顧文斌，張曉武，李 卓，李育鑫，王 怡

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

近些年，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益成熟的基礎(chǔ)上，電子商務(wù)行業(yè)愈發(fā)發(fā)展壯大，其網(wǎng)絡(luò)銷售規(guī)模逐年增長(zhǎng)，已成為人們生活中不可或缺的組成部分。在互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)中，商品的物流環(huán)節(jié)占據(jù)相當(dāng)重要的地位。網(wǎng)購商品的運(yùn)輸和流通離不開對(duì)商品的包裝，而其中又以紙箱包裝的應(yīng)用最為廣泛[1]。與此同時(shí)，由于互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)組成的特殊性，電子商務(wù)行業(yè)中的個(gè)人賣家占比達(dá)到65%[2]，其業(yè)務(wù)繁忙時(shí)，由于發(fā)貨時(shí)間長(zhǎng)，其人工包裝的勞動(dòng)強(qiáng)度偏大，容易出錯(cuò)，從而給商家和客戶帶來各種損失，這給一體化的小型紙箱自動(dòng)包裝行業(yè)帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇[3]。因此，在此背景下，設(shè)計(jì)一臺(tái)可以自動(dòng)封裝多種規(guī)格瓦楞板紙箱的自動(dòng)封裝機(jī)構(gòu)具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

在機(jī)械裝置的開發(fā)與應(yīng)用中，尤其是裝置處于早期產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者往往需要使用一些程式化的設(shè)計(jì)方法和自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具去表達(dá)自己的設(shè)計(jì)理念，其中公理化設(shè)計(jì)和矩陣設(shè)計(jì)方法是較為常見的方案設(shè)計(jì)分析方法和手段。Stone和Hirtz等[4-5]均針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)行深入研究，將產(chǎn)品功能集轉(zhuǎn)化為可量化的功能矩陣，進(jìn)而通過關(guān)聯(lián)運(yùn)算提取出有用的設(shè)計(jì)知識(shí)?？蹬c云等[6]在Stone等人的矩陣表達(dá)方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合蟻群優(yōu)化算法對(duì)機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化選擇，以便得到更符合要求的設(shè)計(jì)。此類設(shè)計(jì)方法為那些通過定量化、程式化分析來獲取更好方案的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程提供了一個(gè)良好的輔助分析手段。

而以瓦楞紙板為主要封裝材料的自動(dòng)封裝裝置，其核心技術(shù)為箱體的自動(dòng)折疊成型和自動(dòng)封裝技術(shù)[7]。劉天植等[8]運(yùn)用變胞機(jī)構(gòu)學(xué)的概念對(duì)紙盒的折疊軌跡及過程進(jìn)行了探討，生成了紙盒盒片的折疊運(yùn)動(dòng)軌跡，為復(fù)雜盒型自動(dòng)折疊機(jī)構(gòu)的研究提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。王斐等[9]對(duì)瓦楞紙箱力學(xué)性能進(jìn)行研究，討論抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式的修訂、抗壓強(qiáng)度影響因素及提高方法，為瓦楞紙箱生產(chǎn)企業(yè)和包裝設(shè)計(jì)者提供了必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。劉赫然等[10]在紙箱自動(dòng)包裝工作原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于機(jī)械式無動(dòng)力自動(dòng)紙箱封箱裝置。前人雖然已對(duì)瓦楞紙箱的自動(dòng)封裝做了大量研究，但是針對(duì)中小型紙箱，特別是針對(duì)電商行業(yè)的多規(guī)格的瓦楞紙板紙箱自動(dòng)封裝裝置研究還是略顯不足。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，基于Stone等提出的功能模型表述方法，結(jié)合復(fù)合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣，設(shè)計(jì)了一種面向中小型瓦楞板紙箱的自動(dòng)封裝裝置，可以實(shí)現(xiàn)不同尺寸的紙箱的全自動(dòng)包裝。

