施至豪、郑裕贤：作品信息登记表格及设计实施方案 24页

'北京大学第二届工业设计大赛作品信息登记表编号：____________(由组委会统一填写)作品名称北京大学货物充气袋制造机(PKUDunnageAirbagMachine)成果形式○实物●模型○其他，请注明____________作品类别○生活类●生产类○前沿研究○其他，请注明_________参赛形式○个人●团队作品研究方向1、_机械自动化_2、_工业工程___3、_力学________参赛者（或团队负责人）信息姓名院系年级与类别(本/硕/博)学号电话手机E-mail施至豪工学10本10000110046276521915201465453catszh@gmail.com其他参赛队员信息：（以参与的工作量多少为序）姓名院系年级与类别(本/硕/博)学号电话手机E-mail郑裕贤工学10本1000098601-156002214691000098601@pku.edu.cn原创性声明本参赛作品由参赛者（团队）独立完成，不存在剽窃、抄袭等侵权现象，若违反则自愿放弃参赛资格并承担相关法律责任。团队全体成员签字：施至豪、郑裕贤2014年3月28日导师意见（如参赛作品为个人独立完成、未涉及实验室工作，可以不必填写此项）学生递交参赛作品涉及实验室课题组的研究内容已征得导师同意，允许报名参赛。负责人签字：导师签字：年月日 作品内容简介(请用600字以内文字说明作品的设计思路、实现方法、科学性等）随着国内外物流行业突飞猛进的发展以及人们对货物运输的愈加重视，货物充气袋越来越被货主及物流商作为必不可少的包装材料，被电子、IT、化工、机电、医疗、农产品等行业所广泛采用。集装箱填充气袋能有效支撑“运输惯性”以及“车辆颠簸”所产生挤压的力。充气袋内部由自然空气作为填充，充气袋具备安全、缓冲性好、操作简便等特点。面对运输过程中产生来自“前后”、“左右”以及“上下颠簸”的挤压力，都能有效对货物起到很好的缓冲保护。为了使得充气袋达到生产要求的标准，它由外袋和内袋通过人工装配而成。而当今物流业对充气袋的巨大需求量使得这一生产过程供不应求，为了解决这一问题，我们团队设计了“充气袋制造机”，来自动化完成充气袋从原料输入到成品输出的全套过程，同时有效地提高了生产效率。设计机器时，我们实地调研了充气袋生产现场，针对充气袋在生产流水线中位置的不确定性因素进行研究，借助力学知识，通过机械设计使得充气袋进线后的整个运动过程确定化，使得我们的机器能够定点对原料进行加工，安全、可靠、高效地制造出充气袋。我们的设计以solidworks3D模型实现，采用solidworks2013软件进行，通过平面架构定位机器的功能构件及充气袋原料的加工路线，再通过三维拓展丰富整个设计的细节。设计中整合的构件均符合国家标准，在工业中已广泛应用，对于少数构件，我们进行了合理定制，同样使其符合标准。作品创新点说明(请用400字以内文字说明作品的创新点、应用价值与前景等）利用工业自动化的原理和技术，我们团队实现了充气袋自动化生产样机的建模。解决了柔性塑料在工业中所体现的控制难题。通过生产线优化极大地简化了充气袋的人力劳动，同时大大提高了生产效率。从细节来看，整个机器中以下几个工序体现了工业设计的创意精神；通过知识迁移，将打印机中的搓纸轮应用于外袋箱中（原料分拣以及输运）。　通过模型试验，开发了使用振动台来精确定位柔性塑料的方法。通过拟物设计，发明了充气袋原料加工的折叠组合套件（夹具和钩爪）。