文祎祥， 呼延鵬飛， 李鵬超， 黃雨霖

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，我國水果總產(chǎn)量已然位居世界前列[1]，但出口量僅占總產(chǎn)量的4.14%，影響對外貿(mào)易的主要因素為水果的品質(zhì)。蘋果套袋技術(shù)于20世紀(jì)90年代傳入我國，現(xiàn)在該技術(shù)已得到廣泛運(yùn)用。蘋果套袋技術(shù)可以有效降低病蟲害，減少果面的農(nóng)藥殘留，并使果實(shí)著色均勻，避免果實(shí)生長期出現(xiàn)擦傷和裂果等現(xiàn)象[2-6]。然而，傳統(tǒng)人工套袋方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且套袋質(zhì)量良莠不齊。

為此，學(xué)者們研發(fā)了一系列的水果套袋機(jī)。目前，市面上的水果套袋機(jī)主要分為3種：①采用塑料薄膜袋的熱封封口式；②內(nèi)置訂書釘?shù)难b訂封口式；③內(nèi)置橡膠繩的自動(dòng)封口式。

2017年某自動(dòng)化設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)制造了一種裝訂封口式的水果自動(dòng)套袋機(jī)并配套使用一種專用果袋，其裝置可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上袋、自動(dòng)開口、自動(dòng)套袋等功能；但裝訂后的果袋在果實(shí)成熟期不便于取袋，若操作失誤易造成果面擦傷甚至落果等現(xiàn)象。西南大學(xué)孫亞平研制的一種便攜式水果套袋機(jī)，采用橡膠繩實(shí)現(xiàn)封口的新型果袋，通過機(jī)器開口和橡膠繩自動(dòng)封口來實(shí)現(xiàn)套袋作業(yè)；但橡膠繩經(jīng)長時(shí)間的日曬雨淋容易腐蝕，在使用過程中會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)脫袋的現(xiàn)象[7-11]。

針對傳統(tǒng)蘋果自動(dòng)套袋機(jī)存在的諸多問題，課題組設(shè)計(jì)了一種新型蘋果自動(dòng)套袋機(jī)，采用市面上的一般果袋，能夠有效解決后期拆袋難、果袋壽命短等問題。

1 總體設(shè)計(jì)方案

蘋果自動(dòng)套袋機(jī)的工作流程可分為儲(chǔ)袋、送袋、開袋、套袋、束口和扎袋6個(gè)步驟。

蘋果自動(dòng)套袋機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，總體尺寸約為350 mm×176 mm×148 mm(除去握把)。考慮蘋果樹經(jīng)疏果后幼果生長間距約為100 mm，套袋機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)可以滿足作業(yè)要求。為保證主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，主體結(jié)構(gòu)件材料選用鋁合金1060，部分非受力部件使用ABS樹脂，以減輕裝置整體質(zhì)量。蘋果自動(dòng)套袋機(jī)由儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)及輸送機(jī)構(gòu)、開口機(jī)構(gòu)、束口機(jī)構(gòu)和檢測裝置4部分組成。

圖1 蘋果自動(dòng)套袋機(jī)結(jié)構(gòu)Figure 1 Apple automatic bagging machine

1．1 儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)

儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)的作用是儲(chǔ)存并輸送果袋至開口機(jī)構(gòu)處，儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)如圖2所示。儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)的總體尺寸為長185 mm，寬154 mm，高52 mm，由儲(chǔ)存箱，壓蓋和輸送機(jī)構(gòu)組成。

圖2 儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)Figure 2 Storage mechanism

壓蓋與剪刀型連桿機(jī)構(gòu)連接(連接點(diǎn)為a,b,O3)，機(jī)構(gòu)上端與箱體相連(連接點(diǎn)為O1,c,d)，連桿相接處(O2)有轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧，為其提供扭力，壓蓋由此獲得下壓力，壓緊果袋。壓蓋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖3所示。

圖3 壓蓋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖Figure 3 Schematic diagram of capping mechanism

輸送機(jī)構(gòu)位于儲(chǔ)存箱下方，輸送機(jī)構(gòu)由輸送電機(jī)、1對主動(dòng)橡膠輪和1對從動(dòng)支撐輪組成，輸送電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠摩擦力可帶動(dòng)果袋運(yùn)動(dòng)；從動(dòng)輪在其中起支撐作用，用以減少果袋與下箱體的接觸。

1.2 開口機(jī)構(gòu)

開口機(jī)構(gòu)是對果袋進(jìn)行開口作業(yè)并將果袋輸送到束口機(jī)構(gòu)處，開口機(jī)構(gòu)如圖4所示。開口機(jī)構(gòu)的總體尺寸為長139 mm，寬176 mm，高140 mm，由減速舵機(jī)、連桿、推動(dòng)滑輪、導(dǎo)軌、上下吸嘴以及紅外檢測裝置組成。

