西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 肖瑞娟 薛焱豐 萬宏強(qiáng) 李世龍

蘋果在采摘、存放、運(yùn)輸?shù)绞圪u過程中存在因跌落、擠壓、碰撞等因素造成的損傷，影響品質(zhì)，套網(wǎng)一般依賴于人工操作，效率低。本文設(shè)計(jì)了一款蘋果網(wǎng)套自動(dòng)包裝機(jī)，包括輸網(wǎng)模塊、套網(wǎng)模塊、剪切機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、撥動(dòng)機(jī)構(gòu)、裝箱模塊等六大模塊。各個(gè)部分獨(dú)立工作，整體相互配合。該機(jī)滿足社會(huì)市場需求，結(jié)構(gòu)簡單，用途范圍廣泛。

蘋果在銷售運(yùn)輸過程中存在很多容易受損的不可控因素，最常見的影響蘋果受損的因素就是蘋果間的擠壓、碰撞，亦或與加工機(jī)械之間的的碰撞與摩擦，這些缺陷影響外觀，受傷的蘋果在空氣的氧化作用下會(huì)變黑、腐爛，造成蘋果滯銷，嚴(yán)重影響著果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收益。塑料發(fā)泡網(wǎng)套袋可以有效地降低蘋果損傷率。當(dāng)前水果網(wǎng)套包裝的方式仍以傳統(tǒng)的手工套網(wǎng)方式為主，能對不同形狀尺寸的蘋果進(jìn)行發(fā)泡網(wǎng)套包裝，人工套網(wǎng)速度慢、效率低，人工成本大。劉瑞歌所研究的全自動(dòng)水果包裝機(jī)是一款集篩選、包裝、計(jì)數(shù)、裝箱為一體的全自動(dòng)水果包裝機(jī)。徐勤超所設(shè)計(jì)的球形水果塑料發(fā)泡網(wǎng)套包裝機(jī)通過對球形水果進(jìn)行分析，采用柔性擴(kuò)膜錐體擴(kuò)膜的思想，倒刺卡筒下膜的方式，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)包裝功能，網(wǎng)套包裝效果相對較好；但是，對機(jī)械自身精度要求較高，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，而且移動(dòng)困難，需要相當(dāng)大的人力資源。針對上述多種缺陷，為了解決現(xiàn)有技術(shù)難題，設(shè)計(jì)了一款蘋果網(wǎng)套自動(dòng)包裝設(shè)備。

1 總體設(shè)計(jì)

