平行四邊形機(jī)構(gòu)在后道包裝機(jī)械中的應(yīng)用分析

曹俊

（陜西沛愉包裝科技研究院，陜西 西安 723000）

平行四邊形機(jī)構(gòu)在后道包裝機(jī)械中的應(yīng)用分析

曹俊

（陜西沛愉包裝科技研究院，陜西 西安 723000）

文章對(duì)平行四邊形機(jī)構(gòu)在后道包裝機(jī)械的應(yīng)用方法研究，以平面四桿機(jī)構(gòu)作為研究案例，分析平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)特征。以機(jī)構(gòu)學(xué)理論作為基礎(chǔ)條件，對(duì)后道包裝工作流程下平行四邊性機(jī)構(gòu)應(yīng)用詳細(xì)分析。經(jīng)過分析之后發(fā)現(xiàn)，平行四邊形機(jī)構(gòu)在后道包裝機(jī)械上承擔(dān)著重要作用。

平行四邊形機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)分析；后包裝機(jī)械

為了能夠提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模，提升生產(chǎn)流程自動(dòng)化水平，快速消費(fèi)品產(chǎn)業(yè)一直都在努力為之奮斗。后道包裝也被稱之為二次包裝，主要表示產(chǎn)品為運(yùn)輸所進(jìn)行的包裝工序，是食品及飲料行業(yè)重點(diǎn)生產(chǎn)內(nèi)容。為了能夠解決后道包裝自動(dòng)化操作問題，研究人員研發(fā)了各種設(shè)備。平行四邊形機(jī)構(gòu)由于具有良好穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，進(jìn)而得到了廣泛應(yīng)用。

1 運(yùn)動(dòng)分析

平面連桿機(jī)構(gòu)作為應(yīng)用廣泛的機(jī)械設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用過程中具有以下4點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①構(gòu)件采取面接觸方式，構(gòu)件單位面積所承受的壓力較小，可以承載大載荷物體，并且潤(rùn)滑十分方便；②構(gòu)件接觸面屬于平面或者是圓柱形狀，進(jìn)而實(shí)際生產(chǎn)加工較為簡(jiǎn)單，生產(chǎn)精度可以顯著提升；③構(gòu)件之間的接觸全部通過幾何封閉方式實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)際應(yīng)用十分方便；④平面連桿機(jī)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行過程中，具有多種運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而可以滿足多樣化運(yùn)行需求。

在平面連桿機(jī)構(gòu)眾多結(jié)構(gòu)中，四桿機(jī)構(gòu)屬于應(yīng)用最為廣泛的機(jī)構(gòu)。平面四桿機(jī)構(gòu)代表性型式就是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄條件，也就是最短桿與最長(zhǎng)桿之間的和要小于剩下兩桿之和，并且最短桿為機(jī)架。

2 平行四邊形機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)中應(yīng)用

后道包裝機(jī)械有三個(gè)，分別為裝箱機(jī)、紙箱成型機(jī)與碼垛機(jī)。這三種包裝設(shè)備內(nèi)都包含了多種運(yùn)行機(jī)構(gòu)，但是基本上都屬于平行四邊形機(jī)構(gòu)。

2.1 紙箱成型機(jī)

紙箱成型機(jī)作為專用設(shè)備，主要就是將筒形片狀紙板箱打開成型，進(jìn)而紙箱成型機(jī)也被稱之為開箱機(jī)。紙箱成型機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，可以自動(dòng)完成紙箱張開及成形，并且還可以合攏紙箱底部，應(yīng)用膠帶進(jìn)行粘貼。紙箱成型機(jī)在整個(gè)運(yùn)行流程過程中，紙箱底部需要按照一定流程進(jìn)行折疊，底部紙張?jiān)谙蚯罢郫B過程中，需要應(yīng)用固定折頁塊完成紙箱折合操作；紙箱在向后折疊過程中，需要應(yīng)用專屬機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，完成紙箱頁塊折合任務(wù)。但是需要特別注意，紙箱在整個(gè)折合過程中，都需要提前設(shè)置好折疊線條，并且按照一定時(shí)間完成指向折疊，最終確定紙箱形狀。紙箱后折頁機(jī)構(gòu)主要由三部分構(gòu)成，分別為回轉(zhuǎn)式、直線式與連桿式。

