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卷烟包装机的折角结构设计
卷烟包装机折角结构
卷烟包装机折角结构的设计
卷烟包装机的
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一、选题依据1论文（设计）题目 卷烟包装机的折角结构设计2研究领域卷烟包装机机械结构设计、CAD3论文（设计）工作的理论意义和应用价值 包装机械是包装工业的重要基础，在轻工机械行业中占有重要的地位。包装机械为包装工业提供了重要的技术保障，对包装业的发展起着重要的作用，同时在食品、 医药日用品等生产中也起着重要的作用。包装机械是使产品包装实现机械化、自动化 的根本保证。烟草行业是我国国税收入的重要来源。全国有许多大中型卷烟厂所生产 的产品经常处于供不应求的状态。烟草包装的好坏对香烟市场产生了重要影响，而卷 烟包装机的折角结构对于卷烟包装机有着重要的影响，折角结构的性能影响着卷烟包 装机的卷烟效率、卷烟质量。高性能的折角结构能使卷烟包装机降低烟草损失率，从 而可以提高烟草的包装质量，增加香烟的销售竞争率，获得更高的经济效益。4目前研究的概况和发展趋势 伴随着制造业的不断发展，企业引进自动化生产所带来的优势表现的越来越明显，自动化生产线生产不仅提高了产品生产率，缩短生产周期，提高产品质量，更直 接提高企业的经济效益，在人员成本越来越高的今天，企业实现无人自动化生产更是 刻不容缓，直接影响着企业的发展，企业的未来。包装机械是包装工业的基础，也是 包装工业的制高点，包装机械的发展水平决定了包装工业的发展速度和发展水平。国外包装机械工业发展经历了以下几个阶段：简单机械化、初级机械化、自动包 装生产线、计算机控制的高度自动化生产线。国外包装机械产量稳定增长，产品门类 齐全，品种繁多。并且生产自成体系，向专业化发展。如美国 ANCELUS 公司的封罐机、 德国 SEITZ 公司的啤酒灌装机、瑞典 TETRAPAK 公司的无菌包装机等。国外包装机械 水平较高的国家主要有美国、德国、日本和英国。而德国的包装机械在设计、制造及 技术性能等方面则居于领先地位。最近几年，这些国家包装机械设备发展呈现出新的 趋势。工艺流程自动化程度越来越高，大量使用电脑设计和机电一体化控制，目的是 提高生产率，提高设备的柔性和灵活性，增加机械手完成复杂的包装动作（模拟手工 包装）。经过不断的发展，国外包装机械工业和包装机技术已经形成了独立完整的体 系，成为机械制造的重要分支。中国包装机械工业在新中国成立前基本上是一片空白，改革开放以来，由于经济 发展和市场经济的需求，中国包装机械得到了高速发展。起步晚，发展快，是我国包 装机械工业发展的特点，同时，随着市场需求的多样性，包装机械工业也致力于产品 品种的研发，涵盖食品、药品、烟草包装以及包装制品、包装容器等领域。另外包装机械工业也致力于产品的创新，在不断的总结经验和尝试中，突破了一项又一项技术 难题，并研发出新类型的包装机械，并在不断的研发中，突出科技、环保、安全等理 念，使包装机械行业走向可持续发展。我国的烟草包装机主要是 1988 年从意大利 GD 公司引进并消化组装技术，为全 国各卷烟厂提供 ZB45 硬盒包装机组和 ZB25 软盒包装机组。这两种机组很大程度上 使得产品技术性能和功能水平有了大幅度提升，均能达到 400 包/分钟。其电控系统 虽然读取程序速度快，但是它具有开放性差，通用性差以及故障率高等缺点。上世纪 末，改用西门子 PLC，也增加更多的检测装置和控制逻辑，这在很大程度上提高了包 装机的工作效率。近年来，我国刚刚接触超高速包装机械组的研制，和国外存在一定 的差距但也在通过技术创新逐步缩小这个差距。在卷烟厂制造香烟的自动化生产过程中，卷烟包装是香烟生产过程中的重要的组 成部分，卷烟包装机的折角机构的运行要时刻随着整机运行状况的改变而改变，时刻 与整机的运行同步。此环节的运行是否正常直接关系到整个包装流程是否能顺利的进 行，关系到生产效率和产品的包装质量。现代化卷烟生产包装机械的主要发展趋势是：（1）高速、高效、高可靠性；（2）烟支柔和保护的研究；（3）环保原辅材料的应用；（4）驱动方式的变革；（5）控制技术的高度数字化、智能化、高可靠性；（6）更完整的包装质量检测系统；（7）更为实用的人机工程；（8）网络技术的应用，在线技术支持，备件查询；（9）降耗、节能。 综上所述，卷烟包装机械正在向着连续化生产、专业化作业、自动化调节发展。高效率化、数控化、柔性化、智能化、多功能化、模式化已成为烟草包装机械发展的 必然趋势。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题（1）卷烟包装机折角结构的方案设计；（2）卷烟包装机折角结构的结构设计。2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）（1）确定课题的研究目的、研究内容，以及目前的研究概况及其发展；（2）折角方案的选择：确定包装机的主要参数，确定折角机构的主要参数；（3）卷烟包装机折角机构的工作原理及主要组成，进行折角结构的设计过程概述， 确定折角结构的选择；（4）进行折角机构的主要零件的设计计算及其校核：凸轮设计、拉簧杆设计、折角 设计、升力杆的校核与计算等。（5）设计出卷烟包装机折角结构的整体装配图。3.本论文（设计）预期取得的成果（1）一套完整的折角结构的装配图及零件图；（2）一份卷烟包装机折角结构的说明书；（3）一篇外文文献翻译。三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；（1）技术路线：查阅相关文献资料，借鉴前人的设计经验并加以研究、运用 CAD制图，绘制出整体的装配图，并制作出装配的说明书。