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摘 要
煙草行業(yè)是我國稅收的一個重要來源，卷煙包裝的生產(chǎn)效率直接影響香煙的生產(chǎn)效益，卷煙包裝機折角結(jié)構(gòu)對于卷煙包裝起著至關(guān)重要的作用，本論文重點研究卷煙包裝機折角結(jié)構(gòu)的設(shè)計，來提高卷煙包裝的效率，降低卷煙包裝的廢品率。
本文首先論述當(dāng)前國內(nèi)外煙草包裝機技術(shù)的現(xiàn)狀，其次根據(jù)卷煙包裝的設(shè)計要求，對卷煙包裝折角結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。根據(jù)煙包推送機構(gòu)、包裝紙進紙結(jié)構(gòu)、內(nèi)襯紙折角結(jié)構(gòu)和商標紙折角結(jié)構(gòu)的功能需要，對推送機構(gòu)及進紙結(jié)構(gòu)進行了理論計算為折角結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)，并詳細設(shè)計了主要結(jié)構(gòu)并給出了關(guān)鍵部分的機構(gòu)原理圖，對原理圖的功能進行了描述。最后利用 SolidWorks 軟件建立關(guān)鍵部分的三維模型，當(dāng)包裝機在極限受力下，運用 SolidWorks Simulation 有限元軟件對關(guān)鍵受力部件進行有限元受力分析。分析結(jié)果表明施加應(yīng)力后的屈服強度遠低于材料的許用屈服強度，因此卷煙包裝機折角結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果滿足使用要求。
本課題對所設(shè)計的卷煙包裝機折角結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)的設(shè)計與分析，有利于改善卷煙包裝的自動化生產(chǎn)，降低包裝過程中的煙支損壞率。有限元分析得出的應(yīng)力與應(yīng)變較小的部位，為以后結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供理論數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：包裝機；折角結(jié)構(gòu)；有限元分析
ABSTRACT
Tobacco 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 analysis
II
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 - 1 -
1.1研究現(xiàn)狀 - 1 -
1.2發(fā)展趨勢 - 1 -
1.3研究內(nèi)容 - 2 -
2折角結(jié)構(gòu)設(shè)計 - 3 -
2.1卷煙包裝機性能參數(shù)與設(shè)計要求 - 3 -
2.2 折角工藝過程 - 3 -
3方案設(shè)計、對比與選擇 - 5 -
3.1包裝機的工作原理 - 5 -
3.2設(shè)計對比并選擇方案 - 5 -
4煙包推送機構(gòu)設(shè)計 - 7 -
4.1推送機構(gòu) - 7 -
4.2 滾珠絲杠副的導(dǎo)程 - 7 -
4.3 滾珠絲杠副轉(zhuǎn)速、載荷 - 8 -
4.4 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量的計算并校核 - 8 -
4.5 扭矩的計算與校核 - 9 -
5包裝紙進紙結(jié)構(gòu)的設(shè)計 - 11 -
5.1包裝紙結(jié)構(gòu)的運動理論計算 - 11 -
6 內(nèi)襯紙折角設(shè)計 - 14 -
6.1 內(nèi)襯紙上折角設(shè)計 - 15 -
6.2 內(nèi)襯紙下折角設(shè)計 - 15 -
7 商標紙折角設(shè)計 - 16 -
7.1 商標紙上折角設(shè)計 - 17 -
7.2 商標紙下折角設(shè)計 - 18 -
8 折角結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件有限元分析 - 19 -
8.1 煙包推板有限元分析 - 20 -
8.2 內(nèi)襯紙上折角有限元分析 - 23 -
8.3 內(nèi)襯紙下折角有限元分析 - 27 -
9結(jié)論 - 32 -
參考文獻 - 33 -
附錄 1：外文翻譯 - 34 -
附錄2：外文原文 - 46 -
致謝 - 55 -
卷煙包裝機的折角結(jié)構(gòu)設(shè)計
1 緒論