我们整个设计思路以及过程中的创新点可以给现有的充气袋市场带来巨大的利润，并且可以使得充气袋加工行业具备进军电商等需求大笔订单的新行业的能力。 设计方案提交说明1.作品设计方案需要完整、详细，能够清晰准确地阐述该项设计或者制作的内容，可以辅以图示说明。2.采用A4纸撰写，除标题外，所有内容为宋体、五号字、1.5倍行距。3.设计方案模板里列出的内容仅供参考，各参赛者可以修改或增加内容。每一章节内的下一级目录由参赛者自行增加。 作品名称：目录第一章作品简介4第二章实现方案5第三章创新性6参考文献：7 第一章作品简介一、基本情况（一）作品标题北京大学货物充气袋制造机（二）摘要、关键词摘要：我们利用工业自动化的原理和技术，实现了充气袋自动化生产样机的建模。解决了柔性塑料在工业中所体现的控制难题。通过生产线优化极大地简化了充气袋的人力劳动，同时大大提高了生产效率。从细节来看，整个机器中以下几个工序体现了工业设计的创意精神：（1）通过知识迁移，将打印机中的搓纸轮应用于外袋箱中（原料分拣以及输运）。（2）通过模型试验，开发了使用振动台来精确定位柔性塑料的方法。（3）通过拟物设计，发明了充气袋原料加工的折叠组合套件（夹具和钩爪）。我们整个设计思路以及过程中的创新点可以给现有的充气袋市场带来巨大的利润，并且可以使得充气袋加工行业具备进军电商等需求大笔订单的新行业的能力。关键词：工业设计机械自动化力学充气袋制造二、设计背景（一）充气袋概述充气袋是一种货物缓冲包装材料，集装箱货物缓冲充气袋一般PE塑料内袋和多层高强度有机材料（如PP，牛皮纸等）组合而成，如同传统的气垫缓冲材料一样，高强度、耐磨损的表面材料，增强了充气袋的使用寿命，使之可以回收利用，大大减少了包装废弃物对环境的污染[1]。 图1：空气袋示例随着国内外物流行业突飞猛进的发展，充气袋在现今的物流业中越来越占有重要的地位，被货主及物流商作为必不可少的包装材料，广泛应用于电子、IT、化工、机电、医疗、农产品等行业。（二）充气袋公司的困境为了了解充气袋设计中最新的重要问题，我们访问了国内最早从事运输保护包装的奥特玛特物流公司。在它位于上海的专业制造充气袋的总部，厂主谈到充气袋制造的效率成为他们拓展商务的瓶颈。现在在奥特玛特，货物包装充气袋的制作过程基本都是手动的，生产线上，需要5-6个工人翻叠、运送、加工充气袋才能满足要求。然而现在上海的人力成本很贵，每个月奥特玛特需要支付每个员工5000左右的费用，来维持他们每天8小时的生产，而这远远无法满足每日最高可达20000只充气袋的订单。现在奥特玛特每月接受10万只袋的订单，这使得他们已经放弃了市场中的很大部分潜在客户，并且，奥特玛特决定在更高人力成本的海外扩展业务的决定让他们更加火上浇油。图2.空气袋结构图3.空气袋外形此外，我们在生产车间发现，人工处理充气袋原料的过程存在很多不确定性，由于折叠充气袋的标准由工人凭感觉判断实现，受很多因素影响，所以折叠完毕的充气袋送到缝纫机去缝线后存在30%的废料率。这很难让人忍受。（三）设计动机奥特玛特对我们的来访非常欢迎，他们提出让我们对人工操作中的打孔工序做机械自动化的改造，希望提速这一生产步骤，来提高整个生产线的效率。然而通过这一问题的商讨和解决，我们发现了人工流水线的弊端，速度一般但成本指数增加，并且原料的浪费率很难控制。于是萌生出了运用工业自动化完善整个生产过程，实现无人工厂的计划。奥特玛特对于我们的想法给予思想上的支持。