（2）设计参数：烟盒的尺寸为高 86mmX 宽 54.5mm X 22.5 厚，生产速度为 400 包/分钟。2.论文（设计）进度计划第 1 4 周：查阅相关文献、收集材料，分析研究有关的资料，撰写开题报告； 第 5 周：对卷烟包装机折角结构进行总体规划并确定设计方案；第 6 7 周：完成卷烟包装机折角机构的结构设计； 第 8 9 周：进行主要零件的设计及其计算校核；第 1012 周：绘制折角结构的装配图及其零件图； 第 13 周： 完成设计说明书与外文文献翻译；第 14 周：完善毕业设计的各项内容，准备答辩。四、需要阅读的参考文献 1杜启祥.包装机齿轮机构动力学分析J.包装工程,2012,33(15):70-71. 2赵建东.包装机械设计的改进方法研究J.工业技术,2015,(30):90-92. 3刘军伟.包装机械设计方法初探J.装备制造技术,2012,(8):209-210. 4田晓鸿.推烟包装机推手装置的解析法设计J.包装工程,2011,32(17)：76-79.5王涛.包装机设计J.机械化工,2015:59. 6魏玉杰.全自动书本打包机的研究与设计J包装工程,2012,33(17):79-83. 7 李旺杰 . 一 种 半 自 动 纸 箱 包 装 机 机 械 系 统 设 计 J. 包装工 程,2016,37(21):179-181.8 边魏 . 药 瓶 纸 盒 包 装 机 工 作 原 理 及 结 构 设 计 J. 机 械 工 程 师,2013,(9):113-114.9 冷东 . 包 装 机 凸 轮 连 杆 组 合 机 构 的 动 态 特 性 分 析 J. 机 械 设 计 与 制 造,2015(6):188-193.10江山.烟盒自动包装生产线的研究与设计D.广东:广东工业大学,2015. 11周卫江.纸盒包装机的结构设计和分析D.浙江:浙江工业大学,2011. 12王亮.自动书本打包机结构设计与分析D.江西:南昌航空大学,2013. 13G.Mullineux.Constraint-basedsimulationofcartonfoldingorerationsJ.Computer-Aided Design,2010(42):257-265.14Wei Yao.Automatic folding of cartons using a reconfigurable robotic systemJ.Robotic Computer-Integrate Manufacturing,2010(27):604-613.15 P.Betancur-Muoza.Integrating Design for Assembly guidelines in context-based approachJ.Procedia CIRP ,2014(21):342347.附：文献综述或报告包装是产品进入流通领域的必要条件，而实现包装的主要手段是使用包装机械。 随着时代的发展，技术的进步，包装机械在包装领域中正起着越来越大的作用。包装 机械是随着新包装材料的出现，和包装技术的不断革新而发展的。 包装机械的发展 对包装工业的发展有重要意义。随着经济的发展，包装工业的市场也愈加繁荣，需求 量和产量都迅猛增长。包装机械是指完成全部或部分包装过程的机器，包装过程包括成型、充填、封口、 裹包等主要包装工序以及清洗、干燥、杀菌、贴标、捆扎、集装、拆卸等前后包装工 序，转送、选别等其他辅助包装工序。包装机械是使产品包装实现机械化、自动化的 根本保证，包装机械能大幅度地提高生产效率，加快产品的不断更新，降低劳动强度， 改善劳动条件，节约材料，降低成本，保护环境，有利于被包装产品的卫生，提高产 品质量，增强市场销售的竞争力，延长产品的保质期，方便产品的流通，可减少包装 场地面积，节约基建投资。美国、 日本、 德国、 意大利是世界上包装机械四大强国。 美国是世界上包装 机发展历史较长的国家， 形成了独立完整的包装机械体系， 其品种和产量均居世界 之首。其产品以高、 大、 精、 尖产品居多， 机械与计算机紧密结合， 实现机电 一体化控制。日本的包装机械以中小型单机为主，具有体积小、精密度高、易安装、 操作方便、自动化程度高等优点。德国的包装机械在计量、制造、技术性能等方面居 领先地位，具有高速成套、自动化程度高、可靠性好等特点。目前， 世界各国对包装机械发展十分重视， 集机、 电、 气、 光、 声、 磁 为一体的高新技术产品不断涌现。 生产高效率化、 资源高利用化、 产品节能化、 高 新技术实用化、 科研成果商业化已成为世界各国包装机械发展的趋势。 这也是我国 包装机械业的发展方向。顺应世界包装机械的发展趋势，提高中国包装机械的竞争力， 实现包装过程的连续化生产、专业化作业、自动化调节、全程化控制和产业化经营。卷烟包装是卷烟生产的主要工序之一。其特点是采用挠性包装材料，如纸、塑料 薄膜和薄片、有压痕的盒和箱的纸板等，通过折叠、粘合、热封、热成型和收缩等裹 包操作，使包装材料全部或局部包裹被包装物品。完成卷烟包装操作的机器，称为卷 烟包装机械。绝大多数的卷烟包装机配合卷烟输送线机使用，其特征在于：包括进料 装置、机械包装装置、烘干热缩装置、冷却装置和 PLC 控制器， PLC 控制器控制进 料装置和机械包装装置的动作以及烘干热缩装置的温度，所述的进料装置设置在卷烟 输送线的一侧，在卷烟输送线的另一侧依次设置有机械包装装置、烘干热缩装置和冷 却装置，机械包装装置、烘干热缩装置和冷却装置是相互连接的一个整体，其中机械包装装置侧紧靠在卷烟输送线旁。 烟草机械技术的先进程度，在很大程度上决定着烟草工业的生产组织、生产规模、生产方式、能源和原辅材料消耗等，因而影响烟草工业的产品水平、质量、品种、效 益以及更新换代周期，对烟草工业的发展起促进作用，是烟草工业生产的基础工业， 它的技术水平是衡量烟草工业生产现代化程度的重要指标之一。