煙草行業(yè)是我國的國稅收收入的主要來源之一，然而全國有許多大中型卷煙廠所生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)常處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。而如何使香煙生產(chǎn)獲得較高的生產(chǎn)效率和較好的包裝質(zhì)量，一直以來都是值得研究的重要問題。煙草包裝的好壞對卷煙包裝市場產(chǎn)生了重要的影響，直接或間接的影響了香煙生產(chǎn)。香煙包裝順序依次為內(nèi)襯紙、商標紙、煙包封簽、煙盒撕帶、透明薄膜包裝，最后再到條盒撕帶和透明薄膜的包裝。[1]在香煙包裝過程中，包裝速度和傳輸速度起著決定性作用。而卷煙包裝機折角結(jié)構(gòu)性能的好壞決定了卷煙效率、卷煙質(zhì)量。從而影響著香煙銷售競爭力和經(jīng)濟效益。因此，對于卷煙包裝機的研究也正在受到相關(guān)企業(yè)的重視。
1.1研究現(xiàn)狀
國外包裝機械工業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段：簡單機械化、初級機械化、自動包裝生產(chǎn)線、計算機控制的更高速、全自動、智能化的高度自動化生產(chǎn)線。最近幾年，美國、德國、英國，日本等國家的包裝機械設(shè)備發(fā)展呈現(xiàn)出新的趨勢。為了提高生產(chǎn)率，提高設(shè)備的柔性和靈活性，增加機械手完成復(fù)雜的包裝動作（模擬手工包裝）而呈現(xiàn)的越來越高的自動化工藝流程與機電一體化的控制。經(jīng)過不斷的發(fā)展，國外包裝機械工業(yè)和包裝機技術(shù)已經(jīng)形成了獨立完整的體系，成為機械制造的重要分支。
我國包裝機械在改革開放前基本上是一片空白，然而在改革開放后，由于我國的市場經(jīng)濟得到了發(fā)展，因而包裝機械便開始在中國以快速發(fā)展之勢呈現(xiàn)。同時隨著市場的需求，我國的包裝機械于是覆蓋了多領(lǐng)域，其中就包括了煙草包裝行業(yè)。另外，由于我國也在不斷地吸取前人的經(jīng)驗教訓(xùn)，不斷創(chuàng)新，讓包裝行業(yè)得到了較大的發(fā)展。
從低速到高速，再從直式包裝機到橫式包裝機，我國的包裝機械經(jīng)歷了由最初的自己設(shè)計到引進國外整體包裝機技術(shù)再到改進技術(shù)并優(yōu)化，最后進行自我制造的過程。
我國的煙草包裝機主要是1988年從意大利GD公司引進的并消化組裝技術(shù)，為我國各卷煙廠提供ZB45硬盒包裝機組和ZB25軟盒包裝機組。這兩種機組很大程度上使得產(chǎn)品技術(shù)性能和功能水平有了大幅度提升，均能達到400包/分鐘。其電控系統(tǒng)雖然讀取程序速度快，但是它具有開放性差，通用性差以及故障率高等缺點。上世紀末，改用西門子PLC，也增加更多的檢測裝置和控制邏輯，這在很大程度上提高了包裝機的工作效率。近年來，我國剛剛接觸超高速包裝機械組的研制，和國外存在一定的差距但也在通過技術(shù)創(chuàng)新逐步縮小這個差距。
1.2發(fā)展趨勢
隨著我國經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國香煙包裝機有了新的發(fā)展，呈現(xiàn)出了新的發(fā)展趨勢，現(xiàn)代卷煙生產(chǎn)包裝機械的發(fā)展趨勢主要是：
（1） 高速、高效、高可靠性；
（2） 煙支柔和保護的研究；
（3） 環(huán)保原輔材料的應(yīng)用；
（4） 驅(qū)動方式的變革；
（5） 控制技術(shù)的高度數(shù)字化、智能化；
（6） 更完整的包裝質(zhì)量檢測系統(tǒng)；
（7） 更為實用的人機工程；
（8） 降耗、節(jié)能。
由此可見，卷煙包裝機械正在向著連續(xù)化生產(chǎn)、專業(yè)化作業(yè)、自動化調(diào)節(jié)發(fā)展。高效率化、數(shù)控化、柔性化、智能化、多功能化、模式化已成為煙草包裝機械發(fā)展的必然趨勢。
1.3研究內(nèi)容
根據(jù)對國內(nèi)外煙草包裝機械的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的分析，此論文研究內(nèi)容主要為：根據(jù)包裝機的工作原理和其折角結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，首先構(gòu)思出卷煙包裝機的折角結(jié)構(gòu)方案并對這些方案進行對比之后進行選擇，其次根據(jù)所選擇的折角結(jié)構(gòu)方案對所要設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。卷煙包裝機的折角結(jié)構(gòu)主要包括推送機構(gòu)、進紙結(jié)構(gòu)、折角結(jié)構(gòu)，我們在了解了這些機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的功能以及它們所需要求后，并開始對煙包推送機構(gòu)和進紙結(jié)構(gòu)設(shè)計進行理論計算，這是折角結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)，完成對推送機構(gòu)和進紙結(jié)構(gòu)的計算，畫出折角機構(gòu)各部件的3D原理圖，以此來說明各折角機構(gòu)的工作原理。最后運用 SolidWorks Simulation 有限元軟件對折角結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部件進行有限元受力分析。
