一種快遞紙箱自動(dòng)包裝機(jī)的設(shè)計(jì)

文/李永明 于海瑞，煙臺(tái)南山學(xué)院；松下電氣（蘇州）

1 設(shè)計(jì)背景及意義

隨著電商的快速發(fā)展，很多商家每天的發(fā)貨量達(dá)到了幾千件甚至上萬(wàn)件，而在快遞紙箱的包裝過(guò)程中，大部分還是由手工進(jìn)行，浪費(fèi)了大量的人力物力。以2015年的快遞業(yè)務(wù)量推算，初步預(yù)計(jì)去年中國(guó)消耗了包裝箱99億個(gè)、膠帶169.5億米、避免撞擊的緩沖物2 9.7億個(gè)。

本設(shè)計(jì)方案發(fā)現(xiàn)了電商環(huán)節(jié)中的包裝難點(diǎn)，替代人工，解放雙手，并且人工包裝紙箱時(shí)膠帶纏繞位置不固定，不美觀，該產(chǎn)品避免了這些缺點(diǎn)，性能穩(wěn)定，更精確、美觀、環(huán)保等特點(diǎn)，并且該產(chǎn)品還自動(dòng)粘貼快遞單，掃描并儲(chǔ)存快遞單信息。給快遞的取件工作節(jié)省了時(shí)間。

并且，人工包裝紙箱和膠帶沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，容易造成膠帶的浪費(fèi)，一家賣母嬰產(chǎn)品的網(wǎng)店為了獲得買家“包裝嚴(yán)密”的好評(píng)，每個(gè)月使用近2萬(wàn)米的膠帶包裝，造成了巨大的浪費(fèi)和環(huán)境污染。理應(yīng)避免過(guò)度包裝，并建立標(biāo)準(zhǔn)化的快遞包裝。

2 紙盒包裝機(jī)的設(shè)計(jì)方案

本產(chǎn)品采用模塊化組裝的設(shè)計(jì)方式，將紙盒包裝的過(guò)程一一分解成固定的工作流程，具體量化，然后流程一一分配給各自的模塊，過(guò)程清晰，流程簡(jiǎn)單。先壓緊紙盒，之后經(jīng)過(guò)傳送帶到達(dá)指定位置，后由機(jī)械手抓取放置在旋轉(zhuǎn)盤上，固定預(yù)緊，膠帶纏繞機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，開始給紙箱纏繞膠帶。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 紙箱壓緊裝置

快遞的包裝一般有塑料袋和紙箱2種，但是隨著快遞服務(wù)業(yè)的快速發(fā)展，由于塑料袋易磨損，易變形，不耐擠壓，易污染環(huán)境等缺點(diǎn)，漸漸被紙箱取代?？爝f紙箱包裝的第一步，就是將不同材質(zhì)的各種物體放入紙箱后，將紙箱蓋壓緊。本產(chǎn)品的紙箱蓋壓緊裝置如下圖所示：

圖1 紙箱壓緊機(jī)

目的：將產(chǎn)品裝入正在通過(guò)輸送機(jī)傳送的紙箱內(nèi)之前，壓緊蓋板。

動(dòng)作：紙箱到達(dá)產(chǎn)品裝箱位置后，壓板向下轉(zhuǎn)動(dòng)，壓緊蓋板通過(guò)機(jī)器人將產(chǎn)品放入紙箱內(nèi)部后，使壓板復(fù)位，并將裝入產(chǎn)品的紙箱傳送到區(qū)域外，用于工廠內(nèi)傳送產(chǎn)品裝箱的場(chǎng)合。

規(guī)格：W355×D200×H300

壓板旋轉(zhuǎn)角度：90°

外形尺寸：W788×D443×H592

定位精度：±3mm

選擇擺角為90°的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)

3.2 不同規(guī)格紙箱固定夾緊裝置

為了確保設(shè)計(jì)在實(shí)際生活中的適用的廣泛性，設(shè)計(jì)需要滿足不同規(guī)格尺寸紙箱的包裝，所以需要制作出一個(gè)滿足這樣條件的——不同規(guī)格紙箱固定夾緊裝置。

圖2 不同規(guī)格紙箱固定夾緊裝置

設(shè)計(jì)參數(shù)：

設(shè)計(jì)目的：固定不同規(guī)格工件的夾具，可根據(jù)工件規(guī)格變更肘夾的位置，使用蝶形螺栓，以便使肘夾輕松在腰形孔中滑動(dòng)的機(jī)構(gòu)，基于把手動(dòng)作的手動(dòng)機(jī)構(gòu)。

工作對(duì)象：樹脂箱體

小工件外形：W100×D50×H10大工件外形：W100×D200×H 100腰形孔行程：300mm

外形尺寸：W500×D250×H108

3.3 智能紙箱抓取系統(tǒng)

