水培生菜自動縱向包裝裝置設計與試驗

馬義東 王明輝 崔永杰，2 傅隆生，3 王文奇 徐 燦

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100；2.農業農村部農業物聯網重點實驗室， 陜西楊凌 712100；3.陜西省農業信息感知與智能服務重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

水培生菜是植物工廠、設施園藝中的常見作物，生產規模日益增大[1-6]。為便于水培生菜物流運輸、延長保鮮期，國內外常以帶包裝的形式進行零售[4-5]。目前，國內水培生菜的包裝仍以人工為主，效率低、勞動力成本高。為提高水培生菜包裝作業效率、降低勞動力成本，需研制水培生菜自動包裝裝置。

國內外果蔬包裝機械的常見形式有四折膜板式、負壓式等，包裝盒多采用托盤式，封膜機構常采用熱切、冷切等方式[7-21]。鄭兆啟等[7-9]研制了一種負壓式生鮮食品包裝機，對包裝盒及物料損傷、切斷機構運動等進行了研究。高國華等[10]基于曲柄滑塊滾輪滑槽設計了蔬菜托盤式封膜裝置，對切桿速度等因素進行了優化。意大利FABBRI公司生產的四折膜板式包裝機已商業化應用[11]。文獻[7-11]中，包裝物料多橫向放置，作業對象為帶有物料的包裝盒，缺少物料縱向放置、自動裝盒等方面的研究。目前，果蔬包裝大多與收獲分離，增加了搬運、裝盒等環節，費時費力。水培生菜因其無農藥高品質生產，收獲后一般直接包裝；又因其展開尺寸較大，不適宜在托盤內橫向放置，市場上多采用縱向裝盒的包裝形式。綜上，為提升水培生菜生產全程機械化水平，需設計水培生菜自動縱向包裝裝置，使其與收獲裝置配套，實現收獲后生菜的自動卸菜、縱向裝盒、封膜等作業；減少人工裝盒等過渡環節，提升收獲包裝整體作業效率。

水培生菜自動縱向裝盒是收獲包裝的過渡環節，對實現收獲包裝自動化有重要意義。借助高速攝像技術可研究裝盒過程生菜偏移、翻轉等位姿特性。目前，利用高速攝像技術研究農作物運動特性時，多采用1個標記點研究對象物的位置、速度、運動軌跡等[22-25]，無法分析生菜等形狀不規則對象的翻轉等姿態特性。至今，有關利用高速攝像技術量化水培生菜水平偏移、姿態角等位姿特性的方法尚未見報道。

本文提出一種水培生菜自動縱向裝盒、封膜方法，并設計相應機具。對包裝盒、導向裝盒機構、切膜與封膜機構等進行設計；基于高速攝像，研究生菜水平偏移、姿態角等位姿特性量化方法；分析裝盒過程中導向環對生菜位姿特性的影響；搭建樣機，利用正交試驗優化切膜作業參數并進行試驗驗證。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

水培生菜自動縱向包裝裝置如圖1所示，與前期設計的收獲裝置[6]配套，可完成自動卸菜、生菜縱向裝盒、切膜、封膜等。包裝裝置主要包括包裝盒上料機構、卸菜機構、導向環、拉膜輥、薄膜縱向切刀、封膜機構、薄膜橫向切刀、包裝盒下料機構等。通過真空泵吸取，取盒氣缸縱向提取，取盒無桿氣缸橫向輸送，推盒氣缸推送等，實現包裝盒自動上料。收獲裝置[6]與包裝裝置通過卸菜機構及導向環相銜接，實現生菜的自動縱向裝盒。光電傳感器1檢測到生菜裝盒后，輸送帶、拉膜輥開始運動；拉膜過程中，薄膜縱向切刀執行縱向切膜。光電傳感器2檢測到包裝盒后，輸送帶、拉膜輥停止，薄膜橫向切刀開始橫向切膜。封膜機構向下運動，完成封膜。包裝盒封膜后，通過輸送帶運送至包裝盒下料機構，通過夾盒氣缸組、卸盒絲杠、卸盒氣缸等部件的作用，完成包裝盒自動下料。

