（机械设计及理论专业论文）基于ansys茶叶包装机料仓的研究.pdf

l i i l lilii i l lll li i11i iiii y 17 9 919 7 r e a s e r c ho nt h eh o p p e ro fp a c k a g i n g f o rt e ab a e s do na n s y s at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f s i e n c ei nm e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一_ _ _ _ _ _ _ 一 一一 b y l i uw e n t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r d i n g y i m a y , 2 0 1 0 基于a n s y s 茶叶包装机料仓的研究 摘要 根据国内对茶叶包装的需求，受深圳某包装企业委托，对现有茶叶包装 机进行结构优化设计及研究。以解决生产中常遇到的卡机现象，提高生产效 率，达到操作简单方便、加工过程安全可靠为目的，综合现代c a e 技术对 茶叶包装机的料仓部分进行整体优化，并对市场上装盒机的卡机问题进行了 理论分析和研究。 长期以来，国内茶叶包装生产的装盒工序主要是采用手工包装，生产效 率低下，装盒质量不高，常有漏装、多装的现象。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 叶制品生产质量的不断提高，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。人们逐渐采用机械化装盒，但由于包装材 料的质量及纸盒制作工艺等都达不到机器包装的要求，在生产过程中，全自 动装盒机经常遇到卡机现象，一直无法正常使用。所以，全自动装盒机在我 国的应用一直无法得到广泛的推进，以致生产上很长的一段时间内不得不放 弃自动装盒机而采用手工操作，装盒效率极端低下。通过分析市场装盒机卡 机的原因，并对纸盒的力学性能进行了研究与分析，从而对装盒机的开盒方 式进行设计优化。国内现有装盒机一般是通过卡推方式开盒，如果纸张的挺 度不好、纸张的材质较差，就可能造成打不开，从而导致停机，因此装盒机 的速度和纸张的质量有很大关系。本次设计将卡推方式的开盒结构更新为带 有吸盘和输送带卡位机构的开盒装置，降低了设备对纸张的要求。避免了因 开盒不成功而停机的可能，既节省了包装材料，又保证了生产速度，而且相 比较速度更高的装盒机拥有较高的性价比。在机械设计过程中，引入有限元 分析技术，采用a n s y s 软件实现纸盒挺度分析的有限元研究，对现在市场 上装盒机的卡机问题有一定的参考价值，也对机械重要的金属结构部分提供 一定的分析依据。对于加快机械研制周期、降低研制成本，具有重要的意义， 也为将来包装行业进行计算机平台下有限元分析的研发打下基础，为装盒机 的创新设计和优化设计提供先进的技术支持。 根据装盒机自动化的需求特点，确定了系统的总体方案，包括自动供料 设计、茶叶包交叉排列装盒设计，以及纸盒力学性能的理论研究。本文主要 利用p r o e 、a n s y s 软件平台，建立了装盒机运行系统的三维数字化模拟， 并对其进行了较为系统的有限元动力学仿真分析，通过有限元算法对纸盒的 力学性能进行了理论研究与分析。 关键词：茶叶包装机，开盒机构，挺度，a n s y s ，p r o e r e a s e r c ho nt h eh o p p e ro fi l ! i a c k a g i n g f o rt e ab a e s do na n s y s a b s t r a c t t h e t o p i co f t e ap a c k a g i n gi na c c o r d a n c ew i t hd o m e s t i cd e m a n d ，s u b je c tt o ap a c k a g i n ge n t e r p r i s e si ns h e n z h e nw a sc o m m i s s i o n e dt ot h ee x i s t i n gt e a p a c k i n gm a c h i n ef o rs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dr e s e a r c h t oa d d r e s st h e p r o d u c t i o no ft h ep h e n o m e n o nf r