基于機器視覺的全自動尺寸自適應封箱機設計

摘要：針對封箱機的適應能力弱和包裝效率低的問題，設計一種基于視覺的全自動尺寸自適應封箱機，通過機器視覺對不同尺寸紙箱的自動識別和尺寸自適應。搭建電控系統，采用兩個56*57步進電機來對合蓋機構和姿態調整機構進行調節，為保證兩側電機的調整范圍同步，負責同平面調整的電機均使用同根PWM信號線控制。封箱機可適用于寬（100～550）mm*高（100～300）mm紙箱的封箱，封箱所需時間為5～12 s。

關鍵詞：封箱機；機器視覺；尺寸自適應；貼膠機構

中圖分類號：TB" 文獻標識碼：A""" doi：10.19311/j.cnki.16723198.2025.17.075

0 引言

近年來，隨著互聯網的快速崛起，商品數量劇增和類型多樣化，各種類型的快遞包裹數量爆炸式增長，包裝生產線的壓力上升到了前所未有的高峰。傳統的封箱機往往針對固定尺寸紙板箱，封裝精度和效率有待改進，而國內的全自動封箱機也存在一些問題，如紙箱過于密集地堆積在封箱機上，導致機器操作失誤，出現封箱質量問題[1]。全自動封箱機的適應能力和封箱效率受到了考驗，因此提高全自動封箱機的適應能力和包裝效率是亟待解決的問題。

紅云紅河集團昆明卷煙廠的陳可可等[2]在機器視覺檢測的基礎上增加了光電傳感器以避免出現漏封箱，這樣雖然降低了漏封箱的可能性，但同樣增加了控制以及操作的難度。貴州中煙工業有限責任公司畢節卷煙廠的秦葉濤等[3]封箱機的皮帶進行了改進，對開關材料進行了更換能一定程度上減少部件的損壞，但大大提高了成本。孫好文等[4]對貼膠機構進行了改進，使其能夠調節松緊，避免由于交膠帶卷的基底厚薄不同影響貼膠質量。本文根據一些學者的研究，設計了一款基于視覺的全自動尺寸自適應封箱機，通過機器視覺系統實現對不同尺寸紙箱的自動識別和尺寸自適應，提高了封箱效率和質量，降低了人工成本。

1 封箱機的機械結構設計

1.1 整體結構設計

基于視覺的全自動尺寸自適應封箱機主要由傳送機構、升降機構、封箱機構以及貼膠機構4個部分組成，如圖1所示。

1.2 傳送機構設計及工作原理

設計中采用了連續式傳送方式，由工作臺前面的傳送皮帶將箱子送到側面的皮帶中間并夾緊，實現紙箱的連續傳送。傳送帶的驅動機構采用電機驅動，通過滾子和皮帶傳動，確保傳送帶的穩定運行。

為確保能夠驅動傳送帶并滿足生產需求，選擇120W的電機，能夠滿足18箱/分鐘的生產率。為確保傳送皮帶的穩定運行，設計中包括了張力調節機構，通過調節皮帶輪位置，確保傳送帶張力適中，防止打滑或松弛。

1.3 封箱機構設計及工作原理

封箱機前端采用電機帶動連桿方式撞擊前蓋實現對封箱機前蓋的下壓。下壓機構由單片機配合電機、傳感器控制，由傳感器查找紙箱相對位置，通過數控電機實現對紙箱前端的初步下壓。紙箱通過兩側有一定大小張角的固定桿使紙箱左右端實現相切式盒蓋。結構主要保持機械化，紙箱傳送過程中即可實現兩側的閉合。最后通過單片機控制氣缸的伸縮，控制連桿的擺動，實現對后蓋的壓緊。

1.4 升降機構設計及工作原理

升降機構負責調節工作臺的高度和寬度，以適應不同尺寸的紙箱。設計中采用了多組調節機構，分別用于調節工作臺的高度和寬度，確保封箱機能夠處理不同尺寸的紙箱。

工作臺的高度調節通過調節螺桿實現，調節范圍為300mm。通過單片機控制步進電機調節絲桿實現工作臺的高度調節。絲桿的直徑和螺距根據調節范圍和精度要求進行設計，確保調節的平穩性和可靠性。