2折角結(jié)構(gòu)設(shè)計
要想獲得卷煙包裝機的折角結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先得明確了解卷包包裝機其包裝的設(shè)計與功能要求。然后明確包裝機的包裝工業(yè)過程并對各個工業(yè)過程的包裝功能進行深入了解，并知道每一步驟的具體功能。最后在這些基礎(chǔ)上對進行詳細的設(shè)計。
2.1卷煙包裝機性能參數(shù)與設(shè)計要求
2.1.1技術(shù)性能要求
包裝香煙的速度：每分鐘200包；
香煙的尺寸：高 85mm； 長 53mm； 厚 22mm；
包裝紙大?。喊b紙寬度 97mm；
香煙包裝煙包重量:250±5g；
2.2.2功能要求
從香煙外觀以及為了獲得更好的收益，香煙包裝機的折角結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足以下要求：
（1） 包裝設(shè)備滿足方便工作人員操作；
（2） 包裝結(jié)果滿足外觀平整美觀；
（3） 包裝紙能滿足平進出以減少浪費；
（4） 包裝機結(jié)構(gòu)滿足簡單易操作，便于生產(chǎn)以及后期的維修和使用。
2.2 折角工藝過程
圖2.1 香煙包裝的工藝順序
要對卷煙包裝機的折角結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，先得明確香煙的包裝過程，然后制定其包裝的工藝順序、折角工藝順序。圖2.1為香煙包裝的工藝順序，包裝機的折角處的工藝順序：
商標紙進紙
內(nèi)襯紙折角
推送煙支
內(nèi)襯紙進紙 紙紙
內(nèi)襯紙端頭折角
商標紙折角
其中，在內(nèi)襯紙進紙完成以后，內(nèi)襯紙要先對折，與煙支包裹，然后在內(nèi)襯紙的側(cè)面上部，開始對內(nèi)襯紙上側(cè)面進行折角，上側(cè)面折角完成后便開始內(nèi)襯紙側(cè)面下部的折角。同樣地，商標紙在進紙完后便與裹著煙支的煙包接觸，不同的是我們需要先對商標紙的端部進行折疊動作，完成以后才對商標紙側(cè)面的上下兩邊進行折角處理并進行粘封。接著對內(nèi)襯紙端頭兩個側(cè)面進行折角，完成后對此端頭的上下兩邊進行折角處理后便是完成了折角過程。
- 73 -
3方案設(shè)計、對比與選擇
3.1包裝機的工作原理
圖3.1香煙包裝機結(jié)構(gòu)示意圖
如圖所示：當(dāng)推送機構(gòu)運動到堆放煙支（儲料倉）的下面時，排列好的煙支下落到推送機構(gòu)的推板上隨著推送機構(gòu)的推送而向前運動。當(dāng)其運動到包裝材料輸送切斷棍時，香煙的包裝材料從包裝卷筒材料中被拉出，并在包裝材料輸出及切斷棍的作用下切斷，然后煙支與香煙包裝材料進入帶導(dǎo)槽的回轉(zhuǎn)體里面，由于回轉(zhuǎn)體里導(dǎo)槽側(cè)面的作用，煙支與包裝材料緊密接觸并呈包裹之態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)塔運動到側(cè)面折疊機構(gòu)到間歇工位這段時間，兩折疊板對香煙長側(cè)面進行折疊包裹，然后轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)到側(cè)面熱封接機構(gòu)時，將完成對香煙包裝紙的側(cè)面封接。在完成了側(cè)面折疊與熱封接后，推桿運動將運動到水平位置的煙包從回轉(zhuǎn)塔的導(dǎo)槽里推出。當(dāng)煙包繼續(xù)運動到端面折疊機構(gòu)時，此機構(gòu)將會對煙包包裝紙的端面進行折疊工作完成折疊工作的煙包最后經(jīng)推送機構(gòu)的推送而被推出。
3.2設(shè)計對比并選擇方案
3.2.1 方案一
階梯折疊型：階梯型折疊在煙包推送機構(gòu)的推送下，煙包實現(xiàn)的先水平方向后垂直方向的運動過程并在此運動過程中完成和折角結(jié)構(gòu)的接觸來完成對折角結(jié)構(gòu)的折疊與粘封。
3.2.2 方案二
回轉(zhuǎn)折疊型：此結(jié)構(gòu)的煙包是通過做圓弧運動來完成對煙包的折角折疊。當(dāng)煙包沿著圓弧的軌跡運動，此時煙包會順次完成各個包裝面的折疊和在此軌道中完成各個包裝面的粘封，最后輸出圓弧軌跡通道時便完成了包裝。
3.2.3 方案三
直線折疊型：煙包在推送機構(gòu)的推送下沿著直線做持續(xù)的直線運動。煙包在直線運動的過程中，煙支與包裝紙接觸而形成包裹，隨后在包裝通道的折角機構(gòu)內(nèi)完成對香煙的包裝與粘封。
表3.1 方案對比
階梯型折疊
回轉(zhuǎn)折疊型
直線型折疊
優(yōu)點：輸送的路線短，煙包可實現(xiàn)首尾相接
缺點：包裝輸送機構(gòu)相對而言較多
優(yōu)點：布局密集，占地面積小，可減少香煙包裝機傳動系統(tǒng)的傳動鏈
缺點：由于各執(zhí)行機構(gòu)易發(fā)生干涉，需要另行增加調(diào)節(jié)裝置
