全自动装箱机机械式抓头机构设计

全自动装箱机机械式抓头机构设计
摘要：目前很多装箱机虽然设有抓头装置，但仍然无法满足全面自动化异型瓶装箱需求。

因此，必须结合现有技术根据相关工艺要求通过科学方法计算相关参数，设计一款全面自动化的机械式抓头机构。

基于此，本文简单分析了装箱机工作原理和设计结构，并深入探讨机械式抓头设计数据计算方法，以供参考。

关键词：装箱机；机械式抓头；仿真分析；自动化
引言：由于目前食品市场中各种调味品、酒水等液态商品对于本身个性化包装的重视程度越来越高，形状各异的液体容器在丰富市场的同时对全自动装箱机的自动化装箱功能也提出了更高要求。

因此，必须设计一款能够满足各种异型瓶装箱要求的机械式抓头，这对目前市场商品装箱搬运来说具有十分重要的现实意义。

1.装箱机设计
1.1工作原理
装箱机指的是将小包装或者尚未包装的产品，通过机械运转自动运送至包装箱（纸箱或集装箱）内的一种自动化机械设备。

空箱达到指定数量后按照一定运转规律通过输箱设备送到指定装箱场地，并运用相关装置转运将其分到各个待装区域等待装运。

另一方面，容器会不断通过输瓶系统输送至装箱机（输瓶台），再通过一系列梳理、排列后完成具有一定规则的分类放置工作。

在装机箱检测系统检测到有箱子和瓶子同时存在的情况，就会启动机械式抓头实施容器抓取操作再由一系列电机驱动将容器夹取至指定箱子当中。

具体工艺流程如图1所示。

图 1 装箱机工作流程图
1.2机械式抓头部分结构设计
装箱机全面自动化主要由电控部件、气控部件、输箱链道、对中装置、机架、传动部件、抓头机构以及输瓶链道构成，其中抓头机构则是整体自动化装箱机中
最为核心的机械部件。

由于装箱产品各不相同抓头机构也会根据不同情况分为机
械式、气囊式、气动吸盘抓头等多种形式。

而机械式抓头则主要运用于容器间距
不大且形状各异的容器抓取工作。

因此，需根据异型容器本身存在一定的特殊性
再结合相关工艺需求，设计适应各种异型容器机械抓头，如图2所示。

图 2 机械抓头与单抓头图
当驱动器向上移动推动杆时由抓头、杆、连杆等部件共同组成夹紧机构，从
而推动手爪实施松力操作，相反当向下运动推动杆时夹头也会变得越紧。

机械抓
头抓取容器口径可按照实际情况产生变化，从而始终保持平稳夹持状态同时也能
将夹持误差控制到最低。

1.机械式抓头设计数据计算
2.1夹紧机构
夹紧机构指的是抓头在实施容器抓取与放下之间的全部执行过程的启动装置。

因在抓取容器过程中要根据实际情况满足快速、平稳、准确的抓取要求，故而在
全自动装箱机日常运行工作过程中，夹紧机构本身的安全性和准确性有着至关重
要的作用。

为满足各种异型容器抓取需求夹紧机构必须拥有不同的开口尺寸，为
有效控制夹紧力度也应具有适合的夹紧范围。

在整体设计过程中还要满足操作灵活、质量轻、体积小及操作便捷等基本设计需求[1]。

2.2夹紧力与驱动力的关系
在抓取容器时机械式抓头必须具备相应的夹力，从而保障容器抓取时避免因夹力过大将其损坏。

此期间内抓头夹紧容器的位置、整体结构以及容器尺寸等因素都会对实际夹力变化而造成不同程度的影响。

在机械抓头抓取容器过程中可设置F N为夹紧力、F P为驱动力，如图3所示。

F N=F P*L1*sinα/2L2
上述计算公式中将抓头夹紧时的水平线夹角与连杆方向设置为α，将两空连杆距离设置为L1，将手爪容器与支点A间距设置为L2，上述公式则代表驱动力与抓头在抓取容器后的夹紧力的数据计算公式。

图 3 抓头受力图
2.3抓头夹紧力及张角的计算
抓头夹紧力在设计过程中不仅需要控制因自身重量形成的静荷载，还要充分考虑其在装箱运行中因容器距离移动而形成的惯性力矩及其他动力因素，从而有效控制容器夹紧力度。

