卷烟包装机的折角结构设计【含18张CAD图】
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卷烟包装机的折角结构设计【含18张CAD图】
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附录 1：外文翻译基于约束的纸箱折叠模拟操作G. 马林斯，J.马修斯巴斯大学巴斯大学机械工程系创新设计和制造研究中心 BA2 7AY，英国摘要纸箱是包装各种物品的常用方法。纸箱通常由专用机器“竖立” ，这些专用机器将纸箱从平网折叠成形状。当需要使用新形式的纸箱时，专用机械可能不合适，可以使用可重新配置的系统。需要模拟安装过程本身，以确保其按预期方式运行。本文研究了使用基于约束的技术来生成这种仿真。必要的命令是从纸箱网的几何生成的。 施几何约束以确保网络保持完整，从而解决存在环路的情况。关键词：转换 模拟 纸箱 纸箱架设 折叠 包装 折纸1.介绍纸箱代表包装各种消费品的流行方式，包括食品，电子元件和固定供应品。它们是通用的，并且它们可能增加受欢迎程度，因为它们在回收和降解性方面具有良好的环境性能。纸箱由已经切割和印刷的纸板板的扁平网形成或竖立。另外，通常通过将薄金属规则压入平板来预先形成折痕。通常，通过沿着适当的折痕折叠的专用包装机器来执行安装过程。纸箱通常通过胶合或通过折叠和锁定襟翼而保持在其竖立状态。对于一些范围的产品，期望适应纸箱以适应不同的尺寸和数量。还有对“创新”纸箱设计的兴趣，以便为客户提供更大的吸引力。这些想法可以通过设计新的专用机器或引入可重新配置的过程来适应。可重构性可以通过使用机器人来获得，并且这些已经以各种方式用于折叠纸箱。另外，在纸张折叠和使用机器人从纸张形成折纸模型中存在相关的兴趣。当设计包装系统时，自然需要模拟机器及其与包装材料的相互作用。当材料是纸板板时存在困难，因为其性质是非线性的并且可以随着发生加工的环境的性质而变化。通常需要诸如有限元分析的数值技术，其具有材料性质的适当表示。在处理可重构系统时，模拟纸箱本身的架设过程也很重要。这是为了确保该过程是可行的并且在纸箱的不同部分之间不发生不希望的干扰。它还有助于检查被其他部分“捕获”的网的部分被移动到适当的位置。仿真还在设置和控制参数方面为机器提供数据。本文着眼于如何在安装过程中提供这种纸箱运动的模拟。它的目的是基于从纸箱的原始平网的数据做到这一点。折叠沿着折痕发生，这些将网分割成面。下一节讨论显示面之间相邻性的面图。当这没有环（如使用简单纸箱时可能发生的那样） ，假设没有面彼此干扰的情况，竖起过程是驱动所有角度通过所需角度的环。干扰问题当然是一个问题。对于简单的纸箱，通常可以直接了解如何避免干扰，但对于更一般的折叠操作不是这种情况。当存在循环时，由于邻近的运动， “角撑板”存在于其中面板移动。第 3 节讨论如何应用变换来模拟纸箱的表面的运动，并且其示出如何可以创建命令以使得能够使用基于约束的方法找到角撑板折叠的角度。托盘纸箱的示例在前面部分中讨论。第 4 节给出了煎锅纸盒的第二个例子。第 5 节调查了该方法是否可以扩展到更复杂的折叠情况，并看看从折纸得到的例子。特别地，这突出了通过相邻位置的相对小的变化可以在一些角撑板折叠中引起的大的角度变化。这意味着需要小心确保约束分辨率找到适当的角位置。图 1 折叠托盘纸箱 图 2 托盘纸箱及关联面图2.图表考虑图 4 所示的托盘纸箱。该图在安装过程中给出了各个阶段。原始网络如图 1所示。它总共有十五个面板。它们用编号为基座的面板编号为零。这可以被认为是固定的，其它表面相对于它移动。很可能用于竖立托盘的机构或机器主要作用在主侧壁上。因此，面板 1,4,7 和 10 转过 90，面板 13 和 14 每个相对于面板 4 和 10 转过 180。在托盘的角落有四个“角撑板”的安排。示例包括面板 2 和 3。这些需要向内移动，如图 1 所示，并且当面板 13 折叠时，它们最终被捕获并保持在短的双壁端部内。