在壓緊裝置對(duì)紙箱操作后，紙箱按照預(yù)定流程進(jìn)入流水線，流水線載著紙箱到達(dá)指定位置停止，等待抓取系統(tǒng)的操作。抓取裝置由一塊STM32單片機(jī)和6個(gè)步進(jìn)電機(jī)，一個(gè)可伸縮的機(jī)械手構(gòu)成。

抓取過(guò)程：在紙箱傳送到指定位置，機(jī)械手開始抓取紙箱，抓取紙箱后，將紙箱由機(jī)械手運(yùn)輸至靜止的轉(zhuǎn)臺(tái)中放下，抓取系統(tǒng)即完成任務(wù)。

3.4 馬達(dá)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)

馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)是放置機(jī)械手運(yùn)輸?shù)募埾?，并與膠帶進(jìn)給裝置配合，為紙箱纏繞膠帶封箱。

圖3 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)

3.5 膠帶進(jìn)給機(jī)構(gòu)

圖4 膠帶進(jìn)給結(jié)構(gòu)圖

目的：利用滾輪送出膠帶、薄片狀工件。

形狀：薄膜、板

規(guī)格：W20×t0.1mm

外觀尺寸：W209×D110×H168mm

進(jìn)給速度：300mm/s

張力：4N

夾緊壓力：10N

由于以張力：4N：夾緊壓力：10N、速度：300mm/s進(jìn)行送出，因此選擇50W的馬達(dá)

設(shè)計(jì)要點(diǎn)及計(jì)算過(guò)程：

計(jì)算軸換算負(fù)載慣量條件值：進(jìn)給導(dǎo)向軸的慣量 JO=0.028kg·cm2、聯(lián)軸器的慣量 JC=0.028kg·cm2、進(jìn)給滾輪的慣量 JR=0.170k g·cm2

軸換算負(fù)載慣量JL，JL=JC+JO+2×JR，JL=0.028+0.028+2×0.170 =0.396kg·cm2

慣量比m，m=JL/JM，m=0.396/0.045 =8.8＜17倍（馬達(dá)規(guī)格推薦值）

計(jì)算加速時(shí)的扭矩

條件值：驅(qū)動(dòng)部效率 η=0.800 、馬達(dá)轉(zhuǎn)速 N0=190.985r/min、加速時(shí)間 Tsa=0.500s、馬達(dá)軸換算負(fù)載扭矩 TL=0.097N·m

上升加速時(shí)的扭矩TMa，TMa=（（（（JL/η）+JM）×N0）/（9.55×104×Tsa））+TL，TMa=（（（（0.396/0.800）+0.045）×190.985）/（9.55×104×0.5））+0.097 =0.099N·m

最大扭矩出現(xiàn)在加速時(shí)，根據(jù)額定扭矩Ttyp=0.160N·m，峰值負(fù)載率Rp，

Rp=（TMa/Ttyp）×100，Rp=（0.099/0.16）×100=61.875%

通過(guò)計(jì)算各動(dòng)作模式時(shí)的扭矩來(lái)計(jì)算有效負(fù)載扭矩，

0.0 96 N·m＜0.16N·m（額定扭矩）

進(jìn)給滾輪實(shí)施滾花加工，壓緊滾輪使用聚氨酯橡膠，提高了摩擦系數(shù)?？赏ㄟ^(guò)變更彈簧來(lái)調(diào)整夾緊壓力。

4 產(chǎn)品總裝與調(diào)試

工作流程如下：

首先在傳送帶將紙箱送入紙箱壓緊裝置后進(jìn)行壓緊蓋蓋，完成初步的包裝，然后紙箱抓取裝置將紙箱抓取到自動(dòng)夾緊裝置，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)自動(dòng)夾緊的紙箱旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手協(xié)助膠帶進(jìn)行初步的粘貼，紙箱旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)膠帶纏繞，纏繞完畢后智能貼標(biāo)簽系統(tǒng)進(jìn)行貼標(biāo)簽動(dòng)作，完成包裝，并且可以進(jìn)行二維碼的掃描。

5 產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

將紙箱包裝與貼二維碼結(jié)合在一起，使得工作流程統(tǒng)一，工作效率大為提高，自動(dòng)化集成度高，可利用范圍廣，不同尺寸和規(guī)格的紙箱都可以進(jìn)行包裝與運(yùn)輸，極大的節(jié)省了快遞紙箱包裝中的人力成本與時(shí)間成本。并且，使用標(biāo)準(zhǔn)化膠帶包裝，減少了膠帶的浪費(fèi)，減少了對(duì)環(huán)境了污染。通過(guò)掃描二維碼連接互聯(lián)網(wǎng)后，可以進(jìn)行紙箱的分揀，以及物流的查詢。使包裝的紙箱在牢固嚴(yán)密的同時(shí)，具備了初步的互聯(lián)網(wǎng)＋的能力。