新型纸箱包装机的设计分为结构设计与控制系统设计二个方面。本文采用用模块化设计思想，分别设计了运输组件、下折页折合组件、装货传送组件、上折页折合组件和纸箱整体封装组件。并将包装机在空间结构上划分为A(下折页折合工位)、B（传送货物工位）、C（上折页折合工位）D（整体封装工位）4个工位，工位平面图如图1所示。纸箱包装机4个组件的机构划分、工位划分、组件功能如表1所示。在包装机控制系统中介绍了纸箱机的基于PLC的执行元件控制系统设计、位置检测装置原理介绍和控制系统的软件设计：人机交换界面。
图1 工位示意图
表1 组件划分表
新型纸箱包装机四个组件的空间关系：下折页折合组件和上折页折合组件成列设置，纸箱整体封装组件和装货传送带分别设置在上折页折合组件的两侧；下折页折合组件和上折页折合组件的上方设置有运输组件。本文应用CATIA软件对纸箱包装机的上述多个模块进行三维造型设计。
图2 运输组件示意图
1,2.电磁继电器 3,4.滑块 5,6.滑槽 7,8.索道 9,10.线圈
图3
图4 下封装示意图
1.纸箱 2.滚轴 3.滑块 4.凸轮 5.胶带
2.1 运输组件设计
在纸箱包装机中运输组件主要实现运输纸板、传递纸箱的作用。其中运输组件包括滑槽、滑块、电磁继电器、索道等关键构件，如图2所示。通过电磁继电器实现纸箱的夹合，从而将纸箱固定；将电磁继电器与滑块连接，通过牵引钢丝线连接使滑块在滑槽上运动，进而带动纸箱在预先设计好的轨道上运动。本文所设计的纸箱包装机的运输方式有别于传统的“真空吸盘+液压”的模式，而是采用“电磁继电器+索道”的模式。与传统模式相比较该种运输方法不仅对于纸箱、纸板的运动控制更加灵活准确，而且大幅度减少了包装机生产的成本。
2.2 下、上折页折合组件设计
折页折合作为纸箱包装机的核心功能，其折页折合效果直接影响包装质量。为了保证高效、可靠的折叠效果，本文所设计的纸箱包装机采用齿轮齿条作为折页折合的执行机构。其中下折页折合组件包括端折页折合组件和两个侧折页折合齿条；两个侧折页折合齿条分别设置在端折页折合组件的两侧；端折页折合组件包括气压杆、端折页折合齿条和斜板；气压杆和斜板相对设置，斜板用于折合纸箱一端的下折页，压杆上设置有端折页折合齿条，气压杆能够带动端折页折合齿条升降，用于折合纸箱另一端的下折页。同理包装机上折页折合组件结构与之相似。为了更好地完成折页折合，在上折页折合组件加装齿轮齿条机构作为限位功能使用。该种折页折合模式与传统“液压、气动推杆”折合模式相比，不仅可以减少折页折合过程中纸箱所受的冲击，还可以限制纸箱移动的位置。由此可知：此种折合方式可以平稳、高质量地完成折页折合。上、下折页折合组件三维造型，如图3所示。
2.3 整体封装组件设计
整体封装组件是纸箱包装机最后的环节，主要实现将已折叠完成的纸箱用胶带封口的过程。其中整体封装组件由上封装组件和下封装组件主成，二者设计原理相同。下封装组件由：胶带、滑块、凸轮和多个滚轴组成；多个滚轴平行设置，胶带设置在前端的第一滚轴上，胶带抻出的胶带头反向搭放在后方的第一滚轴上，胶带头的下方设置有凸轮，凸轮上设置有滑块，滑块设置有锯齿，凸轮能够带动滑块升降，用于在下折页固定前将胶带头粘到纸箱的端面上，在下折页固定后切断胶带。经过封装组件巧妙设计避免了传统的热封模式。该种封装模式结构简单、可靠性较高。整体封装组件的下封装示意图如图4所示。
经过上述4个模块和其余零部件的三维结构设计后，应用CATIA软件进行零部件装配，装配后得到新型纸箱包装机的三维立体结构，如图5所示。
图5 新型纸箱包装机三维立体图
新型包装机的控制系统主要包括由可编程控制器（PLC）组成的执行元件的控制系统、包装机运行位置检测装置、应用Visual Basic软件编写的人机交换界面组成。其中执行元件的控制系统和位置检测装置属于控制系统的硬件结构，人机交换界面属于控制系统的软件设计。