角撑板不需要被明确地推动; 它们随着它们所附着的主板移动而自然地移动。然而，他 们可能需要在其运动的初始阶 段期间被引导以确保它们向内 而不向外移动。图 3 四杆机构与空间图图 2 中还示出了纸箱的面图。该图的节点对应于纸箱的面板，并且如果在纸箱网中，两个面具有公共边缘，则两个节点被接合。 （如果面部网本身被视为平面图，则面部图本质上是双重图。 ）类似的图形用于表示机构或机器人的链接的互连，并且它们也被用于描述用于表示这样的系统的“模型空间”的层级。模型空间是关于局部坐标系所描述的几何实体的集合。它还与它相关联的变换，从局部空间映射到另一个坐标系。第二个系统可以是世界空间或另一个模型空间。创建层次结构，其中节点是空间本身，并且边可以被视为它们之间的变换映射。层次结构形成一个树，其中根节点是世界空间。为了找到任何其他空间如何与世界相关，有必要通过沿着它与世界空间之间的边缘的每个变换来映射它。由于层次结构是树，所以这个变换序列是唯一的。如果指定每个变换，则确定每个模型空间的位置。因此，例如，对于传统的机器人，如果每个关节角度是已知的，则建立末端执行器的位置。然而，在实践中，需要将末端执行器带到给定点。这有效地创造了一个新的边缘，将末端执行器直接连接到世界空间。这反过来在层次结构中创建一个循环，它不再是一个树。一旦有循环，则确定变换更困难，因为可能存在冲突，这取决于循环遍历的方式。图三中示出了示例，其示出了四杆机构的三个移动连杆。耦合器和从动连杆未连接。相应的层次结构也在图中示出。连接两个链接产生了附加的边缘（如虚线所示）并且形成了环。建立组件的一种方式是将联接器和从动连杆的角度视为自由的。两个这样的链接形成一个“二元” 。形成用于链路的端部的表达式并将它们设置为相等导致角度的两个同时的非线性方程。这些可以通过各种技术在数字上解决。图 4 带切割的托盘 纸盒及其关联树在托盘纸箱的情况下，四个角撑板角部中的每一个可以被视为二元组。如果每个都被认为是沿着其对角折叠切割的，如图 4 中左侧的放大形式所示，则所得到的面部图形在图的右侧示出。这个图形现在是一个树，实际上是原始图形的生成树，其边缘表示涉及纸箱网中对应边缘的旋转的变换。二元组中的切割表示需要求解的非线性方程。二元组中的切割表示需要求解的非线性方程。使用约束建模环境，其中通过用户界面语言指定几何实体和它们之间的约束。所做的是从纸箱（及其二元组）的网络的描述自动创建约束建模器的命令文件。命令文件指定在其安装的任何阶段需要解决装配纸箱的约束。可以通过指定关于未切割边缘的旋转的值的序列来获得模拟。然后可以逐步通过，在每个阶段约束解决。下一节讨论从纸箱网络创建命令文件。最后在本节中，简要概述了约束建模方法，用于本文中的示例。在包括图形，概念设计和实施例设计的应用中出现了许多基于约束的设计的方法。已经使用了用于解决约束的各种装置，包括联立方程的计算推理和数值解。约束建模环境使用优化技术进行约束分解。它有一个基础语言，其中声明了设计参数。这些可以包括诸如点，线和弧的图形实体。约束被指定为涉及一些设计参数的表达式。当其值为零时，这被认为是真的;如果它具有非零值（作为实数） ，则这是其虚假的度量。对于每组约束，用户指定哪些参数可以更改以便满足那些约束。然后，系统将约束表达式的平方和作为可以改变的参数的函数来处理，并且使用数值优化技术（例如 Powell 的直接搜索方法）搜索（局部）最小值。如果发现最小值为零，则知道约束已被令人满意地解决。非零最小值表明约束是冲突的，不能完全解决。目的是找到一个令人满意的配置。这意味着可变参数的初始值很重要，因为这是数值搜索的起始点。该方法旨在帮助设计者探索设计空间。在设计过程的早期阶段，约束随着设计人员对设计任务的理解而不断发展。指定对环境的已知约束允许评估其影响，以便可以根据需要修改或扩展约束。图 5 对于形成二元组的链接的约束解决作为示例，图 5 的部分（a）示出了作为图 3 中给出的四杆机构的“杆模型”的表示。