e q u e n t l ye n c o u n t e r e di nt h e c a r dm a c h i n e ， i m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n da c h i e v es i m p l eo p e r a t i o n ，s a f ea n dr e l i a b l e p r o c e s sf o rt h ep u r p o s eo fac o m p r e h e n s i v em o d e mc a et e c h n o l o g yf o rt e a p a c k i n gm a c h i n eh o p p e rp o r t i o no fo v e r a l lo p t i m i z a t i o n ，a n dt h em a r k e t c a r t o n i n gm a c h i n ec a r dm a c h i n e sc o n d u c t e d at h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dr e s e a r c h f o ral o n gt i m e ，t h ed o m e s t i cp r o d u c t i o no ft e ap a c k i n gc a r t o n i n gp r o c e s si s u s e dm a i n l ym a n u a lp a c k a g i n g ，p r o d u c t i o ni n e f f i c i e n c y , c a r t o n i n gq u a l i t y , o f t e n y o u l o ue q u i p m e n t ，m u l t i - l o a d i n gp h e n o m e n o n w i t ht h es c a l eo fc h i n a st e a i n d u s t r y , t h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft y p e so ft e ap a c k a g i n gs h o w i n ga g r o w i n gn u m b e ro fc o n t i n u o u s l ye n r i c h e dw i t ht h e s i t u a t i o n p r o d u c t i o no f q u a l i t yt e ap r o d u c t s ，e s p e c i a l l yt h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fi t sp a c k a g i n g t e c h n o l o g yp u t f o r w a r dh i g h e r r e q u i r e m e n t s ，e s p e c i a l l y f o rt e a c a r t o n i n g m a c h i n em a d en e w e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n t s t h e r ei sag r o w i n gu s eo f m e c h a n i z e dc a r t o n i n g ，b u tb e c a u s eo ft h eq u a l i t yo fp a c k a g i n gm a t e r i a l sa n d c a r t o nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n ds on o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fp a c k a g i n g m a c h i n e r yi nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，a u t o m a t i cc a r t o n i n gm a c h i n ec a r dm a c h i n e f r e q u e n t l y e n c o u n t e r e d p h e n o m e n o n ，h a s b