蘋果自動套袋機結(jié)構(gòu)設(shè)計

文祎祥， 呼延鵬飛， 李鵬超， 黃雨霖

(西安工程大學(xué) 機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，我國水果總產(chǎn)量已然位居世界前列[1]，但出口量僅占總產(chǎn)量的4.14%，影響對外貿(mào)易的主要因素為水果的品質(zhì)。蘋果套袋技術(shù)于20世紀(jì)90年代傳入我國，現(xiàn)在該技術(shù)已得到廣泛運用。蘋果套袋技術(shù)可以有效降低病蟲害，減少果面的農(nóng)藥殘留，并使果實著色均勻，避免果實生長期出現(xiàn)擦傷和裂果等現(xiàn)象[2-6]。然而，傳統(tǒng)人工套袋方式費時、費力，且套袋質(zhì)量良莠不齊。

為此，學(xué)者們研發(fā)了一系列的水果套袋機。目前，市面上的水果套袋機主要分為3種：①采用塑料薄膜袋的熱封封口式；②內(nèi)置訂書釘?shù)难b訂封口式；③內(nèi)置橡膠繩的自動封口式。

2017年某自動化設(shè)備有限公司設(shè)計制造了一種裝訂封口式的水果自動套袋機并配套使用一種專用果袋，其裝置可以實現(xiàn)自動上袋、自動開口、自動套袋等功能；但裝訂后的果袋在果實成熟期不便于取袋，若操作失誤易造成果面擦傷甚至落果等現(xiàn)象。西南大學(xué)孫亞平研制的一種便攜式水果套袋機，采用橡膠繩實現(xiàn)封口的新型果袋，通過機器開口和橡膠繩自動封口來實現(xiàn)套袋作業(yè)；但橡膠繩經(jīng)長時間的日曬雨淋容易腐蝕，在使用過程中會出現(xiàn)自動脫袋的現(xiàn)象[7-11]。

針對傳統(tǒng)蘋果自動套袋機存在的諸多問題，課題組設(shè)計了一種新型蘋果自動套袋機，采用市面上的一般果袋，能夠有效解決后期拆袋難、果袋壽命短等問題。

1 總體設(shè)計方案

蘋果自動套袋機的工作流程可分為儲袋、送袋、開袋、套袋、束口和扎袋6個步驟。

蘋果自動套袋機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，總體尺寸約為350 mm×176 mm×148 mm(除去握把)?？紤]蘋果樹經(jīng)疏果后幼果生長間距約為100 mm，套袋機的尺寸設(shè)計可以滿足作業(yè)要求。為保證主體結(jié)構(gòu)強度，主體結(jié)構(gòu)件材料選用鋁合金1060，部分非受力部件使用ABS樹脂，以減輕裝置整體質(zhì)量。蘋果自動套袋機由儲存機構(gòu)及輸送機構(gòu)、開口機構(gòu)、束口機構(gòu)和檢測裝置4部分組成。

圖1 蘋果自動套袋機結(jié)構(gòu)Figure 1 Apple automatic bagging machine

1．1 儲存機構(gòu)

儲存機構(gòu)的作用是儲存并輸送果袋至開口機構(gòu)處，儲存機構(gòu)如圖2所示。儲存機構(gòu)的總體尺寸為長185 mm，寬154 mm，高52 mm，由儲存箱，壓蓋和輸送機構(gòu)組成。

圖2 儲存機構(gòu)Figure 2 Storage mechanism

壓蓋與剪刀型連桿機構(gòu)連接(連接點為a,b,O3)，機構(gòu)上端與箱體相連(連接點為O1,c,d)，連桿相接處(O2)有轉(zhuǎn)動彈簧，為其提供扭力，壓蓋由此獲得下壓力，壓緊果袋。壓蓋機構(gòu)運動簡圖如圖3所示。

圖3 壓蓋機構(gòu)運動簡圖Figure 3 Schematic diagram of capping mechanism

輸送機構(gòu)位于儲存箱下方，輸送機構(gòu)由輸送電機、1對主動橡膠輪和1對從動支撐輪組成，輸送電機轉(zhuǎn)動帶動主動輪轉(zhuǎn)動，依靠摩擦力可帶動果袋運動；從動輪在其中起支撐作用，用以減少果袋與下箱體的接觸。

1.2 開口機構(gòu)

開口機構(gòu)是對果袋進(jìn)行開口作業(yè)并將果袋輸送到束口機構(gòu)處，開口機構(gòu)如圖4所示。開口機構(gòu)的總體尺寸為長139 mm，寬176 mm，高140 mm，由減速舵機、連桿、推動滑輪、導(dǎo)軌、上下吸嘴以及紅外檢測裝置組成。

