基于SW的半自動(dòng)蘋(píng)果套袋機(jī)的建模

王澤亮，周文禧，楊偉浩，李東陽(yáng)，吳 澤

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

我國(guó)擁有世界上最大最好的蘋(píng)果適宜產(chǎn)區(qū)，蘋(píng)果生產(chǎn)近年來(lái)發(fā)展迅猛，據(jù)2017年第十屆中國(guó)陜西國(guó)際蘋(píng)果博覽會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)已成為世界最大蘋(píng)果生產(chǎn)國(guó)，種植面積和總產(chǎn)量均占全世界的50%左右，蘋(píng)果為我國(guó)第一大水果品種。為了培育出優(yōu)質(zhì)高檔蘋(píng)果，果園科技工作者，發(fā)明了蘋(píng)果套袋技術(shù)。蘋(píng)果套袋后主要有以下幾大方面的好處：一可以增進(jìn)果面著色；二可以提高果面光潔度；三可以降低病蟲(chóng)侵害率，提高優(yōu)質(zhì)果率；四可以減少農(nóng)藥殘留，提高食用安全性；五可以增強(qiáng)果面硬度，提高果實(shí)貯藏性。

但由于蘋(píng)果的數(shù)量之多且作業(yè)時(shí)果農(nóng)需要樹(shù)上作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，工作效率低，人工套袋效率僅為每小時(shí)100～150個(gè)，耗時(shí)耗力，再加上目前國(guó)內(nèi)果園機(jī)械發(fā)展水平較低，每年的套袋作業(yè)都由果農(nóng)手工完成，任務(wù)非常艱巨。因此，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)手工套袋方式的研究，利用SW三維建模的方式，設(shè)計(jì)出一款輕便、實(shí)用的半自動(dòng)蘋(píng)果紙袋套袋機(jī)，減輕果農(nóng)負(fù)擔(dān)，提高作業(yè)效率。

1 設(shè)計(jì)思路

目前通用的紙袋尺寸結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，傳統(tǒng)上人工套袋方法是，首先使全袋膨起，然后一手抓住果柄，一手托紙袋，把幼果套入袋口中部，將袋口從兩邊向中部果柄處擠摺，當(dāng)全部袋口疊折到果柄處后，將袋口左側(cè)鐵絲卡反轉(zhuǎn)90℃，彎成“V”形扎住袋口，最后用手往上托一下袋的中部使全袋膨鼓起來(lái)，兩底角的出水氣孔張開(kāi)。

圖1 果袋尺寸結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)套袋方式的了解，針對(duì)套袋過(guò)程中的步驟要點(diǎn)及套袋要求，完成對(duì)半自動(dòng)蘋(píng)果套袋機(jī)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思想是根據(jù)傳統(tǒng)作業(yè)過(guò)程和作業(yè)要求，確定該套袋機(jī)由取袋機(jī)構(gòu)、輸袋機(jī)構(gòu)、張袋機(jī)構(gòu)、封袋機(jī)構(gòu)四大機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。

圖2 機(jī)構(gòu)組成圖

2 取袋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)紙袋大小，設(shè)計(jì)內(nèi)腔長(zhǎng)寬高為150×180×100 mm的儲(chǔ)袋室，用于存儲(chǔ)紙袋，儲(chǔ)袋室的底面四角上分別固定著四根性能完全相同的壓縮彈簧，四根彈簧支撐起一塊支撐板，用于在其上平穩(wěn)放置紙袋，彈簧原長(zhǎng)為140 mm，線徑為1 mm，螺距為5 mm，在距存儲(chǔ)盒底面156 mm的位置安裝一個(gè)馬達(dá)，馬達(dá)桿端通過(guò)螺紋連接與搓紙輪相連。選用馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為150r/min，搓紙輪直徑為16mm。馬達(dá)帶動(dòng)搓紙輪轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠搓紙輪與紙袋之間的摩擦力，實(shí)現(xiàn)紙袋與紙袋的分離完成取袋動(dòng)作。

3 輸袋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

輸袋機(jī)構(gòu)主要由兩個(gè)上下對(duì)稱(chēng)分布的搓紙輪組成，搓紙輪通過(guò)螺紋與馬達(dá)相連，馬達(dá)帶動(dòng)搓紙輪轉(zhuǎn)動(dòng)。選用馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為150 r/min，搓紙輪直徑為16 mm。上下兩搓紙輪外表面輪廓接觸，用以?shī)A住紙袋，兩搓紙輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，依靠搓紙輪與紙袋間的摩擦力，將紙袋運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢谩?/p>

4 張袋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

張袋機(jī)構(gòu)的主要?jiǎng)恿υ礊閴嚎s空氣，由ZV10HS型真空發(fā)生器、真空吸盤(pán)、CJP2B16-10D型氣缸、電磁閥組成。氣缸通過(guò)螺母固定在機(jī)殼上，真空發(fā)生器通過(guò)螺栓連接固定在機(jī)體內(nèi)壁上，氣缸導(dǎo)桿和真空吸盤(pán)通過(guò)安裝板，過(guò)渡連接在一起，壓縮空氣通過(guò)接氣管輸入到氣缸及真空發(fā)生器中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣缸的動(dòng)作和真空吸盤(pán)內(nèi)的負(fù)壓條件。該裝置對(duì)稱(chēng)分布在機(jī)體的上下方，2個(gè)真空吸盤(pán)裝配時(shí)同軸線安裝，氣缸初始狀態(tài)為收縮狀態(tài)。主體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 張袋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

