新型高速包装机推手机构的系统化设计方法研究

苏勇达，林松，王瀚超，江竞宇

新型高速包装机推手机构的系统化设计方法研究

苏勇达1，林松*,2，王瀚超2，江竞宇2

（1.同济大学 中德学院，上海 201804；2.同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804）

为提升高速包装机械的工作效率，新型烟包推手机构的创新设计受到重视，其主要设计难点在于要求烟包推手机构执行构件按某种复杂轨迹进行精确运动并保持特定姿态。因此，本文基于德国产品研发标准VDI 2742、产品研发方法VDI 2221和现代产品研发理论，结合烟包推手机构的复杂轨迹要求和特定姿态要求，提出一种系统化的烟包推手机构设计方法。首先，根据系统化的烟包推手机构设计方法，对有复杂轨迹和姿态要求的新型烟包推手机构进行需求设计和概念设计，得到新型的烟包推手机构方案；其次，依据烟包推手机构技术需求清单的尺度要求，对新型烟包推手进行精细设计，得到机构构件的具体参数；最后，根据设计所得的构件参数，对新型烟包推手机构进行结构设计，利用Adams软件进行动态分析，验证了烟包推手装置的可行性。通过机构方案设计结果，证明该机构设计方法能实现对烟包推手机构的系统化设计，大大提高机构设计的系统性、有效性以及可行性。

现代产品研发理论；系统化机构设计方案；烟包推手机构

随着工业智能化、信息化的发展，企业对自动化生产包装机械的依赖和研发日益增加，生产包装设备自动化的水平日益提高[1]。在自动化包装设备工作过程中，为了提高生产包装设备的效率和保证产品质量，对设备执行构件往往有复杂的工艺要求，如要求设备执行构件按某种复杂轨迹运动或保持特定运动姿态等[2]，这就要求对实现特定工艺要求的机构进行创新设计。

在烟包包装机自动化进程中，提升包装机工作效率的关键是烟包推手装置。因此，对高速烟包包装机的推手机构的创新设计，引起了相关企业和学者的重视，并取得不断突破。如吴旭等[3]根据特定的机构运动要求，提出一种基于机构逆运动学分析和机构组合的烟包推手机构设计方案；田晓鸿等[4]根据机构运动轨迹，选择用凸轮-连杆组合机构，进行烟包推手机构的解析法设计；陈祁华等[5]基于实现运动轨迹的凸轮，采用曲柄摇杆-凸轮并联组合机构，实现对烟包推手装置的设计。研究发现，学者现阶段对烟包推手机构的创新设计是按特定的机构组合方案来实现的，不能系统性地解决问题，对此类工程问题不具备普遍适用性。

由此可知，针对烟包推手机构的创新设计，尚未有系统化的机构设计方法。本文基于现代产品研发理论，针对新型烟包推手机构，提出一种系统化的机构设计方法。

1 烟包推手机构方案设计

基于德国产品研发标准VDI 2742、产品研发方法VDI 2221和现代产品研发理论[6]，实现对烟包推手机构的系统化设计，设计步骤为：产品设计技术需求；机构功能要求分析和提取；烟包推手机构方案求解；机构方案评价和生成；机构方案工作原理分析；烟包推手机构方案确定。

1.1 产品设计需求分析

烟包推手装置的主要功能是，以特定推手姿态，实现沿着给定轨迹的导向运动，并有效避让下组烟包。根据企业设计任务书所提出的技术要求，完成烟包推手装置设计要求示意图，如图1所示。

图1 烟包推手装置设计要求示意图

烟包推手装置在工作行程中，实现推手推程的水平直线运动，回程的角度偏转规避运动，运动轨迹呈“鼠身”，并推手保持平动姿态，以保证产品质量。根据“产品研发方法学”的相关概念，借鉴德国产品研发方法VDI 2221[7]，参照图1所示的企业给定的具体技术要求，从功能、几何参数、技术指标三个方面出发，制定出如表1所示的技术需求清单，明确设计所需的具体设计要求。

