摘 要

如今，随着快递物流业的飞速发展，为了保证商品在运输途中不致于损坏，由于瓦楞纸箱为最广泛使用的包装材料，不可避免要用到瓦楞纸箱作为外包装盒，但由于数量众多，利用人工手动将瓦楞纸箱进行开箱封底操作不仅效率低下且成本较高，为使解决这一问题。本文借助三维软件Solidworks建立自动开箱机的三维模型，设计了主机架、上箱机构、吸箱展开机构、前后盖折边机构、左右盖折边机构、推箱机构、纸箱固定机构等一系列结构来完成对瓦楞纸箱的开箱封底操作，尺寸经过严格计算不致于总装发生干涉，各部分结构均可调整，另外在设计时完成了对自动开箱机重要零部件的校核。由这些结构所组装的自动开箱机可以完成对各种型号瓦楞纸箱开箱封底的自动化操作，其意义在于减少人的劳动强度，降低人工成本，缩短包装纸箱的周期，使包装产品可以更快地响应市场，以便获得更大的经济效益。

关键词：瓦楞纸箱；自动开箱机；开箱封底；自动化操作；

Abstract

Nowadays, with the rapid development of express logistics industry, corrugated cartons are inevitably used as outer packing boxes in order to ensure that goods are not damaged during transportation. Because corrugated cartons are the most widely used packaging materials, they are inevitably used as outer packing boxes. However, due to the large number of them, manual operation of opening and sealing corrugated cartons by hand is not only inefficient but also costly, so as to solve this problem. 。 In this paper, the three-dimensional model of the automatic box-opening machine is established by using the three-dimensional software Solidworks. A series of structures are designed, such as the main frame, the box-loading mechanism, the suction box unfolding mechanism, the front and rear cover folding mechanism, the left and right cover folding mechanism, the pushing mechanism and the fixed mechanism of the carton, to complete the opening and sealing operation of the corrugated carton. After strict calculation, the size does not interfere with the total packing, and the structure of each part is uniform. It can be adjusted. In addition, the important parts of the automatic box opener have been checked in the design. The automatic opening machine assembled by these structures can complete the automatic operation of opening and sealing the bottom of various types of corrugated cartons. Its significance is to reduce labor intensity, reduce labor costs, shorten the cycle of packaging cartons, so that packaging products can respond to the market faster, so as to obtain greater economic benefits.

Key Words：Corrugated box；The automatic open-box machine；Open and seal the bottom；The automatic operation.