1.2 工作原理

利用卸菜機構執行生菜縱向裝盒，利用導向環減小裝盒過程生菜偏移、翻轉。利用封膜機構中柔性毛刷對薄膜的梳刷作用及薄膜自粘性，使薄膜貼于包裝盒側面，實現包裝盒封膜。

2 關鍵部件設計

2.1 包裝盒及導向裝盒機構

2.1.1包裝盒

包裝盒設計需考慮生菜尺寸、形狀及擠壓特性。統計測量得到，生菜展開尺寸范圍為250～345 mm，株高范圍170～210 mm。

為避免包裝盒擠壓損傷生菜，利用萬能試驗機對生菜進行擠壓試驗(圖2a、2b)，獲取生菜無損擠壓程度的極限。生菜展開尺寸差異較大，需根據生菜擠壓程度η設置擠壓板行程Δd，其計算公式為

(1)

式中d0——生菜原始展開尺寸，mm

d1——生菜側放高度(僅受重力)，mm

di——生菜擠壓狀態下展開尺寸，mm

擠壓試驗中，擠壓板尺寸為250 mm×250 mm，擠壓速度設置為100 mm/min。試驗結果顯示，生菜無損所能承受的最大擠壓程度為45%。因此，包裝盒內徑d應滿足

d≥0.55d0

(2)

由式(2)可得，包裝盒內徑應不小于190 mm。考慮生菜形狀(中上部展開較大，根莖附近展開較小)，包裝盒設計為圓臺形(圖2c)，上底內徑215 mm，下底內徑190 mm，高220 mm。包裝盒材料選用PP食品級塑料，厚度1 mm。

圖2 生菜擠壓試驗及包裝盒設計Fig.2 Lettuce extrusion test and packaging box design1.擠壓板 2.力傳感器 3.生菜

圖3 生菜裝盒導向機構及力學分析Fig.3 Lettuce packaging and guiding device and mechanical analysis1.輸送帶 2.包裝盒 3.光電傳感器 4.導向環 5.夾持桿 6.壓菜氣缸 7.聚攏氣缸 8.生菜

2.1.2導向裝盒機構

為保證縱向裝盒過程中生菜偏移、翻轉等位姿的要求，設計導向裝盒機構(圖3a)。生菜裝盒過程可分為2個階段：卸菜階段、導向裝盒階段。

卸菜階段，生菜先隨夾持桿向上運動，壓菜氣缸作用后向下運動。由于生菜為非嚴格對稱的幾何體，生菜受夾持桿壓力(FN1、FN2)、壓菜氣缸壓力(FN3)、重力(G)的作用會發生翻轉，如圖3b所示，其中O為生菜質心。該階段生菜所受力矩M1為

M1=FN1l1+Gl4-(FN2l2+FN3l3)

(3)

導向裝盒階段，夾持桿與生菜脫離，生菜僅受壓菜氣缸壓力(FN3)、導向環壓力(FN4)、重力(G)的作用，如圖3c所示。該階段，生菜所受力矩M2為

M2=FN3l3+FN4l5-Gl4

(4)

由式(3)、(4)可知，M2與M1方向相反，導向環對翻轉生菜起到扶正導向作用。經預試驗，導向環內徑選為180 mm，導向環與包裝盒上平面距離設置為30 mm。

2.2 切膜與封膜機構

生菜縱向裝盒后，為實現包裝盒封膜，設計切膜與封膜機構，如圖4所示。切膜過程包括縱向切膜和橫向切膜。縱向切膜與步進電機2拉取薄膜卷同步完成。橫向切膜前，步進電機1鎖定薄膜卷。封膜氣缸下降一定距離完成壓膜，利用柔性毛刷擠壓薄膜使其張緊并貼于包裝盒上表面。壓膜后，橫向切膜氣缸繼續下降，完成橫向切膜。最后，封膜氣缸下降至底部，利用柔性毛刷的梳刷作用及薄膜自粘性，使薄膜貼于包裝盒側面，完成封膜。

