為了實現 PVC 扣板的自動包裝，設計一種以瓦楞紙板為包裝材料的 PVC 扣板自動包裝機。

PVC 扣板是一種由 PVC 塑料加工製造成型的裝飾定尺板材，被廣泛應用於建築行業。為防止在運輸過程中 PVC 扣板損壞，目前通常采用瓦楞紙板對 PVC扣板進行包裝。瓦楞紙板作為包裝材料具有良好的緩衝性能 [1—2] 和抗壓性能 [3—4] ，以及較高的性價比 [5] 。但因 PVC 扣板多樣的長度規格，使其無法實現自動包裝，所以在實際生產過程中 PVC 扣板的包裝通常由人工完成。人工包裝 PVC 扣板存在勞動強度大、工作效率低、包裝質量差等一係列問題，因此，設計一台能夠包裝任意長度尺寸的 PVC 扣板自動包裝機具有很大的現實意義。

以瓦楞紙板為包裝材料的包裝機械，其關鍵技術主要是裹包成型及封箱技術。裹包成型主要是通過折疊機構將瓦楞紙板折疊成瓦楞紙箱，從而完成對物料的包裝。劉天植 [6] 等運用變胞機構學的概念對紙盒的折疊軌跡和折疊過程進行了探討，生成了紙盒盒片的折疊運動軌跡，為複雜盒型自動折疊機構設計提供了依據。王斐 [7] 等運用 SolidEdge 模擬瓦楞紙板到紙箱的三維形成過程，考察了折彎命令執行誤差的影響條件，認為“材料外側”的折彎方式對折彎命令的影響最小，板厚越大對折彎命令影響越大。Chen Q [8] 等研究了導軌在折疊紙箱結構設計中的應用，並討論了導軌在葡萄酒包裝中的特殊作用。Mullineux G [9] 等基於幾何約束對紙箱折疊操作進行了仿真，確保了紙板的完整性從而實現紙箱成為封閉的環形。張有良 [10] 等通過對高速紙箱包裝機的結構組成和基本原理進行分析，設計了一種啤酒飲料的全自動高速紙箱包裝機。同時，隨著封箱技術日趨完善封箱機械也迅速發展。劉武 [11] 等研究了膠帶自動封箱機的結構設計。尤鬆 [12]等設計了一種用於解決家具行業中塊狀長木板包裝後封口問題的紙箱膠帶自動封口裝置。陳培生 [13] 等通過在 YP11 自動裝封箱機的膠帶粘貼部件出口加裝吹風檢測裝置，有效地解決了煙箱封口膠帶粘貼不牢和膠帶搭口卷邊問題。張福華 [14] 等設計了一種自動檢測粘貼及整形裝置，通過引入膠帶的滾輪組的調整能實現智能化粘貼，保證了封箱膠帶的粘接強度，避免了褶皺、重疊缺陷的出現。孫好文 [15] 等進行了裝封箱機自動調節封膠帶裝置的設計，通過采用接近開關和電機的配合，實現了膠帶鬆緊的自動調節，保證了煙箱封箱質量。張迎新 [16] 等對卷煙封箱用膠粘帶關鍵質量參數與上機適用性進行了研究，得出了提高粘接效果的膠粘帶關鍵質量參數。雖然前人對紙箱包裝機做了很多工作，但是現在還不能實現對 PVC 扣板的自動化包裝。文中基於功能分析法，設計了一種 PVC 扣板自動包裝機，實現了特定寬度不同長度 PVC 扣板的自動包裝。

1 PVC 扣板包裝工藝

PVC 扣板是一種裝飾定尺板材，文中所要求包裝的 PVC 扣板尺寸為：長 3000～7000mm；寬 220～300 mm；厚 120～200 mm。PVC 扣板的包裝材料為瓦楞紙箱，紙箱的封箱材料為膠帶。

包裝過程中，首先將需要包裝的 PVC 扣板放置於紙箱結構的底麵位置區域，然後依次折疊側麵、頂麵、側麵鴨舌、頂麵鴨舌、和底麵鴨舌，最後用膠帶在箱體頂麵的縱向、橫向以及端麵封箱。

2 PVC 扣板自動包裝機功能分析

2.1 總功能確定

功能被定義為能量、物質、信息的輸入和輸出之間的關係；相應的，用能量、物質、信息流的轉換可以表達功能。PVC 扣板自動包裝機的輸入量為 PVC 扣板、未經折疊的瓦楞紙箱以及各種能量、信號等，輸出量為 PVC扣板的包裝成品以及反饋信號等，因此，該 PVC 扣板自動包裝機的總功能為改變物料狀態。

2.2 功能分解

總功能抽象複雜，無法形成清晰明確的設計主線，因此需要對總功能進行功能分解。根據所設定的總功能及 PVC 扣板包裝工藝要求，采用自頂向下（top-down）的功能分析法進行功能分解，分解出的子係統包括：裹包成型、膠帶封箱、物料輸送 3 個子係統，然後再針對這幾個子係統進行逐級的功能分解，直至分解出的分功能滿足功能元的要求。

