球形水果氣柱袋全自動(dòng)包裝機(jī)的設(shè)計(jì)方案

鄭志偉，張 慧

（江蘇南高智能裝備創(chuàng)新中心有限公司，南京 211100）

0 引言

隨著人們生活水平的提高以及電商業(yè)的發(fā)展，市場對蘋果等球形水果的需求越來越大。球形水果的包裝、銷售以及運(yùn)輸方式在不斷地發(fā)展與創(chuàng)新，其所用的包裝材料也在不斷創(chuàng)新，泡沫、海綿、氣袋等先后在球形水果包裝中廣泛使用。目前電商平臺(tái)的商家傾向于選擇氣柱袋包裝。氣柱袋作為新式包裝材料，又名柱狀充氣袋，其內(nèi)部主要填充空氣。具有抗拉伸、強(qiáng)柔韌性、防護(hù)能力強(qiáng)且環(huán)保的特點(diǎn)[1]。氣柱袋一次充氣，全排充滿，自動(dòng)鎖氣，柱間互不透氣。包裝材料密封度較好，可用于長時(shí)間儲(chǔ)運(yùn)，其抗震作用大大降低了果品的損壞率。但氣柱袋也有不足之處，例如不抗刺破，需要把控好充氣量等[2]。

國外對于水果包裝機(jī)及其制備工藝的研究起步較早，能夠?qū)Χ喾N水果進(jìn)行包裝，自動(dòng)化程度高，包裝速度快，而且機(jī)械維修方便[3]。國內(nèi)水果包裝設(shè)備的研究雖然起步較晚，但其技術(shù)含量與自動(dòng)化程度逐漸提高[4-5]。目前市場上針對球形水果的專用包裝機(jī)械發(fā)展還不成熟，較難同時(shí)保證質(zhì)量和效率[6]。而且球形水果的氣柱袋包裝大都采用人工包裝的形式[7]，包裝勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，較難滿足現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要[8]。為了解決這一問題，需研制能對蘋果等球形水果進(jìn)行自動(dòng)快速氣柱袋包裝的機(jī)器，及完備的裝果工藝設(shè)計(jì)方案。

本文針對蘋果等球形水果的特征，提出自動(dòng)上袋、裝果、充氣、卸袋、機(jī)構(gòu)復(fù)位的包裝工藝方案，進(jìn)行氣柱袋包裝機(jī)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，并仿真試驗(yàn)了包裝樣機(jī)，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

1 氣柱袋全自動(dòng)包裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，球形水果氣柱袋全自動(dòng)包裝機(jī)外形尺寸為 3 590 mm×3 400 mm×2 100 mm。包裝機(jī)由4個(gè)部分組成，分別為四工位旋轉(zhuǎn)工作轉(zhuǎn)盤機(jī)、球形水果上料機(jī)、成品果袋送出機(jī)、氣柱袋供給機(jī)。四工位旋轉(zhuǎn)工作轉(zhuǎn)盤機(jī)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、氣電旋轉(zhuǎn)接頭、撐袋機(jī)構(gòu)、充氣機(jī)構(gòu)、半圓筒機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)氣缸、吹氣嘴，電磁閥和安裝支架等組成，該設(shè)計(jì)節(jié)省了設(shè)備占用空間。球形水果上料機(jī)由帶槽型皮帶、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、機(jī)架，推送氣缸和推送桿等組成，有利于球形水果的高效輸送與裝果。成品果袋送出機(jī)由帶間隔板皮帶、驅(qū)動(dòng)電機(jī)，機(jī)架和封口機(jī)等組成，確保裝果合格率。氣柱袋供給機(jī)由儲(chǔ)袋位、輸送機(jī)，分袋機(jī)和真空吸盤上袋機(jī)等組成，實(shí)現(xiàn)氣柱袋的全自動(dòng)供給，有助于提高球形水果氣柱袋包裝的生產(chǎn)效率。

設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)?chuàng)新在于四工位旋轉(zhuǎn)工作轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)，分為氣柱袋上料、球形水果裝果、成品果袋排出、機(jī)構(gòu)復(fù)位4個(gè)工位；工作轉(zhuǎn)盤上的半圓筒機(jī)構(gòu)依次旋轉(zhuǎn)90°，即在4個(gè)工位循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，源源不斷地實(shí)現(xiàn)對球形水果的包裝。

