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為了實現(xiàn) PVC 扣板的自動包裝，設(shè)計一種以瓦楞紙板為包裝材料的 PVC 扣板自動包裝機。

PVC 扣板是一種由 PVC 塑料加工制造成型的裝飾定尺板材，被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。為防止在運輸過程中 PVC 扣板損壞，目前通常采用瓦楞紙板對 PVC扣板進行包裝。瓦楞紙板作為包裝材料具有良好的緩沖性能 [1—2] 和抗壓性能 [3—4] ，以及較高的性價比 [5] 。但因 PVC 扣板多樣的長度規(guī)格，使其無法實現(xiàn)自動包裝，所以在實際生產(chǎn)過程中 PVC 扣板的包裝通常由人工完成。人工包裝 PVC 扣板存在勞動強度大、工作效率低、包裝質(zhì)量差等一系列問題，因此，設(shè)計一臺能夠包裝任意長度尺寸的 PVC 扣板自動包裝機具有很大的現(xiàn)實意義。

以瓦楞紙板為包裝材料的包裝機械，其關(guān)鍵技術(shù)主要是裹包成型及封箱技術(shù)。裹包成型主要是通過折疊機構(gòu)將瓦楞紙板折疊成瓦楞紙箱，從而完成對物料的包裝。劉天植 [6] 等運用變胞機構(gòu)學的概念對紙盒的折疊軌跡和折疊過程進行了探討，生成了紙盒盒片的折疊運動軌跡，為復(fù)雜盒型自動折疊機構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)。王斐 [7] 等運用 SolidEdge 模擬瓦楞紙板到紙箱的三維形成過程，考察了折彎命令執(zhí)行誤差的影響條件，認為“材料外側(cè)”的折彎方式對折彎命令的影響最小，板厚越大對折彎命令影響越大。Chen Q [8] 等研究了導軌在折疊紙箱結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，并討論了導軌在葡萄酒包裝中的特殊作用。Mullineux G [9] 等基于幾何約束對紙箱折疊操作進行了仿真，確保了紙板的完整性從而實現(xiàn)紙箱成為封閉的環(huán)形。張有良 [10] 等通過對高速紙箱包裝機的結(jié)構(gòu)組成和基本原理進行分析，設(shè)計了一種啤酒飲料的全自動高速紙箱包裝機。同時，隨著封箱技術(shù)日趨完善封箱機械也迅速發(fā)展。劉武 [11] 等研究了膠帶自動封箱機的結(jié)構(gòu)設(shè)計。尤松 [12]等設(shè)計了一種用于解決家具行業(yè)中塊狀長木板包裝后封口問題的紙箱膠帶自動封口裝置。陳培生 [13] 等通過在 YP11 自動裝封箱機的膠帶粘貼部件出口加裝吹風檢測裝置，有效地解決了煙箱封口膠帶粘貼不牢和膠帶搭口卷邊問題。張福華 [14] 等設(shè)計了一種自動檢測粘貼及整形裝置，通過引入膠帶的滾輪組的調(diào)整能實現(xiàn)智能化粘貼，保證了封箱膠帶的粘接強度，避免了褶皺、重疊缺陷的出現(xiàn)。孫好文 [15] 等進行了裝封箱機自動調(diào)節(jié)封膠帶裝置的設(shè)計，通過采用接近開關(guān)和電機的配合，實現(xiàn)了膠帶松緊的自動調(diào)節(jié)，保證了煙箱封箱質(zhì)量。張迎新 [16] 等對卷煙封箱用膠粘帶關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)與上機適用性進行了研究，得出了提高粘接效果的膠粘帶關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)。雖然前人對紙箱包裝機做了很多工作，但是現(xiàn)在還不能實現(xiàn)對 PVC 扣板的自動化包裝。文中基于功能分析法，設(shè)計了一種 PVC 扣板自動包裝機，實現(xiàn)了特定寬度不同長度 PVC 扣板的自動包裝。

1 PVC 扣板包裝工藝

PVC 扣板是一種裝飾定尺板材，文中所要求包裝的 PVC 扣板尺寸為：長 3000～7000mm；寬 220～300 mm；厚 120～200 mm。PVC 扣板的包裝材料為瓦楞紙箱，紙箱的封箱材料為膠帶。

包裝過程中，首先將需要包裝的 PVC 扣板放置于紙箱結(jié)構(gòu)的底面位置區(qū)域，然后依次折疊側(cè)面、頂面、側(cè)面鴨舌、頂面鴨舌、和底面鴨舌，最后用膠帶在箱體頂面的縱向、橫向以及端面封箱。

