胡明偉+劉洋+陳曉琳

摘 要 針對(duì)目前禮品盒尺寸范圍廣、包裝工作量大、人工包裝效率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種剛度梯度觸發(fā)式自適應(yīng)禮品盒包裝機(jī)，利用多級(jí)剛度梯度觸發(fā)，結(jié)合力學(xué)和機(jī)構(gòu)學(xué)，使該包裝機(jī)滿足不同尺寸禮品盒的順序包裝要求。

【關(guān)鍵詞】剛度梯度 自適應(yīng) 包裝機(jī)構(gòu)

網(wǎng)購(gòu)已成為一種快捷方便的購(gòu)物方式，相比傳統(tǒng)購(gòu)物，網(wǎng)購(gòu)有著節(jié)省時(shí)間、選擇多樣以及價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合送禮品這種交際方式的普遍性特點(diǎn)，網(wǎng)購(gòu)禮品成為一種便捷又時(shí)尚的在線送禮方式。目前網(wǎng)購(gòu)禮品銷(xiāo)量劇增，禮品盒包裝隨之急劇增加。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，平均每個(gè)禮品盒包裝包裝紙所需要的時(shí)間為10分鐘，目前市面上沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)禮品外包裝的機(jī)器，禮品店全部采用人工包裝，禮品種類(lèi)禮品盒尺寸的多樣影響了包裝效率。

針對(duì)以上問(wèn)題，本作品設(shè)計(jì)了一款剛度梯度觸發(fā)式自適應(yīng)禮品盒包裝機(jī)器人，利用多級(jí)剛度梯度觸發(fā)，使該產(chǎn)品適用于不同尺寸禮品盒的順序包裝，以滿足不同禮品盒包裝的個(gè)性化需求。

1 包裝方案的選擇

1.1 周向包裝機(jī)構(gòu)的選擇

周向包裝機(jī)構(gòu)主要完成禮品盒周向的紙包裝以及包裝后的夾緊、固定紙，該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選用雙滑塊四桿包裝機(jī)構(gòu)方案。

1.2 端向側(cè)板包裝機(jī)構(gòu)的選擇

端向側(cè)板包裝機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)禮品盒端向側(cè)板的折紙包裝，該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選用雙滑塊四桿翻折機(jī)構(gòu)方案。

2 作品整體介紹

該禮品盒包裝機(jī)分為三大模塊：寬度包裝模塊，周向包裝模塊和端向包裝模塊。將剛度分級(jí)觸發(fā)和三個(gè)模塊相結(jié)合，通過(guò)一柄簡(jiǎn)單操作，驅(qū)動(dòng)多級(jí)剛度梯度完成順序包裝動(dòng)作，即可自適應(yīng)包裝不同長(zhǎng)、寬、高尺寸的禮品盒。

3 作品原理介紹

3.1 寬度包裝模塊

主要由對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)及對(duì)稱(chēng)聯(lián)動(dòng)滑臺(tái)機(jī)構(gòu)、可伸縮式折板組成。

3.1.1 對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu).

對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)主要的功能為整體包裝機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)滑塊桿的對(duì)稱(chēng)伸縮。

曲柄板通過(guò)滾子軸承固定底座上，曲柄圓板上有兩個(gè)大徑為d1=6mm、小徑d2=5mm的錐形孔，通過(guò)螺桿墊片將連桿鉸接在曲柄板上。在滑塊桿端頭上加工一個(gè)直桿，與連桿連接，可作為以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連接的兩個(gè)桿件。

3.1.2 可伸縮式折板設(shè)計(jì)

可伸縮式對(duì)稱(chēng)折板機(jī)構(gòu)可適應(yīng)不同長(zhǎng)、寬、高的禮品盒，將包裝紙精準(zhǔn)折合其上。設(shè)計(jì)為仿手型的凹凸折板，一對(duì)折板可交叉伸縮，實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的尺寸適應(yīng)。不同平面的連接設(shè)計(jì)為合頁(yè)鉸接，連接件采用普通螺栓，為避免螺栓頭對(duì)平面度的破壞采用了沉頭孔的設(shè)計(jì)。底面和周面折板設(shè)計(jì)為間隙凹凸交叉折板。

為保證包裝紙不干涉到折板的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)的折板為非對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，側(cè)板、底板為間隙凹凸交叉折板。端向折板可跟隨側(cè)板、底板運(yùn)動(dòng)。

3.2 周向包裝模塊

周向包裝模塊由雙滑塊四桿周向包裝機(jī)構(gòu)組成。

雙滑塊四桿周向包裝機(jī)構(gòu)：周向包裝采用的雙滑塊四桿周向包裝機(jī)構(gòu)，主要由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)導(dǎo)桿的側(cè)移、滑塊的上移和曲柄滑塊中側(cè)板的上下運(yùn)動(dòng)、周向折板旋轉(zhuǎn)翻折，實(shí)現(xiàn)周向包裝。