圖4 切膜與封膜機構示意圖Fig.4 Structure diagram of film cutting and covering1.包裝盒 2.步進電機1 3.薄膜卷 4.縱向切刀 5.橫向切刀 6.橫向切膜氣缸 7.封膜氣缸 8.固定板 9.毛刷 10.橫向割刀架 11.壓膜輥 12.步進電機2 13.輸送帶

薄膜選用PE材料，具有自粘性，厚度0.01 mm，寬度600 mm。縱向切刀選用11號手術刀片。橫向切刀為0.5 mm厚碳鋼鋸齒刀。橫向切膜及壓膜氣缸均選用缸徑16 mm的三軸氣缸。

2.2.1切膜機構

圖5為橫向及縱向切膜示意圖。根據包裝盒尺寸及預試驗，封膜所用薄膜尺寸設計為450 mm×450 mm。

圖5 切膜示意圖Fig.5 Diagram of film cutting1.縱向切刀 2.橫向切刀 3.薄膜

為避免拉膜過程薄膜變形超過其彈性極限、保證后續拉膜連續性，縱向切膜時薄膜預留寬度L需滿足

(5)

式中Fmax——薄膜卷最大拉取力，N

δ——薄膜彈性極限，MPa

h0——薄膜厚度，mm

預試驗得到：薄膜卷最大拉取力為2.20 N，薄膜彈性極限為7.27 MPa。由式(5)可知，薄膜預留寬度L應不小于15 mm，本文L為75 mm，滿足拉膜要求。相鄰兩塊薄膜的間距設置為200 mm。

2.2.2封膜機構

圖6為包裝盒封膜示意圖，主要包括壓膜和封膜。壓膜深度h1設置為10 mm，封膜深度h2設置為120 mm。根據包裝盒尺寸，封膜圓環內徑設計為240 mm，毛刷長度設計為50 mm。

圖6 包裝盒封膜示意圖Fig.6 Diagram of film covering packaging box1.柔性毛刷 2.封膜圓環 3.薄膜 4.包裝盒

2.3 控制系統

圖7 自動包裝控制系統電路圖及時序圖Fig.7 Circuit diagram of control system and sequence chart for packaging

圖7為自動包裝控制系統電路圖及時序圖，選用AT89C52單片機作為控制器；采用C語言在KeiluVision2軟件中進行編程。供電系統主要包括24 V直流電(為步進電機驅動器和電磁閥供電)和單片機的5 V直流電(為繼電器、光電傳感器、霍爾傳感器、限位開關供電)。單次包裝作業順序主要為包裝盒上料、輸送帶運盒、切膜、封膜、包裝盒下料，各控制器件時序及信號傳遞如圖7b所示。

3 包裝試驗

3.1 裝盒位姿特性試驗

為研究裝盒過程中生菜偏移、翻轉等位姿特性的量化方法，分析導向環對生菜位姿特性的影響，基于高速攝像機(i-SPEED型，OLYMPUS)進行生菜裝盒位姿特性試驗。試驗裝置如圖8所示，聚攏氣缸及壓菜氣缸的速度均設置為100 mm/s[6]；高速攝像機拍攝頻率設置為500 f/s。

圖8 裝盒位姿特性試驗裝置Fig.8 Test device for putting lettuce into packaging box1.壓菜氣缸 2.聚攏氣缸 3.夾持桿 4.導向環 5.包裝盒

3.1.1試驗材料與方法

選取10株長勢良好的水培生菜進行裝盒位姿特性試驗，分為2組：5株用于無導向環裝盒試驗，5株用于有導向環裝盒試驗。

圖9展示了基于高速攝像的生菜裝盒位姿特性(水平偏移、姿態角)量化方法，用于表征生菜的偏移、翻轉。在生菜豎直方向標記7個特征點(相鄰點間距5 mm)，選取裝盒全程可見的3個連續特征點(H、K、Q)用于計算水平偏移、姿態角。

