胡俊磊，戴姚輝，吳海鈺，楊 巖,2

（1.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054；2.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054）

0 引言

蘋果產(chǎn)業(yè)是我國果業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著我國蘋果產(chǎn)量的逐年增加，效益也在逐年提高。而蘋果在其采摘、裝箱、運輸、貯藏等過程中都有可能因跌落、碰撞以及擠壓等原因造成損毀，統(tǒng)計表明每年在運輸過程中因機(jī)械損傷造成的蘋果損失占總產(chǎn)量的25%～45%，大大降低的農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收益。目前，減少果蔬采摘后的損耗已經(jīng)成為了全世界農(nóng)產(chǎn)品行業(yè)關(guān)心的主要問題之一。實踐證明，對果蔬采用合適的緩沖包裝可以有效降低果蔬在運輸過程中的震動損傷。對蘋果采用發(fā)泡塑料網(wǎng)、瓦楞紙板襯墊等緩沖包裝進(jìn)行振動試驗并分析不同材料對蘋果振動傳遞率與損傷的影響，結(jié)果表明，采用發(fā)泡塑料網(wǎng)作為緩沖包裝時，可有效地降低蘋果損傷率[1,2]。

目前在國內(nèi)外都是采用人工對蘋果進(jìn)行網(wǎng)套包裝的方式，隨著逐年增加的蘋果產(chǎn)量，人工成本也在不斷上升。為了提高蘋果產(chǎn)業(yè)給果農(nóng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益，降低人工成本，設(shè)計一款能夠?qū)崿F(xiàn)蘋果自動套網(wǎng)的裝備勢在必行。

近年來，國內(nèi)外包裝機(jī)械隨著消費結(jié)構(gòu)與形式的轉(zhuǎn)變迅猛發(fā)展，包裝機(jī)械的產(chǎn)量不斷上升，然而針對果蔬包裝的裝備卻很少，沒有一款針對蘋果進(jìn)行網(wǎng)套包裝的商品裝備，相關(guān)文獻(xiàn)專利稀少，其中存在無法連續(xù)對蘋果進(jìn)行網(wǎng)套包裝、設(shè)備工作時震動大等問題。本文設(shè)計了一款蘋果網(wǎng)套自動包裝機(jī)，對果徑80mm以下的蘋果進(jìn)行網(wǎng)套包裝，解決了蘋果網(wǎng)套包裝的連續(xù)性問題、網(wǎng)套在包裝過程中易破損等問題。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 裝置作業(yè)對象

本論文中設(shè)計的蘋果網(wǎng)套自動包裝機(jī)主要使用的包裝材料是發(fā)泡塑料網(wǎng)，又稱EPE珍珠棉，具有隔水防潮、防震、隔音、保溫、可塑性能佳、韌性強(qiáng)、循環(huán)再造、環(huán)保、抗撞力強(qiáng)等諸多優(yōu)點，亦具有很好的抗化學(xué)性能，如圖1所示。經(jīng)圖2所示過程設(shè)計出包裝目標(biāo)為蘋果果徑小于80mm的蘋果網(wǎng)套自動包裝機(jī)。

圖1 塑料發(fā)泡網(wǎng)示意圖

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

蘋果網(wǎng)套自動包裝機(jī)主要由蘋果輸送裝置、網(wǎng)套放置機(jī)構(gòu)、網(wǎng)套包裝機(jī)構(gòu)、網(wǎng)套切斷機(jī)構(gòu)組成。包裝機(jī)將PLC作為中央控制元件，通過檢測元件傳回的信號發(fā)出指令控制各個執(zhí)行元件完成特定動作。蘋果網(wǎng)套自動包裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。蘋果輸送裝置位于機(jī)架的下方，用于輸送未包裝的蘋果以及將包裝好的蘋果送出；網(wǎng)套放置機(jī)構(gòu)位于機(jī)架的最上方，用于儲存網(wǎng)套；網(wǎng)套包裝機(jī)構(gòu)位于機(jī)架的中心，用于對蘋果進(jìn)行包裝；網(wǎng)套切斷機(jī)構(gòu)位于網(wǎng)套包裝機(jī)構(gòu)的下方，對套入網(wǎng)套的蘋果進(jìn)行網(wǎng)套切斷。