1 紙箱包裝基本工藝

紙箱采用常規(guī)瓦楞紙箱，紙箱的頂面、底面采用膠帶封口，未成形的紙箱呈扁平狀態(tài)，如圖1所示。文中所要求包裝的紙箱的尺寸為：長(zhǎng)100～450mm；寬100～250mm；高30～100mm。紙箱包裝機(jī)械指的是能夠進(jìn)行自動(dòng)化的開箱工作、紙箱的成形工作以及紙箱上下底葉片折彎工作，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)膠帶的粘貼從而完成紙箱密封工作的機(jī)械。本文所涉及的紙箱自動(dòng)包裝一體機(jī)的包裝過程：首先將包裝所用的未成形紙箱材料送入設(shè)備，然后擠壓成箱形、大小葉片依次折彎，最后利用膠帶將紙箱上下底面進(jìn)行封口。

圖1 紙箱包裝基本工藝

2 基于功能基的功能模型分析

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程描述主要由3部分組成：功能、行為和結(jié)構(gòu)。功能體現(xiàn)用戶需求與產(chǎn)品作用之間的關(guān)系，行為是描述產(chǎn)品作用與產(chǎn)品內(nèi)部組成之間的關(guān)系，結(jié)構(gòu)是產(chǎn)品組件之間的內(nèi)在關(guān)系，三者相互關(guān)聯(lián)、相互制約。機(jī)械裝置設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)造性主要體現(xiàn)在功能分解、機(jī)械結(jié)構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn)之間的匹配，以及基于功能分解的機(jī)構(gòu)重新組合。本文以自動(dòng)封裝裝置為設(shè)計(jì)對(duì)象，通過黑箱模型的方式進(jìn)行功能分析，基于功能基定義了功能-元件關(guān)聯(lián)矩陣(function - component matrix，F(xiàn)CM)，表達(dá)了裝置的機(jī)械功能與機(jī)械元件之間的關(guān)聯(lián)，最后為表達(dá)機(jī)械元件之間的物理關(guān)聯(lián)，定義了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣(design structure matrix，DSM)。

2.1 功能分解

功能的定義是物質(zhì)、能量、信息輸入、信息輸出之間的關(guān)系，因而功能可以用物質(zhì)、能量、信息流的轉(zhuǎn)換過程來描述。紙箱自動(dòng)封裝裝置的黑箱模型如圖2所示，紙箱自動(dòng)封裝機(jī)的輸入量為未經(jīng)折疊的瓦楞紙箱以及各種能量、信號(hào)等，輸出量為紙箱包裝成品以及反饋信號(hào)，因此該紙箱自動(dòng)封裝機(jī)的總功能為改變物料狀態(tài)。

圖2 自動(dòng)封裝裝置的黑箱模型

總功能抽象、復(fù)雜，明確清晰的設(shè)計(jì)路線還不能提出，因此要根據(jù)所設(shè)定的總功能以及紙箱自動(dòng)包裝工藝要求，采用自頂向下(top-down)的功能分析法把總功能分解為若干分功能，分解出的子系統(tǒng)包括物料輸送、擠壓成型、葉片折彎、膠帶封箱4個(gè)子系統(tǒng)，然后針對(duì)以上子系統(tǒng)逐級(jí)進(jìn)行功能再分解，直至分解出的分功能滿足功能元要求。

2.2 功能鏈

功能鏈?zhǔn)腔赟tone等提出的功能基設(shè)計(jì)語言上的描述產(chǎn)品某種流的元功能序列。在功能基描述的基礎(chǔ)上，Hirtz等再次針對(duì)產(chǎn)品功能分解進(jìn)行了功能和流的分類區(qū)別、比較以及融合統(tǒng)一。而元功能的概念就此提出，表示功能基描述的最基本的產(chǎn)品功能，同樣由相應(yīng)的功能和流組成。如圖3所示，不同的功能鏈可以通過相同的元功能聚合，進(jìn)而建立功能模型。這種基于功能基的表述模型可以清晰地表達(dá)出功能與流之間的關(guān)聯(lián)，便于設(shè)計(jì)人員從已有的機(jī)構(gòu)中找尋設(shè)計(jì)知識(shí)，追蹤產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的生成過程。

2.3 功能-元件關(guān)聯(lián)矩陣

紙箱自動(dòng)封裝裝置的總功能可以分解成圖2所示的功能樹，而其中的很多功能可以進(jìn)一步分解成不同的功能元，進(jìn)而根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)方式聚合成功能鏈，生成各種不同的設(shè)計(jì)方案。因此，功能的實(shí)現(xiàn)是需要通過具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)或元件來實(shí)現(xiàn)的，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系可以從已有的機(jī)構(gòu)知識(shí)中獲取，可以通過矩陣的形式來表達(dá)其相互關(guān)系，從而得到FCM。