圖4 開口機(jī)構(gòu)Figure 4 Opening mechanism

開口機(jī)構(gòu)需完成果袋的開口作業(yè)。果袋2面被上、下吸嘴吸附，上、下吸嘴通過軟管與外部小型離心式抽氣機(jī)連接，通過圖5所示的四連桿(1,2,3,4)與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(b,d)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)開口。果袋開口的上下距離約為46 mm，同時(shí)機(jī)器在開口時(shí)需要將果袋朝束口機(jī)構(gòu)處移動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)出一種四連桿與曲柄滑塊相結(jié)合的機(jī)構(gòu)。四連桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為60°(a,c與垂線夾角)，其與上吸嘴結(jié)合，在四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)果袋的開口與向前運(yùn)動(dòng)；曲柄連桿機(jī)構(gòu)與四連桿機(jī)構(gòu)通過滑軌與滑輪實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)與下吸嘴結(jié)合，曲柄連桿機(jī)構(gòu)只有1個(gè)自由度即與上吸嘴保持豎直方向同步，保證果袋下端位置形狀不變，使果袋在套袋時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)更好的套袋效果。

圖5 開口機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖Figure 5 Schematic diagram of opening mechanism movement

1.3 束口機(jī)構(gòu)

束口機(jī)構(gòu)需要對果袋進(jìn)行束口和扎口工作，束口機(jī)構(gòu)如圖6所示。束口機(jī)構(gòu)的總體尺寸為長30 mm，寬175 mm，運(yùn)行空間占高120 mm，由上合口絲杠電機(jī)、左/右合口減速電機(jī)、上合口齒輪齒條支架和左/右凹凸V型塊組成。

圖6 束口機(jī)構(gòu)Figure 6 Tying mechanism

上合口支架與絲杠電機(jī)連接，絲杠電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)上合口向下移動(dòng)。左、右合口通過齒輪齒條與減速電機(jī)連接，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)左、右合口相向運(yùn)動(dòng)；左、右合口由凹凸V型塊組成，嚙合時(shí)可擠壓果袋內(nèi)置鐵絲，實(shí)現(xiàn)封口。

1.4 檢測裝置

檢測裝置安裝位置如圖7所示。檢測裝置共有3個(gè)，分別為果袋檢測裝置、幼果檢測裝置和合口檢測裝置。

圖7 檢測裝置安裝位置Figure 7 Installation position of detection device

果袋檢測裝置位于開口機(jī)構(gòu)中側(cè)，其為紅外檢測裝置，用于檢測輸送機(jī)構(gòu)是否將果袋輸送到位。當(dāng)檢測裝置檢測到果袋時(shí)，其發(fā)出信號控制輸送電機(jī)停轉(zhuǎn)，同時(shí)控制開口機(jī)構(gòu)開始工作。

幼果檢測裝置為紅外檢測裝置，位于束口機(jī)構(gòu)與開口機(jī)構(gòu)間隙處，用于檢測幼果是否到達(dá)可以束口的位置。當(dāng)檢測裝置檢測到幼果時(shí)，會(huì)解開束口機(jī)構(gòu)的限制，此時(shí)操作人員按下開關(guān)即可控制束口機(jī)構(gòu)運(yùn)行。幼果檢測裝置是一個(gè)保險(xiǎn)裝置，其目的是為了防止幼果還未進(jìn)入束口位置時(shí)束口機(jī)構(gòu)便開始運(yùn)行，避免因束口機(jī)構(gòu)提前束口使得幼果受到撞擊脫落。

合口檢測裝置位于上合口支架處，用于檢測果袋扎口是否完成。當(dāng)檢測裝置檢測到扎口工作完成時(shí)，控制所有機(jī)構(gòu)歸位，套袋動(dòng)作完成，開始下一工作循環(huán)。

2 工作過程

蘋果自動(dòng)套袋機(jī)的運(yùn)行方式分為4個(gè)步驟。

2.1 裝袋

儲(chǔ)存箱后蓋打開，將果袋放入儲(chǔ)存箱中，壓蓋會(huì)將果袋擠壓，保證果袋與輸送機(jī)構(gòu)能夠緊密接觸。

2.2 送袋

打開準(zhǔn)備開關(guān)后，輸送電機(jī)開始運(yùn)作，橡膠輸送輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將果袋輸送到開口機(jī)構(gòu)處，開口機(jī)構(gòu)前端安裝有檢測裝置，當(dāng)檢測到果袋前端超過開口機(jī)構(gòu)上吸嘴30 mm時(shí)，檢測裝置控制輸送電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)控制開口機(jī)構(gòu)開始運(yùn)作。

2.3 開口

開口機(jī)構(gòu)的上、下吸嘴與外置抽氣機(jī)連接，檢測裝置檢測到果袋到達(dá)開口位置后，抽氣機(jī)上、下閥門打開，此時(shí)上、下吸嘴吸附住果袋的上、下表面，開口舵機(jī)開始運(yùn)行，四連桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)果袋的開口工作。

