圆形水果自动分选和贴标签机的设计与应用

孙 凯闫学慧朱荣胜

(1. 东北农业大学工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2. 东北农业大学理学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

随着水果产量的增加以及人们生活水平的提高，水果的销售市场日趋激烈，人们对水果包装的视觉要求也越来越高，使得水果包装越来越迎合消费者需求[1-2]。目前小型农户中水果的生产主要是以多种多收的模式进行，产品结构单一、生产效益低、产品的附加值小，传统的生产加工方法仍然占据重要的位置[3]。由于大型的分选贴标签机器价格昂贵，操作复杂，并不适合当前中国绝大部分果农的生产需求，因此目前中国小型农户多采用人工分选和贴标签，效率较低且劳动量大，不能满足现代化农业发展的要求[4-6]。因此研究和设计小型圆形水果自动分选和贴标签机器已成为当前重要的研究课题。

目前已有在水果分选方面的研究。徐力群等[7]利用大小不同的水果重心位置亦不同的原理设计出一款水果大小分选机，并采用Inventor软件对水果分选机的送料系统、分选系统、出料系统及机架等主要零部件进行三维建模和装配；白东升等[8]针对目前芒果的外观品质分级采取人工方法所存在的不足，构建了基于机器视觉、并联机器人等先进技术的芒果品质动态、实时检测及分选的高速机器人系统；张丽芬等[9]以樱桃为研究对象，设计开发了一种小型的集樱桃内部质量和外观判定为一体的计算机视觉自动分选系统；万宏强等[10]采用SolidWorks软件研制出一款苹果大小分选机，利用滚筒结构完成苹果大小的分选；意大利生产的Italy-001-A型分选机是根据水果的大小来进行分选，采用CCD摄像技术来判断水果的大小并对其进行分类；Leemans等[11]则是通过分析水果表面图片进而依靠聚类实现分类。

至于水果贴标签方面的研究，刘静等[12]提出了基于慧鱼模型的水果包装系统，主要针对直径4～14 mm的水果，并能完成贴标、称量、存储等功能。刘瑞歌等[13]以STM32单片机为主控芯片，运用双路继电器、光电开关等传感器件，设计了一款水果包装机，主要适用于任何需要网套以及贴标签包装的水果，节省人力物力。

基于以上研究现状，为了提高中国水果产品竞争力，减轻果农的劳动强度，本研究设计了一种新型的圆形水果自动分选和贴标签机，该机器突破了目前圆形水果分选和贴标签机器价格昂贵、操作复杂等问题，实现了分选和贴标签的“同行”模式。试验表明，当样机各主要单元处于最佳工作参数时，能够实现分选和贴标签的自动化、无人化、精准化的操作模式，在满足节省人力、降低成本的基础上，进一步提高了分选精度、分选效率，提高了工作效率。

1 整体结构设计

圆形水果自动分选和贴标签机主要包括滚筒式自动分选装置和自动贴标签装置两部分，主要结构见图1。

1. 分选装置 2. 贴标签装置图1 分选和贴标签机结构图Figure 1 Structure diagram of sorting and labeling machine

在整体结构中，滚筒式自动分选机与贴标签机是相互分离的。滚筒式自动分选机的整体结构主要由外部框架组成，而贴标签机各部分则是将其中的每一个主要单元固定在可以移动的桌子上。这种设计能够实现分选和贴标签工序的分离与结合，满足不同的工作需求。

1.1 滚筒式自动分选机

1.1.1 滚筒式自动分选机结构设计 滚筒式自动分选机的主框架是通过焊接来完成的。在主框架的基础上，焊接若干镀锌铁管用来固定其他部件。该装置主要由外壳、分选滚筒、水果接盘、同步带以及电机等组成，见图2。该部分的分选滚筒是可以分离的，因此农户可以根据实际情况选择不同规格的分选滚筒，既有普适性又能提高分选效率。

1. 外壳 2. 分选滚筒 3. 水果接盘 4. 带座轴承 5. 同步带 6. 同步带轮 7. 减速器 8. 联轴器 9. 电机图2 自动分选机结构图Figure 2 Schematic diagram of automatic sorting machine

1.1.2 滚筒式自动分选机的工作原理 首先，在分选之前须人工挑选出有损伤或者形状怪异的水果，以防对正常水果分选和贴标签造成阻碍。工作时，水果随旋转的滚筒内壁上升至一定高度后松散落下，如此反复进行，连续进入滚筒内的水果受到滚筒内部的压力和松散性的影响，逐步向滚筒的出口移动。同时，在这一过程中小于前端分选孔径的水果则优先在滚筒的前端落入水果接盘中，大于前端分选孔径的水果在力的作用下继续向前滚动，直到遇到相应的分选孔后落入水果接盘中。经过上述过程，水果接盘中可以获得三级大小不同的水果。

