铲边成型装置的凸轮机构的设计和优化方案

摘 要

　　本论文的研究对象是条盒成型机中的铲边成型装置和升降主轴装置。铲边成型装置是完成条盒成型的关键装置，升降主轴装置对条盒定位有重要作用。通过对铲边成型装置的结构设计，实现了条盒的自动化生产，解决了目前手工生产线中劳动强度大，生产效率低的问题。

　　全文围绕条盒的制作工艺，应用仿生学原理，对铲边成型装置进行结构设计，并将其应用于样机中试验。针对样机中出现的振动、噪音、脱模不畅、发生碰撞及条盒精度超差的问题，应用 ADAMS 刚体动力学对铲边成型装置的凸轮机构进行分析、应用 ANSYS Workbench 有限元分析方法对升降主轴进行分析验证，找到样机问题的原因、提出优化方案并验证优化方案的可行性。主要研究内容如下：

　　（1）介绍了条盒的制作工艺及成型机各部分的功能和组成。重点阐述了铲边成型装置的运动规律，设计出气缸驱动和凸轮机构驱动的两种铲边成型装置结构方案。二者通过控制速度、安装空间等方面的对比分析，最终选择凸轮机构驱动方式的铲边成型装置为优选方案，根据动作参数，设计了凸轮的轮廓，并将此方案投入样机试验。

　　（2）针对铲边成型装置在样机中出现的振动、脱模不畅、内模夹具与压板发生碰撞及噪音严重的不良现象，应用 ADAMS 刚体动力学仿真模拟实际工况，得到压板凸轮机构的运动特性。分析发现在条盒定位和固定的位置处，压板存在较大的位移波动，是铲边成型装置出现问题的主要原因。通过增加副弹簧减震、并联安装副弹簧和优化凸轮廓线的方法，对比分析每种方案的运动曲线，验证了弹簧和凸轮廓线是出现问题的根源。优化后，最终将压板在固定处的位移波动范围降到了 0.1 mm,可有效避免样机中出现的脱模不畅和碰撞的问题。

　　（3）针对铲边成型装置制作的条盒精度超差问题，对升降主轴进行受力变形计算以及优化分析，并通过 ANSYS Workbench 对其进行静力学分析，验证模型的正确性及优化方案的可行性，最终将定位精度从 3.2 mm 降到 0.14 mm,达到精度要求。

　　最后，通过对本课题的研究内容和成果进行总体的归纳总结，并指出本文的下一步将开展的工作。

　　关键词：条盒成型机，铲边成型装置，凸轮机构，升降主轴，优化设计

Abstract

　　The research object of this paper is the spade forming device and the lifting spindle device in the strip box forming machine. The spade forming device is the key device to complete the strip box forming. The lifting spindle device plays an important role in the positioning of the strip box. Through the structural design of the spade forming device, the automatic production of strip boxes is realized, and the problems of high labor intensity and low production efficiency in the current manual production line are solved.

　　bionics, the structure design of the shovel forming device is carried out, and it is applied to the prototype test. Aiming at the problems of vibration, noise, unobstructed demoulding, collision and over-precision of strip boxes in the prototype, the cam mechanism of the shovel forming device is analyzed by ADAMS rigid body dynamics, and the lifting spindle is analyzed and verified by ANSYS Workbench finite element analysis method. The causes of the problem of the prototype are found, the optimization scheme is put forward and the feasibility of the optimization scheme is verified. The main research contents are as follows:

　　（1） The manufacturing technology of the strip box and the function and composition of each part of the forming machine are introduced. The movement law of the shovel forming device is mainly expounded, and two kinds of structure schemes of the shovel forming device driven by cylinder and cam mechanism are designed. Through the comparative analysis of control speed and installation space, the shovel forming device driven by cam mechanism was selected as the optimal scheme. According to the action parameters, the profile of cam was designed and put into the prototype test.

　　（2） Aiming at the undesirable phenomena of vibration, poor demoulding, collision between clamp and press plate and serious noise in the prototype of spade forming device, ADAMS rigid body dynamics simulation was used to simulate the actual working conditions, and the motion characteristics of press plate cam mechanism were obtained. It is found that there is a large displacement fluctuation in the positioning and fixed position of the strip box, which is the main reason for the problems of the shovel forming device. By comparing and analyzing the motion curves of each scheme, it is proved that spring and cam contour are the root of the problem. After optimization, the displacement fluctuation range of the pressure plate is reduced to 0.1 mm, which can effectively avoid the problems of poor demoulding and collision in the prototype.

　　（3） Aiming at the problem of over-precision of strip box made by shovel forming device, the stress and deformation calculation and optimization analysis of the lifting spindle are carried out, and the static analysis of the lifting spindle is carried out by ANSYS Workbench to verify the correctness of the model and the feasibility of the optimization scheme. Finally, the positioning accuracy is reduced from 3.2 mm to 0.14 mm, which meets the accuracy requirements.

　　Finally, through the overall summary of the research content and results of this topic, and pointed out the next step of this paper will be carried out.

