基于Solidworks的蘋果發泡網套自動包裝機設計

西安工業大學機電工程學院 肖瑞娟 薛焱豐 萬宏強 李世龍

蘋果在采摘、存放、運輸到售賣過程中存在因跌落、擠壓、碰撞等因素造成的損傷，影響品質，套網一般依賴于人工操作，效率低。本文設計了一款蘋果網套自動包裝機，包括輸網模塊、套網模塊、剪切機構、傳送機構、撥動機構、裝箱模塊等六大模塊。各個部分獨立工作，整體相互配合。該機滿足社會市場需求，結構簡單，用途范圍廣泛。

蘋果在銷售運輸過程中存在很多容易受損的不可控因素，最常見的影響蘋果受損的因素就是蘋果間的擠壓、碰撞，亦或與加工機械之間的的碰撞與摩擦，這些缺陷影響外觀，受傷的蘋果在空氣的氧化作用下會變黑、腐爛，造成蘋果滯銷，嚴重影響著果農的經濟收益。塑料發泡網套袋可以有效地降低蘋果損傷率。當前水果網套包裝的方式仍以傳統的手工套網方式為主，能對不同形狀尺寸的蘋果進行發泡網套包裝，人工套網速度慢、效率低，人工成本大。劉瑞歌所研究的全自動水果包裝機是一款集篩選、包裝、計數、裝箱為一體的全自動水果包裝機。徐勤超所設計的球形水果塑料發泡網套包裝機通過對球形水果進行分析，采用柔性擴膜錐體擴膜的思想，倒刺卡筒下膜的方式，可以實現連續包裝功能，網套包裝效果相對較好；但是，對機械自身精度要求較高，機械結構復雜，體積龐大，而且移動困難，需要相當大的人力資源。針對上述多種缺陷，為了解決現有技術難題，設計了一款蘋果網套自動包裝設備。

1 總體設計

為了滿足蘋果網套包裝的工作要求，蘋果網套包裝機三維模型如圖1所示，其主要工作原理為：當蘋果經傳送模塊被轉接到套袋托盤上時，由紅外感應模塊感應蘋果是否傳送到蘋果網套撐開器裝置的正下方，如果已經到達，輸網機構在電機驅動下垂直向下運動，通過順網機構，在網套撐開器中四個鉤子拉力的作用下，網套向蘋果運動，當蘋果網套撐開器運行到蘋果托盤的正下方時，由剪切機構剪切網套，撐網架自動收回，完成蘋果的套網動作，套袋后的蘋果經蘋果傳送部分到蘋果箱上方，此時由蘋果撥動機構將蘋果撥動落入蘋果箱中。在裝箱過程中采用3×4的2層裝箱方式，裝箱部分又包括果箱升降機構、果箱的X、Y工位移動工作平臺兩部分，整個工作過程相互配合，結構緊湊。其中：（1）輸網機構中采用鼓輪，傳輸方便；（2）蘋果網套撐開器采用四個鉤子進行撐網，以齒輪齒條進行撐網傳動機構，同時為了防止撐網過程網套脫落，在鉤子內側固定橡膠，增大摩擦；（3）蘋果升降機構采用了雙四桿機構，利用絲杠螺母進行傳動，傳遞精度高，使得蘋果定位誤差小；（4）網套剪切機構中以電機作為驅動，通過絲杠實現刀架的軸向移動，光杠進行定位，用鎢絲進行熱熔，實現網套剪切運動；（5）蘋果裝箱機構主要分為兩個模塊，其一是實現果箱升降的升降平臺，升降平臺是由液壓驅動的剪叉式升降機構，其二是實現果箱12工位移動的X、Y移動平臺，其主體以電機作為驅動，以絲杠作為傳動，定位誤差小，裝箱方便，整個裝箱機構結構緊湊，大量使用標準件，互換性好、經濟性高；（6）蘋果落箱機構采用盤式撥動機構，運行效率高；蘋果網套包裝機的設計整體結構緊湊，可操作性強。