（1）連桿式折合機(jī)構(gòu)。連桿式折合機(jī)構(gòu)作為代表性平行四邊形機(jī)構(gòu)，在實(shí)際運(yùn)行過程中通過弧線平動(dòng)的方式完成折頁的折疊操作。連桿式折合機(jī)構(gòu)和其他兩種方式相比較，整個(gè)紙箱折合流程都較為平滑，同時(shí)紙箱成型之后穩(wěn)定性較高，定位點(diǎn)十分明確。

（2）曲柄式折合機(jī)構(gòu)。曲炳式折合機(jī)構(gòu)作為代表性曲柄平行四邊形機(jī)構(gòu)，在實(shí)際運(yùn)行過程中借助氣缸作用，曲柄在驅(qū)動(dòng)力作用之下按照力矩進(jìn)行負(fù)向旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。連桿在曲柄式折合機(jī)構(gòu)整個(gè)運(yùn)行過程中，始終采取平移位置方式，同時(shí)連桿任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡都為圓形。

2.2 裝箱機(jī)

裝箱機(jī)作為一種自動(dòng)裝入運(yùn)輸包裝設(shè)備，主要在無包裝產(chǎn)品及小包裝產(chǎn)品包裝生產(chǎn)過程中應(yīng)用。一般情況下，裝箱機(jī)主要由七部分構(gòu)成，分別為平行四邊形連桿、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、平行四邊形曲柄、滑槽、平行四邊形機(jī)架、真空抓取器。

（1）裝箱機(jī)工藝流程。裝箱機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，需要將實(shí)瓶運(yùn)輸?shù)絺魉蛶希貏e注意實(shí)瓶必須排列整齊，然后應(yīng)用真空抓取器將實(shí)瓶放入到另一個(gè)傳輸帶上面。真空抓取器在整個(gè)移動(dòng)過程中，真空抓取器全部保持平衡。一旦真空抓取器在移動(dòng)過程中出現(xiàn)歪斜情況，實(shí)瓶和真空抓取器之間就會(huì)出現(xiàn)接觸不均衡問題，造成鉆孔抓取器和實(shí)瓶之間無法處于真空狀態(tài)，無法完成實(shí)瓶移動(dòng)操作。真空抓取器在放下實(shí)瓶過程中，要是和箱子之間出現(xiàn)偏差，也無法順利完成實(shí)瓶裝箱操作。裝箱機(jī)實(shí)際上就是借助平行四邊形機(jī)構(gòu)的運(yùn)行特征，通過平行移動(dòng)完成實(shí)瓶整個(gè)裝箱操作流程。

（2）裝箱機(jī)運(yùn)動(dòng)特征。按照裝箱機(jī)結(jié)構(gòu)及工藝流程可知，裝箱機(jī)由一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)及擺桿驅(qū)動(dòng)的滑塊機(jī)構(gòu)組成，其中滑塊機(jī)構(gòu)充當(dāng)裝箱機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，讓裝箱機(jī)從滑槽根據(jù)槽型完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程。槽型也就是真空抓取器在裝箱機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)整個(gè)軌跡，為了能夠保證真空抓取器可以一直保持平衡勻速運(yùn)行狀態(tài)，因此裝箱機(jī)引入了平行四邊形機(jī)構(gòu)?；瑝K在運(yùn)行過程中將平行四邊形機(jī)構(gòu)看做機(jī)架，讓平行四邊形機(jī)構(gòu)一邊始終處于豎直狀態(tài)。按照平行四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征顯示，平行四邊形連桿在運(yùn)行過程中，對(duì)稱邊連桿必須始終保持平行狀態(tài)，同時(shí)連桿運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)該和真空抓取器運(yùn)行軌跡相同。裝箱機(jī)只有在這種運(yùn)行狀態(tài)之下，才可以保證真空抓取器在運(yùn)行過程中，始終處于豎直勻速狀態(tài)，同時(shí)平行四邊形機(jī)構(gòu)的連桿按照滑槽形狀運(yùn)行。

2.3 碼垛機(jī)器人

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)原本勞動(dòng)力低廉優(yōu)勢(shì)已經(jīng)并不明顯，勞動(dòng)力成本也在不斷提高，食品、飲料等行業(yè)為了能夠降低自身運(yùn)行成本，開始逐漸在產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)等過程中應(yīng)用碼垛機(jī)器人。碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于運(yùn)行空間要求較低，具有良好適用性，能源消耗量較低，進(jìn)而在食品、飲料等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。碼垛機(jī)器人具有多種類型，文章主要對(duì)平行四邊形機(jī)構(gòu)式碼垛機(jī)器人進(jìn)行分析。平行四邊形機(jī)構(gòu)式碼垛機(jī)器人具有四個(gè)自由度，分別為肩關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)，同時(shí)添加了三種平行四邊形機(jī)構(gòu)。

