曹俊

（陕西沛愉包装科技研究院，陕西 西安 723000）

平行四边形机构在后道包装机械中的应用分析

曹俊

（陕西沛愉包装科技研究院，陕西 西安 723000）

文章对平行四边形机构在后道包装机械的应用方法研究，以平面四杆机构作为研究案例，分析平行四边形机构实际运动特征。以机构学理论作为基础条件，对后道包装工作流程下平行四边性机构应用详细分析。经过分析之后发现，平行四边形机构在后道包装机械上承担着重要作用。

平行四边形机构；运动分析；后包装机械

为了能够提高产品生产质量，扩大建设规模，提升生产流程自动化水平，快速消费品产业一直都在努力为之奋斗。后道包装也被称之为二次包装，主要表示产品为运输所进行的包装工序，是食品及饮料行业重点生产内容。为了能够解决后道包装自动化操作问题，研究人员研发了各种设备。平行四边形机构由于具有良好稳定性及结构简单，进而得到了广泛应用。

1 运动分析

平面连杆机构作为应用广泛的机械设备，在实际应用过程中具有以下4点优势：①构件采取面接触方式，构件单位面积所承受的压力较小，可以承载大载荷物体，并且润滑十分方便；②构件接触面属于平面或者是圆柱形状，进而实际生产加工较为简单，生产精度可以显著提升；③构件之间的接触全部通过几何封闭方式实现，进而实际应用十分方便；④平面连杆机构在实际运行过程中，具有多种运动轨迹，进而可以满足多样化运行需求。

在平面连杆机构众多结构中，四杆机构属于应用最为广泛的机构。平面四杆机构代表性型式就是铰链四杆机构。铰链四杆机构存在曲柄条件，也就是最短杆与最长杆之间的和要小于剩下两杆之和，并且最短杆为机架。

2 平行四边形机构在生产中应用

后道包装机械有三个，分别为装箱机、纸箱成型机与码垛机。这三种包装设备内都包含了多种运行机构，但是基本上都属于平行四边形机构。

2.1 纸箱成型机

纸箱成型机作为专用设备，主要就是将筒形片状纸板箱打开成型，进而纸箱成型机也被称之为开箱机。纸箱成型机在实际运行过程中，可以自动完成纸箱张开及成形，并且还可以合拢纸箱底部，应用胶带进行粘贴。纸箱成型机在整个运行流程过程中，纸箱底部需要按照一定流程进行折叠，底部纸张在向前折叠过程中，需要应用固定折页块完成纸箱折合操作；纸箱在向后折叠过程中，需要应用专属机构带动，完成纸箱页块折合任务。但是需要特别注意，纸箱在整个折合过程中，都需要提前设置好折叠线条，并且按照一定时间完成指向折叠，最终确定纸箱形状。纸箱后折页机构主要由三部分构成，分别为回转式、直线式与连杆式。

（1）连杆式折合机构。连杆式折合机构作为代表性平行四边形机构，在实际运行过程中通过弧线平动的方式完成折页的折叠操作。连杆式折合机构和其他两种方式相比较，整个纸箱折合流程都较为平滑，同时纸箱成型之后稳定性较高，定位点十分明确。

（2）曲柄式折合机构。曲炳式折合机构作为代表性曲柄平行四边形机构，在实际运行过程中借助气缸作用，曲柄在驱动力作用之下按照力矩进行负向旋转，进而驱动平行四边形机构稳定运动。连杆在曲柄式折合机构整个运行过程中，始终采取平移位置方式，同时连杆任意一点的运动轨迹都为圆形。

2.2 装箱机

装箱机作为一种自动装入运输包装设备，主要在无包装产品及小包装产品包装生产过程中应用。一般情况下，装箱机主要由七部分构成，分别为平行四边形连杆、驱动机构、平行四边形曲柄、滑槽、平行四边形机架、真空抓取器。

（1）装箱机工艺流程。装箱机在实际运行过程中，需要将实瓶运输到传送带上，特别注意实瓶必须排列整齐，然后应用真空抓取器将实瓶放入到另一个传输带上面。真空抓取器在整个移动过程中，真空抓取器全部保持平衡。一旦真空抓取器在移动过程中出现歪斜情况，实瓶和真空抓取器之间就会出现接触不均衡问题，造成钻孔抓取器和实瓶之间无法处于真空状态，无法完成实瓶移动操作。真空抓取器在放下实瓶过程中，要是和箱子之间出现偏差，也无法顺利完成实瓶装箱操作。装箱机实际上就是借助平行四边形机构的运行特征，通过平行移动完成实瓶整个装箱操作流程。