20 世纪 80 年代以来， 由于中国烟草总公司的组建和我国对外开放的步伐不断 加快，为我国卷烟包装机迅猛发展提供了良好的条件。我国用技贸结合方式引进了国 外的先进技术，学习了国外的先进经验，加快了引进、消化、吸收和国产化步伐， 逐 步缩短卷烟包装设备与国际先进水平的差距。我国国内烟草市场呈现多元化倾向，市 场上需要多规格和多品种卷烟包装制品，需要对现有的包装机技术进行不断地技术革 新。 进入新世纪后，我国卷烟工业的生产规模、产品结构、工艺方法和技术装备发 生了根本性变化，卷烟包装基本上实现了连续化和自动化。 现阶段我国应用的烟草 包装机种类较多，例如德国 FOCKE 公司生产的 FC800、FX2 以及意大利 GD 公司生 产的 H1000、S1000 等型号的超高速机组进口产品， 目前在国内烟草包装机械市场 上常见的是上海烟草机械公司生产的 ZB25、 ZB45。通过积极引进发达国家的烟草包 装机械，可以缩短我国烟草包装工艺与先进国家之间的差距。目前烟草包装机应用的 包装机元件结构配套更加全面、适用范围更广、功能更加健全、人机界面的设计更加 灵活友好、控制软件的功能更加丰富。下面介绍几种常见的卷烟包装机械， 并对它们各自的特点进行分析。 1. FOCKE FC800 超高速硬盒包装机其包装速度可达 800 包/分钟，有效作业率80， 是由 FOCKE 350 包装机发 展而来的， FOCKE FC800 硬盒包装机对原辅材料性能要求相对较低，因此能够保持 相对较高的生产效率，并方便维修和调试。（1） 采用直包方式进行香烟的包装。烟支从烟库推出后，在烟支输送导轨中以 直包的包装方式进行铝箔纸的包装，相比横包的包装方式，结构简单， 极大地减少 了活动构件的数量；（2） 采用双路包装技术是 FC800 硬盒包装机的又一个重要特点。在主轴及运 动件速度不变的情况下实现了包装速度的翻倍提高；（3） 传动方式。 包装机机身是由主传动箱和独立部件齿轮箱组成，这种传动 方式极大地减少了传动齿轮的数量，简化了传动，有利于润滑，并方便了装配和调试；（4） 包装技术特点。 主要采用双路连续运动与间歇运动相结合的方式完成香 烟的硬盒包装：即烟组的推送动作与铝箔纸的部分包装是通过连续运动的凸耳链完成 的。2.ZB48 型硬盒硬条包装机包装速度可达 800 包/分钟，有效运行率85， 本机采用大流量烟库， 独立 铝箔进给系统， 铝箔纸盘卷自动喂入与交换系统， 以及全新设计的商标纸输送系统。（1）采用直包包装形式包装。为方便推送烟组，将烟库设计成与烟支输送导轨 垂直的形式；（2）烟支在翻盖包装机里排成组，裹包铝箔；（3）香烟转塔将排列烟组推送到香烟转塔；（4）内衬纸在铝箔折叠犁的出口处与烟组一起被推入折叠转塔前的折叠台中；（5）经预折叠压人折叠转塔模盒，在传递过程中，两侧边被预折叠和对齐。3. GDX1 包装机包装速度可达 400 包/分钟，采用轮式包装，基础件和各种不同的专用件可以组 成不同规格的机组。（1）卷好的烟支进入包装机后按顺序进行铝箔纸、商标纸、封签纸的包装，然 后进入小透包机进行透明纸包装，再进入硬条盒包装，从而完成整个包装过程；（2）良好的可靠性和稳定性；（3）机、电、气一体化的高科技产品，卷烟机和包装机自动化连接；4. X2000 硬盒包装机硬盒包装机， 包装速度 600 包/分钟， 主要技术组成（1） 6 个包装轮替代 X2 的 8 个包装轮；（2） 1-4 号包装轮为间隙运动， 5、 6 号轮为连续运动，其交接点时连续运 动的模盒速度为零；（3）两个框架式连杆平动机构代替主传动机构；（4）快速输出皮带与输出皮带烟包烘干系统代替 X2 的烘干轮和输出轮。 生产技术的不断发展使得烟草包装质量不断提高，也促进烟草包装机械的发展，我们可以得出烟草包装机的发展趋势是 ：（1）低故障率。在包装机机械自动化控制上的硬件应具备防尘、抗震、防干扰等优势。 控制软件应具有安全性和稳定性等优点；（2）注重灵活性。 烟草包装机在运行过程中应该适应不同的硬件设备，在此基 础上可以包装不同规格香烟， 并且可以快速在软包和硬包之间快速切换，以适应市 场需要；（3）便于维修。 烟草包装机机械应该方便人员维修，能够提供方便的人机界面， 便于维修人员快速、准确的对各类故障进行维修；（4）便于操作。 烟草包装机机械的设计和操作方法能够符合人体结构和功能等， 各类仪器仪表以及控制装置更加便于操作和维修人员更换；（5）注重网络技术。使生产指挥系统和包装设备系统密切联系，以便指挥人员 能够远距离地对烟草包装过程进行指挥和调控。总的看来，在今后相当长时间内，世界卷烟包装机械仍将向高速（将采用双路包 装技术）、高生产效率、便于操作和维修保养、高灵活性、产品质量好且稳定以及全 自动化方向发展，同时，其噪音和安全性将得到改善。卷烟包装机的一个重要执行机构是折角机构， 折角机构是直接完成香烟包装操 作的机构。 折角机构设计的合理与否对于包装机的正常运行及运行效率起着至关重 要的作用。 折角机构的设计应该符合香烟包装机的参数要求，由于香烟包装机械不 断向高速化发展，机械零部件应该尽量避免选择疲劳强度低的材料，由于包装机械结 构复杂，包装工艺动作配合要求高， 对折角结构自动控制直接影响包装机械的结构、 工作可靠性、香烟包装产品质量、生产效率、能量消耗和操作环境等，因此对折角结 构的结构要求要求较高。本次的毕业设计主要是通过对前人的折角机构进行研究，并根据常用卷烟包装机 械的特点，确定自己所设计的折角机构，运用 CAD 的软件把装配图及其原理图绘制 出。并进行装置的可实施性进行分析判断，最终完成本次卷烟包装机折角结构的设计。