基于慧魚創(chuàng)意組合模型的包裝機設計

王寧俠 楊 寧 王 彪 曾行軍 翟彥青

陜西科技大學機電工程學院 陜西西安 710021

基于慧魚創(chuàng)意組合模型的包裝機設計

王寧俠 楊 寧 王 彪 曾行軍 翟彥青

陜西科技大學機電工程學院 陜西西安 710021

慧魚創(chuàng)意組合模型包括機械構件、電氣元件、傳感器及控制軟件等，可以應用于學生創(chuàng)新設計中。利用慧魚創(chuàng)意組合模型創(chuàng)新設計了具有模塊化功能的小型塑料袋包裝機，詳細分析了每個功能模塊的機構組成以及運動原理，論證了慧魚組合模型在學生創(chuàng)新設計中應用的可行性。通過在創(chuàng)新設計中應用慧魚組合模型，使學生的創(chuàng)造力得到充分的發(fā)揮，創(chuàng)新能力得到提高。

慧魚模型；功能化模塊；創(chuàng)新設計

慧魚組合機構模型是工程技術拼裝模型，包含有機械、電氣基本元件和傳感器、控制器、執(zhí)行器[1]，可以實現(xiàn)機構及機械的模擬設計和裝配[2]，把各種復雜的機械結構、工業(yè)生產(chǎn)設備、工業(yè)制造流水線，以模塊化、可視化模式，精確生動地搬進實驗室和教學課堂，為實驗教學、項目教學實踐的可行性論證提供了基礎[3,4]。

新機械或裝置的設計及構造過程中需要對機構進行不斷的改進，學生在創(chuàng)新機械的設計過程中，利用慧魚模型標準化的結構件良好的兼容性和拓展性，通過學生的創(chuàng)新思維和開發(fā)搭建，實施機械傳動、編程控制、電氣技術等系統(tǒng)創(chuàng)新，使機械類學生的創(chuàng)新能力得到全面鍛煉。

本文以小型塑料袋包裝機設計過程為例，論證了慧魚組合機構在機械類大學生創(chuàng)新設計中的作用。

1 基本結構原理

針對網(wǎng)店在銷售小型商品時，在包裝過程中常遇到時間緊、銷售集中、效率低的問題，需要一種能減輕工作人員勞動強度、提高工作效率、操作簡單、結構緊湊的包裝機構。以慧魚組合模型為平臺，借助慧魚中的各種部件，綜合專業(yè)知識和團隊創(chuàng)意，實現(xiàn)了小型塑料袋包裝機的功能模塊化設計。

設計的小型塑料袋包裝機的功能包括以下幾個部分：塑料包裝袋的分袋送進，塑料袋口張開，將商品送自動送入塑料袋，塑料袋封口包裝，貼上快遞標簽。

2 功能模塊的設計

2.1 分袋進給及傳送模塊

包裝開始之前，需要將塑料包裝袋送達給定位置，本模塊的裝置設置了一組轉輪(如圖1所示)。借助轉輪壓住一沓包裝袋，當轉輪轉動后，借助轉輪滾動時與包裝袋之間產(chǎn)生的摩擦力使包裝袋分離、進給到傳送帶上。然后如圖2所示借助兩組履帶運動將包裝袋傳送到由超聲波定位的預定工作位置。

為實現(xiàn)將塑料袋送進的功能，學生在此模塊的設計中將所學的機械原理中機構的知識與慧魚已有零件結合，經(jīng)過比較分析選擇了摩擦傳動，選擇了轉輪和履帶，達到了塑料袋的分袋和進給功能。在這個過程中學生對機構分析選擇的能力得到了很大的提高，為了使塑料袋到達指定的位置，采用了超聲波傳感器，