e e nu n a b l et ow o r kp r o p e r l y t h e r e f o r e ，a u t o m a t i cc a r t o n i n gm a c h i n ea p p l i c a t i o ni nc h i n ah a sb e e nu n a b l et o b ew i d e l yp r o m o t e ds ot h a tp r o d u c t i o no fav e r yl o n gp e r i o do ft i m eh a dt og i v e u pa u t o m a t i cc a r t o n i n gm a c h i n e s ，am a n u a l ，c a r t o n i n ge x t r e m e l yl o we f f i c i e n c y b ya n a l y z i n gt h em a r k e t ，t h er e a s o n sf o rc a r t o n i n gm a c h i n ec a r dm a c h i n e ，a n d c a r t o n so ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr e s e a r c ha n da n a l y s i s ，t h u sc a r t o n e rw a y t h eo p e nb o xd e s i g no p t i m i z a t i o n e x i s t i n gd o m e s t i cc a r t o n i n gm a c h i n e sa r e g e n e r a l l yw a y s t op u s ht h r o u g ht h ec a r d st oo p e nb o x e s ，i ft h ep o o rs t i f f n e s so f p a p e r , p a p e rm a t e r i a lp o o r i tc o u l dr e s u l ti nn o to p e n ，r e s u l t i n gi nd o w n t i m e ，s o i i i c a r t o n i n gm a c h i n es p e e da n dp a p e rq u a l i t yh a sal o tt o t h ed e s i g no ft h ec a r dt o o p e nt h ew a y t op u s hu p d a t e sb o xs t r u c t u r e 、i mas u c t i o nc u pa n dc o n v e y o r c a r d sf o rd i g i t a la g e n c i e st oo p e nb o xu n i t ，r e d u c i n gt h ee q u i p m e n tt ot h ep a p e r r e q u i r e m e n t s t oa v o i dd o w n t i m ed u et oo p e nb o xu n s u c c e s s f u l a n dt h e p o s s i b i l i t yo fs a v i n gt h ep a c k a g i n gm a t e r i a l ，b u ta l s oe n s u r et h ep r o d u c t i o nr a t e ， b u tc o m p a r e dt oh i g h e rs p e e dc a r t o n i n gm a c h i n e sh a v eah i g h e rp r i c e i nt h e m e c h a n i c a ld e s i g np r o c e s s ，t h ei n t r o d u c t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，u s i n g a n s y ss o f t w a r ec a r t o ns t i f f n e s sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fr e s e a r c ho nt h e m a r k e tt o d a yc a r t o n i n gm a c h i