审 核 意 见指导教师评阅意见（对选题情况、研究内容、工作安排、文献综述等方面进行评阅）签字：年月日教研室主任意见签字：年月日学院教学指导委员会意见签字：年月日公章：摘 要烟草行业是我国税收的一个重要来源，卷烟包装的生产效率直接影响香烟的生产效益，卷烟包装机折角结构对于卷烟包装起着至关重要的作用，本论文重点研究卷烟包装机折角结构的设计，来提高卷烟包装的效率，降低卷烟包装的废品率。本文首先论述当前国内外烟草包装机技术的现状，其次根据卷烟包装的设计要求，对卷烟包装折角结构进行设计。根据烟包推送机构、包装纸进纸结构、内衬纸折角结构和商标纸折角结构的功能需要，对推送机构及进纸结构进行了理论计算为折角结构设计提供理论依据，并详细设计了主要结构并给出了关键部分的机构原理图，对原理图的功能进行了描述。最后利用 SolidWorks 软件建立关键部分的三维模型，当包装机在极限受力下，运用 SolidWorks Simulation 有限元软件对关键受力部件进行有限元受力分析。分析结果表明施加应力后的屈服强度远低于材料的许用屈服强度，因此卷烟包装机折角结构设计结果满足使用要求。本课题对所设计的卷烟包装机折角结构进行系统的设计与分析，有利于改善卷烟包装的自动化生产，降低包装过程中的烟支损坏率。有限元分析得出的应力与应变较小的部位，为以后结构的优化设计提供理论数据。关键词：包装机；折角结构；有限元分析ABSTRACTTobacco 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 analysisII目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论- 1 -1.1研究现状- 1 -1.2发展趋势- 1 -1.3研究内容- 2 -2折角结构设计- 3 -2.1卷烟包装机性能参数与设计要求- 3 -2.2 折角工艺过程- 3 -3方案设计、对比与选择- 5 -3.1包装机的工作原理- 5 -3.2设计对比并选择方案- 5 -4烟包推送机构设计- 7 -4.1推送机构- 7 -4.2 滚珠丝杠副的导程- 7 -4.3 滚珠丝杠副转速、载荷- 8 -4.4 滚珠丝杠转动惯量的计算并校核- 8 -4.5 扭矩的计算与校核- 9 -5包装纸进纸结构的设计- 11 -5.1包装纸结构的运动理论计算- 11 -6 内衬纸折角设计- 14 -6.1 内衬纸上折角设计- 15 -6.2 内衬纸下折角设计- 15 -7 商标纸折角设计- 16 -7.1 商标纸上折角设计- 17 -7.2 商标纸下折角设计- 18 -8 折角结构关键部件有限元分析- 19 -8.1 烟包推板有限元分析- 20 -8.2 内衬纸上折角有限元分析- 23 -8.3 内衬纸下折角有限元分析- 27 -9结论- 32 -参考文献- 33 -附录 1：外文翻译- 34 -附录2：外文原文- 46 -致谢- 55 -卷烟包装机的折角结构设计1 绪论烟草行业是我国的国税收收入的主要来源之一，然而全国有许多大中型卷烟厂所生产的产品经常处于供不应求的状态。而如何使香烟生产获得较高的生产效率和较好的包装质量，一直以来都是值得研究的重要问题。烟草包装的好坏对卷烟包装市场产生了重要的影响，直接或间接的影响了香烟生产。香烟包装顺序依次为内衬纸、商标纸、烟包封签、烟盒撕带、透明薄膜包装，最后再到条盒撕带和透明薄膜的包装。1在香烟包装过程中，包装速度和传输速度起着决定性作用。而卷烟包装机折角结构性能的好坏决定了卷烟效率、卷烟质量。从而影响着香烟销售竞争力和经济效益。因此，对于卷烟包装机的研究也正在受到相关企业的重视。1.1研究现状国外包装机械工业发展经历了以下几个阶段：简单机械化、初级机械化、自动包装生产线、计算机控制的更高速、全自动、智能化的高度自动化生产线。最近几年，美国、德国、英国，日本等国家的包装机械设备发展呈现出新的趋势。为了提高生产率，提高设备的柔性和灵活性，增加机械手完成复杂的包装动作（模拟手工包装）而呈现的越来越高的自动化工艺流程与机电一体化的控制。经过不断的发展，国外包装机械工业和包装机技术已经形成了独立完整的体系，成为机械制造的重要分支。我国包装机械在改革开放前基本上是一片空白，然而在改革开放后，由于我国的市场经济得到了发展，因而包装机械便开始在中国以快速发展之势呈现。同时随着市场的需求，我国的包装机械于是覆盖了多领域，其中就包括了烟草包装行业。另外，由于我国也在不断地吸取前人的经验教训，不断创新，让包装行业得到了较大的发展。从低速到高速，再从直式包装机到横式包装机，我国的包装机械经历了由最初的自己设计到引进国外整体包装机技术再到改进技术并优化，最后进行自我制造的过程。我国的烟草包装机主要是1988年从意大利GD公司引进的并消化组装技术，为我国各卷烟厂提供ZB45硬盒包装机组和ZB25软盒包装机组。这两种机组很大程度上使得产品技术性能和功能水平有了大幅度提升，均能达到400包/分钟。其电控系统虽然读取程序速度快，但是它具有开放性差，通用性差以及故障率高等缺点。上世纪末，改用西门子PLC，也增加更多的检测装置和控制逻辑，这在很大程度上提高了包装机的工作效率。近年来，我国刚刚接触超高速包装机械组的研制，和国外存在一定的差距但也在通过技术创新逐步缩小这个差距。1.2发展趋势随着我国经济实力和科学技术的发展，我国香烟包装机有了新的发展，呈现出了新的发展趋势，现代卷烟生产包装机械的发展趋势主要是：（1） 高速、高效、高可靠性；（2） 烟支柔和保护的研究；（3） 环保原辅材料的应用；（4） 驱动方式的变革；（5） 控制技术的高度数字化、智能化；（6） 更完整的包装质量检测系统；（7） 更为实用的人机工程；（8） 降耗、节能。由此可见，卷烟包装机械正在向着连续化生产、专业化作业、自动化调节发展。高效率化、数控化、柔性化、智能化、多功能化、模式化已成为烟草包装机械发展的必然趋势。