2.3 功能元求解

功能元求解就是尋求實現各功能元的物理作用，求解方法包括：直覺法、調查分析法及設計目錄法。

根據該自動包裝機的特點，綜合利用以上 3 種方法對各功能元求解。通過把係統的分功能或功能元作為縱坐標，把各功能元所對應解法作為橫坐標，構成形態學矩陣。該 PVC 扣板自動包裝機的係統解形態學矩陣。

2.4 原理解組合及最優解的確定

根據表 1，將功能元解交叉組合，得到多個係統原理解，則係統原理解的組合方案數為：2×2×2×2×2×2×3×2×3=1152。由此可見形態學矩陣組成的

係統方案較多，難以對其逐一評價。通常根據以下 3點進行方案評價，從而選出最優方案。

1）功能元解之間必須相容。由 PVC 扣板包裝的工藝要求可以得出，當 PVC 扣板包裝機的物料輸送選為輸送帶輸送時，由於未折疊的瓦楞紙箱與輸送帶接觸，不利於紙箱的側麵折疊和底麵鴨舌的折疊動作，也不利於折疊機構的布置，因此物料輸送應選用輥筒輸送線，則剩餘的可選方案為 576 種。

2）優先選用功能元的較佳，依據該解，選擇與它相容的其他功能元解。裹包成型和膠帶封箱 2 個係統直接關係到 PVC 扣板的包裝質量，因此這 2 大係統是 PVC 扣板自動包裝機的核心。裹包成型的作用就是折疊瓦楞紙箱將 PVC 扣板包裹起來，在這過程中可以將紙箱上的折痕作為轉動副，紙箱各部分在旋

轉機構的驅動下繞折痕旋轉最終完成裹包動作。但是由於 PVC 扣板易損壞，因此旋轉機構的驅動方式應有緩衝作用，所以選用氣缸為動力源的折疊機構。同理，膠帶封箱的行走機構也應選擇具有緩衝作用的氣缸為動力源。同時選用氣缸為動力源還具有操作簡單、控製方便的優點。由此可以選定側麵折疊、側麵鴨舌折疊、頂麵鴨舌折疊、底麵鴨舌折疊、兩端封箱及橫向封箱的解，剩餘可選方案為 4 種。

3）剔除不滿足設計要求、約束條件或令人不滿意的解。
縱向封箱的 2 個原理解都能完成所需功能，但是采用物料固定移動膠帶封箱時所需要的空間更大，結構更複雜，成本也更高，所以選用了物料兩側通過帶式輸送和固定式膠帶封箱的結構。頂麵折疊的2 個解中倒 V 字形下壓機構折疊效果更好，因此選用倒 V 字形下壓機構。
通過以上分析，得出最優解的組合為 A2+B2+C1+D2+E2+F2+G1+H1+I1。

3 最優方案的具體設計結果
根據最優解方案，生產出的 PVC 扣板經人工檢查後放置到物料供送位置的瓦楞紙箱板上，然後運送到裹包成型區，首先經過側麵折疊、頂麵折疊，將 PVC 扣板的側麵和頂麵裹包。然後，前端麵的側麵鴨舌折疊機構、頂麵鴨舌折疊機構和底麵鴨舌折疊機構依次動作，將前端麵裹包成型。前端麵裹包成型後，端麵封箱機構動作，完成前端麵的封箱。前端封箱完成後，物料繼續向前輸送到縱向封箱機構，從而完成縱向封箱。縱向封箱一定距離後間歇停止，此時紙箱前端超出橫向封箱機構，然後橫向封箱機構動作，在紙箱頂麵完成橫向封箱。如此間歇動作完成縱向封箱和橫向封箱。紙箱輸送過程中，當紙箱末端到達末端折疊區域時，停止輸送，並完成末端折疊，然後端麵封箱機構動作完成末端封箱。最後，包裝好的 PVC 扣板被輸送出來。

3.1 裹包成型係統設計

根據各功能元最優解原理結合機械設計理論對裹包成型係統進行設計。側麵折疊是裹包成型的第一步，折疊時由氣缸將壓板頂起翻轉 90°，將側麵紙板沿著側麵與底麵之間的折痕折起。為使 PVC 扣板在輸送的過程中保持整齊緊湊，壓板表麵安裝兩無動力輥筒。完成側麵的折疊後，連續進行紙箱的頂麵折疊，

倒 V 字形下壓機構。下壓過程中，倒 V 字形的機構的夾角逐漸變大，直到 180°，下壓結束後，機構在彈簧的作用下恢複到初始狀態。倒 V 字形結構的主要作用是使頂麵兩對稱部分在下壓過程中往中間折疊，從而提高頂麵裹包質量。側麵折疊機構和頂麵折疊機構見紙箱的頂麵分為對稱的兩部分，該折疊機構設計選用。

完成側麵及頂麵的裹包之後，進行端麵的鴨舌裹包，兩端麵的鴨舌折疊順序為側麵鴨舌、頂麵鴨舌、底麵鴨舌。兩氣缸推動連杆運動，完成側麵鴨舌折疊。折疊過程中，下壓板壓緊紙箱頂麵，防止鴨舌折疊過程中頂麵變形，然後前折板在氣缸驅動下完成頂麵鴨舌的折疊。氣缸推動壓板旋轉從而完成底麵鴨舌的折疊，為避免頂麵鴨舌彈性變形影響封箱效果，底麵鴨舌折疊應該在頂麵鴨舌機構收回前，同時底麵鴨舌壓板內側安裝彈力海綿，以持續提供壓力，有效地避免底麵鴨舌變形。