　　Keywords: strip carton forming machine, spade forming device, cam, lifting spindle, optimum design
 

目 录

　　第 1 章 绪论

　　1.1 课题背景

　　1.1.1 课题来源

　　本课题来源于武汉某公司与湖北工业大学的校企合作项目，通过对该项目进行研究和开发，旨在实现包装纸盒中条盒的自动化生产，解决目前人工生产线中劳动强度大、生产效率低、生产产能受限等问题。

　　随着工业技术的不断提升，一方面推动了社会的进步，另一方面也带动着商品经济的蓬勃发展。商品的供给变得更加迅速和高效，作为商品的第一印象，包装就显得格外重要。在绿色环保的大环境下，包装也追求着"绿色包装",而纸盒作为一种环保的包装形式，其需求量逐渐攀升，传统的纸盒生产方式已经不能满足市场的需求，需要开发出新的、快速的纸盒包装机械。

　　1.1.2 包装现状及纸盒分类

　　如今全球范围内有四大类包装占据主导地位：纸质包装、塑料包装、金属包装及玻璃包装。其中纸质包装最受欢迎，它的优势很多，主要表现为单位体积的质量较轻、运输方便、加工便捷迅速、能适应机械化的大规模生产、可以回收再利用以及制造成本比另外三类更为实惠低廉。据统计，国际印刷业总产值约为七千亿美元，其中，包装产品的产值达到三千亿美元，约为总产值的 45%[1].2012年在所有包装总产值中纸质包装占据着主导地位，占比达到 40%,其使用范围还有不断扩大的趋势，已经成为包装产业重要的发展方向。这些数据表明，生产厂商及消费者对纸质包装的青睐与日俱增，纸质包装的地位水涨船高，我们应对包装印刷业及包装机械投入更多的关注力度[1].

　　随着人们在日常生活中对商品包装质量及包装要求的不断提高，纸盒包装涌现出大量不同的形状和类型，主要分为以下几大类：

　　（1）天地盖式纸盒。这种纸盒由上盖和下底两部分组成，盒盖开启非常方便，便于取出其中的商品，在拆开之前，用户就已经能看到商品本身了，盒面又可以给设计者大做文章，用来设计各种美观、精巧的图案、商标和文字。

　　（2）手提式便携纸盒。采用了手提袋结构，纸盒本身可折出提手或者加装棉提绳、人字带，可用于酒类、蛋糕、礼物等商品包装。

　　（3）开窗式纸盒。这种纸盒源于陈列窗的设计原理，最常见的是搭配透明塑胶片使用，主要有三种形式：局部开窗、盒盖透明和多面透明。可用于电子商品、手工艺品等商品的展示。

　　（4）异形式纸盒。它主要由包装的商品来决定的，形态非常多种，充满了现代化的科技感，给人以新颖的感觉。适用于糖果以及其他等领域的包装。

　　（5）翻盖式纸盒。这种纸盒由皮壳和条盒两部分组成，皮壳与条盒底部固定，皮壳可折叠于条盒的上部，是目前礼盒中非常流行的一种包装方式。通常用于高档香烟、玉器、化妆品、茶叶等的包装。

　　现如今，已经越来越多的产品都用上了翻盖式纸盒的包装。以上几种包装盒中基本都实现了不同程度的自动化生产，尤其是天地盖式纸盒的自动化生产程度最高，速度最快。但翻盖式纸盒主要还是依靠人工生产的方式，生产线只有少部分半自动化机器，本文主要研究的是翻盖式纸盒内的条盒，翻盖式纸盒如图 1.1 所示。

　　1.1.3 条盒的生产现状及工艺介绍

　　条盒是翻盖式纸盒的重要组成部分，由条状纸板和面纸粘贴围成，分为硬质条盒和软质条盒两类。根据课题来源，研究对象是硬质条盒，硬质条盒中的硬纸板条是由刀模切出来的四段式标准尺寸，分别为短边、长边、短边、长边，中间通过压痕隔断。面纸分为两类，一类是由大面纸和小面纸两种共同粘贴而成，大面纸长度稍长于一个长边和两个短边的总和，小面纸为一个长边的长度；另一类是由一张面纸粘贴而成，这类面纸的总长即为条盒的周长。本课题研究的对象是由大面纸、小面纸、硬纸板条三种材料粘贴而成的硬质条盒，其材料实物如图 1.2所示。

　　（1）大面纸上料；（2）将大面纸涂胶水；（3）大面纸与硬纸板条定位贴合；（4）放磁铁；（5）铲下边：将硬纸板条一侧的大面纸折 180°后贴于硬纸板另一面；（6）将贴有大面纸和磁铁的硬纸板条沿其压痕折叠成矩形框；（7）将矩形框定位角处的面纸铲平，固定硬纸板条；（8）小面纸上料；（9）将小面纸涂上胶水；（10）将涂有胶水的小面纸粘贴于矩形框没有面纸的外侧；（11）将粘有大小面纸的矩形框进行保压，使面纸贴的更牢固，消除中间的气泡；（12）将矩形框中上方的四边面纸向内折 90°，使其与矩形框的侧壁垂直；（13）将矩形框下方的小面纸折 180°，使其紧贴于矩形框的内壁，此时完成条盒的制作。

　　目前，工厂内条盒生产线几乎都是以人工操作为主，操作整条生产线所需的工人数量为 8 名左右（根据现场状况调整），生产量可达到约 7200 个/天。整线的设备有如下几台：

