托盤捆扎機構設計與ADAMS仿真

晏祖根，李 鵬，周 彤，孫智慧，孟 爽，朱 迪

（哈爾濱商業大學 輕工學院，哈爾濱 150028）

0 引言

堆垛貨物的托盤外包裝可采用套袋、纏繞、捆扎等方式。采用托盤捆扎的方式，具有包裝成本低、設備投入小的優點，已成為現代物流運輸包裝的一種重要形式。國內公司已研發系列托盤捆扎機，但與國外先進水平相比，還存在高端產品少、智能水平低、捆扎速度慢等不足［1-2］。

捆扎機構是影響托盤捆扎機性能的關鍵部件。為提高捆扎機構的性能，晏祖根、周彤等開展了頂捆穿箭式托盤捆扎機和捆扎機構設計及優化的研究［3-4］；索利利等［5］研發了一種自動粽子捆扎夾持機構；曹巨江等［6］開展了高速取紙機構主凸輪輪廓線的設計及優化；劉飛飛等［7］采用ADAMS進行了的捆扎機鎖緊機構的優化設計。國內的相關研究成果促進了我國捆扎機的技術水平與性能。

本文面向行業對高端大型托盤捆扎機的實際需求，設計多機構協同運動的托盤捆扎機構，基于捆扎機構工作循環圖的設計，優化設計張緊組件的張緊凸輪，并對機構進行ADAMS動力學仿真與優化，提高捆扎機頭的動態性能與捆扎速度。

1 托盤捆扎機頭工作原理

頂捆穿箭式托盤捆扎機主要由托盤輸送機、龍門式升降機、捆扎機頭、穿箭機構和儲帶箱等組成，如圖1所示。捆扎機按照工藝流程，自動完成托盤供送、捆扎帶穿箭閉合、捆扎頭下降壓垛、強力熔接和切斷等動作。

圖1 頂捆穿箭式托盤捆扎機工作原理Fig.1 Schematic diagram of the vertical pallet strapping machine

捆扎機頭是托盤捆扎機的關鍵部件，安裝在龍門式主機的升降平臺上，隨升降平臺自動適應垛盤的高度變化，壓平垛盤，自動完成垛盤的強力捆扎。

捆扎機頭的原理模型如圖2所示，主要由隔離組件、左爪組件、中爪組件、右爪組件、燙頭組件、張緊組件以及凸輪電機、供帶電機等組成。張緊組件的張緊凸輪采用碗凸輪，其他組件采用盤面凸輪。各執行機構組件采用拉伸彈簧，使滾子與凸輪可靠接觸。全部凸輪安裝在分配軸上，通過凸輪電機、電磁制動器以及多凸輪連桿機構的協同控制，實現各組件的順序節拍動作。PLC通過檢測相應的光電傳感器，通過帶傳動，實時地驅動送帶電機正轉或反轉，驅動送帶輥輪相應旋轉，實現捆扎帶的快速送帶、收帶與放帶。

圖2 捆扎機頭的原理模型Fig.2 Simplified model of the strapping head

捆扎帶張緊機構如圖3所示。為適應托盤捆扎要求及包裝箱尺寸、內包裝物的不同，設計由調節臂、調節輪和彈簧等組成的張緊力調整機構。通過調節偏心輪的相位，調節張緊頭卡緊捆扎帶的位置，實現對捆扎帶張緊程度的調節，即調整捆扎力的大小。將從動送帶輥輪的中心軸做成偏心軸，調整該偏心軸的相位，可調整2個送帶輥輪的中心距，以適應不同捆扎帶厚度的變化。

圖3 張緊組件的機構原理圖Fig.3 Schematic diagram of tension assembly mechanism

按捆扎工藝要求，凸輪電機驅動分配軸及張緊凸輪旋轉，張緊臂跟隨擺動。此時，張緊機構上的手爪夾住捆扎帶一起擺動，拉緊捆扎帶。當張緊臂上的軸承移動到張緊凸輪的最高點時，張緊臂擺動角度最大，捆扎帶拉得最緊。凸輪軸繼續轉動，在拉伸彈簧的作用下，張緊臂開始回復運動，直至回到起始位置。

