本文应用三种软件对粘箱机整理机构进行研究，对整理机构偏心轴进行模态分析和谐响应分析，找到引起结构共振的频率。同时提出了对整理机构推动臂进行多目标优化的方案。通过优化分析，最终实现推动臂结构的轻量化以及提高综合性能的目的。

　　随着科技的发展和进步，绿色环保概念越来越得到人们的重视，市场对瓦楞纸箱这类环保包装的使用量不断提高，因此对纸箱包装的生产质量和回收再利用的要求也日益提高。我国纸箱包装行业虽然起步较晚，但近几年来取得了飞速发展。原先半自动的瓦楞纸箱生产机械已经不能满足需要，所以全自动瓦楞纸箱生产机械应运而生。瓦楞纸板整理机构是全自动瓦楞纸箱生产机械的重要组成部件，纸板的整理与输出是由整理机构完成的，因此整理机构的综合性能直接关系到全自动瓦楞纸箱生产机械的工作效率[1-3]。输出机构的重量占整理机构的比重很大，当前全自动瓦楞纸箱生产机械中的整理机构存在自重过大，影响了瓦楞纸板的整理和输出效率，所以应对输出机构进行结构的优化设计，在满足工作强度，刚度的同时，提高输出机构的工作性能。

　　近几年来，我国瓦楞纸包装机械行业获得了较为快速的发展，但是和工业发达的国家相对比，我们国家的瓦楞纸箱包装机械生产的产品类别缺少 20%~35%，技术水平也落后 10 年。我们国家正在使用的纸箱包装生产机械所对应的技术含量比较低，然而在国外已经把很多的先进纸箱生产技术应用在了瓦楞纸箱包装的机械上，比如像远距离的遥控测量技术、信息与信号的处理技术等[4-6]。

　　传统方式上的瓦楞纸箱生产机械多数都应用机械式的控制装置，例如凸轮分轴式，后来新增加的有光电感应控制、电子控制以及气动驱动控制等诸多控制形式。但是伴随着我国的生产力的日渐提高，包装产品类别的多样性，以及包装机械参数的随机性，这些现有的控制系统已经不能保证新形势、新需求下的发展需要[7]。

　　自上世纪以来，包装机械市场的竞争程度越来越激烈，竞争形式变得多样化。以高新技术、标准型技术以及创新型技术为主要形式的无形化资本被各个发达国家广泛的应用到对经济利益的获取当中。无形化资本在包装生产机械的技术中的地位也日渐突出。在目前各个跨国公司的快速发展之下，美国、欧盟以及日本等众多发达国家不断地对生产设备进行技术改良，在目前包装生产机械市场当中取得显著成效[9]。

　　美国的包装工业起步于 20 世纪初，二战左右得到飞速发展，渐渐形成包含包装材料、包装工艺、包装运输以及包装容器的独立而且完整的现代化工业体系。美国包装类机械的生产规模较为庞大，所以其包装类机械的主要特点就是数量多，设备庞大。美国机械如此庞大的生产规模使得其品种以及产量常年处于第一位。产品较为精细而且质量较高，所以美国包装类机械可以远销世界各个国。美国包装行业目前有以下几个特点：（1）包装机械的自动化水平比较高，在能源节约和生产效率方面也位居世界前列。（2）美国的包装行业开始趋向应用大量的产品标贴系统。（3）不断出现新颖的包装以此来吸引不同消费者的眼球。（4）提供更为轻便、省力的产品包装[10]。

　　根据日本的包装机械发展历程来看，可以将其分为两个时间段。20 世纪 70 年代以前，日本较为积极引进当时欧美等发达国家的先进生产设备，并对其结构进行研究和改进。70 年代以后，当时机械生产工业的主要重心转变为了对高新技术的研发和发展[11]。两种核心技术的开发运用推动了当时日本包装机械工业向着成功之路迈进。引进当时先进的计算机技术以及辅助马达驱动的运用，使得日本的工业生产效率快速提高，包装机械生产性能变得更加稳定。日本因其机械自身的独特性与完善性在当时世界包装机械市场当中获得各国生产企业的广泛关注与认可，销售额因此迅速增加[12,22]。

　　粘箱机作为一种纸箱包装生产机械，其结构包括多个部分，其中主要包括瓦楞纸板的印刷、开槽模切、纸箱成型、打捆、码垛等，结构如图 2-1 所示。完成瓦楞纸板印刷开槽模切、纸箱成型及打捆码垛成套设备的研制，基于绿色设计以及数字化设计理念，通过机电一体化技术、现代控制理论，进行送纸、成型部分控制系统设计，采用 PLC、传感控制技术、新型电气传动控制技术可以取代我们传统的机械电气驱动控制柜和机械驱动控制装置[16,27]。该产品设计方案能够有效提高各种瓦楞纸箱和纸箱的批量生产利用效率,降低人工劳动强度,提高送纸、成型的加工精度，可减少废料，有利于节约成本，实现纸箱生产成套设备的智能化、自动化。

