自动开箱机结构设计Word文档格式.docx

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corrugatedcarton

摘要……………………….............................………………………………….…..Ⅰ

Abstract……………………………….........………………………………………..Ⅱ

第1章绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

在传统的包装材料中，瓦楞纸箱一直占据重要的地位。

瓦楞纸箱作为运输包装材料，既经济、轻便又堆放省力、易于处理。

瓦楞纸箱是高功能、低成本的良好运输容器，是当今世界各国所采用的最重要的包装形式之一。

经济发达的纸箱工业产值占整个包装工业产值的40%左右。

我国的包装工业起步于上个世纪的70年代末，80年代初，进口了大量包装材料和包装机械，这对加快我国的包装工业的发展起了十分重要的作用。

我国的包装机械在技术引进，消化吸收中得到发展。

纸箱自动开箱机是进20余年来随着包装工业的发展和运输集装化发展集机、电、光、气一体化的高技术，高智能，高竞争的新型包装设备。

近10年来，中国瓦楞纸箱机械工业发展迅速。

国纸箱机械企业模仿引进设备，由于国外引进的设备价格昂贵而国纸箱企业大多数无法接受，从而为国机械设备企业打开销路。

形成目前比较先进的纸箱包装机械。

但是，根据目前纸箱生产的发展对纸箱包装机械的要求越来越高，为纸箱包装机械企业进一步开拓高速、高档、高效、高科技的纸箱机械设备指明了方向和发展趋势。

通过设计优化开箱机的各个结构，使全自动纸箱开箱机的开箱能力更快速，更稳定，更优化。

1.2开箱机的发展现状

目前国外多家包装机械厂生产的全自动纸箱开箱机存在性能不稳定等许多细节问题，如纸箱摆放时容易翻倒。

以往的自动开箱机储料方式采用动力输送，而在实际生产过程中，由于各个使用厂商的纸箱材质，厚度等各不相同，导致在生产过程中经常出现纸箱送料不到位或送过料等问题。

此外，由于开箱机采用的纸箱成型方法不佳导致成型的纸箱形状不标准。

我国的纸箱包装机械行业目前总体的生产状况是结构简单，技术含量低的产品多，高技术附加值、高生产率的产品少；

单机多，成套流水线少，完整的配套性尤差；

重生产加工，轻研究开发，自主开发的创新产品很少。

省机械科学研究所研发的ZF5050全自动纸箱开箱机继承了传统FJ6050胶带封箱机的工作效率高，封箱质量好等优点。

并且封贴平整、牢固、无明显折皱、左右对称偏差小于5mm。

随着科学技术的发展和市场竞争的加剧，客户对成品机械性能的要求也越来越高。

一是高生产率，以满足交货期的要求和降低工艺流通成本的需要；

二是适应产品更新的需要，纸箱包装机械要具有高的柔性和灵活性；

三是对一些产品，还要求纸箱包装机械和生产机械相衔接；

四是设备故障少，出现故障能进行远程诊断服务；

五是购置设备投资尽可能少，价格要尽可能低一些；

六是对环境污染少，包括噪声和粉尘。

包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件。

在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC控制的情况下，就可以对其部的辅助继电器进行编程后来取代。

国外在各种包装机上已经大量采用了PLC来取代传统的继电器控制屏。

我国包装机械目前控制部件大多还沿用继电器方式。

如果能用PLC来取代的话，则可以简化机械结构，机械和电气设计都可以得到简化。

更重要的是可以使原来无法实现的某些功能得以实现，使机器在某种程度上实现智能化，大大降低其故障率，提高其性能。

1.3本课题的研究容和方法

本课题是对瓦楞纸箱自动开箱机的总体结构设计，使所设计的纸箱自动开箱机可以自动完成对瓦楞纸箱的取箱、开箱、封箱。

并且可以完成纸箱板的自动进给，纸箱自动开箱机所开纸箱板的尺寸柔性可调。

为使设计的纸箱自动开箱机结构鲜明，设计过程简便，从而将纸箱自动开箱机总体结构分为了主机架、上箱机构、纸箱成型机构、真空吸箱机构、摇臂输箱机构、纸箱前盖折边机构、纸箱侧盖折边机构及抬高机构、纸箱导轨机构、纸箱胶带封底机构、压实撞杆机构、纸箱后盖折边机构。