圖3 功能鏈聚合

若元件集C1={c1,c2,c3}與功能集F1={f1,f2,f3}相對(duì)應(yīng)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系用(0,1)表述，即機(jī)械結(jié)構(gòu)或元件可以實(shí)現(xiàn)功能為“1”，不能實(shí)現(xiàn)功能則為“0”，其元件-功能關(guān)聯(lián)矩陣表示對(duì)于功能集F1而言，元件集C1中元件能實(shí)現(xiàn)其中元功能的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖4所示的FCM中f1所對(duì)應(yīng)的行向量(0,1,1)所表示的意思為：可實(shí)現(xiàn)元功能f1的元件有c2和c3。

圖4 功能集F1的FCM

2.4 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣是一種可以通過矩陣的方式表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部元件相互關(guān)系的描述方法。本文主要是利用其來對(duì)紙箱自動(dòng)封裝裝置中機(jī)構(gòu)之間的物理結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行表述，如元件集C1={c1,c2,c3}中，有連接關(guān)系的矩陣值為“1”，沒有連接關(guān)系的矩陣值為“0”，如圖5所示，元件c2分別與元件c1和c3相連接，而c1與c3不連接。

圖5 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣DSM

3 設(shè)計(jì)方案的選擇與確定

3.1 紙箱自動(dòng)封裝裝置的功能分析

針對(duì)瓦楞紙板的紙箱自動(dòng)封裝裝置主要分為4個(gè)子功能集：物料輸送、擠壓成型、葉片折彎和膠帶封箱。為了進(jìn)一步細(xì)化子系統(tǒng)元功能和可實(shí)現(xiàn)元功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)，本文利用已有產(chǎn)品中的知識(shí)，可以得出各功能元解，為得到系統(tǒng)的原理解，可以通過將功能元解交叉組合，系統(tǒng)原理解組合方案數(shù)N為：

由此可見，根據(jù)功能分析得到的可實(shí)施方案較多，逐一對(duì)各個(gè)方案評(píng)價(jià)難以實(shí)現(xiàn)，為了選出最優(yōu)方案，利用復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)矩陣，綜合考慮裝置所需功能與可實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)(元件)之間的關(guān)聯(lián)問題和機(jī)械結(jié)構(gòu)相互之間的物理兼容性問題，從而得到滿足設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)方案。

3.2 基于復(fù)合結(jié)構(gòu)矩陣的設(shè)計(jì)生成算法

步驟1 ，產(chǎn)品功能分析與建模。根據(jù)紙箱包裝工藝要求可知，成箱機(jī)構(gòu)和膠帶封箱兩個(gè)功能模塊直接影響成品的質(zhì)量，因此這兩大系統(tǒng)是紙箱自動(dòng)封裝裝置的核心，本文以成箱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案生成過程為例，介紹設(shè)計(jì)方案的產(chǎn)生過程。成箱機(jī)構(gòu)是通過擠壓成型的作用來實(shí)現(xiàn)平板紙箱的成型，此過程涉及到夾持物料、擠壓開箱、翻轉(zhuǎn)等3個(gè)動(dòng)作，其元功能分解及功能模型如圖6所示。

圖6 成箱機(jī)構(gòu)功能模型

步驟2 ，根據(jù)自動(dòng)封裝裝置的功能模型和已有知識(shí)，得到功能-元件矩陣，如圖7所示。在FCM中，元件與功能的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以是多樣的，其在矩陣中以元素“1”表示元件可實(shí)現(xiàn)該元功能，元素“0”表示對(duì)應(yīng)元件無法實(shí)現(xiàn)該元功能。

步驟3 ，根據(jù)功能模型和FCM中的信息，可以對(duì)設(shè)計(jì)方案的組合進(jìn)行初步計(jì)算。FCM中的某一個(gè)行向量進(jìn)行轉(zhuǎn)置后變成列向量，再與FCM中的另外一個(gè)行向量相乘，可以得到功能關(guān)聯(lián)矩陣，進(jìn)而得到可以實(shí)現(xiàn)紙箱自動(dòng)封裝的初步方案矩陣，計(jì)算過程如圖8所示。

