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附件1：外文资料翻译译文

一个复杂纸盒的包装机器人

Venketesh N。Dubey

英国设计学院，工程和计算机，伯恩茅斯大学，普尔

Jian S。Dai

伦敦大学国王学院，英国伦敦大学，伦敦

摘要

目的—为了展示设计一种可以折叠复杂几何形状的纸盒的多功能包装机的可行性。

设计/方法/方式—这项研究对各种几何形状的纸盒进行研究,将纸盒分为适当的类型以及机器可以实现的操作;把能加工这些纸盒,并进行机械建模和仿真，且最终可以设计和开发的包装机概念化。

研究结果-这种多功能包装机已经被证明是可能的。只需将这种多功能包装机小型化，并对它投资以促进其发展，这种机器可以成为现实。

研究限制因素/问题-本研究的目的是证明这种包装机的原理，但实际应用需要考虑结合传感器给出了一个紧凑的、便携式系统。

创意/价值—这项设计是独一无二的，并已被证明可以折叠各种复杂形状的纸盒。

关键字：机器人技术包装自动化

文章类型：研究论文

1 简介

产品包装是关键的工业领域之一，以自动化为首要权益.任何产品流通到消费者手中需要某

种形式的包装，无论是食品、礼品或医疗用品。因此，对高速的产品包装有持续的需求。对于周期性消费品和精美礼品，这项需求更是大大增加.它们要求包装设计新颖且有吸引力，以吸引潜在客户。通常这类产品用外观精美、形状复杂的纸盒递送。如果采用手工方法进行包装,不仅令工人感到乏味且操作复杂,也费时和单调。

对于简单的纸盒包装，通过使用沿传送带布置的专用机器，已经获得了实现。这些机器只能处理固定类型的纸盒，任何形状和结构的变化很难纳入到系统之中。在大多数情况下，它们需要进行超过40种变化以适应同种类型但大小不同的纸盒，这就意味着每一个特定类型的纸盒需要一条包装生产线。从一种类型到另一种类型的纸盒折叠组装生产线的转换将会使资本支出增加。因为这些限制因素和转换生产线的相关成本,包装的灵活性将会失去。

因此,作为一种补充，手工生产线被引进以适应不同类型的纸盒的生产,从而解决转换生产线的问题.它们承担了大约10％的工作订单，并被用作生产促销产品的组装生产线.但是，问题仍然存在,手工生产线上的管理员和操作工需要一个长时间的学习过程，而且与机器生产线不同，劳动伤害主要是源于扭手动作.此外，手工生产线通常被认为是一个季节性的生产力,仍然需要专门的机器长年运行，以节约成本和时间。设计师追求奇幻和独特的纸盒包装以响应竞争激烈的市场，使包装工作更加困难。纸盒的风格和类型的频繁变化和小批量生产对纸盒装配和包装生产线提出了挑战，为此需要设计一种灵活的机器。

因此，这项责任放在了包装行业的身上，在可编程和可重构系统的帮助下充分加快转换过程以处理不同类型的纸盒。这种灵活的和高度可重构的系统的开发需要进行系统的分析和综合每个部件，即纸盒和纸盒的折叠模式、包装纸盒的机器、完整的组装操作.一种这样的方法（Lu 和Akella，2000年）已经公布了，该方法使用固定装置来折叠纸盒。虽然这种方法能完成纸盒所有折叠操作，但实施的工作只是处理一个简单的矩形箱,其固定的自动装置被安装在指定的位置。但是，对于复杂几何体纸盒，需要对纸盒和折叠机构进行综合考虑,从而实现包装生产线的柔性自动化。

在复杂纸盒的折叠操作及工序分析方面，作者开展了大量的研究，并诉诸于图形理论、螺旋理论、矩阵理论且以一种空间结构表示纸盒；及其研究纸盒移动性和分析其结构外形(Dai and Rees Jones，1997a，b,c,1999;Dubey et al。1999a，b，c；Dubey and Dai，2001）。本文介绍从事设计能处理复杂几何形状纸盒的可重构纸盒折叠机的研究。

2 设计和原理的需要

该项目被列在许多化妆品和香水供应商的愿望列表上，如伊丽莎白雅顿和卡尔文·克莱恩,并被Unilever Research UK积极地考虑了数年。他们愿意支持任何一种能够使用一些替代手段从而实现整个花式纸盒包装过程自动化的研究思想。结果，这个项目是由英国和荷兰联合利华财团赞助，以探索开发一种可处理各种形状和尺寸的纸盒的柔性包装机的可行性。这项研究由手工包装流程的研究开始，揭示了当从简单的纸盒的生产转换到一个复杂的纸盒的生产时，要求包装机具有较高的灵活性(Dai, 1996年）。这样的纸盒用一张形状不规则的硬纸板折叠而成。由于纸板被折断，它有若干个可围绕折痕线旋转的活动的面。这些折痕线便于折叠，从而造成一种形状的转变.图1显示了一个花式纸盒的折叠过程，硬纸板被折叠后，变成了帐篷的形状.通常这种复杂的且小批量生产的纸盒都采用手工制作。

图1 花式纸盒的折叠过程

图2 在手工包装纸盒时的力

在手工包装工艺中，使用手指折起侧面，如图2所示，沿箭头的方向绕着三个轴进行折叠，而顶面和底面是用手掌沿平箭头所示方向折起。箭头代表用手指施加拨力，而平箭头代表施加推力。在闭合中间层时,需要手指精巧地交叉地将端面插进设计好的缝隙中。

为了归纳折叠步骤，对各种形状的纸盒进行了研究，并把纸盒分类，如图3所示。它也显示了纸盒包装所涉及的各种操作。尤其是要注意，大多数纸盒必须经过三个步骤，竖立、插入[1]和闭合。但除了托盘式纸盒以外，在其他情况下，依据纸盒外形的复杂程度,其包装步骤涉及各种操作（其中有些如上所述)。

图3 纸盒包装操作

设计一种建造和折叠这种纸盒的机械系统需要考虑以下几点：

●多功能。提供各种操作功能，包括拨、折、挤和扭操作.

● 灵活。能够以不同的方式达到操作位置。

● 控制最小数量的轴。降低系统的复杂性.

● 可重构性。处理各种不同几何形状的可折叠的纸盒。

● 可编程性。同时地、循序地控制多个轴的运动.

一个可以提供精细动作及操作功能的灵活的系统，需要使用有关节的手指状的链接.这样的手指安装在一个活动底座上,例如X—Y工作台或环形导轨,以此保证系统可重新构建和处理不同形状和尺寸的纸盒。控制器的架构应能够独立地驱动各轴。该设计应提供所有的操作功能，而