剛度梯度觸發式自適應禮盒包裝機器人設計

胡明偉+劉洋+陳曉琳

摘 要 針對目前禮品盒尺寸范圍廣、包裝工作量大、人工包裝效率低等問題，設計了一種剛度梯度觸發式自適應禮品盒包裝機，利用多級剛度梯度觸發，結合力學和機構學，使該包裝機滿足不同尺寸禮品盒的順序包裝要求。

【關鍵詞】剛度梯度 自適應 包裝機構

網購已成為一種快捷方便的購物方式，相比傳統購物，網購有著節省時間、選擇多樣以及價格便宜的優勢，結合送禮品這種交際方式的普遍性特點，網購禮品成為一種便捷又時尚的在線送禮方式。目前網購禮品銷量劇增，禮品盒包裝隨之急劇增加。經市場調研，平均每個禮品盒包裝包裝紙所需要的時間為10分鐘，目前市面上沒有專門針對禮品外包裝的機器，禮品店全部采用人工包裝，禮品種類禮品盒尺寸的多樣影響了包裝效率。

針對以上問題，本作品設計了一款剛度梯度觸發式自適應禮品盒包裝機器人，利用多級剛度梯度觸發，使該產品適用于不同尺寸禮品盒的順序包裝，以滿足不同禮品盒包裝的個性化需求。

1 包裝方案的選擇

1.1 周向包裝機構的選擇

周向包裝機構主要完成禮品盒周向的紙包裝以及包裝后的夾緊、固定紙，該機構設計選用雙滑塊四桿包裝機構方案。

1.2 端向側板包裝機構的選擇

端向側板包裝機構實現禮品盒端向側板的折紙包裝，該機構設計選用雙滑塊四桿翻折機構方案。

2 作品整體介紹

該禮品盒包裝機分為三大模塊：寬度包裝模塊，周向包裝模塊和端向包裝模塊。將剛度分級觸發和三個模塊相結合，通過一柄簡單操作，驅動多級剛度梯度完成順序包裝動作，即可自適應包裝不同長、寬、高尺寸的禮品盒。

3 作品原理介紹

3.1 寬度包裝模塊

主要由對心曲柄滑塊機構及對稱聯動滑臺機構、可伸縮式折板組成。

3.1.1 對心曲柄滑塊機構.

對心曲柄滑塊機構主要的功能為整體包裝機構提供動力，實現滑塊桿的對稱伸縮。

曲柄板通過滾子軸承固定底座上，曲柄圓板上有兩個大徑為d1=6mm、小徑d2=5mm的錐形孔，通過螺桿墊片將連桿鉸接在曲柄板上。在滑塊桿端頭上加工一個直桿，與連桿連接，可作為以轉動副相連接的兩個桿件。

3.1.2 可伸縮式折板設計

可伸縮式對稱折板機構可適應不同長、寬、高的禮品盒，將包裝紙精準折合其上。設計為仿手型的凹凸折板，一對折板可交叉伸縮，實現平面內的尺寸適應。不同平面的連接設計為合頁鉸接，連接件采用普通螺栓，為避免螺栓頭對平面度的破壞采用了沉頭孔的設計。底面和周面折板設計為間隙凹凸交叉折板。

為保證包裝紙不干涉到折板的運動，設計的折板為非對稱式結構，側板、底板為間隙凹凸交叉折板。端向折板可跟隨側板、底板運動。

3.2 周向包裝模塊

周向包裝模塊由雙滑塊四桿周向包裝機構組成。

雙滑塊四桿周向包裝機構：周向包裝采用的雙滑塊四桿周向包裝機構，主要由曲柄滑塊機構和導桿滑塊機構組成，通過導桿的側移、滑塊的上移和曲柄滑塊中側板的上下運動、周向折板旋轉翻折，實現周向包裝。