圖1 蘋果網套包裝機結構圖

2 各裝置設計

2.1 支撐平臺的設計

蘋果網套包裝機的套網裝置固定在支撐平臺上，其支撐平臺主體是一款由鋁合金材質搭建的一個可動平臺，其支撐平臺板面尺寸為長800mm、寬800mm、高880mm。為了方便在不同的操作空間進行作業，在蘋果網套包裝機的支撐平臺下部設計了四個萬向輪，使得支撐平臺移動靈活方便。由于本蘋果網套包裝機設備遵循機電一體化產品設計的基本原則，為了節省空間，使得設計結構緊湊，在支撐面板的正下方搭建了用于裝配蘋果裝箱所需的X、Y移動平臺以及蘋果箱的支撐臺面，其中小支撐抽屜臺面與主面板之間的高度差為550mm，小抽屜版厚度為5mm。

2.2 裝箱機構升降臺設計

包裝機的升降平臺以桿結構為主體，其主體由通過移動下部的液壓桿控制兩組桿件進行移動，可以實現升降平臺的升降，其具體工作過程為：當蘋果裝箱的蘋果在裝滿第一層后下移，送至需要高度后，通過升降平臺底部液壓桿的移動，將升降平臺固定在所需要的位置，繼續裝第二層的蘋果。升降平臺的材料為普通碳鋼，其整體結構緊湊，升降穩定性好，最高升降高度為90mm，可以實現蘋果包裝后兩層裝箱的設計需求。

2.3 裝箱箱體設計

本機包裝蘋果果徑為85mm，單個落果框的尺寸為85mm×85mm×85mm，整個箱體的部分為3×4的箱體，一箱可裝24個蘋果，共兩層，中間采用泡沫板分隔，泡沫板厚度為5mm。蘋果箱體安裝在X、Y工作臺上，蘋果箱體與X、Y移動平臺之間通過氣壓所產生的巨大的吸引力，吸附力的作用有助于蘋果箱體的安放與卸載，使得裝箱工作進行更加便捷。

2.4 蘋果升降機構設計

蘋果升降機構具體結構如圖2所示，采用平行四桿機構，在此機構中主要由轉動副連接。在工作過程中，首先是當蘋果通過傳送裝置傳送到蘋果升降機構的蘋果托盤上時，此時由電機驅動絲杠的傳動，從而帶動平行四桿機構的運動。當紅外檢測裝置在接收板上接收不到光時，就說明蘋果已經到達需要包裝的固定位置，此時電機停止轉動，進而實現了蘋果升降這一功能。

圖2 蘋果升降機構

2.5 蘋果轉接機構設計

蘋果轉接機構主要工作原理為：在工作時，接通電源，當有需要包裝作業的蘋果經過傳送帶到達指定位置時，由蘋果轉接機構的蘋果鏟子托盤輕輕將蘋果鏟到托盤上，繞中心軸旋轉180°后，將蘋果放置在蘋果升降機構的蘋果托盤上，進行下一步動作。

2.6 蘋果網套撐開器設計

蘋果網套撐開器主要工作過程是當輸網機構將蘋果網套穿過順網機構后，經過限位開關限制停留在固定高度，此時蘋果網套撐開器開始工作，蘋果網套撐開器整體固定在移動導軌上，在電機的驅動下，蘋果網套撐開器機構在直線移動導軌內做移動，當靠近蘋果網套的時候，相對位置的兩個鉤子鉤住蘋果網套，此時蘋果網套撐開器的四個鉤子在微型減速電機的驅動下，使得齒輪齒條做直線運動，將網套撐開。為了增大鉤子與網套之間的摩擦力，在設計過程中，在鉤子的內側增加了橡膠，使得摩擦力增強，其齒輪齒條的移動軌跡最長為50mm，此設計可以滿足蘋果網套撐開的需求。蘋果網套撐開器的具體結構三維模型如圖3所示。

圖3 蘋果網套撐開器

結論：蘋果網套包裝機屬于機電一體化產品，設計過程中綜合機械設計、機械原理、現代機械產品設計以及人機交互等多學科、多領域科學技術，設計前期對現有的蘋果網套包裝技術進行實地走訪調研和網絡咨詢等多種途徑進行了解，對比現有成果進行綜合分析，所設計的蘋果網套自動包裝設備具有如下優點：模塊化設計，結構緊湊；每分鐘可以達到20個的包裝效果，降低了包裝成本。