優(yōu)點：由于其對于煙包的輸送結(jié)構(gòu)相對這三個方案來說是最簡單的，并且煙包可實現(xiàn)首尾相接
缺點：由于是直線型折疊，所以其輸送的距離較長，因此機械占地面積相對會大。
通過對上述三種方案優(yōu)缺點的對比，選擇輸送結(jié)構(gòu)簡單的方案三。
4煙包推送機構(gòu)設(shè)計
4.1推送機構(gòu)
煙包的推送機構(gòu)是與滾珠絲杠連接在一起的，由于滾珠絲杠的摩擦損失率小、傳動率高、精度高、軸向剛度高，所以選擇滾珠絲杠。然后在直流電機的驅(qū)動下煙包推板隨著滾珠絲杠的回轉(zhuǎn)運動而做向前的直線間歇運動，而煙包推板的作用便是在運動過程中推動內(nèi)襯紙、商標紙與煙支的包裹接觸來完成對香煙折角結(jié)構(gòu)的折疊的。
圖4.1 推送機構(gòu)示意圖
4.2 滾珠絲杠副的導(dǎo)程
選用YEJ132S2-2驅(qū)動電機，其轉(zhuǎn)速最快3000r/min，電機的輸出端和滾珠絲杠的傳動比為1:1,電機的慣量：0.06434kg?m2，絲杠的最大速度：1800r/min,所以：
P= Vi×n=18001×3000=0.6mm
因為計算出的滾柱絲杠的導(dǎo)程P=0.6mm,所以我們選用導(dǎo)程為10mm的滾珠絲杠副。
4.3 滾珠絲杠副轉(zhuǎn)速、載荷
圖4.2滾珠絲杠副的受力簡圖
上圖所示為滾珠絲杠副的受力簡圖，取滾珠絲杠導(dǎo)軌的滑動系數(shù)為0.01，則滾珠絲杠副導(dǎo)軌所受的總摩擦力為：
F=Mgu1+mgu2=1×10N/kg×0.01+0.25×10N/kg×0.8=2.1N
式中：
M：煙包推板和滑塊的總質(zhì)量取1Kg；
m:根據(jù)設(shè)計要求所設(shè)計的煙包的重量為0.25Kg；
u1:導(dǎo)軌與滑塊間的摩擦系數(shù)0.01；
u2：工作平臺和紙之間的摩擦系數(shù)；
則如果要推動2.1N的力所需要的扭矩為：
T=F×P2π×η=2×102π×0.96=3.32N
轉(zhuǎn)速為：
V=60×VP=60×3010=180r/min
4.4 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量的計算并校核
滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：
J1=12m?r2=12×7×0.0252=0.002Kg?m2
式中：
m:滾珠絲杠的重量（滾珠絲杠長為1m質(zhì)量約為7Kg）；
r:滾珠絲杠的公稱直徑為25mm；
外部的載荷的轉(zhuǎn)動慣量：
J2=M?(P2π)2=1×(0.012π)2=0.0000202Kg?m2
JW=J1+J2=0.002+0.0000202=0.002202Kg?m2
因為JW
10%
0
扭曲單元百分比
0
8.1.2 煙包推板材料屬性
表8.3材料屬性
參考模型
屬性
名稱：AISI 105號鋼
模型類型：線性彈性同向
失敗默認準則：最大von Mises應(yīng)力
屈服強度：530N/mm2
張力強度:625N/mm2
8.1.3 定義負載與約束
由于煙包的推板不受其他的約束力，并且在螺栓的連接下而固定在滾柱絲杠的螺母上。因此對煙包推板的螺栓孔施加固定的約束。
假設(shè)將煙包推板的推力設(shè)為10N,然后將它加在煙包推板的平面上
表8.4約束屬性
約束名稱
約束圖像
約束細節(jié)
固定——2
實體：2面
類型：固定幾何體
表8.5載荷屬性
載荷名稱
加載圖像
負載細節(jié)
力——2
實體：1面
類型：應(yīng)用法向力
值：10N
8.1.4 算例結(jié)果與結(jié)果分析
對于煙包推板所選用的AISI1045號鋼，其屈服應(yīng)力為530MPa,如下圖所示為煙包推板在10載荷作用下的應(yīng)力云圖，通過下圖我們可以可以看出煙包推板其所受的大部分應(yīng)力都在0.8MPa以下，并且應(yīng)力的最大值4.587遠小于許用應(yīng)力，所以內(nèi)襯紙的上折角的強度符合要求。
表8.6煙包推板應(yīng)力云圖
表8.7煙包推板應(yīng)變云圖
名稱
類型
最小
最大
Displacement
URES:合位移
0.000e+0.000mm
節(jié)：1
4.052e-0.03mm
節(jié)：64423
上圖所示為煙包推板在10N載荷情況下的應(yīng)變云圖，從圖中可以看出煙包推板受到的最大變形量為0.004052mm，在煙包推板工作面的最上邊。
8.2 內(nèi)襯紙上折角有限元分析
8.2.1內(nèi)襯紙上折角的網(wǎng)格劃分
表8.8內(nèi)襯紙網(wǎng)格信息
網(wǎng)格的類型
實體網(wǎng)絡(luò)
所有的網(wǎng)格器
標準網(wǎng)絡(luò)
自動過渡
關(guān)閉
網(wǎng)格自動環(huán)
關(guān)閉
扭曲單元的點
4點
單元大小
0.85864mm
公差大小
0.42932mm
網(wǎng)格的品質(zhì)圖解
高
表8.9網(wǎng)格信息細節(jié)
8.2.2 內(nèi)襯紙上折角的材料屬性
表8.10材料屬性
參考模型
屬性
名稱：AISI 1045號鋼
