便捷式膠帶粘貼器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

柳雅文+李濤+殷延山+石復(fù)習(xí)

摘 要：該文介紹了一種新型便捷膠帶粘貼裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。該裝置能夠方便快捷地完成中小尺寸紙箱的膠帶封口，操作簡單、易學(xué)易用、便于攜帶。設(shè)計(jì)中巧妙利用平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)靈活地伸縮運(yùn)動，通過按壓手柄，膠帶輪在箱體上沿封口拖動，順序?qū)崿F(xiàn)膠帶的撕拉、粘貼、切斷以及壓實(shí)。工作中，導(dǎo)向滾輪可同步拉扯膠帶，實(shí)現(xiàn)供給；隨動壓輪壓實(shí)膠帶，完成紙箱封口的粘貼；帶有刀片的支架在紙箱棱邊處隨紙箱外表面折轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)膠帶切割。該裝置非工作狀態(tài)時(shí)可進(jìn)行折疊，小巧輕便，封箱速度快，為快遞公司等現(xiàn)場包裝提供了極大方便。

關(guān)鍵詞：便攜裝置 膠帶粘貼 封箱包裝 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

紙箱包裝對于日常生活來說是非常普遍的。隨著網(wǎng)絡(luò)消費(fèi)習(xí)慣的流行，日常消費(fèi)品的電子商務(wù)在近幾年得到迅速發(fā)展，與之相匹配的小件快遞業(yè)務(wù)量也隨之水漲船高，快遞公司如雨后春筍般在數(shù)量和規(guī)模上快速增長。對于以方便、快捷和服務(wù)周到的特點(diǎn)生存和發(fā)展的快遞業(yè)，貨物的攬收速度、包裝安全、遞送效率和領(lǐng)取便捷成為企業(yè)在競爭中生存和發(fā)展的關(guān)鍵。而在貨物攬收包裝過程中，通過使用膠帶實(shí)現(xiàn)對紙箱的密封和包裝，已經(jīng)成為最經(jīng)濟(jì)、便捷、有效的方法。紙箱包裝是指產(chǎn)品在流通過程中，為了保護(hù)產(chǎn)品、方便儲運(yùn)、促進(jìn)銷售，采用紙質(zhì)箱體對產(chǎn)品所進(jìn)行的包裝[1]。紙箱包裝是目前應(yīng)用最廣泛的包裝方式之一，具有取材容易、重量輕、容易印刷、容易設(shè)計(jì)成型、成本低廉等特點(diǎn)，廣泛被用于商品的銷售包裝和運(yùn)輸包裝。然而，快速地進(jìn)行紙箱手工封裝過程中，頻繁使用膠帶無疑會降低工作效率、增大勞動強(qiáng)度，并且作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不一致、封裝效果不確定，此過程不僅枯燥乏味、耗費(fèi)時(shí)間長，而且也需要大量的人力。因此，針對小件紙箱快遞包裝，設(shè)計(jì)專門的便攜式膠帶封箱裝置是提高快遞包裝速度與質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 現(xiàn)有封箱器存在的問題

當(dāng)今市場上最為流行的膠帶封箱器分為2種。

一種是手動型的裝置，又包括簡易型封箱機(jī)和手柄式封箱器2種。手持的膠帶封箱器，封箱后，沒有對膠粘的一面進(jìn)行擠壓固定，封好的箱體膠帶容易脫開，不夠牢固，而且操作過程較為費(fèi)力費(fèi)時(shí)，人工操作時(shí)的勞動量較大，因此極易產(chǎn)生工作疲勞，從而進(jìn)一步降低工作效率[2]。

另外一種是全機(jī)械化的自動封箱裝置。該自動包裝機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，解決了現(xiàn)有包裝機(jī)存在的僅能利用單一型號的紙箱對物品進(jìn)行包裝和不能自動粘貼快遞單的問題，滿足了企業(yè)利用紙箱對物品進(jìn)行包裝的使用要求，大大節(jié)省了勞動力，但復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)、昂貴的價(jià)格，讓它的普及成為一個(gè)難題[3]。

這2種封箱器都有其優(yōu)點(diǎn)，但其人工操作疲勞或者攜帶困難的缺點(diǎn)，限制了其在移動包裝作業(yè)中的普及應(yīng)用。目前，針對便攜式移動包裝方面的產(chǎn)品應(yīng)用國內(nèi)外都有先例，但是都局限于手撕膠帶之后而進(jìn)行機(jī)械剪斷。因此，設(shè)計(jì)出一款既能節(jié)省力氣、提高效率而又造價(jià)便宜、結(jié)構(gòu)簡單的膠帶封箱器成為了該次科技創(chuàng)新的目標(biāo)。

2 便攜式膠帶粘貼器設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化

2.1 一代設(shè)計(jì)