圖4 開口機構(gòu)Figure 4 Opening mechanism

開口機構(gòu)需完成果袋的開口作業(yè)。果袋2面被上、下吸嘴吸附，上、下吸嘴通過軟管與外部小型離心式抽氣機連接，通過圖5所示的四連桿(1,2,3,4)與曲柄滑塊機構(gòu)(b,d)的運動實現(xiàn)開口。果袋開口的上下距離約為46 mm，同時機器在開口時需要將果袋朝束口機構(gòu)處移動。為實現(xiàn)這一復(fù)雜運動，設(shè)計出一種四連桿與曲柄滑塊相結(jié)合的機構(gòu)。四連桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)動角度為60°(a,c與垂線夾角)，其與上吸嘴結(jié)合，在四連桿機構(gòu)運動時可實現(xiàn)果袋的開口與向前運動；曲柄連桿機構(gòu)與四連桿機構(gòu)通過滑軌與滑輪實現(xiàn)同步運動，曲柄連桿機構(gòu)與下吸嘴結(jié)合，曲柄連桿機構(gòu)只有1個自由度即與上吸嘴保持豎直方向同步，保證果袋下端位置形狀不變，使果袋在套袋時能夠?qū)崿F(xiàn)更好的套袋效果。

圖5 開口機構(gòu)運動簡圖Figure 5 Schematic diagram of opening mechanism movement

1.3 束口機構(gòu)

束口機構(gòu)需要對果袋進(jìn)行束口和扎口工作，束口機構(gòu)如圖6所示。束口機構(gòu)的總體尺寸為長30 mm，寬175 mm，運行空間占高120 mm，由上合口絲杠電機、左/右合口減速電機、上合口齒輪齒條支架和左/右凹凸V型塊組成。

圖6 束口機構(gòu)Figure 6 Tying mechanism

上合口支架與絲杠電機連接，絲杠電機轉(zhuǎn)動帶動上合口向下移動。左、右合口通過齒輪齒條與減速電機連接，電機轉(zhuǎn)動時帶動左、右合口相向運動；左、右合口由凹凸V型塊組成，嚙合時可擠壓果袋內(nèi)置鐵絲，實現(xiàn)封口。

1.4 檢測裝置

檢測裝置安裝位置如圖7所示。檢測裝置共有3個，分別為果袋檢測裝置、幼果檢測裝置和合口檢測裝置。

圖7 檢測裝置安裝位置Figure 7 Installation position of detection device

果袋檢測裝置位于開口機構(gòu)中側(cè)，其為紅外檢測裝置，用于檢測輸送機構(gòu)是否將果袋輸送到位。當(dāng)檢測裝置檢測到果袋時，其發(fā)出信號控制輸送電機停轉(zhuǎn)，同時控制開口機構(gòu)開始工作。

幼果檢測裝置為紅外檢測裝置，位于束口機構(gòu)與開口機構(gòu)間隙處，用于檢測幼果是否到達(dá)可以束口的位置。當(dāng)檢測裝置檢測到幼果時，會解開束口機構(gòu)的限制，此時操作人員按下開關(guān)即可控制束口機構(gòu)運行。幼果檢測裝置是一個保險裝置，其目的是為了防止幼果還未進(jìn)入束口位置時束口機構(gòu)便開始運行，避免因束口機構(gòu)提前束口使得幼果受到撞擊脫落。

合口檢測裝置位于上合口支架處，用于檢測果袋扎口是否完成。當(dāng)檢測裝置檢測到扎口工作完成時，控制所有機構(gòu)歸位，套袋動作完成，開始下一工作循環(huán)。

2 工作過程

蘋果自動套袋機的運行方式分為4個步驟。

2.1 裝袋

儲存箱后蓋打開，將果袋放入儲存箱中，壓蓋會將果袋擠壓，保證果袋與輸送機構(gòu)能夠緊密接觸。

2.2 送袋

打開準(zhǔn)備開關(guān)后，輸送電機開始運作，橡膠輸送輪轉(zhuǎn)動，將果袋輸送到開口機構(gòu)處，開口機構(gòu)前端安裝有檢測裝置，當(dāng)檢測到果袋前端超過開口機構(gòu)上吸嘴30 mm時，檢測裝置控制輸送電機停止運轉(zhuǎn)，同時控制開口機構(gòu)開始運作。