通过对各个结构的优化设计特别是纸箱导轨机构和胶带封底机构，将各个机构总装在主机架上，最终完成纸箱自动开箱机的总体结构设计。

1.4本章小结

本章主要介绍了课题的背景及研究的目的意义；

介绍了纸箱包装机械设备的现状以及目前大部分纸箱自动开箱机存在的问题；

还介绍了本课题的主要研究容与研究方法。

第2章自动开箱机的整体设计

2.1自动开箱机总体设计方案

2.1.1自动开箱机总体结构

本课题所设计的瓦楞纸箱自动开箱机的总体结构由主机架、上箱机构、纸箱成型机构、真空吸箱机构、摇臂输箱机构、纸箱前盖折边机构、纸箱侧盖折边机构、纸箱胶带封底机构、纸箱导轨机构、压实撞杆机构总装而成。

瓦楞纸箱自动开箱机的总装结构如图2-1所示。

图2-1总装结构示意图

瓦楞纸箱自动开箱机也叫纸箱板打开，纸箱板由真空吸箱机构的气动吸盘吸取运动至纸箱折边机构正上方，在此过程中经过纸箱成型装置，纸箱板在成型装置阻力与气动吸盘的吸力作用下运动展开。

纸箱的前盖、后盖以及侧盖分别在一定程序作用下，由纸箱前盖折边机构、纸箱后盖折边机构和纸箱侧盖折边机构折叠。

折叠好的纸箱由摇臂输箱机构推入纸箱导轨。

纸箱在纸箱导轨的皮带驱动下向前运动，经过纸箱胶带封底机构时由胶带密封。

纸箱自动开箱机是大批量纸箱板自动进给、自动开箱、自动封箱的流水线生产设备。

纸箱自动开箱机采用PLC+显示屏控制，一次完成纸箱的吸箱、开箱、成型、折底、封底等包装工序，各个工序完全自动化。

纸箱自动开箱机的大体功能如图2-2所示。

由于纸箱自动开箱机的高度自动化

，大大方便生产，提高了企业的生产效率，降低了生产成本，是自动化规模生产必不可少的设备。

图2-2机器功能示意图

2.1.2各组成机构的功能实现方法

（1）送料装置：

送料装置即上箱机构。

上箱机构的主框架上装有纸箱左右挡板。

纸箱左右挡板可以固定纸箱板，防止纸箱翻倒，其中纸箱左挡板通过丝母与丝杠连接，从而可以通过旋转手轮调节纸箱左挡板的位置，以适应不同宽度的纸箱板。

上箱机构的底板倾斜，与水平面夹角为30°

，上箱机构底板上通过光杠装有重力下滑机构，从而无需添加任何驱动机构，上箱机构直接依靠纸箱与纸箱挡板的自重即可自动完成进给，机械性能稳定可靠。

（2）取料装置：

取料装置即真空吸箱机构。

真空吸箱机构设计为曲柄滑块机

构，整个滑块在光杠上滑动，一个滑块上固定有支架，支架上装有吸盘，完成对纸箱的吸紧。

另一个滑块通过曲柄连接气缸，整个机构由气缸驱动曲柄使滑块在光杠上做直线往复式运动。

（3）成型推箱装置：

成型装置为一个固定在主机架上的杆。

当真空吸箱机构吸取纸箱板向纸箱折边机构移动时，纸箱板碰到纸箱成型装置以后，在压痕处弯折逐渐将纸箱板折成纸箱。

已经成型的纸箱在折盖机构完成折盖后由推箱装置推入纸箱导轨。

推箱机构即摇臂输箱机构，摇臂通过滑块与光杠连接，由气缸驱动滑块做直线往复式运动。

气缸通过丝母与丝杠连接，从而可以通过旋转手轮调节气缸底座固定板的位置，进而调节推动纸箱的极限位置。

此机构的设计避免了对不同纸箱加工时更换不同气缸的繁琐过程。

只需要通过手轮调节气缸位置，既简单容易操作，又节省了成本，提高了生产效率。

（4）折盖装置：

折盖装置包括纸箱短边折边机构和纸箱长边折边机构。

纸箱短边折边机构分为两个部分，一部分完成纸箱的前盖折边，一部分完成纸箱的后盖折边。

纸箱前盖折边机构由气缸驱动齿条做直线往复式运动，齿条与齿轮相互啮合，齿轮带动齿轮轴转动，齿轮轴上固定有拍击板，拍击板转动，从而完成纸箱的前盖折边。

纸箱后盖折边机构与纸箱前盖折边机构工作原理相同，均由气缸驱动，齿轮齿条啮合完成。

纸箱长边折边机构固定在支架上，整个装置由气缸驱动，气缸底端与固定轴连接。

气缸输出轴带动纸箱长边折边板转动，完成纸箱的长边折边以及纸箱的抬高。

（5）输送装置：

输送装置即纸箱导轨机构。

纸箱导轨由两个部分组成，分别通过丝母与丝杠连接。

从而可以调节尺寸。

丝杠分为旋向相反的两部分，从而旋转手轮后纸箱导轨的左右两部分同时向两边运动或同时向中间运动

。

保证了纸箱导轨的中心不变，从而适应不同尺寸的纸箱使都可以满足纸箱的中心在胶带封底装置的正上方，可以顺利地完成胶带封底。

整个装置由两个电机通过主动轮与从动轮带动皮带运动，依靠纸箱的摩擦力完成纸箱的输送与夹紧。

（6）封底装置：

封底装置由胶带封底机构和压实撞杆机构组成。

压实撞杆机构通过丝母光杠可以调节纸箱压板的高度，从而适应不同高度的纸箱，纸箱压板的主要作用是压紧纸箱，与纸箱导轨共同完成纸箱的定位夹紧，避免纸箱在外力作用下抬高。

