一種菌棒仿生自動(dòng)套袋裝置的研制

黃雙成，郜海超，劉士林，張 軍，薄云飛

（1.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450042；2.河南銘匠電氣有限公司，鄭州 451191；3.西峽神威機(jī)械設(shè)備有限公司，河南西峽 474550；4.南京郵電大學(xué)，南京 210003）

0 引言

我國(guó)作為食用菌栽培最早的國(guó)家之一，經(jīng)歷幾十年的持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為世界上食用菌生產(chǎn)大國(guó)，2017年食用菌總產(chǎn)量已突破3712萬噸[1]，占世界食用菌總產(chǎn)量的70%。我國(guó)在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中高度重視食用菌的有效利用，特別是十九大之后，各級(jí)地方政府都將發(fā)展特色食用菌產(chǎn)業(yè)作為脫貧攻堅(jiān)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，全國(guó)已超過70%的貧困縣將食用菌產(chǎn)業(yè)作為帶動(dòng)農(nóng)民脫貧致富的主產(chǎn)業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)支持，食用菌產(chǎn)業(yè)走上了發(fā)展的快車道。

菌棒栽培是我國(guó)食用菌生產(chǎn)的主要方式，無論是工廠化生產(chǎn)還是其他作業(yè)方式，裝袋環(huán)節(jié)都是菌棒生產(chǎn)方式的核心環(huán)節(jié)，也是用工量最大，強(qiáng)度最大的工序之一。當(dāng)前菌棒栽培方式中的菌料攪拌和菌棒裝料等工藝基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但在出料筒套袋流程中依然需要手動(dòng)套袋，成為制約菌棒栽培工廠化的關(guān)鍵因素之一。面對(duì)我國(guó)人口老齡化，勞動(dòng)力成本逐年攀升和當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)菌袋裝料設(shè)備研究主要以菌袋裝料作業(yè)的單工序設(shè)備為主的局面[2]，研制一種應(yīng)用于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的菌棒自動(dòng)套袋裝置非常有必要?；谙惹皩?duì)菌棒栽培裝袋環(huán)節(jié)的研究與實(shí)踐，參考文獻(xiàn)[3-5]的成果，改善和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)并制作一種菌棒仿生自動(dòng)套袋裝置。利用氣動(dòng)+機(jī)械裝置完成取袋、開口、撐袋和套袋4個(gè)基本動(dòng)作，配合菌棒裝袋機(jī)的裝袋工藝，完成菌棒裝袋生產(chǎn)中自動(dòng)套袋和自動(dòng)裝袋的工藝操作。改變傳統(tǒng)食用菌菌棒生產(chǎn)中人工套袋，自動(dòng)裝袋現(xiàn)狀，提升菌棒栽培中套-裝袋環(huán)節(jié)中自動(dòng)化程度，徹底解決套-裝袋環(huán)節(jié)生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，加快食用菌產(chǎn)業(yè)裝備轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)菌棒栽培的工廠化進(jìn)程。

1 套袋裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 套袋裝置結(jié)構(gòu)

套袋是食用菌菌棒生產(chǎn)的一個(gè)工序[6]，通常配合裝袋機(jī)的套筒完成1次裝袋作業(yè)。套袋裝置結(jié)構(gòu)主要有機(jī)架、取袋裝置、送袋裝置、開口裝置、撐袋及套袋裝置組成，如圖1所示。整機(jī)設(shè)計(jì)為雙工位[7]，即一個(gè)工位完成套袋，另一個(gè)工位完成裝袋，設(shè)備實(shí)現(xiàn)套-裝一體化連續(xù)作業(yè)，提升設(shè)備的生產(chǎn)效率。

圖1 菌棒仿生自動(dòng)套袋裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of bionic automatic bagging device of mushroom sticks

1.2 裝置流程與工作原理

套袋環(huán)節(jié)主要參照人工套袋作業(yè)的工藝流程，分為5個(gè)部分，詳細(xì)如圖2所示。

圖2 套袋工藝流程Fig.2 Bagging process flow

裝置工作原理：系統(tǒng)初始化完成后，兩工位轉(zhuǎn)盤有一個(gè)初始位置，即轉(zhuǎn)盤鎖定不動(dòng)，讓套袋筒與撐袋裝置共線。裝置開始工作，開口裝置下吸盤工作氣缸運(yùn)動(dòng)至袋倉(cāng)上方位置完成吸袋后[8]，運(yùn)動(dòng)至開口裝置下吸盤上方打開袋口；撐袋裝置水平移動(dòng)至袋口打開處，撐袋裝置氣缸動(dòng)作完成撐袋操作；撐袋完成后，撐袋裝置上的導(dǎo)軌裝置快速移動(dòng)，將袋子套到套袋筒的外壁上完成套袋操作；鴨嘴張到最大位置后快速返回，此時(shí)完成第1次套袋作業(yè)。之后兩工位轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)180°，新的套筒再次與撐袋裝置共線，第1次套袋完成的料筒進(jìn)行裝袋作業(yè)，新共線的套筒進(jìn)行第2次套袋操作，依次循環(huán)，裝置進(jìn)行不停機(jī)連續(xù)套-裝作業(yè)。