為了滿足蘋果網(wǎng)套包裝的工作要求，蘋果網(wǎng)套包裝機(jī)三維模型如圖1所示，其主要工作原理為：當(dāng)蘋果經(jīng)傳送模塊被轉(zhuǎn)接到套袋托盤上時(shí)，由紅外感應(yīng)模塊感應(yīng)蘋果是否傳送到蘋果網(wǎng)套撐開器裝置的正下方，如果已經(jīng)到達(dá)，輸網(wǎng)機(jī)構(gòu)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下垂直向下運(yùn)動(dòng)，通過順網(wǎng)機(jī)構(gòu)，在網(wǎng)套撐開器中四個(gè)鉤子拉力的作用下，網(wǎng)套向蘋果運(yùn)動(dòng)，當(dāng)蘋果網(wǎng)套撐開器運(yùn)行到蘋果托盤的正下方時(shí)，由剪切機(jī)構(gòu)剪切網(wǎng)套，撐網(wǎng)架自動(dòng)收回，完成蘋果的套網(wǎng)動(dòng)作，套袋后的蘋果經(jīng)蘋果傳送部分到蘋果箱上方，此時(shí)由蘋果撥動(dòng)機(jī)構(gòu)將蘋果撥動(dòng)落入蘋果箱中。在裝箱過程中采用3×4的2層裝箱方式，裝箱部分又包括果箱升降機(jī)構(gòu)、果箱的X、Y工位移動(dòng)工作平臺兩部分，整個(gè)工作過程相互配合，結(jié)構(gòu)緊湊。其中：（1）輸網(wǎng)機(jī)構(gòu)中采用鼓輪，傳輸方便；（2）蘋果網(wǎng)套撐開器采用四個(gè)鉤子進(jìn)行撐網(wǎng)，以齒輪齒條進(jìn)行撐網(wǎng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)為了防止撐網(wǎng)過程網(wǎng)套脫落，在鉤子內(nèi)側(cè)固定橡膠，增大摩擦；（3）蘋果升降機(jī)構(gòu)采用了雙四桿機(jī)構(gòu)，利用絲杠螺母進(jìn)行傳動(dòng)，傳遞精度高，使得蘋果定位誤差小；（4）網(wǎng)套剪切機(jī)構(gòu)中以電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，通過絲杠實(shí)現(xiàn)刀架的軸向移動(dòng)，光杠進(jìn)行定位，用鎢絲進(jìn)行熱熔，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)套剪切運(yùn)動(dòng)；（5）蘋果裝箱機(jī)構(gòu)主要分為兩個(gè)模塊，其一是實(shí)現(xiàn)果箱升降的升降平臺，升降平臺是由液壓驅(qū)動(dòng)的剪叉式升降機(jī)構(gòu)，其二是實(shí)現(xiàn)果箱12工位移動(dòng)的X、Y移動(dòng)平臺，其主體以電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，以絲杠作為傳動(dòng)，定位誤差小，裝箱方便，整個(gè)裝箱機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，大量使用標(biāo)準(zhǔn)件，互換性好、經(jīng)濟(jì)性高；（6）蘋果落箱機(jī)構(gòu)采用盤式撥動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)行效率高；蘋果網(wǎng)套包裝機(jī)的設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)緊湊，可操作性強(qiáng)。

圖1 蘋果網(wǎng)套包裝機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 各裝置設(shè)計(jì)

2.1 支撐平臺的設(shè)計(jì)

蘋果網(wǎng)套包裝機(jī)的套網(wǎng)裝置固定在支撐平臺上，其支撐平臺主體是一款由鋁合金材質(zhì)搭建的一個(gè)可動(dòng)平臺，其支撐平臺板面尺寸為長800mm、寬800mm、高880mm。為了方便在不同的操作空間進(jìn)行作業(yè)，在蘋果網(wǎng)套包裝機(jī)的支撐平臺下部設(shè)計(jì)了四個(gè)萬向輪，使得支撐平臺移動(dòng)靈活方便。由于本蘋果網(wǎng)套包裝機(jī)設(shè)備遵循機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本原則，為了節(jié)省空間，使得設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，在支撐面板的正下方搭建了用于裝配蘋果裝箱所需的X、Y移動(dòng)平臺以及蘋果箱的支撐臺面，其中小支撐抽屜臺面與主面板之間的高度差為550mm，小抽屜版厚度為5mm。

2.2 裝箱機(jī)構(gòu)升降臺設(shè)計(jì)

包裝機(jī)的升降平臺以桿結(jié)構(gòu)為主體，其主體由通過移動(dòng)下部的液壓桿控制兩組桿件進(jìn)行移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)升降平臺的升降，其具體工作過程為：當(dāng)蘋果裝箱的蘋果在裝滿第一層后下移，送至需要高度后，通過升降平臺底部液壓桿的移動(dòng)，將升降平臺固定在所需要的位置，繼續(xù)裝第二層的蘋果。升降平臺的材料為普通碳鋼，其整體結(jié)構(gòu)緊湊，升降穩(wěn)定性好，最高升降高度為90mm，可以實(shí)現(xiàn)蘋果包裝后兩層裝箱的設(shè)計(jì)需求。

2.3 裝箱箱體設(shè)計(jì)

