作者：
刘滨 刘建春 刘智超 范达摘要：
为完成不同长度、宽度和高度的纸盒尺寸的产品装盒任务，全自动装盒机需要进行参数调整或零部件替换，以适应这3个尺寸的变化。本文分析了纸盒尺寸变化引起的盒坯料仓的调整方法，推导出盒坯料仓所需位置调整的规律。分析表明，针对纸盒长度、宽度的变化，盒仓仅需调整导向条以适应盒坯的尺寸即可；而对于纸盒高度的变化，还需对盒仓的位置进行调整，以便与吸盘的轨迹相匹配，保证吸盘吸取在正确的位置。纸盒高度变化量为Δh时，盒坯料仓所需位置调整的方向角β为盒坯倾角α的一半，即β=α/2，位移量大小为Δl=Δh×2sin(α/2)。实际样机的测试结果表明了该设计方法的正确性，本文为高速装盒机中盒坯料仓的设计提供了依据。一 引言纸盒包装广泛应用于食品、药品等行业。全自动装盒机集机、光、电和气于一体，具有加工成本低、储运方便以及适用于各种印刷方式的特点，除了向盒坯料仓内放置盒坯外，其余工序如取盒、开盒、放盒、产品入盒、字码压印、关舌、封盒等操作均由机器完成。全自动装盒机的生产效率高，但包装物品的种类和尺寸受限，适用于单一品种的大批量产品装盒。目前，国内的自动装盒机与国外相比在技术方面还有一定的差距，从运行速度看也仅仅处于中高速阶段[1,2]。影响装盒机速度的关键部件是开盒成型装置[3,4]，主要包括盒坯料仓和取盒机构两部分。其中，盒坯料仓用于存储盒坯，取盒机构则负责将盒坯从料仓中取出，将纸盒完全打开并平稳地传递给纸盒输送机构。对于取盒机构的结构和吸盘的运动轨迹，许多学者进行了大量的研究和分析[5,6]，以保证自动装盒机在高速下取盒-开盒-放盒过程的稳定性[7,8]，但关于装盒机对不同尺寸纸盒的适应性方面的报道较少[9,10]。以常见的管式纸盒（见图 1）为例，不同型号的装盒机对于纸盒尺寸各自的适用范围如表 1所示 。为完成3个尺寸的产品装盒任务，装盒机需要进行参数调整或零部件替换。
图1 开盒成型的纸盒表 1 药品包装常用纸盒尺寸范围
纸盒长度、宽度和高度这3个尺寸参数中，任意一个发生变化，自动装盒机中相关工序的执行机构均需要进行调整以适应该变化。相比于其他机构，盒坯料仓是纸盒供应路线的起点，其位置的准确性是关键问题，这是纸盒取出、预打开、开盒、放盒等后续操作能顺利进行的前提，对于高速装盒机尤为关键。二 取盒、开盒过程及料仓中盒坯的位置根据工作方式的不同，开盒成型装置可分为连续旋转式和间歇往复式两种。前者结构简单，占用空间小，调整方便，工作稳定可靠，振动噪声更小，更适用于高速自动装盒机[11,12]，其工作原理如图 2所示。
图 2 连续旋转式开盒成型装置取盒-开盒-放盒动作简图料仓中盒坯一般采用斜折路径的形式存储，倾斜段将盒坯排列整齐，并以某一倾角的姿态输送到取盒工位处，倾角大小取决于取盒工位处吸盘的运动轨迹，力求保证吸盘能将盒坯准确、平稳地取出；水平段用于存储盒坯，且通常设有盒坯输送装置，以向倾斜段补料。取盒机构中，吸盘固定在取盒臂O2S上，S点亦是吸盘前端面的中心点。驱动臂O1 O2绕轴心O1旋转，取盒臂O2S在驱动臂O1 O2带动下一起公转的同时，以某种特定规律绕轴心O2旋转，进而形成吸盘某种曲线形式的运动轨迹。驱动臂转动一周的过程中，即可依次完成取盒、预打开、开盒、放盒等操作。吸盘运动轨迹根据不同的设计要求有不同的形式，其中最简单的一种是图 2中的内摆线。盒坯料仓相对于取盒机构的相对位置决定了吸盘吸取在盒坯上的位置，在纸盒长度方向通常取盒长中心处，如图 3所示，在宽度方向通常的做法是使吸盘中心S距离盒坯上折痕线BB某一偏置距离e。偏置距离e是一个非常重要的技术参数，如该值不能保证，则可能导致盒坯抽出、预打开、开盒、放盒等后续操作无法顺利进行。
图 3取盒时吸盘作用于盒坯的位置纸盒在传送装置中以位于外侧的左下顶点为定位基准。同样的，盒坯料仓中未打开的盒坯也是以右下角A点为定位基准，即任意长度、宽度和高度的纸盒均应使其外侧右下角在同一位置。盒坯四周设有导向条，对盒坯进行导向和限位（见图4）。
图 4料仓中盒坯的位置三 纸盒高度尺度变化后盒坯料仓的调整根据盒坯料仓对盒坯的定位方式可知，纸盒尺寸变化后，盒仓中各限位导向条需进行的调整过程如下。（一）纸盒长度l增大Δl当纸盒长度l增大Δl时，内侧导向条的位置亦需向内侧移动Δl，外侧导向条的位置保持不变。为简化机构，将盒坯上下的4个导向条中位于外侧的2个位置保持固定不变，即该导向条距离纸盒A点的距离固定，仅需调整位于内侧的2个导向条，使其与位于外侧的导向条以纸盒中心为轴心对称布置，因此这2个导向条需向内侧移动Δl/2。（二）纸盒宽度w增大Δw当纸盒宽度w增大Δw时，下导向条的位置保持固定不变，上导向条需向上侧移动Δw。（三）纸盒高度h增大Δh当纸盒高度h增大Δh时，下导向条的位置保持固定不变，上导向条需向上侧移动Δh。由以上分析可知，纸盒宽度w和高度h之中任意一个发生变化，均会导致盒坯的宽度发生改变，因此，盒坯的宽度调整量为Δw+Δh。盒坯的宽度为打开后纸盒宽度w和高度h之和，即w+h。本公司某型装盒机和盒仓结构如图 5所示。