　　（1）半自动过胶机：通过人工配合将大面纸和小面纸分别涂上胶水；（2）皮带输送机：传送已经涂完胶水的大面纸和每步动作中完成的半成品条盒到达下一个工位；（3）压泡机：对粘有大面纸和小面纸并折叠成型后的条盒进行保压，消除气泡。

　　条盒生产线需要人工参与的生产工艺如下：

　　（1）工人分别将大面纸、小面纸放入半自动过胶机并拿出，使得面纸涂上胶水；（2）工人将硬纸板条与涂有胶水的大面纸定位粘贴在一起；（3）工人将磁铁放入粘有大面纸的硬纸板条圆孔之中；（4）工人将硬纸板条一侧的大面纸折 180°，贴于硬纸板上；（5）工人将硬纸板条按照折痕折叠成矩形框；（6）工人将涂有胶水的小面纸粘贴在矩形框上的指定位置处；（7）工人将矩形框上侧的大小面纸折叠 90°；（8）工人将矩形框下侧的小面纸折入 180°，使其与条盒内壁粘贴，即条盒成型。

　　以上生产工艺可以看出，这一生产线存在工人的劳动强度大、生产效率低、生产成本高、稳定性差等缺点。所以需要针对目前的整线状况，去研发能完成各个工序的自动化单机，代替手工制作，同时将各个单机连接起来，成为一个系统的条盒自动化生产线。根据该条盒的生产工艺，课题组决定用五个相对独立的设备组成一条流水线，主要包括：

　　（1）过胶机--自动提供已经涂有胶水的大面纸到指定位置；（2）定位机--提供硬纸板条和磁铁两种物料，并将其与大面纸在指定位置定位并粘贴固定，要求位置准确，为下一步折边做好准备；（3）折边机--一次性将硬纸板条一侧的大面纸进行折边，相当于提前将条盒三个面的面纸折入条盒内侧；（4）围框机--将条状硬纸板围成盒状，形成半成品条盒；（5）成型机--完成半成品条盒后续贴小面纸、保压、铲边成型的工艺，形成最终产品。经过大半年的研究开发，条盒自动化生产线大部分单机已经研发成功，其型号为 TH-CXJ20-1,基本技术参数如表 1.1 所示。

　　本论文的内容来自于成型机的设计与优化。成型机是本论文的研究对象，它是由定位输送装置、贴小面纸装置、刷边保压装置、成型装置组成，如图 1.4 所示。

　　（1）定位输送装置定位输送装置是由四工位的转盘和升降主轴组成，升降主轴上的内模夹具实现对半成品条盒的夹取和定位，转盘带动升降主轴实现半成品条盒在贴小面纸工位、保压工位和成型工位之间移动。

　　主要组成装置：转盘旋转装置、升降主轴装置、内模夹具。

　　（2）贴小面纸装置将已经固定在内模夹具上的半成品条盒，首先完成铲耳动作，然后在翻转机械手的作用下，通过吸盘吸附小面纸过胶后，贴到条盒上。

　　主要组成装置：过胶装置、定位装置、旋转装置、真空吸盘。

　　（3）刷边保压装置贴了面纸的半成品条盒中存在面纸粘贴不牢，有气泡等问题，故刷边保压部分是对前部分贴的面纸进行刷边，消除其中的气泡，保压使面纸与硬纸板粘贴的更牢。

　　主要组成装置：气缸部件、毛刷、保压板。

　　（4）成型装置成型装置主要是将半成品条盒中的大小面纸上部折 90°、小面纸下部折入条盒内壁并黏牢。

　　主要组成装置：铲边成型装置（包括上铲刀、中部压板、下铲刀）。

　　上述四部分的生产过程如下：

　　（1）半成品条盒通过内模夹具实现定位固定后，由转盘旋转输送到贴小面纸工位，完成铲耳和贴小面纸动作。

　　（2）转盘带动升降主轴和内模夹具将半成品条盒旋转输送到保压工位，实现保压动作。

　　（3）转盘带动升降主轴和内模夹具将半成品条盒旋转输送到成型工位，通过铲刀实现大小面纸上部折 90°，小面纸下部折入条盒内壁并黏牢。

　　条盒成型机完成的制作工艺如图 1.5 所示。

　　1.2 选题的目的和意义

　　目的：目前市场上还没有成熟的生产线设备适用于条盒的自动化生产。纸盒包装行业中条盒因其加工工艺复杂，材料多为细长型，存在定位难、易损坏等特点，生产主要是人工操作为主，加以少量机械设备配合的方式。因此工人的劳动强度大，整线的产量和质量得不到保障。为了促进条盒自动化生产线早日投入生产，达到解放人工，提高生产效率和纸盒制造精度的目的，本论文的选题要达到以下三个目的：

　　（1）根据"印后包装成型设备技术开发"项目和现有的生产条件，结合客户的要求，设计出条盒铲边成型装置，完善成型机，使其达到条盒的全自动化生产要求；（2）针对所设计的铲边成型装置在样机试验过程中出现的振动进行分析与优化设计；（3）针对成型机生产的条盒出现精度不合格问题进行分析与优化设计。