n ec a r dm a c h i n et oac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e ，b u t a l s ot h em e t a lm e c h a n i c a lk e ys t r u c t u r a le l e m e n t so fp r o v i d eab a s i sf o ra n a l y s i s s p e e du p t h ed e v e l o p m e n tc y c l ef o rt h em a c h i n e ，r e d u c i n gd e v e l o p m e n tc o s t s ，i s o fg r e a ts i g n i f i c a n c e ，b u ta l s of o rt h ef u t u r ep l a t f o r mf o rt h ep a c k a g i n gi n d u s t r y f o rc o m p u t e rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tl a yt h e f o u n d a t i o nf o rt h ec a r t o n i n gm a c h i n ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no fi n n o v a t i v e d e s i g np r o v i d e sa d v a n c e dt e c h n i c a ls u p p o r t c a r t o n i n gm a c h i n ea c c o r d i n gt o t h en e e d so fa u t o m a t i o nf e a t u r e st o d e t e r m i n et h e s y s t e m s o v e r a l l p l a n ，i n c l u d i n g a u t o m a t i c f e e d i n gd e s i g n ， c r o s s a r r a n g e dc a r t o n i n gt e ab a gd e s i g n ，a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc a r t o n t h e o r e t i c a lr e s e a r c h i nt h i sp a p e r , t h eu s eo fp r o e ，a n s y ss o f t w a r ep l a t f o r m a n de s t a b l i s h e dc a r t o n i n gm a c h i n er u n - t i m es y s t e mt h r e e d i m e n s i o n a ld i g i t a l s i m u l a t i o n ，a n dg a i n am o r e s y s t e m a t i ca n a l y s i s o ff i n i t ee l e m e n td y n a m i c s i m u l a t i o n ，t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o do nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ec a r t o nt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n da n a l y s i s k e y w o r d s ：p a c k a g i n gm a c h i n e f o rt e a ，o p e nb o xm e c h a n i s m ，a n s y s ，p r o e i v 目录 摘要i a b s t r a c t i l 绪论。1 1 1 研究背景1 1 2 装盒机介绍1 1 2 1 装盒机的概念1 1 2 2 装盒机的原理。2 1 2 3 装盒机的工作流程2 1 2 4 装盒机的形式4 1 3 国内外装盒机对比4 1 4 装盒机的存在问题5 1 5 课题研究的内容及意义6 1 6 关键技术及创新点7 1 6 1 关键技术7 1 6 2 创新之处7 2 全自动装盒机料仓结构设计。