三、设计思路（一）核心定位机器中具体加工充气袋的技术在工业中都有成熟的应用，这部分不需要重新重点设计。反而，柔性塑料构成的充气袋的内外袋位置的难以把握将造成工业控制中的很多难题。所以， 控制的准确性是我们着重研究的部分，我们将利用力学知识帮助我们实现目的。此外，加工速度也是我们十分关心的。（二）设计需求机器尺寸：符合操作的原料尺寸能处理如下尺寸的PE、PP袋：宽度范围900-1200mm±25mm长度范围900-1800mm效率：连续工作时间超过12小时/天合理配置多条自动化生产线后出货速度等同或者高于350-400件/小时能适应季节变化，在0~40摄氏度内工作成本：原材料、制造装配、附加组分、实验花费、功率消耗以及维护需要综合考虑部件能够故障排查及维护自动化程度达到80%-100%安全：生产符合ISO9001质量安全标准协调人、产品、外在的多重安全标准[2]环境：加工过程的废料能得到及时处理（三）应用前景由于解决的主要问题之一是塑料在工业生产线中的控制问题，这一结果在类似制品的工业生产中可以得到广泛应用，它就如同电子产品中的触屏技术，除了充气袋制作加工，还可以通过调整尺度，应用于柱式空气缓冲系统，小型缓冲气垫等。还可应用于集装箱货运外的广泛领域，如快递，电商等。随着控制的精确，还可以引发充气高新产品的设计热潮，成为一种时尚。 第二章实现方案一、功能设计方案内袋插入外袋打孔打开外袋内袋折叠内袋输入后端缝纫外袋输入配合、前端缝纫、输出成品为了直观的表达这些功能，下面介绍一下工厂中的操作实现：外袋输入：图4：外袋如图示，外袋将以事先收集为500-1000只平展的外袋堆的形式进入生产线。外袋为长边缝合，短边开口的长方形双层塑料平面。我们设计的外袋输入部件将代替两个职工的劳动。内袋输入：如图示，内袋以平展的状态输入，工厂中已经存在自动化的内袋生产机器，输出时内袋上已经存在一个充气用的阀门，图左下黑色圈。 图5：内袋缝纫：图6：缝纫机图示红色机械为工厂使用的缝纫机，可以在设计中继续使用，缝纫机工作需要和外袋进行相对运动，外袋事先需要简单折叠（详见内袋折叠要求）。外袋打开：图示为工厂中的操作。我们的设计将借鉴工业中已经存在的吸盘打开方法。 图7：外袋打开示意内袋折叠：工厂中没有机械化，纯人工。我们的设计将完全独创。内袋具有折叠要求：图8：内袋折叠要求外袋打孔： 图9:外袋打孔图示热切割打孔机，我们可以在设计中继续使用。最终配合：图10：阀门盖最后内袋阀门套入外袋上的圆孔后，还需要在阀门上安装一个盖子，完成整个充气袋制造过程。一、模型构造及实现原理（一）模型构造 图11：功能设计方案引述图12：模型概览图示为我们设计的模型。左端深紫箱：外袋输运箱右端及较左端千字平台：内外袋定位、抓取震动台较右端紫色小平台：内袋折叠平台中央蓝色平台：打孔、缝纫、配合综合工作台。(二)实现原理（1）外袋箱：外袋箱的主要功能是把一堆切好的外袋（规格为900mmｘ1800mm　材质为PP）中分离出来一张，并使它落于外袋抓取平台。外袋箱内部规格为1000mmｘ1800mmｘ1050mm，一次能容纳1000张外袋。外袋箱的主要结构由弹簧和搓纸轮来组成。　 图13：外袋箱1）弹簧在我们工业上用到的弹簧很多。然而在我们机器当中我们选择氮气弹簧。气弹簧工作原理是以惰性气体作为弹性介质,用油液(例如变压器油和透平油各50%)予以密封润滑并传递压力的弹性元件简称气弹簧.