作為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工位旋轉(zhuǎn)盤的具體結(jié)構(gòu)見圖2。工位旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)至“氣柱袋上料”工位1，氣柱袋上料，撐袋機(jī)構(gòu)內(nèi)移，半圓筒打開下移。撐袋機(jī)構(gòu)固定氣柱袋，使其不滑落，此時(shí)吹氣嘴使氣柱袋保持撐開形狀，保證上袋的成功率。半圓筒機(jī)構(gòu)對氣柱袋起定位作用，即移動(dòng)半圓筒瓦片，固定氣柱袋，用于氣柱袋的充氣及包裝過程，重點(diǎn)在于使充氣后的氣柱袋便于放入。氣柱袋未吹氣之前，半圓筒機(jī)構(gòu)起定位作用，起到承載水果并使其呈一字排列的作用。

圖2 工位旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure diagram of station rotating plate

工位旋轉(zhuǎn)盤，第一次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，到達(dá)“球形水果裝果”工位2，水果推入氣柱袋。充氣機(jī)構(gòu)用于給氣柱袋充氣，使其呈圓柱狀，保證裝入的水果無錯(cuò)位、無擠壓情況發(fā)生。充氣口一側(cè)的撐袋圓弧板帶有通氣槽，易于氣體充入氣柱袋的柱狀密室內(nèi)。撐板外側(cè)設(shè)有2個(gè)彈片，對于未充氣的氣柱袋有一定夾緊作用，有效地防止氣柱袋滑落。吹氣嘴與充氣機(jī)構(gòu)的區(qū)別在于：吹氣嘴用于撐起氣柱袋而裝果，充氣裝置用于給氣柱袋的柱狀密室充氣。

工位旋轉(zhuǎn)盤，第二次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，到達(dá)“成品果袋排出”工位3，半圓筒機(jī)構(gòu)打開，包裝好的成品果袋脫離。工位旋轉(zhuǎn)盤中的半圓筒機(jī)構(gòu)位于固定板上，固定板安裝在直線滑塊上，滑塊限定在固定行程范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。半圓筒旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)在于其連桿與固定支座鉸接，固定支座安裝在同一滑軌的直線滑塊上。2個(gè)直線滑塊間由連桿、彈簧連接，氣缸桿與固定支座連接，當(dāng)氣缸伸出時(shí)，由彈簧支撐前端滑塊到止停位，接著彈簧被壓縮，定位半圓筒合攏?；爻虝r(shí)，在彈簧力的作用下，半圓筒先打開，然后由連桿帶動(dòng)前端滑塊移動(dòng)，此種動(dòng)作結(jié)構(gòu)避免了機(jī)構(gòu)之間的干涉，同時(shí)為氣柱袋供給機(jī)的上袋結(jié)構(gòu)讓出了空間。

工位旋轉(zhuǎn)盤，第三次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，到達(dá)“機(jī)構(gòu)復(fù)位”工位4，為下次循環(huán)做準(zhǔn)備。檢測正常后，工位旋轉(zhuǎn)盤第四次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，到達(dá)“氣柱袋上料”工位。整個(gè)半圓筒機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，由傳感器檢測位置，通過旋轉(zhuǎn)接頭供應(yīng)壓縮空氣和電源，由電磁閥驅(qū)動(dòng)的氣缸和機(jī)械連桿結(jié)構(gòu)（固定支座、連桿、滑軌、彈簧）共同實(shí)現(xiàn)半圓筒機(jī)構(gòu)周而復(fù)始的快速打開和合攏的動(dòng)作。