模型類型：線性彈性同向
失敗默認準則：最大von Mises應(yīng)力
屈服強度：530N/mm2
張力強度: 625N/mm2
8.2.3 定義負載與約束
同樣地因為內(nèi)襯紙的上折角是用螺栓固定在蓋板上而致其不受其他與約束，因而同樣地對是對內(nèi)襯紙的上折角處螺栓孔的地方施加固定的約束。
將煙包推板推送煙包的10N力轉(zhuǎn)化為子載荷且加到內(nèi)襯紙上折角的作用面上。
表8.11約束屬性
約束名稱
約束圖像
約束細節(jié)
固定——1
實體：2面
類型：固定幾何體
表8.12負載屬性
載荷名稱
加載圖像
負載細節(jié)
力——1
實體：1面
類型：應(yīng)用法向力
值：10N
8.2.4結(jié)果與結(jié)果分析
表8.13內(nèi)襯紙上折角應(yīng)力云圖
如上圖所示，從內(nèi)襯紙上折角的應(yīng)力云圖中可以看出當(dāng)在載荷為10N 的情況下，此材料即45號鋼所受到的屈服力是530MPa。而從其應(yīng)力云圖可以看到基本上大部分的應(yīng)力都在4MPa以下，并且最大為27.373MPa,這個數(shù)值遠小于其許用應(yīng)力，因此內(nèi)襯紙上折角符合強度要求。
表8.14內(nèi)襯紙上折角應(yīng)變云圖
名稱
類型
最小
最大
Displacement
URES:合位移
0.000e+0.000mm
節(jié)：1
1.591e-0.02mm
節(jié)：2919
如上所示，從內(nèi)襯紙上折角的應(yīng)變云圖中我們可以看出，在載荷為10N 情況下內(nèi)襯紙上折角處的最大變形量是在內(nèi)襯紙上折角的折角底部，最大變形量為0.00159mm。
8.3 內(nèi)襯紙下折角有限元分析
8.3.1內(nèi)襯紙下折角網(wǎng)格劃分
表8.15網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格的類型
實體網(wǎng)絡(luò)
所有的網(wǎng)格器
標準網(wǎng)絡(luò)
自動過渡
關(guān)閉
網(wǎng)格自動環(huán)
關(guān)閉
扭曲單元的點
4點
單元大小
2.83273mm
公差大小
0.141636mm
網(wǎng)格的品質(zhì)圖解
高
表8.16網(wǎng)格細節(jié)
8.3.2內(nèi)襯紙下折角材料屬性
表8.17材料屬性
參考模型
屬性
名稱：AISI 1020號鋼
模型類型：線性彈性同向
失敗默認準則：最大von Mises應(yīng)力
屈服強度：351.57N/mm2
張力強度:420.507N/mm2
8.3.3定義載荷與約束
和煙包推板與內(nèi)襯紙上折角情況一樣，內(nèi)襯紙的下折角是通過螺栓固定在底板上而不受其他約束，所以直接對內(nèi)襯紙下折角的螺栓孔施加約束。
任然設(shè)10N的煙包推板力推送煙包，并轉(zhuǎn)化為載荷，而把此載荷加載到內(nèi)襯紙下折角的作用平面上。
表8.18約束屬性
名稱
圖像
細節(jié)
固定——1
實體——2面
類型——固定幾何體
表8.19負載屬性
名稱
圖像
細節(jié)
力——1
實體：1面，1基準面
參考：上視基準面
類型：應(yīng)用力
值：-10N
8.3.4結(jié)果與結(jié)果分析
下圖為內(nèi)襯紙下折角的應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，在10N 的載荷下，20號鋼的屈服應(yīng)力為355MPa，可以看到的是大部分的應(yīng)力都在0.021MP下，而應(yīng)力的最大值才為0.123MPa遠小于內(nèi)襯紙下折角的許用應(yīng)力，因此符合強度要求。
表8.20內(nèi)襯紙下折角應(yīng)力云圖
名稱
類型
最小
最大
Stress
VON:von Mises 應(yīng)力
0.00N/mm2(MPa)
節(jié)：228
0.123Nmm2(MPa)
節(jié)：9592
表8.21內(nèi)襯紙下折角應(yīng)變云圖
名稱
類型
最小
最大
Displacement
URES:合位移
0.000e+0.000mm
節(jié)：1
3.370e-0.05mm
節(jié)：75
如上所示，從內(nèi)襯紙下折角的應(yīng)變云圖可以看出在10N載荷條件下，內(nèi)襯紙的下折角的變形最大處在下折角折角面的底部，最大變形量小于0.00337mm。
9結(jié)論