表1 推手装置技术需求清单

注：F表示固定需求，指必须满足的，一般有特定的参数范围限制或者具体特性要求。

1.2 机构功能要求的分析和提取

根据技术需求清单，采用机构功能分解的方法，分别从运动轨迹的“局部到整体”和“整体到局部”两个方面分析烟包推手机构的运动任务，提取具体化的机构子功能。

1.2.1 从运动轨迹的“局部到整体”分析机构的运动子功能

从烟包推手机构运动轨迹的“局部到整体”分析，发现运动轨迹曲线由水平直线和偏转曲线组成。因此，将其工作行程分为水平往复直线运动和回程轨迹偏转运动。

水平往复直线运动通过直线运动子功能与往复平动的子功能来实现，回程轨迹偏转运动通过回程轨迹偏转子功能来实现。因此，烟包推手机构的功能要求，可提取出机构的子功能、、，其功能结构如图2所示。分析机构功能结构，得出子功能之间的组合方式，实现直线运动的机构模块与实现往复平动的机构模块并联组合，再串联能实现轨迹回程偏转的机构模块，因此其子功能组合方式，如图3所示。

图2 推手机构功能结构树状图（“局部→整体”）

图3 机构子功能组合方式（“局部→整体”）

1.2.2 从运动轨迹的“整体到局部”分析机构的运动子功能

从烟包推手机构运动轨迹的“整体到局部”分析，发现运动轨迹曲线可由近似的运动轨迹曲线初步实现，但为保证运动轨迹的准确直线要求，必须对曲线进行水平直线补偿。因此，将其工作行程分为闭合曲线轨迹近似运动和轨迹补偿运动。

闭合曲线轨迹近似运动通过闭合曲线轨迹运动子功能和往复平动子功能来实现，轨迹补偿运动通过轨迹补偿子功能来实现。因此，烟包推手机构的功能要求，可提取出机构的子功能、、，其功能结构如图4所示。分析机构功能结构，得出子功能之间的组合方式，实现闭合曲线轨迹运动的机构模块与实现往复平动的机构模块装载式组合，再并联实现轨迹补偿的机构模块，因此其子功能组合方式，如图5所示。

图4 推手机构功能结构树状图（“整体→局部”）

图5 机构子功能组合方式（“整体→局部”）

1.3 烟包推手机构方案求解

根据所得到的机构子功能，通过搜索权威的机构设计图册集、机构模型集，求解得能实现具体子功能的机构解。以子功能为功能特征，以机构解为功能载体，建立机构方案的形态学矩阵[8]，按照功能排列组合的方式求解出满足功能要求的机构组合方案。

1.3.1 机构方案求解（“局部到整体”）

根据烟包推手机构的子功能、、，分别求解得能实现其子功能的机构解。将子功能、、作为形态学矩阵的竖列，将机构解作为形态学矩阵的横排，按优先顺序排列，建立烟包推手机构方案的形态学矩阵，如表2所示。

1.3.2 机构方案求解（“整体到局部”）

根据烟包推手机构的子功能、、，可以分别求解得能实现其子功能的机构解。将子功能、、作为形态学矩阵的竖列，将机构解作为形态学矩阵的横排，按优先顺序排列，建立烟包推手机构方案的形态学矩阵，如表3所示。

1.3.3 机构功能组合方案初步筛选

在考虑机构组合方式可行性的基础上，根据上述形态学矩阵，进行系统性的求解，得到实现总功能的机构方案。

但这样形成的机构方案数目过大，对于评选筛查有困难。因此，对所得到的机构功能组合方案进行初步筛选，分别从机构组合的相容性与协调性、优先选择对主要子功能的较优解这两个方面来考虑，如形态学矩阵中的4在结构上不能与子功能对应的机构解进行组合等。建立机构功能组合方案筛选表，如表4所示，列举部分方案进行说明。

