基于SW的半自動蘋果套袋機的建模

王澤亮，周文禧，楊偉浩，李東陽，吳 澤

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

我國擁有世界上最大最好的蘋果適宜產(chǎn)區(qū)，蘋果生產(chǎn)近年來發(fā)展迅猛，據(jù)2017年第十屆中國陜西國際蘋果博覽會統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國已成為世界最大蘋果生產(chǎn)國，種植面積和總產(chǎn)量均占全世界的50%左右，蘋果為我國第一大水果品種。為了培育出優(yōu)質(zhì)高檔蘋果，果園科技工作者，發(fā)明了蘋果套袋技術。蘋果套袋后主要有以下幾大方面的好處：一可以增進果面著色；二可以提高果面光潔度；三可以降低病蟲侵害率，提高優(yōu)質(zhì)果率；四可以減少農(nóng)藥殘留，提高食用安全性；五可以增強果面硬度，提高果實貯藏性。

但由于蘋果的數(shù)量之多且作業(yè)時果農(nóng)需要樹上作業(yè)，勞動強度比較大，工作效率低，人工套袋效率僅為每小時100～150個，耗時耗力，再加上目前國內(nèi)果園機械發(fā)展水平較低，每年的套袋作業(yè)都由果農(nóng)手工完成，任務非常艱巨。因此，通過對傳統(tǒng)手工套袋方式的研究，利用SW三維建模的方式，設計出一款輕便、實用的半自動蘋果紙袋套袋機，減輕果農(nóng)負擔，提高作業(yè)效率。

1 設計思路

目前通用的紙袋尺寸結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，傳統(tǒng)上人工套袋方法是，首先使全袋膨起，然后一手抓住果柄，一手托紙袋，把幼果套入袋口中部，將袋口從兩邊向中部果柄處擠摺，當全部袋口疊折到果柄處后，將袋口左側(cè)鐵絲卡反轉(zhuǎn)90℃，彎成“V”形扎住袋口，最后用手往上托一下袋的中部使全袋膨鼓起來，兩底角的出水氣孔張開。

圖1 果袋尺寸結(jié)構(gòu)圖

通過對傳統(tǒng)套袋方式的了解，針對套袋過程中的步驟要點及套袋要求，完成對半自動蘋果套袋機的設計。設計思想是根據(jù)傳統(tǒng)作業(yè)過程和作業(yè)要求，確定該套袋機由取袋機構(gòu)、輸袋機構(gòu)、張袋機構(gòu)、封袋機構(gòu)四大機構(gòu)組成，如圖2所示。

圖2 機構(gòu)組成圖

2 取袋機構(gòu)的設計

根據(jù)紙袋大小，設計內(nèi)腔長寬高為150×180×100 mm的儲袋室，用于存儲紙袋，儲袋室的底面四角上分別固定著四根性能完全相同的壓縮彈簧，四根彈簧支撐起一塊支撐板，用于在其上平穩(wěn)放置紙袋，彈簧原長為140 mm，線徑為1 mm，螺距為5 mm，在距存儲盒底面156 mm的位置安裝一個馬達，馬達桿端通過螺紋連接與搓紙輪相連。選用馬達的轉(zhuǎn)速為150r/min，搓紙輪直徑為16mm。馬達帶動搓紙輪轉(zhuǎn)動，依靠搓紙輪與紙袋之間的摩擦力，實現(xiàn)紙袋與紙袋的分離完成取袋動作。

3 輸袋機構(gòu)的設計

輸袋機構(gòu)主要由兩個上下對稱分布的搓紙輪組成，搓紙輪通過螺紋與馬達相連，馬達帶動搓紙輪轉(zhuǎn)動。選用馬達的轉(zhuǎn)速為150 r/min，搓紙輪直徑為16 mm。上下兩搓紙輪外表面輪廓接觸，用以夾住紙袋，兩搓紙輪轉(zhuǎn)動方向相反，依靠搓紙輪與紙袋間的摩擦力，將紙袋運輸?shù)街付ㄎ恢谩?/p>

4 張袋機構(gòu)的設計

張袋機構(gòu)的主要動力源為壓縮空氣，由ZV10HS型真空發(fā)生器、真空吸盤、CJP2B16-10D型氣缸、電磁閥組成。氣缸通過螺母固定在機殼上，真空發(fā)生器通過螺栓連接固定在機體內(nèi)壁上，氣缸導桿和真空吸盤通過安裝板，過渡連接在一起，壓縮空氣通過接氣管輸入到氣缸及真空發(fā)生器中，進而實現(xiàn)氣缸的動作和真空吸盤內(nèi)的負壓條件。該裝置對稱分布在機體的上下方，2個真空吸盤裝配時同軸線安裝，氣缸初始狀態(tài)為收縮狀態(tài)。主體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 張袋機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