利用K點計算生菜水平偏移ΔXi，其方程為

ΔXi=xKi-xK0

(6)

式中xKi——第i步K點橫坐標值，mm

xK0——初始狀態K點橫坐標值，mm

利用H、Q點計算生菜姿態角，其方程為

(7)

式中 Δx——H點與Q點橫坐標差值，mm

Δy——H點與Q點縱坐標差值，mm

φi——第i步生菜姿態角，(°)

xQi、xHi——第i步Q、H點橫坐標值，mm

yQi、yHi——第i步Q、H點縱坐標值，mm

裝盒位姿特性試驗中，均由生菜運動至最高處開始標記特征點，每隔2步(0.006 s)標記1組(3個特征點)。無導向環裝盒試驗中，共標記50組特征點；有導向環裝盒試驗中，特征點標記至生菜進入導向環(特征點因導向環阻擋而不可見)結束。裝盒位姿特性試驗中，均將標記的高速攝像最后一幀視為生菜入盒。

3.1.2試驗結果與分析

(1)無導向環裝盒試驗結果

由圖10可知，生菜入盒時水平偏移、姿態角較大，致使包裝盒傾斜，無法完成縱向裝盒，該狀況視為裝盒失敗。為研究無導向環裝盒過程生菜的位姿特性，對5組試驗中生菜的水平偏移、姿態角進行量化統計，如圖11所示，圖中1～5表示試驗號。水平偏移的正值代表向右偏移，姿態角為正表示逆時針翻轉。

圖10 無導向環特征點軌跡及入盒效果Fig.10 Feature points and entering box effect without guiding annulus

圖11 無導向環試驗結果Fig.11 Results of packaging without guiding annulus

由圖11可知，生菜裝盒過程前期水平偏移、姿態角均相對穩定，隨步數的增加，水平偏移和姿態角增大。上述現象由生菜所受外力變化造成，高速攝像發現：裝盒前期，生菜受壓菜氣缸和2個夾持桿共同作用，所受力矩較小(圖3b)。由于生菜非完全對稱幾何體，隨步數增加，生菜先與一側夾持桿分離，壓菜氣缸繼續作用下，生菜繞另一側夾持桿翻轉(圖10)，所受力矩增大，因此水平偏移和姿態角均增大。上述分析表明：無導向環裝盒過程中生菜偏移、翻轉嚴重；需添加導向環，減小生菜入盒時的水平偏移和姿態角以保證縱向裝盒成功。

(2)有導向環裝盒試驗結果

由圖12可知，生菜入盒狀態(偏移、翻轉)明顯優于無導向環時(圖10)，可保證縱向裝盒成功。對5組有導向環試驗中生菜的水平偏移、姿態角進行量化統計，如圖13所示。

圖12 有導向環特征點軌跡及入盒效果Fig.12 Feature points and entering box effect with guiding annulus

圖13 有導向環試驗結果Fig.13 Results of packaging with guiding annulus

由圖13可知，裝盒過程生菜的水平偏移、姿態角前期振蕩變化，后期趨于穩定且小于無導向環試驗。裝盒前期，由于導向環對生菜的作用，生菜偏移、翻轉趨勢減小，所以水平偏移、姿態角振蕩變化。由于導向環對生菜的力矩與其翻轉的方向相反(圖3c)，生菜入盒時，水平偏移、姿態角均小于無導向環試驗。

(3)入盒效果對比分析

對比分析2組裝盒試驗(有、無導向環)生菜入盒時的水平偏移和姿態角(均不考慮方向)，如圖14所示，方差分析如表1所示。生菜入盒時，有導向環水平偏移平均值為5.8 mm，比無導向環時減小75.0%；有導向環水平偏移變異系數為46.8%，小于無導向環時，說明其水平偏移更穩定。有導向環姿態角平均值為17.9°，比無導向環時減小74.2%；有無導向環時，姿態角變異系數基本相同，均較穩定。上述分析表明，導向環可減小生菜入盒時的偏移、翻轉，保證生菜縱向裝盒成功。