2 套袋裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

裝置套-裝袋袋長(zhǎng)58 cm，直徑為18 cm，是一端封口的塑料袋。

2.1 取袋裝置設(shè)計(jì)

取袋裝置主要完成將塑料袋從袋倉(cāng)里面取出，結(jié)構(gòu)如圖3所示。具體動(dòng)作為袋倉(cāng)上方的上氣吸盤將塑料袋吸起，由導(dǎo)軌水平移動(dòng)至下吸盤位置上方，完成取袋操作。

圖3 取袋裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of bag taking device

2.2 開口裝置設(shè)計(jì)

開口裝置主要完成塑料袋的開口操作，結(jié)構(gòu)如圖4所示。通過上、下吸盤將塑料袋吸附，利用上下氣缸移動(dòng)完成開口操作。

圖4 開口裝置Fig.4 Opening device

2.3 撐袋裝置設(shè)計(jì)

撐袋裝置是銜接開口裝置和套袋裝置的中間環(huán)節(jié)，也是套-裝袋的關(guān)鍵，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過上下鴨嘴以及分別與其連接的氣缸完成。為提高套袋效率，在鴨嘴上采用環(huán)絲結(jié)構(gòu)，增大鴨嘴上摩擦系數(shù)，確保撐袋后不滑落。

圖5 撐袋裝置Fig.5 Bag supporting device

2.4 套袋裝置設(shè)計(jì)

套袋裝置主要是通過撐袋裝置上的導(dǎo)軌將鴨嘴上撐開的塑料袋套裝在料筒外壁上。套袋完成后，鴨嘴張到最大后返回，此刻完成1次套袋作業(yè)。兩工位轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)工位，將該筒送入裝袋環(huán)節(jié)，同時(shí)送來空閑套筒，進(jìn)行新一輪的套袋作業(yè)。

3 套袋裝置的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝置對(duì)各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)位置要求控制精準(zhǔn)，采用光、機(jī)、電、氣、磁相結(jié)合。由于氣缸動(dòng)作相對(duì)簡(jiǎn)單，但套袋工藝時(shí)序先后動(dòng)作要求嚴(yán)格，系統(tǒng)采用PLC+觸摸屏的方式實(shí)現(xiàn)。

3.1 PLC選型及I/O分配

根據(jù)套袋工藝要求，系統(tǒng)選配性能可靠、抗擾能力強(qiáng)、性價(jià)比較高的信捷XC系列PLC，具體型號(hào)為XC3-24R-E，同時(shí)配置I/O擴(kuò)展模塊，模塊型號(hào)為XC-E16PXYR-E。PLC控制系統(tǒng)接線如圖6所示[9-10]，I/O分配如表1所示。

圖6 套袋裝置PLC接線圖Fig.6 PLC wiring diagram of bagging device

表1 套袋裝置控制系統(tǒng)I/O分配表Tab.1 I/O allocation table of bagging device control system

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)套袋工藝需求和系統(tǒng)對(duì)控制時(shí)序的嚴(yán)格要求，編制PLC程序如圖7所示。

圖7 套袋裝置PLC程序Fig.7 PLC program of bagging device

為監(jiān)控裝置安全運(yùn)行，提升裝置的可靠性，系統(tǒng)增加觸摸屏，對(duì)傳感器和關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，其界面如圖8所示。

圖8 套袋裝置觸摸屏監(jiān)控界面Fig.8 Touch screen monitoring interface of bagging device

4 測(cè)試與結(jié)果分析

裝置樣機(jī)在河南省西峽縣某食用菌菌棒料場(chǎng)進(jìn)行性能測(cè)試，試驗(yàn)菌袋規(guī)格為直徑18 cm，長(zhǎng)度為58 cm。以木腐菌（香菇）菌棒生產(chǎn)中木屑混合料為原料進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 套袋裝置試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of bagging device

5 結(jié)語

（1）本文設(shè)計(jì)的仿生自動(dòng)套袋裝置，已完成組裝，在食用菌生產(chǎn)基地進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，效果良好。

（2）仿生自動(dòng)套袋裝置將先前三工位裝袋機(jī)改為兩工位設(shè)計(jì)[11]，降低設(shè)備復(fù)雜程度，使套袋和裝袋操作同時(shí)進(jìn)行，利用仿生手段實(shí)現(xiàn)套袋環(huán)節(jié)的自動(dòng)化，提升食用菌裝袋生產(chǎn)中套袋環(huán)節(jié)的自動(dòng)化水平。

（3）性能測(cè)試表明，裝置的平均生產(chǎn)率可以達(dá)到1 200袋/h，套-裝袋準(zhǔn)確率達(dá)90.17%，裝袋后菌袋平均重量為2.92 kg，裝袋質(zhì)量穩(wěn)定，差異性小。

綜上所述，設(shè)計(jì)的菌棒仿生自動(dòng)套袋裝置，有效解決菌棒栽培套袋環(huán)節(jié)的自動(dòng)化問題，促進(jìn)食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加快菌棒栽培生產(chǎn)的工廠化進(jìn)程。