學生們第一次學會了傳感器的使用，實現(xiàn)了機電結合的設計。

圖1 分袋裝置

圖2 送袋裝置

2.2 塑料袋口張開模塊

當塑料袋送達工作位置后，需要將袋口封邊部分壓邊及固定。設計壓邊裝置如圖3所示，利用杠桿原理，一端借助氣缸的推送，另一端結構的末端觸點實現(xiàn)對袋邊的下壓，即完成“壓邊”動作。固定裝置是由兩個水平平行的氣缸連接一根推桿組成，當壓邊裝置完成壓邊動作收回后 ，通過兩個氣缸的推送，借助推桿使袋邊壓緊在工作臺側面的一個傾斜設置的輔助平板上，實現(xiàn)袋邊的固定，即完成“固定”。當塑料袋被固定在指定位置，且封口邊壓緊后，包裝過程的下一個動作是需要袋口張開并將商品送進。商品推送裝置前方設置的一個傾斜的平板，如圖4所示。該平板與袋口(履帶平面)具有一定夾角，形成楔形。當商品推送裝置向袋口推進時，開袋裝置因為是楔形，比較容易插入袋口，隨著平板在齒條推動下的進給，袋口逐漸被楔形裝置打開，即完成“開袋”功能。

圖3 壓邊裝置

該模塊功能的實現(xiàn)，不但讓學生學會創(chuàng)新設計了新的桿組實現(xiàn)預定運動，而且在運動設計時將氣動裝置應用于所設計的機構，使所學的各門知識得到綜合應用。

圖4 開袋裝置

2.3 商品推送模塊

將商品裝入塑料袋是由商品推送模塊實現(xiàn)，送進裝置主要由夾板和推進裝置組成(如圖5所示)，其中夾板由慧魚模型中的板狀構件組成，其作用是對松軟、略帶膨脹或寬度比袋口略大的可擠壓物(如衣物)進行壓緊定型，使商品能順利進入袋中；推送裝置位于壓板下方，由位于兩側的兩個絲杠和中間連接的推板組成，通過絲杠轉動實現(xiàn)推板的前進和收回，由限位開關控制其推進距離。當完成“開袋”后，推板將夾板下方的商品推入袋中，然后推板收回，最后整個商品推送裝置借助底部兩側的齒條實現(xiàn)收回動作。

在此模塊功能實現(xiàn)的過程中，設計中除了采用絲杠傳動和齒輪齒條傳動完成所需動作，學生使用了限位開關等電氣元件，學會在將機械與控制結合在一起，使得綜合能力得到了進一步的提高。

圖5 推進裝置

2.4 塑料袋封口包裝模塊

當商品被送入塑料袋后，推送裝置回退，一根長桿和交錯間隔設置在上面的弧形刮條組成撕膠裝置，長桿在電機的驅動下旋轉，弧形齒條在快速旋轉中對被固定裝置壓緊在輔助平板上的袋邊上的膠條進行撕膠。當膠條撕下后，撕膠裝置停止運行，然后固定裝置借助氣缸實現(xiàn)推桿收回，袋邊被釋放。如圖6所示，在齒條的帶動下實現(xiàn)工位轉換裝置的前進，氣缸運動裝置實現(xiàn)工位轉換裝置的上升，從而托起商品，使商品脫離傳送帶表面。齒條運動裝置使整個裝

置及商品后移實現(xiàn)讓位，避免在后續(xù)旋轉過程中壓邊裝置與商品發(fā)生碰撞。齒輪運動裝置使整個裝置及商品逆時針旋轉180度，實現(xiàn)工位的轉換，即實現(xiàn)袋口的對調，然后氣缸收回轉位裝置下降再次將商品回落到傳送帶上。如圖7所示的一個二自由度桿機構，當完成工位轉換后，在由脈沖控制的兩個電機有序的驅動下，可實現(xiàn)對袋邊的卷曲和下壓，使袋邊上已經(jīng)暴露出的膠區(qū)與袋體粘連，然后桿組復位即實現(xiàn)“封袋”，方便后續(xù)封袋。

該模塊的動作對機構的協(xié)調性和位置準確性要求較高，學生在進行設計時，不但創(chuàng)新設計了二自由度桿機構，還將其與汽缸、輸送帶、齒輪齒條等裝置的有機結合，采用了多個電機驅動，編寫了控制子程序，很好地完成了模塊所需的動作設計。