　　意义：条盒成型装置是实现条盒生产自动化不可缺少的装置之一，通过对该装置进行结构设计、分析和优化，实现条盒成型装置的产品化，为未来彻底实现条盒自动化生产或智能制造打下基础。

　　1.3 国内外纸盒成型机的发展现状

　　1.3.1 国外纸盒成型机的发展现状

　　目前国际包装机械的市场竞争随着科学经济的发展而变得愈加激烈，包装纸盒成型机械的发展多样化已经逐渐有了雏形，正在向"高速、高效、高质、节能环保"的方向进行着，是整个行业的发展趋势[2].美国、德国、日本、意大利被认为是国际包装机械水平最高的几个国家，在包装机械行业中占据着龙头地位，早在二十世纪四十年代就己经出现了包装行业先驱的机械设备[9].国外先进的纸盒成型机械大都呈现出以下几个特点[10]: （1）机械自动化程度越来越高。随着新技术的不断应用，纸盒成型机已经逐步发展成为功能繁多，控制灵活，结构标准，精度高的高性能设备。

　　（2）灵活性越来越高。目前包装市场上产品的更新换代层出不穷，所以对应的成型机也被动的加快了生产周期，如果包装机械与产品包装的生产周期匹配不上，那么包装机械就相当于无用武之地，势必会被淘汰。

　　（3）整线制造能力越来越强。国外成型机械广泛利用计算机仿真技术进行设计，能提供一整套满足生产流程的自动化流水线[11]. （4）生产效率越来越高。设备是否能够进行高效率的生产己经成为了纸盒成型机械是否成功的重要指标之一。

　　美国在包装机械领域，具有世界第一包装大国之称，特别是食品包装行业[13],如成型机、充填机、封口机的技术日新月异。德国在设备的制造、产品的计数和机械性能等方面均位于世界前列。其成型机具有高效、成套、自动化程度高、灵活性强、稳定性好等特点，这些年德国包装机械行业的效益一直持续增长[14].日本以中小型单机为主力产品，这些产品体积小、易操作安装、灵敏度高、自动化程序高，对于这种中小型单机的独特性和配套性在市场上有着广泛认可[15].除此之外，日本对于成型机械还有着其一贯的严谨性，设有专门的检测中心，设备必须达标[16].意大利的设备风格独立，特别是在饮料食品业的包装机械中[17],例如饮料灌装机、茶叶包装成型机、糖果包装成型机等食品工业包装机械都是他们的优势设备，有着外表美观、性能稳定、价格实惠的优点。意大利的包装机械不仅技术先进专业，实现一体多功能机械，缩小了设备规格的同时，还大大减少了人工的压力[18].

　　1.3.2 国内纸盒成型机的发展现状

　　相较于包装机械强国来说，我们的自动化程度还普遍偏低，有些中小型企业甚至是人工工艺为主，机械设备为辅，进行着大批量的生产。中国经济发展快速，人工成本越来越高，产品的利润越来越低[20],所以机械自动化设备的应用变得更加重要和突出，对包装机械的技术进行研发和应用变得刻不容缓，只有提升包装机械的水平，才能提高我们产品在国际市场上的竟争力[21].

　　就目前国内来说，广东、江苏等地区是纸盒生产设备研发企业的主要集中地，他们通过对国外先进设备的研究和消化，针对国内市场的应用设计出新的结构，然后加以新的控制方式。一些大型的纸制品包装企业采用了机械自动化生产，但这些企业总体来说自动化程度差强人意[20],基本上都只实现了天地盖盒型的自动化生产。东莞市鸿铭机械有限公司是国内领先的纸盒成型机械制造企业，其生产的 HM-ZD2418 全自动天地盖制盒机，结构如图 1.6 所示[22].

　　该制盒机产能为 1800-2400 个/小时，采用伺服电机控制系统、CCD 定位系统，使设备有了很高的定位精度；HM-ZD2418 制盒机的盒子长度尺寸在 45 mm-240mm 之间、宽度尺寸在 35 mm-160 mm 之间、高度尺寸在 10 mm-80 mm 之间，牛皮面纸长度方向上尺寸在 110 mm-450 mm 之间、宽度方向上尺寸在 45 mm-305 mm之间。该套设备的成品尺寸范围分布较广，机械自动化的水平上较高，能够实现稳定高效的全自动制盒过程，且设备运行过程中只需要 1-2 名操作工人即可，大大减轻了人工成本。

　　广东力顺源公司研发的 LY-1632JH 全自动抽屉盒机，采用模块化设计理念，用独特的模块化视觉、机械手定位机过胶定位主机和成型机组合，定位精度高达0.1 mm.适用于高档酒盒、化妆品盒等围桶盒子，如图所示。

　　浙江省正润机械有限公司致力于包装机械的研发与制造多年，现有纸盒贴角机、上胶机、皮壳机、高速封面机等多种机型[23].虽然设备的自动化程度很高，但过于刚性，只能适应特定的盒型，难以兼容市场上不断变化的新型纸盒，如本文研究的条盒就不能用其进行自动化生产。所以，市场上对纸盒成型机械的柔性化更加看重，需求量非常高。

