周敘榮，劉天軍，楊步超，胡佳偉，莊 寶，張 健

(1.常州工學(xué)院 機械與車輛工程學(xué)院，江蘇 常州 213032；2.河海大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；3.常州工學(xué)院 數(shù)理化工學(xué)院，江蘇 常州 213032)

基于慧魚模型的裝箱流水線設(shè)計與制作

周敘榮1，2，劉天軍3，楊步超1，胡佳偉1，莊 寶1，張 健1

(1.常州工學(xué)院 機械與車輛工程學(xué)院，江蘇 常州 213032；2.河海大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；3.常州工學(xué)院 數(shù)理化工學(xué)院，江蘇 常州 213032)

針對現(xiàn)有商品包裝機械因功能少、使用不便，無法滿足日益發(fā)展的網(wǎng)店商品包裝的需求，提出將商品包裝過程從四面連接紙箱板到裝入物品完成封裝所需機構(gòu)一體化的設(shè)計，在現(xiàn)有商品包裝機械的基礎(chǔ)上進行改進，設(shè)有滾輪出紙機構(gòu)、移動平臺、氣動吸盤機構(gòu)、合蓋機構(gòu)、底面貼膠機構(gòu)、裝充填物機構(gòu)、裝填物品機構(gòu)、轉(zhuǎn)運機械手等部分，完成商品裝箱流水線的整體設(shè)計，以達到提高商品包裝自動化、多樣化，極大改善網(wǎng)店經(jīng)營等目的。

慧魚；ROBO Pro軟件；裝箱；便捷；流水線

0 引言

“慧魚”創(chuàng)意組合模型(Fischertechnik)是德國公司研制的技術(shù)含量很高極富創(chuàng)新性的拼裝模型?！盎埕~”有諸多構(gòu)件相應(yīng)組合而成，如機械構(gòu)件、傳感器、電氣構(gòu)件、氣動構(gòu)件、電腦控制器(如ROBO TX控制器)和慧魚編程所需要的相關(guān)軟件, 利用這些構(gòu)件就可以實現(xiàn)多樣組合變化，提升實驗的趣味性，提高學(xué)習(xí)興趣以及創(chuàng)新思維[1-5]。

近幾年來，我國快遞行業(yè)發(fā)展迅速，極大地促進了包裝行業(yè)的發(fā)展。現(xiàn)在包裝行業(yè)雖然投入了大量的人力物力，但是勞動力缺口依然很大，且效率過低?，F(xiàn)在企業(yè)不斷追求生產(chǎn)高效化，而大型企業(yè)、國有企業(yè)較少，民營企業(yè)多而散，行業(yè)整體規(guī)模偏小，同時面臨著許多外資品牌的市場侵入。因此，國有包裝企業(yè)要實現(xiàn)高速的包裝，就必須對傳統(tǒng)的包裝機械進行改進。

1 主要功能及基本工作原理

基于目前網(wǎng)店商品包裝不方便的現(xiàn)狀，通過查閱相關(guān)資料并且結(jié)合實際情況對目前市場上的一些自動包裝機構(gòu)進行一系列改進，用慧魚創(chuàng)意組合模型搭建了“商品裝箱流水線”，實現(xiàn)從紙板→紙箱成形→充填物裝填→商品裝填這一系列商品包裝過程，如圖1所示，給網(wǎng)店商品包裝提供極大的便利。

圖1 成型紙箱

商品裝箱流水線由滾輪出紙機構(gòu)、移動平臺、氣動吸盤機構(gòu)、合蓋機構(gòu)、底面貼膠機構(gòu)、裝充填物機構(gòu)、裝填物品機構(gòu)、轉(zhuǎn)運機械手等部分組成，如圖2所示。商品裝箱以流水線的形式完成紙箱成形、填充、裝貨等一系列步驟?？梢杂糜诎b多種材質(zhì)、尺寸和形狀商品。該裝置綜合運用機械原理、機械設(shè)計、傳感器技術(shù)、機電控制技術(shù)等學(xué)科知識，采用齒輪齒條傳動、蝸輪與蝸桿傳動、連桿傳動、帶輪傳動、氣壓傳動、凸輪傳動、鏈條傳送等方式，以節(jié)省人力、節(jié)能環(huán)保為出發(fā)點，實現(xiàn)對不同形狀、不同尺寸的商品進行分類包裝、計數(shù)的目的，提高了包裝流水線的自動化程度。

