孫 凱閆學(xué)慧朱榮勝

(1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

隨著水果產(chǎn)量的增加以及人們生活水平的提高，水果的銷售市場日趨激烈，人們對水果包裝的視覺要求也越來越高，使得水果包裝越來越迎合消費(fèi)者需求[1-2]。目前小型農(nóng)戶中水果的生產(chǎn)主要是以多種多收的模式進(jìn)行，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一、生產(chǎn)效益低、產(chǎn)品的附加值小，傳統(tǒng)的生產(chǎn)加工方法仍然占據(jù)重要的位置[3]。由于大型的分選貼標(biāo)簽機(jī)器價格昂貴，操作復(fù)雜，并不適合當(dāng)前中國絕大部分果農(nóng)的生產(chǎn)需求，因此目前中國小型農(nóng)戶多采用人工分選和貼標(biāo)簽，效率較低且勞動量大，不能滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求[4-6]。因此研究和設(shè)計小型圓形水果自動分選和貼標(biāo)簽機(jī)器已成為當(dāng)前重要的研究課題。

目前已有在水果分選方面的研究。徐力群等[7]利用大小不同的水果重心位置亦不同的原理設(shè)計出一款水果大小分選機(jī)，并采用Inventor軟件對水果分選機(jī)的送料系統(tǒng)、分選系統(tǒng)、出料系統(tǒng)及機(jī)架等主要零部件進(jìn)行三維建模和裝配；白東升等[8]針對目前芒果的外觀品質(zhì)分級采取人工方法所存在的不足，構(gòu)建了基于機(jī)器視覺、并聯(lián)機(jī)器人等先進(jìn)技術(shù)的芒果品質(zhì)動態(tài)、實時檢測及分選的高速機(jī)器人系統(tǒng)；張麗芬等[9]以櫻桃為研究對象，設(shè)計開發(fā)了一種小型的集櫻桃內(nèi)部質(zhì)量和外觀判定為一體的計算機(jī)視覺自動分選系統(tǒng)；萬宏強(qiáng)等[10]采用SolidWorks軟件研制出一款蘋果大小分選機(jī)，利用滾筒結(jié)構(gòu)完成蘋果大小的分選；意大利生產(chǎn)的Italy-001-A型分選機(jī)是根據(jù)水果的大小來進(jìn)行分選，采用CCD攝像技術(shù)來判斷水果的大小并對其進(jìn)行分類；Leemans等[11]則是通過分析水果表面圖片進(jìn)而依靠聚類實現(xiàn)分類。

至于水果貼標(biāo)簽方面的研究，劉靜等[12]提出了基于慧魚模型的水果包裝系統(tǒng)，主要針對直徑4～14 mm的水果，并能完成貼標(biāo)、稱量、存儲等功能。劉瑞歌等[13]以STM32單片機(jī)為主控芯片，運(yùn)用雙路繼電器、光電開關(guān)等傳感器件，設(shè)計了一款水果包裝機(jī)，主要適用于任何需要網(wǎng)套以及貼標(biāo)簽包裝的水果，節(jié)省人力物力。

基于以上研究現(xiàn)狀，為了提高中國水果產(chǎn)品競爭力，減輕果農(nóng)的勞動強(qiáng)度，本研究設(shè)計了一種新型的圓形水果自動分選和貼標(biāo)簽機(jī)，該機(jī)器突破了目前圓形水果分選和貼標(biāo)簽機(jī)器價格昂貴、操作復(fù)雜等問題，實現(xiàn)了分選和貼標(biāo)簽的“同行”模式。試驗表明，當(dāng)樣機(jī)各主要單元處于最佳工作參數(shù)時，能夠?qū)崿F(xiàn)分選和貼標(biāo)簽的自動化、無人化、精準(zhǔn)化的操作模式，在滿足節(jié)省人力、降低成本的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了分選精度、分選效率，提高了工作效率。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圓形水果自動分選和貼標(biāo)簽機(jī)主要包括滾筒式自動分選裝置和自動貼標(biāo)簽裝置兩部分，主要結(jié)構(gòu)見圖1。

1. 分選裝置 2. 貼標(biāo)簽裝置圖1 分選和貼標(biāo)簽機(jī)結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure diagram of sorting and labeling machine

在整體結(jié)構(gòu)中，滾筒式自動分選機(jī)與貼標(biāo)簽機(jī)是相互分離的。滾筒式自動分選機(jī)的整體結(jié)構(gòu)主要由外部框架組成，而貼標(biāo)簽機(jī)各部分則是將其中的每一個主要單元固定在可以移動的桌子上。這種設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)分選和貼標(biāo)簽工序的分離與結(jié)合，滿足不同的工作需求。