　　针对国内包装机械存在的问题与不足，江西理工大学、浙江工业大学和华中科技大学等高校在做纸盒生产设备的相关研究与改进[24].如丁继生[28]为避免纸盒加工时造成的一些质量事故，提出了以灰板为主要材料的纸盒在生产加工中需要注意的一些常见问题；唐曲曲[29]针对圆齿轮行星轮系吸盒机构的局限性，在满足取盒、放盒工艺要求的前提下，提出一种椭圆-圆齿轮行星轮系取盒吸盘机构。实现了在取盒点和放盒点不变的前提下，椭圆的轨迹在取盒放盒工位处的加速度比圆齿轮形成轨迹在取盒放盒工位的加速度慢了 14.3%,放盒前，速度慢了 14.3%,机构最大加速度减少了 9.9%.明平光[30]针对国内包装行业存在的自动化程度不高、效率低下，而进口纸盒成型机成本又过高的问题，研究并开发出一套具有通用性的自动调节系统。针对目前我国纸盒包装普遍采用传统的捆扎式和胶带式封盒方式，存在着效率低、污染严重、资源浪费和不符合环保要求等问题。唐书喜[31]研发了能自动执行取盒、开盒、装盒、喷胶和封盒动作的热熔胶封盒机。

　　本论文主要是设计出铲边成型装置，以实现条盒的自动化生产，然后针对所设计的铲边成型装置在样机中存在的问题，对其中的凸轮机构和主轴定位装置进行分析和优化。在相关方面，有很多的学者做过一些研究和探讨。刘扬[32]通过 Creo软件对纸箱成型机中的凸轮连杆机构进行三维建模，应用 ADAMS 对其进行运动学和动力学分析，完成了对连杆尺寸和凸轮廓线的可行性优化，使得机构各项指标均有所提升；翁茂荣[33]对药品包装机械中的传动系统中的凸轮和轴等传动结构进行了设计和校核，并对其进行结构创新，实现了高速包装的要求；钱瑞明[34]通过分析计算，在光滑连接的基础上，建立了六圆弧凸轮中各段圆弧圆心的位置及各段曲率半径大小之间的关系，为圆弧凸轮的设计提供了方便；王轩[35]应用ANSYS 分析工具，对弹簧操动机构中的滚子易损坏问题，以接触应力最小为目标进行盘形凸轮的优化设计；刘会英等[36]通过建立凸轮机构的弹性动力学模型，对其进行振动分析；刘世豪等[37]为了提高数控机床的加工精度，通过模糊逻辑理论，以提高主轴的动态性能为目标，建立多目标优化设计数学模型，并提出一种新的主轴结构优化算法。以一种精密数控机床主轴为案例进行多目标优化设计，与实际对比后验证了其可行性；沈晓健等[38]通过分析并联式龙门铣床的中间立柱，应用 Solidworks 进行三维建模，ANSYS Workbench 进行静力学仿真，对三种不同工况下分析其静态性能，发现立柱静刚度不足后进行尺寸优化和局部结构改进，使其静刚度较以前提高了约 38%.通过上述分析发现，在优化设计分析中，三维建模软件 Solidworks、动力学分析软件 ADAMS 和静力学分析 ANSYS 的应用十分广泛。

　　1.4 论文框架及主要研究工作

　　本文主要是针对条盒全自动生产线中成型装置进行结构设计，并制造出样机进行试验，针对实验中出现振动和精度超差的问题进行分析和优化设计。论文框架包括：

　　第 1 章绪论。从课题来源入手，根据课题的背景，首先简单介绍了目前包装盒的现状，重点介绍了条盒的生产工艺、条盒自动化生产线的结构组成、工序流程及存在的不足。然后明确了本文研究的目的和意义，提出要解决的问题。最后介绍了目前国内外包装机械的发展现状、总结了本论文研究相关的文献，并确立了本文主要的研究内容。

　　第 2 章条盒铲边成型装置的总体设计。首先明确了条盒铲边成型装置要实现的工艺动作及设计原理，得到铲边成型装置由气缸推动和凸轮机构推动的两种结构方案，通过分析利弊，最终确定了凸轮机构为主要驱动方式的铲边成型装置方案，进一步地设计了凸轮的轮廓。

　　第 3 章铲边成型装置凸轮机构的运动特性分析及优化。首先通过对试验样机中铲边成型装置存在的振动、半成品条盒脱模不顺畅、内模夹具与压板发生碰撞、存在噪声的现象，通过凸轮机构刚性和弹性划分准则，运用 ANSYS 对凸轮进行模态分析找到凸轮的固有频率，判断凸轮机构属于刚性系统，为后续的凸轮机构刚体动力学分析奠定了基础。通过 ADAMS 对凸轮机构进行刚体动力学仿真，分析不同弹簧情况下的从动件运动特性曲线，找到最优方案；通过优化凸轮廓线，运用 MATLAB 软件绘制凸轮运动曲线图，并进行动力学仿真，对优化前后凸轮机构的位移、速度、加速度与时间的关系图进行对比，验证了优化后的凸轮运动特性有很大的改善，可以有效避免在样机中出现的不良现象。

　　第 4 章升降主轴受力变形分析与优化设计。升降主轴作为铲边成型装置的定位装置，通过对生产出来的条盒质量精度超差的情况，观察分析发现主要是定位不准，然后对升降主轴提取力学模型，进行受力变形分析，并进行优化，运用ANSYSWorkbench 软件建模，进行仿真验证，证明理论分析建模正确，优化结果有效。