表2 机构方案（“局部到整体”）的形态学矩阵

表3 机构方案（“整体到局部”）的形态学矩阵

表4 烟包推手机构功能组合方案筛选

注：●表示满足；◎表示不完全满足；○表示不满足。

通过初步筛选，除去不合理的机构功能组合方案，得到少数合理方案，方便之后的评价决策。

1.4 机构方案评价和生成

为评价出上述的机构功能组合方案中的最优方案，以机构的功能属性、工作性能、动力性能、结构性能、经济性这五个方面作为一级评价指标。对这五个方面进行分析，归纳整理出二级评价指标，从而建立起机构功能组合方案评价指标体系。运动规律、传动精度、运动协调配合属于机构功能属性的二级评价指标；运转速度、承载能力、应用范围、运动可调性属于机构工作性能的二级评价指标；加速度峰值、可靠性、噪声、振动属于机构动力性能的二级评价指标；尺寸、重量、结构复杂性属于结构性能的二级评价指标；制造难易程度、能耗、材料利用率属于经济性的二级评价指标。

针对烟包推手机构，根据技术需求清单，主要从传动精度、运动协调配合、承载能力、可靠性、尺寸和结构复杂性这六个方面进行评价，最终优选出最佳的机构方案。参照德国产品研发方法VDI 2221中的综合评估方法制定加权评估表，依据选定“评价指标”和用户需求分配相应“权重”，根据各组合方案的实际特性对相应的权数进行赋值，如组合方案111的机构复杂性比111简单，组合方案111运动协调性比221良好，得到如表5所示的评估表。

表5 烟包推手机构加权评估表

注：（1）权数满分为10分；（2）评价指标“结构复杂性”，10分为最简单，1分为最复杂；（3）对于其他的评价指标，权数越高代表该项指标越好。

根据评估表中的计算结果，在从“整体到局部”的烟包推手机构方案中，遴选出111机构功能组合方案。

1.5 机构方案工作原理分析

根据机构择优结果，对机构方案进行机构组合工作原理分析。在“从整体到局部”的烟包推手机构方案中遴选出的111机构功能组合方案，其机构组合工作原理图，如图6所示。依据机构组合工作原理图，实现对烟包推手机构的精细设计。

图6 D1E1F1机构组合工作原理图

2 新型烟包推手机构

鉴于机构方案评价的结果，以111机构功能组合方案进行烟包推手机构的精细设计。

2.1 D1－实现闭合曲线轨迹近似综合

1为基础四杆机构，其特点是结构简单，能再现给定的运动规律或者运动轨迹。其功能是实现对运动轨迹的近似综合。根据烟包推手机构技术需求清单的几何参数，选择轨迹曲线的三个极限平面位置点，分别为14、25、36，并利用Burmester平面机构综合理论的三位置运动生成几何综合方法[12-13]，求解得满足机构几何参数要求的基础四杆机构，如图7所示。

选取合适的机架点0、0作为基础四杆机构的固定铰链。作12和45、13和46、23和56的中垂线，并得到它们的交点，取得极点三角形121323。作0与极点12和极点13的连线，并将两连线与1223和1323的夹角，分别反向地作到极点12和极点13处的相邻极边上。该两角的自由边之间的交点，即为基点123。相关点1、2、3是基点123关于极点三角形各边1213、1223和1323的对称点。类似地，将0与两极点12和23相连，从而求得基点123。基点123对各极边的对称相关点1、2、3。在图中画出所求得的基础四杆机构在位置1的图形0110，按照所设定的图形比，获得相关机构参数，如图8所示。在误差允许范围内调整机构参数，使其趋于整数化，便于构件结构设计和加工制造，如表5所示。

2.2 E1－机构组合实现平动姿态要求

1为双平行四边机构，与上步骤所得的基础四杆机构有良好的相容性，能够相互协调和适应。针对基础四杆机构与1采用装载式机构组合方法。装载式机构组合，即将一个附加机构装载在基本机构的运动构件上[14]。

如图9所示，将双平行四边机构装载在基础四杆机构上，连接1与作为双平行四边形机构的连杆1，取连杆11长度为50 mm，得到能实现推手平动姿态要求的基础四杆-双平行四边形组合机构。根据机构结构特点，对组合机构进行简化，去除连杆1，有利于后续机构结构设计。