图 5新型全自动装盒机值得注意的是，取盒机构同样也将根据纸盒尺寸的变化进行调整，最终使吸盘的轨迹发生变化。纸盒的长度和宽度发生改变后，盒仓仅需对导向条的位置进行调节，即可与新的吸盘轨迹相匹配，保证吸盒位置的正确。而纸盒的高度改变后，则还需对盒仓的位置进行调整，才能使盒坯在正确的位置，与新的吸盘轨迹相匹配。偏置距离e作为基准尺寸，其取值大小仅取决于纸盒的宽度尺寸w，而与高度h无关，故高度增量Δh亦不会影响e的大小。但高度增量Δh会导致吸盘与盒坯的相对位置发生变化，如图 6所示。因此，如何将盒坯从当前位置AC调整到正确的位置A′C′，以保证取盒时吸盘中心正好落在盒坯上，且偏置距离e不变，就成了关键问题。
图 6纸盒高度变化后盒坯正确位置四 纸盒高度尺度变化后盒坯料仓位置的调整规律以调整前盒坯底边AA所在位置为原点建立平面坐标系XOY，如图 7所示。调整前，纸盒位置用AC表示，其B点即折痕所在位置，于是有如下关系：AB=h， BC=w，AC=h+w。AC与Y轴夹角表示为α，盒坯料仓倾斜段的倾角。吸盘中心位于AC上的S点，BS即偏置距离e。
图 7盒坯料仓位置调整原理示意图纸盒高度增大Δh，吸盘中心S点调整后会垂直向上平移Δh至S′点。盒坯宽度同样增大Δh变为h+Δh +w，设平移后盒坯用A′C′表示，则A′C′将过S′点，又因盒坯仅发生平移，故A′C′∥AC。偏置距离e保持不变，可得当前折痕所在位置B′点，使得B′S′= BS=e。纸盒宽度不变，则可得C′点，使得B′C′= BC=w。纸盒高度变为 h′=h+Δh，可得A′点位置，使得B′A′= h+Δh。于是，A′点相对于A点的位置变化，即盒坯料仓需进行的位置调整，此位置调整可由沿X轴的位移分量ΔX和沿Y轴的位移分量ΔY来合成实现。线段AB、BS、SS′、S′B′、 B′A′的长度和方向均已知，把它们均看作是平面矢量，则根据矢量的线性运算法有:
所求位移量ΔX和ΔY即矢量
分别在X轴和Y轴的分量的大小，又因A点在坐标原点，ΔX和ΔY即分别等于A′点的坐标xA′和yA′。代入各点坐标可得：
将上式进一步简化变化得：
观察式3，发现当α为一定值时，ΔX和ΔY均与Δh成正比，则ΔX和ΔY也呈比例关系，这说明这两个变量相关。利用数学知识可知，矢量的方向为一固定值，则盒坯的平移调整可仅沿此方向的一个直线位移量AA′实现。令矢量的模（即位移量大小）为Δl，其与X轴夹角为β，可得：
从式5可知，调整方向角β确实与盒高增量Δh无关，其大小仅取决于盒坯料仓中盒坯倾角α，且β为α的一半。式4表明位移量大小Δl与盒高增量Δh呈正比，比例系数为2sin(α/2)。从式4、式5可知，调整位移量Δl和方向角β均与盒坯倾角α有关。α理论上可以取[0o, 360o] 内的任意值。在实际应用中，具体确定盒坯倾角α的大小时，要考虑吸盘在整个运动循环中的运行轨迹、姿态和运动特性，结合实际情况综合选取合适的值。表 2给出了几个有代表性的α取值。其中，有两个特殊值：当α=0o时，即盒坯垂直方向放置时，Δl≡0，说明不管纸盒高度如何变化，盒坯料仓的位置均无需变动；当α=60o时，Δl=Δh，调整位移量与盒高增量相等。当α取这两个特殊值，可简化盒坯料仓的设计。表 2常用的α对应的调整角度和位移量
本公司新设计某型装盒机（如图 8所示）中，取α=30o，通过对不同尺寸规格的纸盒的实际运行测试，吸盘吸取纸盒坯位置与设计一致，吸盒、开盒和放盒功能工作正常，证明该设计方法是正确的。
图 8新型全自动装盒机五 结论纸盒长度、宽度和高度的变化均会导致盒坯料仓进行相应的调整，其中对于纸盒长度、宽度的变化，盒仓仅需调整导向条以适应盒坯的尺寸即可；而对于纸盒高度的变化，还需对盒仓的位置进行调整，以保证吸盘吸取在正确的位置。纸盒高度变化量为Δh时，盒坯料仓所需位置调整的方向角为盒坯倾角的一半，即β=α/2，位移量大小为Δl=Δh2sin(α/2)。实际样机的测试结果表明了该设计方法的正确性，本文为高速装盒机中盒坯料仓的设计提供了依据。参考文献
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作者简介刘滨（1979-），男，辽宁锦州人，副高级工程师，现就职于锦州万得包装机械有限公司，从事泡罩包装机、装盒机、小袋包装机的研发设计工作。
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