1、新型紙箱包裝機的設計新型紙箱包裝機的設計新型紙箱包裝機的設計尚東陽 a， 趙樹國 a， 姜陽 b， 劉子靖 a （沈陽航空航天大學a. 機電工程學院；b.工程訓練中心,沈陽 110136 ） 摘 要：針對現有的多數全自動紙箱包裝機存在占地面積大、設備昂貴、使用具有局限性的問題，設計了一種結構簡單、能夠滿足多種用途的紙箱包裝機。該機械采用模塊化設計思想，分別設計了運輸組件、下折頁折合組件、上折頁折合組件、紙箱整體封裝組件等，介紹了不同組件的結構組成以及工作原理；應用 CATIA 軟件完成系統的三維結構設計； 設計了機械的電子控制系統的人機交換界面，介紹了系統的硬件組成與控制原理。應用結果表明：該

2、機械不僅具有安全可靠、用途靈活等特點，而且可以提高使用者的舒適性。該設計的紙箱包裝機械能夠實現高效、安全、快速的包裝。 關鍵詞：包裝機械；紙箱； CATIA ；控制系統 0 引言 當前我國購物模式正在悄然發生改變，從實體經濟逐步轉向以電商為代表的網上購物，目前開設網店的創業人員逐步增加，開設網店等創業人員在創業初期存在的人手少、工作量大的問題，如何高效、快速、便捷地包裝成為急需解決的問題。為此，本文設計了一種自動化操作的紙箱包裝機，該機器主要針對以紙殼箱為材料的包裝，可包裝規整的、易碎的、形狀不規整的物品?？梢怨澕s勞動成本，從而提高收益。目前國內專家學者對包裝機進行了一定的研究，并得到多種類型

3、的包裝機如：何鳳翔、吳思佳等 1 所設計的一種小型包裝機械；張有良、孫建華等 2 所設計的紙箱包裝機； 李懷剛、 程亮等 3 所設計的全自動包裝機等。雖然目前市場上的包裝機種類繁多，但是大多為生產線模式，對于開設“網店”這類的創業人員并不適用。基于此種問題，本文設計了一種操作簡單、控制方便的全自動紙箱包裝機械。 1 包裝機總體設計 新型紙箱包裝機的設計分為結構設計與控制系統設計二個方面。本文采用用模塊化設計思想， 分別設計了運輸組件、 下折頁折合組件、裝貨傳送組件、上折頁折合組件和紙箱整體封裝組件。并將包裝機在空間結構上劃分為 A(下折頁折合工位 )、B（傳送貨物工位）、 C （上折頁折合工位

4、） D（整體封裝工位） 4 個工位，工位平面圖如圖 1 所示。紙箱包裝機 4 個組件的機構劃分、工位劃分、組件功能如表 1 所示。在包裝機控制系統中介紹了紙箱機的基于 PLC 的執行元件控制系統設計、 位置檢測裝置原理介紹和控制系統的軟件設計： 人機交換界面。 圖 1 工位示意圖 表 1 組件劃分表 2 包裝機結構設計 新型紙箱包裝機四個組件的空間關系：下折頁折合組件和上折頁折合組件成列設置，紙箱整體封裝組件和裝貨傳送帶分別設置在上折頁折合組件的兩側；下折頁折合組件和上折頁折合組件的上方設置有運輸組件。本文應用CATIA 軟件對紙箱包裝機的上述多個模塊進行三維造型設計。圖 2 運輸組件示意圖

5、1,2. 電磁繼電器 3,4. 滑塊 5,6. 滑槽 7,8. 索道 9,10. 線圈圖 3圖 4 下封裝示意圖1. 紙箱2.滾軸3.滑塊4.凸輪5.膠帶2.1 運輸組件設計在紙箱包裝機中運輸組件主要實現運輸紙板、傳遞紙箱的作用。 其中運輸組件包括滑槽、滑塊、電磁繼電器、索道等關鍵構件，如圖2 所示。通過電磁繼電器實現紙箱的夾合，從而將紙箱固定；將電磁繼電器與滑塊連接，通過牽引鋼絲線連接使滑塊在滑槽上運動，進而帶動紙箱在預先設計好的軌道上運動。本文所設計的紙箱包裝機的運輸方式有別于傳統的“真空吸盤+液壓”的模式，而是采用“電磁繼電器+索道”的模式。與傳統模式相比較該種運輸方法不僅對于紙箱、紙板