捆扎機頭的燙頭組件與隔離組件的機構如圖4所示。隔離組件將捆扎帶的端部與上層捆扎帶隔開一定的距離，捆扎帶的端部放置在熱合臺上，上層捆扎帶放置于隔離器中。燙頭組件設計安裝加熱器與薄型燙頭。

圖4 燙頭組件與隔離組件的機構原理圖Fig.4 Schematic diagram of head components and isolation components

捆扎機頭左爪組件、中爪組件、右爪組件的機構如圖5所示。中爪組件的中爪上安裝切刀，在切斷捆扎帶時，左爪與中爪共同夾持住捆扎帶。

圖5 左爪、中爪、右爪組件的機構原理圖Fig.5 Schematic diagram of left claw, middle claw and right claw components

結合上述各圖的機構分析，設計捆扎機構的捆扎工藝流程如下：

（1）捆扎機頭回復到高位，送帶機構與送帶輥輪快速旋轉，將捆扎帶沿封閉的導帶軌道快速運動，直至捆扎帶的端部撞上熱合臺，送帶輥輪停止送帶運動；

（2）捆扎機頭隨升降臺緩慢下降，同時送帶輥輪慢速反向旋轉，緩慢收帶；

（3）當捆扎機頭壓平垛盤時，觸發行程開關，升降臺停止下降運動，右爪機構動作，將捆扎帶的端部緊緊地壓在熱合臺上；

（4）隔離器進入熱合位置，將捆扎帶端部與上層捆扎帶分開一定的距離，同時，送帶輥輪繼續慢速反向旋轉、收帶，直至將捆扎帶緊緊地貼合在托盤及包裝箱的外表面；

（5）張緊機構動作，強力拉緊捆扎帶；

（6）左爪機構動作，將上層捆扎帶壓緊在熱合臺的另一面；

（7）燙頭機構動作，將已加熱的燙頭伸入2層捆扎帶的縫隙中，加熱捆扎帶，隨后燙頭退出；

（8）中爪機構動作，將2層捆扎帶緊緊地壓合在一起，經過一段時間的冷卻定型，實現塑料捆扎帶的熱熔接，同時，中爪上安裝的切刀將已熔接的2層捆扎帶切斷，完成1次托盤垛的自動捆扎工藝。

2 捆扎機構工作循環圖設計

捆扎機頭執行機構協調運動，實現捆扎帶的自動送帶、燙合和切斷等動作。結合機構設計與捆扎工藝流程分析，綜合考慮零件加工誤差、裝配誤差和分配轉角的延時滯后等因素，通過對各執行機構運動循環圖的時間同步化，設計捆扎機構的工作循環如圖6所示。

圖6 捆扎機構工作循環圖Fig.6 Working cycle diagram of the strapping mechanism

由于捆扎要求、垛盤高度、捆扎帶材料性能的不同，使得捆扎帶的送帶、熱熔接、冷卻定型所耗費的時間也不同。根據實際工作需要，以光電傳感器反饋的開關凸輪位置信號，PLC控制實時啟停凸輪電機、電磁制動器和送帶電機，以備有足夠的時間完成送帶、退帶和熱熔接等工藝動作。凸輪電機在1個工作循環中（分配軸旋轉1周），共需停止5次，停止時間取決于實際捆扎工藝。

3 捆扎機構的凸輪設計

捆扎機構通過多凸輪連桿機構協調運動，凸輪設計是捆扎機構設計的關鍵環節。首先，結合捆扎機構的工作循環圖，以解析法求得各凸輪的基圓半徑，再利用Solidworks的ToolBox插件，建立各驅動凸輪的三維，求取捆扎機凸輪組相應凸輪的理論廓線。以張緊組件的張緊凸輪為例，根據張緊機構的運動循環圖，以及捆扎機執行動作的具體要求，設計張緊凸輪，如圖7所示。

圖7 張緊臂凸輪設計圖Fig.7 Design drawing of tension arm cam

張緊凸輪的第1次推程h1=39 mm，第1次升程角φ01=79°，第 1次遠休止角φS1=24°，第 1 次回程h2=7.2 mm，第1次回程角φh1=12°，第 1 次近休止角φS2=74°；第2次推程h3=7.2 mm，第2次升程角φ02=42°，第 2次遠休止角φS3=61°，第 2 次回程h4=39 mm，第2次回程角φh2=37°，第2次近休止角φS4=31°。凸輪基圓半徑為48.5 mm。

