(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210037)

目前國內(nèi)板式家具智能制造發(fā)展迅速，但大部分板式家具制造企業(yè)的包裝生產(chǎn)線依然較為落后[1]，在板式家具生產(chǎn)過程中包裝環(huán)節(jié)的自動(dòng)化程度低、人工成本高、生產(chǎn)效率低。為了減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，加快技術(shù)革新，采用先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備及工藝，設(shè)計(jì)研發(fā)符合我國板式家具行業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需要的高速全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線變得尤為迫切。

板式家具在出廠前不進(jìn)行組裝，用戶購買后由銷售公司或制造企業(yè)負(fù)責(zé)上門現(xiàn)場安裝，家具制造廠在家具出廠前將板件和五金配件進(jìn)行分包包裝以便于運(yùn)輸[2-4]。當(dāng)前板式家具企業(yè)的包裝生產(chǎn)線存在用工人數(shù)多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、成本高等問題，而且還容易出現(xiàn)零配件放錯(cuò)位置或數(shù)量缺漏等問題。包裝工序已成為整個(gè)板式家具生產(chǎn)中的一道瓶頸，嚴(yán)重影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益[5-6]。

1 板式家具包裝需求分析

根據(jù)板式家具的結(jié)構(gòu)特征及包裝運(yùn)輸要求，包裝環(huán)節(jié)的主要工序包括折紙箱、放板件和五金件、紙箱封箱、碼垛堆箱以及整托纏繞等。板式家具包裝生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 板式家具包裝生產(chǎn)工藝流程

板式家具包裝要求示意圖如圖2所示。首先將展開的紙板按照設(shè)計(jì)好的壓痕折疊成規(guī)定規(guī)格的紙箱，隨后根據(jù)產(chǎn)品說明書將加工好的板件、五金件以及防護(hù)泡沫盒和組裝說明按照指定位置在紙箱內(nèi)碼放整齊。放置完畢的紙箱通過盒蓋閉合裝置進(jìn)入封箱設(shè)備，面向紙箱前進(jìn)的方向，依次對(duì)紙箱的右側(cè)面、前端面、后端面的盒蓋完成封箱操作。完成封箱后的密封紙箱應(yīng)在側(cè)面粘貼箱號(hào)標(biāo)簽、產(chǎn)品信息標(biāo)簽以及產(chǎn)品顏色標(biāo)簽，其中產(chǎn)品信息標(biāo)簽應(yīng)包含產(chǎn)品名稱、批號(hào)、生產(chǎn)企業(yè)等信息。貼好標(biāo)簽的紙箱按照指定的順序堆放碼垛成包，每垛家具包裝箱應(yīng)配有底部托盤和頂部紙蓋，并附上防滑襯片和四周的防護(hù)角條。碼垛完成后，整托紙箱送入纏繞設(shè)備進(jìn)行縱向(垂直面內(nèi))和橫向(水平面內(nèi))的薄膜纏繞，以防止運(yùn)輸過程中堆垛散開或受潮。完成整個(gè)包裝環(huán)節(jié)后，堆垛通過輸送設(shè)備送入倉庫。

圖2 板式家具包裝要求示意圖

2 板式家具自動(dòng)化包裝線總體設(shè)計(jì)

產(chǎn)線布局是指在生產(chǎn)線工藝流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況按照一定的布局原則對(duì)生產(chǎn)線中的設(shè)備進(jìn)行安置與排序，從而達(dá)到節(jié)省資源提高生產(chǎn)效率的目的。結(jié)合車間可用空間和各個(gè)包裝加工設(shè)備的占地面積優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出“U”型產(chǎn)線布局方案[7]。

