劉嘉明 黃匯遠(yuǎn) 趙欣南 邊嘉偉 劉嘉麒

1.上海電機(jī)學(xué)院，中國·上海 201306

2.山西工程技術(shù)學(xué)院，中國·山西 陽泉 030002

1 引言

每年的春秋兩季，正值學(xué)生開學(xué)，學(xué)校對于書籍的需求激增[1,2]。然而，目前中小型書籍打包企業(yè)大多使用市場上通用的自動或半自動書籍打包機(jī)，在使用上述打包機(jī)進(jìn)行書籍捆扎的過程中，操作人員需在人工分揀分堆書籍時將書籍保護(hù)套手動加入每堆待捆書籍中，從而進(jìn)行單堆書籍捆扎工作，而往往由于操作人員分揀分堆書籍時的快慢，造成工作時間的增加；針對使用痛點，論文研究了一種書籍自動捆扎裝置，旨在解放人力遞送書籍的同時，快速、準(zhǔn)確、高效地完成書籍捆扎工作[3,4]。

2 裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計特征

裝置主要由書籍捆扎機(jī)構(gòu)、書籍輸送機(jī)構(gòu)和固定機(jī)架組成。書籍捆扎機(jī)構(gòu)由書套捆扎機(jī)構(gòu)與束帶捆綁機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。兩者在機(jī)械機(jī)構(gòu)上大同小異，唯一的區(qū)別是使用的捆扎帶寬度尺寸不同，從而相應(yīng)的與捆扎帶有直接關(guān)系的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸不同。書籍輸送機(jī)構(gòu)由一級輸送機(jī)構(gòu)、二級輸送機(jī)構(gòu)和三級輸送機(jī)構(gòu)組成，每級輸送機(jī)構(gòu)均由一組或兩組四桿傳送帶機(jī)構(gòu)組成。

書籍捆扎機(jī)構(gòu)由兩個蝸輪蝸桿減速直流電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩，帶動通過聯(lián)軸器安裝在驅(qū)動軸上的橡膠材質(zhì)的送帶輪和收帶輪轉(zhuǎn)動，送帶輪和收帶輪接觸處壓緊配合，利用送帶輪、收帶輪和捆扎帶之間三者間摩擦系數(shù)不同，從而實現(xiàn)紙帶的輸送與收回，而后使捆扎帶通過內(nèi)部導(dǎo)路進(jìn)入龍門導(dǎo)路，從而實現(xiàn)捆扎帶捆扎就緒狀態(tài)。

四桿傳送帶機(jī)構(gòu)由一個兩相步進(jìn)電機(jī)提供動力，通過聯(lián)軸器將驅(qū)動轉(zhuǎn)矩傳遞給驅(qū)動桿，使得驅(qū)動扭矩通過履帶帶動三個從動桿轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)四桿傳送帶機(jī)構(gòu)水平方向運動，帶動履帶上的書籍運動，實現(xiàn)捆扎運動待捆物品進(jìn)給的連續(xù)性。

書籍自動捆扎三維化設(shè)計如圖1所示。

圖1 書籍自動捆扎三維化設(shè)計

2.2 主要機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計

書籍捆扎機(jī)構(gòu)由書套捆扎機(jī)構(gòu)與束帶捆扎機(jī)構(gòu)組成，由于兩者內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)相似，故僅對書套捆扎機(jī)構(gòu)進(jìn)行說明。

