蘋果保護網套自動包裝設備的設計

胡俊磊，戴姚輝，吳海鈺，楊 巖,2

（1.重慶理工大學 機械工程學院，重慶 400054；2.重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054）

0 引言

蘋果產業是我國果業中的支柱產業，隨著我國蘋果產量的逐年增加，效益也在逐年提高。而蘋果在其采摘、裝箱、運輸、貯藏等過程中都有可能因跌落、碰撞以及擠壓等原因造成損毀，統計表明每年在運輸過程中因機械損傷造成的蘋果損失占總產量的25%～45%，大大降低的農民的經濟收益。目前，減少果蔬采摘后的損耗已經成為了全世界農產品行業關心的主要問題之一。實踐證明，對果蔬采用合適的緩沖包裝可以有效降低果蔬在運輸過程中的震動損傷。對蘋果采用發泡塑料網、瓦楞紙板襯墊等緩沖包裝進行振動試驗并分析不同材料對蘋果振動傳遞率與損傷的影響，結果表明，采用發泡塑料網作為緩沖包裝時，可有效地降低蘋果損傷率[1,2]。

目前在國內外都是采用人工對蘋果進行網套包裝的方式，隨著逐年增加的蘋果產量，人工成本也在不斷上升。為了提高蘋果產業給果農帶來的經濟效益，降低人工成本，設計一款能夠實現蘋果自動套網的裝備勢在必行。

近年來，國內外包裝機械隨著消費結構與形式的轉變迅猛發展，包裝機械的產量不斷上升，然而針對果蔬包裝的裝備卻很少，沒有一款針對蘋果進行網套包裝的商品裝備，相關文獻專利稀少，其中存在無法連續對蘋果進行網套包裝、設備工作時震動大等問題。本文設計了一款蘋果網套自動包裝機，對果徑80mm以下的蘋果進行網套包裝，解決了蘋果網套包裝的連續性問題、網套在包裝過程中易破損等問題。

1 總體結構與工作原理

1.1 裝置作業對象

本論文中設計的蘋果網套自動包裝機主要使用的包裝材料是發泡塑料網，又稱EPE珍珠棉，具有隔水防潮、防震、隔音、保溫、可塑性能佳、韌性強、循環再造、環保、抗撞力強等諸多優點，亦具有很好的抗化學性能，如圖1所示。經圖2所示過程設計出包裝目標為蘋果果徑小于80mm的蘋果網套自動包裝機。

圖1 塑料發泡網示意圖

1.2 整機結構與工作原理

蘋果網套自動包裝機主要由蘋果輸送裝置、網套放置機構、網套包裝機構、網套切斷機構組成。包裝機將PLC作為中央控制元件，通過檢測元件傳回的信號發出指令控制各個執行元件完成特定動作。蘋果網套自動包裝機結構示意圖如圖3所示。蘋果輸送裝置位于機架的下方，用于輸送未包裝的蘋果以及將包裝好的蘋果送出；網套放置機構位于機架的最上方，用于儲存網套；網套包裝機構位于機架的中心，用于對蘋果進行包裝；網套切斷機構位于網套包裝機構的下方，對套入網套的蘋果進行網套切斷。

圖2 設計流程圖

圖3 蘋果網套自動包裝機結構示意圖

蘋果網套自動包裝機的工作原理如圖4所示，在蘋果網套自動包裝機作業時，塑料發泡網成卷的放置于網套放置裝置上，發泡網向下延伸套入網套撐開器中，兩個電動機械夾作為懸停機構夾緊套入了網套的撐開器，使撐開器懸停在固定位置，通過繼電器模塊控制電機的正反轉來控制電動機械夾的開合，兩個電動機械夾如圖4上所示放置，上下間距50mm。將蘋果放置在蘋果托盤1位置處，蘋果隨圓盤的轉動輸送到網套包裝點，凸輪分割器進入停止運動的階段，固定裝置a在電動伸縮推桿3的作用下向上移動直至與撐開器對接，電動伸縮推桿1和電動伸縮推桿2同時向下推進，兩只夾緊撐開器的電動機械抓拖動網套在撐開器表面向下滑落，當網套將圓盤上方的固定裝置包裹后，電動機械夾1與電動機械夾2松開撐開器回到初始位置后夾緊撐開器，隨后固定裝置復位，在固定裝置開始復位動作時，網套切斷裝置開始執行切斷網套的動作，固定裝置復位后，網套將蘋果包裹，準備開始下一個蘋果的包裝。紅外傳感器分別用于檢測網套放置結構上的網套剩余量以及是否放入蘋果進入蘋果托盤或者是否取出已包裝好的蘋果，通過紅外傳感器的反饋到PLC中的信號來決定裝備是否繼續工作[3,4]。