1.3研究内容根据对国内外烟草包装机械的研究现状和发展趋势的分析，此论文研究内容主要为：根据包装机的工作原理和其折角结构的设计要求，首先构思出卷烟包装机的折角结构方案并对这些方案进行对比之后进行选择，其次根据所选择的折角结构方案对所要设计的结构进行设计。卷烟包装机的折角结构主要包括推送机构、进纸结构、折角结构，我们在了解了这些机构以及结构的功能以及它们所需要求后，并开始对烟包推送机构和进纸结构设计进行理论计算，这是折角结构设计的依据，完成对推送机构和进纸结构的计算，画出折角机构各部件的3D原理图，以此来说明各折角机构的工作原理。最后运用 SolidWorks Simulation 有限元软件对折角结构的关键受力部件进行有限元受力分析。2折角结构设计要想获得卷烟包装机的折角结构设计，首先得明确了解卷包包装机其包装的设计与功能要求。然后明确包装机的包装工业过程并对各个工业过程的包装功能进行深入了解，并知道每一步骤的具体功能。最后在这些基础上对进行详细的设计。2.1卷烟包装机性能参数与设计要求2.1.1技术性能要求包装香烟的速度：每分钟200包；香烟的尺寸：高 85mm； 长 53mm； 厚 22mm；包装纸大小：包装纸宽度 97mm；香烟包装烟包重量:2505g；2.2.2功能要求从香烟外观以及为了获得更好的收益，香烟包装机的折角结构应该满足以下要求：（1） 包装设备满足方便工作人员操作；（2） 包装结果满足外观平整美观；（3） 包装纸能满足平进出以减少浪费；（4） 包装机结构满足简单易操作，便于生产以及后期的维修和使用。2.2 折角工艺过程 图2.1 香烟包装的工艺顺序要对卷烟包装机的折角结构进行设计，先得明确香烟的包装过程，然后制定其包装的工艺顺序、折角工艺顺序。图2.1为香烟包装的工艺顺序，包装机的折角处的工艺顺序： 商标纸进纸内衬纸折角推送烟支内衬纸进纸 纸纸内衬纸端头折角商标纸折角其中，在内衬纸进纸完成以后，内衬纸要先对折，与烟支包裹，然后在内衬纸的侧面上部，开始对内衬纸上侧面进行折角，上侧面折角完成后便开始内衬纸侧面下部的折角。同样地，商标纸在进纸完后便与裹着烟支的烟包接触，不同的是我们需要先对商标纸的端部进行折叠动作，完成以后才对商标纸侧面的上下两边进行折角处理并进行粘封。接着对内衬纸端头两个侧面进行折角，完成后对此端头的上下两边进行折角处理后便是完成了折角过程。- 72 -3方案设计、对比与选择3.1包装机的工作原理图3.1香烟包装机结构示意图 如图所示：当推送机构运动到堆放烟支（储料仓）的下面时，排列好的烟支下落到推送机构的推板上随着推送机构的推送而向前运动。当其运动到包装材料输送切断棍时，香烟的包装材料从包装卷筒材料中被拉出，并在包装材料输出及切断棍的作用下切断，然后烟支与香烟包装材料进入带导槽的回转体里面，由于回转体里导槽侧面的作用，烟支与包装材料紧密接触并呈包裹之态。当转塔运动到侧面折叠机构到间歇工位这段时间，两折叠板对香烟长侧面进行折叠包裹，然后转塔转到侧面热封接机构时，将完成对香烟包装纸的侧面封接。在完成了侧面折叠与热封接后，推杆运动将运动到水平位置的烟包从回转塔的导槽里推出。当烟包继续运动到端面折叠机构时，此机构将会对烟包包装纸的端面进行折叠工作完成折叠工作的烟包最后经推送机构的推送而被推出。3.2设计对比并选择方案3.2.1 方案一阶梯折叠型：阶梯型折叠在烟包推送机构的推送下，烟包实现的先水平方向后垂直方向的运动过程并在此运动过程中完成和折角结构的接触来完成对折角结构的折叠与粘封。3.2.2 方案二回转折叠型：此结构的烟包是通过做圆弧运动来完成对烟包的折角折叠。当烟包沿着圆弧的轨迹运动，此时烟包会顺次完成各个包装面的折叠和在此轨道中完成各个包装面的粘封，最后输出圆弧轨迹通道时便完成了包装。3.2.3 方案三 直线折叠型：烟包在推送机构的推送下沿着直线做持续的直线运动。烟包在直线运动的过程中，烟支与包装纸接触而形成包裹，随后在包装通道的折角机构内完成对香烟的包装与粘封。表3.1 方案对比阶梯型折叠回转折叠型 直线型折叠优点：输送的路线短，烟包可实现首尾相接缺点：包装输送机构相对而言较多 优点：布局密集，占地面积小，可减少香烟包装机传动系统的传动链 缺点：由于各执行机构易发生干涉，需要另行增加调节装置 优点：由于其对于烟包的输送结构相对这三个方案来说是最简单的，并且烟包可实现首尾相接 缺点：由于是直线型折叠，所以其输送的距离较长，因此机械占地面积相对会大。通过对上述三种方案优缺点的对比，选择输送结构简单的方案三。4烟包推送机构设计4.1推送机构烟包的推送机构是与滚珠丝杠连接在一起的，由于滚珠丝杠的摩擦损失率小、传动率高、精度高、轴向刚度高，所以选择滚珠丝杠。然后在直流电机的驱动下烟包推板随着滚珠丝杠的回转运动而做向前的直线间歇运动，而烟包推板的作用便是在运动过程中推动内衬纸、商标纸与烟支的包裹接触来完成对香烟折角结构的折叠的。图4.1 推送机构示意图4.2 滚珠丝杠副的导程选用YEJ132S2-2驱动电机，其转速最快3000r/min，电机的输出端和滚珠丝杠的传动比为1:1,电机的惯量：0.06434kgm2，丝杠的最大速度：1800r/min,所以：P= Vin=180013000=0.6mm因为计算出的滚柱丝杠的导程P=0.6mm,所以我们选用导程为10mm的滚珠丝杠副。