（2）装箱机运动特征。按照装箱机结构及工艺流程可知，装箱机由一个平行四边形机构及摆杆驱动的滑块机构组成，其中滑块机构充当装箱机驱动机构，让装箱机从滑槽根据槽型完成整个运动过程。槽型也就是真空抓取器在装箱机内运动整个轨迹，为了能够保证真空抓取器可以一直保持平衡匀速运行状态，因此装箱机引入了平行四边形机构。滑块在运行过程中将平行四边形机构看做机架，让平行四边形机构一边始终处于竖直状态。按照平行四边形机构运动特征显示，平行四边形连杆在运行过程中，对称边连杆必须始终保持平行状态，同时连杆运动轨迹应该和真空抓取器运行轨迹相同。装箱机只有在这种运行状态之下，才可以保证真空抓取器在运行过程中，始终处于竖直匀速状态，同时平行四边形机构的连杆按照滑槽形状运行。

2.3 码垛机器人

随着我国社会经济快速发展，我国原本劳动力低廉优势已经并不明显，劳动力成本也在不断提高，食品、饮料等行业为了能够降低自身运行成本，开始逐渐在产品转运等过程中应用码垛机器人。码垛机器人结构相对简单，对于运行空间要求较低，具有良好适用性，能源消耗量较低，进而在食品、饮料等行业中得到了广泛应用。码垛机器人具有多种类型，文章主要对平行四边形机构式码垛机器人进行分析。平行四边形机构式码垛机器人具有四个自由度，分别为肩关节、腰关节、肘关节、腕关节，同时添加了三种平行四边形机构。

（1）平行四边形机构式码垛机器人功能。按照平行四边形机构式码垛机器人结构可知，该码垛机器人具有以下两点功能：①前臂及大臂在驱动电机驱动之下，可以大幅度降低前臂运行重量，进而提高码垛机器人运行过程中的动力学性能；②由于平行四边形机构运行特征影响，该类型码垛机器人可以让末端执行器在整个运行过程中，始终都可以处于和水平面平行状态。

（2）平行四边形机构式码垛机器人运行特征。由平行四边形机构式码垛机器人结构可知，大臂作为平行四边形机构上的机架，机架按照肩关节以一定速度进行圆周运动；前臂作为平行四边形机构上的曲柄，按照平行四边形机构运行特征，前臂在大臂上按照一定角速度呈现圆周运动。因此，码垛机器人在整个运行过程中，大臂及前臂上面的每一个点运行轨迹全部是由角速度所构成的空间轨迹。借助平行四边形机构特征，驱动电机在肘关节移动到肩关节情况之下，前臂重量在减少的同时，前臂运行位移也得到了确定，角速度及角加速度始终处于稳定不变状态。

码垛机器人在具有两种平行四边形机构时，其中一组平行四边形和旋转基座相连接，一同完成旋转运动。大臂以移动速度在做圆周运动过程中，平行四边形机构上面的连杆仅仅做平行运动，也就是平行四边形机构在运动过程中，连杆及水平面之间的角度始终处于固定不变状态。另一组平行四边形机构和机架相连接，同时还和上一组平行四边形机构上的连杆相连接。因此，该组平行四边形机构在安装过程中，必须始终和末端执行器之间处于平衡状态。这也就保证，前臂及大臂在实际运行过程中，末端执行器都可以处于水平状态。

3 结语

按照国内后道包装工业生产要求，对平行四边形机构运动特征及在后道包装机构上应用进行分析研究。笔者得到了三点结论，首先，了解平行四边形机构的运动特征，可以保证平行四边形运行稳定性；其次，从开箱机、装箱机及码垛机器人三个方面了解平行四边形机构应用情况，研究平行四边形机构的实际应用情况；最后，机构学在深入分析过程中，平行四边形机构将会具有更加广泛的应用前景。

［1］苗志怀，姚燕安，田耀斌.4U平行四边形机构的一类新用途——整体设计为两足步行机构［J］.机器人，2011，（4）：394-404.

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［3］任国斌，孟婥，孙以泽，等.双平行四边形机构在方块地毯包装机取纸箱机构中的应用［J］.机械科学与技术，2016，（2）.

曹俊（1986-），女，陕西西安人，助理工程师，主要研究方向：轻工机械设计制造。