工作臺的寬度調節通過上導向部件的定位桿和導向輪實現，調節范圍為100～550mm。通過單片機控制步進電機調節絲桿實現兩側傳送帶的寬度調節，定位桿通過滑槽和絲桿的配合，實現工作臺的寬度調節。定位桿的長度和直徑根據調節范圍和精度要求進行設計，確保調節的平穩性和可靠性。

封箱機外側增加防護罩和防護欄，防止調節機構在調節過程中受到外界干擾，確保調節過程的穩定性和安全性。采用透明防護罩，既能保護調節機構，又能方便操作人員觀察調節過程。

1.5 貼膠機構設計及工作原理

封箱機構是封箱機的關鍵部分，負責將膠帶貼合在紙箱上并進行封箱。關于此類機構的設計，西安工業大學的李美川在對連續式膠帶封箱紙箱成型機的設計與研究中提出了一種側式成型工藝流程[5]，這種較為復雜，在實際生產生活中難以實現;廣東工業大學劉武等人在膠帶自動封箱機的結構設計中設計了一種自動貼膠帶的刀架裝置[6]，這種裝置對膠帶的放置要求較為苛刻。

由于現有的貼膠機構都不符合在實際生產生活中的要求，為此，本文在貼膠部分設計了一種類凸輪機構以快速便捷地實現貼膠封箱。設計中膠帶通過上方機構缺口前墜于類凸輪機構前。封箱機實現完全閉合后，紙箱通過類凸輪機構使機構抬升同時粘上膠帶前端，并壓縮彈簧進行儲能。紙箱通過后半段圓弧后，貼膠機構平穩下降，其后半段圓弧于紙箱前沿做相切運動，以達到封箱效果。

如圖4所示機構，紙箱通過貼膠機構（類凸輪機構）后帶動側面連桿運動，同時拉伸1、2點彈簧。使類凸輪機構中間切口處的切刀抬升，即紙箱通過貼膠機構時，切刀保持在貼膠機構內側。在紙箱通過后，連桿機構被1、2點相連彈簧帶動，內側切刀被連桿機構帶處切割膠帶，后半段圓弧再實現對未完全貼合膠帶的擠壓，以實現自動貼膠。

2 封箱機的控制系統設計

封箱機的控制系統采用PLC作為核心控制器，配合伺服驅動和步進電機實現精確的運動控制。系統硬件包括PLC主控單元、伺服驅動器、步進電機驅動器、觸摸屏人機界面和各種傳感器。軟件設計采用模塊化結構，主要包括視覺數據處理模塊、運動控制模塊、參數設置模塊和故障診斷模塊。

控制系統的核心算法包括自適應PID控制算法和運動軌跡規劃算法。自適應PID控制算法用于提高封箱裝置的定位精度和響應速度，能夠根據不同的包裝箱尺寸自動調整控制參數。運動軌跡規劃算法則優化了封箱裝置的運動路徑，提高了封箱效率，減少了機械磨損。

控制系統的主要功能是接收攝像頭的尺寸信息完成對合蓋機構和姿態調整機構的高寬度控制，并通過接收不同部位輕觸開關的信號來判斷紙箱的位置并輸出相應的控制信號給各功能單元。該設備中的機械系統主要由電機控制驅動，其中合蓋機構中需氣動系統配合實現功能。為了實現尺寸的自適應，項目中各用了兩個56*57步進電機來對合蓋機構和姿態調整機構進行調節，為保證兩側電機的調整范圍同步，負責同平面上的調整的電機均使用同根PWM信號線控制。同時，還需要通過繼電器實現對一臺24V直流電機的控制，該直流電機負責驅動運輸機構。