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及研究的目的及意义 1

1.1.1 课题背景 1

1.1.2 研究目的及意义 1

1.2 国内外发展现状 2

1.2.1 国外发展 2

1.2.2 国内发展 2

1.3 本课题研究内容和方法 3

1.4 本章小结 3

第2章 结构设计方案 4

2.1 整体结构概述 4

2.2 部件设计方案 4

2.3 功能实现方案 6

2.4 本章小结 7

第3章 部件机构设计 8

3.1 上箱机构设计 8

3.1.1 结构组成及工作原理 8

3.1.2 尺寸设计 9

3.2 主机架设计 10

3.2.1结构组成及工作原理 10

3.2.2 尺寸设计 10

3.3 吸箱展开机构设计 11

3.3.1 结构组成及工作原理 11

3.3.2 尺寸设计 12

3.3.3 气缸行程计算及选型 12

3.4 推箱机构设计 13

3.4.1 结构组成及工作原理 13

3.4.2 尺寸设计 14

3.4.3 气缸行程计算及选型 14

3.5 前盖折边机构设计 15

3.5.1 结构组成及工作原理 15

3.5.2 尺寸设计 16

3.5.3 气缸行程计算及选型 16

3.6侧盖折边机构设计 16

3.6.1 结构组成及工作原理 16

3.6.2 尺寸设计 17

3.6.3 气缸行程计算及选型 17

3.7 纸箱固定机构设计 18

3.7.1 结构组成及工作原理 18

3.7.2 尺寸设计 18

3.8 带传动运输设计 19

3.8.1 结构组成及工作原理 19

3.8.2 尺寸设计 19

3.9 本章小结 20

第4章 重要零部件的设计与校核 21

4.1 齿轮轴 21

4.1.1 齿轮轴的设计 21

4.1.2 齿轮轴的校核 22

4.2 滚动轴承 24

4.2.1 滚动轴承的选型 24

4.2.2 滚动轴承寿命计算 25

4.3 本章小结 25

第5章 结论 26

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的及意义

1.1.1 课题背景

在电商、物流、快递业的飞速发展的今天，网上购物已经成为了现代人们生活中不可或缺的一部分，在运输产品的过程中不可避免地要用到产品的外包装或者内包装用以保护产品不受损坏；可以选用的包装材料繁多，而最常见及最常用的包装材料则是瓦楞纸，利用瓦楞纸便做成了各式各样的包装盒或包装箱，用以保护运输产品不受损坏。综合分析，由于网上购物的增加，尤其是最近几年的天猫双11购物节，包装用纸量急剧增加，瓦楞纸箱礼盒包装屡见不鲜，包装市场在此种情况下稳步上升，生产包装物的工业企业产能不断扩大，企业产能的扩大给工厂生产带来了巨大的压力，要想更快地实现产能上速度的提升，一是招揽更多的工人，二是机械自动化，提高速度及效率；在人力成本居高不下的今天，显然使用机械自动化更容易获得更多的经济效益。另外包装市场的稳步上升，包装用纸量的急剧增加，为了使产品更快地响应市场，对于瓦楞纸箱的包装速度效率及质量要求也随之提高；瓦楞纸箱是应用最广的包装制品^[1]，因此对于瓦楞纸箱的开箱封底操作也就有了更大的研究价值。

1.1.2 研究目的及意义

传统的手工对瓦楞纸箱进行开箱封底操作速度缓慢，质量精度不能得到有效保证，在快递物流业飞速发展的今天，传统手工技术已经不能满足现代社会的需要，因此，势必要革新技术，使用机械自动化技术将人从这一劳累的体力活动中解放出来^[2]。本课题研究的目的就是为了设计自动化的开箱机开箱封底结构完成对瓦楞纸箱的开箱封底操作，解决传统手工操作的效率低下、质量精度不能得到保证等一系列问题。

设计自动开箱机的意义在于减少人的劳动强度，使包装纸箱的质量精度得以保证，缩短瓦楞纸箱开箱封底的周期，使包装产品可以更快地响应市场，降低人工成本，以便获得更大的经济效益。

1.2 国内外发展现状

1.2.1 国外发展

国外包装机械技术发展较我国发展较早，技术趋于成熟完备，最为突出的国家为美国、德国、俄罗斯以及日本这四个国家。由于发展时间早，国外包装机械产品发展较快，造就了百花齐放的态势，对固、液、气体的包装均有针对的包装机，门类齐全；另外现代社会的快速发展，对生活方式带来了巨大的变化，人们对包装机械需求日益增长，其次一方面国际贸易的发展也逐渐开拓了包装市场，西方国家向外出售先进的包装机械产品，因此其产量稳步增长，再者由于国外各领域的技术革新较快，而包装机械领域可以将其他领域的新技术移植过来为自己所用，如机器人、碳纤维、光导纤维、微电子、人工智能、激光等一系列前沿科技，因此国外包装机械领域利用这些技术不断推动产品更新换代 ^[3]，在包装市场上占据了很大一部分份额。

就发展趋势上来看，国外包装机械技术发展有多个方向，一是延续使用其他领域新技术对其自身进行技术革新，例如引入光导纤维技术之后，提高了包装机械抗干扰的能力以及工作稳定性，这样的例子可谓数不胜数。二是把包装机械发展的重心放在食品包装上面，民以食为天，人们在安居乐业生活的今天，不再仅仅是强调温饱，而是要吃的好，这时候食品包装就显现出它的作用来了，包装机械领域的发展与当今人们的生活是密不可分的。三是向包装生产线方向发展，降低人力成本，使包装机械向全自动方向发展。总之不管向哪个方向发展，包装机械领域都是与人们的生活是密切相关的。