1.1 滾筒式自動分選機(jī)

1.1.1 滾筒式自動分選機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計 滾筒式自動分選機(jī)的主框架是通過焊接來完成的。在主框架的基礎(chǔ)上，焊接若干鍍鋅鐵管用來固定其他部件。該裝置主要由外殼、分選滾筒、水果接盤、同步帶以及電機(jī)等組成，見圖2。該部分的分選滾筒是可以分離的，因此農(nóng)戶可以根據(jù)實際情況選擇不同規(guī)格的分選滾筒，既有普適性又能提高分選效率。

1. 外殼 2. 分選滾筒 3. 水果接盤 4. 帶座軸承 5. 同步帶 6. 同步帶輪 7. 減速器 8. 聯(lián)軸器 9. 電機(jī)圖2 自動分選機(jī)結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Schematic diagram of automatic sorting machine

1.1.2 滾筒式自動分選機(jī)的工作原理 首先，在分選之前須人工挑選出有損傷或者形狀怪異的水果，以防對正常水果分選和貼標(biāo)簽造成阻礙。工作時，水果隨旋轉(zhuǎn)的滾筒內(nèi)壁上升至一定高度后松散落下，如此反復(fù)進(jìn)行，連續(xù)進(jìn)入滾筒內(nèi)的水果受到滾筒內(nèi)部的壓力和松散性的影響，逐步向滾筒的出口移動。同時，在這一過程中小于前端分選孔徑的水果則優(yōu)先在滾筒的前端落入水果接盤中，大于前端分選孔徑的水果在力的作用下繼續(xù)向前滾動，直到遇到相應(yīng)的分選孔后落入水果接盤中。經(jīng)過上述過程，水果接盤中可以獲得三級大小不同的水果。

1.2 自動貼標(biāo)簽機(jī)

1.2.1 自動貼標(biāo)簽機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計 貼標(biāo)簽機(jī)主要結(jié)構(gòu)由標(biāo)簽桌、2個聯(lián)軸器[14]、2根軸、1個行程為60 mm的滑塊、可水洗膠不干膠標(biāo)簽(可定制)、1個符合水果大小的旋轉(zhuǎn)推板、1個壓緊滾筒、2個紅外傳感模塊、1個12 V四路繼電器[15]以及2個12 W步進(jìn)電機(jī)組成，每個部分按照各自位置安裝在貼標(biāo)簽桌上，結(jié)構(gòu)見圖3。

1. 水果接盤 2. 傳感器1 3. 傳感器2 4. 標(biāo)簽盤 5. 壓緊滾筒 6. 彈簧滑塊 7. 旋轉(zhuǎn)推板

圖3 自動貼標(biāo)簽機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖3 Structure diagram of automatic labeling machine

步進(jìn)電機(jī)容易控制停啟，還可以在相對較短的時間內(nèi)加減速[16]，能夠提供足夠的動力。因此自動貼標(biāo)簽機(jī)部分的動力裝置采用2個12 W的步進(jìn)電機(jī)，分別是控制旋轉(zhuǎn)推板轉(zhuǎn)動的步進(jìn)電機(jī)1和控制標(biāo)簽盤轉(zhuǎn)動的步進(jìn)電機(jī)2。

由于步進(jìn)電機(jī)功率大、電平高對單片機(jī)會有很大的干擾，所以不能直接把單片機(jī)發(fā)出的信號與步進(jìn)電機(jī)相連，需要進(jìn)行強(qiáng)弱隔離。本設(shè)計中采用了低成本、電路簡單的四路繼電器來實現(xiàn)隔離和電路放大功能。該部分同時采用了傳感器檢測，提高了裝置貼標(biāo)簽的精準(zhǔn)度。

1.2.2 自動貼標(biāo)簽機(jī)工作原理 水果在落入水果接盤后，由于接盤有一定的傾斜度，水果會沿著傾斜的軌道下滑，當(dāng)水果下滑到接盤的出口時，傳感器1發(fā)射的具有一定頻率的紅外線就會被反射，隨即信號通過接收、分析等處理后實現(xiàn)控制旋轉(zhuǎn)推板的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°。

在旋轉(zhuǎn)推板推著水果旋轉(zhuǎn)的過程中，傳感器2檢測到水果時，同樣對信號處理后實現(xiàn)控制標(biāo)簽的步進(jìn)電機(jī)按照預(yù)先設(shè)定好的程序轉(zhuǎn)動一定角度。步進(jìn)電機(jī)在轉(zhuǎn)動的同時，標(biāo)簽就會在步進(jìn)電機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)出2/3的長度。