　　第 5 章总结与展望。对本文的工作进行了整体的归纳总结及展望。

　　第 2 章 条盒铲边成型装置设计
　　2.1 条盒铲边成型装置的功能和组成
　　2.1.1 铲边成型装置的技术指标
　　2.1.2 铲边成型装置的功能
　　2.1.3 铲边成型装置的组成

　　2.2 铲边成型装置的方案设计
　　2.2.1 方案设计
　　2.2.2 方案比较
　　2.2.3 凸轮轮廓设计
　　2.3 本章小结

　　第 3 章 铲边成型装置凸轮机构的运动特性分析及优化
　　3.1 基于 ANSYS 的凸轮振动模态分析
　　3.1.1 压板凸轮的模态分析
　　3.1.2 凸轮机构振动分析
　　3.2 优化弹簧的凸轮机构运动特性分析
　　3.2.1 压板凸轮机构的动态静力学分析
　　3.2.2 原凸轮机构运动特性分析

　　3.2.3 增加一个副弹簧的凸轮机构运动特性分析
　　3.2.4 两个副弹簧并联的凸轮机构运动特性分析
　　3.3 凸轮轮廓优化设计及运动特性分析
　　3.3.1 压板运动规律优化
　　3.3.2 压板凸轮轮廓曲线优化
　　3.3.3 优化后凸轮机构运动特性分析
　　3.4 本章小结

　　第 4 章 升降主轴受力变形分析与优化设计
　　4.1 升降主轴基于超静定结构理论分析
　　4.1.1 升降主轴的模型简化
　　4.1.2 升降主轴的模型求解

　　4.2 升降主轴基于 ANSYS Workbench 的仿真分析
　　4.2.1 建立升降主轴有限元模型
　　4.2.2 定义材料和添加接触关系
　　4.2.3 进行网格划分和约束
　　4.2.4 有限元仿真结果分析

　　4.3 两种分析结果对比分析
　　4.4 升降主轴装置的优化改进
　　4.5 本章小结

第5章总结与展望

　　5.1总结

　　本硕士学位论文是基于企业的实际项目展开，以条盒为研究对象，如今制造业自动化程度越来越高，包装机械发展迅猛，市场前景广阔，但是条盒因其加工工艺复杂，生产精度高，材料易损坏等特点，目前仍采用手工生产的方式。手工生产普遍存在生产成本高，工人劳动强度大、招工难，纸盒制造精度误差大，生产速度慢等特点，为提高生产效率和产品质量，故需要研发出一套条盒自动化生产线。

　　本文以条盒自动化生产线中的条盒成型机为研究对象，主要研究设计了铲边成型装置，应用机械原理、机械设计、材料力学等知识进行计算和结构设计，通过SolidWorks进行三维建模，应用ADAMS计算机辅助软件对所设计的铲边成型装置进行仿真计算，应用ANSYS对升降主轴进行静力学分析，分析条盒成型过程中出现问题的原因，并对机械结构进行优化设计和验证，全文主要完成的工作有几下方面：

　　（1）以包装盒为背景，叙述了国内外包装机械的现状及发展趋势，总结出我国包装机械存在的问题。着重介绍了条盒的加工工艺以及目前的生产现状，对此提出本文的研究目的和意义；

　　（2）根据条盒成型机的结构组成，以半成品条盒为研究对象，结合相关的机械设计和机械原理知识，设计出条盒铲边成型装置气缸驱动和凸轮机构驱动的两种方案，并通过利弊分析，最终选择凸轮驱动方式的结构方案投入样机中进行实物验证，并设计了凸轮的轮廓；

　　（3）针对铲边成型装置在样机中存在的振动、脱模不畅、内模夹具发生碰撞和噪声严重的不良现象，利用ANSYS对凸轮做了模态分析，得出凸轮的固有频率，并给出凸轮机构属于刚性系统或弹性系统的划分方法，判断铲边成型装置中的凸轮机构应按刚性系统处理，为后续对凸轮机构进行刚体动力学分析提供依据；应用ADAMS刚体动力学仿真得到凸轮机构振动的关键参数，并分析了弹簧和圆弧凸轮对凸轮机构的振动影响。然后分别通过增加副弹簧、将副弹簧串并联和优化凸轮廓线的优化方式来达到减振效果。其中增加副弹簧使加速度峰值减小了40.8%,远休止1处位移波动范围降低0.07mm,加速度波动幅度降低53.6%,在此基础上，两个副弹簧并联的凸轮机构中加速度峰值又降低了21.1%,位移波动范围降到了0.17mm,速度波动范围降低了32.3%,加速度波动范围降低了31.2%.

