自適應(yīng)尺寸紙箱切割折痕包裝機(jī)的設(shè)計(jì)

鄭飛杰，葉榮冠，高 浩，謝培慶，林志輝

（三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建三明 365004）

0 引言

目前，我國(guó)進(jìn)入全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的階段［1］，人們的生活模式悄然地改變著，購(gòu)物逐漸從傳統(tǒng)實(shí)體店轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)［2］。據(jù)天貓和京東的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年的“雙十一”購(gòu)物節(jié)總成交額達(dá)7697億元［3］，對(duì)比過(guò)去，網(wǎng)絡(luò)消費(fèi)得到不斷拓展［4］，催生了大量的新型商品，給包裝工作帶來(lái)全新的挑戰(zhàn)［5］。

隨著商品數(shù)量劇增和類(lèi)型多樣化，對(duì)包裝工作的要求越來(lái)越嚴(yán)格，給商家的壓力也越來(lái)越大［6］。目前，商品包裝方式包括人工包裝和流水線上大型機(jī)械包裝，都無(wú)法跟上伴隨網(wǎng)購(gòu)快速發(fā)展起來(lái)的小型商品包裝要求［7］。在國(guó)外，包裝機(jī)械產(chǎn)業(yè)逐漸形成體系化［8］，如食品包裝設(shè)備，采用融合自動(dòng)柔性補(bǔ)償技術(shù)、多維信息處理技術(shù)等多工段成套生產(chǎn)線；灌裝機(jī)采用PLC控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人等形成集成化生產(chǎn)線，或是采用智能稱重模塊、計(jì)算機(jī)仿真模塊等精密部分的自動(dòng)化生產(chǎn)線［9］。在國(guó)內(nèi)，大型包裝機(jī)械因存在科技含量低、低水平重復(fù)建設(shè)等問(wèn)題導(dǎo)致其應(yīng)用比較局限［10］，僅在食品包裝較為突出。如以ARMCortex-M3和PIC單片機(jī)為溫度控制主體來(lái)提高包裝效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量［11］；引入機(jī)器視覺(jué)、智能控制等技術(shù)，滿足高效包裝的需求［12］。所以，目前少有能滿足小型商品包裝需求的包裝設(shè)備。

網(wǎng)店以小型個(gè)體戶為主，一旦碰到旺季或節(jié)假日，人工包裝往往忙不過(guò)來(lái)而耽誤發(fā)貨，另外網(wǎng)購(gòu)商品以品種繁多的散件為主，包裝規(guī)格不一，對(duì)包裝箱的要求更為苛刻，過(guò)小包裝不了，過(guò)大需填充物，不方便且浪費(fèi)材料，所以包裝型號(hào)單一且占用空間大的流水線式包裝機(jī)械無(wú)法滿足行業(yè)需求［13］。鑒于上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種新型商品包裝裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小商品的精準(zhǔn)包裝，解決商品包裝難題，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)思路

以品種繁多、大小不一的網(wǎng)購(gòu)商品為包裝對(duì)象，設(shè)計(jì)一種集測(cè)量一定尺寸范圍內(nèi)的商品、自動(dòng)對(duì)瓦楞箱紙板進(jìn)行切割折痕、商品包裝封箱等功能為一體的包裝裝置。選擇能滿足大部分包裝工作要求的瓦楞箱紙板結(jié)構(gòu)是裝置設(shè)計(jì)的必要條件［14］。目前市面上流通的瓦楞箱板紙主要分為2種結(jié)構(gòu)類(lèi)型：框型結(jié)構(gòu)和托盤(pán)結(jié)構(gòu)?？蛐徒Y(jié)構(gòu)在4個(gè)面延伸的基礎(chǔ)上可設(shè)計(jì)成不同的形式，分為8種；托盤(pán)結(jié)構(gòu)為箱底各邊延伸出箱身的紙面，箱底與箱身在一個(gè)底面的基礎(chǔ)上，被設(shè)計(jì)為不同的形式，種類(lèi)繁多。網(wǎng)購(gòu)商品包裝廣泛采用框型結(jié)構(gòu)中的黏合封底式的包裝箱結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是展開(kāi)后是一個(gè)矩形，如圖1所示，8個(gè)側(cè)邊寬度均為d，其他各邊的尺寸要求是a≥b，d=b/2，便于切割，雙邊都只需切一刀，滿足自動(dòng)化包裝的要求，符合快遞包裝箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抗擠壓，沒(méi)有開(kāi)合的要求。

