長及柱狀商品纏繞式包裝機構(gòu)的設計

王亦凡，鐘橋，楊旭

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

長及柱狀商品纏繞式包裝機構(gòu)的設計

王亦凡，鐘橋，楊旭

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

現(xiàn)有長、柱狀商品存在包裝過程繁瑣，包裝效率不高的特點。針對此問題，本文設計了一款人工動力的半自動化纏繞式包裝機，腳步踩踏提供動力，通過四桿機構(gòu)傳遞腳部動力，手輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)商品的夾緊固定，由齒輪系配合同步帶提供雙向纏繞動力，上、下齒輪驅(qū)動不完全齒輪機構(gòu)提供不等速運動，實現(xiàn)商品包裝材料的纏繞和切斷，三星輪換向機構(gòu)能轉(zhuǎn)換纏繞方式實現(xiàn)對商品的快速完整纏繞包裝，有效地提高包裝效率，保護產(chǎn)品安全。

包裝；纏繞；半自動

現(xiàn)階段隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，各類商品層出不窮。隨著商品種類多樣化，也遇到了相當多的問題，對于各類商品的包裝就是一個方面。相對于傳統(tǒng)的方形商品，長條形、圓柱狀的商品更是一個比較難以包裝的商品類型。比如小型的植物、花卉、雨傘等各類細長的生活用品,都需要完整的包裝。

現(xiàn)有的對長、柱狀商品的包裝多以人工手動套袋或者纏繞保護材料為主，以小型植物、苗木為例，現(xiàn)有的包裝方式多為人工繞膜，而現(xiàn)行的打包步驟多、過程繁瑣，耗費了大量的人力物力，并且包裝效果對于商品的保護并不理想。

1 纏繞式包裝機的機械結(jié)構(gòu)設計

本項目中半自動纏繞式包裝機主要使用腳步踩踏提供動力，通過四桿機構(gòu)傳遞腳部動力，由齒輪系配合同步帶提供雙向纏繞動力，手輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)商品的夾緊固定，推桿改變行星輪與齒輪片的嚙合方向?qū)崿F(xiàn)反向包裝。

本人工動力的半自動纏繞式包裝機分為夾緊模塊、動力模塊、不等速纏繞包裝模塊。其中夾緊模塊由手輪、蝸輪蝸桿、齒輪齒條、梯形齒同步帶等機構(gòu)之間的相互配合實現(xiàn)對商品的雙向定位加緊；動力模塊是以人力踩動踏板為動力源，利用四桿機構(gòu)傳遞動力，結(jié)合錐齒輪為齒輪軸提供轉(zhuǎn)動動力，并通過梯形齒同步帶為對稱部位的齒輪軸提供等速的轉(zhuǎn)動動力，為上層齒輪系的轉(zhuǎn)動提供雙向動力源，保證齒輪系的順利轉(zhuǎn)動；不等速纏繞包裝模塊采用齒數(shù)分別為5模24齒與5模20齒的齒輪帶動不完全齒輪機構(gòu)，達到上、下不完全外齒輪環(huán)傳動比差為1的不等速運動，從而使繞膜柱與切膜柱之間存在運動的速度差和距離差，配合三星輪換向機構(gòu)嚙合外部不完全齒輪實現(xiàn)對商品的雙向纏繞包裝；在包裝完成后繞膜柱與切膜柱達到統(tǒng)一位置實現(xiàn)對膜的切斷，整體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 夾緊機構(gòu)的設計

夾緊模塊的功能即為固定商品的中心位置以便纏繞包裝。手輪連接齒輪，以手的搖動為動力，帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，通過蝸輪蝸桿機構(gòu)將手輪的豎直方向旋轉(zhuǎn)改變?yōu)槲佪喫椒较虻男D(zhuǎn)，帶動豎直軸轉(zhuǎn)動將動力傳遞給齒輪齒條機構(gòu)，通過齒輪齒條機構(gòu)將齒輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為齒條直線運動，夾緊柄的一段連接在齒條上隨著齒條向中心運動；齒輪轉(zhuǎn)動時通過梯形齒同步帶將運動傳遞給對稱的齒輪齒條機構(gòu)，此時，兩端的夾緊柄同時向中心運動，保證了裝置的夾緊功能和商品包裝的中心位置。

1.2 動力機構(gòu)的設計

動力機構(gòu)用以提供整個裝置纏繞包裝的動力。參考縫紉機的踏板供能原理，以人反復踩動踏板提供動力，采用四桿機構(gòu)原理，踏板帶動連桿使偏心輪轉(zhuǎn)動，偏心輪為上部裝置提供動力，同時踏板的下部有一復位彈簧，方便人腳的連續(xù)踩動，提供持續(xù)動力。