高速凸輪機構必須保證全行程范圍內角位移、角速度和角加速度無突變狀況，這是評價其運動規律優劣的前提。如直接采用圖6所示的張緊臂凸輪運動循環圖設計凸輪，在各運動階段轉換處，張緊機構必然會發生沖擊現象。凸輪機構可采用等速、簡諧和擺線等運動規律設計凸輪的輪廓曲線。采用5次多項式運動規律設計的凸輪，在運動過程中從動件沒有沖擊現象并且最大加速度相對較小，適用于高速輕載工況，是一種比較理想的運動規律［8-9］。

綜合考慮捆扎機構的結構形式以及從動件質量，采用5次多項式運動規律設計捆扎機構凸輪輪廓，利用反轉法原理及從動推桿規律求解凸輪的理論輪廓。仍以張緊凸輪的輪廓曲線設計為例進行說明。

張緊凸輪為空間端面凸輪，對其型線設計時要把型線展開進行計算。展開時，第1次近休弧長l1=43.2 mm，推程為0。將各參數代入5次多項式運動規律函數，求得此階段的推程公式：S=0。

第1次推程弧長l2=76.3 mm，推程44.6 mm，推程公式：

第1次遠休弧長l3=10.2 mm，推程S=44.6 mm。

第1次回程弧長l4=17.1 mm，回程8.7 mm，推程公式：

第2次近休弧長l5=80.5 mm，推程S=35.9 mm。

第2次推程弧長l6=36.3 mm，推程8.7mm，推程公式：

第2次遠休弧長l7=52.3 mm，推程S=44.6 mm。

第2次回程弧長l8=28.1 mm，回程44.6 mm，推程公式：

基于上述張緊凸輪各運動階段的推程公式，利用Matlab可求得各凸輪輪廓的型線曲線數據值。將所求得的凸輪輪廓曲線導入Solidworks，可快速建立凸輪模型及各執行機構的裝配模型，完成捆扎機構設計。

4 捆扎機構ADAMS集成仿真

利用ADAMS對執行機構進行機械動力學仿真，求得機構的位移、速度、加速度的曲線及固有頻率，是機構優化設計的一種重要手段［10］。首先簡化捆扎機構的Solidworks模型，刪除螺釘、螺母等零件，以免模型太過復雜影響仿真速度；再將機構的Solidworks模型導入ADAMS，給模型添加相應約束，在張緊臂滾輪軸承與張緊凸輪之間添加接觸力，在箱體與凸輪軸上添加旋轉驅動力；將仿真時長設為7 s，步數設為360步進行仿真。仿真結果如圖8所示。

圖8 張緊機構的ADAMS仿真結果Fig.8 ADAMS simulation results of tension mechanism

由仿真結果可以看出，張緊凸輪機構的位移運動符合5次多項式運動規律，凸輪在升程與回程階段會產生速度和加速度的變化，但中間過程躍度沒有突變；中間過程的加速度曲線幅值很小，可消除大部分的剛性沖擊，機構運行更加平穩。

通過捆扎機構的ADAMS整機仿真，獲取捆扎機構的前30階模態信息。捆扎機構的前13階模態為臨界阻尼模態，不會產生機械系統的變形破壞。捆扎機構的第14～22階固有頻率如表1所示。

表1 捆扎機構的各階固有頻率Tab.1 Natural frequencies of strapping mechanism （單位：Hz）

捆扎機構的凸輪驅動電機選用YH132S-4型異步電機，額定轉速為1 350 rad/min，計算得到電機的激振頻率為45.33 Hz。由表1可看出，與電機激振頻率最近的2階固有頻率分別為第20階和第21階，都遠離45.33 Hz，捆扎機構不會出現共振現象。通過對捆扎機構的多次ADAMS動力學分析，優化設計機構的部分尺寸，捆扎機頭運轉更加平穩。

5 結語

針對企業對高性能托盤捆扎機頭的需求，開展捆扎機構的設計與優化研究，建立執行機構的分析模型，設計捆扎機構工作循環圖和基于5次多項式運動規律的凸輪輪廓，基于ADAMS進行捆扎執行機構的動力學分析與優化。優化的捆扎機構已在捆扎機上應用，取得良好效果。