當(dāng)水果進(jìn)入落口處時，由于自身重力的作用會和已經(jīng)準(zhǔn)備好的標(biāo)簽以及滑塊上的壓緊滾筒相接觸，滑塊上安裝有彈簧，當(dāng)水果與壓緊滾筒接觸時，標(biāo)簽隨即就會被壓緊，同時滾筒也會隨滑塊向后滑動預(yù)定的行程，當(dāng)擠壓滾筒與落口邊的距離大于水果的直徑時，水果就會自動落入果箱內(nèi)。彈簧被壓緊后靠著自身的彈力作用會自動將滑塊送回，之后進(jìn)行重復(fù)操作，即可完成自動貼標(biāo)簽的工作。工作流程見圖4。

圖4 貼標(biāo)簽機(jī)的工作流程圖Figure 4 Working flow chart of labeling machine

2 主要單元設(shè)計

2.1 分選滾筒設(shè)計

分選滾筒是利用進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動的帶孔滾筒將水果按大小進(jìn)行分級的工具。工作時分選滾筒傾斜安裝并且通過3個支承滾輪將滾筒固定在支架上，本設(shè)計中采用聚丙烯管[17]。

2.1.1 分選滾筒的設(shè)計參數(shù) 分選滾筒設(shè)計參數(shù)分為幾何參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)。幾何參數(shù)包括滾筒長度L、滾筒直徑D、安裝傾角θ、分選孔直徑d，運(yùn)動參數(shù)為滾筒轉(zhuǎn)速n。

分選滾筒設(shè)計之前首先要考慮：① 生產(chǎn)率，即單位時間內(nèi)分選水果的量，通常按體積為單位進(jìn)行計算；② 分選孔徑的大小。經(jīng)過實際調(diào)查得到蘋果的直徑范圍約60～85 mm、橙子的直徑范圍約65～90 mm、獼猴桃的直徑范圍約45～65 mm，因此可以根據(jù)不同圓形水果的直徑范圍進(jìn)行相應(yīng)孔徑的加工。

2.1.2 水果在滾筒內(nèi)的運(yùn)動軌跡 由于滾筒傾斜安裝，并且自身做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此水果在滾筒內(nèi)的運(yùn)動軌跡見圖5。水果的運(yùn)動過程可分解為沿滾筒軸線方向的直線運(yùn)動和垂直于滾筒軸線的xoy平面運(yùn)動。水果的直線運(yùn)動速度等于水果通過滾筒的速度，水果在xoy平面內(nèi)的運(yùn)動與滾筒的轉(zhuǎn)速相關(guān)[18]。

2.1.3 水果在xoy面的運(yùn)動分析 假設(shè)在滾筒內(nèi)選擇一點(diǎn)A代替某一水果，A進(jìn)入滾筒后由于滾筒的旋轉(zhuǎn)作用開始做圓周運(yùn)動被帶至O點(diǎn)，在O點(diǎn)處做拋物運(yùn)動，當(dāng)?shù)竭_(dá)最高點(diǎn)B處后，落回滾筒面C處，循環(huán)進(jìn)行螺旋軌跡運(yùn)動，直到找到適合的孔徑，運(yùn)動軌跡見圖6。

圖6 水果在xoy面的運(yùn)動軌跡圖Figure 6 The trajectory of the fruit on xoy surface

當(dāng)水果進(jìn)入滾筒到轉(zhuǎn)動到O點(diǎn)時，水果在滾筒中的運(yùn)動軌跡方程：

(x-rcosα)2+(y+rsinα)2=r2，0

(1)

在O點(diǎn)到D點(diǎn)時，水果的運(yùn)動軌跡方程：

(2)

水果在A點(diǎn)脫離筒壁進(jìn)行拋物運(yùn)動，水果受到的重力G在xoy平面內(nèi)大小為Gcosθ，此時水果受到的法向分力N=Gcosθ=mgcosθ和所受到的離心力E相等，即

(3)

(4)

可得到滾筒的轉(zhuǎn)速：

(5)

式中：

m1個水果的質(zhì)量，kg；

v水果A的切向速度，m/s；

n滾筒的轉(zhuǎn)速，r/min。

當(dāng)水果運(yùn)動到D點(diǎn)，此時處于臨界狀態(tài)，轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速。

(6)

2.1.4 滾筒軸線方向的運(yùn)動分析 水果的軌跡為不規(guī)則的螺旋線，則水果完成1個循環(huán)的路程可以表示為：

l=|yA-yC|tanθ=4rsinαcos2αtanθ。

(7)