1.3 不等速纏繞包裝機構(gòu)的設計

1.3.1 不完全齒輪機構(gòu)（圖2）

不完全齒輪機構(gòu)如圖所示包括上傳動齒輪1、2，下傳動齒輪3、4，上不完全外齒輪5、下不完全外齒輪6、固膜柱7、繞膜柱8、切膜柱9。

圖2 不完全齒輪機構(gòu)圖

不完全齒輪機構(gòu)對應相應的傳動機構(gòu)能實現(xiàn)兩個相同的齒輪做同向旋轉(zhuǎn)運動，并與中空的不完全齒輪嚙合，帶動不完全齒輪轉(zhuǎn)動，借此保證每一商品在水平方向上的單向直線運動。通過帶傳動轉(zhuǎn)動的對稱齒輪軸以相同轉(zhuǎn)速帶動不同齒數(shù)的上、下齒輪轉(zhuǎn)動，使相同齒數(shù)的上、下不完全外齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)上、下不完全外齒輪的傳動比差為1不等速運動。包裝膜固定在繞膜柱上，一段固定在固膜柱上，其中固膜柱固定不動，繞膜柱與上不完全外齒輪相連接，切膜柱與下不完全外齒輪相連接。固膜柱與繞膜柱一同完成保鮮膜的預緊與纏繞功能，繞膜柱與切膜柱上、下齒輪的傳動比差為1產(chǎn)生運動的速度差和距離差，當輸入軸初始速度一定時，經(jīng)過若干圈后，內(nèi)部切膜柱比上部供膜柱多轉(zhuǎn)一圈，最后實現(xiàn)對膜的切割。

1.3.2 三星輪換向機構(gòu)（圖3）

三星輪換向機構(gòu)包括齒輪1、齒輪2、齒輪3、上行不完全內(nèi)齒輪4和下行不完全內(nèi)齒輪5。

圖 3 三星輪換向機構(gòu)下行圖

上不完全外齒輪帶動三星輪換向輪系整體運動，當齒輪1與上行不完全內(nèi)齒輪嚙合時，此時纏繞膜固定在托盤上隨著絲杠的轉(zhuǎn)動向上運行；當齒輪2與上行不完全內(nèi)齒輪嚙合時，此時包裝膜固定在托盤上隨著絲杠的轉(zhuǎn)動向下運行，從上往下對商品的下部進行纏繞包裝，實現(xiàn)對商品的雙向包裝。

2 部分機構(gòu)尺寸設計

四桿機構(gòu)的設計如下。

我們采用偏置曲柄滑塊機構(gòu)，為本包裝機提供動力。根據(jù)已選工件的尺寸及定位要求，設底板中心為坐標原點，傳動軸離中心的距離為225mm，以成人腳踩行程為15cm為標準，進行設計，以傳動桿為機架點，根據(jù)實際生活中人踩動腳踏板的工作情況，取另一機架點的離地高度約為180～230mm?？紤]到本裝置應傳動平穩(wěn)，行程系數(shù)比K不應過大。結(jié)合對踏板的力矩平衡分析，當搖桿長度約為踏板長度一半時，相對符合人的工作習慣。故搖桿長度為300mm，行程系數(shù)比K約等于1，對桿長進行計算，根據(jù)計算得到曲柄長度為66mmm，連桿為473，極位夾角為1.23deg，最大傳動角r為65度。

3 結(jié)語

在互聯(lián)網(wǎng)急速發(fā)展的今天，網(wǎng)絡經(jīng)營商中的非常規(guī)尺寸商品的產(chǎn)量巨大并現(xiàn)有的人工手動包裝方式效率不高，過程繁瑣，耗費了大量的人力物力，需要快速有效的包裝方式。本裝置人工動力的半自動纏繞式包裝機，貼合當前包裝行業(yè)的發(fā)展，針對長、柱狀特殊商品包裝存在的各種問題結(jié)合現(xiàn)有的塑料膜纏繞，紙盒保護等包裝技術，設計了適合于特殊商品的包裝裝置，實現(xiàn)對商品的快速纏繞包裝。

通過半機械化、標準化的方式提高商品包裝、封箱、出貨效率，便于在最快的時間內(nèi)完成貨物的訂單發(fā)貨流程處理，符合當今商家要求的快速、便捷特點，有效解決了部分商家包裝作業(yè)量大、人手少的問題。

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