生國(guó)鋒，楊 龍，徐 惠

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東 棗莊 277000）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展、物流企業(yè)的增多以及工業(yè)化水平的進(jìn)步，刺激并促進(jìn)了包裝生產(chǎn)的發(fā)展[1，2]。以網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物為例，僅2016年的雙十一當(dāng)天，各大電商的銷售額總和就超過(guò)1770億元，同比增長(zhǎng)44%，進(jìn)而給包裝行業(yè)帶來(lái)巨大的壓力，人工對(duì)商品貨物的包裝需要耗費(fèi)大量的成本，而且包裝質(zhì)量受限于工作人員的熟練程度，甚至?xí)o商品的包裝帶來(lái)一定的損壞，效率較低，難以滿足當(dāng)前的需求[3，4]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種智能商品包裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，該機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，能夠完全代替人力操作，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 包裝機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 包裝機(jī)構(gòu)類型

在機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)，包裝機(jī)構(gòu)具有多種分類方案。按照包裝機(jī)構(gòu)的機(jī)械自動(dòng)化程度，可將包裝機(jī)構(gòu)分為全自動(dòng)和半自動(dòng)兩種。全自動(dòng)包裝機(jī)械主要用于自動(dòng)供貨系統(tǒng)，能夠完全脫離人工干預(yù)完成貨物或商品的包裝任務(wù)[5]。半自動(dòng)包裝機(jī)構(gòu)需要一定數(shù)量的工人進(jìn)行填料，設(shè)備自動(dòng)化程度有限。根據(jù)被包裝產(chǎn)品的類型不同，可將包裝機(jī)構(gòu)分為專用、多用以及通用包裝機(jī)構(gòu)，分別應(yīng)用于單一、多樣以及某個(gè)范圍內(nèi)產(chǎn)品的包裝。

本文所設(shè)計(jì)與研究的包裝機(jī)構(gòu)為全自動(dòng)通用包裝機(jī)構(gòu)，能夠有效地完成商品的掃描、填充、貼單、包裝等任務(wù)，可顯著地解決當(dāng)前電商發(fā)展帶來(lái)的包裝能力不足問(wèn)題。

1.2 主功能實(shí)現(xiàn)方案

在功能實(shí)現(xiàn)方面，該智能包裝機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)包裝任務(wù)需要多個(gè)機(jī)械部件與電子器件的協(xié)同工作[6]，實(shí)現(xiàn)智能包裝功能主要依賴于測(cè)量光幕、MCU、直流推桿電機(jī)、機(jī)械手臂、光電傳感器、滾筒、液晶顯示屏、觸摸感應(yīng)器、普通式履帶、L298N驅(qū)動(dòng)等部件。包裝機(jī)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括升降機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、封箱機(jī)構(gòu)和裁剪機(jī)構(gòu)等，可在較短的時(shí)間內(nèi)完成不同大小尺寸商品的包裝。在傳感器的監(jiān)測(cè)作用以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作條件下，包裝機(jī)構(gòu)能夠迅速實(shí)現(xiàn)商品的掃描、測(cè)量、包裝，并在最終環(huán)節(jié)完成商品或貨物物流單號(hào)的打印、粘貼，大大縮短了整個(gè)物流運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間。

在控制方面，主控器采用STM32RCT6單片機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。該類型單片機(jī)的主頻為108 MHz，具有單周期乘法器和硬件除法器，NVIC支持16個(gè)外部中斷，且每個(gè)中斷有16級(jí)優(yōu)先級(jí)。

圖2 主控器驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)該包裝機(jī)構(gòu)的工作原理和流程可知，其可操作性強(qiáng)，能夠適應(yīng)的被包裝商品的重量和大小，比如鞋子、皮包、電腦等。包裝的主功能實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示，其具體工作過(guò)程為：（1）當(dāng)包裝機(jī)開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)，包裝材料供送裝置將帶動(dòng)包裝材料向指定的方向勻速前進(jìn)。（2）箱體到達(dá)膠帶粘貼機(jī)構(gòu)后，經(jīng)過(guò)膠帶剪切器剪切，四邊進(jìn)行封口，并將物料填充至包裝材料內(nèi)。（3）包裝材料在機(jī)械手裝置的作用下繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)膠帶裁剪位置時(shí)，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，由封箱機(jī)構(gòu)完成包裝袋頂封，并經(jīng)膠帶裁剪機(jī)構(gòu)切斷，至此完成一個(gè)工作循環(huán)，從而進(jìn)入下一個(gè)階段工作流程。

圖3 主功能實(shí)現(xiàn)流程

1.3 封口形式及封箱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

封口形式采用的方案為簡(jiǎn)單的膠帶切割，在實(shí)際的應(yīng)用中也起到了良好的作用效果。圖4表示膠帶裁剪機(jī)構(gòu)，膠帶裁剪機(jī)構(gòu)的總體構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，零件的可加工性較為理想，MCU收到反饋信號(hào)后，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可以很好達(dá)到裁剪長(zhǎng)度的控制，來(lái)回的滑塊可以很好的使箱體的側(cè)面封裝達(dá)到一個(gè)很好的封裝效果。封裝機(jī)構(gòu)如圖5所示，可配合機(jī)械夾持機(jī)構(gòu)提高封裝的質(zhì)量。