2.3 開口

開口機構(gòu)的上、下吸嘴與外置抽氣機連接，檢測裝置檢測到果袋到達(dá)開口位置后，抽氣機上、下閥門打開，此時上、下吸嘴吸附住果袋的上、下表面，開口舵機開始運行，四連桿轉(zhuǎn)動帶動曲柄滑塊機構(gòu)向前運動即可實現(xiàn)果袋的開口工作。

2.4 束口

束口動作由三合口機構(gòu)實現(xiàn)，束口機構(gòu)處安裝有幼果檢測裝置，檢測裝置檢測到束口機構(gòu)下槽口對準(zhǔn)幼果后，解開對束口機構(gòu)的限制，操作人員按下手把處的開關(guān)即可控制束口機構(gòu)開始運作。首先控制上合口的絲杠電機運作，使上合口向下運動，對果袋進(jìn)行縱向束口，上合口向下運動25 mm后，停止運動；接著控制左、右合口電機開始運作，左、右合口向中間移動，左、右合口為凹凸V型塊設(shè)計，當(dāng)左、右合口相向運動直至最終嚙合時，果袋內(nèi)的鐵絲被彎折，即可實現(xiàn)最終的束口、扎口工作。

套袋機的運動仿真如圖8所示。

圖8 套袋機運動仿真Figure 8 Motion simulation of bagging machine

3 強度校核

主動連桿在開口機構(gòu)中起關(guān)鍵性作用，它與舵機連接，舵機帶動主動連桿轉(zhuǎn)動，是實現(xiàn)開口功能的主要部件。開口機構(gòu)在開口完成狀態(tài)時主動連桿承力最大，對其進(jìn)行強度校核可以驗證其結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性和合理性。主動連桿受到扭力0.078 4 N·m，合力方向垂直于連桿向下。

3.1 三維模型建立

根據(jù)設(shè)計尺寸，通過SolidWorks建立三維模型。

3.2 材料選擇

本次主動連桿的靜力學(xué)分析中，主動連桿的主要作用是轉(zhuǎn)遞扭力。作為一個過渡部件，對其強度要求較高的同時也應(yīng)盡量減輕質(zhì)量。主動連桿的材料為1060合金，其他參數(shù)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中調(diào)用。

3.3 添加約束力

主動連桿在運動過程中處于懸臂梁狀態(tài)，將主動連桿大端固定，對其添加相關(guān)約束力。

3.4 網(wǎng)格劃分

使用Simulation插件中的自動網(wǎng)格劃分，劃分程度選擇為優(yōu)[12]。

3.5 計算結(jié)果

設(shè)置結(jié)束后，運行此算例，得到靜應(yīng)力分析結(jié)果，所得強度校核示意圖如圖9所示。應(yīng)力分析結(jié)果如圖9(a)所示，最大應(yīng)力為487.8 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力27 574 kPa，即使有其他未考慮到的損失，其最終結(jié)果仍然滿足要求；位移分析如圖9(b)所示，其最大位移發(fā)生在主動連桿中心位置，最大位移為0.000 11 mm，其產(chǎn)生的位移可忽略不計，符合要求；應(yīng)變分析如圖9(c)所示，其最大應(yīng)變?yōu)?.000 005 49，其應(yīng)變結(jié)果可忽略不計，滿足要求。

圖9 主動連桿靜力學(xué)分析Figure 9 Static analysis of active connecting rod

4 結(jié)語

對于傳統(tǒng)蘋果自動套袋機存在的后期拆袋難、果袋壽命低等問題，課題組針對市面上常用的果袋設(shè)計了一種新型蘋果自動套袋機。采用四連桿與曲柄滑塊相結(jié)合的開口機構(gòu)提高開袋效率；束口、扎口采用三合口束口、扎口機構(gòu)，提高機器的泛用性。仿真模擬表明所設(shè)計的蘋果自動套袋機操作簡單、使用方便。

該設(shè)計相較于其他套袋機，解決了需要使用套袋機專用果袋的問題，降低了生產(chǎn)成本。蘋果自動套袋機理論上可以對中大型果園進(jìn)行套袋工作，并且可以延伸到如梨、橘子、桃等水果的套袋工作中。

在模擬驗證中，套袋機只對單層果袋具備有效的開袋效果，對雙層果袋實現(xiàn)開袋仍需進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計。另外，在未來的設(shè)計中，應(yīng)對輸送機構(gòu)和束口機構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足不同大小、種類的果袋的套袋需求，真正意義上達(dá)到一機多用。