圖4 包裝機工作原理圖

2 部件結構設計

2.1 蘋果輸送裝置

蘋果輸送裝置需要實現將未包裝的蘋果送到網套包裝點位，在網套包裝過程完成后再將包裝好的蘋果送出的功能，由于本文設計的蘋果網套自動包裝機的目標用戶是中小型果農商戶，考慮到設備的占用體積，采用立體式結構設備，在直線輸送結構與圓周轉動輸送結構之間，本裝備選擇圓周轉動結構來輸送蘋果；在圓周運動過程中蘋果會受到離心力而發生位置變化，因此需要設計一個小托盤來保證蘋果在運動過程中不會隨著圓周運動而在圓周轉動結構上發生位置滑動；蘋果達到網套包裝點位時，輸送裝置需要停止運動讓蘋果完成網套的包裝過程，驅動轉動結構的裝置需要滿足精確的、頻繁的啟停要求，普通電機長時間頻繁的帶動機構啟停會對電機造成損傷，所以本裝備選擇凸輪分割器搭配電機來作為蘋果輸送裝置的動力元件。為滿足以上條件設計出如圖5所示的蘋果輸送裝置，它由電機、凸輪分割器、轉動圓盤、蘋果托盤組成。凸輪分割器由電機驅動，轉動圓盤安裝在凸輪分割器的法蘭盤上，轉動圓盤的半徑為220mm，厚度5mm，在其上表面半徑為160mm的圓弧上均勻分布著6個半徑為40mm、厚度為2mm、壁高為10mm、壁厚為2mm的蘋果托盤，在托盤周圍分布著四個通孔，在網套包裝過程中支撐機構的不銹鋼柱體穿過通孔與撐開器下表面接觸。托盤與轉動圓盤通過螺栓進行固定，轉動圓盤與蘋果托盤由ABS材料制成，已知ABS材料密度為1.05g/cm3～1.18g/cm3，算得轉動圓盤與蘋果托盤的總質量為1.60kg。在轉動圓盤上裝載6個蘋果時，以一個蘋果0.25kg計算，滿負載狀態時，其總質量約為為3.1kg，根據其負載重量，選用45DF型的凸輪分割器作為驅動裝置。工作時，電機通電，凸輪分割器帶動轉動圓盤旋轉，將放入的蘋果送至網套包裝點位，在凸輪分割器的間歇期間，網套包裝結構對蘋果進行網套包裝。

圖5 蘋果輸送裝置示意圖

2.2 網套結構

網套結構由網套放置裝置、網套包裝機構以及網套切斷機構組成。

2.2.1 網套放置裝置

塑料發泡網因自身材質原因，堆積在一起時易蓬松，在連續包裝的過程中網套堆積在一起可能發生打結、折疊扭曲等問題，蘋果網套自動包裝機又為立體式，因此本設計中選擇將塑料發泡網成卷的放置在可滾動的軸上，安裝在機架的最上方，設計出如圖6所示的網套放置結構。將兩個半徑35mm、寬40mm的H型尼龍輪與一根長140mm、半徑5mm的軸進行連接，軸能夠隨著H型尼龍輪中的轉動軸承而轉動，其中軸上供網套放置的長度為110mm，市面上農戶常用的塑料發泡網最大規格為100mm，本設計能夠放置任意規格的發泡塑料網。