　　更进一步地，在并联副弹簧的优化基础上，组合运动规律的凸轮比圆弧凸轮速度上峰值减小了26.8%;加速度峰值减小了17.9%;且远休止处速度波动幅度降低37%,加速度波动幅度降低27.6%,位移波动降到了0.1mm,可以有效地避免样机中出现的问题，提高压板的工作效率。

　　（4）针对条盒质量精度超差的问题，对升降主轴建立二次超静定梁力学模型，对升降主轴末端进行受力变形分析，找到定位不准的原因并对其进行优化，通过ANSYS静力学分析，验证了超静定梁模型正确，优化后使主轴末端的最大变形量从3.2mm降到0.14mm,结果能满足升降主轴0.2mm的定位精度要求。

　　5.2展望

　　包装机械中应用到的专业知识非常多，根据不同的工况，需要灵活应用，但是遗憾于此次论文研究周期的问题，以及振动方面理论知识的薄弱，所以本论文尚有许多不足之处，需要在日后的工作中不断地跟进，关于后续需要关注和投入的重点主要有以下几个方面：

　　（1）本论文所研究设计的铲边成型装置的某些具体零件的结构设计在今后的工作当中还可以进一步完善，以达到更好的工作性能要求。

　　（2）对于铲边成型装置产生振动的原因有很多，而本文主要分析了其中产生的几个主要因素，重点分析了压板凸轮机构中弹簧和从动件运动规律不合理对铲边成型装置产生冲击，从而造成振动。在今后的工作要求中，对铲边成型装置的振动现象可以从其他不同的方面进行相关的理论分析。

　　（3）铲边成型机构中共有三层凸轮机构，本文只针对其中一层进行分析及优化，由于机构的复杂性，尚未将三层凸轮结合在一起进行分析仿真验证，在今后的学习中，希望能积极提高自己的理论水平，将铲边成型机构的振动情况研究透彻。