（1）平行四邊形機(jī)構(gòu)式碼垛機(jī)器人功能。按照平行四邊形機(jī)構(gòu)式碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)可知，該碼垛機(jī)器人具有以下兩點(diǎn)功能：①前臂及大臂在驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)之下，可以大幅度降低前臂運(yùn)行重量，進(jìn)而提高碼垛機(jī)器人運(yùn)行過程中的動(dòng)力學(xué)性能；②由于平行四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)行特征影響，該類型碼垛機(jī)器人可以讓末端執(zhí)行器在整個(gè)運(yùn)行過程中，始終都可以處于和水平面平行狀態(tài)。

（2）平行四邊形機(jī)構(gòu)式碼垛機(jī)器人運(yùn)行特征。由平行四邊形機(jī)構(gòu)式碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)可知，大臂作為平行四邊形機(jī)構(gòu)上的機(jī)架，機(jī)架按照肩關(guān)節(jié)以一定速度進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)；前臂作為平行四邊形機(jī)構(gòu)上的曲柄，按照平行四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)行特征，前臂在大臂上按照一定角速度呈現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)。因此，碼垛機(jī)器人在整個(gè)運(yùn)行過程中，大臂及前臂上面的每一個(gè)點(diǎn)運(yùn)行軌跡全部是由角速度所構(gòu)成的空間軌跡。借助平行四邊形機(jī)構(gòu)特征，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在肘關(guān)節(jié)移動(dòng)到肩關(guān)節(jié)情況之下，前臂重量在減少的同時(shí)，前臂運(yùn)行位移也得到了確定，角速度及角加速度始終處于穩(wěn)定不變狀態(tài)。

碼垛機(jī)器人在具有兩種平行四邊形機(jī)構(gòu)時(shí)，其中一組平行四邊形和旋轉(zhuǎn)基座相連接，一同完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。大臂以移動(dòng)速度在做圓周運(yùn)動(dòng)過程中，平行四邊形機(jī)構(gòu)上面的連桿僅僅做平行運(yùn)動(dòng)，也就是平行四邊形機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中，連桿及水平面之間的角度始終處于固定不變狀態(tài)。另一組平行四邊形機(jī)構(gòu)和機(jī)架相連接，同時(shí)還和上一組平行四邊形機(jī)構(gòu)上的連桿相連接。因此，該組平行四邊形機(jī)構(gòu)在安裝過程中，必須始終和末端執(zhí)行器之間處于平衡狀態(tài)。這也就保證，前臂及大臂在實(shí)際運(yùn)行過程中，末端執(zhí)行器都可以處于水平狀態(tài)。

3 結(jié)語

按照國(guó)內(nèi)后道包裝工業(yè)生產(chǎn)要求，對(duì)平行四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征及在后道包裝機(jī)構(gòu)上應(yīng)用進(jìn)行分析研究。筆者得到了三點(diǎn)結(jié)論，首先，了解平行四邊形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征，可以保證平行四邊形運(yùn)行穩(wěn)定性；其次，從開箱機(jī)、裝箱機(jī)及碼垛機(jī)器人三個(gè)方面了解平行四邊形機(jī)構(gòu)應(yīng)用情況，研究平行四邊形機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用情況；最后，機(jī)構(gòu)學(xué)在深入分析過程中，平行四邊形機(jī)構(gòu)將會(huì)具有更加廣泛的應(yīng)用前景。

［1］苗志懷，姚燕安，田耀斌.4U平行四邊形機(jī)構(gòu)的一類新用途——整體設(shè)計(jì)為兩足步行機(jī)構(gòu)［J］.機(jī)器人，2011，（4）：394-404.

［2］陳立博，龔媛，陶柯，劉興.五自由度平行四邊形機(jī)構(gòu)機(jī)械手動(dòng)力學(xué)分析與仿真研究［J］.機(jī)電工程，2014，（10）：1274-1277+1286.

［3］任國(guó)斌，孟婥，孫以澤，等.雙平行四邊形機(jī)構(gòu)在方塊地毯包裝機(jī)取紙箱機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2016，（2）.

曹俊（1986-），女，陜西西安人，助理工程師，主要研究方向：輕工機(jī)械設(shè)計(jì)制造。