本文的設(shè)計題目為卷煙包裝機的折角結(jié)構(gòu)設(shè)計，以卷煙包裝機的折角結(jié)構(gòu)作為研究對象，從設(shè)計工作的理論意義和應(yīng)用價值出發(fā)，然后根據(jù)對國內(nèi)外卷包包裝機折角結(jié)構(gòu)的目前研究狀況和發(fā)展趨勢做了介紹。論文主要解決的是卷煙包裝機的折角結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計與其結(jié)構(gòu)設(shè)計。論文首先對當(dāng)前國內(nèi)外煙草包裝機技術(shù)的現(xiàn)狀以及其發(fā)展趨勢進行敘述，以確定本文研究的內(nèi)容與重點，其次根據(jù)卷煙包裝的設(shè)計要求及其功能要求，根據(jù)卷煙包裝機的工作原理，對方案進行設(shè)計對比并且選擇。之后便對煙包推送機構(gòu)以及包裝紙進紙結(jié)構(gòu)進行理論計算，以便于更好的對折角結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。設(shè)計了主要的折角機構(gòu)，并畫出其關(guān)鍵部位的3D效果圖并加以描述。最后，通過 SolidWorks Simulation 有限元分析模塊對關(guān)鍵部件進行校核，通過對比施加應(yīng)力后材料的屈服強度與材料的許用屈服強度來判斷所設(shè)計的折角結(jié)構(gòu)是否滿足要求。分析結(jié)果表明施加應(yīng)力后的屈服強度遠小于材料的許用屈服強度，因此卷煙包裝機的折角結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足使用要求。
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附錄 1：外文翻譯
基于約束的紙箱折疊模擬操作
G. 馬林斯，J.馬修斯
巴斯大學(xué)巴斯大學(xué)機械工程系創(chuàng)新設(shè)計和制造研究中心 BA2 7AY，英國
摘要
紙箱是包裝各種物品的常用方法。紙箱通常由專用機器“豎立”，這些專用機器
將紙箱從平網(wǎng)折疊成形狀。當(dāng)需要使用新形式的紙箱時，專用機械可能不合適，可以使用可重新配置的系統(tǒng)。需要模擬安裝過程本身，以確保其按預(yù)期方式運行。本文研究了使用基于約束的技術(shù)來生成這種仿真。必要的命令是從紙箱網(wǎng)的幾何生成的。 施幾何約束以確保網(wǎng)絡(luò)保持完整，從而解決存在環(huán)路的情況。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換 模擬 紙箱 紙箱架設(shè) 折疊 包裝 折紙
1.介紹
紙箱代表包裝各種消費品的流行方式，包括食品，電子元件和固定供應(yīng)品。它們是通用的，并且它們可能增加受歡迎程度，因為它們在回收和降解性方面具有良好的環(huán)境性能。紙箱由已經(jīng)切割和印刷的紙板板的扁平網(wǎng)形成或豎立。另外，通常通過將薄金屬規(guī)則壓入平板來預(yù)先形成折痕。通常，通過沿著適當(dāng)?shù)恼酆壅郫B的專用包裝機器來執(zhí)行安裝過程。紙箱通常通過膠合或通過折疊和鎖定襟翼而保持在其豎立狀態(tài)。對于一些范圍的產(chǎn)品，期望適應(yīng)紙箱以適應(yīng)不同的尺寸和數(shù)量。還有對“創(chuàng)新”紙箱設(shè)計的興趣，以便為客戶提供更大的吸引力。這些想法可以通過設(shè)計新的專用機器或引入可重新配置的過程來適應(yīng)?？芍貥?gòu)性可以通過使用機器人來獲得，并且這些已經(jīng)以各種方式用于折疊紙箱。另外，在紙張折疊和使用機器人從紙張形成折紙模型中存在相關(guān)的興趣。
當(dāng)設(shè)計包裝系統(tǒng)時，自然需要模擬機器及其與包裝材料的相互作用。當(dāng)材料是紙板板時存在困難，因為其性質(zhì)是非線性的并且可以隨著發(fā)生加工的環(huán)境的性質(zhì)而變化。通常需要諸如有限元分析的數(shù)值技術(shù)，其具有材料性質(zhì)的適當(dāng)表示。
在處理可重構(gòu)系統(tǒng)時，模擬紙箱本身的架設(shè)過程也很重要。這是為了確保該過程是可行的并且在紙箱的不同部分之間不發(fā)生不希望的干擾。它還有助于檢查被其他部分“捕獲”的網(wǎng)的部分被移動到適當(dāng)?shù)奈恢?。仿真還在設(shè)置和控制參數(shù)方面為機器提供數(shù)據(jù)。
本文著眼于如何在安裝過程中提供這種紙箱運動的模擬。它的目的是基于從紙箱的原始平網(wǎng)的數(shù)據(jù)做到這一點。折疊沿著折痕發(fā)生，這些將網(wǎng)分割成面。下一節(jié)討論顯示面之間相鄰性的面圖。當(dāng)這沒有環(huán)（如使用簡單紙箱時可能發(fā)生的那樣），假設(shè)沒有面彼此干擾的情況，豎起過程是驅(qū)動所有角度通過所需角度的環(huán)。干擾問題當(dāng)然是一個問題。對于簡單的紙箱，通?？梢灾苯恿私馊绾伪苊飧蓴_，但對于更一般的折疊操作不是這種情況。當(dāng)存在循環(huán)時，由于鄰近的運動，“角撐板”存在于其中面板移動。第 3 節(jié)討論如何應(yīng)用變換來模擬紙箱的表面的運動，并且其示出如何可以創(chuàng)建命令以使得能夠使用基于約束的方法找到角撐板折疊的角度。托盤紙箱的示例在前面部分中討論。第 4 節(jié)給出了煎鍋紙盒的第二個例子。第 5 節(jié)調(diào)查了該方法是否可以擴展到更復(fù)雜的折疊情況，并看看從折紙得到的例子。特別地，這突出了通過相鄰位置的相對小的變化可以在一些角撐板折疊中引起的大的角度變化。這意味著需要小心確保約束分辨率找到適當(dāng)?shù)慕俏恢谩?
