1、摘 要随着经济的快速发展，人们通过电商平台购买商品的数量不断增加，导致物流行业对纸箱的需求显著上升，传统手工制作的纸箱产量已远远不能满足市场。因此自动化纸箱生产流水线的研制变得越来越具有可行性和迫切性。本文搜集了海内外自动纸盒机的研制现状，同时给出了其优缺点对比。在分析了纸箱加工的工艺过程和瓦楞纸板的各类特性，同时对比分析了各类自动化设备中使用的动力、传动、自动控制等系统的性能及优缺点之后，确定了送料，压痕，切边，涂胶，折边，堆料的自动纸盒成型机结构方案。考虑到实际应用背景，方案中使用了高可靠性低成本的丝杠导轨传动系统以及相应快速，结构紧凑的气动传动系统，同时使用PLC进行自动化控制等。通过理
2、论计算和使用Solidworks软件三维建模，进一步优化了系统中各个关键部件的设计，从而实现了在给定加工速率下，可以用不同型号及尺寸的瓦楞纸板加工出多品种的纸盒。关键词：自动化机械，三维建模，PLC，瓦楞纸箱Design of Automated Corrugated Box Processing SystemABSTRACTWith the rapid development of the economy, the number of people purchasing goods through online platforms has been increasing, resulting
3、 in a significant increase in the demand for corrugated box in the logistics industry. The production of traditional hand-made corrugated box is far from the demand of the market. Therefore, the development of automated corrugated box production lines has become more and more feasible and urgent.In
4、this paper, the development status of domestic and oversea automated carton machines is collected, and in the meanwhile a comparison of its advantages and disadvantages is given. After analyzing the procedures of corrugated box processing as well as various characteristics of corrugated board, and m
5、eanwhile comparing and analyzing the performance, advantages and disadvantages of driving, transmitting, automatic control systems used in the application of automated machines, a scheme of automated corrugated box processing system was determined, which consists the feeding, cutting, indenting, glu
6、e smearing, folding and stacking procedure of the cardboard. According to the practical application, the high-reliability and low-cost screw guide transmission system and quickly corresponding, compact pneumatic transmission system are used in this scheme, various kinds of sensors are used to guaran
7、ty the locating accuracy, and PLC control system is used for automatic control. Through the theoretical calculation and the 3D modeling which is done by using Solidworks 3D modeling software, the design of each key component in this system is further optimized, so that a variety of corrugated box ca
8、n be made with cardboards with different types and sizes under a given processing velocity. Key words: automated machines, 3D modeling, PLC, corrugated box自动纸盒加工系统设计陈长祺 0112153250 绪论随着我国经济力量的不断发展，城市化水平不断上升1（如图0.1所示），人们的生活水平得到了极大的改善，引发了对商品的大量需求。图0.1 中国城镇化率随时间的变化曲线现在人们可以轻松地通过各种渠道购买到种类繁多的商品，而且我国一流的电商和物