則1個循環(huán)所需要的時間：

(8)

因此水果A在軸向的速度：

(9)

2.2 分選滾筒主要參數(shù)的確定

分選滾筒設(shè)計參數(shù)的確定一定要滿足所要求的生產(chǎn)率和分選效率。

(10)

所以滾筒的最優(yōu)轉(zhuǎn)速值約為臨界轉(zhuǎn)速的0.76倍，根據(jù)以上計算和實際調(diào)查，分選滾筒的轉(zhuǎn)速適宜范圍為4～20 r/min，并且可使用變頻調(diào)速器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。

2.2.2 滾筒的直徑 分選滾筒的直徑也是影響分選效率和生產(chǎn)率的重要因素。但是由于安裝情況、使用環(huán)境等因素，分選滾筒的直徑很難使用明確的公式得到。所以直徑的大小可根據(jù)已有的分選滾筒直徑計算經(jīng)驗公式確定[19]。

2.2.3 滾筒的安裝傾角 分選滾筒的安裝傾角θ會直接影響到水果在滾筒內(nèi)完成一個循環(huán)所前進(jìn)的距離和時間，進(jìn)而會影響分選的效率等。在保證筒長和轉(zhuǎn)速一定的情況下，增加安裝傾角會增大水果前進(jìn)方向的重量分力，提高了水果的分選量。但是安裝傾角過大，水果在滾筒內(nèi)的時間減少，循環(huán)次數(shù)也相應(yīng)減少，降低了分選效率。根據(jù)已有資料[20]顯示，安裝傾斜角在5°～15°時最好。

2.2.4 滾筒的長度 分選滾筒的長度L由L1、L2、L3和L4組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。為了便于分選孔的布置和滾筒的制造，一般L2、L3段的長度取3D～5D(D為篩筒體的直徑)[18]。增加分選滾筒的長度，可以延長水果在分選滾筒內(nèi)的時間，提高分選效率。但是過長的分選滾筒會增加占地面積和成本，所以分選滾筒的L1、L4段可根據(jù)實際安裝情況進(jìn)行選擇。

3 樣機(jī)試驗

3.1 試驗樣機(jī)

根據(jù)計算后的設(shè)計數(shù)據(jù)，通過三維軟件SolidWorks建立了滾筒式自動分選和貼標(biāo)簽機(jī)的三維模型[21]見圖8。根據(jù)本試驗中只對中等大小水果貼標(biāo)簽的工作要求進(jìn)行了樣機(jī)的加工制作。

圖7 分選滾筒結(jié)構(gòu)圖Figure 7 Structure diagram of sorting drum

圖8 三維模型Figure 8 3D model and test prototype

在樣機(jī)制作時，滾筒式自動分選機(jī)的整體結(jié)構(gòu)是采用25 mm×25 mm的鍍鋅鐵管搭建焊接而成，整體尺寸為1 500 mm×50 mm×1 000 mm。分選滾筒選擇直徑初值為325 mm、總長度初值為1 000 mm(此長度可以根據(jù)實際工作情況決定)的PPC管，并將其搭放在主框架上，與水平面夾角初值暫定為5°。在距滾筒左端160 mm處用專用打孔器依次交叉打5排直徑為75 mm的圓孔，排間距為65 mm，每排中均等分打12個孔，在距離滾筒的右端用打孔器依次交叉打4排直徑為100 mm的圓孔，排間距為99 mm，每排中均等分打10個孔。

圖8中滾筒左邊緣有3個支撐輪，左端包括3個支撐輪和1個定位支撐輪，其中下方的4個支撐輪均用M5的螺栓連接到主框架上，上方的支撐輪用一根滾珠絲杠連接到主框架上，這樣就可以靈活調(diào)節(jié)支撐輪的高度，方便滾筒的拆裝。在滾筒左邊緣的定位支撐輪既可為滾筒旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，又可以起一定的支撐作用，可防止?jié)L筒在自身重力的作用下向右滑動。

分選滾筒右端646 mm處安裝有同步帶，該同步帶通過膠緊黏連在分選滾筒上，主要是為了和同步帶輪上的同步帶進(jìn)行嚙合，從而才能帶動分選滾筒的轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)見圖7。

在實際分選貼標(biāo)簽的過程中，由于考慮到水果在運(yùn)動過程中可能會出現(xiàn)碰撞損傷等問題，因此需要對圓孔邊緣進(jìn)行去毛刺處理并在邊緣粘貼氣泡防震墊。水果接盤和水果箱中均會根據(jù)實際情況鋪放一層防震海綿墊，以減少水果損傷。