2 PVC 扣板自動包裝機功能分析

2.1 總功能確定

功能被定義為能量、物質(zhì)、信息的輸入和輸出之間的關(guān)系；相應(yīng)的，用能量、物質(zhì)、信息流的轉(zhuǎn)換可以表達功能。PVC 扣板自動包裝機的輸入量為 PVC 扣板、未經(jīng)折疊的瓦楞紙箱以及各種能量、信號等，輸出量為 PVC扣板的包裝成品以及反饋信號等，因此，該 PVC 扣板自動包裝機的總功能為改變物料狀態(tài)。

2.2 功能分解

總功能抽象復(fù)雜，無法形成清晰明確的設(shè)計主線，因此需要對總功能進行功能分解。根據(jù)所設(shè)定的總功能及 PVC 扣板包裝工藝要求，采用自頂向下（top-down）的功能分析法進行功能分解，分解出的子系統(tǒng)包括：裹包成型、膠帶封箱、物料輸送 3 個子系統(tǒng)，然后再針對這幾個子系統(tǒng)進行逐級的功能分解，直至分解出的分功能滿足功能元的要求。

2.3 功能元求解

功能元求解就是尋求實現(xiàn)各功能元的物理作用，求解方法包括：直覺法、調(diào)查分析法及設(shè)計目錄法。

根據(jù)該自動包裝機的特點，綜合利用以上 3 種方法對各功能元求解。通過把系統(tǒng)的分功能或功能元作為縱坐標，把各功能元所對應(yīng)解法作為橫坐標，構(gòu)成形態(tài)學矩陣。該 PVC 扣板自動包裝機的系統(tǒng)解形態(tài)學矩陣。

2.4 原理解組合及最優(yōu)解的確定

根據(jù)表 1，將功能元解交叉組合，得到多個系統(tǒng)原理解，則系統(tǒng)原理解的組合方案數(shù)為：2×2×2×2×2×2×3×2×3=1152。由此可見形態(tài)學矩陣組成的

系統(tǒng)方案較多，難以對其逐一評價。通常根據(jù)以下 3點進行方案評價，從而選出最優(yōu)方案。

1）功能元解之間必須相容。由 PVC 扣板包裝的工藝要求可以得出，當 PVC 扣板包裝機的物料輸送選為輸送帶輸送時，由于未折疊的瓦楞紙箱與輸送帶接觸，不利于紙箱的側(cè)面折疊和底面鴨舌的折疊動作，也不利于折疊機構(gòu)的布置，因此物料輸送應(yīng)選用輥筒輸送線，則剩余的可選方案為 576 種。

2）優(yōu)先選用功能元的較佳，依據(jù)該解，選擇與它相容的其他功能元解。裹包成型和膠帶封箱 2 個系統(tǒng)直接關(guān)系到 PVC 扣板的包裝質(zhì)量，因此這 2 大系統(tǒng)是 PVC 扣板自動包裝機的核心。裹包成型的作用就是折疊瓦楞紙箱將 PVC 扣板包裹起來，在這過程中可以將紙箱上的折痕作為轉(zhuǎn)動副，紙箱各部分在旋

轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動下繞折痕旋轉(zhuǎn)最終完成裹包動作。但是由于 PVC 扣板易損壞，因此旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動方式應(yīng)有緩沖作用，所以選用氣缸為動力源的折疊機構(gòu)。同理，膠帶封箱的行走機構(gòu)也應(yīng)選擇具有緩沖作用的氣缸為動力源。同時選用氣缸為動力源還具有操作簡單、控制方便的優(yōu)點。由此可以選定側(cè)面折疊、側(cè)面鴨舌折疊、頂面鴨舌折疊、底面鴨舌折疊、兩端封箱及橫向封箱的解，剩余可選方案為 4 種。

3）剔除不滿足設(shè)計要求、約束條件或令人不滿意的解。
縱向封箱的 2 個原理解都能完成所需功能，但是采用物料固定移動膠帶封箱時所需要的空間更大，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，成本也更高，所以選用了物料兩側(cè)通過帶式輸送和固定式膠帶封箱的結(jié)構(gòu)。頂面折疊的2 個解中倒 V 字形下壓機構(gòu)折疊效果更好，因此選用倒 V 字形下壓機構(gòu)。
通過以上分析，得出最優(yōu)解的組合為 A2+B2+C1+D2+E2+F2+G1+H1+I1。