圖14 生菜入盒水平偏移及姿態角Fig.14 Horizontal excursion and attitude angle when lettuce entering box

有無導向環水平偏移姿態角平均值/mm標準差/mm變異系數/%平均值/(°)標準差/(°)變異系數/%無23.017.174.469.214.320.7有5.82.746.817.93.117.6

3.2 切膜作業參數優化試驗

3.2.1試驗裝置與方法

為驗證本文設計的包裝裝置，優化切膜作業參數，研制了試驗樣機，如圖15所示。試驗樣機集成了水培生菜收獲、包裝裝置。

圖15 試驗樣機Fig.15 Test prototype1.包裝盒上料機構 2.收獲裝置 3.導向裝盒機構 4.包裝裝置 5.包裝盒下料機構

選取薄膜縱向切刀與薄膜夾角X1、拉膜輥拉膜速度X2、薄膜橫向切刀速度X33個因素進行正交試驗，求解包裝成功率最高的參數組合。根據預試驗選取各因素水平值，如表2所示。選用L9(34)正交表安排試驗，共9組，每組試驗重復100次，統計其成功率。

表2 正交試驗因素水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal tests

3.2.2試驗結果與分析

正交試驗結果如表3所示(A、B、C為因素水平值)，其中，包裝成功率最高為95.0%(第8組)。正交試驗方差分析如表4所示，由F值可知，試驗因素影響包裝成功率的顯著性次序為：薄膜橫向切刀速度、拉膜輥拉膜速度、薄膜縱向切刀與薄膜夾角。

表3 正交試驗結果Tab.3 Results of orthogonal tests

表4 正交試驗方差分析Tab.4 Analysis of variance for orthogonal tests

注：*表示在0.1水平上顯著。

利用極差分析求解作業參數最優組合，如圖16所示，最優參數組合為A2B2C3。

圖16 包裝成功率隨因素變化曲線Fig.16 Variation curves of packaging success rate with factors

3.2.3驗證試驗

對正交試驗所得最優參數組合(薄膜縱向切刀與薄膜夾角30°、拉膜輥拉膜速度300 mm/s、薄膜橫向切刀速度500 mm/s)進行試驗驗證，重復100次，統計其成功率。利用秒表測量樣機作業時間(由卸菜開始至封膜結束)、相同包裝效果下人工作業時間。

驗證試驗結果顯示，最優參數組合下，包裝成功率為96%，包裝效果如圖17所示。樣機單次包裝用時10.5 s，其中裝盒用時1.2 s、輸送帶與縱向拉膜5.5 s、橫向切膜與封膜3.8 s。人工單次包裝用時25 s，樣機作業時間比人工縮短58%。

圖17 包裝效果Fig.17 Packaging effects

4 結論

(1)提出了一種水培生菜收獲后自動縱向裝盒、封膜方法，并研制了樣機。利用聚攏氣缸、壓菜氣缸及導向環執行生菜縱向裝盒，利用封膜機構中柔性毛刷對薄膜的梳刷作用及薄膜自粘性完成封膜。

(2)基于高速攝像，提出了利用3個特征點量化生菜水平偏移、姿態角的方法；研究了導向環對生菜裝盒位姿特性的影響。裝盒位姿特性試驗結果顯示：生菜入盒時，有導向環水平偏移平均值為5.8 mm，比無導向環時減小75.0%；有導向環姿態角平均值為17.9°，比無導向環時減小74.2%。導向環可減小生菜裝盒過程的偏移、翻轉，保證生菜縱向裝盒成功。

(3)正交試驗結果顯示：切膜作業最優參數組合為薄膜縱向切刀與薄膜夾角30°、拉膜輥拉膜速度300 mm/s、薄膜橫向切刀速度500 mm/s。驗證試驗結果顯示：最優參數組合下，包裝成功率為96%，樣機單次包裝用時10.5 s，比人工縮短58%。