　　整理部主要由接纸架、纸板整理装置、计数推出装置等组成，粘箱机整理机构的功能主要分两个方面。如图 2-2 所示。

　　整理机构主要是将传送到该位置的纸板整齐堆叠。要是想把传送带传送的纸板堆放整齐，单一只靠一个位置的限制是不够的，并且想把所有纸板堆叠好再码放整齐是很难完成的。要想把多个纸板整齐地码放在一起，就必须要把传送过来的每一个纸板都进行一次堆叠操作。因此为了更好地完成多个纸板的整理码齐，我们在此将采取前挡纸板，后推码齐的运行方式。上述方式是运用前后的两部分整理机构来实现的，前整理机构挡住纸板不能向前继续移动，然后后整理机构做往复的前推动作，确保堆叠的纸板码放整齐。

　　计数输出装置的作用是对运送到该部位的纸板进行数量统计，当纸板数量等于控制系统设定参数时，启动输出装置并将堆叠好的纸板推出该工位。根据设计指标要求，输送轴的最高转速为 240r/min，传送速度相对较快，如果计数传感器的响应过慢，就有可能出现落数的错误。所以在计数传感器选型上要求选择高速计数传感器。在进行纸板的堆叠和推出等操作时，为了不影响设备的生产速度，设备必须全程稳速运转,不可以随意的降速或者中止停机。所以推动臂在执行推出操作后，整理部位的纸板还在继续堆叠且高度已经不能满足推动臂直接退回，如果推动臂此时直接原路返回，必定会和堆叠的纸板发生横向碰撞。因此就需要解决，推动臂在执行推出操作后的退回问题。针对该问题的解决方案是，通过控制推动臂退回路径来躲避已经叠好的纸堆，避免了与其发生相撞。退回操作为：推出纸板后，推动臂进行先上升后退回的控制操作，臂杆回退操作到位完成后，推动臂再下移到原始位置。整个运行过程，推动臂沿逆时针的方向走出了“矩形”的运动路径。

　　有限元法又被叫作有限单元法[61]，是在求解和计算数理方程时所应用到的一种数值分析和计算的方法，也是将计算机的辅助软件、弹性理论以及数学计算组合在一块的一种处理技术。有限元法是目前用于解决实际的工程问题相对快速的数值分析与计算工具。

　　有限单元方法的基础理论主要是变分原理以及加权余量法。其基本的求解计算思路，就是将求解区域分割成有限个并且不相互重叠的单元。在每一个单元里,选择其中一部分单元节点作为求解函数的原始插入值,将微分方程里面的初始变量转换为各个参数变量值或其对应导数的每个节点值和所应用的插值函数结合得到线性函数的表达式。然后应用加权余量计算法或者变分原理，离散的求解其微分方程，最终得到对应问题的答案[65]。

　　一般的三维建模软件如 SOLIDWORKS、Pro/E、UG 等软件虽然也具备有限元分析功能，但其主要的功能在三维建模上，有限元计算方面的功能相对比较薄弱。ANSYS 是集结构、流体、电场、声场以及磁场等模块于一身的有限元分析型软件。它可以与许多的 CAD 软件完成对接，实现数据的自由交换。ANSYS 是现在应用到产品的设计与研发中较为高级的 CAE 分析与处理工具。所以本论文选用 ANSYS软件对粘箱机整理机构的关键部件进行有限元分析和优化。

　　本论文以印刷开槽模切及成箱联动线生产装备及智能控制系统研发项目为背景，对粘箱机整理机构进行相关的分析与研究。通过对整理机构的结构特点和工作原理进行分析，确定了机构的相关参数，包括整理机构所能整理的纸板规格尺寸、机构运转速度、各个零部件结构尺寸和材料选择等参数。为接下来的整理机构建模与虚拟仿真分析奠定数据的基础。

　　其次运用三维建模软件(SOLIDWORKS)建立整理机构的三维参数化模型，然后将参数化模型导入 X_T 格式文件并导入 ADAMS 中，通过使用 Step 函数对整理机构的偏心轴和推动臂的驱动速度进行参数设置，在确保整理机构完整的运动过程的情况下，完成对整理机构系统的动力学以及运动学仿真分析，得到了各零部件在整理、输出纸堆过程中各零部件的转速、位移等曲线，且曲线符合整理机构实际工作中的运动轨迹。

　　实际工作状态下偏心轴会有轻微震动和异响，推动臂输出纸堆时会有不同程度的形变产生。根据系统动力学分析与实际工作状态的情况，整理机构的零部件有必要进行结构静力学分析与结构动力学分析。通过有限元软件(Workbench)对整理机构零部件进行静力学的有限元分析，得出最大位移、应力以及应变等主要输出参数的对应情况。根据处理结果可知，零部件的结构尺寸不太合理。所以应用Workbench 软件当中的 Model 模块对推动臂进行模态分析，然后进行响应面分析和多目标驱动优化，得到最优的结构尺寸方案。优化分析后，在满足整理机构刚度和强度要求的前提下，推动臂的质量减到 17.2％kg，应力减小 47.7％，实现了结构轻量化。

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