圖2 商品裝箱流水線

1.1滾輪出紙機構(gòu)

滾輪出紙機構(gòu)主要由多個齒輪及傳送帶搭配相應(yīng)高度的柱體所構(gòu)成。滾輪出紙機構(gòu)共兩層，可存放不同規(guī)格的紙板，如圖3所示。利用兩滾輪的滾動摩擦力帶動紙板從倉庫到達傳送帶，紙板一個個疊壓在倉庫中，最前端有一塊擋板，只允許最下面的紙板通過，每通過一個紙板，疊壓在上面的紙板便會取代前一個紙板的位置，依次循環(huán)，滾輪出紙機構(gòu)工作原理如圖4所示。

圖3 滾輪出紙機構(gòu)

圖4 滾輪出紙機構(gòu)工作原理圖

1.2移動平臺

移動平臺的運動示意圖如圖5所示，主要由一個旋轉(zhuǎn)平臺、一個縱向?qū)к壖半姍C、一個橫向?qū)к壖半姍C和一個升降平臺組成。主要負(fù)責(zé)連接各個模塊，運送到不同的模塊對箱子進行加工。該平臺可以實現(xiàn)前后、上下、左右六個方向的直線運動以及水平方向的旋轉(zhuǎn)運動。

(1)由電機EM1 M1帶動橫向絲桿，使工作臺實現(xiàn)前后直線運動，向后接住從傳送帶上過來的紙板，向前與四錐齒機構(gòu)實現(xiàn)箱子側(cè)面合蓋；

(2)由電機M4帶動縱向絲桿，使工作臺實現(xiàn)左右運動，向左與氣動吸盤實現(xiàn)紙板的立起動作，與貼膠機構(gòu)實現(xiàn)側(cè)面貼膠，向右復(fù)位；

(3)工作平臺還能實現(xiàn)箱體的轉(zhuǎn)動，通過電機EM2 M1的正反轉(zhuǎn)動控制工作臺的順逆時針的旋轉(zhuǎn)；

(4)由EM1 M3 帶動絲杠正反旋轉(zhuǎn)，使剪式升降臺作升降運動，以此調(diào)節(jié)工作平臺高度，來適應(yīng)不同寬度的紙箱，在此后的底部合蓋和底部貼膠的過程中能使紙箱寬度方向的對稱平面相對于地面保持一定的高度；

(5)電機EM1 M2為一個箱子成型裝置的發(fā)動，旋轉(zhuǎn)配合氣動吸盤實現(xiàn)紙板從平面到立體的變化。配合電機EM1 M4可以使箱體加緊，以便實現(xiàn)之后的各種對箱子的操作。在加工完箱體一側(cè)時，電機EM1 M2使翻轉(zhuǎn)板落下，使翻轉(zhuǎn)板成為一種下坡，再由電機EM1 M4向前推進，箱體推入下一步驟。

圖5 移動平臺運動示意圖

1.3氣動吸盤機構(gòu)

采用氣動吸盤裝置防止移動平臺電機M3驅(qū)動的側(cè)擋板完成紙板立起的動作時會將紙板壓彎變形，所以需要豎直方向的一個力輔助紙板立起來，如圖6所示。先通過吸盤將紙板吸起來部分，然后再由工作平臺完成剩下的立起動作，保證了紙板順利成形。

圖6 氣動吸盤機構(gòu)

吸盤固定在吸盤架上，當(dāng)整個裝置通過升降絲桿下壓時，壓縮彈簧，利用彈簧反作用力將吸盤壓緊在紙板上，然后通過通氣螺栓與氣管連接將吸盤以及氣管內(nèi)的空氣吸去，利用壓力差將紙板吸起來。

1.4合蓋機構(gòu)

合蓋機構(gòu)主要由蝸桿、蝸輪和直齒圓錐齒輪組成，如圖7所示。通過十字型交叉對稱的搭建，來實現(xiàn)四個方向的相對運動，從而巧妙的實現(xiàn)紙箱底面合蓋的功能。

圖7 合蓋機構(gòu)

該機構(gòu)由變速電機EM3 M1驅(qū)動，通過齒輪將旋轉(zhuǎn)運動傳遞給蝸桿，蝸桿在帶動直齒錐齒輪旋轉(zhuǎn)，四個錐齒輪相互嚙合，從而帶動蝸桿上的蝸輪做上下移動，實現(xiàn)同軸向的蝸輪做相對運動、相垂直的蝸輪做反向運動，搭接在蝸輪上的擋板將伸出的箱蓋合上。該結(jié)構(gòu)能有效地避免箱蓋間的相互阻礙。

