纸盒的高速自动折叠机构及其原理_精品文档.pdf
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收稿日期:
2007?
11?
26作者简介:
刘天植（1983-）,女,沈阳人,江南大学硕士研究生,主攻包装结构和包装机械设计。
纸盒的高速自动折叠机构及其原理刘天植,张新昌（江南大学,无锡214122）摘要:
根据纸盒自动化生产的条件,分析适合自动化、机械化生产的盒型结构及其成型机构。
运用变胞原理分析1种典型的盒型结构,对纸盒的构态变换过程进行分析,并生成了典型纸盒盒片的折叠矩阵,该矩阵可以用于复杂盒型自动折叠机构的运动轨迹设计。
关键词:
折叠纸盒;结构;变胞机构中图分类号:
TB486+.1?
文献标识码:
A?
文章编号:
1001-3563（2008）02-0041-03HighSpeedCartonAutomaticFoldingMechanismanditsPrincipleLIUTian?
zhi,ZHANGXin?
chang（JiangnanUniversity,Wuxi214122,China）Abstract:
Theshapeandstructureofcartonanditsmodelingmechanismsuitableforautomaticandmechanizedproductionwasanalyzedbasedontheconditionofautomaticproduction.Basedonthemetamor?
phicmechanisms,onetypicalfoldingcartonwasanalyzed.Throughthestudyofthechangefromaconfigura?
tiontoanother,thefoldingprocesswaspresentedwithahereditaryconnectivitymatrix.Thismatrixcanbeusedtodesignthemotiontrackoftheautomaticfoldingmechanismforcomplexcarton.Keywords:
foldingcarton;configuration;metamorphicmechanism?
纸盒包装的产品范围很广。
目前,盒型的生产加工在很大程度上还依赖于手工生产,自动化程度不高,不利于提高生产效率。
因此,纸盒是否能够高速化、机械化生产是提高生产率的一个重要途径。
通过对纸盒类型进行研究,分析了高速自动成型纸盒的成型方式;同时根据变胞原理对典型盒型盒片的折叠过程进行分析,得到了纸盒盒片的折叠矩阵,该矩阵可以用来设计自动折叠机械手的运动轨迹。
1?
折叠纸盒的类型及其结构设计要求折叠纸盒是一种韧性薄纸板包装容器,经印刷、模切压痕、粘合而成。
按外形特点,折叠纸盒分为管式、盘式、管盘式和非管非盘式折叠纸盒等。
按结构及封闭形式来分,又可分为标准式、罩盖式、摇盖式、包折式、抽屉式、异型盒、功能盒和多件包装折叠纸盒等。
在批量、高速和自动化生产中,由于成型机构的需要,纸盒结构必须满足一定的要求:
1）纸盒的折叠次数:
纸盒的折叠次数越少,生产效率越高。
2）纸盒的折叠方向:
由于纸盒盒底、盒盖形式多变,在同一纸板上有内折、外折2种折叠方式,内折线、外折线之间距离越大越易成型。
3）纸盒的折线形状:
在纸盒设计时,其折线可能包括一些弧线,对于有弧度的折叠在成型机构中成型较为困难。
4）纸盒的封口方式:
采用直接黏结或胶带黏接的形式封口容易实现,但对于盒型结构为摇翼连续折插式等类型,成型比较困难。
5）所需纸板数量:
除了天罩地型盘式纸盒等特定折叠纸盒成型较为容易。
对于包折式、多件包装折叠纸盒等形式,需要纸板不止1片,2片或多片在黏贴定位时较为困难。
2?
纸盒结构及折叠机构分析2.1?
管式折叠纸盒管式折叠纸盒为单片纸板折叠,其盒身比较简单,盒盖和盒底的摇翼比较复杂。
插入式、锁口式、锁底式等形式都可实现自动化生产。
管式折叠纸盒盒坯存放在坯料台中有2种形式:
水平存放以及垂直存放。
盒坯从坯料台自动送料时通常可以采用吸盘吸起盒坯,通过传送带送到指定位置;也可以采用往复运动的冲杆送料。
对于垂直存放的坯料通常采用2只吸盘在左右两侧吸取纸板,而水平方式存放的坯料通常采用1只吸盘,吸取纸箱下部取料。
吸取坯料后,送到下1个工位。
纸盒的张开也可以通过吸盘完成。
盒体一面与传送带贴合,吸盘41刘天植等?