8 2 1 装盒机设计的主要依据参数8 2 2 装盒机的工作流程1 0 2 3 纸盒的性能1 0 2 4 开盒机构的优化设计。l1 2 4 2 开盒缺点11 2 4 3 解决方法。1 2 2 4 4 两种开盒方式的比较1 3 2 5 纸盒料仓的总体方案设计1 4 2 5 1 对料仓部分的基本要求1 4 2 5 2 料仓形式选择。1 4 2 5 3 挡板尺寸的确定1 6 2 5 4 纸盒料仓的设计方案21 2 6 1 吸盘基本形状2 3 2 6 2 吸盘的选择2 4 2 6 3 吸盘真空度确定2 4 2 6 4 吸盘吸力求解2 5 2 6 5 吸盘直径确定2 7 2 6 6 吸盘参数选择时注意的问题2 7 2 6 7 吸盘型号确定2 7 2 7 吸盘的安装及间距可调的实现2 8 3 关键部分有限元分析3 0 3 1 有限元软件a n s y s 简介3 0 3 2 挺度有限元校核3 1 3 2 1 实体建模3l 3 2 2 网格划分。3 2 3 2 3 载荷3 2 3 2 4 求解与有限元分析3 3 4 有限元动力学分析4 2 4 1 模态分析简介4 2 4 2 吸盘模态分析4 3 4 2 1 三维有限元的基本理论。4 3 4 2 2 动力学分析4 6 5 产品的三维实体建模与装配仿真4 8 5 1p r o e 模型装配过程4 8 5 2 产品实体模型4 9 6 总结51 j l 贮谢5 3 参考文献5 4 攻读学位期间发表的学术论文目录5 7 附录a ：5 8 摩擦系数实验报告5 8 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明6 3 基于a n s y s 茶叶包装机料仓的研究 1 绪论 1 1 研究背景 装盒机是包装机械的一种，产品装盒是进入市场前必不可少的过程，装盒机就是实 现这一过程的机械，也是解脱手工装盒与提高包装效率的重要设备。自动装盒机的工作 原理是将被包装物品及说明书自动装入折叠纸盒中，并完成一系列合盖动作，有些功能 较全的自动装盒机还具有热收缩裹包和贴封口标签等附加功能n 1 。 我国早期的装盒生产工序主要依赖于手工，随着对外贸易的迅速扩大，传统的手工 装盒已经不能满足市场的需求，高效率的机械生产已是大势所趋，特别是我国机制纸盒 的推广，带动了自动装盒机的应用。自动化的包装生产线，一方面可以提高包装效率， 降低包装的人工成本，另一方面还可以提高卫生水平。 近年来，大多数有实力的企业，都相继进口使用了装盒机。但在这些设备的使用过 程中，多少都出现了一些与国内纸盒材料，质量不匹配的问题。一些企业在进口国外装 盒机时，忽视了其是否对国产纸盒材料，质量的适用性，造成了原来的纸盒材料无法继 续使用，而不得不改为高成本的包材；而国产的装盒机，大多数是由国外的设备模仿而 来，生产企业对自主研发投入很少，技术人员还没有对装盒机的专业性和包装材料有一 个透彻的理解和钻研，因而都出现了设备不稳定，经常停车，纸盒上机效率低，产品剔 废高的情况。针对这一问题，研究纸盒的力学性能，对装盒机的优化设计有着重要的意 义扪。 在设计过程中充分利用现代设计方法，有限元分析技术。通过a n s y s 软件建立机 构模型，从简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析，而且，还具有产品的优化设 计、估计分析等附加功能。它不但可以解决结构分析问题，而且，也成功地解决了其他 领域的问题。目前，许多通用的有限元计算软件将有限元分析、计算机图形学及优化设 计相结合，形成了完整的计算机辅助分析系统。利用有限元分析软件大大的提高工作效 率。本设计对关键机构部分进行有限元动力分析，在产品的设计阶段保证了产品质量及 强度，显著地提高了产品的设计性能，大幅度地缩短了设计周期，极大地增强了产品的 市场竞争能力。 1 2 装盒机介绍 分 1 2 1 装盒机的概念 在g b t 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。 全自动装盒机是集光、机、电、气于一体，由计算机控制。适用于食品、药品、保 陕西科技大学硕士学位论文 健品等版状、瓶状物品的机械自动装盒。自动完成产品的传送、说明书的折叠与传送、 纸盒成型与传送、产品与说明书装入纸盒内、纸盒两端纸舌封装等工序，并对不合格产 品进行自动剔除。装盒机的设计要实现使用范围广；全自动化；多功能；体积小；外观 新颖的装盒机。尽将机械、微电子、微机、仪器、仪表、传感器、变频动力源、新型传 动系统( 控制器内存增量式角度编码器具有精确的运动定位控制功能) 、执行机构等多种 先进技术融为一体，成为一台具备完整机电一体化系统的设备。使微机内可存储的功能 应用到装盒机生产中。