圖6 網套放置裝置示意圖

2.2.2 網套包裝機構

網套包裝機構如圖7所示。用于包裝的發泡網是呈封閉圓狀，作業對象是果徑小于80mm的蘋果，在對蘋果進行網套包裝時，首先撐開呈扁平狀的網套，再將被撐開的網套套在蘋果上，用于撐開塑料發泡網的機構，稱為網套撐開器。整臺裝備是一個自上而下的結構，網套從最上方的網套放置機構落入到網套撐開器中，網套撐開器應是一個獨立的機構，它不與任何機構有直接連接[5]，最終通過撐開器的網套開口大于所包裝蘋果的果徑，并且網套撐開器與塑料發泡網之間應有較小的摩擦力，這樣在機構拖動塑料發泡網在撐開器表面滑動時才不會發生無法拖動網套或者網套破損的情況，將塑料發泡網與鑄鐵、不銹鋼、PVC塑料等材料進行摩擦對比試驗，試驗結果表明塑料發泡網與PVC塑料接觸時產生的摩擦力最小，因此本裝備中選用PVC塑料作為網套撐開器的原材料。為了進一步減小網套與撐開器之間的摩擦力且滿足包裝要求，將撐開器的上部分設計為半徑45mm、壁厚5mm的空心半球，下部分為半徑45mm、高250mm、壁厚5mm的空心圓柱，圓柱表面均勻分布著半徑2.5mm的圓孔以減小撐開器與蘋果網套的接觸面積，下表面有著鏤空部位與其他構件連接，如圖7中所示。在撐開器不與其他機構直接接觸的條件下，網套能夠在撐開器表面向下滑動，并且撐開器能夠懸停在固定位置，因此在未進行網套包裝時需有夾持機構來對撐開器進行位置固定，在包裝過程中需要有拖動網套在撐開器表面滑動的機構，在拖動網套滑動時需要有能夠對撐開器進行位置固定的機構。本設計中選用了質量0.25KG、工作電壓24V、夾持力為10N的電動機械夾作為它的夾持機構，該電動機械夾能夠穩定夾持1kg以內的規則物品，通過繼電器控制電機的正反轉來驅動電動機械夾的開合，經試驗表明，在該電動機械夾在夾緊套入網套的撐開器時，給與豎直方向大于24.1N的推力，它能夠拖動網套在撐開器表面滑動，即一個元件能夠實現夾持撐開器和拖動網套移動兩個功能。驅動電動機械夾做上下運動的執行元件滿足持續提供穩定的推力、合適的行程、合適的移動速度即可，本文選擇行程為150mm、速度65mm/s、推力30N、工作電壓24V、質量2kg的帶有自鎖功能以及斷電保護功能的電動伸縮推桿來作為它的驅動元件。左右兩邊各一個電動機械夾能夠精確的將網套撐開器定位，拖動網套滑動時也不會因網套單邊受力而導致拉扯破損[6]，在電動機械夾拖動網套下移過程中，撐開器會受到向下的作用力，此時下方需要一個抵消反作用力的裝置，同時該裝置能夠保證在包裝網套在滑落過程中完美包住蘋果，該裝置如圖7中所示，固定機構向上移動，與撐開器下表面鏤空部分對接，起到固定作用，網套順著固定裝置繼續滑動，當固定機構向下移動時，套在固定機構上的網套將蘋果包裹住，完成蘋果的包裝。同樣采用上述規格的電動伸縮推桿，在固定機構到達位置時，推桿成鎖死狀態，能夠抵消反作用力。