2.3 F1－实现轨迹补偿运动

根据技术需求清单，分析上步骤所得组合机构的运动轨迹，可得当∈（208°, 354°）时，烟包推手机构要进行水平直线运动。

图7 烟包推手机构运动轨迹三个平面位置及其求解

A0、B0为机架点；a、b为两个机架点在垂直方向和水平方向上的距离；α为主动件的输出角度；l1、l2、l3为构件1、2、3的长度；l4、l5为构件2上A1点到E点的距离和E点到K点的距离；β为构件2上∠KEB1的角度；Hh为推手实际运动轨迹的回程避让高度；Lh为推手实际运动轨迹的直线推送距离。

表5 基础四杆机构参数

图9 初始四杆-双平行四边形组合机构

因此，在机架0、0处引入补偿调整运动轨迹的凸轮机构1，其作用是调整机架点0、0在垂直方向上的位置，实现机构运动轨迹与轨迹要求相符合。通过机构的几何结构关系，借助MATLAB计算∈（208°, 354°）的补偿量，以及期望运动轨迹，如图10所示。

为实现推手装置能在单一匀速驱动电机下完成工作，且共轭凸轮具备良好的运动传递性，因此采用共轭凸轮-曲柄滑块组合机构实现构件00在垂直方向上的往复直线运动，分析得机构组合工作原理图，如图11所示。

3 新型烟包推手装置仿真分析

3.1 烟包推手装置结构设计

根据图9所示的基础四杆-双平行四边形组合机构以及机构的构件参数，设计该组合机构的三维模型，如图12所示。

使用SolidWorks软件对凸轮从动件、连杆、滑块、滚子、机架进行三维建模。利用MATLAB，求解得共轭凸轮轮廓曲线，从而得到共轭凸轮-曲柄滑块组合机构装配图，如图13所示。

图10 烟包推手机构运动轨迹补偿量及其分析

依据图11所示的烟包推手机构方案工作原理图，分析烟包推手装置装配工作原理图解。根据烟包推手装置装配工作原理图解，完成对烟包推手装置的装配，得到烟包推手装置模型，如图14所示。

图11 烟包推手机构方案工作原理图及其机构简图

图12 基础四杆-双平行四边形机构结构图

图13 共轭凸轮-曲柄滑块组合机构结构设计图

图14 烟包推手装置结构装配图

3.2 烟包推手装置运动仿真

依据在SolidWorks软件中建立的三维实体模型，将其导入动力学仿真分析软件Adams。在Adams/View中，定义烟包推手模型的运动副、外载、重力，设定材料和转速，建立起烟包推手装置的动力学模型，如图15所示。

图15 烟包推手装置的动力学模型

根据技术需求清单表1，可知烟包推手装置的工作速度为500 r/min，在Adams/View中设定输入轴转速为3000 º/s，烟包推手轨迹运动周期＝0.12 s。为验证烟包推手仿真模型的正确性，利用Adams/View求解得，烟包推手执行构件的运动轨迹和运动姿态，

并将由MATLAB计算得出的运动轨迹解析解与其仿真运动轨迹进行对比，如图16所示。

如图16所示，可知运动轨迹解析解与运动轨迹仿真解一致，且姿态保持平动，因此烟包推手仿真模型可靠。烟包推手装置的主要运动方向为水平方向，该方向的运动特性对烟包质量影响最大[15]。因此，主要分析烟包推手工作构件在水平方向上的速度和加速度对烟包质量的影响，如图17所示。

烟包受摩擦力作用，因此能保持与推手接触，且其速度和加速度与推手基本一致。当1＝0.013 s时，推手与烟包接触，此时推手在水平方向上的速度较小，加速度变化平稳，也就是说推手与烟包的接触近似为无速度突变接触，接触良好。当2＝0.072 s时，推手与烟包分离，此时推手在水平方向上的速度较小，加速度变化影响不大，不会对烟包造成损伤。