夹头对不同容器产生的夹紧力可按照下列公式计算：
μG≤F N＜F
上述公式中瓶盖与橡胶垫之间产生的摩擦系数为μ，容器本身重力为G，容器破碎时可承受的最大应力为F。

通过气缸放气及充气操作，推动活塞杆呈直线轨迹运动并经推杆一起带动运转，再由连杆带动手爪位置进行闭合与张开操作配合推杆完成容器的抓取和放置。

手爪会随着推杆伸出而张开也会随着推杆恢复闭合，可将整体过程按照相关要求
全面实施自动化设计。

手爪与连线支点应设计在同一轨道上，在手爪夹取容器时
应将其向内倾斜到适合的角度。

整体容器抓紧和放置如图4所示。

经过一系列详
细计算得出内倾斜抓头张角为2.7°（α）。

图 4 机械式抓头工作位置（左为抓取、右为放置）
在向外侧移动推杆时应松开抓头并使手爪达到最大张角，抓头开始位置与最
终位置如图5所示。

经过一系列系统计算得出最大手爪张角为7°（β）。

按照
张角上下浮动数值可计算其最大夹头张角为-5.4°，最小夹头张角为14°。

图 5 拉杆加速变化曲线图
2.4装箱过程动态仿真分析
在原设计点位设置机械式抓头将其抓取容器全过程控制在1秒内，沿着运动
轨道将容器放置动作在6秒内完成，并将整体装箱抓头动作控制在10秒以内。

在完成全部抓取放置动作后传动系统开始运转并带动抓头一起向上运行，在运行速度0-502N/kg阶段会形成相应的惯性力，通过仿真分析惯性力动态条件下对夹头容器夹紧部位造成的影响。

三维模型建立通常会使用SolidWorks完成，在建模完成后将文件导入ADAMS软件中并将相关数据合理设置，并在容器与胶垫之间合理布设相关约束接触数值。

并根据相关标准计算接触力与摩擦力通常采用碰撞法和库伦法来完成。

如表1、表2所示[2]。

表 1 接触力参数设置表
接触力（碰撞法）设计参数
阻尼10
弹性力 1.5
切入深度/mm0.1
刚度25.1188
表 2 摩擦力参数设置表
摩擦力（库伦法）设计参数
滑动摩擦临界速度（mm·s-1）1000
静摩擦临界速度（mm·s-1）100
动摩擦0.5
静摩擦0.6
经过一系列实际计算得知，夹头最大转角为14°、最小转角为-2.8°。

再根
据相关数据理论分析结合真实情况测算整体装箱过程中变化的角度，如图6所示。

图 6 机械式抓头转过角度变化曲线图
从上图数据分析得知，整体装箱操作中机械式抓头运转角度为15°。

由此可见，仿真结果与设计理论数据结果能够保持一致状态。

在整体抓取工作结束后抓
头在向上运动速度在0-502N/kg阶段会形成一定程度的惯性力，而这种惯性力的
高低会对容器本身造成影响，对整体装箱过程也都十分重要。

在ADAMS软件中整
体仿真动态实验里抓头对容器全部夹力走向，如7所示。

图7 机械式抓头夹紧力变化曲线图
通过图7数据可看出抓头开始夹紧容器的时间在0.8s左右，0.8s过后其夹
紧力会慢慢开始增加。

随着整体容器抓取动作结束抓瓶机构会迅速向上移动，而
因惯性作用导致容器处于静止状态，夹紧力则会一点点减弱。

直到将容器完全抓
取后抓头会和容器本身同时沿着导轨向前运动，且容器在移动过程中的速度会保
持均衡状态，若容器匀速移动时则不会对机械抓头造成影响，夹紧力也基本维持在恒定状态。

在经过4.8s持续运动后完成容器放置动作，结束整体自动装箱操作。

根据变化曲线分析，整体机械式抓头各项测试数值均能满足原始设计标准，完全可以满足自动化异形装箱需求。

结论：综上所述，本文以装箱机基本工艺要求和结构特点为基础来设计机械式抓头，并通过科学合理的方法计算相关参数，再由SolidWorks进行整体三维建模后导入ADAMS软件进行相关驱动、约束及参数设置，并模拟全部自动装箱动作从而实现全面自动化异型瓶装箱，具有较高参考价值。

参考文献：
[1]于霞霞. 动态装箱机位如何分配[J]. 中国航班,2021,(10):95-97.
[2]田春雷,袁艳,祝海珍. 装箱机双向调节抓头机构的设计[J]. 包装与食品机械,2020,38(05):40-42+67.。