圖 1 折疊托盤紙箱 圖 2 托盤紙箱及關(guān)聯(lián)面圖
2.圖表
考慮圖 4 所示的托盤紙箱。該圖在安裝過程中給出了各個階段。原始網(wǎng)絡(luò)如圖 1所示。它總共有十五個面板。它們用編號為基座的面板編號為零。這可以被認為是固定的，其它表面相對于它移動。很可能用于豎立托盤的機構(gòu)或機器主要作用在主側(cè)壁上。因此，面板 1,4,7 和 10 轉(zhuǎn)過 90°，面板 13 和 14 每個相對于面板 4 和 10 轉(zhuǎn)過180°。在托盤的角落有四個“角撐板”的安排。示例包括面板 2 和 3。這些需要向內(nèi)移動，如圖 1 所示，并且當(dāng)面板 13 折疊時，它們最終被捕獲并保持在短的雙壁端部內(nèi)。角撐板不需要被明確地推動; 它們隨著它們所附著的主板移動而自然地移動。然而，他們可能需要在其運動的初始階段期間被引導(dǎo)以確保它們向內(nèi)而不向外移動。
圖 3 四桿機構(gòu)與空間圖
圖 2 中還示出了紙箱的面圖。該圖的節(jié)點對應(yīng)于紙箱的面板，并且如果在紙箱網(wǎng)中，兩個面具有公共邊緣，則兩個節(jié)點被接合。（如果面部網(wǎng)本身被視為平面圖，則面部圖本質(zhì)上是雙重圖。）
類似的圖形用于表示機構(gòu)或機器人的鏈接的互連，并且它們也被用于描述用于表示這樣的系統(tǒng)的“模型空間”的層級。模型空間是關(guān)于局部坐標系所描述的幾何實體的集合。它還與它相關(guān)聯(lián)的變換，從局部空間映射到另一個坐標系。第二個系統(tǒng)可以是世界空間或另一個模型空間。創(chuàng)建層次結(jié)構(gòu)，其中節(jié)點是空間本身，并且邊可以被視為它們之間的變換映射。層次結(jié)構(gòu)形成一個樹，其中根節(jié)點是世界空間。為了找到任何其他空間如何與世界相關(guān)，有必要通過沿著它與世界空間之間的邊緣的每個變換來映射它。由于層次結(jié)構(gòu)是樹，所以這個變換序列是唯一的。
如果指定每個變換，則確定每個模型空間的位置。因此，例如，對于傳統(tǒng)的機器人，如果每個關(guān)節(jié)角度是已知的，則建立末端執(zhí)行器的位置。然而，在實踐中，需要將末端執(zhí)行器帶到給定點。這有效地創(chuàng)造了一個新的邊緣，將末端執(zhí)行器直接連接到世界空間。這反過來在層次結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建一個循環(huán)，它不再是一個樹。一旦有循環(huán)，則確定變換更困難，因為可能存在沖突，這取決于循環(huán)遍歷的方式。
圖三中示出了示例，其示出了四桿機構(gòu)的三個移動連桿。耦合器和從動連桿未連接。相應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)也在圖中示出。連接兩個鏈接產(chǎn)生了附加的邊緣（如虛線所示）并且形成了環(huán)。建立組件的一種方式是將聯(lián)接器和從動連桿的角度視為自由的。兩個這樣的鏈接形成一個“二元”。形成用于鏈路的端部的表達式并將它們設(shè)置為相等導(dǎo)致角度的兩個同時的非線性方程。這些可以通過各種技術(shù)在數(shù)字上解決。
圖 4 帶切割的托盤紙盒及其關(guān)聯(lián)樹
在托盤紙箱的情況下，四個角撐板角部中的每一個可以被視為二元組。如果每個都被認為是沿著其對角折疊切割的，如圖 4 中左側(cè)的放大形式所示，則所得到的面部圖形在圖的右側(cè)示出。這個圖形現(xiàn)在是一個樹，實際上是原始圖形的生成樹，其邊緣表示涉及紙箱網(wǎng)中對應(yīng)邊緣的旋轉(zhuǎn)的變換。二元組中的切割表示需要求解的非線性方程。