它实际上是套筒式空气弹簧的一种变型,也是为了进一步改善套筒式空气弹簧的弹性特性而发展的.所以,他也具有空气弹簧结构的一般特点.气弹簧一般由缸筒、活塞（杆）、密封件和外部连接件组成。高压氮气或惰性气体和油液在缸内自成回路。活塞上的阻尼使有杆腔和无杆腔相通，使两腔压力相等。利用两腔受力面积差和气体的可压缩性产生弹力。[3]气弹簧具有结构轻巧，工作行程大；运动平稳，能起阻尼缓冲作用；具有稳定接近不变的特性线；操作简便，安全可靠。之所以我们选择了氮气弹簧，是因为有以下几种原因。首先充气袋中的外袋厚度约为1mm，厚度较小，需要一个比较灵敏地控制高度的弹簧。同时，外袋为大型的PP材料，堆积时起重量较大，需要能够最多能坚持3000牛顿的重力，氮气弹簧在20度时充气的压力从5MPa至18MPa,所提供的弹压力从300牛顿到18300牛顿，行程从300毫米到1000毫米。另外氮气弹簧性能优良，使用寿命长，所以我们最终选择了氮气弹簧。 气弹簧具体指标活塞杆径d　140mm缸筒直径D　270mm最大行程L　1000mm最短行程l　300mm最大承受压力F　18300N2）搓纸轮搓纸轮一般由两部分组成，中间部分是比较硬的塑料构件，它的作用是承载搓纸用的橡胶轮和将搓纸轮组件装置在用于驱动搓纸轮的驱动杆上。其另一部分是直接接触纸张的橡胶轮，它必须具有一定的摩擦力，所以其表面比较粗糙，有的甚至呈锯齿状，如数字一体印刷机的就是这样。搓纸轮材料的性能指标①黏性要高：是搓肯定有摩擦，有摩擦就意味着轮和纸之间有滑动。是黏住纸把纸拾起来向前走，旋转黏起又靠重力脱开，使纸走到传送带由其接力送纸。因此，黏性大的搓纸轮的拾纸效果才会好。②耐磨性好：由于搓纸轮不停地与纸硬接触，毕竟还是有摩擦的，耐磨性能好的材料做成的搓纸轮，耐用性好、寿命长，不会很快被磨秃磨光不挂纸，装上不久就出现搓纸障碍。3、密度要高：密度高的材料，结构紧密，不易沾灰结垢。密度低的材料（如橡胶材料），毛细孔大，易与纸屑粘接成垢附在搓纸轮表面，影响搓纸效果。材料的选择　搓纸轮常用材料有以下几种：橡胶材料（包括原胶烟片和丁晴橡胶），硅橡胶材料，聚氨脂材料，聚酯橡胶材料。最终在我们的机器当中我们选择了聚酯橡胶材料。因为它是一种集合了橡胶和聚氨脂材料优点的合成材料，优点是黏度大，与纸的亲和力强，搓纸力大，拾纸效果很好；密度略小于聚氨酯、却远大于橡胶，表面光洁不沾灰、不结垢； 硬度做低容易亦可做高，可加工硬度范围20-75度；耐磨性略次于聚氨酯、但远大于橡胶，搓纸轮寿命较长，一般使用寿命可达100万张左右。搓纸轮设计制作的机理①搓纸轮直径与搓纸速度有关，直径大时搓得快、每分钟印张量大。寿命期搓纸量大的搓纸轮直径要大，与直径小的相比搓单张纸同面积与纸的接触次数少，耐用性就高。②搓纸轮宽度与搓纸最大幅宽和搓纸速度有关，速度慢的搓纸轮宽点不易走偏，幅宽大的搓纸轮也相应要宽一点。速度快的搓纸轮相应要窄一些，不易受转动轴平衡度的影响，能够保证搓纸不走偏。③搓纸轮的硬度与要搓纸的重量有关，纸重时搓纸轮硬度要大一些，纸轻时搓纸轮硬度要小一些。从搓纸速度较高的一体印刷机搓纸轮来看，大多选用35-45度的橡胶材料，适用搓纸范围45-80克纸。根据客户用纸范围来定搓纸轮硬度，若用60-120克纸，材料硬度可选用45-50度；若用100-200克纸，材料硬度可选用50-55度。