圖2 設(shè)計流程圖

圖3 蘋果網(wǎng)套自動包裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

蘋果網(wǎng)套自動包裝機(jī)的工作原理如圖4所示，在蘋果網(wǎng)套自動包裝機(jī)作業(yè)時，塑料發(fā)泡網(wǎng)成卷的放置于網(wǎng)套放置裝置上，發(fā)泡網(wǎng)向下延伸套入網(wǎng)套撐開器中，兩個電動機(jī)械夾作為懸停機(jī)構(gòu)夾緊套入了網(wǎng)套的撐開器，使撐開器懸停在固定位置，通過繼電器模塊控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制電動機(jī)械夾的開合，兩個電動機(jī)械夾如圖4上所示放置，上下間距50mm。將蘋果放置在蘋果托盤1位置處，蘋果隨圓盤的轉(zhuǎn)動輸送到網(wǎng)套包裝點，凸輪分割器進(jìn)入停止運動的階段，固定裝置a在電動伸縮推桿3的作用下向上移動直至與撐開器對接，電動伸縮推桿1和電動伸縮推桿2同時向下推進(jìn)，兩只夾緊撐開器的電動機(jī)械抓拖動網(wǎng)套在撐開器表面向下滑落，當(dāng)網(wǎng)套將圓盤上方的固定裝置包裹后，電動機(jī)械夾1與電動機(jī)械夾2松開撐開器回到初始位置后夾緊撐開器，隨后固定裝置復(fù)位，在固定裝置開始復(fù)位動作時，網(wǎng)套切斷裝置開始執(zhí)行切斷網(wǎng)套的動作，固定裝置復(fù)位后，網(wǎng)套將蘋果包裹，準(zhǔn)備開始下一個蘋果的包裝。紅外傳感器分別用于檢測網(wǎng)套放置結(jié)構(gòu)上的網(wǎng)套剩余量以及是否放入蘋果進(jìn)入蘋果托盤或者是否取出已包裝好的蘋果，通過紅外傳感器的反饋到PLC中的信號來決定裝備是否繼續(xù)工作[3,4]。

圖4 包裝機(jī)工作原理圖

2 部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 蘋果輸送裝置

蘋果輸送裝置需要實現(xiàn)將未包裝的蘋果送到網(wǎng)套包裝點位，在網(wǎng)套包裝過程完成后再將包裝好的蘋果送出的功能，由于本文設(shè)計的蘋果網(wǎng)套自動包裝機(jī)的目標(biāo)用戶是中小型果農(nóng)商戶，考慮到設(shè)備的占用體積，采用立體式結(jié)構(gòu)設(shè)備，在直線輸送結(jié)構(gòu)與圓周轉(zhuǎn)動輸送結(jié)構(gòu)之間，本裝備選擇圓周轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)來輸送蘋果；在圓周運動過程中蘋果會受到離心力而發(fā)生位置變化，因此需要設(shè)計一個小托盤來保證蘋果在運動過程中不會隨著圓周運動而在圓周轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)上發(fā)生位置滑動；蘋果達(dá)到網(wǎng)套包裝點位時，輸送裝置需要停止運動讓蘋果完成網(wǎng)套的包裝過程，驅(qū)動轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的裝置需要滿足精確的、頻繁的啟停要求，普通電機(jī)長時間頻繁的帶動機(jī)構(gòu)啟停會對電機(jī)造成損傷，所以本裝備選擇凸輪分割器搭配電機(jī)來作為蘋果輸送裝置的動力元件。為滿足以上條件設(shè)計出如圖5所示的蘋果輸送裝置，它由電機(jī)、凸輪分割器、轉(zhuǎn)動圓盤、蘋果托盤組成。凸輪分割器由電機(jī)驅(qū)動，轉(zhuǎn)動圓盤安裝在凸輪分割器的法蘭盤上，轉(zhuǎn)動圓盤的半徑為220mm，厚度5mm，在其上表面半徑為160mm的圓弧上均勻分布著6個半徑為40mm、厚度為2mm、壁高為10mm、壁厚為2mm的蘋果托盤，在托盤周圍分布著四個通孔，在網(wǎng)套包裝過程中支撐機(jī)構(gòu)的不銹鋼柱體穿過通孔與撐開器下表面接觸。托盤與轉(zhuǎn)動圓盤通過螺栓進(jìn)行固定，轉(zhuǎn)動圓盤與蘋果托盤由ABS材料制成，已知ABS材料密度為1.05g/cm3～1.18g/cm3，算得轉(zhuǎn)動圓盤與蘋果托盤的總質(zhì)量為1.60kg。在轉(zhuǎn)動圓盤上裝載6個蘋果時，以一個蘋果0.25kg計算，滿負(fù)載狀態(tài)時，其總質(zhì)量約為為3.1kg，根據(jù)其負(fù)載重量，選用45DF型的凸輪分割器作為驅(qū)動裝置。工作時，電機(jī)通電，凸輪分割器帶動轉(zhuǎn)動圓盤旋轉(zhuǎn)，將放入的蘋果送至網(wǎng)套包裝點位，在凸輪分割器的間歇期間，網(wǎng)套包裝結(jié)構(gòu)對蘋果進(jìn)行網(wǎng)套包裝。