圖1 瓦楞箱紙板展開(kāi)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Unfolding structure diagram of corrugated cardboard

1.2 工作原理

裝置包括尺寸測(cè)量機(jī)構(gòu)、切割紙板并壓制折痕機(jī)構(gòu)和使紙板將商品包裹并封裝成型的機(jī)構(gòu)［15］。將商品放置在測(cè)量機(jī)構(gòu)的置物板上，獲取長(zhǎng)寬高，送到STM32微控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，形成代碼，控制步進(jìn)電機(jī)或舵機(jī)，驅(qū)動(dòng)切割折痕紙板機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)合格的尺寸切割和精準(zhǔn)折痕；推送紙板至封裝機(jī)構(gòu)的第一機(jī)架的傳送帶上，將商品放置在紙板的正確位置上，涂上黏合膠水；啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，送商品和紙板到中間下壓機(jī)構(gòu)處，推動(dòng)下行，紙板的各收折模塊按順序進(jìn)行收折，黏合處由膠水黏合固定成型，形成基本箱型；推動(dòng)第二機(jī)架（封箱成型機(jī)構(gòu)），向第一機(jī)架靠攏，收攏側(cè)邊并折封主頂蓋，黏合處由膠水黏合固定成型，完成封箱；啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)齒輪嚙合帶動(dòng)圓柱形導(dǎo)軌，將紙板箱送至指定的工作臺(tái)，用膠帶再次封裝加固。至此，整個(gè)包裝工序全部完成。

1.3 商品尺寸檢測(cè)系統(tǒng)

如圖2所示，商品尺寸測(cè)量裝置主要由3大部分組成，分別是L型升降臺(tái)、方形置物板和豎向升降導(dǎo)軌。其中方形置物板的3個(gè)角連接固定住3根豎向升降導(dǎo)軌柱，每根柱上都均勻纏繞著漆包線，L型升降臺(tái)就套在柱上，直流電源的正負(fù)極分別接在漆包線和L型升降臺(tái)處，形成一個(gè)具有滑動(dòng)變阻器功能的機(jī)構(gòu)。如此，L型升降臺(tái)的升降會(huì)產(chǎn)生線性電阻值變化，測(cè)量的電流值也隨之變化，通過(guò)歐姆定律獲得總電阻值，計(jì)算L型升降臺(tái)實(shí)時(shí)高度。L型升降臺(tái)上有若干個(gè)紅外接近傳感器，在上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中探測(cè)前方是否有阻擋，通過(guò)被阻擋的傳感器個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算商品的長(zhǎng)和寬。根據(jù)下行過(guò)程中探測(cè)到商品的一瞬間獲得的電阻值所計(jì)算出來(lái)的升降臺(tái)即時(shí)高度即為商品高度。

圖2 測(cè)量裝置的機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Mechanism diagram of measuring device

1.4 切割折痕系統(tǒng)

如圖3所示，紙板切割折痕系統(tǒng)，是整個(gè)裝置中最為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)緊湊的機(jī)構(gòu)，由機(jī)架、案板、矩形升降框架、折痕成型機(jī)構(gòu)、切割器、2根橫向連桿、5根縱桿、若干切刀、壓刀及其他零部件組成。

圖3 瓦楞箱紙板切割折痕機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of corrugated cardboard cutting crease mechanism