“U” 型產(chǎn)線布局方案的優(yōu)勢主要是將兩臺(tái)碼垛機(jī)械臂設(shè)備布置在生產(chǎn)線轉(zhuǎn)角位置，這樣既節(jié)省了空間，避免了排布管線過多，同時(shí)還大大縮短了機(jī)械臂在旋轉(zhuǎn)過程中的工作路程，進(jìn)一步提高了工作效率[8-11]。采用“U”型產(chǎn)線布局方案后，人工放置護(hù)角和上蓋工位處的工人可以在碼垛間隙及時(shí)檢查處理膠合有缺陷的紙箱，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化產(chǎn)線效率。所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線主要由封箱模塊、碼垛模塊以及堆垛打包模塊等部分組成。包裝車間自動(dòng)化包裝設(shè)備產(chǎn)線布局如圖3所示。

圖3 包裝車間自動(dòng)化包裝設(shè)備產(chǎn)線布局

3 板式家具自動(dòng)化包裝線關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)

上述板式家具自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線中，碼垛機(jī)械臂在國內(nèi)外已有成熟技術(shù)，對(duì)于該設(shè)備僅進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，其他設(shè)備進(jìn)行自主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 紙箱封箱設(shè)備

設(shè)計(jì)的全自動(dòng)熱熔膠封箱設(shè)備主要由推板裝置、壓板裝置、被動(dòng)夾手裝置、傳送輥筒、前段電機(jī)、入口處光電傳感器、主動(dòng)夾手裝置、長度方向夾手裝置、出口處光電傳感器、后段電機(jī)、橫梁、縱梁以及噴膠系統(tǒng)等部件組成，封箱設(shè)備主體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 封箱設(shè)備主體結(jié)構(gòu)示意圖1.縱梁；2.推板裝置；3.壓板裝置；4.寬度方向被動(dòng)夾手裝置；5.傳送輥筒；6.前段電機(jī)；7.入口處光電傳感器；8.移動(dòng)夾手裝置；9.長度方向夾手裝置；10.出口處光電傳感器；11.后段電機(jī)；12.橫梁

紙箱放置在封箱機(jī)前端的進(jìn)給輥筒上后，啟動(dòng)前段電機(jī)。前段電機(jī)帶動(dòng)紙箱向中段前進(jìn)，紙箱進(jìn)入封箱機(jī)時(shí)安裝在擋板進(jìn)口位置處的感應(yīng)器檢測到有紙箱通過，橫梁上的噴槍開始噴膠。待箱體完全進(jìn)入中段范圍內(nèi)，移動(dòng)夾手裝置動(dòng)作，將箱件推至被動(dòng)夾手裝置所在位置，從而固定住紙箱完成定位。定位完成后，橫梁上和寬度方向上的壓板裝置將壓緊箱體頂部和箱體右側(cè)(面向紙箱前移方向)，膠槍移動(dòng)噴膠。噴膠結(jié)束后，中段電機(jī)帶動(dòng)紙箱繼續(xù)前進(jìn)進(jìn)入后段區(qū)域。當(dāng)紙箱末端前進(jìn)到封箱機(jī)后端設(shè)置的光電感應(yīng)裝置并前進(jìn)一小段距離后，后段電機(jī)帶動(dòng)紙箱回退到后段噴膠定位點(diǎn)，按照封箱機(jī)中段噴膠壓緊的方式完成紙箱的末端封箱，這樣做的目的是為了避免紙箱在高速前進(jìn)中行程定位不準(zhǔn)現(xiàn)象出現(xiàn)。封箱加工完成后的紙箱離開封箱機(jī)，通過傳送輥筒進(jìn)入下一個(gè)工序進(jìn)行加工。

3.1.1 紙箱定位系統(tǒng)