纸盒的高速自动折叠机构及其原理吸附其对面,吸盘转动90?
即可把纸盒撑开。
盒身的成型比较容易,方法也比较多。
管式折叠纸盒的变化主要集中在盒盖与盒底。
对于盒底、盒盖比较简单的结构,按折缝直接折叠即可。
这种结构,采用机械化、自动化生产比较方便,一般用挡板与拨块配合的方式可以实现。
例如,纸盒主侧板与副翼的折叠可以采用2个扇形拨块作用在摇翼的下部,向下折叠成型,见图1;插入式盒底（盖）结构可以采用一个钩状结构将其掀起,见图2。
封口则可图1?
侧板、副翼折叠装置图2?
钩状结构?
Fig.1FoldingdeviceforsideboardandaileronFig.2Hookedstructure以采用直接黏结或胶带黏接的形式。
直接黏结时可以先在纸板上涂胶,再采用压头压紧。
胶带黏接的方式更简单,在要黏接的盒盖或盒底部位安1只胶带滚轮即可。
锁底式纸盒的某些部位需要涂胶,可以采用2种方法,一种是先在需要涂胶的位置喷淋水溶性乙烯醋酸盐,在粘贴工位再采用热喷枪喷热空气定型;另一种方法是在纸板上附有热封膜,采用加压的方式使膜封合。
管式折叠纸盒的盒底还有其他折叠形式,不是十分复杂的折叠形式都能实现自动化生产。
盒型的底部没有完全切开,而是采用折叠的形式将其内折,防灰效果较好,见图3。
其成型方式可以采用推板与回转凸块相互配合完成,见图4。
当纸盒传送到折叠位置后,与其相对的回转突杆与盒底副翼接触,将?
图3?
防灰盒底图4?
盒底折叠装置Fig.3Dust-proofcartonFig.4Cartonbottomfoldingdevice其折入,同时采用推板折盒底侧板,使其盖在副翼上方。
2.2?
盘式折叠纸盒盘式折叠纸盒多采用冲模冲压的方式成型,常用的成型机构有直线型和回转型。
传送装置将纸板送到冲模位置,冲模装图5?
支起结构Fig.5Handerectingposts置利用压力使纸盒立起。
冲模装置的设计与所选盒型有关。
盘式纸盒在折叠时,纸盒前后的侧板折向盒内,侧板上出现的是外折线。
为实现侧板的折叠,可以采用支起杆与纸坯外表面接触成型的方法,见图5。
回转型成盒机构体积比直线型成盒机的体积要小,适合生产较复杂的盘式折叠纸盒,如盒盖与盒身采用一片纸板成型、中间铰接相连的纸盒等,见图6。
回转成盒机采用间歇回转机图6?
带盖铰接盒Fig.6Hingedcartonwithlid构,成型时盒盖与盒体是分开的。
其中心回转体上装有阳模,机器外圈还有多副压模装置,由气缸装置驱动。
其工艺是盒坯上胶、盒体冲压成型、盒盖冲压成型,最后输出成品。
2.3?
其他纸盒结构的成型折叠纸盒还有很多特殊结构,对实现纸盒的特殊功能起着重要作用。
例如,为增加纸盒强度,可以采用角撑结构;为增加对产品的防护作用,可以采用内部隔板结构;为方便取物,可以采用倾倒口结构等。
就角撑而言,角部的叠片结构可以由一系列圆锥滚压装置与垂直滚轮配合折压而成。
此时,圆锥滚轮的安放以及压力要与角撑表面及所形成的角完全吻合,见图7。
图7?
角撑折叠机构Fig.7Thecornerflapfoldingmechanism由上述分析可以看出,实现自动化、机械化成型的盒型应具有以下特征:
盒体比较规范,多为长方体;盒盖、盒底采用的多为插入式或插锁式;纸盒的封口方式采用直接黏结或胶带黏接的形式封口。
实现纸盒自动化、机械化成型的过程不外是取盒、成型、封口。
取盒多采用真空吸头,成型采用拨块或滚压装置,封口多采用热压装置或胶带黏接滚轮。
在自动折叠过程中,盒片的折叠成型过程和成型轨迹是确定折叠机构位置的重要依据。
下面做进一步分析。
3?
