基于慧魚模型的商品封箱流水線的設計與制作

周敘榮，劉天軍，楊步超，胡佳偉，莊寶，張健

(1.常州工學院機械與車輛工程學院，江蘇 常州 213032；2.河海大學機電工程學院，江蘇 常州 213022；3.常州工學院數理與化工學院，江蘇 常州 213032)

0 引言

慧魚創意組合模型(Fischertechnik，以下簡稱慧魚模型)是一種展示機械原理和機械加工過程的理想教具，可以提高學生的學習興趣和創新能力[1-5]。慧魚模型來源于德國的工程技術類智趣拼裝模型，匯聚了設計師的創意，可以拼裝成一般工程機械制造所需要的各種型號和規格的零件并可進行多種組合，制成各種動作模型，特別是機械模型。

本文利用慧魚模型，針對長方體瓦楞紙箱的包裝，在已有商品包裝機械基礎上進行了新的設計。以節省人力、節能環保為出發點，以流水線的形式完成紙箱合蓋及封膠等一系列步驟，提高了包裝過程的自動化程度。

1 商品封箱流水線主要功能及工作原理

商品封箱流水線如圖1所示，能夠完成商品裝箱后頂部四面合蓋及貼膠帶等一系列封箱動作。該裝置綜合運用機械原理、機械設計、傳感器技術和機電控制技術，采用多種機構傳動方式，如齒輪齒條傳動、蝸輪與蝸桿傳動、帶輪傳動、氣壓傳動等，實現了紙箱合蓋、封箱的目的。

圖1 商品裝箱流水線

1.1 曲柄滑塊機構

曲柄滑塊機構(如圖2所示)用慧魚零件中的凸輪作為曲柄，連接發動機轉動，同時通過連桿帶動兩個滑塊作相對運動，即實現夾緊與松開的動作，以保證放在軌道上的箱體始終在軌道的中央，有利于完成后續動作。

圖2 曲柄滑塊機構

1.2 頂部合蓋機構

頂部合蓋機構(如圖3所示)主要由氣錘、支撐所用的柱與支架以及升降臺等構成。

圖3 頂部合蓋機構

當裝好充填物和商品的紙箱憑借傳送帶與紙箱底面的靜摩擦力，隨傳送帶向前移動到氣錘下方時，觸動光敏傳感器，傳送帶停止運轉。此時氣錘隨電機下降，氣錘安裝板下方的擋板壓平紙箱的前蓋。一旦擋板邊上的限位開關觸碰到紙箱棱邊，氣錘停止下降，同時，通過電磁氣閥控制儲氣罐內氣體向氣缸輸送的通斷，帶動氣缸活塞前后往復運動，實現一端與活塞桿相連且鉸接在氣錘安裝板上的氣錘作圓周運動，使紙箱后蓋也合上。接下來傳送帶開始向前運轉，紙箱向前移動，安裝板下傾斜的壓桿給紙箱兩邊側蓋施加力的作用，使兩側蓋向中間合上。

1.3 頂部貼膠機構

頂部貼膠機構(如圖4所示)主要由移動刀架、升降簡易平臺、氣動刀片、氣動雙側合蓋和膠帶拉伸機構組成。

圖4 頂部貼膠機構

在頂部合蓋機構下降時，頂部貼膠機構也跟著一同下降，當頂部合蓋完成后，紙箱繼續隨傳送帶向前移動，到達彈簧正下方停止。為了防止紙箱兩側蓋再次彈起，氣缸里的活塞桿驅動側壓板使紙箱兩側蓋保持合上狀態，此時大電機正轉通過皮帶帶動絲杠、拉桿向輔桿靠近，纏上膠帶后大電機反轉帶動絲杠拉出膠帶，拉出預定長度后停止，整個機構下降，彈簧壓縮使膠帶緊緊貼在紙箱上。活塞桿末端的刀片在氣壓驅動下切斷膠帶。頂部合蓋機構和頂部貼膠機構上升復位，傳送帶將封裝好的紙箱傳送至指定位置后停止，完成紙箱的頂部合蓋及貼膠工作。

1.4 氣泵裝置

氣泵裝置(如圖5所示)包括氣罐、單向氣缸、雙向氣缸、電磁氣閥等。本裝置利用一根皮筋與轉盤作為電機輸出，帶動單向氣缸打氣，通過氣管輸送到電磁氣閥，然后通過TX控制板控制電磁氣閥的通斷實現預期功能。

圖5 氣泵裝置

電磁氣閥是一種電動元件，接控制器的輸出端，通過控制電磁線圈的通電與斷電來控制氣路的通斷，它有P、A、R三個連接段和打開、關閉兩個位置，即2位3通閥，其優點是反應迅速，易于達到精確控制的要求。

2 集成控制部分

程序控制部分是商品封箱流水線的靈魂。程序用 ROBO Pro軟件編制[6]，它是一種模塊化、圖形化編程語言軟件，簡潔、直觀、易懂[7]，可以精確控制“慧魚”模型的動作，還可以提供編程前的硬件快速測試、在線檢測、在線調試、下載操作等功能。

頂部合蓋機構(程序如圖6所示)運動過程由時間控制電磁換向閥通斷實現活塞桿伸出與收回，從而帶動氣錘運動，壓下前段擋板，再由平臺下端凸起壓下后段擋板，再通過傳送帶的移動壓下兩側擋板完成合蓋。

圖6 頂部合蓋機構程序圖

頂部貼膠部分(程序如圖7所示)通過光感觸動電機旋轉，帶動絲杠轉動拉出膠帶，直到經過

圖7 頂部貼膠機構程序圖

預定的時間，膠帶拉伸至合適的長度，電機停止。然后升降臺降下并壓緊膠帶，再由刀架切斷并壓實側邊的部分。

圖8為包裝計數功能的程序圖，完成一次包裝過程的最后頂部封箱的動作后，觸發最后的光感，完成一次計數，一次計數為一件貨物，該程序就可以統計數量，以便準確把握包裝物品數量。

圖8 包裝計數功能程序圖

3 結語

利用慧魚模型設計了商品封箱流水線制作，并對其進行了仿真與驗證，結果方便可行。但尚未制作實物樣機，其實用性、正確性有待于實踐的檢驗，特別是實際使用中封蓋與貼膠部分有待驗證，相關問題得到妥善解決后，將有利于該產品投入實踐應用之中。

[參考文獻]

[1]曲凌.慧魚創意機器人設計與實踐教程法[M].上海：上海交通大學出版社，2007.

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[3]肖紅.基于慧魚技術的六足昆蟲仿生機器人的設計[J].荊門職業技術學院學報，2006，21(3)：18-20.

[4]竇艷濤，黃豪杰，李健，等.基于慧魚技術的家用洗碗機方案設計[J].實驗室研究與探索，2013，32(3)：31-33.

[5]段振華，吳張永，吳喜，等.基于慧魚模型的柔性制造生產線設計[J].重慶理工大學學報 (自然科學)，2012，26(4)：62-65.

[6]盧桂萍，何宇斌.基于慧魚創意組合模型的車庫門禁系統設計與實現[J].數字技術與應用，2013(4)：208-209.

[7]鄭軒，韓蕾.基于ROBO Pro的管道除渣機器人的設計[J].機電技術，2007，30(3)：17-19.