王宁侠 杨 宁 王 彪 曾行军 翟彦青

陕西科技大学机电工程学院 陕西西安 710021

基于慧鱼创意组合模型的包装机设计

王宁侠 杨 宁 王 彪 曾行军 翟彦青

陕西科技大学机电工程学院 陕西西安 710021

慧鱼创意组合模型包括机械构件、电气元件、传感器及控制软件等，可以应用于学生创新设计中。利用慧鱼创意组合模型创新设计了具有模块化功能的小型塑料袋包装机，详细分析了每个功能模块的机构组成以及运动原理，论证了慧鱼组合模型在学生创新设计中应用的可行性。通过在创新设计中应用慧鱼组合模型，使学生的创造力得到充分的发挥，创新能力得到提高。

慧鱼模型；功能化模块；创新设计

慧鱼组合机构模型是工程技术拼装模型，包含有机械、电气基本元件和传感器、控制器、执行器[1]，可以实现机构及机械的模拟设计和装配[2]，把各种复杂的机械结构、工业生产设备、工业制造流水线，以模块化、可视化模式，精确生动地搬进实验室和教学课堂，为实验教学、项目教学实践的可行性论证提供了基础[3,4]。

新机械或装置的设计及构造过程中需要对机构进行不断的改进，学生在创新机械的设计过程中，利用慧鱼模型标准化的结构件良好的兼容性和拓展性，通过学生的创新思维和开发搭建，实施机械传动、编程控制、电气技术等系统创新，使机械类学生的创新能力得到全面锻炼。

本文以小型塑料袋包装机设计过程为例，论证了慧鱼组合机构在机械类大学生创新设计中的作用。

1 基本结构原理

针对网店在销售小型商品时，在包装过程中常遇到时间紧、销售集中、效率低的问题，需要一种能减轻工作人员劳动强度、提高工作效率、操作简单、结构紧凑的包装机构。以慧鱼组合模型为平台，借助慧鱼中的各种部件，综合专业知识和团队创意，实现了小型塑料袋包装机的功能模块化设计。

设计的小型塑料袋包装机的功能包括以下几个部分：塑料包装袋的分袋送进，塑料袋口张开，将商品送自动送入塑料袋，塑料袋封口包装，贴上快递标签。

2 功能模块的设计

2.1 分袋进给及传送模块

包装开始之前，需要将塑料包装袋送达给定位置，本模块的装置设置了一组转轮(如图1所示)。借助转轮压住一沓包装袋，当转轮转动后，借助转轮滚动时与包装袋之间产生的摩擦力使包装袋分离、进给到传送带上。然后如图2所示借助两组履带运动将包装袋传送到由超声波定位的预定工作位置。

为实现将塑料袋送进的功能，学生在此模块的设计中将所学的机械原理中机构的知识与慧鱼已有零件结合，经过比较分析选择了摩擦传动，选择了转轮和履带，达到了塑料袋的分袋和进给功能。在这个过程中学生对机构分析选择的能力得到了很大的提高，为了使塑料袋到达指定的位置，采用了超声波传感器，

学生们第一次学会了传感器的使用，实现了机电结合的设计。

图1 分袋装置

图2 送袋装置

2.2 塑料袋口张开模块

当塑料袋送达工作位置后，需要将袋口封边部分压边及固定。设计压边装置如图3所示，利用杠杆原理，一端借助气缸的推送，另一端结构的末端触点实现对袋边的下压，即完成“压边”动作。固定装置是由两个水平平行的气缸连接一根推杆组成，当压边装置完成压边动作收回后 ，通过两个气缸的推送，借助推杆使袋边压紧在工作台侧面的一个倾斜设置的辅助平板上，实现袋边的固定，即完成“固定”。当塑料袋被固定在指定位置，且封口边压紧后，包装过程的下一个动作是需要袋口张开并将商品送进。商品推送装置前方设置的一个倾斜的平板，如图4所示。该平板与袋口(履带平面)具有一定夹角，形成楔形。当商品推送装置向袋口推进时，开袋装置因为是楔形，比较容易插入袋口，随着平板在齿条推动下的进给，袋口逐渐被楔形装置打开，即完成“开袋”功能。

图3 压边装置

该模块功能的实现，不但让学生学会创新设计了新的杆组实现预定运动，而且在运动设计时将气动装置应用于所设计的机构，使所学的各门知识得到综合应用。

图4 开袋装置

2.3 商品推送模块

将商品装入塑料袋是由商品推送模块实现，送进装置主要由夹板和推进装置组成(如图5所示)，其中夹板由慧鱼模型中的板状构件组成，其作用是对松软、略带膨胀或宽度比袋口略大的可挤压物(如衣物)进行压紧定型，使商品能顺利进入袋中；推送装置位于压板下方，由位于两侧的两个丝杠和中间连接的推板组成，通过丝杠转动实现推板的前进和收回，由限位开关控制其推进距离。当完成“开袋”后，推板将夹板下方的商品推入袋中，然后推板收回，最后整个商品推送装置借助底部两侧的齿条实现收回动作。

在此模块功能实现的过程中，设计中除了采用丝杠传动和齿轮齿条传动完成所需动作，学生使用了限位开关等电气元件，学会在将机械与控制结合在一起，使得综合能力得到了进一步的提高。