搓纸轮具体指标转速　6.28rad/s轮子半径246.81mm宽度290mm搓纸轮材料硬度50～55度聚酯橡胶厚度　1.8±0.01mm　摩擦系数　≥0.8（2）振动台 图14：振动台图15：振动台细节我们设计中的振动台采用气弹簧随机伸缩，震动轻宽槽体的方式构成。结合配件成为定位内袋、外袋的重要部件。设计依据模型试验来确定定制的形状和性能。初步的模型试验见所附视频展示。 图16：模型试验-震动台模型试验原理：相似原理与量纲分析方法解决了模型试验中的一系列问题。相似第一定理：彼此相似的物理现象必须服从同样的客观规律，若该规律能用方程表示，则物理方程式必须完全相同，而且对应的相似准则必定数值相等。相似第二定理：设计模型和选择介质必须使单值条件相似，而且由单值条件中的物理量组成的相似准则在数值上相等。实际平台尺寸：宽：950mm长：2200mm通道宽：40mm设计中要求内袋阀门仅受配件的横向约束，摩擦力可忽略试验具体参数：平台宽：95mm平台长：220mm通道宽：4mm摩擦系数：取纸张光滑面，摩擦系数很小（3）内袋折叠平台 图17：内袋折叠平台各配件通过机电控制能够以阀门位置为准绳，折叠、抓取、松开内袋。折叠尺寸：宽800mm，长300mm平台尺寸：宽800mm，长500mm（4）中央综合平台图18：中央平台：概观（左）缝纫机（右） 图19：热切割机（上）阀门盖安装机（下）中央平台的主要构件为缝纫机、热切割机、阀门盖安装机、真空吸盘以及外袋折叠套件。图20：外袋折叠套件1）热切割机、阀门盖安装机使用工厂现有设备改装。热切割机连有弯管，切割产生的废料马上通过风机经弯管吸入收集器中，安全环保。外袋折叠套件的模型试验见视频。 2）缝纫机参数：S-1110A最高缝纫速度：4,000-5,000rpm最大针距：4.2-5mm抬压脚高度：6-13mm取缝纫速度4500rpm，针距5mm，缝纫900mm耗时2.4s，与建模要求符合。1）真空吸盘参数：图21：SMC系列真空吸盘参数表(ZP系列)[4]选用Ф=50mm真空压力提供的拉力173×0.0252×3.14×133.32=45.29N远大于外袋的重量，与建模要求符合。一、设计特色以人为本北京大学充气袋制造机通过结构在空间上的巧妙叠加，使得整个生产线在一台机器上完成，除了输入输出没有复杂的人力参与，追求高效、增加生产线的同时，不增加厂房空间，为和谐城市人居做出努力。环境友好充气袋制造机唯一的原材料废料在热切割时产生，马上得到处理，不污染工作环境。易维护可改进通过工业自动化的原理，先从平面功能架构出发，完成设计，功能组件可以随时替换，易于维护。且北京大学充气袋制造机吸纳新技术能力强，始终可以再次进行知识迁移，将新的好技术转化进来，提升机器性能。 效益高通过工业工程效益最大原则，对机械的运动情况做了优化，减少等待，闲置，使得整个生产过程流畅精明，最短时间装配完充气袋。具体参见视频。 第三章创新性一、主要创新点（一）通过知识迁移，将打印机中的搓纸轮应用于外袋箱中（原料分拣以及输运）。　搓纸轮输运打印纸快速高效，但是收到材料和尺寸的影响比较大，难以应用。然而，我们通过分析，确定了搓纸轮和纸之间足够大的摩擦力是快速输运和精确控制的保证。即让搓纸轮进入纯滚动，仅控制转速即可达到控制分拣原料数量的办法。使得问题变得清晰明了，但这还受到外袋材料的影响，是不是需要对外袋做事先的涂料加工来达到呢？所幸通过对实物的分析我们发现，外袋的材料工艺和内袋完全不同，相对来说粗糙得多，我们很有希望能找到合适的搓纸轮材料来和它实现相对纯滚动。