圖4 膠帶裁剪結(jié)構(gòu)

圖5 封裝機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵部件有限元分析

2.1 仿真分析方案

為了校驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性[7]，本文采用有限元分析方法對(duì)包裝機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵承載部件進(jìn)行有限元分析，選用的軟件為ANSYS，分析類型為靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析。有限元分析的步驟主要包括前處理與后處理兩部分。本文采用自由網(wǎng)格劃分方法，通過(guò)refine控制各個(gè)元件的網(wǎng)格畸變率，均滿足計(jì)算精度。

2.2 膠帶裁剪機(jī)構(gòu)靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

膠帶裁剪機(jī)構(gòu)的靜態(tài)結(jié)果分析結(jié)果如圖6所示，可以看出，在特定載荷下，應(yīng)力分布狀態(tài)與載荷一致，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為153.84 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度。在工程實(shí)踐中，裁剪機(jī)構(gòu)的刀齒需要充分滿足強(qiáng)度和韌性，因此一般采用調(diào)質(zhì)鋼作為基礎(chǔ)材料。其它部分的材質(zhì)可采用鑄鐵，能夠確保良好的減震性能。兩種不同材料之間的結(jié)合可采用焊接連接，也可設(shè)計(jì)特定螺栓連接結(jié)構(gòu)。

圖6 膠帶裁剪機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

2.3 載物板升降孔靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

升降機(jī)構(gòu)載物板也是包裝機(jī)構(gòu)重要的承載部件（結(jié)構(gòu)如圖1中的元件9所示），其升降孔內(nèi)部的應(yīng)力云圖如圖7所示，從圖中可以看出，在貨物重力作用下，應(yīng)力呈環(huán)狀分布，最大應(yīng)力為20 MPa，位于導(dǎo)槽位置。升降機(jī)構(gòu)載物板在工作中主要起到傳遞商品和包裝箱的作用，在整個(gè)過(guò)程中是必不可少的，同時(shí)也是三層循環(huán)原理的重要來(lái)源。

圖7 升降機(jī)構(gòu)載物板應(yīng)力云圖

3 運(yùn)行及控制方案

3.1 控制方案設(shè)計(jì)

針對(duì)包裝機(jī)構(gòu)的多個(gè)工作流程，采用分級(jí)控制方案，在智能控制系統(tǒng)中的基本要求有：（1）對(duì)于工作環(huán)境和條件有著較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠快速、準(zhǔn)確地與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)效率高[8]；（2）電子器件穩(wěn)定性高，能夠在高干擾和惡劣環(huán)境下正常運(yùn)行；（3）低功耗，性價(jià)比高，易于控制。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)方面，本文采用功能模塊化的方法對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，將硬件模塊分為料裝和封裝模塊、稱重模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、機(jī)構(gòu)執(zhí)行模塊等。在分級(jí)控制條件下，各個(gè)模塊之間具有優(yōu)先級(jí)限定，可有效實(shí)現(xiàn)集中性控制和發(fā)散性控制的結(jié)合。

料裝和封裝模塊采用了GK35-2C型封口控制器，該控制器能夠包裝厚度和料裝頻率控制封裝的范圍和軌跡。稱重傳感器選用德國(guó)HBM數(shù)字式稱重傳感器，具有接線簡(jiǎn)單、易于數(shù)字化通訊、自診斷等優(yōu)點(diǎn)，極限負(fù)載高達(dá)3 t，靈敏度在0.1 g.在數(shù)據(jù)傳輸方面，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程信號(hào)輸送，基于無(wú)線網(wǎng)卡發(fā)送指令信號(hào)。對(duì)于傳感器的信號(hào)采集，系統(tǒng)選擇ADAM-5017系列采集卡實(shí)現(xiàn)較高精度信號(hào)的獲取，能夠完成八通道的程序設(shè)定。驅(qū)動(dòng)模塊選用無(wú)刷直流伺服電機(jī)，易于變成控制。備用供電端為鋰離子蓄電池組，具備自身監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)包裝機(jī)構(gòu)行業(yè)處于快速發(fā)展階段，但是諸多設(shè)計(jì)對(duì)于智能化水平的提升不夠重視，使得產(chǎn)品使用壽命短，耗費(fèi)較多人力。本文所設(shè)計(jì)的智能包裝結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)通用包裝，根據(jù)預(yù)置和設(shè)定，高質(zhì)量地完成商品的掃描、填充、貼單、包裝等任務(wù)，在當(dāng)前社會(huì)背景下具有良好的應(yīng)用前景。