自動(dòng)封箱設(shè)備的紙箱定位系統(tǒng)如圖5所示，主要由傳感器和夾手裝置兩部分組成。

圖5 紙箱定位系統(tǒng)1.入口處光電傳感器發(fā)射裝置；2.移動(dòng)夾手裝置；3.移動(dòng)夾手裝置移動(dòng)氣缸；4.移動(dòng)夾手裝置移動(dòng)導(dǎo)軌；5.長度方向被動(dòng)夾手裝置；6.出口處光電傳感器發(fā)射裝置；7.出口處光電傳感器接收裝置；8.長度方向被動(dòng)夾手升降氣缸；9.長度方向被動(dòng)夾手支架；10.寬度方向被動(dòng)夾手裝置；11.移動(dòng)夾手裝置升降氣缸；12.寬度方向被動(dòng)夾手升降氣缸；13.入口處光電傳感器接收裝置

封箱機(jī)入口處和出口處的傳感器為光電傳感器。封箱機(jī)中部傳感器用于感應(yīng)紙箱的寬度，若采用光電傳感器，由于需要隨著噴膠口在滑動(dòng)導(dǎo)軌上移動(dòng)，則無法安裝光電接收裝置，故采用激光傳感器。本定位系統(tǒng)所使用的夾手裝置分為被動(dòng)夾手裝置和移動(dòng)夾手裝置，其中被動(dòng)夾手裝置又分為長度方向和寬度方向，而移動(dòng)夾手裝置則只在寬度方向上配置。

定位系統(tǒng)的被動(dòng)夾手裝置在水平方向上始終保持不動(dòng)，在高度方向上則根據(jù)紙箱的進(jìn)出情況由氣缸控制上下移動(dòng)。主動(dòng)夾手裝置除了要在高度方向上根據(jù)紙箱的進(jìn)出情況由氣缸控制上下移動(dòng)外，還要根據(jù)紙箱的寬度與被動(dòng)夾手裝置相配合進(jìn)行水平方向上的移動(dòng)，從而對(duì)紙箱進(jìn)行定位。

當(dāng)紙箱進(jìn)入封箱設(shè)備后位于封箱機(jī)入口處的光電傳感器檢測到紙箱前部進(jìn)入，移動(dòng)夾手裝置和被動(dòng)夾手裝置在氣缸的推動(dòng)下上升，使夾手超過傳送輥筒，從而推動(dòng)并固定住運(yùn)動(dòng)中的紙箱。當(dāng)氣缸推動(dòng)夾手超過傳送輥筒并上升到位后，用于控制移動(dòng)夾手沿軌道左右移動(dòng)的氣缸工作，推動(dòng)移動(dòng)夾手向被動(dòng)夾手的方向移動(dòng)，從而在寬度方向上固定住紙箱。

紙箱進(jìn)入輥筒后，位于封箱機(jī)入口處的光電傳感器檢測到紙箱前部，位于封箱機(jī)長度方向上左側(cè)的夾手裝置在氣缸的推動(dòng)下上升，使夾手超過傳送輥筒，從而擋住前進(jìn)中的紙箱，以完成紙箱在長度方向上的定位。

由于體育旅游專業(yè)的復(fù)合屬性，現(xiàn)有基礎(chǔ)師資構(gòu)成主要是以體育專業(yè)出身和旅游專業(yè)出身的師資為主。體育院校類和綜合高校的體育院系開設(shè)體育旅游方向的專業(yè)，師資力量的構(gòu)成主要是體育學(xué)教師，旅游院系則主要是旅游管理類教師，缺乏復(fù)合型的師資體系和教學(xué)隊(duì)伍。進(jìn)一步完善教學(xué)師資力量結(jié)構(gòu)體系是體育旅游專業(yè)人才培養(yǎng)首先需要解決的問題。應(yīng)加強(qiáng)體育旅游專業(yè)人才師資隊(duì)伍的建設(shè)，建立專門的培養(yǎng)機(jī)構(gòu)或者在相關(guān)高等院校開設(shè)長短期的進(jìn)修班，培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型的師資隊(duì)伍。

在長度方向和寬度方向夾手裝置的協(xié)同作用下，紙箱定位完成，此時(shí)傳動(dòng)輥筒停止轉(zhuǎn)動(dòng)，紙箱靜止在封箱機(jī)內(nèi)。