1.5底面貼膠機構(gòu)

底面貼膠機構(gòu)如圖8所示，該機構(gòu)由滾輪(裝膠帶卷)、拉桿(將膠帶拉出)、輔桿(防止膠帶被切斷后又粘在膠帶卷上，便于下一次拉桿將膠帶拉出)組成。整體貼膠流程就是先通過拉桿將膠帶拉出(因為通過多次測試，紙箱很難將膠帶卷拉出)，然后將紙箱靠上去粘住。

圖8 底面貼膠機構(gòu)

1.6裝充填物機構(gòu)

裝充填物機構(gòu)主要由多個擋板以及兩對蝸桿組成。該機構(gòu)利用葉片輪轉(zhuǎn)動將填充物(泡沫粒)帶入紙箱中，用一個發(fā)動機驅(qū)動，整個機構(gòu)比較穩(wěn)定，如圖9所示。本模型中使用的是顆粒狀泡沫，在實際包裝生產(chǎn)過程中，可根據(jù)不同的商品選用不同的充填物以實現(xiàn)所需的安全保護。

圖9 裝充填物機構(gòu)

1.7裝填物品機構(gòu)

裝填物品機構(gòu)主要由升降貨架、氣缸、活塞桿、氣泵、電磁換向閥組成，如圖10所示。該機構(gòu)可提供3種物品類型供選擇以體現(xiàn)包裝不同商品的主題要求。具體來說就是當(dāng)選擇其中一個時，通過TX控制板控制貨架升降，使所需商品所在的那一層停留在活塞桿所在高度，然后與該商品位置對應(yīng)的氣缸所連接的電磁氣閥打開，向該氣缸打氣，活塞桿向前推動商品，讓商品通過滑道進入已裝填好填充物的紙箱。

圖10 裝填物品機構(gòu)

圖11所示為紙箱初始簡圖、紙箱形狀簡圖，高度為a，長度為b，寬度為c。該機構(gòu)通過滾輪出紙機構(gòu)左右的寬度控制紙箱的高度a，通過氣動吸盤機構(gòu)的可升降絲桿控制紙箱的長度b，頂部氣錘的齒條升降和寬通過其他各機構(gòu)來控制，不同的商品選擇不同型號的紙箱來包裝，可由商家自行設(shè)定，郵政紙箱型號及尺寸見表1。

圖11 紙箱形狀

型號(郵政紙箱)長/cm寬/cm高/cm15329372532329343212743519235291719626151872313168211114919．510．513．51017．59．511．51114．58．510．5121389

1.8轉(zhuǎn)運機械手

轉(zhuǎn)運機械手主要由一個機械手和一個蝸輪蝸桿機構(gòu)組成。在裝好商品后，可通過轉(zhuǎn)運機械手，將紙箱搬到頂部封裝傳送帶上，如圖12所示。該機械手可180度旋轉(zhuǎn)，機械手通過一根絲杠螺母帶動，實現(xiàn)夾緊與松開動作。機械手所在平臺通過連桿與絲杠上的絲杠螺母連接可讓整個機械手傾斜一定角度，防止擋住傳送帶上的箱子，充分利用了有限的空間，機械手采用慧魚零件，中間的卡槽剛好能卡住箱子的邊棱，傳送平穩(wěn)。

圖12轉(zhuǎn)運機械手

2 控制程序

程序控制部分是商品封箱流水線的靈魂。程序用 ROBO Pro軟件編制[6]，它是一種模塊化、圖形化編程語言軟件，簡潔、直觀、易懂[7]，可對“慧魚”模型進行精確的動作控制，還可以提供編程前的快速硬件測試、在線檢測、在線調(diào)試、下載操作等功能。

商品裝箱流水線紙箱成形的程序如圖13所示。通過第一塊主板上光感I4判斷是否有紙箱滾出，判斷為已滾出時，就向移動工作平臺發(fā)送命令，使其向紙箱靠近，最終移動到移動平臺上。移動平臺移動到氣動吸盤處，氣動吸盤啟動，通過電磁換向閥控制氣體吸起上部端面，再由移動平臺上的翻蓋旋轉(zhuǎn)，壓緊箱體使之成為站立的狀態(tài)。