為保證周向包裝的順序動(dòng)作，設(shè)計(jì)二級(jí)剛度梯度，對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)導(dǎo)桿左移，即直線滑塊發(fā)生左移，此時(shí)觸發(fā)一級(jí)剛度，確保折板整體向中間運(yùn)動(dòng)，在側(cè)板與禮品盒接觸后，繼續(xù)施加力，周向桿和周向折板整體產(chǎn)生彎矩，直線滑塊沿導(dǎo)桿上移，側(cè)板和周向折板運(yùn)動(dòng)到豎直狀態(tài)。

當(dāng)周向折板達(dá)到豎直狀態(tài)，禮品盒的寬度方向包裝完畢。繼續(xù)驅(qū)動(dòng)直線滑塊左移，與二級(jí)剛度桿相連的周向桿受力，此時(shí)，觸發(fā)二級(jí)剛度梯度，周向折板和側(cè)板在禮品盒外廓的限制下沿禮品盒高度整體上伸，直至鉸接處到達(dá)禮品盒的下沿，二級(jí)剛度釋放，周向折板900翻折，達(dá)到水平狀態(tài)完成頂面的包裝。

3.3 端向包裝模塊

端向包裝模塊由雙滑塊四桿端向包裝機(jī)構(gòu)及舵機(jī)翻折機(jī)構(gòu)組成。

3.3.1 雙滑塊四桿端向包裝機(jī)構(gòu)

端向包裝機(jī)構(gòu)仍為前后對(duì)稱(chēng)式設(shè)計(jì)，主要由曲柄滑塊和轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)組成的雙滑塊四桿包裝機(jī)構(gòu)，通過(guò)導(dǎo)桿的側(cè)移、滑塊的上移和曲柄滑塊中側(cè)板的左右運(yùn)動(dòng)、端向折板旋轉(zhuǎn)翻折，適應(yīng)禮品盒的長(zhǎng)度尺寸，實(shí)現(xiàn)端向包裝。

三級(jí)剛度桿設(shè)置在曲柄滑塊的搖桿位置，當(dāng)驅(qū)動(dòng)對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)后，導(dǎo)桿滑塊受彎矩上移，端向折板和側(cè)板保持豎直；繼續(xù)施加受力，導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)整體向中間運(yùn)動(dòng)一定程度，觸發(fā)三級(jí)剛度梯度，三級(jí)剛度桿推動(dòng)端向折板和側(cè)板向兩側(cè)移動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)一段距離，當(dāng)端向折板鉸接點(diǎn)到達(dá)禮品盒的邊沿，三級(jí)剛度桿施加推力，完成折板的翻折。

3.3.2 舵機(jī)翻折機(jī)構(gòu)

為了保證端向包裝的順利，穩(wěn)定運(yùn)行，我們使用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，單片機(jī)控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連桿，連桿拉動(dòng)（推動(dòng)）折板，實(shí)現(xiàn)折板抬起與下壓，完成包裝過(guò)程。

控制部分采用51單片機(jī)、舵機(jī)及光電接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)折板的順序控制。接近開(kāi)關(guān)安裝在左右折板上，當(dāng)左右折板折好時(shí)，折板將緊貼包裝禮品盒，接近開(kāi)關(guān)傳送信號(hào)給單片機(jī)，之后單片機(jī)控制舵機(jī)順序翻折。

4 強(qiáng)度校核

禮品盒的抗壓強(qiáng)度校核：

為防止包裝過(guò)程中禮品盒被壓變形損壞，對(duì)禮品盒進(jìn)行抗壓強(qiáng)度校核。美國(guó)的凱里卡特根據(jù)瓦楞紙箱的邊壓強(qiáng)度和周長(zhǎng)提出了計(jì)算紙箱抗壓強(qiáng)度的公式：

BCT=ECT×（4aXz/Z）2/3×Z×J

根據(jù)我們作品可包裝禮品盒的范圍，取其最小尺寸，校核其抗壓強(qiáng)度。紙箱外尺寸為200×150×100mm；毛重G=0.8Kg；經(jīng)多次使用修正確定安全系數(shù)為K=6.5；堆碼層數(shù)為N=300/74.3=4（堆碼限高為3米， 堆碼層數(shù)取整數(shù)）；瓦楞常數(shù)aXz=13.36紙箱常數(shù)J=0.54，計(jì)算得禮品盒的邊壓強(qiáng)度314N/m，校核此過(guò)程中的邊壓強(qiáng)度為187（N/m）< ECT=314（N/m），因此整個(gè)包裝過(guò)程中禮品盒的邊壓強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié)論

完成了剛度梯度觸發(fā)式自適應(yīng)禮盒包裝機(jī)器人的方案選擇、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)物制作和強(qiáng)度校核工作，利用多級(jí)剛度梯度觸發(fā)，使該包裝機(jī)適用于不同尺寸禮品盒的順序包裝，可滿足不同禮品盒包裝的個(gè)性化需求。

參考文獻(xiàn)

[1]彭文生等主編.機(jī)械設(shè)計(jì)（第2版）[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，2000.

[2]唐金松主編.簡(jiǎn)明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1992.

[3]楊黎明主編.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，1987.

[4]劉鴻文.材料力學(xué)I（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2004.

作者簡(jiǎn)介

胡明偉（1995-），男，湖北省人。大學(xué)本科學(xué)歷。武漢理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)。

作者單位

武漢理工大學(xué) 湖北省武漢市 430070