2.4 束口

束口動(dòng)作由三合口機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，束口機(jī)構(gòu)處安裝有幼果檢測裝置，檢測裝置檢測到束口機(jī)構(gòu)下槽口對準(zhǔn)幼果后，解開對束口機(jī)構(gòu)的限制，操作人員按下手把處的開關(guān)即可控制束口機(jī)構(gòu)開始運(yùn)作。首先控制上合口的絲杠電機(jī)運(yùn)作，使上合口向下運(yùn)動(dòng)，對果袋進(jìn)行縱向束口，上合口向下運(yùn)動(dòng)25 mm后，停止運(yùn)動(dòng)；接著控制左、右合口電機(jī)開始運(yùn)作，左、右合口向中間移動(dòng)，左、右合口為凹凸V型塊設(shè)計(jì)，當(dāng)左、右合口相向運(yùn)動(dòng)直至最終嚙合時(shí)，果袋內(nèi)的鐵絲被彎折，即可實(shí)現(xiàn)最終的束口、扎口工作。

套袋機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真如圖8所示。

圖8 套袋機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真Figure 8 Motion simulation of bagging machine

3 強(qiáng)度校核

主動(dòng)連桿在開口機(jī)構(gòu)中起關(guān)鍵性作用，它與舵機(jī)連接，舵機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，是實(shí)現(xiàn)開口功能的主要部件。開口機(jī)構(gòu)在開口完成狀態(tài)時(shí)主動(dòng)連桿承力最大，對其進(jìn)行強(qiáng)度校核可以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和合理性。主動(dòng)連桿受到扭力0.078 4 N·m，合力方向垂直于連桿向下。

3.1 三維模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，通過SolidWorks建立三維模型。

3.2 材料選擇

本次主動(dòng)連桿的靜力學(xué)分析中，主動(dòng)連桿的主要作用是轉(zhuǎn)遞扭力。作為一個(gè)過渡部件，對其強(qiáng)度要求較高的同時(shí)也應(yīng)盡量減輕質(zhì)量。主動(dòng)連桿的材料為1060合金，其他參數(shù)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中調(diào)用。

3.3 添加約束力

主動(dòng)連桿在運(yùn)動(dòng)過程中處于懸臂梁狀態(tài)，將主動(dòng)連桿大端固定，對其添加相關(guān)約束力。

3.4 網(wǎng)格劃分

使用Simulation插件中的自動(dòng)網(wǎng)格劃分，劃分程度選擇為優(yōu)[12]。

3.5 計(jì)算結(jié)果

設(shè)置結(jié)束后，運(yùn)行此算例，得到靜應(yīng)力分析結(jié)果，所得強(qiáng)度校核示意圖如圖9所示。應(yīng)力分析結(jié)果如圖9(a)所示，最大應(yīng)力為487.8 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力27 574 kPa，即使有其他未考慮到的損失，其最終結(jié)果仍然滿足要求；位移分析如圖9(b)所示，其最大位移發(fā)生在主動(dòng)連桿中心位置，最大位移為0.000 11 mm，其產(chǎn)生的位移可忽略不計(jì)，符合要求；應(yīng)變分析如圖9(c)所示，其最大應(yīng)變?yōu)?.000 005 49，其應(yīng)變結(jié)果可忽略不計(jì)，滿足要求。

圖9 主動(dòng)連桿靜力學(xué)分析Figure 9 Static analysis of active connecting rod

4 結(jié)語

對于傳統(tǒng)蘋果自動(dòng)套袋機(jī)存在的后期拆袋難、果袋壽命低等問題，課題組針對市面上常用的果袋設(shè)計(jì)了一種新型蘋果自動(dòng)套袋機(jī)。采用四連桿與曲柄滑塊相結(jié)合的開口機(jī)構(gòu)提高開袋效率；束口、扎口采用三合口束口、扎口機(jī)構(gòu)，提高機(jī)器的泛用性。仿真模擬表明所設(shè)計(jì)的蘋果自動(dòng)套袋機(jī)操作簡單、使用方便。

該設(shè)計(jì)相較于其他套袋機(jī)，解決了需要使用套袋機(jī)專用果袋的問題，降低了生產(chǎn)成本。蘋果自動(dòng)套袋機(jī)理論上可以對中大型果園進(jìn)行套袋工作，并且可以延伸到如梨、橘子、桃等水果的套袋工作中。

在模擬驗(yàn)證中，套袋機(jī)只對單層果袋具備有效的開袋效果，對雙層果袋實(shí)現(xiàn)開袋仍需進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。另外，在未來的設(shè)計(jì)中，應(yīng)對輸送機(jī)構(gòu)和束口機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足不同大小、種類的果袋的套袋需求，真正意義上達(dá)到一機(jī)多用。