6、的運動控制更加靈活準確，而且大幅度減少了包裝機生產的成本。2.2下、上折頁折合組件設計折頁折合作為紙箱包裝機的核心功能，其折頁折合效果直接影響包裝質量。為了保證高效、可靠的折疊效果，本文所設計的紙箱包裝機采用齒輪齒條作為折頁折合的執行機構。其中下折頁折合組件包括端折頁折合組件和兩個側折頁折合齒條；兩個側折頁折合齒條分別設置在端折頁折合組件的兩側；端折頁折合組件包括氣壓桿、端折頁折合齒條和斜板；氣壓桿和斜板相對設置，斜板用于折合紙箱一端的下折頁，壓桿上設置有端折頁折合齒條，氣壓桿能夠帶動端折頁折合齒條升降，用于折合紙箱另一端的下折頁。同理包裝機上折頁折合組件結構與之相似。為了更好地完成折頁折合，

7、在上折頁折合組件加裝齒輪齒條機構作為限位功能使用。該種折頁折合模式與傳統“液壓、氣動推桿”折合模式相比，不僅可以減少折頁折合過程中紙箱所受的沖擊，還可以限制紙箱移動的位置。由此可知：此種折合方式可以平穩、高質量地完成折頁折合。上、下折頁折合組件三維造型， 如圖 3所示。 2.3整體封裝組件設計 整體封裝組件是紙箱包裝機最后的環節，主要實現將已折疊完成的紙箱用膠帶封口的過程。其中整體封裝組件由上封裝組件和下封裝組件主成，二者設計原理相同。下封裝組件由：膠帶、滑塊、凸輪和多個滾軸組成；多個滾軸平行設置，膠帶設置在前端的第一滾軸上，膠帶抻出的膠帶頭反向搭放在后方的第一滾軸上，膠帶頭的下方設置有凸輪，

8、凸輪上設置有滑塊，滑塊設置有鋸齒，凸輪能夠帶動滑塊升降，用于在下折頁固定前將膠帶頭粘到紙箱的端面上，在下折頁固定后切斷膠帶。經過封裝組件巧妙設計避免了傳統的熱封模式。該種封裝模式結構簡單、可靠性較高。整體封裝組件的下封裝示意圖如圖4 所示。 經過上述 4 個模塊和其余零部件的三維結構設計后，應用 CATIA 軟件進行零部件裝配，裝配后得到新型紙箱包裝機的三維立體結構，如圖 5 所示。 圖 5 新型紙箱包裝機三維立體圖3 包裝機控制系統設計 新型包裝機的控制系統主要包括由可編程控制器（ PLC ）組成的執行元件的控制系統、包裝機運行位置檢測裝置、應用Visual Basic軟件編寫的人機交換界面

9、組成。其中執行元件的控制系統和位置檢測裝置屬于控制系統的硬件結構， 人機交換界面屬于控制系統的軟件設計。 3.1 基于 PLC 的執行元件控制系統設計 PLC 是計算機技術與繼電器常規控制技術相結合的產物，是近年來發展最迅速、應用最廣泛的工業自動化控制裝置之一。在包裝機電控部分的設計中 ,考慮到包裝機運作復雜 ,傳感器多 ,干擾大 ,而 PLC 具有可靠性高、 控制功能強、 編程方便等優點 ,本文采用可編程控制器作為其主控制器 5 。本文選用可編程控制器的型號為 FX2N-48MR, 并選用 AC 電源、DC24V 電源輸入以及繼電器輸出。其中 FX2N-48MR 是三菱公司研制的可編程控制器

10、 (PLC) ，繼電器輸出及輸入 24 點 ,FX2N 是 FX 系列中功能最強、速度最高的微型 PLC ，內置用戶存儲器 8 kB ，可有多種特殊功能擴展， 實現多種特殊控制功能 (PID 、高速計數、 A/D 、D/A 、等 )。該型 PLC 因其具有高速處理的功能， 所以可以精準控制有關執行元件的運動。 系統硬件配置包括 PLC 、磁性開關、光電開關、電磁繼電器、電機舵機驅動模塊、伺服電機控制器、伺服電機、舵機、減速電機等組成，其控制原理由圖 6 所示。采用PLC 及其相關部件組成紙箱包裝機的控制系統不僅可以高效、便捷實現各個組件的連續運動，而且易于判斷、查找紙箱包裝機所發生的故障。本文