圖13 紙箱成形程序圖

圖14所示為裝充填物與裝填物品程序圖。紙箱從移動平臺上由傳送帶傳送到裝充填物機構(gòu)下由設(shè)置好的時間控制，到設(shè)定的時間時裝填充物機構(gòu)運行，將填充物通過絲桿的篩選進紙箱完成填充。在設(shè)定時間后，傳送帶開始運行將紙箱移到裝填物品機構(gòu)處，機構(gòu)選取物品，再由啟動裝置推出，物品隨滑道滑入箱體中，完成物品裝填。

圖15所示為是紙箱合蓋程序圖。此處采用嚴(yán)格的時間控制，針對不同尺寸的長方體紙箱設(shè)有不同的程序。紙箱由移動平臺移動到合蓋機構(gòu)處，先由左右絲桿相向進給，通過絲桿上移動的擋板壓下箱體上水平方向的兩個紙板，然后水平方向退出的同時豎直方向合并，水平方向退出前豎直方向已經(jīng)壓下，以保證合蓋成功。豎直方向繼續(xù)移動完成合蓋，移動平臺向下一個機構(gòu)移動。

圖14 裝充填物與裝填物品程序圖

圖15 紙箱合蓋程序圖

圖16所示為底面貼膠程序圖。移動平臺移動到底面貼膠機構(gòu)處 ，紙箱已經(jīng)合蓋的部分用長擋板擋住。底面貼膠機構(gòu)拉出膠帶，移動平臺靠近，使膠帶壓在合蓋面上。再由滾輪壓緊，兩端的氣動裝置驅(qū)動刀片切斷膠帶，由刀片后端的特制刀架壓緊兩側(cè)膠帶，完成貼膠工作。

圖16 底面貼膠程序圖

3 結(jié)語

基于“慧魚”創(chuàng)意組合模型對商品封箱流水線進行完成的仿真設(shè)計，研究了商品封箱流水線的機械原理，開發(fā)了相關(guān)的控制軟件。

設(shè)計開發(fā)的商品封箱流水線具有很好的工程應(yīng)用前景，對相關(guān)機械原理設(shè)計和軟件開發(fā)有參考價值。

[1] 曲凌. 慧魚創(chuàng)意機器人設(shè)計與實踐教程法[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2007.

[2] 劉天軍,毛建秋,支波浩,等．基于“慧魚”創(chuàng)意組合模型的避障機器人的設(shè)計與制作[J].常州工學(xué)院學(xué)報,2012(2):6-9．

[3] 肖紅. 基于慧魚技術(shù)的六足昆蟲仿生機器人的設(shè)計[J].荊門職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2006(3):18-20．

[4] 竇艷濤,黃豪杰,李健,等. 基于慧魚技術(shù)的家用洗碗機方案設(shè)計[J]. 實驗室研究與探索,2013(3):31-33．

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[6] 盧桂萍,何宇斌. 基于慧魚創(chuàng)意組合模型的車庫門禁系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2013(4):208-209．

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TheDesignandFabricationofCommodityPackingLineBasedonFischertechnikModel

ZHOU Xu-rong1，2, LIU Tian-jun3, YANG Bu-chao1, HU Jia-wei1, ZHUANG Bao1, ZHANG Jian1

(1.School of Mechanical and Vehicular Engineering, Changzhou Institute of Technology,Changzhou Jiangsu 213032, China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hohai University, Changzhou Jiangsu 213022, China;3. School of Mathematical and Chemical, Changzhou Institute of Technology, Changzhou Jiangsu 213032, China)

Because of the lack of function and inconvenience of current packaging machine, it is unable to meet the growing packing needs for online stores. It is proposed that the packaging process from four sides to the carton board to the loading object. The improvement was made based on the existing commodity packaging machine, with rolling out, mobile platforms, pneumatic suction component, capping, bottom gluing, filling, loading, and transshipment manipulator. It completed the overall design of the commodity packing line, so as to improve the automation and variety of commodity packaging and greatly improve the operation of the online store.

Fischertechnik; ROBO Pro software; packing; convenient; pipeline

TH111

A

1009-7961(2017)05-0001-07

2017-05-15

周敘榮(1976-)，男，安徽當(dāng)涂人，高級工程師，在讀博士，主要從事特種加工技術(shù)研究。

(責(zé)任編輯：孫文彬)