5 紙袋封口材料的改進(jìn)

熱熔膠粘劑是一類(lèi)無(wú)溶劑的熱塑性高分子聚合物。常溫時(shí)為固體.加熱時(shí)熔融為流體，冷卻時(shí)迅速硬化并產(chǎn)生膠接力，不需要任何溶劑性材料，膠合強(qiáng)度良好，具有一定的耐熱性、韌性和耐寒性，滲透性小，硬化速度快，適合用于紙袋封口。

目前市面上的紙袋均是利用鐵絲彎折將袋口扎住，若將紙袋袋口封口由之前的鐵絲彎折式封口變?yōu)闊崛凼椒饪?，一方面便于封口機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，另一方面也能提高封口的質(zhì)量，因此，對(duì)傳統(tǒng)紙袋進(jìn)行改進(jìn)，取消鐵絲，在袋口位置涂上熱熔粘合劑，將紙袋封口方式改為熱熔式封口存在一定的必要性。

6 封袋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

封袋機(jī)構(gòu)主要由CJP2B16-25D型雙作用氣缸，電熱片組成，主要?jiǎng)恿υ慈詾閴嚎s空氣。氣缸通過(guò)螺母固定在機(jī)體內(nèi)壁上，電熱片通過(guò)六角螺母與導(dǎo)桿螺紋端連接。該裝置對(duì)稱(chēng)分布在機(jī)體上下方，裝配時(shí)上下兩個(gè)氣缸導(dǎo)桿同軸線安裝。主體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 封袋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

7 總體裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由取袋機(jī)構(gòu)、輸袋機(jī)構(gòu)、張袋機(jī)構(gòu)、封袋機(jī)構(gòu)組成的半自動(dòng)蘋(píng)果套袋機(jī)的裝配結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 整機(jī)裝配結(jié)構(gòu)圖

半自動(dòng)蘋(píng)果套袋機(jī)的工作過(guò)程是馬達(dá)帶動(dòng)取袋搓紙輪旋轉(zhuǎn)，憑借搓紙輪與紙面之間的摩擦力將紙袋從儲(chǔ)袋室中單個(gè)取出，正在運(yùn)動(dòng)的紙袋末端離開(kāi)取紙搓紙輪，取袋搓紙輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，取出后的紙袋在輸袋搓紙輪的作用下繼續(xù)向前運(yùn)輸，當(dāng)紙袋末端即將離開(kāi)成對(duì)布置的輸袋搓紙輪時(shí)，感應(yīng)器發(fā)生反應(yīng)，單片機(jī)控制電磁閥1DT得電1 s和電磁閥2DT得電，氣缸導(dǎo)桿帶動(dòng)真空吸盤(pán)伸出，真空吸盤(pán)將紙袋的上下表面吸住，1 s過(guò)后，電磁閥1DT失電常態(tài)位接入回路，氣缸導(dǎo)桿帶動(dòng)真空吸盤(pán)回縮，紙袋上下表面被吸盤(pán)拉開(kāi)。此時(shí)，人工將蘋(píng)果放入張開(kāi)的紙袋內(nèi)，蘋(píng)果位置確認(rèn)放好之后，手動(dòng)按住封袋按鈕，使得電磁閥3DT得電，氣缸導(dǎo)桿帶動(dòng)電熱片伸出，同時(shí)單片機(jī)控制電磁閥2DT失電，吸盤(pán)吸力消失，紙面與吸盤(pán)分離，上下電熱片將紙袋壓住1s后熱熔粘合劑融化膠結(jié)，放開(kāi)按鈕，電磁閥3DT失電，氣缸帶動(dòng)電熱片回縮，將已與蘋(píng)果套好的紙袋從機(jī)器中取出，套帶任務(wù)完成。氣動(dòng)系統(tǒng)整體回路如圖6所示。

圖6 氣動(dòng)系統(tǒng)整體回路圖

8 半自動(dòng)套袋機(jī)控制系統(tǒng)

半自動(dòng)控制系統(tǒng)主要是通過(guò)單片機(jī)及感應(yīng)器去控制電磁換向閥的得失電，來(lái)控制氣路，實(shí)現(xiàn)氣缸及其他氣動(dòng)元件的理想動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，打開(kāi)空氣壓縮機(jī)開(kāi)關(guān)，空壓機(jī)開(kāi)始工作，機(jī)器各氣缸均歸位到初始狀態(tài)，使用者打開(kāi)機(jī)器總開(kāi)關(guān)，單片機(jī)通電處于待命狀態(tài)，按下按鍵，單片機(jī)按表1指令開(kāi)始運(yùn)行，控制各個(gè)機(jī)構(gòu)工作，完成套袋任務(wù)。

表1 I/O分配表

9 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)SW三維建模確定了半自動(dòng)蘋(píng)果套袋機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，確定了各個(gè)機(jī)構(gòu)內(nèi)零部件的尺寸參數(shù)，明確了各個(gè)機(jī)構(gòu)的安裝布置，對(duì)機(jī)器的整體結(jié)構(gòu)構(gòu)造有了清晰的認(rèn)識(shí)。該裝置各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性主要取決于控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，因此今后除了在結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)外，最主要的還要實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)可靠，簡(jiǎn)化操作步驟，提高作業(yè)效率。