一種快遞紙箱自動包裝機的設計

文/李永明 于海瑞，煙臺南山學院；松下電氣（蘇州）

1 設計背景及意義

隨著電商的快速發展，很多商家每天的發貨量達到了幾千件甚至上萬件，而在快遞紙箱的包裝過程中，大部分還是由手工進行，浪費了大量的人力物力。以2015年的快遞業務量推算，初步預計去年中國消耗了包裝箱99億個、膠帶169.5億米、避免撞擊的緩沖物2 9.7億個。

本設計方案發現了電商環節中的包裝難點，替代人工，解放雙手，并且人工包裝紙箱時膠帶纏繞位置不固定，不美觀，該產品避免了這些缺點，性能穩定，更精確、美觀、環保等特點，并且該產品還自動粘貼快遞單，掃描并儲存快遞單信息。給快遞的取件工作節省了時間。

并且，人工包裝紙箱和膠帶沒有統一標準，容易造成膠帶的浪費，一家賣母嬰產品的網店為了獲得買家“包裝嚴密”的好評，每個月使用近2萬米的膠帶包裝，造成了巨大的浪費和環境污染。理應避免過度包裝，并建立標準化的快遞包裝。

2 紙盒包裝機的設計方案

本產品采用模塊化組裝的設計方式，將紙盒包裝的過程一一分解成固定的工作流程，具體量化，然后流程一一分配給各自的模塊，過程清晰，流程簡單。先壓緊紙盒，之后經過傳送帶到達指定位置，后由機械手抓取放置在旋轉盤上，固定預緊，膠帶纏繞機構啟動，開始給紙箱纏繞膠帶。

3 系統設計

3.1 紙箱壓緊裝置

快遞的包裝一般有塑料袋和紙箱2種，但是隨著快遞服務業的快速發展，由于塑料袋易磨損，易變形，不耐擠壓，易污染環境等缺點，漸漸被紙箱取代。快遞紙箱包裝的第一步，就是將不同材質的各種物體放入紙箱后，將紙箱蓋壓緊。本產品的紙箱蓋壓緊裝置如下圖所示：

圖1 紙箱壓緊機

目的：將產品裝入正在通過輸送機傳送的紙箱內之前，壓緊蓋板。

動作：紙箱到達產品裝箱位置后，壓板向下轉動，壓緊蓋板通過機器人將產品放入紙箱內部后，使壓板復位，并將裝入產品的紙箱傳送到區域外，用于工廠內傳送產品裝箱的場合。

規格：W355×D200×H300

壓板旋轉角度：90°

外形尺寸：W788×D443×H592

定位精度：±3mm

選擇擺角為90°的旋轉驅動

3.2 不同規格紙箱固定夾緊裝置

為了確保設計在實際生活中的適用的廣泛性，設計需要滿足不同規格尺寸紙箱的包裝，所以需要制作出一個滿足這樣條件的——不同規格紙箱固定夾緊裝置。

圖2 不同規格紙箱固定夾緊裝置

設計參數：

設計目的：固定不同規格工件的夾具，可根據工件規格變更肘夾的位置，使用蝶形螺栓，以便使肘夾輕松在腰形孔中滑動的機構，基于把手動作的手動機構。

工作對象：樹脂箱體

小工件外形：W100×D50×H10大工件外形：W100×D200×H 100腰形孔行程：300mm

外形尺寸：W500×D250×H108

3.3 智能紙箱抓取系統

在壓緊裝置對紙箱操作后，紙箱按照預定流程進入流水線，流水線載著紙箱到達指定位置停止，等待抓取系統的操作。抓取裝置由一塊STM32單片機和6個步進電機，一個可伸縮的機械手構成。

抓取過程：在紙箱傳送到指定位置，機械手開始抓取紙箱，抓取紙箱后，將紙箱由機械手運輸至靜止的轉臺中放下，抓取系統即完成任務。

3.4 馬達旋轉轉臺

馬達驅動轉臺是放置機械手運輸的紙箱，并與膠帶進給裝置配合，為紙箱纏繞膠帶封箱。

圖3 馬達驅動轉臺

3.5 膠帶進給機構

圖4 膠帶進給結構圖

目的：利用滾輪送出膠帶、薄片狀工件。

形狀：薄膜、板

規格：W20×t0.1mm

外觀尺寸：W209×D110×H168mm

進給速度：300mm/s

張力：4N

夾緊壓力：10N

由于以張力：4N：夾緊壓力：10N、速度：300mm/s進行送出，因此選擇50W的馬達

設計要點及計算過程：

計算軸換算負載慣量條件值：進給導向軸的慣量 JO=0.028kg·cm2、聯軸器的慣量 JC=0.028kg·cm2、進給滾輪的慣量 JR=0.170k g·cm2

軸換算負載慣量JL，JL=JC+JO+2×JR，JL=0.028+0.028+2×0.170 =0.396kg·cm2

慣量比m，m=JL/JM，m=0.396/0.045 =8.8＜17倍（馬達規格推薦值）

計算加速時的扭矩

條件值：驅動部效率 η=0.800 、馬達轉速 N0=190.985r/min、加速時間 Tsa=0.500s、馬達軸換算負載扭矩 TL=0.097N·m

上升加速時的扭矩TMa，TMa=（（（（JL/η）+JM）×N0）/（9.55×104×Tsa））+TL，TMa=（（（（0.396/0.800）+0.045）×190.985）/（9.55×104×0.5））+0.097 =0.099N·m

最大扭矩出現在加速時，根據額定扭矩Ttyp=0.160N·m，峰值負載率Rp，

Rp=（TMa/Ttyp）×100，Rp=（0.099/0.16）×100=61.875%

通過計算各動作模式時的扭矩來計算有效負載扭矩，

0.0 96 N·m＜0.16N·m（額定扭矩）

進給滾輪實施滾花加工，壓緊滾輪使用聚氨酯橡膠，提高了摩擦系數。可通過變更彈簧來調整夾緊壓力。

4 產品總裝與調試

工作流程如下：

首先在傳送帶將紙箱送入紙箱壓緊裝置后進行壓緊蓋蓋，完成初步的包裝，然后紙箱抓取裝置將紙箱抓取到自動夾緊裝置，馬達驅動轉臺帶動自動夾緊的紙箱旋轉，機械手協助膠帶進行初步的粘貼，紙箱旋轉帶動膠帶纏繞，纏繞完畢后智能貼標簽系統進行貼標簽動作，完成包裝，并且可以進行二維碼的掃描。

5 產品設計創新點

將紙箱包裝與貼二維碼結合在一起，使得工作流程統一，工作效率大為提高，自動化集成度高，可利用范圍廣，不同尺寸和規格的紙箱都可以進行包裝與運輸，極大的節省了快遞紙箱包裝中的人力成本與時間成本。并且，使用標準化膠帶包裝，減少了膠帶的浪費，減少了對環境了污染。通過掃描二維碼連接互聯網后，可以進行紙箱的分揀，以及物流的查詢。使包裝的紙箱在牢固嚴密的同時，具備了初步的互聯網＋的能力。