在商品尺寸測(cè)量時(shí)，由工作人員在案板上放置1張紙板，STM32微控中心轉(zhuǎn)換商品尺寸數(shù)據(jù)為指令，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)矩形升降框架運(yùn)行到指定位置；接著驅(qū)動(dòng)橫桿、縱桿移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，使橫桿、縱桿運(yùn)行到指定位置；矩形升降框架下行，利用兩端有導(dǎo)軌和彈簧，與縱桿連接的壓痕機(jī)構(gòu)壓住紙板，起固定作用。機(jī)構(gòu)與案板未接觸時(shí)處于張開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)矩形升降框架下降到一定高度后，使壓刀與案板接觸，壓縮彈簧產(chǎn)生彈力形成壓力，在紙板上形成折痕；驅(qū)動(dòng)連接折痕成型機(jī)構(gòu)與連桿的螺母座的舵機(jī)啟動(dòng)，折痕成型機(jī)構(gòu)縱橫移動(dòng)，帶動(dòng)壓刀在紙板上進(jìn)行壓制折痕；矩形升降框架繼續(xù)下行，切刀接觸案板，驅(qū)動(dòng)連接切割器與連桿的螺母座的舵機(jī)啟動(dòng)，切割器縱橫移動(dòng)，帶動(dòng)切刀對(duì)紙板進(jìn)行切割；最后由遠(yuǎn)離包裝封箱系統(tǒng)的那根縱桿上所設(shè)置的推板，將成型的紙板推向至包裝封箱系統(tǒng)的第一機(jī)架上。

1.5 封箱系統(tǒng)

如圖4所示，包裝封箱系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)縱向?qū)挾日{(diào)節(jié)移動(dòng)以適應(yīng)不同大小的紙板，由包括紙板傳送部分（第一機(jī)架）、中間下行收折包裝機(jī)構(gòu)、封箱成型機(jī)構(gòu)（第二機(jī)架）及各類(lèi)滑動(dòng)導(dǎo)軌等零部件組成，且第一機(jī)架與第二機(jī)架之間距離可調(diào)。

圖4 包裝封箱系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)Fig.4 The overall structure of packing and sealing system.

如圖5所示，在接收切割折痕系統(tǒng)推送過(guò)來(lái)的紙板之前，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)縱向移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)獲得指令，先行啟動(dòng)，使第一機(jī)架和第二機(jī)架的縱向?qū)挾确习b尺寸要求。其中第一機(jī)架由豎向支撐板、傳送帶機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)和滑軌等組成，接收切割折痕系統(tǒng)推送過(guò)來(lái)的紙板之后，驅(qū)動(dòng)傳送帶的步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，將紙板送到包裝封箱系統(tǒng)的收折升降板上，然后工作人員將商品放置在紙板合適的位置，升降板的前端鉸接有轉(zhuǎn)動(dòng)板，轉(zhuǎn)動(dòng)板上下滑動(dòng)軌道設(shè)置在第一機(jī)架兩側(cè)內(nèi)壁，升降板及轉(zhuǎn)動(dòng)板由滑動(dòng)架帶動(dòng)上下運(yùn)行，工作人員推動(dòng)滑動(dòng)架下行，商品和紙板也隨之下行，紙板的前部及兩側(cè)在轉(zhuǎn)動(dòng)板和第一機(jī)架的作用下向上收折；另外，紙板的后部及兩側(cè)在傾斜導(dǎo)向板和第二支架的作用下向上收折?；瑒?dòng)架繼續(xù)下行，設(shè)置在第一機(jī)架的后端上部的槽口使紙板底板兩側(cè)邊向上收折，形成盒狀結(jié)構(gòu)。升降板下行至與第二機(jī)架的傳送帶上側(cè)面平齊時(shí)，第二機(jī)架由工作人員推向第一機(jī)架，在第二機(jī)架支撐板處設(shè)置的三角缺口和設(shè)置在第二機(jī)架上的可升降輔助壓板的共同作用下，實(shí)現(xiàn)包裝箱體徹底封蓋，黏合處由膠水黏合固定成型，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，傳送封裝完成的箱體至指定位置，如此通過(guò)各機(jī)構(gòu)配合使得展開(kāi)狀板紙彎折形成包裝箱體。