4.3 滚珠丝杠副转速、载荷图4.2滚珠丝杠副的受力简图上图所示为滚珠丝杠副的受力简图，取滚珠丝杠导轨的滑动系数为0.01，则滚珠丝杠副导轨所受的总摩擦力为：F=Mgu1+mgu2=110N/kg0.01+0.2510N/kg0.8=2.1N式中： M：烟包推板和滑块的总质量取1Kg； m:根据设计要求所设计的烟包的重量为0.25Kg； u1:导轨与滑块间的摩擦系数0.01； u2：工作平台和纸之间的摩擦系数；则如果要推动2.1N的力所需要的扭矩为：T=FP2=21020.96=3.32N转速为：V=60VP=603010=180r/min4.4 滚珠丝杠转动惯量的计算并校核滚珠丝杠的转动惯量：J1=12mr2=1270.0252=0.002Kgm2式中： m:滚珠丝杠的重量（滚珠丝杠长为1m质量约为7Kg）； r:滚珠丝杠的公称直径为25mm；外部的载荷的转动惯量：J2=M(P2)2=1(0.012)2=0.0000202Kgm2JW=J1+J2=0.002+0.0000202=0.002202Kgm2因为JWJM=0.0643Kgm2因为计算所得出的转动惯量远小于所选电机的转动惯量，也就是说我们选择的驱动电机是符合要求的。4.5 扭矩的计算与校核(1) 烟包被推而产生的摩擦力扭矩为：Tp=FP210-3=0.7N0.01m2=0.04Nm式中： ：未加预紧的滚珠丝杠副的效率 （2级精度的效率为0.9） F ：外加的轴向载荷（烟包所受推力与导轨摩擦力）(2) 预紧力所产生的摩擦扭矩为：TD=FPP21-2210-3=0.7N0.01m21-0.920.92=0.0003Nm式中： Fp:滚珠丝杠间预紧力：Fp=Fmax3=0.7N通过以上计算我们最终选用的角接触球轴承型号为72004，其所受的摩擦力矩为：Th=2Tb=20.12Nm=0.24Nm（3） 加速度所产生的扭矩：根据烟包推送机构的设计要求，其烟包推板的Vmax=30mm/s，电机的转速n2=180r/min,而驱动此电机的最大加速度是a=60mm/m2,那么工作台速度从 0上 升到 30mm/s 需要的时间：t=2Va=23060=1s所以当电机的转速由0上升到180r/min的时候，所需要的负荷扭矩为：Tj=Jw2(n2-n1)60t=0.0022022(180-0)601=0.0415Nm所以电机的总扭矩为：Tm=Tp+TD+Th+Tj=0.02858Nm选用的驱动电机的额定扭矩为2.1N,而计算得到的电机扭矩为0.02858。所以所选择的电机满足要求。5包装纸进纸结构的设计包装纸进纸结构的功能是能将包装纸拉到事先安排好的指定区域，而且能及时准确的保证包装纸的剪裁，以使烟包烟支不受挤压与损坏。包装纸进纸结构包括：送纸辊、分离辊、导向板及切断板、摩擦块、摆动执行机构、凸轮、步进电机。下图为包装纸进纸结构的示意图：图5.1包装纸进纸结构示意图烟包先与包装纸进行接触然后再推板推送到折角机构，拉纸辊和摩擦板将包装纸卷筒内的卷筒衬纸拉致指定的位置。5.1包装纸结构的运动理论计算 包装纸进纸结构的运动（传动）需要考虑到导向板、切断板、摩擦块、送纸辊、分离辊等的摩擦系数，同时还有拉纸辊的转动惯量、包装纸被下拉的速度等问题。下图为包装纸在拉纸辊中的运动受力图：图5.2 拉辊纸的受力简图包装纸在送纸的过程中其动力学的方程为：J1d1dt=M-F1r1J2d2dt=F2r2-T式中： J1：送纸辊的转动惯量； 1:送纸辊的加速度； M：送纸辊的扭矩； J2：分离辊的转动惯量； 2：分离辊的加速度； T:分离辊的扭矩。 拉纸辊接触表面的相对运动速度方程式：Vr1=r11-VpVr2=r22+Vp通过动力学方程我们可以看出：分离辊和送纸辊的角速度半径大小均是相同的，而方向不同。而需要传动越稳定则ddt比值越小，则有M-F1r1=0，F2r2-T=0。所以通过相对运动速度方程可以得出：Vr1=Vr2。所以经过以上的理论计算可以知道，需要做到包装纸进纸平稳顺畅，则所设计的拉辊纸需使送纸辊与分离辊的大小尽量的相等，这样才能保证包装纸的进纸的平稳性。之所以选用凸轮连杆机构是因为在其带动下与摆动执行构件连接的摩擦块能做往复的间歇运动，从而可完成对包装纸的下落过程。同时因为包装纸和烟包的输送所需要的配合精度高的同时，烟包的包装速度也比较快。凸轮的运动学方程为：a1m=2arcsin(basina2m2)-a2ma1=a1m+a2m2-a2-2arcsin(basina2m2-a2)式中： a1m：从动杆的总摆角位移； a1：从动杆的角位移； a2m：摆动执行构件的总摆角位移； a2：摆动执行构件的角位移； a：从动件的有效的总长； b：直动构件与摆动执行构件间的支点距离。6 内衬纸折角设计包装纸在经过进纸机构输送出来以后，开始进入了烟包通道并与烟包接触，在此期间，将会对内衬纸上下进行折叠，紧接着烟包和内衬纸在经过端头折角器的时候，内衬纸底部在端头折角器的挤压下产生变形而发生对折，这样就便于两个侧面好进行折角。为了避免发生干涉现象，两侧面折角应分开操作，以获得高质量的折叠效果。根据前文卷烟包装机的工艺顺序来，我们应该先对内衬纸的上折角进行折叠，然后再经过推送机构的推送，烟包运动进入到内衬纸上折角部件时对内衬纸上折角进行折叠，然后接着进行内衬纸的下折角部分的折叠动作。下图为内衬纸折角结构和端头折角示意图：图6.1内衬纸折角结构1端头折角；2盖板；3内衬纸的上折角器；4内衬纸的下折角器图6.2端头折角示意图6.1 内衬纸上折角设计图6.3内衬纸的上折角结构 图6.4内衬纸上折角的示意图香烟烟支在与内衬纸接触形成包裹之后，进入到香烟包装通道，并在端头折角器的作用下，内衬纸的端头产生了变形被折叠，折叠好端头的内衬纸烟包在推送机构的推板下运动到包装机的上侧面折角处，而设计的内衬纸的上折角机构的工作面不是平整的而具有一定角度，于是在内衬纸的上折角机构与内衬纸上侧面接触后，内衬纸在上折角工作面的作用力下朝侧面下方弯曲，最终得到内衬纸的下折。6.2 内衬纸下折角设计图6.5内衬纸下折角结构 图6.6内衬纸下折角示意图在经过内衬纸上折角部件折叠后的烟包，在推送机构的推送下继续运动，其被推送到内衬纸上折角部件的时候，为了避免在对内衬纸下侧面进行折角时对已经折叠好的上折角产生上折角的内衬纸变形被挤破或者对下折角的折叠产生不平整外观，所以完成折叠的内衬纸上折角处任然需要由上折角的工作面给压住。