3.2 試驗

試驗在煙臺某蘋果加工車間進(jìn)行，試驗中選擇500個圓形蘋果作為試驗對象，采用正交試驗方法，并且選擇綜合評分中的排隊評分法、公式評分法進(jìn)行試驗結(jié)果評價[22]。

3.2.1 排隊評分法 排隊評分法是綜合考慮各項指標(biāo)的優(yōu)劣，排序給出評分值，并把它作為單指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[22]。該方法可先把每項指標(biāo)的優(yōu)秀值定為滿分，對其他試驗所得的該指標(biāo)值，根據(jù)其與該優(yōu)秀值的差異按比例打分，然后對每次試驗的所有指標(biāo)的分?jǐn)?shù)相加即得綜合評分。

3.2.2 公式評分法 公式評分法是利用一個包含有各項指標(biāo)加權(quán)系數(shù)的公式計算每號試驗結(jié)果的綜合評分。加權(quán)系數(shù)的大小由試驗指標(biāo)的重要程度來決定，指標(biāo)越重要加權(quán)系數(shù)越大[22]。在本試驗中，水果損傷率、標(biāo)簽合格率及分選正確率為試驗最終關(guān)注的目標(biāo)，因此權(quán)數(shù)分別取2。對于分選時間相對于其他試驗?zāi)繕?biāo)而言，權(quán)重相對較低，故權(quán)數(shù)選1。

根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，影響試驗指標(biāo)的因素很多，本試驗進(jìn)行四因素三水平正交試驗，考察滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒直徑、滾筒長度、滾筒傾角對試驗結(jié)果的影響。正交試驗因素水平表見表1。

本試驗根據(jù)L9(34)正交表安排，為了提高準(zhǔn)確性，每個試驗號都采用實物樣機(jī)試驗。試驗方案及評分結(jié)果見表2。

表1 圓形水果分選和貼標(biāo)簽機(jī)性能試驗因素水平表Table 1 Table of performance test factors of fruit sorting and labeling machine

表2 試驗結(jié)果統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of test results

根據(jù)表2可得排隊評分法和公式評分法試驗中評分較高的均為第8次試驗，試驗條件均為A3B2C2D2。根據(jù)極差分析比較好的試驗順序可選擇A3B3C1D1。因此樣機(jī)的最優(yōu)組合參數(shù)為A3B3C1D1，即轉(zhuǎn)速30 r/min、滾筒直徑100 cm、傾斜角5°、長度1 m。

樣機(jī)采取優(yōu)組合設(shè)計數(shù)據(jù)和工人同時對一定量蘋果進(jìn)行分選和貼標(biāo)簽，分別重復(fù)3次試驗，試驗結(jié)果見表3、4。

表3 分選試驗結(jié)果Table 3 Results of sorting experiment

試驗結(jié)果表明，對于同等數(shù)量的蘋果，樣機(jī)用時明顯少于人工用時，正確率和標(biāo)簽合格率均優(yōu)于人工且損傷率相近，樣機(jī)能夠完成預(yù)先的設(shè)計目標(biāo)。

4 結(jié)論

(1) 該設(shè)計在理論方面，對水果在滾筒內(nèi)的運(yùn)動軌跡及受力進(jìn)行詳細(xì)的分析，更加精確地確定分選滾筒的各個參數(shù)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，通過SolidWorks軟件對樣機(jī)進(jìn)行三維建模并且對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析，加快設(shè)備的設(shè)計與開發(fā)。

表4 貼標(biāo)簽試驗結(jié)果Table 4 Results of labeling experiment

(2) 樣機(jī)的實際車間試驗表明：轉(zhuǎn)速n=30 r/min，滾筒直徑D=100 cm、傾斜角θ=5°以及長度L=1 m為最優(yōu)選擇，此條件下滾筒式自動分選機(jī)能夠有效地完成不同大小水果的分選任務(wù)且分選效率不低于97%，自動貼標(biāo)簽機(jī)也能夠?qū)崿F(xiàn)貼標(biāo)簽的無人化、精準(zhǔn)化，準(zhǔn)確率達(dá)98.7%，整機(jī)工作性能穩(wěn)定。

(3) 該設(shè)計思路為小型農(nóng)戶自種圓形水果的分選和貼標(biāo)簽提供了創(chuàng)新技術(shù)，同時也可以應(yīng)用到其他圓形物品分選和貼標(biāo)簽機(jī)器的研發(fā)設(shè)計中，有利于加快自動化食品包裝的國產(chǎn)化進(jìn)程。