11、所設計的新型紙箱包裝機因其各個組件之間相互獨立，所以在包裝機控執行元件制系統的設計分為兩級，第一級系統負責控制各個組件的啟動、暫停 ;第二級控制系統負（子系統）責控制所在組件中執行元件的啟動、暫停。在控制方式上，本文通過行程控制與時間控制相結合的控制方式，可以實現執行元件的精準控制。以運輸組件的第二級控制系統為例介紹子系統的控制原理。 G1 為運輸組件的可編程控制器（PLC) ， G1通過 D1 、 D2 分別連接第一級可編程控制器（PLC ）、檢測開關， A1 、A 為相應電機參數設置， B1 、B2為相應的電磁繼電器參數設置。 運輸組件的控制原理如圖 7所示。3.2 包裝機運行位置檢測裝置

12、原理介紹圖 6 控制系統原理圖圖 7運輸組件控制原理圖圖 8 紙箱包裝機人機交換界面新型紙箱包裝機除了由可編程控制器（PLC ）組成的執行元件的控制系統，還需紙箱運行位置檢測裝置。位置檢測裝置主要用于閉環和半閉環系統，檢測裝置通過直接或間接測量檢測出執行部件的實際的位移量，然后反饋到數控裝置，并與指令位移進行比較，如果有差值，就發出運動控制信號，控制執行元件向消除該差值的方向移動。不斷比較指令信號與反饋信號，然后進行控制，直到差值為0，運動停止。該檢測裝置是根據伺服電機旋轉編碼器產生反饋信號，伺服電機在伺服控制器的控制下進行開閉環。在進行包裝機包裝運行位置檢測設置中，只要通過應用編碼器中的專用

13、接口，將主編碼器中的數據傳送到全自動高速紙箱包裝機控制系統運動控制器中，就能夠通過運動控制器中的數據反映出紙箱包裝機的包裝運行位置，從而進行包裝設置與監測。3.3 控制系統軟件設計為了更友好地進行人機交互，方便編程人員和操作人員調試和監控， 控制系統除PLC 電子運動控制部分外，還需人機交換界面程序。合理的人機交換界面可以提高紙箱包裝機操作舒適性與效率。其中人機交換界面應用VisualBasic 軟件進行設計，界面主要包括：控制包裝機的啟動與暫停、包裝數量與速度的選擇等內容。紙箱包裝機的人機交換界面如圖 8 所示。 4 結論 本文應用 CATIA 軟件設計了紙箱包裝機的三維立體結構，介紹了該機

14、械的控制系統的硬件組成和控制原理。經實驗表明：本文所設計的包裝機械具有多用途化，能夠滿足不同場合的實用需要；紙箱包裝效果良好，能夠完成折頁折合、膠帶封口等過程。在進行紙箱包裝試驗后仍存在如下問題： 1）若調換紙箱規格，包裝效果不理想 ;2) 在包裝機連續工作的情況下易發生卡死現象。新型紙箱包裝機有利于推進我國包裝產業的發展，助力互聯網為主的電子商務的推廣。參考文獻 1 何鳳宇 ,吳思佳 ,劉滿臣,等.一種小型包裝機械的設計J. 黑龍江科技信息,2016(8):128-129. 2 張有良 ,孫建華 ,李麗閣 ,等.紙箱包裝機連續高速紙板供給機構的設計探討 J. 食品科學技術學報,2015(6)

15、:78-82. 3 李懷剛 ,程亮 ,趙偉 ,等 .全自動包裝機新型強制供膜裝置設計 J. 機械設計 ,2012(10):85-89. 4 廖常初.PLC 編程及應用 M. 北京 :機械工業出版社 ,2002. 5 李學忠,張國全 .全自動包裝機 PLCJ. 廣西輕工業 ,2007(2):41-42.6 仇海東 .全自動高速紙箱包裝機的設計與電氣控制 J. 產業與科技論壇 ,2014(7):51-52. （編輯 立 明） Design of New-type Carton Packaging Machine SHANG Dongyanga,ZHAO Shuguoa,JIANG Yangb,LI

16、U Zijinga (a.College ofMechanical and Electrical Engineering;b.EngineeringTrainingCenter,ShenyangAerospace University,Shenyang110136,China) Abstract： Amultipurpose carton packaging machine with simple structure is designed to solve the problems of large area occupation,expensive equipment and limite

17、d utilization.Modular design is adopted in the mechanism to design the transport unit,lower carton page folding assembly,upper carton page folding assembly,whole cartoon packaging assembly and so on. The structure composition assembly and working principle is introduced.The three-dimensional structu

18、re of the system is designed by the CATIA software.The man-machine interface of the electronic control system is designed and the hardware configuration and control principle are introduced.The result of the application shows themechanism is not only safe reliable and flexible,but alsocan improve the comfort of user.The carton packagingmachine in the paper can achieve high-efficient,safe andquick packaging. Keyword：packaging