内衬纸下折角的工作面呈曲面导向，两曲面间距可轻微地挤压烟包以此来获得内衬纸的塑性。当烟包被输出内衬纸折角结构后，烟包的内衬纸折角工序便完成了折叠。7 商标纸折角设计图7.1商标纸折角结构1端头折角：2盖板；3商标纸上的折角部件；4商标纸的下折角部件；5上折角托脚内衬纸侧面上下折角完成后，便开始要进入到商标纸折角工序，同样地，烟包在推送机构的推板作用下先通过商标纸进纸结构，此进纸结构与内衬纸进纸结构工作原理相同，在导向板及切断板的作用下被切断的商标纸与裹有内衬纸的烟包形成包裹，在推送机构的推送下，烟包进入商标纸折角通道，此时将会在商标纸折角结构的作用下完成对商标纸上下两侧面的折角过程与端头折角。当烟包在完成商标纸上折角并输出上折角之后，在进入商标纸下折角之前，完成折叠的商标纸上折角会在有浆糊的叶轮作用下涂上浆糊，这样便在完成商标纸下折角时能将商标纸的侧面进行粘封，这样就完成了商标纸侧面的折角动作位。而端头的两个侧面的折角是在爪板、搭角爪、凸轮的同时作用下完成的，接下来是对内衬纸端头下折角的折叠过程，此过程是由搭角体、下搭角、拉簧杆、搭角凸轮等部件完成对内衬纸下端头的折角动作，而内衬纸上断头的折角是在烟包转位时完成的，这样在完成了这些步骤之后便完成了所有的折角过程。7.1 商标纸上折角设计图7.2商标纸上折角结构烟包经过商标纸进纸机构后与商标纸形成包裹，在烟包推送机构的推送下，烟包运动到商标纸折角处，此时将要对商标纸侧面上部进行折角。如图7.2所示，可以看出商标纸上折角结构由于商标纸的上折角的工作平面不是光滑平整而是具有一定的曲面弧度的，所以当商标纸与商标纸上折角的工作平面接触后，在其工作平面的曲面弧度导向作用下，商标纸被下折弯曲，这便完成了对商标纸侧面上折角的折叠。7.2 商标纸下折角设计图7.3商标纸下折角结构在完成对商标纸侧面上折角的折叠后即将要进行商标纸侧面下折角的折叠动作，完成折叠的商标纸上侧面折角，在进入到商标纸下折角的折叠动作之前，同样地与内衬纸侧面折角时相同，完成上折角的商标纸在输出上折角而进入到下折角折叠的过程中，带浆糊的叶轮将会对折叠好的上折角处进行涂染，商标纸下侧面的折叠动作便在商标纸下折角结构的曲面导向下而使商标纸向上弯曲而完成折叠，因为浆糊的作用，在完成下折角的同时对商标纸侧面也完成了粘封。8 折角结构关键部件有限元分析因为香烟包装机的主要受力部件主要是烟包推板以及每一个上下折角部件，所以要使卷烟包装机能够按使用要求正常运行，主要受力部件必须得满足设计要求。有限元分析方法能够对烟包推板以及上、下折角部件进行受力与应变分析，这样便能准确的分析烟包推板和上下折角过程中所受到的力和变形的情况。有限元分析法是一种利用数学近似的方法对真实的物理系统（几何与载荷工况等）进行模拟，利用单元即可通过用有限数量的未知量来逼近无限数量未知量的系统。2选择Solidworks Simulation有限元分析软件来进行分析，能够有效的对所要分析的部件进行分析。下图为有限元分析流程：创建模型网格划分材料属性施加载荷运算分析结果验证图8.1有限元分析流程8.1 烟包推板有限元分析 表8.1网格信息网格的类型实体网络所有的网格器标准网络自动过渡关闭网格自动环关闭扭曲单元的点4点单元大小1.31558mm公差大小0.0657788mm网格的品质图解高8.1.1烟包推板的网格划分表8.2网格信息细节单元总数70161节点总数45224最大高度的比例4.205单元高度比10%0扭曲单元百分比08.1.2 烟包推板材料属性表8.3材料属性参考模型属性名称：AISI 105号钢模型类型：线性弹性同向失败默认准则：最大von Mises应力屈服强度：530N/mm2张力强度:625N/mm28.1.3 定义负载与约束由于烟包的推板不受其他的约束力，并且在螺栓的连接下而固定在滚柱丝杠的螺母上。因此对烟包推板的螺栓孔施加固定的约束。假设将烟包推板的推力设为10N,然后将它加在烟包推板的平面上表8.4约束属性约束名称约束图像约束细节固定2实体：2面类型：固定几何体表8.5载荷属性载荷名称加载图像负载细节力2实体：1面 类型：应用法向力值：10N8.1.4 算例结果与结果分析对于烟包推板所选用的AISI1045号钢，其屈服应力为530MPa,如下图所示为烟包推板在10载荷作用下的应力云图，通过下图我们可以可以看出烟包推板其所受的大部分应力都在0.8MPa以下，并且应力的最大值4.587远小于许用应力，所以内衬纸的上折角的强度符合要求。表8.6烟包推板应力云图表8.7烟包推板应变云图名称类型最小最大DisplacementURES:合位移0.000e+0.000mm节：14.052e-0.03mm节：64423上图所示为烟包推板在10N载荷情况下的应变云图，从图中可以看出烟包推板受到的最大变形量为0.004052mm，在烟包推板工作面的最上边。8.2 内衬纸上折角有限元分析8.2.1内衬纸上折角的网格划分表8.8内衬纸网格信息网格的类型实体网络所有的网格器标准网络自动过渡关闭网格自动环关闭扭曲单元的点4点单元大小0.85864mm公差大小0.42932mm网格的品质图解高表8.9网格信息细节8.2.2 内衬纸上折角的材料属性表8.10材料属性参考模型属性名称：AISI 1045号钢模型类型：线性弹性同向失败默认准则：最大von Mises应力屈服强度：530N/mm2张力强度: 625N/mm2 8.2.3 定义负载与约束同样地因为内衬纸的上折角是用螺栓固定在盖板上而致其不受其他与约束，因而同样地对是对内衬纸的上折角处螺栓孔的地方施加固定的约束。将烟包推板推送烟包的10N力转化为子载荷且加到内衬纸上折角的作用面上。表8.11约束属性约束名称约束图像约束细节固定1实体：2面类型：固定几何体表8.12负载属性载荷名称加载图像负载细节力1实体：1面 类型：应用法向力值：10N8.2.4结果与结果分析表8.13内衬纸上折角应力云图如上图所示，从内衬纸上折角的应力云图中可以看出当在载荷为10N 的情况下，此材料即45号钢所受到的屈服力是530MPa。