3 最優(yōu)方案的具體設(shè)計結(jié)果
根據(jù)最優(yōu)解方案，生產(chǎn)出的 PVC 扣板經(jīng)人工檢查后放置到物料供送位置的瓦楞紙箱板上，然后運送到裹包成型區(qū)，首先經(jīng)過側(cè)面折疊、頂面折疊，將 PVC 扣板的側(cè)面和頂面裹包。然后，前端面的側(cè)面鴨舌折疊機構(gòu)、頂面鴨舌折疊機構(gòu)和底面鴨舌折疊機構(gòu)依次動作，將前端面裹包成型。前端面裹包成型后，端面封箱機構(gòu)動作，完成前端面的封箱。前端封箱完成后，物料繼續(xù)向前輸送到縱向封箱機構(gòu)，從而完成縱向封箱?？v向封箱一定距離后間歇停止，此時紙箱前端超出橫向封箱機構(gòu)，然后橫向封箱機構(gòu)動作，在紙箱頂面完成橫向封箱。如此間歇動作完成縱向封箱和橫向封箱。紙箱輸送過程中，當紙箱末端到達末端折疊區(qū)域時，停止輸送，并完成末端折疊，然后端面封箱機構(gòu)動作完成末端封箱。最后，包裝好的 PVC 扣板被輸送出來。

3.1 裹包成型系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)各功能元最優(yōu)解原理結(jié)合機械設(shè)計理論對裹包成型系統(tǒng)進行設(shè)計。側(cè)面折疊是裹包成型的第一步，折疊時由氣缸將壓板頂起翻轉(zhuǎn) 90°，將側(cè)面紙板沿著側(cè)面與底面之間的折痕折起。為使 PVC 扣板在輸送的過程中保持整齊緊湊，壓板表面安裝兩無動力輥筒。完成側(cè)面的折疊后，連續(xù)進行紙箱的頂面折疊，

倒 V 字形下壓機構(gòu)。下壓過程中，倒 V 字形的機構(gòu)的夾角逐漸變大，直到 180°，下壓結(jié)束后，機構(gòu)在彈簧的作用下恢復(fù)到初始狀態(tài)。倒 V 字形結(jié)構(gòu)的主要作用是使頂面兩對稱部分在下壓過程中往中間折疊，從而提高頂面裹包質(zhì)量。側(cè)面折疊機構(gòu)和頂面折疊機構(gòu)見紙箱的頂面分為對稱的兩部分，該折疊機構(gòu)設(shè)計選用。

完成側(cè)面及頂面的裹包之后，進行端面的鴨舌裹包，兩端面的鴨舌折疊順序為側(cè)面鴨舌、頂面鴨舌、底面鴨舌。兩氣缸推動連桿運動，完成側(cè)面鴨舌折疊。折疊過程中，下壓板壓緊紙箱頂面，防止鴨舌折疊過程中頂面變形，然后前折板在氣缸驅(qū)動下完成頂面鴨舌的折疊。氣缸推動壓板旋轉(zhuǎn)從而完成底面鴨舌的折疊，為避免頂面鴨舌彈性變形影響封箱效果，底面鴨舌折疊應(yīng)該在頂面鴨舌機構(gòu)收回前，同時底面鴨舌壓板內(nèi)側(cè)安裝彈力海綿，以持續(xù)提供壓力，有效地避免底面鴨舌變形。

3.2 膠帶封箱系統(tǒng)設(shè)計

膠帶封箱系統(tǒng)的關(guān)鍵機構(gòu)是膠帶封箱機芯，它可以懸掛膠帶，對紙箱進行封箱與切帶。

兩端封箱機構(gòu)有 2 個反向安置的膠帶封箱機芯，由無桿氣缸驅(qū)動行走。在對兩端進行膠帶封箱時，無桿氣缸推進，帶動前端機芯完成前端封箱，然后紙箱繼續(xù)向前輸送當紙箱后端完成裹包后，無桿氣缸返程，帶動后端機芯完成紙箱后端封箱。

紙箱完成前端封箱后，裹包成型的紙箱以間歇運動向前輸送。在輸送的過程中，縱向封箱機構(gòu)同時完成對紙箱的縱向封箱?？v向封箱機構(gòu)的膠帶封箱機芯固定，機芯高度依靠滾珠絲杠手動調(diào)節(jié)，兩側(cè)裝有帶式驅(qū)動裝置，對紙箱起驅(qū)動和定位作用。