图16 烟包推手运动轨迹解析解和仿真解对比

图18 机构设计方法流程图

4 结论

本文基于现代产品研发理论，针对有运动轨迹要求的烟包推手，提出一种系统化的烟包推手机构设计方法。该机构设计方法的流程图，如图18所示。

具体设计步骤如下：

（1）根据企业的设计任务书提出的技术要求，制订技术需求清单，明确设计的具体要求；

（2）基于技术需求清单，对机构功能要求提取和分析，得到机构子功能及其功能组合方式和机构功能结构树状图；

（3）根据划分的子功能，搜索权威的机构设计图册集、机构模型集，求解得能实现具体子功能的机构解，以子功能作为功能特征，以求解得的单元机构作为功能载体，得到机构方案形态学矩阵；

（4）通过建立机构功能组合方案评价体系，对烟包推手机构功能组合方案进行指标评价，根据评价结果进行择优，遴选出最优机构方案；

（5）根据机构择优结果，对机构方案进行机构组合工作原理分析，得到机构组合工作原理图。

应用此设计方法实现对新型烟包推手机构的方案设计，验证了方法的可行性和准确性。通过机构运动分析，证明了机构执行构件能准确的实现给定的运动轨迹和姿态要求。利用Adams动力学仿真，求得烟包推手执行构件的速度和加速度曲线，分析得烟包推手的动态特性，计算结果表明，该推手能平稳的实现烟包推送，并保证烟包质量。

综上所述，实践证明该系统化的机构设计方法，能实现对复杂轨迹和姿态要求的烟包推手机构的方案设计，大大提高机构设计的系统性和准确性。本文结合了产品研发方法和理论，实现对机构系统化的创新设计，拓展了现代机构设计的创新思路，为有轨迹和姿态要求的机构方案设计提供了系统化的设计思路。

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Research on the Systematic Design Scheme of the Push-Hand Mechanism of the New High-Speed Packaging Machine

SU Yongda1，LIN Song2，WANG Hanchao2，JIANG Jingyu2

(1.Sino-German School for Postgraduate Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China;2.School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

In order to improve the working efficiency of high-speed packaging machinery, the innovative design of the cigarette pack pusher mechanism has received attention. The main design difficulty lies in the requirement that the executive member of the cigarette pack pusher mechanism accurately move in a specific posture and follow a certain complex trajectory. Therefore, based on the German product development standard-VDI 2742, product development method-VDI 2221 and modern product development theories, this paper proposes a systematic design method for the cigarette package pusher mechanism, combining the complex trajectory requirements and specific posture requirements of the cigarette package pusher mechanism. First of all, according to the systematic design method of the cigarette pack pusher mechanism, the demand design and conceptual design of the new cigarette pack pusher mechanism with complex trajectory and posture requirements are carried out to obtain a new type of cigarette pack pusher mechanism scheme. Secondly, according to the technology of the cigarette pack pusher mechanism According to the scale requirements of the demand list, the new cigarette pack pusher is finely designed to obtain the specific parameters of the mechanism components. Finally, the new cigarette pack pusher mechanism is designed according to the designed component parameters, and the Adams software is used for dynamic analysis to verify the feasibility of the cigarette pack pushing device. Through the design results of the mechanism scheme, it is proved that the mechanism design method can realize the systematic design of the cigarette pack pushing mechanism, which greatly improves the systematic, effectiveness and feasibility of the mechanism design.

modern product research and development theory；systematic mechanism design scheme；cigarette pack pusher mechanism

TH112

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.06.009

1006-0316 (2021) 06-0054-10

2021-03-07

苏勇达（1995－），男，福建泉州人，硕士研究生，主要研究方向为产品研发方法及其智能设计，E-mail：1833352@tongji.edu.cn。*通讯作者：林松（1957－），男，四川苍溪人，工学博士（德），教授，主要研究方向为产品研发方法及其智能设计、虚拟产品生成及其数字孪生、智能装置及其人机协调和技术系统可靠性及安全设计，E-mail：slin@tongji.edu.cn。