為保證周向包裝的順序動作，設計二級剛度梯度，對心曲柄滑塊機構帶動導桿左移，即直線滑塊發生左移，此時觸發一級剛度，確保折板整體向中間運動，在側板與禮品盒接觸后，繼續施加力，周向桿和周向折板整體產生彎矩，直線滑塊沿導桿上移，側板和周向折板運動到豎直狀態。

當周向折板達到豎直狀態，禮品盒的寬度方向包裝完畢。繼續驅動直線滑塊左移，與二級剛度桿相連的周向桿受力，此時，觸發二級剛度梯度，周向折板和側板在禮品盒外廓的限制下沿禮品盒高度整體上伸，直至鉸接處到達禮品盒的下沿，二級剛度釋放，周向折板900翻折，達到水平狀態完成頂面的包裝。

3.3 端向包裝模塊

端向包裝模塊由雙滑塊四桿端向包裝機構及舵機翻折機構組成。

3.3.1 雙滑塊四桿端向包裝機構

端向包裝機構仍為前后對稱式設計，主要由曲柄滑塊和轉動導桿機構組成的雙滑塊四桿包裝機構，通過導桿的側移、滑塊的上移和曲柄滑塊中側板的左右運動、端向折板旋轉翻折，適應禮品盒的長度尺寸，實現端向包裝。

三級剛度桿設置在曲柄滑塊的搖桿位置，當驅動對心曲柄滑塊機構后，導桿滑塊受彎矩上移，端向折板和側板保持豎直；繼續施加受力，導桿滑塊機構整體向中間運動一定程度，觸發三級剛度梯度，三級剛度桿推動端向折板和側板向兩側移動。

運動一段距離，當端向折板鉸接點到達禮品盒的邊沿，三級剛度桿施加推力，完成折板的翻折。

3.3.2 舵機翻折機構

為了保證端向包裝的順利，穩定運行，我們使用曲柄搖桿機構，單片機控制舵機旋轉，舵機旋轉帶動連桿，連桿拉動（推動）折板，實現折板抬起與下壓，完成包裝過程。

控制部分采用51單片機、舵機及光電接近開關實現對折板的順序控制。接近開關安裝在左右折板上，當左右折板折好時，折板將緊貼包裝禮品盒，接近開關傳送信號給單片機，之后單片機控制舵機順序翻折。

4 強度校核

禮品盒的抗壓強度校核：

為防止包裝過程中禮品盒被壓變形損壞，對禮品盒進行抗壓強度校核。美國的凱里卡特根據瓦楞紙箱的邊壓強度和周長提出了計算紙箱抗壓強度的公式：

BCT=ECT×（4aXz/Z）2/3×Z×J

根據我們作品可包裝禮品盒的范圍，取其最小尺寸，校核其抗壓強度。紙箱外尺寸為200×150×100mm；毛重G=0.8Kg；經多次使用修正確定安全系數為K=6.5；堆碼層數為N=300/74.3=4（堆碼限高為3米， 堆碼層數取整數）；瓦楞常數aXz=13.36紙箱常數J=0.54，計算得禮品盒的邊壓強度314N/m，校核此過程中的邊壓強度為187（N/m）< ECT=314（N/m），因此整個包裝過程中禮品盒的邊壓強度滿足要求。

5 結論

完成了剛度梯度觸發式自適應禮盒包裝機器人的方案選擇、機構設計、實物制作和強度校核工作，利用多級剛度梯度觸發，使該包裝機適用于不同尺寸禮品盒的順序包裝，可滿足不同禮品盒包裝的個性化需求。

參考文獻

[1]彭文生等主編.機械設計（第2版）[M].武漢：華中理工大學出版社，2000.

[2]唐金松主編.簡明機械設計手冊[M].上海：上海科學技術出版社，1992.

[3]楊黎明主編.機械零件設計手冊[M].國防工業出版社，1987.

[4]劉鴻文.材料力學I（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2004.

作者簡介

胡明偉（1995-），男，湖北省人。大學本科學歷。武漢理工大學測控技術與儀器專業。

作者單位

武漢理工大學 湖北省武漢市 430070