3.1 基于PLC的执行元件控制系统设计
PLC是计算机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是近年来发展最迅速、应用最广泛的工业自动化控制装置之一。在包装机电控部分的设计中,考虑到包装机运作复杂,传感器多,干扰大,而PLC具有可靠性高、控制功能强、编程方便等优点,本文采用可编程控制器作为其主控制器[5]。本文选用可编程控制器的型号为FX2N-48MR,并选用AC电源、DC24V电源输入以及继电器输出。其中FX2N-48MR是三菱公司研制的可编程控制器(PLC)，继电器输出及输入24点,FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，内置用户存储器8 kB，可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊控制功能(PID、高速计数、A/D、D/A、等)。该型PLC因其具有高速处理的功能，所以可以精准控制有关执行元件的运动。系统硬件配置包括PLC、磁性开关、光电开关、电磁继电器、电机舵机驱动模块、伺服电机控制器、伺服电机、舵机、减速电机等组成，其控制原理由图6所示。采用PLC及其相关部件组成纸箱包装机的控制系统不仅可以高效、便捷实现各个组件的连续运动，而且易于判断、查找纸箱包装机所发生的故障。
本文所设计的新型纸箱包装机因其各个组件之间相互独立，所以在包装机控执行元件制系统的设计分为两级，第一级系统负责控制各个组件的启动、暂停;第二级控制系统负（子系统）责控制所在组件中执行元件的启动、暂停。在控制方式上，本文通过行程控制与时间控制相结合的控制方式，可以实现执行元件的精准控制。以运输组件的第二级控制系统为例介绍子系统的控制原理。G1为运输组件的可编程控制器（PLC)，G1通过D1、D2分别连接第一级可编程控制器（PLC）、检测开关，A1、A为相应电机参数设置，B1、B2为相应的电磁继电器参数设置。运输组件的控制原理如图7所示。
3.2 包装机运行位置检测装置原理介绍
图6 控制系统原理图
图7 运输组件控制原理图
图8 纸箱包装机人机交换界面
新型纸箱包装机除了由可编程控制器（PLC）组成的执行元件的控制系统，还需纸箱运行位置检测装置。位置检测装置主要用于闭环和半闭环系统，检测装置通过直接或间接测量检测出执行部件的实际的位移量，然后反馈到数控装置，并与指令位移进行比较，如果有差值，就发出运动控制信号，控制执行元件向消除该差值的方向移动。不断比较指令信号与反馈信号，然后进行控制，直到差值为0，运动停止。该检测装置是根据伺服电机旋转编码器产生反馈信号，伺服电机在伺服控制器的控制下进行开闭环。在进行包装机包装运行位置检测设置中，只要通过应用编码器中的专用接口，将主编码器中的数据传送到全自动高速纸箱包装机控制系统运动控制器中，就能够通过运动控制器中的数据反映出纸箱包装机的包装运行位置，从而进行包装设置与监测。
3.3 控制系统软件设计
为了更友好地进行人机交互，方便编程人员和操作人员调试和监控，控制系统除PLC电子运动控制部分外，还需人机交换界面程序。合理的人机交换界面可以提高纸箱包装机操作舒适性与效率。其中人机交换界面应用Visual Basic软件进行设计，界面主要包括：控制包装机的启动与暂停、包装数量与速度的选择等内容。纸箱包装机的人机交换界面如图8所示。
本文应用CATIA软件设计了纸箱包装机的三维立体结构，介绍了该机械的控制系统的硬件组成和控制原理。经实验表明：本文所设计的包装机械具有多用途化，能够满足不同场合的实用需要；纸箱包装效果良好，能够完成折页折合、胶带封口等过程。在进行纸箱包装试验后仍存在如下问题：
1）若调换纸箱规格，包装效果不理想;2)在包装机连续工作的情况下易发生卡死现象。