纸盒的折叠成型过程与折叠轨迹为满足产品的类型、结构以及封口方式的不同,包装纸盒常需要采用引人注意的盒型及各种封合方法,而不同的包装纸盒需要不同的成型机构。
采用变胞原理对纸盒盒片的折叠过程进行分析,得到其运动特性（轨迹线或运动方程）,再选用合适的机械手来完成纸盒的折叠过程。
变胞原理是指采用特定方法,使机构的拓扑结构加以变化,以实现机构自由度的变化。
通常42包装工程?
PACKAGINGENGINEERINGVo.l29No.22008.02该机构在至少一次自由度变化后,仍然具有运动能力1。
3.1?
折叠纸盒的机构模型折叠纸盒最初的形态为一平板,在分析纸盒结构时,将纸盒折痕作为转动副,纸盒折叠可以由其等效机构表示,这个等效机构通常具有多个自由度。
纸板2在折叠之前,各个转动副都是可以转动的,Fo=15,见图8。
当纸盒成型后,一共形成图8?
纸盒展开图Fig.8Developingdrawingofcarton了3个回环,还有2个开环构件。
开环构件14、15依然可以进行一定角度的转动。
所形成的3个回环相互制约,在空间不能运动,自由度为0,开环构件自由度为Fo=2,在等效机构中图9?
等效机构Fig.9EquivalentmechanismF=2。
当主侧板5与粘结襟片1连接后,机构改变了它的结构和自由度,形成了一种新的机构,从原来的5个铰的运动链变为了4个铰的闭环链,见图9。
变胞机构的自由度可表示为:
F=Fc+Fo其中Fc是闭环的自由度,Fo是开环的自由度,它等于所含转动副的个数。
3.2?
纸板的折叠及纸盒的结构纸盒的成型过程可以由邻接板的运动来定义。
相邻两个板的变化矩阵定义为hi,j。
i、j是两相邻接板,k是连接两板的转动副。
每个板可以由对应的结构向量q表示,结构向量对应于纸板的几何中心。
因此,两板之间的相对运动可以有2个结构向量qj和qi表示3-4。
qi=hi,jqj=Ti,k（ux,uy,uz）Rk（?
?
）Tk,j（ux,uy,uz）qj式中:
Rk（?
?
）=Rx（?
）Ry（?
）Rz（）Tk,j（vx,vy,vz）=100vx010vy001vz0001式中:
vx、vy、vz!
从板j到折痕k的线性位移,ux,uy,uz!
从折痕k到板i的线性位移。
未成型之前,纸板的结构由矩阵Q表示,此时的矩阵为初始矩阵Qinit:
Qinit=qinit-1,qinit-2,qinit-j,qinit-n纸盒成型后,得到的结构矩阵为目标矩阵Qgoal:
Qgoal=qgoal-1,qgoal-2,qgoal-j,qgoal-n从Qinit到Qgoal可以由特殊的位置和方向表示。
因此,qgoal=T（!
i）R（?
i）qinit在纸盒的连续折叠操作中,纸盒的成型过程可以由纸盒的等效机构简化图来表示,见图10。
从目标结构中可以找出有效节点。
为得到折叠结果,要写出邻接矩阵（略）。
根据得到的等效机构简图见图11,对原矩阵进行化简。
?
图10?
纸盒结构图图11?
等效机构简化图?
Fig.10StructuralgraphofthecartonFig.11Simlifiedgraphofequivalentmechanism简化后得:
h2#,1#h3#,1#h4#,1#h5#,1#0h6#,3#h8#,4#h7#,5#00h9#,8#0根据简化矩阵的第一行,可以得出要成型此特殊盒型结构,至少需要几条平行折叠轨迹。
根据列关联可以生成第一条折叠轨迹。
根据下一层子列可以生产第2条折叠轨迹。
4?
结语本文通过分析纸盒的盒型结构,总结了适合自动化、机械化生产的盒型结构及其工艺。
根据典型结构的折叠成型工艺,讨论了相应的折叠成型机构与压模装置。
文章运用变胞机构学的概念探讨了折叠纸盒的折叠轨迹和折叠过程
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