圖5 蘋果輸送裝置示意圖

2.2 網(wǎng)套結(jié)構(gòu)

網(wǎng)套結(jié)構(gòu)由網(wǎng)套放置裝置、網(wǎng)套包裝機(jī)構(gòu)以及網(wǎng)套切斷機(jī)構(gòu)組成。

2.2.1 網(wǎng)套放置裝置

塑料發(fā)泡網(wǎng)因自身材質(zhì)原因，堆積在一起時易蓬松，在連續(xù)包裝的過程中網(wǎng)套堆積在一起可能發(fā)生打結(jié)、折疊扭曲等問題，蘋果網(wǎng)套自動包裝機(jī)又為立體式，因此本設(shè)計中選擇將塑料發(fā)泡網(wǎng)成卷的放置在可滾動的軸上，安裝在機(jī)架的最上方，設(shè)計出如圖6所示的網(wǎng)套放置結(jié)構(gòu)。將兩個半徑35mm、寬40mm的H型尼龍輪與一根長140mm、半徑5mm的軸進(jìn)行連接，軸能夠隨著H型尼龍輪中的轉(zhuǎn)動軸承而轉(zhuǎn)動，其中軸上供網(wǎng)套放置的長度為110mm，市面上農(nóng)戶常用的塑料發(fā)泡網(wǎng)最大規(guī)格為100mm，本設(shè)計能夠放置任意規(guī)格的發(fā)泡塑料網(wǎng)。

圖6 網(wǎng)套放置裝置示意圖

2.2.2 網(wǎng)套包裝機(jī)構(gòu)

