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為了實(shí)現(xiàn) PVC 扣板的自動(dòng)包裝，設(shè)計(jì)一種以瓦楞紙板為包裝材料的 PVC 扣板自動(dòng)包裝機(jī)。

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(yùn)輸過(guò)程中 PVC 扣板損壞，目前通常采用瓦楞紙板對(duì) PVC扣板進(jìn)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(jià)比 [5] 。但因 PVC 扣板多樣的長(zhǎng)度規(guī)格，使其無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)包裝，所以在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、包裝質(zhì)量差等一系列問(wèn)題，因此，設(shè)計(jì)一臺(tái)能夠包裝任意長(zhǎng)度尺寸的 PVC 扣板自動(dòng)包裝機(jī)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

以瓦楞紙板為包裝材料的包裝機(jī)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(guò)折疊機(jī)構(gòu)將瓦楞紙板折疊成瓦楞紙箱，從而完成對(duì)物料的包裝。劉天植 [6] 等運(yùn)用變胞機(jī)構(gòu)學(xué)的概念對(duì)紙盒的折疊軌跡和折疊過(guò)程進(jìn)行了探討，生成了紙盒盒片的折疊運(yùn)動(dòng)軌跡，為復(fù)雜盒型自動(dòng)折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。王斐 [7] 等運(yùn)用 SolidEdge 模擬瓦楞紙板到紙箱的三維形成過(guò)程，考察了折彎命令執(zhí)行誤差的影響條件，認(rèn)為“材料外側(cè)”的折彎方式對(duì)折彎命令的影響最小，板厚越大對(duì)折彎命令影響越大。Chen Q [8] 等研究了導(dǎo)軌在折疊紙箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并討論了導(dǎo)軌在葡萄酒包裝中的特殊作用。Mullineux G [9] 等基于幾何約束對(duì)紙箱折疊操作進(jìn)行了仿真，確保了紙板的完整性從而實(shí)現(xiàn)紙箱成為封閉的環(huán)形。張有良 [10] 等通過(guò)對(duì)高速紙箱包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和基本原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種啤酒飲料的全自動(dòng)高速紙箱包裝機(jī)。同時(shí)，隨著封箱技術(shù)日趨完善封箱機(jī)械也迅速發(fā)展。劉武 [11] 等研究了膠帶自動(dòng)封箱機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。尤松 [12]等設(shè)計(jì)了一種用于解決家具行業(yè)中塊狀長(zhǎng)木板包裝后封口問(wèn)題的紙箱膠帶自動(dòng)封口裝置。陳培生 [13] 等通過(guò)在 YP11 自動(dòng)裝封箱機(jī)的膠帶粘貼部件出口加裝吹風(fēng)檢測(cè)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(wèn)題。張福華 [14] 等設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)檢測(cè)粘貼及整形裝置，通過(guò)引入膠帶的滾輪組的調(diào)整能實(shí)現(xiàn)智能化粘貼，保證了封箱膠帶的粘接強(qiáng)度，避免了褶皺、重疊缺陷的出現(xiàn)。孫好文 [15] 等進(jìn)行了裝封箱機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)封膠帶裝置的設(shè)計(jì)，通過(guò)采用接近開(kāi)關(guān)和電機(jī)的配合，實(shí)現(xiàn)了膠帶松緊的自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證了煙箱封箱質(zhì)量。張迎新 [16] 等對(duì)卷煙封箱用膠粘帶關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)與上機(jī)適用性進(jìn)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(duì)紙箱包裝機(jī)做了很多工作，但是現(xiàn)在還不能實(shí)現(xiàn)對(duì) PVC 扣板的自動(dòng)化包裝。文中基于功能分析法，設(shè)計(jì)了一種 PVC 扣板自動(dòng)包裝機(jī)，實(shí)現(xiàn)了特定寬度不同長(zhǎng)度 PVC 扣板的自動(dòng)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(zhǎng) 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(guò)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(dòng)包裝機(jī)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(dá)功能。PVC 扣板自動(dòng)包裝機(jī)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(hào)等，輸出量為 PVC扣板的包裝成品以及反饋信號(hào)等，因此，該 PVC 扣板自動(dòng)包裝機(jī)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(wú)法形成清晰明確的設(shè)計(jì)主線，因此需要對(duì)總功能進(jìn)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(jìn)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(gè)子系統(tǒng)，然后再針對(duì)這幾個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)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(shí)現(xiàn)各功能元的物理作用，求解方法包括：直覺(jué)法、調(diào)查分析法及設(shè)計(jì)目錄法。

根據(jù)該自動(dòng)包裝機(jī)的特點(diǎn)，綜合利用以上 3 種方法對(duì)各功能元求解。通過(guò)把系統(tǒng)的分功能或功能元作為縱坐標(biāo)，把各功能元所對(duì)應(yīng)解法作為橫坐標(biāo)，構(gòu)成形態(tài)學(xué)矩陣。該 PVC 扣板自動(dòng)包裝機(jī)的系統(tǒng)解形態(tài)學(xué)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(gè)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(jiàn)形態(tài)學(xué)矩陣組成的