5 紙袋封口材料的改進

熱熔膠粘劑是一類無溶劑的熱塑性高分子聚合物。常溫時為固體.加熱時熔融為流體，冷卻時迅速硬化并產(chǎn)生膠接力，不需要任何溶劑性材料，膠合強度良好，具有一定的耐熱性、韌性和耐寒性，滲透性小，硬化速度快，適合用于紙袋封口。

目前市面上的紙袋均是利用鐵絲彎折將袋口扎住，若將紙袋袋口封口由之前的鐵絲彎折式封口變?yōu)闊崛凼椒饪冢环矫姹阌诜饪跈C構(gòu)的設計，另一方面也能提高封口的質(zhì)量，因此，對傳統(tǒng)紙袋進行改進，取消鐵絲，在袋口位置涂上熱熔粘合劑，將紙袋封口方式改為熱熔式封口存在一定的必要性。

6 封袋機構(gòu)的設計

封袋機構(gòu)主要由CJP2B16-25D型雙作用氣缸，電熱片組成，主要動力源仍為壓縮空氣。氣缸通過螺母固定在機體內(nèi)壁上，電熱片通過六角螺母與導桿螺紋端連接。該裝置對稱分布在機體上下方，裝配時上下兩個氣缸導桿同軸線安裝。主體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 封袋機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

7 總體裝配結(jié)構(gòu)設計

由取袋機構(gòu)、輸袋機構(gòu)、張袋機構(gòu)、封袋機構(gòu)組成的半自動蘋果套袋機的裝配結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 整機裝配結(jié)構(gòu)圖

半自動蘋果套袋機的工作過程是馬達帶動取袋搓紙輪旋轉(zhuǎn)，憑借搓紙輪與紙面之間的摩擦力將紙袋從儲袋室中單個取出，正在運動的紙袋末端離開取紙搓紙輪，取袋搓紙輪停止轉(zhuǎn)動，取出后的紙袋在輸袋搓紙輪的作用下繼續(xù)向前運輸，當紙袋末端即將離開成對布置的輸袋搓紙輪時，感應器發(fā)生反應，單片機控制電磁閥1DT得電1 s和電磁閥2DT得電，氣缸導桿帶動真空吸盤伸出，真空吸盤將紙袋的上下表面吸住，1 s過后，電磁閥1DT失電常態(tài)位接入回路，氣缸導桿帶動真空吸盤回縮，紙袋上下表面被吸盤拉開。此時，人工將蘋果放入張開的紙袋內(nèi)，蘋果位置確認放好之后，手動按住封袋按鈕，使得電磁閥3DT得電，氣缸導桿帶動電熱片伸出，同時單片機控制電磁閥2DT失電，吸盤吸力消失，紙面與吸盤分離，上下電熱片將紙袋壓住1s后熱熔粘合劑融化膠結(jié)，放開按鈕，電磁閥3DT失電，氣缸帶動電熱片回縮，將已與蘋果套好的紙袋從機器中取出，套帶任務完成。氣動系統(tǒng)整體回路如圖6所示。

圖6 氣動系統(tǒng)整體回路圖

8 半自動套袋機控制系統(tǒng)

半自動控制系統(tǒng)主要是通過單片機及感應器去控制電磁換向閥的得失電，來控制氣路，實現(xiàn)氣缸及其他氣動元件的理想動作。控制系統(tǒng)以單片機為控制核心，打開空氣壓縮機開關，空壓機開始工作，機器各氣缸均歸位到初始狀態(tài)，使用者打開機器總開關，單片機通電處于待命狀態(tài)，按下按鍵，單片機按表1指令開始運行，控制各個機構(gòu)工作，完成套袋任務。

表1 I/O分配表

9 結(jié)語

通過SW三維建模確定了半自動蘋果套袋機的主體結(jié)構(gòu)，確定了各個機構(gòu)內(nèi)零部件的尺寸參數(shù)，明確了各個機構(gòu)的安裝布置，對機器的整體結(jié)構(gòu)構(gòu)造有了清晰的認識。該裝置各執(zhí)行機構(gòu)的穩(wěn)定性主要取決于控制系統(tǒng)的準確性，因此今后除了在結(jié)構(gòu)方面進行優(yōu)化設計外，最主要的還要實現(xiàn)控制系統(tǒng)的精準可靠，簡化操作步驟，提高作業(yè)效率。