圖5 包裝封箱系統(tǒng)的包裝過(guò)程圖（下行階段）Fig.5 Packaging process diagram of packaging and sealing system（downward phase）

2 關(guān)鍵部件的有限元分析

2.1 收折成型機(jī)構(gòu)支撐板的有限元分析

對(duì)收折成型機(jī)構(gòu)的支撐板進(jìn)行靜應(yīng)力分析之前，需進(jìn)行材料定義，根據(jù)支撐板所受的重力計(jì)算，決定選用DIN鋁合金（EN-AW 3103）作板體材料，其屈服力為35E+6 N/m2。

通過(guò)對(duì)收折成型機(jī)構(gòu)的支撐板施加外部載荷，運(yùn)行靜應(yīng)力計(jì)算，得到應(yīng)力云圖（如圖6所示）、位移云圖（如圖7所示）和安全系數(shù)等。其中安全系數(shù)為2.2，滿足國(guó)標(biāo)要求；從運(yùn)行結(jié)果可以看出最大應(yīng)力小于屈服應(yīng)力；零件產(chǎn)生的最大位移量不會(huì)影響整體的結(jié)構(gòu)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 支撐板應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of support plate

圖7 支撐板位移云圖Fig.7 Displacement nephogram of support plate

2.2 可升降壓板三角架的有限元分析

三角架在可升降壓板中要承擔(dān)壓板的重量，支撐住壓板且要帶其升降。選擇普通碳鋼作為材料，其屈服力為2.206E+8 N/m2。

通過(guò)靜應(yīng)力計(jì)算，得到應(yīng)力云圖（如圖8所示）、位移云圖（如圖9所示）以及安全系數(shù)等。其中安全系數(shù)為2.1，滿足國(guó)標(biāo)要求。通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出最大應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，零件的最大位移量不會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 三角架應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram of lampstand

圖9 三角架位移云圖Fig.9 Displacement nephogramof lampstand

3 硬件控制系統(tǒng)的選取

設(shè)計(jì)采用以STM32為核心的Luby模塊作為微控中心，用于傳感器數(shù)據(jù)輸入的AD接口配置有16路，用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)等外部設(shè)備的輸出接口有6路。通過(guò)STM32的TIMERS形成的PWM信號(hào)，用于控制升降及平移裝置的舵機(jī)及步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。由傳感檢測(cè)傳送至微控中心的信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理，產(chǎn)生可供STM32的ADC處理的信號(hào)，而后反饋給包裝機(jī)本身，執(zhí)行指定動(dòng)作。另外，通過(guò)Keil的ARM環(huán)境進(jìn)行控制編程，Keil兼容ANSI標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言編程，功能符合要求、技術(shù)支持性能好，無(wú)需操作系統(tǒng)，極簡(jiǎn)便［16］。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)小規(guī)模商戶或網(wǎng)店個(gè)體經(jīng)營(yíng)戶在商品包裝環(huán)節(jié)中所遇到的痛點(diǎn)，進(jìn)行商品包裝工序分解和工藝分析。針對(duì)初代樣機(jī)的不足，重新設(shè)計(jì)一種集商品尺寸測(cè)量、瓦楞箱紙板切割折痕、商品包裝封箱為一體的商品包裝裝置，解決當(dāng)下包裝設(shè)備無(wú)法高效、高質(zhì)量地完成小型商品包裝的問(wèn)題，節(jié)約成本，提升商家生存能力，同時(shí)為后續(xù)制作實(shí)際工作機(jī)夯實(shí)研究基礎(chǔ)，裝置的效果如圖10所示，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 包裝機(jī)的相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of the packaging machine

圖10 樣機(jī)效果圖Fig.10 Effect drawing of prototype