胶带封底装置由单向滚筒、弹簧、锯齿形件，曲柄等连接而成，完成纸箱的胶带封底过程。

2.2自动开箱机的工作流程

主机架上装有上箱机构，主机架装有真空吸箱机构和摇臂输箱机构，真空吸箱机构下部对应位置装有纸箱长边闭合机构，摇臂输箱机构上装有纸箱前盖折边机构。

摇臂输箱机构运动尽头装有纸箱导轨机构，纸箱导轨中间装有胶带封底装置和纸箱后盖折边机构，纸箱导轨上部对应位置装有压实撞杆机构。

纸箱板存储在上箱机构上，通过转动手轮带动丝杠转动，从而使丝杠丝母上的纸箱左边固定板左右移动，与纸箱右边固定板共同夹紧纸箱板。

光杠通过滑块连接纸箱板挡板。

上箱机构底板与水平面成30°

夹角，通过纸箱与纸箱固定板的自重自动完成纸箱的进给。

真空吸箱机构由气缸驱动，吸盘固定在支架上，支架与滑块相连，气缸驱动滑块在光杠上做直线往复式运动，吸取纸箱。

纸箱在运动过程中碰触成型装置自动打开成型。

吸盘将纸箱吸取到纸箱折边机构的正上方之后，纸箱短边折边机构折叠纸箱短边，纸箱长边折边机构折叠纸箱长边并抬高纸箱。

摇臂输箱机构将纸箱推入纸箱导轨，纸箱导轨的皮带输送纸箱经过胶带封底装置，完成纸箱的封底。

压实撞杆机构压紧纸箱，保持纸箱底部的平整。

2.3设计方案的改进

上箱机构通过纸箱板与水平面成30°

夹角，使整个机构依靠纸箱与纸箱挡板的自重自动完成进给而不需要添加其他的驱动机构，机械性能稳定可靠。

以往的纸箱自动开箱机胶带封底装置采用类似于倒置订书机的结构，结构复杂，维修困难，而且加工组装过程繁琐。

本课题所设计的胶带封底装置通过曲柄、滚轮、弹簧的应用，使封底装置更加简洁实用，性能更加稳定。

2.4本章小结

本章主要介绍了自动开箱机的总体结构，将自动开箱机分为了九个重要的组成部分。

对每个结构的设计思路，所要实现的功能做了介绍，初步确定了各个机构的设计方案。

介绍了自动开箱机的整个工作流程，同时分析了此设计方案对一些结构的改进优化。

第3章自动开箱机各个机构设计

3.1主机架的设计

3.1.1主机架的结构组成

主机架主要由支架、箱板、丝杠、光杠、底座轮、支座、控制箱、铝合金框架等零件组成。

主机架的结构示意图如图3-1所示。

图3-1主机架结构示意图

3.1.2主机架的工作原理

主机架的主要作用是将各个机构组装在一起，成为纸箱自动开箱机的主要框架。

主机架的前方右边位置固定上箱机构，通过手轮丝杠的作用，可以调节上箱机构的高度，从而适应不同高度的纸箱板。

上箱机构固定结构如图3-2所示。

主机架上方为铝合金框架，嵌入玻璃为观察窗。

主机架底部由四个底座固定，当需要移动自动开箱机的位置时可以调节机构使底部滚轮下降，底座上升，通过滚轮滚动来移动开箱机的位置，方便省力，大大节省了人力物力。

主机架的结构尺寸经过计算，既避免了各个机构之间的干涉，又满足机器正常工作的刚度要求。

图3-2上箱机构固定结构

3.2上箱机构的设计

3.2.1上箱机构的结构组成

上箱机构主要由主框架、纸箱后挡板、光杠、滑块、丝杠、丝母、手轮、轴承、纸箱左右固定板等零件组成，如图3-3所示。

图3-3上箱机构示意图

3.2.2上箱机构的工作过程

上箱机构主框架上装有纸箱左右挡板，挡板固定纸箱，防止纸箱翻倒。

上箱机构底板上倾，与水平面成30°

夹角

光杠滑块上装有纸箱后挡板，既可以固定纸箱，防止纸箱后倾，又可以依靠自身重力下滑推动纸箱进给。