送帶輪驅(qū)動蝸輪蝸桿減速直流電機(jī)通過凸緣聯(lián)軸器與送帶輪驅(qū)動桿相連接，送帶輪固定在送帶輪驅(qū)動桿上，收帶輪驅(qū)動蝸輪蝸桿減速直流電通過凸緣聯(lián)軸器與收帶輪驅(qū)動桿相連接，收帶輪固定在收帶輪驅(qū)動桿上；粘黏固定塊懸掛焊接在捆扎平臺下的安裝框架，噴涂裝置安裝于粘黏固定塊內(nèi)部水平導(dǎo)路，可在粘黏固定塊內(nèi)部實現(xiàn)水平移動；捆扎帶內(nèi)部導(dǎo)軌焊接在固定機(jī)架上，與龍門導(dǎo)路端口相接，從而保證捆扎帶順利從書套捆扎機(jī)構(gòu)內(nèi)部導(dǎo)路進(jìn)入龍門導(dǎo)路，使得裝置進(jìn)入捆扎帶捆扎就緒狀態(tài)。考慮到捆扎帶二次加緊后截斷，保證下一次捆扎操作的可持續(xù)性，裝置在第一按壓塊側(cè)端面增加了切割環(huán)節(jié)，用于捆扎完成后已使用捆扎帶與未使用捆扎帶在適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行分離，大大提高了捆扎操作的連續(xù)性。刀具安裝在第一按壓塊與第二按壓塊相接觸的端面導(dǎo)軌上，可實現(xiàn)刀具在第一按壓塊側(cè)端面軸向豎直移動，通過刀具銳利刀鋒對捆扎帶進(jìn)行切割。

書籍輸送機(jī)構(gòu)由一級輸送機(jī)構(gòu)、二級輸送機(jī)構(gòu)和三級輸送機(jī)構(gòu)組成。其中，一級輸送機(jī)構(gòu)由兩組四桿傳送帶機(jī)構(gòu)組成，二級輸送機(jī)構(gòu)由兩組四桿傳送帶機(jī)構(gòu)，三級輸送機(jī)構(gòu)由一組四桿傳送帶機(jī)構(gòu)組成。

兩相步進(jìn)電機(jī)焊接在電機(jī)托板上，電機(jī)托板焊接在端面外框架上，電機(jī)托板承載在其上的組件重力與扭矩；驅(qū)動桿與三個從動桿驅(qū)動桿外緊緊包被履帶，由履帶傳遞驅(qū)動桿上的扭矩與從動桿，從而實現(xiàn)一級輸送機(jī)構(gòu)水平面內(nèi)水平運動；端面外框架由固定桿通過螺栓連接加固輸送機(jī)構(gòu)外框架穩(wěn)定。

2.3 電氣控制設(shè)計

書籍自動捆扎裝置的電氣控制核心采用STM32F 103ZET6型號單片機(jī)。書籍捆扎機(jī)構(gòu)與書籍輸送機(jī)構(gòu)實現(xiàn)功能可分為單堆書籍捆扎與書籍進(jìn)給，前者具體表現(xiàn)為捆扎帶的送帶、壓帶、抽帶和切帶四個環(huán)節(jié)，后者則表現(xiàn)為書籍輸送。

控制系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)設(shè)計

3 設(shè)計優(yōu)點

本裝置通過增加書套捆扎機(jī)構(gòu)，僅改變捆扎帶尺寸寬度與材料用料，創(chuàng)新性地以二次捆扎的方式包裹書籍保護(hù)套，實現(xiàn)每捆書籍保護(hù)套機(jī)器自動添加。并且由于使用捆扎形式增加保護(hù)套，高效的捆扎機(jī)精度使得保護(hù)套功用大大增加，也節(jié)省了生產(chǎn)時間成本。

4 結(jié)語

書籍自動捆扎裝置是一個拓展性、應(yīng)用性很廣泛的設(shè)計項目，具有很高的應(yīng)用前景。通過機(jī)構(gòu)機(jī)械電氣設(shè)計與三維化建模，團(tuán)隊設(shè)計了一種書籍自動捆扎裝置，具有進(jìn)給連續(xù)，使在輸送機(jī)構(gòu)上的待捆書籍可以源源不斷地進(jìn)行捆扎操作，有效減少操作時間；一捆兩效，在不改變捆扎機(jī)構(gòu)捆扎原理的前提下，通過改變捆扎帶的尺寸寬度保證書籍保護(hù)套與捆扎帶均由機(jī)器完成，在提高工作精度與效率的基礎(chǔ)上有效減少了人工分揀的操作時間。