一种快递纸箱自动包装机的设计

文/李永明 于海瑞，烟台南山学院；松下电气（苏州）

1 设计背景及意义

随着电商的快速发展，很多商家每天的发货量达到了几千件甚至上万件，而在快递纸箱的包装过程中，大部分还是由手工进行，浪费了大量的人力物力。以2015年的快递业务量推算，初步预计去年中国消耗了包装箱99亿个、胶带169.5亿米、避免撞击的缓冲物2 9.7亿个。

本设计方案发现了电商环节中的包装难点，替代人工，解放双手，并且人工包装纸箱时胶带缠绕位置不固定，不美观，该产品避免了这些缺点，性能稳定，更精确、美观、环保等特点，并且该产品还自动粘贴快递单，扫描并储存快递单信息。给快递的取件工作节省了时间。

并且，人工包装纸箱和胶带没有统一标准，容易造成胶带的浪费，一家卖母婴产品的网店为了获得买家“包装严密”的好评，每个月使用近2万米的胶带包装，造成了巨大的浪费和环境污染。理应避免过度包装，并建立标准化的快递包装。

2 纸盒包装机的设计方案

本产品采用模块化组装的设计方式，将纸盒包装的过程一一分解成固定的工作流程，具体量化，然后流程一一分配给各自的模块，过程清晰，流程简单。先压紧纸盒，之后经过传送带到达指定位置，后由机械手抓取放置在旋转盘上，固定预紧，胶带缠绕机构启动，开始给纸箱缠绕胶带。

3 系统设计

3.1 纸箱压紧装置

快递的包装一般有塑料袋和纸箱2种，但是随着快递服务业的快速发展，由于塑料袋易磨损，易变形，不耐挤压，易污染环境等缺点，渐渐被纸箱取代。快递纸箱包装的第一步，就是将不同材质的各种物体放入纸箱后，将纸箱盖压紧。本产品的纸箱盖压紧装置如下图所示：

图1 纸箱压紧机

目的：将产品装入正在通过输送机传送的纸箱内之前，压紧盖板。

动作：纸箱到达产品装箱位置后，压板向下转动，压紧盖板通过机器人将产品放入纸箱内部后，使压板复位，并将装入产品的纸箱传送到区域外，用于工厂内传送产品装箱的场合。

规格：W355×D200×H300

压板旋转角度：90°

外形尺寸：W788×D443×H592

定位精度：±3mm

选择摆角为90°的旋转驱动

3.2 不同规格纸箱固定夹紧装置

为了确保设计在实际生活中的适用的广泛性，设计需要满足不同规格尺寸纸箱的包装，所以需要制作出一个满足这样条件的——不同规格纸箱固定夹紧装置。

图2 不同规格纸箱固定夹紧装置

设计参数：

设计目的：固定不同规格工件的夹具，可根据工件规格变更肘夹的位置，使用蝶形螺栓，以便使肘夹轻松在腰形孔中滑动的机构，基于把手动作的手动机构。

工作对象：树脂箱体

小工件外形：W100×D50×H10大工件外形：W100×D200×H 100腰形孔行程：300mm

外形尺寸：W500×D250×H108

3.3 智能纸箱抓取系统

在压紧装置对纸箱操作后，纸箱按照预定流程进入流水线，流水线载着纸箱到达指定位置停止，等待抓取系统的操作。抓取装置由一块STM32单片机和6个步进电机，一个可伸缩的机械手构成。

抓取过程：在纸箱传送到指定位置，机械手开始抓取纸箱，抓取纸箱后，将纸箱由机械手运输至静止的转台中放下，抓取系统即完成任务。

3.4 马达旋转转台

马达驱动转台是放置机械手运输的纸箱，并与胶带进给装置配合，为纸箱缠绕胶带封箱。

图3 马达驱动转台

3.5 胶带进给机构

图4 胶带进给结构图

目的：利用滚轮送出胶带、薄片状工件。

形状：薄膜、板

规格：W20×t0.1mm

外观尺寸：W209×D110×H168mm

进给速度：300mm/s

张力：4N

夹紧压力：10N

由于以张力：4N：夹紧压力：10N、速度：300mm/s进行送出，因此选择50W的马达

设计要点及计算过程：

计算轴换算负载惯量条件值：进给导向轴的惯量 JO=0.028kg·cm²、联轴器的惯量 JC=0.028kg·cm²、进给滚轮的惯量 JR=0.170k g·cm²

轴换算负载惯量JL，JL=JC+JO+2×JR，JL=0.028+0.028+2×0.170 =0.396kg·cm²

惯量比m，m=JL/JM，m=0.396/0.045 =8.8＜17倍（马达规格推荐值）

计算加速时的扭矩

条件值：驱动部效率 η=0.800 、马达转速 N0=190.985r/min、加速时间 Tsa=0.500s、马达轴换算负载扭矩 TL=0.097N·m

上升加速时的扭矩TMa，TMa=（（（（JL/η）+JM）×N0）/（9.55×104×Tsa））+TL，TMa=（（（（0.396/0.800）+0.045）×190.985）/（9.55×104×0.5））+0.097 =0.099N·m

最大扭矩出现在加速时，根据额定扭矩Ttyp=0.160N·m，峰值负载率Rp，

Rp=（TMa/Ttyp）×100，Rp=（0.099/0.16）×100=61.875%

通过计算各动作模式时的扭矩来计算有效负载扭矩，

0.0 96 N·m＜0.16N·m（额定扭矩）

进给滚轮实施滚花加工，压紧滚轮使用聚氨酯橡胶，提高了摩擦系数。可通过变更弹簧来调整夹紧压力。

4 产品总装与调试

工作流程如下：

首先在传送带将纸箱送入纸箱压紧装置后进行压紧盖盖，完成初步的包装，然后纸箱抓取装置将纸箱抓取到自动夹紧装置，马达驱动转台带动自动夹紧的纸箱旋转，机械手协助胶带进行初步的粘贴，纸箱旋转带动胶带缠绕，缠绕完毕后智能贴标签系统进行贴标签动作，完成包装，并且可以进行二维码的扫描。

5 产品设计创新点

将纸箱包装与贴二维码结合在一起，使得工作流程统一，工作效率大为提高，自动化集成度高，可利用范围广，不同尺寸和规格的纸箱都可以进行包装与运输，极大的节省了快递纸箱包装中的人力成本与时间成本。并且，使用标准化胶带包装，减少了胶带的浪费，减少了对环境了污染。通过扫描二维码连接互联网后，可以进行纸箱的分拣，以及物流的查询。使包装的纸箱在牢固严密的同时，具备了初步的互联网＋的能力。