当在纸箱挡板中放入纸箱后，纸箱被固定。

真空吸箱机构吸取一个纸箱之后，由于纸箱和后挡板的重力下滑自动完成纸箱进给。

当纸箱运动到延伸板后，由于延伸板水平且主机架对应位置装有成型装置，纸箱静止不动。

整个机构完全依靠纸箱板与后挡板机构的自重完成自动进给，既节省了成本又安全可靠。

3.2.3自动下滑机构的优点

纸箱自动开箱机以往的储料方式多为动力驱动，每次的进给量一定。

在实际的生产过程中，由于各个厂商所使用的纸箱板材质，尺寸各不相同，导致机器工作过程中经常出现送料不到位或送过料等问题。

而采用自动下滑机构，不仅可以保证每次纸箱的进给位置合适，还无需添加外力驱动，节省了能源与成本。

3.3真空吸箱机构设计

3.3.1真空吸箱机构的结构组成

真空吸箱机构由气缸、滑块、光杆、固定座、支架、气动吸盘、等零件组装而成。

其结构示意图如图3-4所示。

图3-4真空吸箱结构示意图

3.3.2真空吸箱机构的工作原理

真空吸箱机构的气动吸盘固定在竖直板上，竖直板固定在支架上，支架固定在光杠滑块上，从而可以在驱动力作用下做直线往复式运动。

气缸通过曲柄驱动支架向前移动，到达纸箱处气动吸盘吸取一个纸箱。

气缸杆回缩，驱动支架向后运动，在向后运动过程中纸板碰到纸箱成型机构，在吸盘吸力与成型装置阻力的作用下展开成纸箱。

最终停留在折边机构的上方。

通过对丝杠的应用，使真空吸箱机构可以通过旋转手轮调整气动吸盘的停留位置，从而使纸箱能准确的停留在纸箱折边机构的上方。

3.3.3动力的选择

动力的主要作用是驱动滑块在光杠上做直线往复式运动，可以选择气动、电动、液压动力。

虽然液压动力可以驱动滑块在光杠上做直线往复式运动，但是由于液压动力速度过于缓慢，不能够满足本课题中开箱机的开箱速度，所以不选择液压动力。

电动机构的主要不足之处在于：

电动机构相对于其他两个驱动力机构比较复杂，更加容易发生故障。

并且由于机构的复杂性，对开箱机维护人员的技术要求相对较高。

电动机虽然能提供驱动力，但是电动机转速过高需要配合减速机构。

并且电动机驱动下的取料机构刚性过大，如果发生纸箱脱落或者成型的纸箱未被及时推走容易产生破坏。

气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式。

活塞式运动行程长，适用于要求有较大推力的场合，薄膜式行程较短，只能直接带动阀杆。

气动执行机构结构简单，输出推力大，动作平稳可靠。

气动执行机构的主要优点有：

移动速度快，但当负载增加时移动速度会变慢，检查维修简单，对环境的适应性好，输出功率较大，使用安全。

气动执行器的工作介质是空气，节省成本，排气处理简单，不污染环境。

综上所述动力机构采用活塞式气缸驱动。

相比电动执行器，气缸可在恶劣条件下可靠地工作，且操作简单，基本可实现免维护。

气缸擅长作往复直线运动，尤其适于工业自动化中最多的传送要求如工件的直线搬运。

而且，仅仅调节安装在气缸两侧的单向节流阀就可简单地实现稳定的速度控制，也成为气缸驱动系统最大的特征和优势。

3.3.4气缸的选型

（1）气缸作用力的大小：

根据工作所需要的驱动力大小来确定活塞杆上的推力和拉力，由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。