網(wǎng)套包裝機(jī)構(gòu)如圖7所示。用于包裝的發(fā)泡網(wǎng)是呈封閉圓狀，作業(yè)對象是果徑小于80mm的蘋果，在對蘋果進(jìn)行網(wǎng)套包裝時，首先撐開呈扁平狀的網(wǎng)套，再將被撐開的網(wǎng)套套在蘋果上，用于撐開塑料發(fā)泡網(wǎng)的機(jī)構(gòu)，稱為網(wǎng)套撐開器。整臺裝備是一個自上而下的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)套從最上方的網(wǎng)套放置機(jī)構(gòu)落入到網(wǎng)套撐開器中，網(wǎng)套撐開器應(yīng)是一個獨立的機(jī)構(gòu)，它不與任何機(jī)構(gòu)有直接連接[5]，最終通過撐開器的網(wǎng)套開口大于所包裝蘋果的果徑，并且網(wǎng)套撐開器與塑料發(fā)泡網(wǎng)之間應(yīng)有較小的摩擦力，這樣在機(jī)構(gòu)拖動塑料發(fā)泡網(wǎng)在撐開器表面滑動時才不會發(fā)生無法拖動網(wǎng)套或者網(wǎng)套破損的情況，將塑料發(fā)泡網(wǎng)與鑄鐵、不銹鋼、PVC塑料等材料進(jìn)行摩擦對比試驗，試驗結(jié)果表明塑料發(fā)泡網(wǎng)與PVC塑料接觸時產(chǎn)生的摩擦力最小，因此本裝備中選用PVC塑料作為網(wǎng)套撐開器的原材料。為了進(jìn)一步減小網(wǎng)套與撐開器之間的摩擦力且滿足包裝要求，將撐開器的上部分設(shè)計為半徑45mm、壁厚5mm的空心半球，下部分為半徑45mm、高250mm、壁厚5mm的空心圓柱，圓柱表面均勻分布著半徑2.5mm的圓孔以減小撐開器與蘋果網(wǎng)套的接觸面積，下表面有著鏤空部位與其他構(gòu)件連接，如圖7中所示。在撐開器不與其他機(jī)構(gòu)直接接觸的條件下，網(wǎng)套能夠在撐開器表面向下滑動，并且撐開器能夠懸停在固定位置，因此在未進(jìn)行網(wǎng)套包裝時需有夾持機(jī)構(gòu)來對撐開器進(jìn)行位置固定，在包裝過程中需要有拖動網(wǎng)套在撐開器表面滑動的機(jī)構(gòu)，在拖動網(wǎng)套滑動時需要有能夠?qū)伍_器進(jìn)行位置固定的機(jī)構(gòu)。本設(shè)計中選用了質(zhì)量0.25KG、工作電壓24V、夾持力為10N的電動機(jī)械夾作為它的夾持機(jī)構(gòu)，該電動機(jī)械夾能夠穩(wěn)定夾持1kg以內(nèi)的規(guī)則物品，通過繼電器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來驅(qū)動電動機(jī)械夾的開合，經(jīng)試驗表明，在該電動機(jī)械夾在夾緊套入網(wǎng)套的撐開器時，給與豎直方向大于24.1N的推力，它能夠拖動網(wǎng)套在撐開器表面滑動，即一個元件能夠?qū)崿F(xiàn)夾持撐開器和拖動網(wǎng)套移動兩個功能。驅(qū)動電動機(jī)械夾做上下運動的執(zhí)行元件滿足持續(xù)提供穩(wěn)定的推力、合適的行程、合適的移動速度即可，本文選擇行程為150mm、速度65mm/s、推力30N、工作電壓24V、質(zhì)量2kg的帶有自鎖功能以及斷電保護(hù)功能的電動伸縮推桿來作為它的驅(qū)動元件。左右兩邊各一個電動機(jī)械夾能夠精確的將網(wǎng)套撐開器定位，拖動網(wǎng)套滑動時也不會因網(wǎng)套單邊受力而導(dǎo)致拉扯破損[6]，在電動機(jī)械夾拖動網(wǎng)套下移過程中，撐開器會受到向下的作用力，此時下方需要一個抵消反作用力的裝置，同時該裝置能夠保證在包裝網(wǎng)套在滑落過程中完美包住蘋果，該裝置如圖7中所示，固定機(jī)構(gòu)向上移動，與撐開器下表面鏤空部分對接，起到固定作用，網(wǎng)套順著固定裝置繼續(xù)滑動，當(dāng)固定機(jī)構(gòu)向下移動時，套在固定機(jī)構(gòu)上的網(wǎng)套將蘋果包裹住，完成蘋果的包裝。同樣采用上述規(guī)格的電動伸縮推桿，在固定機(jī)構(gòu)到達(dá)位置時，推桿成鎖死狀態(tài)，能夠抵消反作用力。

圖7 網(wǎng)套包裝裝置示意圖

2.2.3 網(wǎng)套切斷機(jī)構(gòu)

網(wǎng)套切斷機(jī)構(gòu)如圖8所示。塑料發(fā)泡網(wǎng)由于自身韌性強(qiáng)，使用傳統(tǒng)刀具直接進(jìn)行切割會發(fā)生圖8所示的情況，在網(wǎng)套包裹蘋果后，這樣的切割方式會使得網(wǎng)套脫離蘋果，為了快速切斷網(wǎng)套，本裝備采用熱電絲來作為切割刀具[7,8]。塑料發(fā)泡網(wǎng)的熔點為50℃～60℃，使用調(diào)溫電熱絲切割不會在工作中產(chǎn)生大量熱量從而使得設(shè)備工作環(huán)境溫度升高進(jìn)而影響設(shè)備各構(gòu)件穩(wěn)定性，選用的調(diào)溫電熱絲工作電壓為12V，同時內(nèi)部隔離變壓器確保電熱絲只有低壓12V遠(yuǎn)低于人體安全電壓36V，工作時電熱絲工作溫度為70℃，確保操作人員的安全[9]。推動電熱絲切割機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件依舊選擇上述的電動伸縮推桿，電熱絲切割機(jī)構(gòu)與電動伸縮推桿連接水平安裝在轉(zhuǎn)動圓盤之上[10]，當(dāng)固定機(jī)構(gòu)與撐開器分離后，對網(wǎng)套進(jìn)行切斷。