傳送輥筒完全停止后，長度方向和寬度方向上的被動(dòng)夾手裝置在氣缸的帶動(dòng)下退回到初始位置，寬度方向上的移動(dòng)夾手裝置同樣在氣缸的帶動(dòng)下退回到初始位置。

完成紙箱右側(cè)面和前端面的封箱操作后，封箱機(jī)前段的輸送輥筒同步啟動(dòng)將紙箱繼續(xù)向前輸送。封箱設(shè)備出口處裝有光電傳感器，紙箱最前端觸發(fā)該光電傳感器，封箱設(shè)備后段的輸送輥筒啟動(dòng)。紙箱繼續(xù)前進(jìn)直至完全通過該光電傳感器，此時(shí)封箱機(jī)長度方向上右側(cè)的夾手裝置在氣缸的推動(dòng)下上升超過輥筒。隨后后段電機(jī)反轉(zhuǎn)，后段傳送輥筒將紙箱退回。紙箱后退到位后，后端電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，紙箱停留在后端面封箱的位置上。此時(shí)，封箱機(jī)長度方向上右側(cè)的夾手裝置和左側(cè)夾手裝置一樣，在氣缸的帶動(dòng)下退回到初始位置。

3.1.2 膠合壓緊系統(tǒng)

為了使熱熔膠充分發(fā)揮膠合效果，同時(shí)防止在封箱壓緊過程中紙箱位置發(fā)生偏移，本膠合系統(tǒng)主要由推板裝置和壓板裝置兩部分組成。

紙箱進(jìn)入封箱設(shè)備，并經(jīng)過輥筒輸送裝置輸送到位和紙箱定位裝置完成定位后，封箱機(jī)的膠合壓緊系統(tǒng)初始狀態(tài)如圖6所示。

圖6 封箱機(jī)膠合壓緊系統(tǒng)初始狀態(tài)

圖7 封箱機(jī)膠合壓緊系統(tǒng)工作狀態(tài)

完成紙箱右側(cè)面和前端面的封箱操作后，封箱機(jī)前段的輸送輥筒同步啟動(dòng)將紙箱繼續(xù)向前輸送。封箱設(shè)備出口處裝有光電傳感器，紙箱最前段觸發(fā)該光電傳感器，封箱設(shè)備后段的輸送輥筒啟動(dòng)。紙箱繼續(xù)前進(jìn)直至完全通過該光電傳感器，后段電機(jī)反轉(zhuǎn)，后段傳送輥筒使紙箱后退。紙箱后退到位后，后端電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，紙箱停留在后端面封箱位置上。

噴膠完成后，紙箱封箱設(shè)備的膠合壓緊裝置開始進(jìn)行后端面的膠合壓緊工作，其工作流程和右側(cè)面及前端面的工作流程大致相同，都是在膠合壓緊的初始階段，壓板裝置沿軌道垂直下壓，將紙箱上部壓緊。當(dāng)壓板裝置下降到位后，推板裝置立即工作，沿軌道以一定的傾角將紙箱的后端面壓向紙箱涂膠部位，并維持約1 s的時(shí)間，使紙箱后端面與紙箱邊板通過熱熔膠充分膠合。膠合完成后，推板裝置退回至初始位置。推板裝置離開紙箱后，壓板裝置也上升至初始位置，紙箱后端面封箱加工完成。

3.2 堆垛打包設(shè)備

產(chǎn)品完成內(nèi)包裝后，通常采用集合、裝箱、捆扎、堆碼等后包裝方式，使產(chǎn)品形成一個(gè)合適的物流運(yùn)輸包裝單元，以增加產(chǎn)品的外包裝強(qiáng)度，減少散包造成損失，提高倉庫與貨位利用率，提高物流效率，節(jié)省運(yùn)輸成本，方便銷售[12]。