圖7 網套包裝裝置示意圖

2.2.3 網套切斷機構

網套切斷機構如圖8所示。塑料發泡網由于自身韌性強，使用傳統刀具直接進行切割會發生圖8所示的情況，在網套包裹蘋果后，這樣的切割方式會使得網套脫離蘋果，為了快速切斷網套，本裝備采用熱電絲來作為切割刀具[7,8]。塑料發泡網的熔點為50℃～60℃，使用調溫電熱絲切割不會在工作中產生大量熱量從而使得設備工作環境溫度升高進而影響設備各構件穩定性，選用的調溫電熱絲工作電壓為12V，同時內部隔離變壓器確保電熱絲只有低壓12V遠低于人體安全電壓36V，工作時電熱絲工作溫度為70℃，確保操作人員的安全[9]。推動電熱絲切割機構的執行元件依舊選擇上述的電動伸縮推桿，電熱絲切割機構與電動伸縮推桿連接水平安裝在轉動圓盤之上[10]，當固定機構與撐開器分離后，對網套進行切斷。

圖8 網套切斷機構示意圖

2.3 控制裝置

一般中小型設備選擇使用單片機或者PLC作為中央控制元件，PLC相比單片機來說，成本相對要高一點，而抗干擾能力、故障率、維護的難易程度遠優于單片機，綜合考慮本設備選擇使用西門子S7-200smart PLC，其功能滿足本裝備的控制需求。前文提到電動機械夾的開合、電動伸縮推桿的伸縮都是改變它們內部電機的正反轉來實現的，因此采用直流電機自動正反轉繼電器模塊來控制機械夾和推桿的動作。在機器工作過程中，需要檢測網套放置機構上的網套剩余量、包裝好的蘋果是否已經取出、網套包裝點位是否有蘋果，本包裝機直接采用紅外傳感器，依靠距離判定來檢測以上信息，將結果反饋到PLC中，PLC控制工作過程以及整臺設備的啟停。建立人機界面，控制方式分為自動、手動控制兩種模式，可根據不同使用情況自行選擇，其控制系統結構示意圖如圖9所示[11]。系統中PLC處理傳感器反饋的信號數據，再將處理結果反饋給各個執行元件，其控制流程圖如圖10所示。

圖9 控制系統結構示意圖

圖10 控制流程圖

3 性能試驗

3.1 試驗方法和指標

由于蘋果自動套網機目前在國內還屬于萌芽階段，尚未出現商業化的蘋果自動套網機，我國還沒有制定蘋果自動套網機機械性能試驗方法的國家標準，因此針對本文設計的蘋果自動套網機，選取包裝率和包裝速度兩個方面作為考察蘋果自動套網機的作業質量和工作性能指標。套網機作業試驗中，包裝率主要反映裝備的包裝質量，包裝速度主要反映裝備的生產能力和生產效率[12]。

包裝率，是指在包裝過程中包裝作業能夠順利完成，計算公式為：

包裝速度，是指在包裝過程中每分鐘能夠完成的蘋果包裝數量，計算公式為：

式中：N1為套網機作業后成功包裝的蘋果數量；

N為套網機作業后進行包裝作業過程的蘋果的總數量；

t為包裝機作業時間，min。

3.2 實驗結果與分析

蘋果自動套網機包裝實驗結果如表1所示。

自動套網機包裝號的蘋果因切割刀具為電熱絲，在網套切斷處會呈現焦黑色，在套上蘋果的網套中占比面積不大，不影響美觀效果。樣機對于蘋果的包裝速度為13個/min，包裝率為98.4%，高于人工包裝速度，并且省去了對網套進行裁剪的過程，進一步降低了生產成本。

表1 樣機試驗結果

4 結語

設計了一種蘋果自動套網機，確定了套網機整機結構，對果徑小于80mm的蘋果進行包裝，降低了果農的勞動強度，為后續蘋果自動套網機商品化提供了設備平臺。解決了蘋果網套包裝的連續性問題，包裝過程中不會造成網套破損，縮小了蘋果網套包裝機的體積。蘋果自動套網機樣機包裝試驗表明，對蘋果的包裝速度為13個/min，包裝率為98.4%，高于人工包裝速，該裝置結構緊湊，成本低廉，具有較好的應用性和市場推廣前景。本設備還有一定的不足之處，包裝速度從長時間來看高于人工包裝速度，但包裝速度還有提升空間，電熱絲切割切割方便但會提高工作環境的溫度，尚需改進。