9、流服务也让这种购买变得不受地域和时间限制。然而在物流运输过程中，为了保护商品不受损坏，一般都必须把商品装入纸箱中，再填充缓震材料。与此同时纸箱在许多行业中也是不可或缺的配件之一，往往需要在短周期内生产大量优质的纸盒或纸箱。传统纸箱加工一般使用手工制作或半自动机械制作，然而这些方法具有诸多缺点。对于手工制作来说，特别是瓦楞纸材质的纸箱，大多需要工人手工涂上胶水然后在折叠、粘合，生产效率太过低下，一批产品的制作周期往往会很长；而且由于工人熟练度的不同，产品的质量也会参差不齐。在行业竞争的压力日渐增大的市场中，这种方式根本无法满足需求，严重影响企业的生存。对于半自动机械加工来说，虽然产品的生产效率在
10、机械设备的帮助下得到一定提高，但依旧需要大量的人力操作而且安全系数不高，易出现事故。如图2所示，近年来我国人口老龄化严重2，而且新兴劳动力的培养尚需年日，所以手工及半自动劳动模式下的人工成本逐渐走高，严重影响企业利润。图0.2 2007-2016年我国65岁以上人口统计图制造业是一个国家的支柱产业，在社会发展中起着中流砥柱的作用。它作为一项传统行业，但往往也是发生改变最快、最激烈的地方。从百年前的工业革命到现在中国制造2025以及工业4.0，制造业的生产方式与产品类型已经发生了翻天覆地的变化。特别是最近几十年，机械技术与电子电气、计算机技术的结合越来越紧密，诞成了工业机器人、柔性制造系统等高端
11、自动化产品，让人类社会的生产力到达了一个全新的高度。这些机电一体化系统有着高效率、低能耗、安全系数高、生产质量高等一系列优点，而且只要少数人员即可进行生产，能最大程度上减少人员成本，是未来的发展趋势。因此在包装行业，这种自动化纸盒生产线的研制便有了很大的必要性和迫切性。同时，开发出先进的国产自动化纸盒生产线也能打破国外设备在包装行业的垄断，让国内企业不再承受其高昂的价格和维护成本，真正实现利润最大化。1 自动纸盒加工机械的国内外发展现状我国自动纸盒加工机械的研制起步较晚，在改革开放之前此领域基本处于空白状态。八十年代改革开放之后，我国经济飞速发展，包装机械行业也发生了脱胎换骨般的改变，九十年代
12、时年收入增长速率超过20%，从机械的品质到品种都取得了令人瞩目的成就3。然而国产包装机械仍存在诸多问题，比如设备装备落后，自动化程度低，生产规模小，成本高、效益低和维护技术力量薄弱等。目前通用性较高的自动纸盒成型机或开箱机可以自动完成将纸箱板开箱、成型、下底折叶折曲并实现箱底胶带粘贴等工序，在包装、物流行业应用广泛4。由中科天工研制的TG-3C40P 型全自动天地盖制盒机是目前国内较为先进的全自动纸盒成型设备，应用于高端精品盒包装领域的天地盖纸盒定制成型，其外形结构如图1.1。图1.1 TG-3C40P 型全自动天地盖制盒机此设备采用可编程序控制器（PLC）、光电追踪系统、气动液压系统、友好的
13、人机界面，可以实现自动传递纸板，纸面涂胶，纸板折叠并进行纸面贴合一次性完成，整台设备全自动全天候运行。它还具有定位精度高、节省材料、结构紧凑等特性，生产效率与质量都要比传统半自动或手工制作有很大的提高。其生产工序如图1.2所示。图1.2 TG-3C40P 型全自动天地盖制盒机的生产工序国外包装行业的机械化、自动化进程相比国内要早很多，其中美国、德国、日本、意大利的包装成型机械位于世界领先水平5。这些国家的包装机械虽各有特点，但总体都有高度集成化、自动化、生产质量高、可以柔性兼容多种纸盒类型、可靠性高等特点。日本三菱重工的EVOL系列纸盒自动成型设备（如图1.3所示）可以兼容多种纸盒尺寸，集成多
14、种传感器和CNC控制单元，能够实现完全自动化运行，并且在其专利技术的支持下可以实现更高的纸盒折叠精度，其结构如图1.4。图1.3 日本三菱重工EVOL系列自动纸盒成型设备图1.4 EVOL系列纸盒自动成型设备折叠专利技术2 课题主要工作内容本设计主要偏重于自动纸盒加工系统中所有机械部分的设计，在对纸盒成型过程及技术要求进行分析后，制定装置总体方案，对关键零件和部分非标零件进行理论计算和外形设计，得到自动纸盒加工系统总体装配图和主要零部件图。本设计同时对电气控制系统也进行了相应的设计。3 课题分析3.1 设计技术要求(1)纸板加工最大尺寸1000x1000mm；(2)自动纸板从堆料仓摄取到加工为
15、处，并定位；(3)机器能根据纸盒加工顺序进行纸板的自动压边、涂胶、折叠连接等工作；(4)成品放到堆料区；(5)每分钟加工5只纸盒。3.2 纸盒加工工艺分析本设计最终得到的成品是便于运输存储的、未经开盒成立体盒形的纸盒皮，如图3.1所示。图3.1 易于存储的纸盒皮市面主流的纸盒加工机械按照如图3.2所示的工艺流程进行加工，但存在模切模具成本高、模切刀具寿命短、柔性差等缺点。本设计因此提出将切边与压痕分为两道工序的改进工艺流程（如图3.3所示），避免使用模具。图3.2 市面主流纸盒加工工艺流程3.3 本设计采用的纸盒加工工艺流程本设计根据国家标准GBT 6543-2008运输包装用单瓦楞纸箱和双瓦楞纸箱，选取0203型为最终得到的纸盒皮展开图（尺寸如图3.4所示），并以此为基础设计自动纸盒加工系统。图3.4 纸盒皮展开图4 系统方案确定本设计根据选定的纸盒加工工艺流程，确定自动纸盒加工系统的机械结构主要由送料部、输送部、压痕部、裁切部、折叠部和堆料部等部分组成，再使用自动控制系统进行控制。本设计系统方案如图4.1所示。图4.1 系统设计方案5 机械结构部分具体设计内容5.1 输送部（动力滚筒输送机）设计输送部用于连续、均匀、稳定地输送纸板，可选用的输送机械设备有带式输送机和滚筒输送机。5.1.1 带式输送机带式输送机是应用最广泛的输送机械，其组成材料简单，