3.2 膠帶封箱係統設計

膠帶封箱係統的關鍵機構是膠帶封箱機芯，它可以懸掛膠帶，對紙箱進行封箱與切帶。

兩端封箱機構有 2 個反向安置的膠帶封箱機芯，由無杆氣缸驅動行走。在對兩端進行膠帶封箱時，無杆氣缸推進，帶動前端機芯完成前端封箱，然後紙箱繼續向前輸送當紙箱後端完成裹包後，無杆氣缸返程，帶動後端機芯完成紙箱後端封箱。

紙箱完成前端封箱後，裹包成型的紙箱以間歇運動向前輸送。在輸送的過程中，縱向封箱機構同時完成對紙箱的縱向封箱。縱向封箱機構的膠帶封箱機芯固定，機芯高度依靠滾珠絲杠手動調節，兩側裝有帶式驅動裝置，對紙箱起驅動和定位作用。

橫向封箱機構的功能是在包裝箱頂麵進行橫向膠帶封箱，經過橫向封箱，頂麵的紙箱會更加牢固，避免在搬運時引起開裂。橫向封箱機構主要包括膠帶封箱機芯、機芯升降機構、機芯行走機構、紙箱夾緊機構以及位置檢測裝置。橫向封箱時，機芯運動路線見10b。A 點為機芯的初始位置，B 點為封箱開始位置，從 A 點下降到 Ｂ 點後，兩側紙箱夾緊機構夾緊紙箱，防止封箱過程中紙箱橫向移動。B 點到 C 點是機芯的封箱的過程，該過程中，機芯在 B 點由無杆氣缸拉至 C 點，完成對紙箱的橫向封箱。完成橫向封箱後，夾緊裝置收回，機芯由 C點到 D 再返回到 A 點的過程為機芯的複位過程。

4 實驗驗證

為了驗證該 PVC 扣板自動包裝機的工作效率和穩定性，加工裝配了包裝機的實驗樣機。通過對設備進行大量的試驗，得出了自動包裝機的工作效率和包裝質量的相關數據

1）工作效率。由於 PVC 產品種類繁多，消耗時間不盡相同，最長的 7 m 扣板耗時最久，因此選用 7m 長的扣板進行設備運行時間試驗。通過對 500 包 7m 長 PVC 扣板進行試驗驗證，該包裝機的平均包裝效率為 55 s/包。

2）包裝質量。包裝質量的要求是紙箱完整、美觀，不發生撕裂、無劃痕，無明顯褶皺，膠帶粘貼到位，鬆緊度適中。通過對 500 包各種規格的產品進行包裝試驗得出，92.4%的裹包質量滿足包裝要求，存在少量瓦楞紙箱撕裂和劃痕現象；87.2%的封箱質量滿足要求，存在主要問題為膠帶未能粘貼到位；最終 83.6%的包裝產品滿足包裝要求。

不合格包裝品的出現主要由以下幾個因素造成的：同一規格的 PVC 扣板長度尺寸誤差較大，導致在裹包過程中裹包係統對瓦楞紙箱造成損壞或使裹包成型的紙箱尺寸出現偏差，繼而影響膠帶粘貼質量；由鋁型材搭建的實驗樣機加工裝配誤差較大，穩定性不足，造成裹包和封箱動作出現偏差，影響包裝質量；兩端封箱機芯沒有豎直方向的運動單元，PVC扣板尺寸誤差較大時會影響端麵鴨舌的長度，造成無法粘貼到位。根據以上 3 點後期可以對包裝機做出以下改進：控製同一規格 PVC 扣板的尺寸誤差範圍，以 7 m 長 PVC 扣板為例，其誤差應控製在 1 cm 之內；提高包裝機的裝配精度和穩定性，可以采用焊接機架代替鋁型材機架來實現；在 PVC 扣板尺寸誤差不可控的情況下，可以給兩端封箱機芯增加豎直方向的運動單元和端麵鴨舌的位置監測單元，以適應端麵鴨舌的變動，提高包裝質量。

5 結語

基於功能分析法設計了一台 PVC 扣板自動包裝機，該自動包裝機通過人工上料後，能夠實現 PVC扣板的自動包裝工作。該自動包裝機結構靈活，通過調節可以滿足不同寬度和包裝厚度的 PVC 扣板的包裝，且通過傳感器識別功能，能自動完成不同長度尺寸的 PVC 扣板的識別和包裝。通過搭建樣機，實驗驗證了該包裝機具有較高的包裝效率和包裝質量。該包裝機應用於 PVC 扣板包裝過程，提高了 PVC 扣板生產的機械化、自動化水平，提高了生產效率，節約了勞動成本，具有廣闊的應用前景。同時，該包裝機對未來設計大型板材瓦楞紙箱包裝設備具有借鑒意義。

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