圖8 網(wǎng)套切斷機(jī)構(gòu)示意圖

2.3 控制裝置

一般中小型設(shè)備選擇使用單片機(jī)或者PLC作為中央控制元件，PLC相比單片機(jī)來說，成本相對要高一點，而抗干擾能力、故障率、維護(hù)的難易程度遠(yuǎn)優(yōu)于單片機(jī)，綜合考慮本設(shè)備選擇使用西門子S7-200smart PLC，其功能滿足本裝備的控制需求。前文提到電動機(jī)械夾的開合、電動伸縮推桿的伸縮都是改變它們內(nèi)部電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的，因此采用直流電機(jī)自動正反轉(zhuǎn)繼電器模塊來控制機(jī)械夾和推桿的動作。在機(jī)器工作過程中，需要檢測網(wǎng)套放置機(jī)構(gòu)上的網(wǎng)套剩余量、包裝好的蘋果是否已經(jīng)取出、網(wǎng)套包裝點位是否有蘋果，本包裝機(jī)直接采用紅外傳感器，依靠距離判定來檢測以上信息，將結(jié)果反饋到PLC中，PLC控制工作過程以及整臺設(shè)備的啟停。建立人機(jī)界面，控制方式分為自動、手動控制兩種模式，可根據(jù)不同使用情況自行選擇，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示[11]。系統(tǒng)中PLC處理傳感器反饋的信號數(shù)據(jù)，再將處理結(jié)果反饋給各個執(zhí)行元件，其控制流程圖如圖10所示。

圖9 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 控制流程圖

3 性能試驗

3.1 試驗方法和指標(biāo)

由于蘋果自動套網(wǎng)機(jī)目前在國內(nèi)還屬于萌芽階段，尚未出現(xiàn)商業(yè)化的蘋果自動套網(wǎng)機(jī)，我國還沒有制定蘋果自動套網(wǎng)機(jī)機(jī)械性能試驗方法的國家標(biāo)準(zhǔn)，因此針對本文設(shè)計的蘋果自動套網(wǎng)機(jī)，選取包裝率和包裝速度兩個方面作為考察蘋果自動套網(wǎng)機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和工作性能指標(biāo)。套網(wǎng)機(jī)作業(yè)試驗中，包裝率主要反映裝備的包裝質(zhì)量，包裝速度主要反映裝備的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率[12]。

包裝率，是指在包裝過程中包裝作業(yè)能夠順利完成，計算公式為：

包裝速度，是指在包裝過程中每分鐘能夠完成的蘋果包裝數(shù)量，計算公式為：

式中：N1為套網(wǎng)機(jī)作業(yè)后成功包裝的蘋果數(shù)量；

N為套網(wǎng)機(jī)作業(yè)后進(jìn)行包裝作業(yè)過程的蘋果的總數(shù)量；

t為包裝機(jī)作業(yè)時間，min。

3.2 實驗結(jié)果與分析

蘋果自動套網(wǎng)機(jī)包裝實驗結(jié)果如表1所示。

自動套網(wǎng)機(jī)包裝號的蘋果因切割刀具為電熱絲，在網(wǎng)套切斷處會呈現(xiàn)焦黑色，在套上蘋果的網(wǎng)套中占比面積不大，不影響美觀效果。樣機(jī)對于蘋果的包裝速度為13個/min，包裝率為98.4%，高于人工包裝速度，并且省去了對網(wǎng)套進(jìn)行裁剪的過程，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。

表1 樣機(jī)試驗結(jié)果

4 結(jié)語

設(shè)計了一種蘋果自動套網(wǎng)機(jī)，確定了套網(wǎng)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)，對果徑小于80mm的蘋果進(jìn)行包裝，降低了果農(nóng)的勞動強(qiáng)度，為后續(xù)蘋果自動套網(wǎng)機(jī)商品化提供了設(shè)備平臺。解決了蘋果網(wǎng)套包裝的連續(xù)性問題，包裝過程中不會造成網(wǎng)套破損，縮小了蘋果網(wǎng)套包裝機(jī)的體積。蘋果自動套網(wǎng)機(jī)樣機(jī)包裝試驗表明，對蘋果的包裝速度為13個/min，包裝率為98.4%，高于人工包裝速，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，具有較好的應(yīng)用性和市場推廣前景。本設(shè)備還有一定的不足之處，包裝速度從長時間來看高于人工包裝速度，但包裝速度還有提升空間，電熱絲切割切割方便但會提高工作環(huán)境的溫度，尚需改進(jìn)。