如：产品数量；故障现象；生产速率；自动温控；动态检测；报 警；过载和失控保护；安全连锁控制；并把结果打印出来；或在屏幕上显示等功能，使 装盒机的精度，可靠性，体积更为提高，真正制造出具有性能稳定，先进水平，功能齐 全，体积小等的装盒机口1 。 1 2 2 装盒机的原理 自动装盒机分为三个迸料入口：物料入口、说明书入口和填料入口。整个过程大概 分为下盒、开盒、装填、合盖四个部分，从填料、进料到包装成型完成整个装盒过程。 下盒动作通常是由吸盘机构将折叠纸盒从纸盒料仓中吸取，下行到装盒机的输送带上， 纸盒由导轨卡位将其固定，推板将纸盒向前推开使之成型，同时从输送带下方升起两个 能向前移动的卡位装置，前后方向将纸盒的侧面卡住，使纸盒打开成直角后向前移动到 物料装填区。将物料填装后，纸盒继续向前运动，纸盒襟片折进左右的导轨中，然后进 行合盖动作。合盖前纸盒的插舌( 折叠上盖边缘) 先弯折，然后由一推板推动弯折的纸 盒盖，使纸盒插舌插进盒子中并使之锁扣扣紧，如图卜1 所示。 捷倒两措片 折叠上盖边糠 扣上鼍 图卜1 扣盖步骤 f i g 1t h es t e p sf o rb u c k l ec o v e r 1 2 3 装盒机的工作流程 装盒机按运行方式分为三种： 立式、卧式定位式； 立、卧链式水平间歇式、连续式； 立、卧转盘式间歇、连续式。 按照这三种运行方式，自动装盒机工作流程及简注如下所示： 2 基于a n s y s 茶叶包装机料仓的研究 放盒仓位装置取盒装置纸盒仓位开盒装置 l 、放盒仓能凋高低宽窄 2 、采用步进电机调节 3 、屏幕显示尺度调节 4 、纸盒仓位带刻度尺 5 、纸盒自动进位放盒方便 6 、设有手动调节功能 根据运行方式确定： l 、定位式用真空吸盘 2 、链条式用机械推入 3 、定位式、链条式用 液压机械推入 4 、转盘式摩擦旋推入 根据运行方式确定： l 、定位式用真空吸盘 2 、链条式用机械推入 3 、定位式、链条式用 液压机械推入 4 、转盘式摩擦旋推入 根据运行方式确定： 1 定位式用真空吸盘 2 链条式用机械推入 3 、定位式、链条式 用液压机械推入 4 转盘式摩擦旋推入 纸盒定位装置封底小舌装置封底大舌装置说明书折叠机构 根据运行方式确定： 1 定位式用真空吸盘 2 链条式用机械推卡 3 转盘式用机械推卡 根据运行方式确定： l 、用气缸方式推入 2 、用机械方式推入 3 、机械联动方式推入 4 、用液压机械推入 根据运行方式确定： 1 、用气缸方式推入 2 、用机械方式推入 3 、机械联动方式推入 4 、用液压机械推入 5 、热熔胶封底盖 l 、随机配置折纸机构 2 纸张仓能调宽窄长短 3 、采用步进电机调节 4 、屏幕显示尺度调节 5 、纸张仓位带刻度尺 6 、能折叠2 到4 折纸张 7 、设有手动调节功能 产品输送机构次品检测筛选及提除装盒机构计数装置 1 、用输送带方式 2 、用链条机械卡位 3 、用转盘机械卡位 输送机构调宽窄高低 1 、用重量检测仪 2 、超出设定数剔除 3 、气控剔除 4 、机械剔除 1 、用机械手方式装盒 2 、机械手能转多方位、 能卡厚薄大小能高能低 3 、用输送带方式装盒 4 、用装软硬多袋、包品 5 、能装单多支方园扁品 封盖小舌装置封盖大舌装置贴标封签卜电脑喷码 根据运行方式确定： l 、用气缸方式推入 2 、用机械方式推入 3 、机械联动方式推入 4 、用液压机械推入 根据运行方式确定： 1 、用气缸方式推入 2 、用机械方式推入 3 、机械联动方式推入 4 、用液压机械推入 5 、热熔胶封底盖 落盒装置 输送塑封装箱 3 1 、喷印批号( 生产日期、 保质日期) 2 、喷印条码 3 、机械打印批号、条码 陕西科技大学硕士学位论文 1 2 4 装盒机的形式 装盒机按划分方式的不同分为如下几种形式，如表卜1 。 表1 - 1 装盒机形式 t a b l 1c a r t o n i n gm a c h i n et y p e 二jl x 一，、n ：小， 岬，、，( i ：l ，x 1 0 、，h j j e l ；， l l o u ，( ；- - t - d - r r r l i ，u 7 百n 吁q j e 一l x 、 ：lj i h ，j7 - c ) q c - 、 应用领域广的优点，通常以机械一凸轮机构为主，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h 1 ；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。 一般中低速型装盒机多属于间歇型，而中高速型装盒机属于连续工作型，现把二者 进行比较( 如表1 - 2 所示) 。 