本條生產(chǎn)線所需的纏繞裝置由立式薄膜纏繞設(shè)備和旋臂式薄膜纏繞設(shè)備兩部分組成。其中立式薄膜纏繞機(jī)的主要作用是對(duì)整托紙箱在垂直面內(nèi)進(jìn)行縱向纏繞；旋臂式薄膜纏繞機(jī)的主要作用是經(jīng)過縱向纏繞的整托紙箱在水平面內(nèi)再次進(jìn)行橫向纏繞。整托紙箱經(jīng)過縱橫十字交叉纏繞非常穩(wěn)固，方便運(yùn)輸。

3.2.1 薄膜縱向纏繞裝置

立式薄膜纏繞裝置如圖8所示，主要由機(jī)架、支撐架、旋轉(zhuǎn)軌道、壓板、薄膜拉伸夾持裝置以及薄膜截?cái)嘌b置等幾部分組成。

圖8 立式薄膜纏繞裝置1.薄膜拉伸夾持裝置；2.旋轉(zhuǎn)軌道；3.機(jī)架；4.支撐架；5.坦克鏈輸送帶；6.擋輪；7.堆垛壓板裝置

整個(gè)薄膜縱向纏繞裝置的核心部件是薄膜拉伸夾持裝置，其主要由電機(jī)、薄膜拉伸裝置以及薄膜夾持裝置等部件組成，如圖9所示。

圖9 薄膜拉伸夾持裝置1.電機(jī)；2.旋轉(zhuǎn)滾軸；3.固定拉伸軸；4.塑料薄膜；5.薄膜夾持裝置

薄膜拉伸夾持裝置固定在旋轉(zhuǎn)圓盤上，跟隨圓盤一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)薄膜纏繞裝置工作時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)并帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，通過內(nèi)齒輪嚙合，帶動(dòng)整個(gè)大的圓盤開始旋轉(zhuǎn)，如圖10所示。為便于表述，對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤的外殼做了透明化處理。通過旋轉(zhuǎn)滾軸與固定拉伸軸之間的摩擦力可以始終使薄膜處于拉伸狀態(tài)，以便于塑料薄膜的纏繞。

3.2.2 薄膜橫向纏繞裝置

由于不同家具的包裝紙箱碼放成的堆垛尺寸不一，因此采用窄幅薄膜螺旋纏繞法進(jìn)行拉伸薄膜集裝，從而能靈活地適應(yīng)堆垛的尺寸變化。薄膜卷筒圍繞貨物旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，薄膜卷筒也在上下移動(dòng)將薄膜從貨物頂部纏繞到底部，再從底部裹繞到頂部。

圖10 圓盤旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)1.傳動(dòng)齒輪；2.電機(jī)；3.旋轉(zhuǎn)圓盤；4.從動(dòng)齒條

旋臂式薄膜纏繞裝置主要包括燙膜截?cái)鄪A持裝置、升降氣缸、機(jī)架、壓板、坦克鏈輸送帶、鏈條升降裝置、薄膜卡套裝置。懸臂式薄膜纏繞裝置如圖11所示。

圖11 懸臂式薄膜纏繞裝置1.燙膜截?cái)鄪A持裝置；2.升降氣缸；3.機(jī)架；4.壓板；5.坦克鏈輸送帶；6.鏈條升降裝置；7.薄膜卡套裝置

旋臂式纏繞機(jī)工作時(shí)，通過壓緊裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)盤上包裝物品的壓緊，壓緊裝置上下高度可調(diào)、左右位移可調(diào)，使用非常便捷。同時(shí)在纏繞包裝過程中為了滿足大型物件的薄膜包裝，通過氣缸上下伸縮移動(dòng)，使大型物件從下至上或從上至下纏繞包裝。纏繞完成后燙膜截?cái)嘌b置自動(dòng)工作，截?cái)嗬p繞塑料薄膜，纏繞加工好的堆垛通過封閉式坦克鏈傳送至下一工序。