2 包裝機(jī)的氣柱袋包裝方案

球形水果氣柱袋包裝機(jī)開啟后，裝果旋轉(zhuǎn)盤運(yùn)動(dòng)至止停點(diǎn)，真空吸盤吸取氣柱袋輸送到上袋機(jī)構(gòu)，撐口結(jié)構(gòu)固定氣柱袋。此時(shí)，充氣口移動(dòng)到氣柱袋的氣孔處。送袋機(jī)構(gòu)撤回，等待下個(gè)工位上料抓取。在轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)過程中，2個(gè)半圓筒移動(dòng)并閉合，推送機(jī)構(gòu)推送球形水果至氣柱袋內(nèi)部，然后電磁閥接通壓縮空氣往袋內(nèi)充氣，完成后充氣嘴撤回。下袋時(shí)，旋轉(zhuǎn)盤上的半圓筒機(jī)構(gòu)打開，裝滿水果的氣柱袋靠重力作用下滑進(jìn)入傳送帶的隔板槽。上述過程中，由包裝機(jī)的傳感器檢查各機(jī)構(gòu)是否復(fù)位，是否有阻塞現(xiàn)象。

機(jī)構(gòu)中的充氣泵用于提供壓縮空氣。4工位轉(zhuǎn)盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)工位的循環(huán)配置。機(jī)構(gòu)所配置的充氣閥和氣電旋轉(zhuǎn)接頭，給旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)提供氣源和電源。完成氣柱袋包裝和充氣的球形水果，自動(dòng)落入成品果袋送出機(jī)。此時(shí)既完成了球形水果的氣柱袋成品包裝，又可以進(jìn)入后續(xù)的裝箱或者裝盒、物流等環(huán)節(jié)。該包裝機(jī)工藝流程的設(shè)計(jì)，保證氣柱袋包裝工作的持續(xù)自動(dòng)完成。

球形水果氣柱袋全自動(dòng)包裝機(jī)的各部分動(dòng)作在PLC控制下完成，在將水果推入氣柱袋時(shí)，同步完成對氣柱袋的充氣，工藝路線如圖3。包裝機(jī)的操作者只需要保證氣柱袋和球形水果，分別在氣柱袋供給機(jī)和水果輸送機(jī)上連續(xù)供給，即可以實(shí)現(xiàn)球形水果的氣柱袋全自動(dòng)包裝工作（含裝袋和充氣）。

圖3 氣柱袋裝果工藝流程Fig.3 Packaging process of fruits in the air column bag

3 關(guān)鍵組件的受力分析

半圓筒機(jī)構(gòu)作為氣柱袋包裝機(jī)的關(guān)鍵部件之一，承受最大載荷。2個(gè)半圓筒相交接的部位固定在懸臂結(jié)構(gòu)上，定位半圓筒結(jié)構(gòu)在水平裝果位置承受自重和水果重量。對該位置采用Solidwork-Simulation 靜應(yīng)力分析[9]，以蘋果為例，其載荷取用 2 kg，半圓筒結(jié)構(gòu)自重為 3 kg，以實(shí)際裝果情況添加約束和載荷，合理劃分網(wǎng)格，經(jīng)過運(yùn)算得出圖4（a）所顯示的等效應(yīng)力，以及圖4（b）的應(yīng)變量數(shù)值，結(jié)果顯示該半圓筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求[10-11]。

圖4 半圓筒機(jī)構(gòu)承載分析Fig.4 Load bearing analysis of the semi-cylinder

4 結(jié)語

本文介紹一種球形水果氣柱袋全自動(dòng)包裝機(jī)的設(shè)計(jì)方案。使用Soildworks等仿真軟件對樣機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行分析[12]，結(jié)果顯示包裝機(jī)利用一套專門設(shè)計(jì)的4工位旋轉(zhuǎn)工作轉(zhuǎn)盤，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對球形水果的氣柱袋包裝，通過氣柱袋自動(dòng)供給、水果推入、充氣及包裝，成品裝袋后自動(dòng)送出。用自動(dòng)化包裝設(shè)備替代目前水果行業(yè)中的手工氣柱袋包裝方式，在球形水果包裝領(lǐng)域獲得技術(shù)突破。滿足水果行業(yè)在后端包裝生產(chǎn)的設(shè)備需求，并且可以擴(kuò)展應(yīng)用到其他類似形狀的產(chǎn)品包裝領(lǐng)域，更好地滿足大批量、連續(xù)包裝的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需求。該氣柱袋包裝機(jī)的設(shè)計(jì)也可為后續(xù)球形水果氣柱袋包裝設(shè)備的優(yōu)化提供參考。