刚度梯度触发式自适应礼盒包装机器人设计

胡明伟+刘洋+陈晓琳

摘 要 针对目前礼品盒尺寸范围广、包装工作量大、人工包装效率低等问题，设计了一种刚度梯度触发式自适应礼品盒包装机，利用多级刚度梯度触发，结合力学和机构学，使该包装机满足不同尺寸礼品盒的顺序包装要求。

【关键词】刚度梯度 自适应 包装机构

网购已成为一种快捷方便的购物方式，相比传统购物，网购有着节省时间、选择多样以及价格便宜的优势，结合送礼品这种交际方式的普遍性特点，网购礼品成为一种便捷又时尚的在线送礼方式。目前网购礼品销量剧增，礼品盒包装随之急剧增加。经市场调研，平均每个礼品盒包装包装纸所需要的时间为10分钟，目前市面上没有专门针对礼品外包装的机器，礼品店全部采用人工包装，礼品种类礼品盒尺寸的多样影响了包装效率。

针对以上问题，本作品设计了一款刚度梯度触发式自适应礼品盒包装机器人，利用多级刚度梯度触发，使该产品适用于不同尺寸礼品盒的顺序包装，以满足不同礼品盒包装的个性化需求。

1 包装方案的选择

1.1 周向包装机构的选择

周向包装机构主要完成礼品盒周向的纸包装以及包装后的夹紧、固定纸，该机构设计选用双滑块四杆包装机构方案。

1.2 端向侧板包装机构的选择

端向侧板包装机构实现礼品盒端向侧板的折纸包装，该机构设计选用双滑块四杆翻折机构方案。

2 作品整体介绍

该礼品盒包装机分为三大模块：宽度包装模块，周向包装模块和端向包装模块。将刚度分级触发和三个模块相结合，通过一柄简单操作，驱动多级刚度梯度完成顺序包装动作，即可自适应包装不同长、宽、高尺寸的礼品盒。

3 作品原理介绍

3.1 宽度包装模块

主要由对心曲柄滑块机构及对称联动滑台机构、可伸缩式折板组成。

3.1.1 对心曲柄滑块机构.

对心曲柄滑块机构主要的功能为整体包装机构提供动力，实现滑块杆的对称伸缩。

曲柄板通过滚子轴承固定底座上，曲柄圆板上有两个大径为d1=6mm、小径d2=5mm的锥形孔，通过螺杆垫片将连杆铰接在曲柄板上。在滑块杆端头上加工一个直杆，与连杆连接，可作为以转动副相连接的两个杆件。

3.1.2 可伸缩式折板设计

可伸缩式对称折板机构可适应不同长、宽、高的礼品盒，将包装纸精准折合其上。设计为仿手型的凹凸折板，一对折板可交叉伸缩，实现平面内的尺寸适应。不同平面的连接设计为合页铰接，连接件采用普通螺栓，为避免螺栓头对平面度的破坏采用了沉头孔的设计。底面和周面折板设计为间隙凹凸交叉折板。

为保证包装纸不干涉到折板的运动，设计的折板为非对称式结构，侧板、底板为间隙凹凸交叉折板。端向折板可跟随侧板、底板运动。

3.2 周向包装模块

周向包装模块由双滑块四杆周向包装机构组成。

双滑块四杆周向包装机构：周向包装采用的双滑块四杆周向包装机构，主要由曲柄滑块机构和导杆滑块机构组成，通过导杆的侧移、滑块的上移和曲柄滑块中侧板的上下运动、周向折板旋转翻折，实现周向包装。

为保证周向包装的顺序动作，设计二级刚度梯度，对心曲柄滑块机构带动导杆左移，即直线滑块发生左移，此时触发一级刚度，确保折板整体向中间运动，在侧板与礼品盒接触后，继续施加力，周向杆和周向折板整体产生弯矩，直线滑块沿导杆上移，侧板和周向折板运动到竖直状态。

当周向折板达到竖直状态，礼品盒的宽度方向包装完毕。继续驱动直线滑块左移，与二级刚度杆相连的周向杆受力，此时，触发二级刚度梯度，周向折板和侧板在礼品盒外廓的限制下沿礼品盒高度整体上伸，直至铰接处到达礼品盒的下沿，二级刚度释放，周向折板900翻折，达到水平状态完成顶面的包装。

3.3 端向包装模块

端向包装模块由双滑块四杆端向包装机构及舵机翻折机构组成。

3.3.1 双滑块四杆端向包装机构

端向包装机构仍为前后对称式设计，主要由曲柄滑块和转动导杆机构组成的双滑块四杆包装机构，通过导杆的侧移、滑块的上移和曲柄滑块中侧板的左右运动、端向折板旋转翻折，适应礼品盒的长度尺寸，实现端向包装。

三级刚度杆设置在曲柄滑块的摇杆位置，当驱动对心曲柄滑块机构后，导杆滑块受弯矩上移，端向折板和侧板保持竖直；继续施加受力，导杆滑块机构整体向中间运动一定程度，触发三级刚度梯度，三级刚度杆推动端向折板和侧板向两侧移动。

运动一段距离，当端向折板铰接点到达礼品盒的边沿，三级刚度杆施加推力，完成折板的翻折。

3.3.2 舵机翻折机构

为了保证端向包装的顺利，稳定运行，我们使用曲柄摇杆机构，单片机控制舵机旋转，舵机旋转带动连杆，连杆拉动（推动）折板，实现折板抬起与下压，完成包装过程。

控制部分采用51单片机、舵机及光电接近开关实现对折板的顺序控制。接近开关安装在左右折板上，当左右折板折好时，折板将紧贴包装礼品盒，接近开关传送信号给单片机，之后单片机控制舵机顺序翻折。

4 強度校核

礼品盒的抗压强度校核：

为防止包装过程中礼品盒被压变形损坏，对礼品盒进行抗压强度校核。美国的凯里卡特根据瓦楞纸箱的边压强度和周长提出了计算纸箱抗压强度的公式：

BCT=ECT×（4aXz/Z）2/3×Z×J

根据我们作品可包装礼品盒的范围，取其最小尺寸，校核其抗压强度。纸箱外尺寸为200×150×100mm；毛重G=0.8Kg；经多次使用修正确定安全系数为K=6.5；堆码层数为N=300/74.3=4（堆码限高为3米， 堆码层数取整数）；瓦楞常数aXz=13.36纸箱常数J=0.54，计算得礼品盒的边压强度314N/m，校核此过程中的边压强度为187（N/m）< ECT=314（N/m），因此整个包装过程中礼品盒的边压强度满足要求。

5 结论

完成了刚度梯度触发式自适应礼盒包装机器人的方案选择、机构设计、实物制作和强度校核工作，利用多级刚度梯度触发，使该包装机适用于不同尺寸礼品盒的顺序包装，可满足不同礼品盒包装的个性化需求。

参考文献

[1]彭文生等主编.机械设计（第2版）[M].武汉：华中理工大学出版社，2000.

[2]唐金松主编.简明机械设计手册[M].上海：上海科学技术出版社，1992.

[3]杨黎明主编.机械零件设计手册[M].国防工业出版社，1987.

[4]刘鸿文.材料力学I（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2004.

作者简介

胡明伟（1995-），男，湖北省人。大学本科学历。武汉理工大学测控技术与仪器专业。

作者单位

武汉理工大学 湖北省武汉市 430070