系統(tǒng)方案較多，難以對(duì)其逐一評(píng)價(jià)。通常根據(jù)以下 3點(diǎn)進(jìn)行方案評(píng)價(jià)，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(dāng) PVC 扣板包裝機(jī)的物料輸送選為輸送帶輸送時(shí)，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(dòng)作，也不利于折疊機(jī)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(gè)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(dòng)包裝機(jī)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(lái)，在這過(guò)程中可以將紙箱上的折痕作為轉(zhuǎn)動(dòng)副，紙箱各部分在旋

轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下繞折痕旋轉(zhuǎn)最終完成裹包動(dòng)作。但是由于 PVC 扣板易損壞，因此旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)有緩沖作用，所以選用氣缸為動(dòng)力源的折疊機(jī)構(gòu)。同理，膠帶封箱的行走機(jī)構(gòu)也應(yīng)選擇具有緩沖作用的氣缸為動(dòng)力源。同時(shí)選用氣缸為動(dòng)力源還具有操作簡(jiǎn)單、控制方便的優(yōu)點(diǎn)。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(jì)要求、約束條件或令人不滿意的解。
縱向封箱的 2 個(gè)原理解都能完成所需功能，但是采用物料固定移動(dòng)膠帶封箱時(shí)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(guò)帶式輸送和固定式膠帶封箱的結(jié)構(gòu)。頂面折疊的2 個(gè)解中倒 V 字形下壓機(jī)構(gòu)折疊效果更好，因此選用倒 V 字形下壓機(jī)構(gòu)。
通過(guò)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(jì)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(yùn)送到裹包成型區(qū)，首先經(jīng)過(guò)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(jī)構(gòu)、頂面鴨舌折疊機(jī)構(gòu)和底面鴨舌折疊機(jī)構(gòu)依次動(dòng)作，將前端面裹包成型。前端面裹包成型后，端面封箱機(jī)構(gòu)動(dòng)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(jī)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(shí)紙箱前端超出橫向封箱機(jī)構(gòu)，然后橫向封箱機(jī)構(gòu)動(dòng)作，在紙箱頂面完成橫向封箱。如此間歇?jiǎng)幼魍瓿煽v向封箱和橫向封箱。紙箱輸送過(guò)程中，當(dāng)紙箱末端到達(dá)末端折疊區(qū)域時(shí)，停止輸送，并完成末端折疊，然后端面封箱機(jī)構(gòu)動(dòng)作完成末端封箱。最后，包裝好的 PVC 扣板被輸送出來(lái)。

3.1 裹包成型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)各功能元最優(yōu)解原理結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)理論對(duì)裹包成型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。側(cè)面折疊是裹包成型的第一步，折疊時(shí)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(guò)程中保持整齊緊湊，壓板表面安裝兩無(wú)動(dòng)力輥筒。完成側(cè)面的折疊后，連續(xù)進(jìn)行紙箱的頂面折疊，

倒 V 字形下壓機(jī)構(gòu)。下壓過(guò)程中，倒 V 字形的機(jī)構(gòu)的夾角逐漸變大，直到 180°，下壓結(jié)束后，機(jī)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(duì)稱部分在下壓過(guò)程中往中間折疊，從而提高頂面裹包質(zhì)量。側(cè)面折疊機(jī)構(gòu)和頂面折疊機(jī)構(gòu)見(jiàn)紙箱的頂面分為對(duì)稱的兩部分，該折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選用。

完成側(cè)面及頂面的裹包之后，進(jìn)行端面的鴨舌裹包，兩端面的鴨舌折疊順序?yàn)閭?cè)面鴨舌、頂面鴨舌、底面鴨舌。兩氣缸推動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，完成側(cè)面鴨舌折疊。折疊過(guò)程中，下壓板壓緊紙箱頂面，防止鴨舌折疊過(guò)程中頂面變形，然后前折板在氣缸驅(qū)動(dòng)下完成頂面鴨舌的折疊。氣缸推動(dòng)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(jī)構(gòu)收回前，同時(shí)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(jì)

膠帶封箱系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)是膠帶封箱機(jī)芯，它可以懸掛膠帶，對(duì)紙箱進(jìn)行封箱與切帶。

兩端封箱機(jī)構(gòu)有 2 個(gè)反向安置的膠帶封箱機(jī)芯，由無(wú)桿氣缸驅(qū)動(dòng)行走。在對(duì)兩端進(jìn)行膠帶封箱時(shí)，無(wú)桿氣缸推進(jìn)，帶動(dòng)前端機(jī)芯完成前端封箱，然后紙箱繼續(xù)向前輸送當(dāng)紙箱后端完成裹包后，無(wú)桿氣缸返程，帶動(dòng)后端機(jī)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(yùn)動(dòng)向前輸送。在輸送的過(guò)程中，縱向封箱機(jī)構(gòu)同時(shí)完成對(duì)紙箱的縱向封箱。縱向封箱機(jī)構(gòu)的膠帶封箱機(jī)芯固定，機(jī)芯高度依靠滾珠絲杠手動(dòng)調(diào)節(jié)，兩側(cè)裝有帶式驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)紙箱起驅(qū)動(dòng)和定位作用。

