基于四连杆机构的飞机盒成型机构设计及分析

陈柳邑　成泰洪　管天源　方凯盛　胡作栋　陈聪

【摘 要】飞机盒折叠成型的最關键步骤是将飞机盒底部的左右侧翼部分通过一次折叠，使进入盒底已经成型的插槽部分，并做到准确牢固，保证整个飞机盒的成型质量。在此步骤的设计过程中，拟定多种方案，并最终决定使用完全的机械结构来实现动作。利用四连杆机构的联动特点和特定的轨迹路线，安装于连杆机构上的折叠板可顺利将飞机盒的左右侧翼部分折叠并插入槽内。本装置最大的特点在于机构创新，联动效果出色，控制简单，折叠动作一次成型。

【关键词】包装机械；四连杆机构；纸盒成型

0 引言

随着互联网的日益发展，开网店的门槛较低，更多商户选择涌入电商行业，而在包装发货流程当中如何避免货物损坏是必须要考虑到的问题，所以越来越多的商家会选择成本相对低廉，抗压强度大，性价比较高的飞机盒作为发货打包首选。“飞机盒”因其展开外形酷似飞机而得名，其材质为瓦楞纸，属于纸箱的一种类型。

为了方便下文对飞机盒的折纸盒方法进行说明，图1中对飞机盒的各个部分作标记（编号为1至5）。要完成整个飞机盒的包装任务需要分步骤对各个位置进行成型。顺序依次为成型两侧1和3部分，成型两侧的2部分，之后完成4的成型，最后封盖，成型5部分，以上便是整个飞机盒成型流程。

1 盒底侧边成型机构设计

1.1 设计目标

采用机械传动的方式完成飞机盒底两侧边2的成型。

1.2 总体方案

纸盒折叠装置如图2所示，具体结构设计方案为：挡块通过导轨1和直线轴承与底板连接，当纸盒到达指定位置时，导轨1通过螺母螺栓与固定在底板下方的伸缩气缸连接，并被气缸下拉。与导轨1连接的两侧的连杆 2带动固定在底板上的连杆轴承座上的直线轴承运动。直线轴承的下方通过螺纹连接与下方的轴承座固定，并同样与连杆2连接，完成旋转动作。当连杆2在导轨1下压时完成抬升动作，带动直线轴承3上升。直线轴承3的上方同样通过螺纹连接与齿条固定。底板与成型装置通过型材安装架固定，成型装置

上的折叠板固定方形轴承座，方形轴承座与齿轮5通过销连接，齿轮5与齿条4啮合，齿条4向上运动带动齿轮5旋转，从而使与齿轮5固定的连杆组6和7做旋转运动，连杆组6和7与折叠板8通过轴承连接。为了使折叠板8以平行于底板的形式下降，连杆组6和7以对称的两组连杆组成。当连杆组6和7向下旋转时，折叠板8向下运动，完成成型动作。当顺利完成两侧的成型动作后，料仓在电机的带动下先前推进，离开成型装置。随后气缸复位，使导轨1上升，整体成型装置复位。

1.3 三维模型的建立

基座选用304不锈钢材料，它与上半部分的折叠机构使用螺栓刚性连接。下部杠杆机构带动中部齿轮齿条机构，再由齿轮齿条机构带动上半部分的四连杆成型机构。

四连杆的参数为：杆长65mm，杆宽15mm，杆厚10mm；齿轮模数为1.5，齿数为20T；杠杆的参数为：杆长120mm， 杆宽15mm，杆厚10mm；建立实体三维模型如图3。

2 基于SolidWorks motion的机构运动分析

添加约束与动力：轴承座与底板为刚性连接，直线轴承作直线运动，杠杆机构与四连杆机构杆件与杆件之间通过转动销连接。

动力作用在中间的直线导轨上，ω=10mm/s

通过SolidWorks motion的分析，由图4可知，四连杆的角速度约为21°/s，运动时间约为5s，符合设计要求，而且末端曲线可以满足对飞机盒侧翼的要求。

3 基于ANSYS的有限元分析

3.1 有限元模型建立

网格划分：网格数量主要影响计算结果的精度和规模大小，故采用接近及曲率的高质量实体网格。图6为四连杆机构中连杆的有限元模型，划分网格电源总数为2142，节点总数为11119，公差为3.6787e-005 m。材料为45钢

3.2 有限元模型分析

应用ANSYS Workbench对连杆进行静力学分析，连杆的应力图如图7所示，连杆的位移图如8所示。

由图7和图8可知，基座最大应力和最大位移出现在固定的销孔附近，最大应力12Mpa（45钢的屈服强度为355Mpa），最大位移为0.08mm，符合设计规范，应力分布也比较均匀，且应力集中的位置与实际情况相符，设计合理。

4 结论

（1）连杆的角速度为21 deg/s，而且曲线比较平滑。通过软件仿真得到的机构末端运动曲线符合实际成型需求。

（2）四连杆成型机构的连杆最大应力12Mpa，最大位移为0.08mm，小于所采用材料45钢的屈服强度355Mpa。最大应力出现在固定销孔附近，最大位移出现在受力点附近，应力分布均匀且应力集中位置与实际情况相符，设计合理。

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