圖7 功能-元件矩陣對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖8 計(jì)算過程演示

步驟4 ，根據(jù)FCM的計(jì)算結(jié)果可知，夾持紙箱是紙箱開箱的第一步，開箱時(shí)夾持爪翻轉(zhuǎn)90°，然后為紙箱側(cè)楞施加一定的壓力，夾持爪持續(xù)向前推進(jìn)，紙箱開箱完成后，夾持爪重復(fù)翻轉(zhuǎn)，調(diào)整紙箱至底面朝上。因此，基于機(jī)械結(jié)構(gòu)相互之間的物理兼容性關(guān)系，得出自動(dòng)封裝裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣，如圖9所示。

圖9 自動(dòng)封裝裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣

步驟5 ，利用DSM對(duì)上述中的初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行過濾篩選，選擇出既可以實(shí)現(xiàn)紙箱自動(dòng)封裝功能又可以滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)之間物理兼容性約束的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而選出可得最優(yōu)解的設(shè)計(jì)方案。

按圖6中成箱機(jī)構(gòu)功能模型和圖9中的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣可知，成箱系統(tǒng)可由固定機(jī)座、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾持爪、卡盤、伸縮桿幾部分組成，得出最優(yōu)解的組合如圖10所示。固定機(jī)座安裝在環(huán)形件上，由于紙箱整個(gè)封裝過程要根據(jù)動(dòng)作要求實(shí)時(shí)調(diào)整姿勢(shì)，因此旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與固定機(jī)座內(nèi)的軸承配合，并且在尾部設(shè)計(jì)了輪齒，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處的齒輪系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)夾持爪調(diào)整紙箱姿勢(shì)、更換紙箱方向。伸縮桿安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中心的孔內(nèi)，伸縮桿前后伸縮為紙箱施加壓力。伸縮桿頭部安裝卡盤，夾持爪底部突起附帶有的彈簧固定在卡盤的矩形槽內(nèi)，利用彈簧的彈性力可以實(shí)現(xiàn)對(duì)箱體的夾持。

圖10 成箱系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案

3.3 最優(yōu)方案的具體設(shè)計(jì)結(jié)果

因此，依據(jù)上述方法本文對(duì)紙箱封裝裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以得出整個(gè)裝置機(jī)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)解，其最終紙箱自動(dòng)封裝裝置的設(shè)計(jì)方案如圖11所示。未開箱的瓦楞紙箱經(jīng)人工檢查后放置到進(jìn)料機(jī)構(gòu)處，皮帶將其運(yùn)送到升降臺(tái)處，電動(dòng)推桿通電升降臺(tái)上升，物料輸送到成箱區(qū)，夾持爪將紙箱拾起并在紙箱側(cè)楞施加壓力從而完成紙箱開箱。然后紙箱被運(yùn)送到折彎區(qū)，不完全齒輪上的壓板順次下壓使得紙箱大小葉片依次折彎。升降臺(tái)繼續(xù)上升，物料被輸送至膠封區(qū)完成紙箱一面的封口，此后升降臺(tái)下降，在成箱區(qū)夾持爪轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整紙箱姿勢(shì)，使紙箱180°翻轉(zhuǎn)，最后升降臺(tái)再次將物料送至折彎區(qū)、膠封區(qū)完成另一面葉片折彎及封口。

4 結(jié)束語

圖11 紙箱自動(dòng)封裝裝置設(shè)計(jì)方案

本文針對(duì)目前大部分電子商務(wù)行業(yè)物流環(huán)節(jié)采用人工完成紙箱包裝過程導(dǎo)致的效率低、成本高等問題，利用基于復(fù)合設(shè)計(jì)矩陣的機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一臺(tái)紙箱自動(dòng)封裝裝置。該自動(dòng)封裝裝置采用立式結(jié)構(gòu)，占地面積小，且可通過調(diào)節(jié)來完成多個(gè)尺寸系列紙箱的自動(dòng)封裝，可行性、創(chuàng)新性均較好。本設(shè)備應(yīng)用于瓦楞紙箱的封裝過程，提高了紙箱封裝的機(jī)械化、自動(dòng)化水平，在一定程度上填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域自動(dòng)化的空白，尤其在電子商務(wù)行業(yè)，減輕了人力成本，創(chuàng)造大量的剩余價(jià)值，具有廣闊的應(yīng)用前景。