程的計(jì)算推理和數(shù)值解。約束建模環(huán)境使用優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行約束分解。它有一個(gè)基礎(chǔ)語言，其中聲明了設(shè)計(jì)參數(shù)。這些可以包括諸如點(diǎn)，線和弧的圖形實(shí)體。
約束被指定為涉及一些設(shè)計(jì)參數(shù)的表達(dá)式。當(dāng)其值為零時(shí)，這被認(rèn)為是真的;如果它具有非零值（作為實(shí)數(shù)），則這是其虛假的度量。對(duì)于每組約束，用戶指定哪些參數(shù)可以更改以便滿足那些約束。然后，系統(tǒng)將約束表達(dá)式的平方和作為可以改變的參數(shù)的函數(shù)來處理，并且使用數(shù)值優(yōu)化技術(shù)（例如 Powell 的直接搜索方法）搜索（局部）最小值。如果發(fā)現(xiàn)最小值為零，則知道約束已被令人滿意地解決。非零最小值表明約束是沖突的，不能完全解決。
目的是找到一個(gè)令人滿意的配置。這意味著可變參數(shù)的初始值很重要，因?yàn)檫@是數(shù)值搜索的起始點(diǎn)。該方法旨在幫助設(shè)計(jì)者探索設(shè)計(jì)空間。在設(shè)計(jì)過程的早期階段，約束隨著設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)的理解而不斷發(fā)展。指定對(duì)環(huán)境的已知約束允許評(píng)估其影響，以便可以根據(jù)需要修改或擴(kuò)展約束。
圖 5 對(duì)于形成二元組的鏈接的約束解決作為示例，圖 5 的部分
（a）示出了作為圖 3 中給出的四桿機(jī)構(gòu)的“桿模型”的表示。代表耦合器和從動(dòng)鏈路的線是 Lcoupler 和 Ldriven，并且將它們的端部結(jié)合在一起的約束是當(dāng)約束被解決時(shí)，系統(tǒng)找到圖 5 的部分（b）中的解，以允許兩條線的角度變化（并保持曲柄固定）。這是從（a）部分所示的配置開始的。當(dāng)然有另一個(gè)解決方案，如（c）部分所示。如果這是所需的那個(gè)，那么在進(jìn)行搜索之前，或者兩個(gè)行需要被旋轉(zhuǎn)“關(guān)閉”到這個(gè)配置，或者另外的約束強(qiáng)加到不允許另一個(gè)解決方案。
3.轉(zhuǎn)換
本節(jié)描述如何使用原始紙箱網(wǎng)的幾何形狀的描述來創(chuàng)建安裝過程的模擬。網(wǎng)的描
述是作為數(shù)據(jù)文件中提供的點(diǎn)和面的集合。此文件由獨(dú)立的預(yù)處理器程序處理，以創(chuàng)建約束建模環(huán)境的命令。正是在這一點(diǎn)，執(zhí)行模擬。
每個(gè)點(diǎn)表示面板之一的頂點(diǎn)。它用名稱標(biāo)記，并且使用用于網(wǎng)絡(luò)的適當(dāng)坐標(biāo)框架來指定其坐標(biāo)。每個(gè)面被指定為它周圍的點(diǎn)序列（以逆時(shí)針方向）。預(yù)處理器程序需要確定與要使用的面部圖的生成樹相對(duì)應(yīng)的面的層級(jí)。這可以通過在數(shù)據(jù)文件中聲明
已經(jīng)切割哪些邊緣并且哪些邊緣保留來自動(dòng)完成; 這給予預(yù)處理器確定分層結(jié)構(gòu)的足夠信息。還可以更簡單地通過用對(duì)層級(jí)中的下一個(gè)面的引用來標(biāo)記每個(gè)面來實(shí)現(xiàn)?；久嬗米鲗哟谓Y(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)。
圖 6 在兩個(gè)相鄰的面板之間進(jìn)行變換
預(yù)處理器程序產(chǎn)生命令以創(chuàng)建表示每個(gè)面部的邊界的線。每個(gè)內(nèi)部線創(chuàng)建兩次：每個(gè)內(nèi)部線位于其中的