一代設(shè)計(jì)方案中框架設(shè)計(jì)為豎直放置的2組對稱的四桿機(jī)構(gòu)，用2根簡單的支架代替了復(fù)雜的四邊形伸縮鉸鏈伸展機(jī)構(gòu)。框架為2條支架在頂端用鉸鏈連接在一起，類似于圓規(guī)的原理，只不過為了其穩(wěn)定性利用了雙側(cè)的平行四邊形機(jī)構(gòu)。外面是用金屬結(jié)構(gòu)打造的箱體外殼，以增強(qiáng)其美觀性及其穩(wěn)定性，封箱器的整體是對稱的，膠帶圈放置于兩側(cè)大輪處，膠帶頭通過下方小輪伸至下方中部，2個(gè)膠帶放置在兩邊箱體的兩端并固定，按壓上方手柄可以使得2條支架向兩側(cè)分開，帶動膠帶向兩側(cè)拉扯實(shí)現(xiàn)兩端膠帶的相對運(yùn)動，撕拉膠帶，粘貼在箱體上，完成封箱任務(wù)，然后兩端的刀片對其進(jìn)行切斷。該框架實(shí)現(xiàn)了力的充分利用——既能推動膠帶運(yùn)動，又能壓實(shí)膠帶。但由于伸縮鉸鏈?zhǔn)墙咏Q立的狀態(tài)，下壓的過程需要費(fèi)很大力（見圖1）。

該裝置的工作過程為：步驟1：豎桿結(jié)構(gòu)2、四桿鉸鏈機(jī)構(gòu)1伸縮運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)將膠帶拉扯至兩端的目的；步驟2：通過2個(gè)滾輪及其彈簧結(jié)構(gòu)7使膠帶向下轉(zhuǎn)彎達(dá)到包裝側(cè)面的目；步驟3：在轉(zhuǎn)彎后通過兩邊刀片6切割作用完成封箱任務(wù)；步驟4：通過彈力（彈簧）使裝置回位進(jìn)行下次工作。

2.2 二代設(shè)計(jì)

一代設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)，但是當(dāng)所有都按規(guī)格組裝好后，運(yùn)行起來很難保證兩端得以完全同步運(yùn)動。針對于以上的設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，總體的設(shè)計(jì)方案如圖2所示，最底下的是帶滾輪的底座機(jī)構(gòu)5，把箱子放于底座上完成封箱操作。最上方的是手柄，通過按壓此結(jié)構(gòu)完成封箱。膠帶圈放置于大輪3處，膠帶頭通過下方小輪伸至箱體一端上。

二代裝置的工作過程分為四步：步驟1：鉸鏈機(jī)構(gòu)2伸縮運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)膠帶粘貼部分移動的目的。而且此鉸鏈機(jī)構(gòu)不僅可以水平拉伸還可以豎直拉動，因此可以粘貼更高更長的箱子。步驟2：通過伸縮結(jié)構(gòu)，以及對膠帶有導(dǎo)向作用的尼龍輪6，使膠帶3伸長達(dá)到封箱的目的。步驟3：在膠帶拉至箱體邊緣處時(shí)，通過彈簧壓力把膠帶貼實(shí)箱體側(cè)壁并進(jìn)行刀片對膠帶3的切割。步驟4：鉸鏈機(jī)構(gòu)2的孔之間用一根大彈簧連接，通過彈力（彈簧）使裝置回位進(jìn)行下次工作，使其運(yùn)行起來更加緊湊、靈活。

3 總體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

為增加二代設(shè)計(jì)裝置的適用性，以及能在大多數(shù)的箱體上進(jìn)行使用，根據(jù)包裝業(yè)務(wù)中待包裝箱體的尺寸范圍，對該裝置的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。

通過分析人手掌尺寸，確定手柄長度；綜合考慮金屬材料的強(qiáng)度、質(zhì)量、價(jià)格，確定框架結(jié)構(gòu)材料；根據(jù)在售箱子的常用尺寸，確定機(jī)構(gòu)的整體大小；通過試驗(yàn)和測試確定彈簧機(jī)構(gòu)尺寸；通過刀片的切割力測試，確定膠帶切斷采用傾斜角度為10°的薄刀片。

經(jīng)樣機(jī)制作和測試后，確定該裝置的尺寸和材料如下：（1）為了使用者單雙手均可使用，以成年人雙手的尺寸為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)手柄長度為230 mm；（2）裝置總質(zhì)量不會超過10斤，因此頂部手柄的固定部分采用1 mm鋁合金板，強(qiáng)度足夠；（3）裝置的主體受力部分是伸縮鉸鏈部分，在進(jìn)行了拉壓、彎曲測試后，選用2 mm的鋁合金條作為伸縮鉸鏈的材料；（4）為了使膠帶不會粘在起導(dǎo)向和傳遞膠帶作用的輪子上，輪子的材料選用尼龍，并制作成表面有齒的形狀；（5）膠帶粘貼部分和伸縮鉸鏈部分間需要拉簧，作用是便于收回，經(jīng)過試驗(yàn)確定拉簧受力大概在20 N，選用直徑1 cm，長15 cm的拉簧2根；（6）常用的箱子長為30 cm、40 cm、50 cm，通過測量計(jì)算，鉸鏈總伸長量為94 cm，最大能封口60 cm的箱子；（7）刀片需要一個(gè)突然的彈力來割斷膠帶，這個(gè)彈力由裝在刀片和外殼間的彈簧來提供，這個(gè)力的大小不好直接測出，于是使用不同的彈簧，改變聯(lián)接位置，在進(jìn)行了多次試驗(yàn)后，選定長為3 cm，直徑6 mm的拉簧，彈力足夠；（8）鉸鏈和底座之間用鋁合金片配合螺栓聯(lián)接，鋁合金片受軸向和橫向上的力都有一部分被鉸鏈在伸縮過程中分擔(dān)，選取的1 mm厚鋁合金片滿足強(qiáng)度要求。