　　（4）由于时间和现有机构的限制，对于升降主轴的优化并未做过多的结构改变，应该还有更多的优化空间。

　　参考文献
　　[1]锡璠。世界纸盒工业的现状与趋势[J].中国包装工业，1995（05）：9-13.
　　[2]宋慧欣。自动化，包装机械发展的必然趋势[J].自动化博览，2014（04）：40-41.
　　[3]赵霞。国外包装机械的发展现状[J].机械工业标准化与质量，2012（10）：10-12.
　　[4]F. Buschbeck, W. Wallisch. Packaging machine for "Mozartkugeln" controlled by a positionrecognition systerm [J].The International Jornal of Advanced ManufacturingTechnology,1989.4（1）。
　　[5]戴宏民，戴佩燕。工业 4.0 和包装机械智能化[J].中国包装，2016,36（03）：51-56.
　　[6]Wang F, Chen M R.Secondary development and application of Pro/E in packagingmachinery[J].Packaging Engineering,2005 （4）：64-65,68.
　　[7]戴宏民，戴佩燕，周均。世界包装机械的发展趋势及中国包装机械的发展对策[J].包装学报，2012,4（02）：46-51.
　　[8]Zhu J P.Research on the design methods of packaging machinery [J].Packaging Engineering,2007（7）：89-91.
　　[9]F.Y.Chen.Mechanics and Design of Cam Mechanisms. New York:Pegamon Press,1982.
　　[10]李三江，李亚娜。国外包装机械的现状和发展趋势及国内包装机械的发展策略之我见[J].科技资讯，2015, 13（35）：154-156.
　　[11]Lijun Shan, Lin Mu. Parametric design of anchoring packaging machine based on Pro/Esecondary development technology[P]. Mobile Congress （GMC）， 2010 Global,2010.
　　[12]王国扣，赵美华，高维美，等。国外食品包装机械发展的基本特征[J].农产品加工（创新版），2009（08）：7-10.
　　[13]Micheli Zanetti, Thaís Karoline Carniel, Francieli Dalcanton et al Use of encapsulated naturalcompounds as antimicrobial additives in food packaging: A brief review[J]. Trends in FoodScience & Technology, 2018, 81.
　　[14]Fortis M,Carminati M. The Automatic Packaging Machinery Sector in Italy and Germany[J].Springerbriefs in Business,2015.
　　[15]周建新。中西方国产食品包装机械的差距[J].上海包装，2010（8）：44-45.
　　[16]Wang Xin. A new expert fuzzy controller design for high accuracy measurement system ofpackaging machine[P]. Logistics Systems and Intelligent Management, 2010 InternationalConference on,2010.
　　[17]Davis, S., King, M.G., Casson, J.W., Gray, J.O., Caldwell, D.G Automated Handling, Assemblyand Packaging of Highly Variable Compliant Food Products - Making a Sandwich[P]. Roboticsand Automation, 2007 IEEE International Conference on,2007.
　　[18]Cote B.Packaging Machinery Trends[J].Medical Design Technology, 2001.
　　[19]黄站立。世界食品包装机械现状及我国的对策[J].中国包装，2008, 65 （2）：45-46.
　　[20]郭洪鑫。我国食品和包装机械行业发展趋势[J].机械工程师，2013（02）：3-7.
　　[21]黄站立，马利平。我国食品包装机械现状及对策[J].现代制造技术与装备，2009（02）：28-29.
　　[22].鸿铭机械以品质赢取未来[J].印刷技术，2016（19）：80.
　　[23].正润机械以品质赢取未来[J].印刷技术，2018（10）：67.
　　[24]张飞。基于机器视觉的天地盖制盒机定位贴合系统研究[D].江西理工大学，2018.
　　[25]周卫江。纸盒包装机的结构设计和分析[D].浙江工业大学，2011.
　　[26]Biagiotti,L.,Melchiorri,C.,Pilati,M.,Mazzuchetti,G.,Collepalumbo, G.,Ragazzini, P Integrationof robotic systems in a packaging machine: A tool for design and simulation of efficient motiontrajectories[P].2013.
　　[27]Wilcox, D., McNabb, A., Seppi, K. Solving virtual machine packing with a ReorderingGrouping Genetic Algorithm[P]. Evolutionary Computation （CEC）， 2011 IEEE Congresson,2011.
　　[28]丁继生。精装盒生产中应注意的一些常见问题[J].印刷杂志，2007（02）：69-72.
　　[29]唐曲曲。多盒形自动装盒机的关键技术研究[D].浙江理工大学，2018.
　　[30]明平光。纸盒成型机自动调节系统设计与开发[D].华中科技大学，2016.
　　[31]唐书喜。全自动热熔胶封盒机的研究设计[D].中国农业机械化科学研究院，2015.
　　[32]刘扬。CKX30 纸箱成型机凸轮连杆机构的优化与改进设计[D].西安工业大学，2014.
　　[33]翁茂荣。高速平板式铝塑泡罩包装机研究与开发[D].陕西科技大学，2012.
　　[34]钱瑞明。六圆弧盘形凸轮轮廓设计[J].机械设计与研究，1993（04）：15-16.
　　[35]王轩。CT36-110 型弹簧操动机构中盘形凸轮的优化设计和数控加工[D].昆明理工大学，2005.
　　[36]刘会英，盖玉先。凸轮传动机构的振动分析[J].机械设计与制造，2003（01）：106-107.
　　[37]刘世豪 , 张云顺 , 王宏睿 . 数控机床主轴优化设计专家系统研究 [J]. 农业机械学报，2016,47（04）：372-381.
　　[38]沈晓健，李开明，张志英。并联式铣床立柱静刚度分析及结构优化[J].机械制造与自动化，2016,45（02）：13-17.
　　[39]郑文纬，吴克坚。机械原理[M].高等教育出版社，2001.
　　[40]李占贤，杨志杰，陈杰。包装机横封凸轮的改进设计[J].河北理工大学学报（自然科学版），2010,32（04）：1-5.
　　[41]石永刚，吴央芳。凸轮机构设计与应用创新[M].北京：机械工业出版社，2007.
　　[42]张德明。浅论真空有载分接开关研发技术的要素（下）[J].变压器，2014,51（08）：52-56.
　　[43]付莹莹。平行分度凸轮轮廓解析设计新方法及其应用[J].机床与液压，2009,37（05）：152-154.
　　[44]魏兵，喻全余，孙未。机械原理[M].华中科技大学出版社，2014.
　　[45]刘鸿文。材料力学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2004.
　　[46]T.S Kwak,Y.J Kim,W.B Bae. Finite element analysis on the effect of die clearance on shearplanes in fine blanking[J].Journal of Materials Processing Tech.2002,130.
　　[47]Abhinandan Jain. An analytical workbench for system level multibody dynamics[J]. MultibodySystem Dynamics,2018,44（1）。
　　[48]Shi-qing Wu,Bin Shen,Yun-zhe Tang,Jia-hai Wang,Da-teng Zheng. Ergonomic layoutoptimization of a smart assembly workbench[J]. Assembly Automation,2018,38（3）。
　　[49]蔡应强，陈清林，丁旭光。轮式装载机前车架的有限元分析与结构优化[J].华侨大学学报（自然科学版），2016,37（01）：27-31.
　　[50]叶阜，张宝国，张起伟，等。基于 ANSYS Workbench 的斗轮堆取料机关键零部件的有限元分析优化[J].起重运输机械，2008（12）：83-87.
　　[51]喻永巽。ANSYS Workbench 的应用现状及分析[J].机电工程技术，2014,43（09）：138-140.
　　[52]李文涛。大型游乐设备-"桑巴塔"的回转架力学特性研究[D].西南交通大学，2016.
　　[53]任祥祥。注塑机模板的优化设计及参数建模软件开发[D].山东大学，2016.
　　[54]黄丽丽。有限元三维六面体网格自动生成与再生成算法研究及其应用[D].山东大学，2010.
　　[55]李士军 , 郝艳华 . 约束方程的分区网格划分法 [J]. 华侨大学学报 （ 自然科学版），2006（02）：170-173.
　　[56]黄靖康。多功能轮椅结构设计与优化[D].湖北工业大学，2018.
　　[57]江克斌，屠义强，邵飞。结构分析有限元原理及 ANSYS 实现[M].国防工业出版社，2005.

致谢

　　本论文是在邓援超教授的指导和帮助下完成的，由衷的感谢邓老师在研究生三年里对我的耐心指导和支持，创造了一个学习氛围浓厚，积极向上的 507 实验室。作为实验室的一员，深深的感受到了师兄师姐和师弟师妹们的关爱和帮助，不仅是在研究生生活快结束的论文阶段师兄师姐们对我论文的指导，师弟师妹们对我的帮助，更多的是在平时实验室的生活中，大家积极向上、乐观的心态同样感染了我。最后，衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授！

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