裝置采用光、機、電、氣、磁相結合，經過單片機stm32f103c8t6的綜合分析，確定各運動單元動作，實現工作過程的穩定性，提高整機工作效率。單片機通過步進驅動器控制步進電機運轉，以此改變垂直和水平絲杠的位置；通過控制繼電器來控制水平傳送帶是否運作；通過機器視覺攝像頭將圖像數據傳至上位機，上位機再將處理完的紙箱尺寸數據傳至單片機來獲得紙箱大小以對機器進行調整。

3 封箱機的視覺系統設計

視覺系統是本封箱機的核心部分，負責包裝箱尺寸和位置的識別。系統采用高分辨率工業相機和均勻背光源，確保圖像采集的質量和穩定性。圖像處理算法基于OpenCV庫開發，主要包括圖像預處理、邊緣檢測、輪廓提取和尺寸計算等步驟。

在圖像預處理階段，采用高斯濾波去除噪聲，并使用自適應閾值法進行二值化處理。邊緣檢測使用Canny算法，能夠準確識別包裝箱的邊緣。輪廓提取算法則用于確定包裝箱的邊界，并計算其長、寬、高等尺寸信息。為了提高識別精度，系統還引入了亞像素邊緣檢測技術，使尺寸測量精度達到0.1mm。

視覺系統的軟件實現采用模塊化設計，包括圖像采集模塊、圖像處理模塊和通信模塊。圖像采集模塊負責控制相機和光源，確保圖像質量；圖像處理模塊實現上述算法，完成尺寸和位置的計算；通信模塊負責與控制系統進行數據交互，實時傳遞識別結果。

4 封箱機的工作流程

紙箱進入機器前，已完成裝箱作業和箱底封箱工序，四面折頁處于打開狀態。啟動封箱機，紙箱經由輸送帶到達視覺檢測區域，通過攝像頭與圖片識別算法獲取紙箱姿態和尺寸信息。控制系統根據這些數據控制絲桿滑臺自動調整封箱機傳送帶寬度和橫梁高度，使傳送帶調正夾緊紙箱并向后傳輸。封箱機根據調整后的參數對產品進行封箱，包括折疊箱蓋、粘貼膠帶等操作。封箱完成后，產品繼續沿輸送帶送出，整個封箱過程結束。如圖5所示。

5 結論

本文對封箱機的設計采用三維solid works軟件建模，進行封箱模擬，保證了設計質量。本文設計的基于視覺的全自動尺寸自適應封箱機，通過機械結構的優化設計和機器視覺系統的集成，實現了對不同尺寸紙箱的自動識別和尺寸自適應，提高了封箱效率和質量，降低了人工成本。設計中考慮了機械結構的堅固性、輕量化、防護性以及與視覺系統的集成，確保了設備在工業環境中的穩定運行。

同時，全自動自適應封箱機的設計不僅可以提高電商和快遞物流行業的工作效率，還能收集相關的物流包裹數據，在物流前端為智慧物流奠定數據基礎。這種設計通過物聯網技術對大數據進行收集，符合未來智慧物流的發展趨勢，可以為電商和快遞企業減少封箱所需的人力成本，同時為物流企業提供數據支撐，優化供應鏈設計。

主要參考文獻

［1］張企蒼.一種膠帶封箱機[P].江蘇：CN201320263545.2，20131106.

[2]陳可可，趙修勇，蘇家驊，等.FK465型封箱機條缺包在線檢測裝置的設計與應用[J].科技創新與應用，2024，14（34）：115117+123.

[3]秦葉濤，陳勁松，黃首霖，等.YP18封箱機煙箱皮帶輸送控制開關改進[J].設備管理與維修，2023，（20）：137138.

[4]孫好文，趙憲奎.裝封箱機自動調節封膠帶裝置設計[J].機電產品開發與創新，2016，29（05）：6970+91.

[5]李美川.連續式膠帶封箱紙箱成型機的設計與研究[D].西安工業大學，2014.

[6]劉武，李克天.膠帶自動封箱機的結構設計[J].輕工機械，2001，（01）：1820.