二元組中的切割表示需要求解的非線性方程。使用約束建模環(huán)境，其中通過用戶界面語言指定幾何實體和它們之間的約束。所做的是從紙箱（及其二元組）的網(wǎng)絡(luò)的描述自動創(chuàng)建約束建模器的命令文件。命令文件指定在其安裝的任何階段需要解決裝配紙箱的約束。可以通過指定關(guān)于未切割邊緣的旋轉(zhuǎn)的值的序列來獲得模擬。然后可以逐步通過，在每個階段約束解決。下一節(jié)討論從紙箱網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建命令文件。
最后在本節(jié)中，簡要概述了約束建模方法，用于本文中的示例。在包括圖形，概念設(shè)計和實施例設(shè)計的應(yīng)用中出現(xiàn)了許多基于約束的設(shè)計的方法。已經(jīng)使用了用于解決約束的各種裝置，包括聯(lián)立方程的計算推理和數(shù)值解。約束建模環(huán)境使用優(yōu)化技術(shù)進行約束分解。它有一個基礎(chǔ)語言，其中聲明了設(shè)計參數(shù)。這些可以包括諸如點，線和弧的圖形實體。
約束被指定為涉及一些設(shè)計參數(shù)的表達式。當(dāng)其值為零時，這被認為是真的;如果它具有非零值（作為實數(shù)），則這是其虛假的度量。對于每組約束，用戶指定哪些參數(shù)可以更改以便滿足那些約束。然后，系統(tǒng)將約束表達式的平方和作為可以改變的參數(shù)的函數(shù)來處理，并且使用數(shù)值優(yōu)化技術(shù)（例如 Powell 的直接搜索方法）搜索（局部）最小值。如果發(fā)現(xiàn)最小值為零，則知道約束已被令人滿意地解決。非零最小值表明約束是沖突的，不能完全解決。
目的是找到一個令人滿意的配置。這意味著可變參數(shù)的初始值很重要，因為這是數(shù)值搜索的起始點。該方法旨在幫助設(shè)計者探索設(shè)計空間。在設(shè)計過程的早期階段，約束隨著設(shè)計人員對設(shè)計任務(wù)的理解而不斷發(fā)展。指定對環(huán)境的已知約束允許評估其影響，以便可以根據(jù)需要修改或擴展約束。
圖 5 對于形成二元組的鏈接的約束解決作為示例，圖 5 的部分
（a）示出了作為圖 3 中給出的四桿機構(gòu)的“桿模型”的表示。代表耦合器和從動鏈路的線是 Lcoupler 和 Ldriven，并且將它們的端部結(jié)合在一起的約束是當(dāng)約束被解決時，系統(tǒng)找到圖 5 的部分（b）中的解，以允許兩條線的角度變化（并保持曲柄固定）。這是從（a）部分所示的配置開始的。當(dāng)然有另一個解決方案，如（c）部分所示。如果這是所需的那個，那么在進行搜索之前，或者兩個行需要被旋轉(zhuǎn)“關(guān)閉”到這個配置，或者另外的約束強加到不允許另一個解決方案。
3.轉(zhuǎn)換
本節(jié)描述如何使用原始紙箱網(wǎng)的幾何形狀的描述來創(chuàng)建安裝過程的模擬。網(wǎng)的描
述是作為數(shù)據(jù)文件中提供的點和面的集合。此文件由獨立的預(yù)處理器程序處理，以創(chuàng)建約束建模環(huán)境的命令。正是在這一點，執(zhí)行模擬。
每個點表示面板之一的頂點。它用名稱標記，并且使用用于網(wǎng)絡(luò)的適當(dāng)坐標框架來指定其坐標。每個面被指定為它周圍的點序列（以逆時針方向）。預(yù)處理器程序需要確定與要使用的面部圖的生成樹相對應(yīng)的面的層級。這可以通過在數(shù)據(jù)文件中聲明
已經(jīng)切割哪些邊緣并且哪些邊緣保留來自動完成; 這給予預(yù)處理器確定分層結(jié)構(gòu)的足夠信息。還可以更簡單地通過用對層級中的下一個面的引用來標記每個面來實現(xiàn)?；久嬗米鲗哟谓Y(jié)構(gòu)的根節(jié)點。
圖 6 在兩個相鄰的面板之間進行變換
預(yù)處理器程序產(chǎn)生命令以創(chuàng)建表示每個面部的邊界的線。每個內(nèi)部線創(chuàng)建兩次：每個內(nèi)部線位于其中的