若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作。

缸径选大了，不仅使设备笨重，成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。

气缸理论出力的计算公式见式3-1：

公式3-1

——气缸理论输出力（kgf）

——气缸缸径（mm）

——工作压力（kgf/mm）

（2）气缸行程的长短：

气缸的行程与使用场合和机构的行程比有关，不同的安装形式其缸径的行程比不同，如图3-5所示。

根据使用场合的实际行程来验算一下活塞杆的强度是否产生纵向弯曲。

图3-5气缸安装形式

（3）气缸的空气消耗量计算公式如式3-2所示：

公式3-2

——每厘米行程空气消耗量（L/cm）

——活塞或活塞杆直径（mm）

——气缸行程（mm）

——操作压力（kgf/cm

）

（4）真空吸箱机构气缸选型：

已知气缸所驱动的滑块总位移为650mm，根据四杆机构的知识可以求得所需驱动气缸的行程为250mm，所需气缸的缸径为50mm，故选用的气缸型号为：

CA2L50-250S。

气缸型号的表示方法如图3-6所示：

图3-6气缸型号表示

3.3.5真空吸盘的选型

真空吸盘，又称为真空吊具，是真空设备执行器之一。

一般来说，利用真空吸盘抓取制品是最为廉价的一种方法。

真空吸盘品种多样，橡胶制成的吸盘可以在高温的环境下进行操作；

由硅橡胶所制成的吸盘非常适用于抓住表面粗糙的制品；

由聚氨酯制成的吸盘则很耐用。

另外，在实际生产使用中，如果要求吸盘具有耐油性，则可以考虑使用聚氨酯、丁腈橡胶或含乙烯基的聚合物等材料来制造吸盘。

通常，为避免制品的表面被划伤，最好选择由丁腈橡胶或硅橡胶制成的带有波纹管的吸盘，吸盘材料采用丁腈橡胶制造，具有较大的扯断力，因而广泛应用于各种真空吸持设备上。

由于真空吸盘的特殊结构。

当抽走或者稀薄密闭空间里面的空气时，与被吸吊物接触后会形成一个暂时性的密封空间。

通过气动管路或者一定的装置。

密闭空间里面的气压就低于外界的大气压力，于是吸盘外的压力差产生，外面的大气压就会把物体和真空吸盘牢牢地挤压在一起。

这样，真空吸盘吸取物品运动至目的地后，把密闭空间和外面的大气压联通，真空吸盘就与物体分离开了。

真空吸盘具有操作速度快、安全不会损坏物品、经济环保等优点。

真空吸盘的直径计算公式如式3-3所示。

公式3-3

——吸盘的直径（mm）

——吸取工件的质量（kg）

——安全系数

——吸盘的个数

——真空压力（kpa）

真空吸盘的工作方式一般分为水平起吊与垂直起吊两种。

当真空吸盘水平起吊时安全系数为4，当真空吸盘垂直起吊时安全系数为8。

真空吸盘的两种工作方式如图3-7所示。

图3-7真空吸盘工作方式

考虑到吸盘吸附工件的可吸附尺寸面时，所选的吸盘直径应设定为略大于根据公式3-3所得出的所需吸盘直径。

因为吸盘在吸附工件时会产生变形，所以吸盘的外径大小一般应该增大10%左右。

最终计算得本机构采用4个吸盘，吸盘的材料为丁腈橡胶。

吸盘的直径为60mm。

3.4摇臂输箱机构设计

3.4.1摇臂输箱机构的结构组成

摇臂输箱机构由摇臂、推杆、支架、丝杠、光杠、气缸、手轮、支撑板等零件组装而成。

摇臂输箱机构的结构示意图如图3-7所示。

图3-7摇臂输箱结构示意图

3.4.2摇臂输箱机构的工作原理

摇臂输箱机构的推杆和摇臂通过底板固定在光杠滑块上，气缸驱动滑块在光杠上做直线往复式运动，从而可以将已经成型的纸箱推入纸箱导轨。

气缸安装方式采用轴向脚座型。

由于纸箱自动开箱机的尺寸柔性可调，导致气缸的行程需要根纸箱的尺寸而改变。

如果更换一种尺寸的纸箱就更换一次气缸的话工作过程过于繁琐，不仅困难难以执行此种方法，而且会由于更换气缸使机器停止运动，大大降低了生产效率。

而且纸箱的尺寸在一个围柔性可调，这就导致不可能备用过多气缸，此种方法不可行。

本机构中可以通过旋转手轮，带动丝杠旋转，带动与丝母相连的固定板左右移动来调节气缸的位置。

气缸的行程保持不变，通过调节气缸的位置来适应不同尺寸的纸箱。

此机构实现了在气缸选型确定的情况下通过旋转手轮来调节气缸的位置，从而适应了不同尺寸的纸箱，简单容易操作。

3.4.3动力选择与气缸选型

摇臂输箱机构中的动力主要作用是通过滑块驱