纏繞機(jī)由四臺(tái)電機(jī)控制。第一臺(tái)電機(jī)用來控制燙膜截?cái)鄪A持裝置，燙膜截?cái)嘌b置將薄膜燙斷后，薄膜沒有脫離該裝置，而是可以繼續(xù)夾持薄膜以便于下一次堆垛纏繞。第二臺(tái)電機(jī)用來控制薄膜夾持裝置繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而使薄膜可以完整地纏繞在堆垛上。另外兩臺(tái)電機(jī)通過傳送鏈條驅(qū)動(dòng)薄膜夾持裝置做升降運(yùn)動(dòng)。

紙箱堆垛完成縱向薄膜纏繞后，堆垛由坦克鏈?zhǔn)捷斔脱b置送往橫向薄膜纏繞裝置。紙箱進(jìn)入橫向薄膜纏繞裝置后，輸送裝置停止運(yùn)動(dòng)。此時(shí)安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的升降桿通過氣缸向下運(yùn)動(dòng)，升降桿末端的壓板裝置向下壓緊紙箱堆垛。隨后燙膜截?cái)鄪A持裝置打開，薄膜夾持裝置開始以旋轉(zhuǎn)軸為中心繞著貨物旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)半周后，燙膜截?cái)鄪A持裝置沿中心軸上升與薄膜脫離并閉合。薄膜卡套裝置圍繞貨物旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿著升降導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，以便實(shí)現(xiàn)薄膜的螺旋纏繞。懸臂旋轉(zhuǎn)裝置如圖12所示。

圖12 懸臂旋轉(zhuǎn)裝置1.支架；2.空心軸套；3.從動(dòng)齒輪；4.L型懸臂；5.傳動(dòng)齒輪；6.電機(jī)

薄膜卡套裝置的升降通過鏈條的傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，薄膜卡套裝置如圖13所示?？ㄌ籽b置通過卡槽安裝在升降導(dǎo)軌上，兩根傳動(dòng)鏈條安裝在頂部和底部的滑動(dòng)輪上。薄膜纏繞裝置工作時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，并控制鏈條繞著滑動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)卡套裝置通過U型卡槽固定在傳動(dòng)鏈條上，跟隨升降導(dǎo)軌上下移動(dòng)。

圖13 薄膜卡套裝置1.升降鏈條；2.纏繞薄膜；3.升降導(dǎo)軌；4.電機(jī)；5.鏈條傳動(dòng)齒輪；6.薄膜夾持裝置；7.薄膜拉伸裝置；8.連接裝置

當(dāng)薄膜旋轉(zhuǎn)纏繞即將結(jié)束時(shí)，燙膜截?cái)鄪A持裝置重新打開。此時(shí)，薄膜夾持裝置繼續(xù)旋轉(zhuǎn)直至薄膜將夾持桿和堆垛纏繞在一起，隨后，燙膜截?cái)嘌b置閉合，與夾持桿一起將薄膜燙斷。纏繞結(jié)束后，薄膜夾持裝置旋轉(zhuǎn)回初始位置，燙膜截?cái)嘌b置閉合，整個(gè)橫向纏繞加工過程結(jié)束。

4 小結(jié)

針對(duì)板式家具配件包裝，以減少人工成本為目標(biāo)，對(duì)人工完成家具板件及五金配件裝箱工序之后的紙箱封箱、堆垛以及打包纏繞等工序進(jìn)行了自動(dòng)化設(shè)計(jì)[13-15]。在紙箱移動(dòng)過程中，自動(dòng)完成紙盒封箱、堆碼、纏繞等動(dòng)作，需要人工操作的工作量較少，紙盒運(yùn)行速度可調(diào)，便于實(shí)現(xiàn)包裝效率的最大化，設(shè)計(jì)的紙箱封箱設(shè)備可以適應(yīng)不同尺寸的紙箱，實(shí)現(xiàn)了柔性化生產(chǎn)。