代表耦合器和从动链路的线是 Lcoupler 和 Ldriven，并且将它们的端部结合在一起的约束是当约束被解决时，系统找到图 5 的部分（b）中的解，以允许两条线的角度变化（并保持曲柄固定） 。这是从（a）部分所示的配置开始的。当然有另一个解决方案，如（c）部分所示。如果这是所需的那个，那么在进行搜索之前，或者两个行需要被旋转“关闭”到这个配置，或者另外的约束强加到不允许另一个解决方案。3.转换本节描述如何使用原始纸箱网的几何形状的描述来创建安装过程的模拟。网的描述是作为数据文件中提供的点和面的集合。此文件由独立的预处理器程序处理，以创建约束建模环境的命令。正是在这一点，执行模拟。每个点表示面板之一的顶点。它用名称标记，并且使用用于网络的适当坐标框架来指定其坐标。每个面被指定为它周围的点序列（以逆时针方向） 。预处理器程序需要确定与要使用的面部图的生成树相对应的面的层级。这可以通过在数据文件中声明已经切割哪些边缘并且哪些边缘保留来自动完成; 这给予预处理器确定分层结构的足够信息。还可以更简单地通过用对层级中的下一个面的引用来标记每个面来实现。基本面用作层次结构的根节点。图 6 在两个相邻的 面板之间进行变换预处理器程序产生命令以创建表示每个面部的边界的线。每个内部线创建两次：每个内部线位于其中的每个面。为了方便起见，调用面的共同边缘“join edge，它的边缘和它的下一个面在靠近底边的层面。在面部的局部坐标系中创建线。这被选择为使得其接合边缘形成局部 x 轴。图 6 示出了两个相邻的面 f 和 F，其中 f 更靠近基部。面 F 的本地坐标使用点.X0; Y0 /作为原点，x 轴朝向点.X1; Y1 /。如果面 F 中的典型点具有坐标.X; Y /相对于网络的帧，这些可以表示为齐次坐标 TX 的列向量; Y; 0; 1UT。然后通过用矩阵进行预乘来变换 ，其中连接边缘和全局 x 轴之间的角度具有将点转换为面部的局部坐标的效果。 如前所述，面部图的边缘可以被认为是将一个面与下一个面相关联的变换。为了简单起见，预处理器设置两个要一个接一个使用的变换。使用类似的技术。在约束建模器的命令中，这意味着创建两个模型空间，一个嵌入在另一个中。所应用的第一变换是围绕 x 轴的旋转。由于局部该轴是连接到下一个面的边缘，所以该变换表示折痕的折叠。第二变换从一个局部空间映射到下一局部空间，具有在 x 和 y 中的平移以及围绕 z方向上的轴的旋转。再次参考图 6，以下矩阵乘积其中 1 是面 f 的接合边缘与全局 x 轴之间的角度，映射面 f 的空间，使得其接合边以末端.x0 映射到全局 x 轴; y0 /映射到原点。 令 XN 0 和 YN0 为点.X0 的 x 和 y 坐标; Y0 /在此地图下。 然后矩阵 其中2 是两个连接边缘之间的角度，创建将 F 的空间映射到 f 的空间的变换。预处理器使用该矩阵中的值来创建命令以建立第二变换。 预处理器总是创建指定需要为二元组求解的约束的命令。网络的数据文件以面对（其中已经形成了cut）的对的形式来声明它们，并且指示哪些点需要汇集在一起。如前所述，每个角撑板角部可以向内或向外移动。因此，还可以指定折叠角度的值的边界，以确保沿适当方向的运动。图 7图 7 示出了用于托盘纸箱的角撑板之一，其中两个面之间的切口被夸大。以下是由预处理器创建的约束建模环境的命令。前四个命令声明了行的名称和两对模型空间。然后定义这些，其中模型空间彼此适当地嵌入，并且线类似地与它们的局部空间相关联。线在每个面周围以逆时针顺序定义。它是在函数内的约束被指定。关于相关局部 x 轴的旋转在约束被解决时被指定为可变的。第一约束指定两个给定线的第二端点应当重合。其他四个约束限制旋转角度，使得它们位于零和 180之间。当在约束建模器内调用函数时，系统自动调整两个角度的值以搜索允许满足所有约束的值。这个问题通常有一个独特的解决方案。例外是当相邻的侧壁已经转过 90。这里，角撑板面的短边缘（它们围绕它们局部旋转）是在一起的，并且存在无限多个角度，这允许满足上述约束。 （约束建模器被设置为仅找到一个解决方案，这通常与在模拟的上一步骤中找到的相同） 。从模拟过程的角度来看，这是不方便的。因此，通过在每个角撑板面和其相邻的侧板之间引入零宽度的“虚拟”面来修改网。这为面图和其生成树添加了额外的节点和边，并允许为模拟过程指定附加角度。当侧壁旋转并且角板向内移动时，这些面的角度保持为零。然后，模拟面的角度在 45的范围内变化。角撑板约束保持满足，因为这是因为它们的角度值不改变。这允许模拟显示如图 1 中的步骤 4 和 5 之间的通道中那样折叠抵靠双层壁的角撑板折板。为生成树中的边指定适当的角度序列，并解决每个阶段的约束，允许运行该图中所示的完全模拟。 基于约束的方法的优点是其允许通过改变驱动角度来调查不同的关闭策略，同时使用相同的命令来组装纸箱并执行模拟。例如，可以研究以不同速度关闭侧壁的选项。在图 1 所示的模拟中，这些以相同的速度驱动。这使得角撑板襟翼指向侧面 45的托盘。事实上，即使在这个角度，双壁也可以折叠，捕获和保持它们。然而，比较短（双的壁更快地驱动较长的侧壁具有迫使角撑板折片靠近短壁的效果，因此使得它们的捕获更加确定。图 8 中示出了其仿真中的阶段。该模拟通过简单地修改为生成树中的边缘定义的驱动角度的序列来获得。 4. 山形端煎锅作为第二个例子，考虑其架设中的纸箱阶段如图 9 所示。纸箱顶部的形式被称为“山墙端” ，它也由许多角撑板组成。 纸箱的网络连同其面图一起显示在图 10 中。当制造纸板箱时，最初的平面网沿着面 2 和 3 之间以及面 12 和 13 之间的边缘折叠。然后沿着面 4 和 16 的边缘的凸片胶合到面 1 和 9。这意味着第一阶段的竖立是打开纸箱，使得面 1,2,3 和 4 形成平行四边形，最后形成正方形。正是这种初始胶合，使纸箱成为一个煎锅。图 8 以不同的速度关闭侧面图 11 示出了用于面部图的两个可能的生成树。下面每个是相应的网络，其中适当的面被分离。还显示分离的是位于纸箱底部的襟翼，面向 5-8。注意，网不会分成两部分，因为在如箭头所示的左侧和右侧的面之间存在连接; 例如面 1 和面 4 连接。在两个树中，去除连接节点 2 和 3 的边缘。这是假设在打开过程中，面 1 保持固定，面 4被驱动通过 90，如图 9 所示。为了组装纸箱的主壁，需要约束将表面 2 和 3 带到一起。 需要注意的是山墙端本身所包含的角撑板。这是因为现在存在具有共同顶点的五个面的情况。考虑标记为（a）的树。假设面 9 被驱动，面 10 和 11 可以被视为二元组。一旦面 11 的位置已知，面 12 和面 13 可以作为第二对; 然后是面 14 和 15.这使得面 16 作为最终二元组 9。但是面部 9 的位置已经建立。因此，最终的二元组只通过调整面 16 来处理。 在实践中，简单地驱动面 9 不太可能成功地驱动所有其它面，因为面板在它们传输运动时的变形的趋势。相反，驱动面 9 和 13。这意味着图 11 中标记为（b）的第二生成树更合适。这意味着每个面距离被驱动面至多距离 3（在树内的路径长度方面） 。一般原则是希望选择要驱动的面和生成树，以便确保每个面都靠近被驱动面，从而减少了畸变问题。使用生成树（b） ，面 10 和 11 被求解为二元组。然后，通过单独调节面 12 来处理面 11 和面 12 之间的成对。对山墙端周围的其他面应用类似的方法。从仿真的角度来看，预处理器可以以与前面相同的方式设置命令，对于每个二元组，两个角度被声明为可变的。然而，当仅允许一个角度改变时，给出“修复”命令以确保在约束分解期间另一个角度不变。 5.延伸到折纸前面的章节已经看到了纸箱竖立的模拟。虽然对更复杂的包装有兴趣，但实际的纸箱往往是相当简单的结构。这部分是因为需要能够通过机器或手动操作它们。为了看看以前的模拟技术是否工作与增加的复杂性，本节看看他们的应用程序的一个例子从折纸。这是一个标准折纸结构的“拍打
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