（二）通过模型试验，开发了使用振动台来精确定位柔性塑料的方法。传统的振动台多用于样品放震测试或者场景模拟。我们团队的振动台采用了和电液式振动台相似的工作原理，激发台面的随机振动，迫使柔性塑料在振动中寻找平衡位置来达到我们对其定位的目的。配件构成的约束导轨更使得难以定位的内袋阀门成为我们的掌心之物，并且模型试验相当成功，我们期望进一步更精密的模型试验能够带给我们更惊喜的结果。（三）通过拟物设计，发明了充气袋原料加工的折叠组合套件（夹具和钩爪）。拟物设计是一把双刃剑，但是你们看到我们视频中的折叠组合套件，一定不会对它有抵触，因为它模拟的运动状态就是我们人手自然折纸的运动状态。巧妙的是，经过我们的多次调整，它的所有组件仅需要2自由度的运动组合就可以实现这一功能，工业直线导轨平台可能帮了它不少忙，但是随着控制精度的改进，我们觉得这一设计可以走得更远，更加简单亲切。二、成本优势成本调研情况：构件价格能耗气弹簧795*15=11925-搓纸轮及电机1001000W缝纫机2450*2=49002000W真空吸盘125*4=500-热切割机-- 平台及电机气动机套件--由于热机能耗更大，价格也较高，可能成为新的成本巨头，且气动元件需要考虑工厂本身的气压能力，我们还需要通过更多测试探明选用型号，故凭已探知的资料我们不能给出自己的成本估计。然而，初步咨询工程师的结果是整个设计的实现到样机出产，价格在50W-100W左右。据此，我们估计我们设计的机器，成本在100W左右。如前所述，支付工人每月消耗5000元/人，机器一个月能够给工厂省下5000*6=30000元，如果雇佣工人按12小时计算，这个数字还需要乘以1.5，达到每月省下50000元左右，一年收回成本60W，这和机器的制造成本相当，且我们设计的机器使用寿命>10年，这期间，不考虑业务拓展，给公司带来的利润也是巨大的。从成本角度，设计远优秀于原本的人工制造过程。三、前景优势综合机械自动化，工业工程和力学的研究来重新设计充气袋制造这一工业项目，使得传统工业得以通过和人、环境的互动获得新生。一开始我们所能做的改进是比较局限的，但是如果深入研究下去，则更多的巧妙设计可以通过人机平衡的原则被开发。视频初步预测的制造过程和人工相当，在30s左右，人工是40-50s，计算工作时间的翻倍，已经提高了一倍的效率，这使得工厂能够适应当今电商大战的庞大订单量，向这一领域迈进。而设计思想的贯彻，可能还可以见证充气袋工业的进一步成长，让生活更美好。 参考文献：[1]杨嫣红王志伟缓冲包装材料及其性能研究进展[J]《包装工程》2002年04期[2]江牧工业产品设计安全原则[M]中国建筑工业出版社2008年6月1日版[3]百度文库气弹簧原理简要说明[OL]2011年12月9日http://wenku.baidu.com/link?url=f8m_BhqtFvaN4Ltnl2rUHVQCATeLRAQVQ8DSV1zU_ICDd9D2cBYbr1wdEsl70sWu52JR2sgZSQw0uTL8rAq8VpY07JTujjXceyYtTcMKRo7[4]百度文库SMC真空吸盘[OL]2011年2月11日http://wenku.baidu.com/link?url=5zaKref_4HdcwKcI0V8BTL95R2L7qZhpUOszGoS8QL8LVXiGh_umfoJlGpduxkjlZSZqu0CvcwGdd3hGGNcTY47RVZY0vKzr9kRshnH2hUi'