橫向封箱機構(gòu)的功能是在包裝箱頂面進行橫向膠帶封箱，經(jīng)過橫向封箱，頂面的紙箱會更加牢固，避免在搬運時引起開裂。橫向封箱機構(gòu)主要包括膠帶封箱機芯、機芯升降機構(gòu)、機芯行走機構(gòu)、紙箱夾緊機構(gòu)以及位置檢測裝置。橫向封箱時，機芯運動路線見10b。A 點為機芯的初始位置，B 點為封箱開始位置，從 A 點下降到 Ｂ 點后，兩側(cè)紙箱夾緊機構(gòu)夾緊紙箱，防止封箱過程中紙箱橫向移動。B 點到 C 點是機芯的封箱的過程，該過程中，機芯在 B 點由無桿氣缸拉至 C 點，完成對紙箱的橫向封箱。完成橫向封箱后，夾緊裝置收回，機芯由 C點到 D 再返回到 A 點的過程為機芯的復(fù)位過程。

4 實驗驗證

為了驗證該 PVC 扣板自動包裝機的工作效率和穩(wěn)定性，加工裝配了包裝機的實驗樣機。通過對設(shè)備進行大量的試驗，得出了自動包裝機的工作效率和包裝質(zhì)量的相關(guān)數(shù)據(jù)

1）工作效率。由于 PVC 產(chǎn)品種類繁多，消耗時間不盡相同，最長的 7 m 扣板耗時最久，因此選用 7m 長的扣板進行設(shè)備運行時間試驗。通過對 500 包 7m 長 PVC 扣板進行試驗驗證，該包裝機的平均包裝效率為 55 s/包。

2）包裝質(zhì)量。包裝質(zhì)量的要求是紙箱完整、美觀，不發(fā)生撕裂、無劃痕，無明顯褶皺，膠帶粘貼到位，松緊度適中。通過對 500 包各種規(guī)格的產(chǎn)品進行包裝試驗得出，92.4%的裹包質(zhì)量滿足包裝要求，存在少量瓦楞紙箱撕裂和劃痕現(xiàn)象；87.2%的封箱質(zhì)量滿足要求，存在主要問題為膠帶未能粘貼到位；最終 83.6%的包裝產(chǎn)品滿足包裝要求。

 

不合格包裝品的出現(xiàn)主要由以下幾個因素造成的：同一規(guī)格的 PVC 扣板長度尺寸誤差較大，導致在裹包過程中裹包系統(tǒng)對瓦楞紙箱造成損壞或使裹包成型的紙箱尺寸出現(xiàn)偏差，繼而影響膠帶粘貼質(zhì)量；由鋁型材搭建的實驗樣機加工裝配誤差較大，穩(wěn)定性不足，造成裹包和封箱動作出現(xiàn)偏差，影響包裝質(zhì)量；兩端封箱機芯沒有豎直方向的運動單元，PVC扣板尺寸誤差較大時會影響端面鴨舌的長度，造成無法粘貼到位。根據(jù)以上 3 點后期可以對包裝機做出以下改進：控制同一規(guī)格 PVC 扣板的尺寸誤差范圍，以 7 m 長 PVC 扣板為例，其誤差應(yīng)控制在 1 cm 之內(nèi)；提高包裝機的裝配精度和穩(wěn)定性，可以采用焊接機架代替鋁型材機架來實現(xiàn)；在 PVC 扣板尺寸誤差不可控的情況下，可以給兩端封箱機芯增加豎直方向的運動單元和端面鴨舌的位置監(jiān)測單元，以適應(yīng)端面鴨舌的變動，提高包裝質(zhì)量。

 

5 結(jié)語

基于功能分析法設(shè)計了一臺 PVC 扣板自動包裝機，該自動包裝機通過人工上料后，能夠?qū)崿F(xiàn) PVC扣板的自動包裝工作。該自動包裝機結(jié)構(gòu)靈活，通過調(diào)節(jié)可以滿足不同寬度和包裝厚度的 PVC 扣板的包裝，且通過傳感器識別功能，能自動完成不同長度尺寸的 PVC 扣板的識別和包裝。通過搭建樣機，實驗驗證了該包裝機具有較高的包裝效率和包裝質(zhì)量。該包裝機應(yīng)用于 PVC 扣板包裝過程，提高了 PVC 扣板生產(chǎn)的機械化、自動化水平，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了勞動成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。同時，該包裝機對未來設(shè)計大型板材瓦楞紙箱包裝設(shè)備具有借鑒意義。

 

 

 

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