表1 - 2 连续性与间歇性装盒机的对比 t a b l 2t h ec o m p a r i s o nb e t w e e n 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 比较项目连续性间歇性 行程动作 循环式转动，产品料仓，纸盒传送链和 直线往复式运动，纸盒传送机构为往复式 推杆三者同步，且一一对应运动，仅一个推杆，三者不同步，不能一 一对应 产品进料动态下料静态下料 纸盒仓储量1 5 0 0 个1 0 0 个 取盒四个工位吸盘取盒单一工位吸盘或刀片式取盒 开盒四个工位2 个吸盘取盒单一工位刀片式开盒 产品入盒推杆与产品料仓同步运动，一一对应，推杆与产品料仓不同步，不能一一对应， 产品动作较柔和入盒动作幅度较大 设备生产速度快，1 8 0 盒分左右慢，5 0 1 0 0 盒分 设备尺寸较大 较小 1 3 国内外装盒机对比 从产品质量、性能及应用方面看国产药品装盒机的差距： 4 基于a n s y s 茶叶包装机料仓的研究 ( 1 ) 适应性方面 国产自动装盒机的适应面也比较窄，功能比较单一，对待装药品的体积与形状等均 有较严格的规定，一般只适用于一二种产品，而国内同一产品生产企业所生产的产品规 格可能各不相同，这就给装盒工作带来一定的困难。而国外药品装盒机生产厂商十分注 重这方面的问题，他们所生产的设备功能灵活多变，适用范围也广泛。 ( 2 ) 质量方面 由于自动装盒机是包装机械中较为复杂的机械，它包罗了机、电、光、气和其它技 术于一体，而目前国内装盒机制造厂无论是产品的最初设计水平，还是之后的加工与装 配水平，都与国外同业有着十几年的差距，无法设计出真正有竞争力的产品。 ( 3 ) 运行可靠性方面 进口自动装盒机可靠性高出国产装盒机很多，部分国产装盒机的故障率较高。因此， 许多生产企业不得不购买多台国产自动装盒机，以防止因为维修机器而影响正常生产。 ( 4 ) 工作效率方面哺1 由于国产药品装盒机的运行速度大多集中在中低档水平，自动化程度一般，其生产 效率远不如以生产高档产品著称的国外同类产品，这样相当于无形中增加了生产企业的 成本，降低企业利润，造成极大浪费。 总之，目前国产药品自动装盒机存在着适应包装物种类单一、纸盒尺寸变化范围小、 生产速度低等不完善之处。 1 4 装盒机的存在问题 市场上的进口装盒机在使用过程中，多少都出现了一些与国内纸盒材料，质量不匹 配的问题。企业在进口装盒机时，忽视了其对纸盒材料，质量的适用性，造成了国内的 纸盒材料无法使用，而不得不改为高成本的包材；而国产的装盒机，也大多是模仿国外 设备而来，自主研发投入很少，设计人员没有对装盒机的专业性和包装材料有一个透彻 的理解和钻研，因而都出现了设备运行不稳，经常卡机，纸盒上机效率低，产品剔废高 的情况。 纸盒由纸板制成，按国际标准化i s o 的规定，纸板为定量大于2 2 5 9 m 2 ，厚度为0 1 m m 的纸材。通常纸盒用2 0 0 9 m 2 至04 5 0 9 m 2 的白卡纸制造。但由于装盒设备的限制，大多企 业只能选用3 0 0 9 m 2 左右的包材制造纸盒。有研究单位做过统计，当纸材厚度和挺度相 同的情况下，有不同的得收率，如：当使用3 0 0 9 m ：的白卡纸，替代了使用2 7 0 9 m 2 时，其 相比较下得收率为1 0 ，也就是说，如果用2 7 0 9 m 2 的白卡纸代替3 0 0 9 m 的白卡纸。就 会多1 0 的收益。因此选用低重量纸材，可降低生产成本，同时有利于环保。但与装盒 机产生的矛盾是：纸盒的定量变小，其强度和挺度降低；撕裂度，伸缩性增加；当设备 高速开盒时，纸盒变形较大，容易造成卡机停车。 陕西科技大学硕士学位论文 另外，对被包物重量重，尺寸大的包装来说，如化妆品，医药的中包，日化用品， 食品的包装，要求选用的包装纸盒坚固挺拔。如果将纸盒的定量提高，改用如4 0 0 9 m 2 的较高材料，那么此时对装盒机的开盒能力是一个严峻的考验，如果吸盘吸力小，开盒 力度弱，那么是无法打开具有高定量的包装纸盒的。而大部分装盒机的开盒机构是用吸 盘的负压力来开盒，纸盒过硬，负压就不能将纸盒完整打开；如果加大负压，或者增大 吸盘尺寸以期望增加开盒力度，那么由之接踵而来的是能耗，耗材增加。所以研究纸盒 的力学性能和开盒机构的关系对装盒机的国产化有着重要的意义。 1 5 课题研究的内容及意义 技术工艺：是衡量一个企业是否具备市场竞争力，是否具有先进性，是否能不断领 先于竞争者的重要指标依据。随着我国装盒机市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技 术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。