本機(jī)包裝蘋果果徑為85mm，單個(gè)落果框的尺寸為85mm×85mm×85mm，整個(gè)箱體的部分為3×4的箱體，一箱可裝24個(gè)蘋果，共兩層，中間采用泡沫板分隔，泡沫板厚度為5mm。蘋果箱體安裝在X、Y工作臺上，蘋果箱體與X、Y移動(dòng)平臺之間通過氣壓所產(chǎn)生的巨大的吸引力，吸附力的作用有助于蘋果箱體的安放與卸載，使得裝箱工作進(jìn)行更加便捷。

2.4 蘋果升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

蘋果升降機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用平行四桿機(jī)構(gòu)，在此機(jī)構(gòu)中主要由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。在工作過程中，首先是當(dāng)蘋果通過傳送裝置傳送到蘋果升降機(jī)構(gòu)的蘋果托盤上時(shí)，此時(shí)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠的傳動(dòng)，從而帶動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)紅外檢測裝置在接收板上接收不到光時(shí)，就說明蘋果已經(jīng)到達(dá)需要包裝的固定位置，此時(shí)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了蘋果升降這一功能。

圖2 蘋果升降機(jī)構(gòu)

2.5 蘋果轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

蘋果轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)主要工作原理為：在工作時(shí)，接通電源，當(dāng)有需要包裝作業(yè)的蘋果經(jīng)過傳送帶到達(dá)指定位置時(shí)，由蘋果轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)的蘋果鏟子托盤輕輕將蘋果鏟到托盤上，繞中心軸旋轉(zhuǎn)180°后，將蘋果放置在蘋果升降機(jī)構(gòu)的蘋果托盤上，進(jìn)行下一步動(dòng)作。

2.6 蘋果網(wǎng)套撐開器設(shè)計(jì)

蘋果網(wǎng)套撐開器主要工作過程是當(dāng)輸網(wǎng)機(jī)構(gòu)將蘋果網(wǎng)套穿過順網(wǎng)機(jī)構(gòu)后，經(jīng)過限位開關(guān)限制停留在固定高度，此時(shí)蘋果網(wǎng)套撐開器開始工作，蘋果網(wǎng)套撐開器整體固定在移動(dòng)導(dǎo)軌上，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，蘋果網(wǎng)套撐開器機(jī)構(gòu)在直線移動(dòng)導(dǎo)軌內(nèi)做移動(dòng)，當(dāng)靠近蘋果網(wǎng)套的時(shí)候，相對位置的兩個(gè)鉤子鉤住蘋果網(wǎng)套，此時(shí)蘋果網(wǎng)套撐開器的四個(gè)鉤子在微型減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，使得齒輪齒條做直線運(yùn)動(dòng)，將網(wǎng)套撐開。為了增大鉤子與網(wǎng)套之間的摩擦力，在設(shè)計(jì)過程中，在鉤子的內(nèi)側(cè)增加了橡膠，使得摩擦力增強(qiáng)，其齒輪齒條的移動(dòng)軌跡最長為50mm，此設(shè)計(jì)可以滿足蘋果網(wǎng)套撐開的需求。蘋果網(wǎng)套撐開器的具體結(jié)構(gòu)三維模型如圖3所示。

圖3 蘋果網(wǎng)套撐開器

結(jié)論：蘋果網(wǎng)套包裝機(jī)屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品，設(shè)計(jì)過程中綜合機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及人機(jī)交互等多學(xué)科、多領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)，設(shè)計(jì)前期對現(xiàn)有的蘋果網(wǎng)套包裝技術(shù)進(jìn)行實(shí)地走訪調(diào)研和網(wǎng)絡(luò)咨詢等多種途徑進(jìn)行了解，對比現(xiàn)有成果進(jìn)行綜合分析，所設(shè)計(jì)的蘋果網(wǎng)套自動(dòng)包裝設(shè)備具有如下優(yōu)點(diǎn)：模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊；每分鐘可以達(dá)到20個(gè)的包裝效果，降低了包裝成本。