橫向封箱機(jī)構(gòu)的功能是在包裝箱頂面進(jìn)行橫向膠帶封箱，經(jīng)過(guò)橫向封箱，頂面的紙箱會(huì)更加牢固，避免在搬運(yùn)時(shí)引起開(kāi)裂。橫向封箱機(jī)構(gòu)主要包括膠帶封箱機(jī)芯、機(jī)芯升降機(jī)構(gòu)、機(jī)芯行走機(jī)構(gòu)、紙箱夾緊機(jī)構(gòu)以及位置檢測(cè)裝置。橫向封箱時(shí)，機(jī)芯運(yùn)動(dòng)路線見(jiàn)10b。A 點(diǎn)為機(jī)芯的初始位置，B 點(diǎn)為封箱開(kāi)始位置，從 A 點(diǎn)下降到 Ｂ 點(diǎn)后，兩側(cè)紙箱夾緊機(jī)構(gòu)夾緊紙箱，防止封箱過(guò)程中紙箱橫向移動(dòng)。B 點(diǎn)到 C 點(diǎn)是機(jī)芯的封箱的過(guò)程，該過(guò)程中，機(jī)芯在 B 點(diǎn)由無(wú)桿氣缸拉至 C 點(diǎn)，完成對(duì)紙箱的橫向封箱。完成橫向封箱后，夾緊裝置收回，機(jī)芯由 C點(diǎn)到 D 再返回到 A 點(diǎn)的過(guò)程為機(jī)芯的復(fù)位過(guò)程。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該 PVC 扣板自動(dòng)包裝機(jī)的工作效率和穩(wěn)定性，加工裝配了包裝機(jī)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行大量的試驗(yàn)，得出了自動(dòng)包裝機(jī)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(lèi)繁多，消耗時(shí)間不盡相同，最長(zhǎng)的 7 m 扣板耗時(shí)最久，因此選用 7m 長(zhǎng)的扣板進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行時(shí)間試驗(yàn)。通過(guò)對(duì) 500 包 7m 長(zhǎng) PVC 扣板進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，該包裝機(jī)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(wú)劃痕，無(wú)明顯褶皺，膠帶粘貼到位，松緊度適中。通過(guò)對(duì) 500 包各種規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行包裝試驗(yàn)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(wèn)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(gè)因素造成的：同一規(guī)格的 PVC 扣板長(zhǎng)度尺寸誤差較大，導(dǎo)致在裹包過(guò)程中裹包系統(tǒng)對(duì)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(shí)驗(yàn)樣機(jī)加工裝配誤差較大，穩(wěn)定性不足，造成裹包和封箱動(dòng)作出現(xiàn)偏差，影響包裝質(zhì)量；兩端封箱機(jī)芯沒(méi)有豎直方向的運(yùn)動(dòng)單元，PVC扣板尺寸誤差較大時(shí)會(huì)影響端面鴨舌的長(zhǎng)度，造成無(wú)法粘貼到位。根據(jù)以上 3 點(diǎn)后期可以對(duì)包裝機(jī)做出以下改進(jìn)：控制同一規(guī)格 PVC 扣板的尺寸誤差范圍，以 7 m 長(zhǎng) PVC 扣板為例，其誤差應(yīng)控制在 1 cm 之內(nèi)；提高包裝機(jī)的裝配精度和穩(wěn)定性，可以采用焊接機(jī)架代替鋁型材機(jī)架來(lái)實(shí)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(jī)芯增加豎直方向的運(yùn)動(dòng)單元和端面鴨舌的位置監(jiān)測(cè)單元，以適應(yīng)端面鴨舌的變動(dòng)，提高包裝質(zhì)量。

 

5 結(jié)語(yǔ)

基于功能分析法設(shè)計(jì)了一臺(tái) PVC 扣板自動(dòng)包裝機(jī)，該自動(dòng)包裝機(jī)通過(guò)人工上料后，能夠?qū)崿F(xiàn) PVC扣板的自動(dòng)包裝工作。該自動(dòng)包裝機(jī)結(jié)構(gòu)靈活，通過(guò)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(guò)傳感器識(shí)別功能，能自動(dòng)完成不同長(zhǎng)度尺寸的 PVC 扣板的識(shí)別和包裝。通過(guò)搭建樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該包裝機(jī)具有較高的包裝效率和包裝質(zhì)量。該包裝機(jī)應(yīng)用于 PVC 扣板包裝過(guò)程，提高了 PVC 扣板生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化水平，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了勞動(dòng)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，該包裝機(jī)對(duì)未來(lái)設(shè)計(jì)大型板材瓦楞紙箱包裝設(shè)備具有借鑒意義。

 

 

 

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