了解国内j l - 装盒机生产核心技术的工艺设 备、技术应用、研发动向及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分重要。 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的不断提高，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。所以茶 叶装盒机的国产化有着重要的意义。 针对现今市场上的国产装盒机在生产过程中存在很多技术问题，本课题将研究重点 放在纸盒挺度对装盒机的影响及关键机构的动态分析的研究上，具体包括以下内容： ( 1 ) 整体料仓结构设计 该部分主要解决现有装盒机经常遇到卡机的问题，因此重点放在料仓系统的结构设 计：由于纸盒形式多样，因此装盒机的速度和纸张的质量有很大关系，如果纸张的挺度 不好、纸张的材质较差，就可能造成打不开，从而导致停机。料仓取料机构的设计如果 能克服纸盒的挺度对开盒过程的影响，那么在生产上将解决纸盒造成的卡机问题。 ( 2 ) 纸盒挺度的力学研究 纸盒的挺度是纸张力学性能的一个重要方面，在装盒机械上，直接影响装盒机的运 行效率，如果纸盒不能及时成型，那么成型不方正的纸盒将会影响纸盒向前移动和装填 物料的时间，造成机械的卡机现象。本次课题主要是对纸盒的挺度进行力学分析与研究。 ( 3 ) 关键机构的有限元动力学分析 为了保证产品的动力学性能、强度、刚度等问题，需要对装盒机吸盘机构的平稳性 进行模态分析，研究在规定的机械运行速度下，机构的强度是否能达到要求。 目前，我国装盒机的设计制造很大程度来源于国外先进产品的测绘，采用静态的、 6 基于a n s y s 茶叶包装机料仓的研究 经验的、类比的方法进行生产设计，没有采用先进的现代化设计方法对产品进行分析研 究。从而使得国产装盒机的整体性能无法与国外的匹敌，造成设计制造厂家在开发高档 次的产品时缺乏有效的理论依据。因此，对纸盒材料的力学分析、装盒机构的优化设计、 提高我国自动装盒机的设计质量和整体性能显得尤为重要。 1 6 关键技术及创新点 1 6 1 关键技术 系统仿真软件a n s y s 在各种虚拟环境中真实地模拟，它可以在计算机上方便的修 改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计 方案以后，再做出装盒机的物理样机，大大节约了设计成本及时间。同时利用有限元分 析方法，对复杂的重要结构件进行综合性的力学性能分析，并对其结构优化提供参数依 据。 1 6 2 创新之处 ( 1 ) 装盒机的开盒方式进行设计优化 装盒机是包装实现全自动生产线上必不可少的一环。国内的装盒机一般是通过卡推 方式将纸盒打开，因此装盒机的速度和纸张的质量有很大关系，如果纸张的挺度不好、 纸张的材质较差，就可能造成打不开，从而导致停机。本次设计对此种开盒方式进行优 化，将卡推方式的开盒结构更新为带有吸盘和输送带卡位机构的开盒装置，采用吸盘抽 取纸盒的方式，通过吸力将纸盒打开，在料仓机构的下方设计辅助开盒机构，使纸盒初 步成型的档杆，可以对纸盒进行预折，以便减小开盒所需的机械力量，防止过渡挤压使 盒子变形。输送带上有同纸盒大小一致的卡位机构，从而降低了设备对纸张的要求。避 免了因开盒不成功而停机的可能，既节省了包装材料，又保证了生产速度，而且相比较 速度更高的装盒机拥有较高的性价比。 ( 2 ) 纸盒力学性能的研究 纸盒的打开性能，即在自动装盒机上利用相关的机构使纸盒成型的难易程度。不同 的装盒机打开盒子的动作不尽相同，有的设备带有辅助开盒机构，可以对纸盒进行预折， 以便减小开盒所需的机械力量，防止过渡挤压使盒子变形。那么纸盒在料仓中放置时的 力学性能，以及吸盘吸取纸盒时，纸盒能够在弹性范围内变形的力学研究是本次研究的 重点，研究纸盒的力学性能有利于对装盒机卡机现象以及纸盒成型后的美观性提供理论 依据。 7 陕西科技大学硕士学位论文 2 全自动装盒机料仓结构设计 市场上的进口装盒机在使用过程中，多少都出现了一些与国内纸盒材料，质量不匹 配的问题。企业在进口装盒机时，忽视了其对纸盒材料，质量的适用性，造成了国内的 纸盒材料无法使用，而不得不改为高成本的包材；而国产的装盒机，也大多是模仿国外 设备而来，自主研发投入很少，设计人员没有对装盒机的专业性和包装材料有一个透彻 的理解和钻研，因而都出现了设备运行不稳，经常卡机，纸盒上机效率低，产品剔废高 的情况。纸盒质量的大小均会对装盒机的生产过程产生影响，纸盒材质过软，在生产过 程中不能及时成型，后续环节不能按正常程序进行，造成机械卡机，并且吸盘吸取纸盒 时将会产生的凸起过大，造成非弹性变化，纸盒成型后凸起也不能恢复，影响纸盒外观； 如果纸盒材质过硬，吸盘不能顺利的吸取纸盒，机械空运行，各个环节不能有效的配合， 产品剔废效率过高。本次设计