图5 推进装置

2.4 塑料袋封口包装模块

当商品被送入塑料袋后，推送装置回退，一根长杆和交错间隔设置在上面的弧形刮条组成撕胶装置，长杆在电机的驱动下旋转，弧形齿条在快速旋转中对被固定装置压紧在辅助平板上的袋边上的胶条进行撕胶。当胶条撕下后，撕胶装置停止运行，然后固定装置借助气缸实现推杆收回，袋边被释放。如图6所示，在齿条的带动下实现工位转换装置的前进，气缸运动装置实现工位转换装置的上升，从而托起商品，使商品脱离传送带表面。齿条运动装置使整个装

置及商品后移实现让位，避免在后续旋转过程中压边装置与商品发生碰撞。齿轮运动装置使整个装置及商品逆时针旋转180度，实现工位的转换，即实现袋口的对调，然后气缸收回转位装置下降再次将商品回落到传送带上。如图7所示的一个二自由度杆机构，当完成工位转换后，在由脉冲控制的两个电机有序的驱动下，可实现对袋边的卷曲和下压，使袋边上已经暴露出的胶区与袋体粘连，然后杆组复位即实现“封袋”，方便后续封袋。

该模块的动作对机构的协调性和位置准确性要求较高，学生在进行设计时，不但创新设计了二自由度杆机构，还将其与汽缸、输送带、齿轮齿条等装置的有机结合，采用了多个电机驱动，编写了控制子程序，很好地完成了模块所需的动作设计。

图6 工位转换装置

图7 封袋装置

2.5 贴标签模块

该模块主要由转位升降装置(如图8所示)和刷胶装置(如图9所示)组成，其中转位升降装置主要由齿轮、气缸、丝杠3种运动装置组成，刷胶装置主要由刷胶盒、刷子、电机组成。转位升降装置的外伸工作架上放置了一沓标签。通过丝杠运动装置将工作架升至高处，然后通过齿轮运动装置使转位升降装置上的工作架转到刷胶盒上方指定位置，通过丝杠装置使工作架下降到限位开关限位的刷胶位置，此时刷胶装置中刷子在电机带动下旋转，对工作架上最底部的标签进行刷胶，刷胶完成后丝杠装置使工作架上升至高处，然后通过齿轮运动装置使工作架转到包装袋指定粘贴位置上方，通过丝杠装置使工作架下降到与包装袋有一定距离处停止(防止刷胶过程中有胶水留在工作架上。此时若工作架接触包装袋容易发生粘连)，工作架上方设置的气缸装置向下挤压工作架上放置的标签，最底部带胶的标签与包装袋接触。通过丝杠装置使工作架上升到高处，在上升过程中由于底部标签与包装袋之间的黏附力，底部的标签将脱离工作架，即实现标签的粘贴，然后贴签装置复位。

在设计中采用慧鱼模型零件，学生有创意即可搭建验证，使创意能快速地、直观地实现。慧鱼模型的机械、气动、传感器、控制器等使学生能够将所学的机电及控制综合应用，对学生设计的积极性的提高和设计中充分发挥创新能力有很大的帮助。

图8 转位升降装置

图9 刷胶装置

3 结束语

在包装机的设计及完成过程中，从最初的方案到最终的模型，以慧鱼产品为平台，借助慧鱼中的各种部件，综合专业基础知识、慧鱼产品搭建的实际操作经验、团队创意、教师的指导经验等进行作品创作，实现了包装机功能的模块化设计。然后结合实际情况进行优化设计，不断修正设计方案，再将每个动作对应方案进行整合，使整个包装流程尽可能流畅、协调，从而实现作品的最终优化设计，达到预期目标，实现产品功能。使学生的创造力得到了充分的发挥，创新能力得到了提高。

整个设计制作过程从构思到完成成品，突破了传统仿照搭建慧鱼模型的固有模式，打破机械理论与实践的转换壁垒，在实践过程中发掘和释放创新潜力，使大学生在实践中体会“化整为零，有机结合”这一解决问题的重要方法，学会如何尽快融入团队，在团队协作的同时最大限度地发挥个人能力，使团队高效运作，提高了学生的团结协作能力。

[1] 刘天军,毛建秋,支波浩.基于“慧鱼”创意组合模型的避障机器人的设计与制作[J].常州工学院学报,2012,25(2):6-9.

[2] 高海涛,韩亚丽,许有熊.积木式教育机器人三维仿真平台的设计与实现[J].制造业自动化,2015,37(3):129-133.

[3] 王海峰,李东亚,龚奥.基于慧鱼模型报刊自动打孔机的设计[J].机电工程技术,2015,44(3):68-70.

[4] 王蕾,陈桂,林健.慧鱼模型在机器人电子设计认识实习中的应用探索[J].中国现代教育装备,2015(3):10-12.

The Design of Packaging Machine Based on Fischertechnik

Wang Ningxia, Yang Ning, Wang Biao, Zeng Xingjun, Zhai Yanqing
College of Mechanical & Electrical Engineering, Shaanxi University of Science &Technology, Xi'an, 710021, China

Fischertechnik includes mechanical components, electrical components, sensors and control software. It can be applied to students' innovative design. A small plastic bag packaging machine with modular features design use Fischertechnik innovation models was creative. Each functional modules institutions and the principle of movement were detailed analysis in this paper, and the feasibility of Fischertechnik model use in students' innovative design has been demonstrated. By using Fischertechnik model in innovative design, university students' creativity has been fully exploited, innovation ability has been improved.

fischer model; function modules; innovative design

2016-04-21

王宁侠，本科，教授。

陕西省2015年大学生创新训练项目(编号：1233)。