而从其应力云图可以看到基本上大部分的应力都在4MPa以下，并且最大为27.373MPa,这个数值远小于其许用应力，因此内衬纸上折角符合强度要求。表8.14内衬纸上折角应变云图名称类型最小最大DisplacementURES:合位移0.000e+0.000mm节：11.591e-0.02mm节：2919如上所示，从内衬纸上折角的应变云图中我们可以看出，在载荷为10N 情况下内衬纸上折角处的最大变形量是在内衬纸上折角的折角底部，最大变形量为0.00159mm。8.3 内衬纸下折角有限元分析8.3.1内衬纸下折角网格划分表8.15网格划分网格的类型实体网络所有的网格器标准网络自动过渡关闭网格自动环关闭扭曲单元的点4点单元大小2.83273mm公差大小0.141636mm网格的品质图解高表8.16网格细节8.3.2内衬纸下折角材料属性表8.17材料属性参考模型属性名称：AISI 1020号钢模型类型：线性弹性同向失败默认准则：最大von Mises应力屈服强度：351.57N/mm2张力强度:420.507N/mm28.3.3定义载荷与约束和烟包推板与内衬纸上折角情况一样，内衬纸的下折角是通过螺栓固定在底板上而不受其他约束，所以直接对内衬纸下折角的螺栓孔施加约束。任然设10N的烟包推板力推送烟包，并转化为载荷，而把此载荷加载到内衬纸下折角的作用平面上。表8.18约束属性名称图像细节固定1实体2面类型固定几何体表8.19负载属性名称图像细节力1实体：1面，1基准面参考：上视基准面类型：应用力值：-10N8.3.4结果与结果分析下图为内衬纸下折角的应力云图，从图中可以看出，在10N 的载荷下，20号钢的屈服应力为355MPa，可以看到的是大部分的应力都在0.021MP下，而应力的最大值才为0.123MPa远小于内衬纸下折角的许用应力，因此符合强度要求。表8.20内衬纸下折角应力云图名称类型最小最大StressVON:von Mises 应力0.00N/mm2(MPa)节：2280.123Nmm2(MPa)节：9592表8.21内衬纸下折角应变云图名称类型最小最大DisplacementURES:合位移0.000e+0.000mm节：13.370e-0.05mm节：75如上所示，从内衬纸下折角的应变云图可以看出在10N载荷条件下，内衬纸的下折角的变形最大处在下折角折角面的底部，最大变形量小于0.00337mm。9结论本文的设计题目为卷烟包装机的折角结构设计，以卷烟包装机的折角结构作为研究对象，从设计工作的理论意义和应用价值出发，然后根据对国内外卷包包装机折角结构的目前研究状况和发展趋势做了介绍。论文主要解决的是卷烟包装机的折角结构的方案设计与其结构设计。论文首先对当前国内外烟草包装机技术的现状以及其发展趋势进行叙述，以确定本文研究的内容与重点，其次根据卷烟包装的设计要求及其功能要求，根据卷烟包装机的工作原理，对方案进行设计对比并且选择。之后便对烟包推送机构以及包装纸进纸结构进行理论计算，以便于更好的对折角结构进行设计。设计了主要的折角机构，并画出其关键部位的3D效果图并加以描述。最后，通过 SolidWorks Simulation 有限元分析模块对关键部件进行校核，通过对比施加应力后材料的屈服强度与材料的许用屈服强度来判断所设计的折角结构是否满足要求。分析结果表明施加应力后的屈服强度远小于材料的许用屈服强度，因此卷烟包装机的折角结构设计满足使用要求。参考文献1杜启祥.包装机齿轮机构动力学分析J.包装工程,2012,33(15):70-71.2赵建东.包装机械设计的改进方法研究J.工业技术,2015,(30):90-92.3刘军伟.包装机械设计方法初探J.装备制造技术,2012,(8):209-210.4田晓鸿.推烟包装机推手装置的解析法设计J.包装工程,2011,32(17)：76-79.5王涛.包装机设计J.机械化工,2015:59.6魏玉杰.全自动书本打包机的研究与设计J包装工程,2012,33(17):79-83.7李旺杰.一种半自动纸箱包装机机械系统设计J.包装工程,2016,37(21):179-181.8边魏.药瓶纸盒包装机工作原理及结构设计J.机械工程师,2013,(9):113-114.9冷东.包装机凸轮连杆组合机构的动态特性分析J.机械设计与制造,2015(6):188-193.10江山.烟盒自动包装生产线的研究与设计D.广东:广东工业大学,2015.11周卫江.纸盒包装机的结构设计和分析D.浙江:浙江工业大学,2011.12王亮.自动书本打包机结构设计与分析D.江西:南昌航空大学,2013.13G.Mullineux.Constraint-based simulation of carton folding orerationsJ.Computer-Aided Design,2010(42):257-265.14Wei Yao.Automatic folding of cartons using a reconfigurable robotic Computer-Integrate Manufacturing,2010(27):604-613.15 P.Betancur-Muoza.Integrating Design for Assembly guidelines in context-based approachJ.Procedia CIRP ,2014(21):342347.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
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