1.2.2 国内发展

相比于国外包装机械技术的发展，我国包装机械技术发展起步较晚，其技术发展呈现出以下几个特点：（1）在技术构成方面，所研发生产的包装机械结构简单，产品功能单一，大部分国产研发的包装机仅能实现整个包装过程的一部分操作，在核心技术上有待提高；（2）由于国内制造精度相较于国外还有一部分差距，制造的包装机械产品在稳定性、可靠性以及抗干扰性上还有待提高^[4]；（3）包装机械领域技术少用其他领域的新技术进行技术革新，因此制造的机械产品也常呈体积大，质量重，并且在效率上也远比不上进口包装装备等问题；（4）国内制造的包装机械产品大多为仿制，仿造进口包装装备制造包装机械，但大多形似神不似，也即就是仿形包装机机械性能达不到原机械的规格指标。当然，如今我国正处于传统制造业向智能制造业转型的过渡期，也就意味着在技术上正在逐渐革新^[5]。

目前，虽然我国包装机械并没有国外发达，但随着国力的逐渐增强，我国包装机械领域也呈多个方向发展，正逐渐呈现百花齐放的状态。 一是加快了技术革新的步伐，随着中美贸易摩擦越发严重，带来的是美国对我国技术上的制裁，所以拥有自己的创新技术，推进技术的国产化变得迫在眉睫，在包装技术领域也一样，只有拥有自己的技术才不会被国外所掣肘。二是重视对包装领域的核心技术知识等进行研究，对当前我国的包装方案等进行优化，进一步对包装机械进行国产化^[6]。三是重视物流包装的方面，我国电商、物流、快递业发达，贴近大众的生活，包装机械的发展是与人们的生活是密不可分的，只有与人们的生活息息相关才能更好地发展包装机械技术。

1.3 本课题研究内容和方法

本课题研究内容是设计自动化的开箱机开箱封底结构完成对纸箱的开箱封底动作自动化，从人工开箱封底这一操作逐渐演变为机械开箱封底的操作，在这样演变的过程中，即有了自动开箱机这一构想，将该机械操作分解为几个步骤，于是每一个步骤有自己的机械结构，各完成与自己结构相应的动作，即将其分为了主机架、上箱机构、吸箱展开机构、左右盖折边机构、前后盖折边机构、推箱机构、纸箱固定机构以及带传输运动机构^[7]。主机架是主体，上箱机构是储料以及送料机构，吸箱机构完成将扁平的纸箱吸取到固定的位置并将其完全展开。前后盖折边机构将瓦楞纸箱的前后两翼折好，左右盖折边机构则将左右两翼折好，而推箱机构则完成将纸箱推送到传送带位置，带传输运动机构则将纸箱运输到下一工位。

1.4 本章小结

本章主要介绍研究该课题的背景，根据背景探究该课题是否有研究的意义，紧接着简要说明该设计的意义，另外探究了国内外包装机械的特点以及发展现状，通过对比得出相关问题，并根据国内开箱封底操作的一些问题进行演变，并逐渐将其自动化，而得到开箱机的设计雏形。而后介绍设计开箱机的结构和各结构完成的动作功能，提出了自己的设计方法。

第2章 结构设计方案

2.1 整体结构概述

在本次设计的自动开箱机中，其整体结构共由八个部分组成，（1）主机架、（2）上箱机构、（3）吸箱展开机构、（4）前后盖折边机构、（5）左右盖折边机构、（6）推箱机构、（7）纸箱固定机构、（8）带传动运输，这八个部分由机械连接完成合为一个整体，互相不发生干涉，各部分均有自己的功能，不可分割，由此完成瓦楞纸箱的开箱封底操作^[8]。所设计的开箱机需要完成的操作如下图2.1所示。上箱机构主要完成图2.1中①中扁平纸箱的储料，还可根据纸箱的尺寸规格可调整储料宽度，以及在操作过程中能完成自动下料；纸箱固定机构则是为了固定①中扁平纸箱，防止其发生倾倒，提升稳定性；吸箱展开机构完成的操作则是将放置于上箱机构上的扁平纸箱一个接一个的吸取到适当位置，进行展开；侧盖折边机构则是完成①到②中侧边两翼的折边；前盖折边则将②中剩下的前后两翼进行折边得到③；推箱机构将底部折好的箱子推送到带传输位置；带传动运输则将完成底部封底的纸箱运送到下一工位；主机架的作用则是将所有机构包含在内，起到支承的作用。由此，整个开箱机的操作完成^[9]。