圖6 工位轉換裝置

圖7 封袋裝置

2.5 貼標簽模塊

該模塊主要由轉位升降裝置(如圖8所示)和刷膠裝置(如圖9所示)組成，其中轉位升降裝置主要由齒輪、氣缸、絲杠3種運動裝置組成，刷膠裝置主要由刷膠盒、刷子、電機組成。轉位升降裝置的外伸工作架上放置了一沓標簽。通過絲杠運動裝置將工作架升至高處，然后通過齒輪運動裝置使轉位升降裝置上的工作架轉到刷膠盒上方指定位置，通過絲杠裝置使工作架下降到限位開關限位的刷膠位置，此時刷膠裝置中刷子在電機帶動下旋轉，對工作架上最底部的標簽進行刷膠，刷膠完成后絲杠裝置使工作架上升至高處，然后通過齒輪運動裝置使工作架轉到包裝袋指定粘貼位置上方，通過絲杠裝置使工作架下降到與包裝袋有一定距離處停止(防止刷膠過程中有膠水留在工作架上。此時若工作架接觸包裝袋容易發(fā)生粘連)，工作架上方設置的氣缸裝置向下擠壓工作架上放置的標簽，最底部帶膠的標簽與包裝袋接觸。通過絲杠裝置使工作架上升到高處，在上升過程中由于底部標簽與包裝袋之間的黏附力，底部的標簽將脫離工作架，即實現(xiàn)標簽的粘貼，然后貼簽裝置復位。

在設計中采用慧魚模型零件，學生有創(chuàng)意即可搭建驗證，使創(chuàng)意能快速地、直觀地實現(xiàn)。慧魚模型的機械、氣動、傳感器、控制器等使學生能夠將所學的機電及控制綜合應用，對學生設計的積極性的提高和設計中充分發(fā)揮創(chuàng)新能力有很大的幫助。

圖8 轉位升降裝置

圖9 刷膠裝置

3 結束語

在包裝機的設計及完成過程中，從最初的方案到最終的模型，以慧魚產(chǎn)品為平臺，借助慧魚中的各種部件，綜合專業(yè)基礎知識、慧魚產(chǎn)品搭建的實際操作經(jīng)驗、團隊創(chuàng)意、教師的指導經(jīng)驗等進行作品創(chuàng)作，實現(xiàn)了包裝機功能的模塊化設計。然后結合實際情況進行優(yōu)化設計，不斷修正設計方案，再將每個動作對應方案進行整合，使整個包裝流程盡可能流暢、協(xié)調，從而實現(xiàn)作品的最終優(yōu)化設計，達到預期目標，實現(xiàn)產(chǎn)品功能。使學生的創(chuàng)造力得到了充分的發(fā)揮，創(chuàng)新能力得到了提高。

整個設計制作過程從構思到完成成品，突破了傳統(tǒng)仿照搭建慧魚模型的固有模式，打破機械理論與實踐的轉換壁壘，在實踐過程中發(fā)掘和釋放創(chuàng)新潛力，使大學生在實踐中體會“化整為零，有機結合”這一解決問題的重要方法，學會如何盡快融入團隊，在團隊協(xié)作的同時最大限度地發(fā)揮個人能力，使團隊高效運作，提高了學生的團結協(xié)作能力。

[1] 劉天軍,毛建秋,支波浩.基于“慧魚”創(chuàng)意組合模型的避障機器人的設計與制作[J].常州工學院學報,2012,25(2):6-9.

[2] 高海濤,韓亞麗,許有熊.積木式教育機器人三維仿真平臺的設計與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化,2015,37(3):129-133.

[3] 王海峰,李東亞,龔奧.基于慧魚模型報刊自動打孔機的設計[J].機電工程技術,2015,44(3):68-70.

[4] 王蕾,陳桂,林健.慧魚模型在機器人電子設計認識實習中的應用探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2015(3):10-12.

The Design of Packaging Machine Based on Fischertechnik

Wang Ningxia, Yang Ning, Wang Biao, Zeng Xingjun, Zhai Yanqing
College of Mechanical & Electrical Engineering, Shaanxi University of Science &Technology, Xi'an, 710021, China

Fischertechnik includes mechanical components, electrical components, sensors and control software. It can be applied to students' innovative design. A small plastic bag packaging machine with modular features design use Fischertechnik innovation models was creative. Each functional modules institutions and the principle of movement were detailed analysis in this paper, and the feasibility of Fischertechnik model use in students' innovative design has been demonstrated. By using Fischertechnik model in innovative design, university students' creativity has been fully exploited, innovation ability has been improved.

fischer model; function modules; innovative design

2016-04-21

王寧俠，本科，教授。

陜西省2015年大學生創(chuàng)新訓練項目(編號：1233)。