智能包装机构关键部件设计与分析

生国锋，杨 龙，徐 惠

（枣庄科技职业学院，山东 枣庄 277000）

0 引言

随着社会的发展、物流企业的增多以及工业化水平的进步，刺激并促进了包装生产的发展[1，2]。以网络购物为例，仅2016年的双十一当天，各大电商的销售额总和就超过1770亿元，同比增长44%，进而给包装行业带来巨大的压力，人工对商品货物的包装需要耗费大量的成本，而且包装质量受限于工作人员的熟练程度，甚至会给商品的包装带来一定的损坏，效率较低，难以满足当前的需求[3，4]。

针对以上问题，本文提出一种智能商品包装机构的设计，该机械结构简单可靠，能够完全代替人力操作，具有良好的社会效益和经济效益。

1 包装机构总体设计方案

1.1 包装机构类型

在机械工程领域内，包装机构具有多种分类方案。按照包装机构的机械自动化程度，可将包装机构分为全自动和半自动两种。全自动包装机械主要用于自动供货系统，能够完全脱离人工干预完成货物或商品的包装任务[5]。半自动包装机构需要一定数量的工人进行填料，设备自动化程度有限。根据被包装产品的类型不同，可将包装机构分为专用、多用以及通用包装机构，分别应用于单一、多样以及某个范围内产品的包装。

本文所设计与研究的包装机构为全自动通用包装机构，能够有效地完成商品的扫描、填充、贴单、包装等任务，可显著地解决当前电商发展带来的包装能力不足问题。

1.2 主功能实现方案

在功能实现方面，该智能包装机构实现包装任务需要多个机械部件与电子器件的协同工作[6]，实现智能包装功能主要依赖于测量光幕、MCU、直流推杆电机、机械手臂、光电传感器、滚筒、液晶显示屏、触摸感应器、普通式履带、L298N驱动等部件。包装机的整体机械结构如图1所示，主要包括升降机构、传动机构、封箱机构和裁剪机构等，可在较短的时间内完成不同大小尺寸商品的包装。在传感器的监测作用以及传动机构的工作条件下，包装机构能够迅速实现商品的扫描、测量、包装，并在最终环节完成商品或货物物流单号的打印、粘贴，大大缩短了整个物流运输的时间。

在控制方面，主控器采用STM32RCT6单片机，其驱动电路如图2所示。该类型单片机的主频为108 MHz，具有单周期乘法器和硬件除法器，NVIC支持16个外部中断，且每个中断有16级优先级。

图2 主控器驱动电路

根据该包装机构的工作原理和流程可知，其可操作性强，能够适应的被包装商品的重量和大小，比如鞋子、皮包、电脑等。包装的主功能实现流程如图3所示，其具体工作过程为：（1）当包装机开启运行时，包装材料供送装置将带动包装材料向指定的方向匀速前进。（2）箱体到达胶带粘贴机构后，经过胶带剪切器剪切，四边进行封口，并将物料填充至包装材料内。（3）包装材料在机械手装置的作用下继续向下运动，到达胶带裁剪位置时，步进电机启动，由封箱机构完成包装袋顶封，并经胶带裁剪机构切断，至此完成一个工作循环，从而进入下一个阶段工作流程。

图3 主功能实现流程

1.3 封口形式及封箱机构的设计

封口形式采用的方案为简单的胶带切割，在实际的应用中也起到了良好的作用效果。图4表示胶带裁剪机构，胶带裁剪机构的总体构造较为简单，零件的可加工性较为理想，MCU收到反馈信号后，控制步进电机的转动，从而可以很好达到裁剪长度的控制，来回的滑块可以很好的使箱体的侧面封装达到一个很好的封装效果。封装机构如图5所示，可配合机械夹持机构提高封装的质量。

图4 胶带裁剪结构

图5 封装机构结构图

2 关键部件有限元分析

2.1 仿真分析方案

为了校验结构设计的安全性和可靠性[7]，本文采用有限元分析方法对包装机构的关键承载部件进行有限元分析，选用的软件为ANSYS，分析类型为静态结构分析。有限元分析的步骤主要包括前处理与后处理两部分。本文采用自由网格划分方法，通过refine控制各个元件的网格畸变率，均满足计算精度。

2.2 胶带裁剪机构静态结构分析

胶带裁剪机构的静态结果分析结果如图6所示，可以看出，在特定载荷下，应力分布状态与载荷一致，该结构表现出一定的应力集中现象，最大应力为153.84 MPa，低于材料的屈服强度。在工程实践中，裁剪机构的刀齿需要充分满足强度和韧性，因此一般采用调质钢作为基础材料。其它部分的材质可采用铸铁，能够确保良好的减震性能。两种不同材料之间的结合可采用焊接连接，也可设计特定螺栓连接结构。

图6 胶带裁剪机构应力云图

2.3 载物板升降孔静态结构分析

升降机构载物板也是包装机构重要的承载部件（结构如图1中的元件9所示），其升降孔内部的应力云图如图7所示，从图中可以看出，在货物重力作用下，应力呈环状分布，最大应力为20 MPa，位于导槽位置。升降机构载物板在工作中主要起到传递商品和包装箱的作用，在整个过程中是必不可少的，同时也是三层循环原理的重要来源。

图7 升降机构载物板应力云图

3 运行及控制方案

3.1 控制方案设计

针对包装机构的多个工作流程，采用分级控制方案，在智能控制系统中的基本要求有：（1）对于工作环境和条件有着较强的适应性，能够快速、准确地与上位机实现数据通讯，执行机构响应效率高[8]；（2）电子器件稳定性高，能够在高干扰和恶劣环境下正常运行；（3）低功耗，性价比高，易于控制。

3.2 硬件设计

在硬件设计方面，本文采用功能模块化的方法对各个功能进行设计。因此，将硬件模块分为料装和封装模块、称重模块、数据传输模块、机构执行模块等。在分级控制条件下，各个模块之间具有优先级限定，可有效实现集中性控制和发散性控制的结合。

料装和封装模块采用了GK35-2C型封口控制器，该控制器能够包装厚度和料装频率控制封装的范围和轨迹。称重传感器选用德国HBM数字式称重传感器，具有接线简单、易于数字化通讯、自诊断等优点，极限负载高达3 t，灵敏度在0.1 g.在数据传输方面，系统可实现无线远程信号输送，基于无线网卡发送指令信号。对于传感器的信号采集，系统选择ADAM-5017系列采集卡实现较高精度信号的获取，能够完成八通道的程序设定。驱动模块选用无刷直流伺服电机，易于变成控制。备用供电端为锂离子蓄电池组，具备自身监测和预警能力。

4 结束语

目前，国内包装机构行业处于快速发展阶段，但是诸多设计对于智能化水平的提升不够重视，使得产品使用寿命短，耗费较多人力。本文所设计的智能包装结构能够实现全自动通用包装，根据预置和设定，高质量地完成商品的扫描、填充、贴单、包装等任务，在当前社会背景下具有良好的应用前景。