一種書籍自動捆扎裝置的研究

劉嘉明 黃匯遠 趙欣南 邊嘉偉 劉嘉麒

1.上海電機學院，中國·上海 201306

2.山西工程技術學院，中國·山西 陽泉 030002

1 引言

每年的春秋兩季，正值學生開學，學校對于書籍的需求激增[1,2]。然而，目前中小型書籍打包企業大多使用市場上通用的自動或半自動書籍打包機，在使用上述打包機進行書籍捆扎的過程中，操作人員需在人工分揀分堆書籍時將書籍保護套手動加入每堆待捆書籍中，從而進行單堆書籍捆扎工作，而往往由于操作人員分揀分堆書籍時的快慢，造成工作時間的增加；針對使用痛點，論文研究了一種書籍自動捆扎裝置，旨在解放人力遞送書籍的同時，快速、準確、高效地完成書籍捆扎工作[3,4]。

2 裝置機構設計

2.1 總體設計特征

裝置主要由書籍捆扎機構、書籍輸送機構和固定機架組成。書籍捆扎機構由書套捆扎機構與束帶捆綁機構兩部分構成。兩者在機械機構上大同小異，唯一的區別是使用的捆扎帶寬度尺寸不同，從而相應的與捆扎帶有直接關系的機械結構尺寸不同。書籍輸送機構由一級輸送機構、二級輸送機構和三級輸送機構組成，每級輸送機構均由一組或兩組四桿傳送帶機構組成。

書籍捆扎機構由兩個蝸輪蝸桿減速直流電機提供轉矩，帶動通過聯軸器安裝在驅動軸上的橡膠材質的送帶輪和收帶輪轉動，送帶輪和收帶輪接觸處壓緊配合，利用送帶輪、收帶輪和捆扎帶之間三者間摩擦系數不同，從而實現紙帶的輸送與收回，而后使捆扎帶通過內部導路進入龍門導路，從而實現捆扎帶捆扎就緒狀態。

四桿傳送帶機構由一個兩相步進電機提供動力，通過聯軸器將驅動轉矩傳遞給驅動桿，使得驅動扭矩通過履帶帶動三個從動桿轉動，從而實現四桿傳送帶機構水平方向運動，帶動履帶上的書籍運動，實現捆扎運動待捆物品進給的連續性。

書籍自動捆扎三維化設計如圖1所示。

圖1 書籍自動捆扎三維化設計

2.2 主要機械機構設計

書籍捆扎機構由書套捆扎機構與束帶捆扎機構組成，由于兩者內部機械結構相似，故僅對書套捆扎機構進行說明。

送帶輪驅動蝸輪蝸桿減速直流電機通過凸緣聯軸器與送帶輪驅動桿相連接，送帶輪固定在送帶輪驅動桿上，收帶輪驅動蝸輪蝸桿減速直流電通過凸緣聯軸器與收帶輪驅動桿相連接，收帶輪固定在收帶輪驅動桿上；粘黏固定塊懸掛焊接在捆扎平臺下的安裝框架，噴涂裝置安裝于粘黏固定塊內部水平導路，可在粘黏固定塊內部實現水平移動；捆扎帶內部導軌焊接在固定機架上，與龍門導路端口相接，從而保證捆扎帶順利從書套捆扎機構內部導路進入龍門導路，使得裝置進入捆扎帶捆扎就緒狀態。考慮到捆扎帶二次加緊后截斷，保證下一次捆扎操作的可持續性，裝置在第一按壓塊側端面增加了切割環節，用于捆扎完成后已使用捆扎帶與未使用捆扎帶在適當的位置進行分離，大大提高了捆扎操作的連續性。刀具安裝在第一按壓塊與第二按壓塊相接觸的端面導軌上，可實現刀具在第一按壓塊側端面軸向豎直移動，通過刀具銳利刀鋒對捆扎帶進行切割。

書籍輸送機構由一級輸送機構、二級輸送機構和三級輸送機構組成。其中，一級輸送機構由兩組四桿傳送帶機構組成，二級輸送機構由兩組四桿傳送帶機構，三級輸送機構由一組四桿傳送帶機構組成。

兩相步進電機焊接在電機托板上，電機托板焊接在端面外框架上，電機托板承載在其上的組件重力與扭矩；驅動桿與三個從動桿驅動桿外緊緊包被履帶，由履帶傳遞驅動桿上的扭矩與從動桿，從而實現一級輸送機構水平面內水平運動；端面外框架由固定桿通過螺栓連接加固輸送機構外框架穩定。

2.3 電氣控制設計

書籍自動捆扎裝置的電氣控制核心采用STM32F 103ZET6型號單片機。書籍捆扎機構與書籍輸送機構實現功能可分為單堆書籍捆扎與書籍進給，前者具體表現為捆扎帶的送帶、壓帶、抽帶和切帶四個環節，后者則表現為書籍輸送。

控制系統設計如圖2所示。

圖2 控制系統設計

3 設計優點

本裝置通過增加書套捆扎機構，僅改變捆扎帶尺寸寬度與材料用料，創新性地以二次捆扎的方式包裹書籍保護套，實現每捆書籍保護套機器自動添加。并且由于使用捆扎形式增加保護套，高效的捆扎機精度使得保護套功用大大增加，也節省了生產時間成本。

4 結語

書籍自動捆扎裝置是一個拓展性、應用性很廣泛的設計項目，具有很高的應用前景。通過機構機械電氣設計與三維化建模，團隊設計了一種書籍自動捆扎裝置，具有進給連續，使在輸送機構上的待捆書籍可以源源不斷地進行捆扎操作，有效減少操作時間；一捆兩效，在不改變捆扎機構捆扎原理的前提下，通過改變捆扎帶的尺寸寬度保證書籍保護套與捆扎帶均由機器完成，在提高工作精度與效率的基礎上有效減少了人工分揀的操作時間。