图2.1 瓦楞纸箱开箱封底示意图

2.2 部件设计方案

（1）上箱机构：在2.1小节中所述，上箱机构主要完成扁平纸箱的储料，储料宽度根据纸箱的尺寸规格可调，以及完成自动下料。根据可储料以及宽度可调这一特性，大概可设计左右可调整且对称的隔板，纸箱可在对称隔板间储存。根据自动下料的特性，大概可以设计一个根据重力自动进给的滑块，当扁平纸箱数量减少时，滑块根据自己的重力自动进给，可保证纸箱不会向后倾倒，当然这里的上箱机构需要上倾一个角度，使滑块具有重力势能。

（2）主机架：由于其他部件需要安装固定在其上，需要支撑以及定位，故主机架既作为基础部件又作为整个机器的基准 ^[10]。由于支承的问题，在材料上需要考虑可靠性以及便捷性上也需要考虑。

（3）吸箱展开机构：吸箱展开机构完成的操作则是将放置于上箱机构上的扁平纸箱一个接一个的吸取到适当位置，进行展开。在该机构完成这一操作时，需要有移动和吸取两个动作，移动这一动作可以设计在光轴移动的滑块，吸取这一动作可以采用气源装置利用负压进行吸取，动力选择上可以选择电机或者气缸。

（4）前后盖折边机构：该机构的动作则是将前后两翼进行折边。考虑到前后两翼是对称的，则在机构进行折边时应也有相同对称的机构同时进行前后两翼的折边动作，运动应该是往复半转动的，即一个单摆运动，可以设计用齿轮机构或者间歇机构来完成这一动作。

（5）左右盖折边机构：该机构的动作则是将侧边两翼的折边操作完成。完成这一操作的设计理念来源于剪刀的工作原理，将折边的两边扩大为折边板，动力可以选择电机或者气缸。

（6）推箱机构：推箱机构完成将底部折好的箱子推送到带传输位置这样的一个操作。这样的动作比较简单，只需设计推杆固定在滑块上，动力选择电机或者气缸即可完成。

（7）纸箱固定机构：纸箱固定机构则是为了固定上箱机构中的扁平纸箱，防止其发生倾倒，提升稳定性。设计关键点主要在于稳定纸箱，则需要该机构有一定的限制能力，能够阻挡纸箱向前倾倒，还要根据纸箱的尺寸进行调整。大致的设计方案是在机架上外伸出一根横梁，在横梁上连接几个可滑动的滑块，滑块上连接限制板，用于固定纸箱。

（8）带传动运输：该机构的设计较简单，主要在传送带的安装与选型^[18]。

根据以上的设计方案，得到如图2.2所示的整体结构示意图：

图2.2 开箱机示意图

2.3 功能实现方案

（1）上箱机构：在该机构上设计有纸箱左右固定挡板，为了防止纸箱斜向倾倒，与滚珠丝杠联动的左固定挡板可根据纸箱的宽度进行调整，可以避免这一问题产生。另外主框架上倾30°，保证纸箱后挡板有重力势能进行自动进给。

（2）主机架： 主机架的设计主要在于型材的选择，将在第三章进行说明。

（3）吸箱展开机构：该机构功能的实现主要在于两方面，一是在气缸动力推动下，支架可以进行移动，二是固定在支架上的吸盘在气源装置执行下，可以进行吸取纸箱。

（4）前后盖折边机构：该机构利用齿轮齿条啮合，带动光轴进行钟摆式运动，可进行前后两翼的折边。

（5）左右盖折边机构：该机构的实现利用气缸推动两铰接的折边板进行折边。

（6）推箱机构：推箱板固定在连接板上，连接板固定在光轴上，气缸推动连接板进而带动推箱杆，实现推箱动作。

（7）纸箱固定机构：该机构由机架上外伸出一根横梁，在横梁上连接几个可滑动的滑块，滑块上连接限制板，用于固定纸箱。

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