1.2 自动贴标签机

1.2.1 自动贴标签机结构设计 贴标签机主要结构由标签桌、2个联轴器[14]、2根轴、1个行程为60 mm的滑块、可水洗胶不干胶标签(可定制)、1个符合水果大小的旋转推板、1个压紧滚筒、2个红外传感模块、1个12 V四路继电器[15]以及2个12 W步进电机组成，每个部分按照各自位置安装在贴标签桌上，结构见图3。

1. 水果接盘 2. 传感器1 3. 传感器2 4. 标签盘 5. 压紧滚筒 6. 弹簧滑块 7. 旋转推板

图3 自动贴标签机结构图

图3 Structure diagram of automatic labeling machine

步进电机容易控制停启，还可以在相对较短的时间内加减速[16]，能够提供足够的动力。因此自动贴标签机部分的动力装置采用2个12 W的步进电机，分别是控制旋转推板转动的步进电机1和控制标签盘转动的步进电机2。

由于步进电机功率大、电平高对单片机会有很大的干扰，所以不能直接把单片机发出的信号与步进电机相连，需要进行强弱隔离。本设计中采用了低成本、电路简单的四路继电器来实现隔离和电路放大功能。该部分同时采用了传感器检测，提高了装置贴标签的精准度。

1.2.2 自动贴标签机工作原理 水果在落入水果接盘后，由于接盘有一定的倾斜度，水果会沿着倾斜的轨道下滑，当水果下滑到接盘的出口时，传感器1发射的具有一定频率的红外线就会被反射，随即信号通过接收、分析等处理后实现控制旋转推板的步进电机旋转90°。

在旋转推板推着水果旋转的过程中，传感器2检测到水果时，同样对信号处理后实现控制标签的步进电机按照预先设定好的程序转动一定角度。步进电机在转动的同时，标签就会在步进电机的带动下转出2/3的长度。

当水果进入落口处时，由于自身重力的作用会和已经准备好的标签以及滑块上的压紧滚筒相接触，滑块上安装有弹簧，当水果与压紧滚筒接触时，标签随即就会被压紧，同时滚筒也会随滑块向后滑动预定的行程，当挤压滚筒与落口边的距离大于水果的直径时，水果就会自动落入果箱内。弹簧被压紧后靠着自身的弹力作用会自动将滑块送回，之后进行重复操作，即可完成自动贴标签的工作。工作流程见图4。

图4 贴标签机的工作流程图Figure 4 Working flow chart of labeling machine

2 主要单元设计

2.1 分选滚筒设计

分选滚筒是利用进行回转运动的带孔滚筒将水果按大小进行分级的工具。工作时分选滚筒倾斜安装并且通过3个支承滚轮将滚筒固定在支架上，本设计中采用聚丙烯管[17]。

2.1.1 分选滚筒的设计参数 分选滚筒设计参数分为几何参数和运动参数。几何参数包括滚筒长度L、滚筒直径D、安装倾角θ、分选孔直径d，运动参数为滚筒转速n。

分选滚筒设计之前首先要考虑：① 生产率，即单位时间内分选水果的量，通常按体积为单位进行计算；② 分选孔径的大小。经过实际调查得到苹果的直径范围约60～85 mm、橙子的直径范围约65～90 mm、猕猴桃的直径范围约45～65 mm，因此可以根据不同圆形水果的直径范围进行相应孔径的加工。

2.1.2 水果在滚筒内的运动轨迹 由于滚筒倾斜安装，并且自身做回转运动，因此水果在滚筒内的运动轨迹见图5。水果的运动过程可分解为沿滚筒轴线方向的直线运动和垂直于滚筒轴线的xoy平面运动。水果的直线运动速度等于水果通过滚筒的速度，水果在xoy平面内的运动与滚筒的转速相关[18]。

2.1.3 水果在xoy面的运动分析 假设在滚筒内选择一点A代替某一水果，A进入滚筒后由于滚筒的旋转作用开始做圆周运动被带至O点，在O点处做抛物运动，当到达最高点B处后，落回滚筒面C处，循环进行螺旋轨迹运动，直到找到适合的孔径，运动轨迹见图6。

图6 水果在xoy面的运动轨迹图Figure 6 The trajectory of the fruit on xoy surface

当水果进入滚筒到转动到O点时，水果在滚筒中的运动轨迹方程：

(x-rcosα)2+(y+rsinα)2=r2，0

(1)

在O点到D点时，水果的运动轨迹方程：

(2)

水果在A点脱离筒壁进行抛物运动，水果受到的重力G在xoy平面内大小为Gcosθ，此时水果受到的法向分力N=Gcosθ=mgcosθ和所受到的离心力E相等，即

(3)

(4)

可得到滚筒的转速：

(5)

式中：

m1个水果的质量，kg；

v水果A的切向速度，m/s；

n滚筒的转速，r/min。

当水果运动到D点，此时处于临界状态，转速为临界转速。

(6)

2.1.4 滚筒轴线方向的运动分析 水果的轨迹为不规则的螺旋线，则水果完成1个循环的路程可以表示为：

l=|yA-yC|tanθ=4rsinαcos2αtanθ。

(7)

则1个循环所需要的时间：

(8)

因此水果A在轴向的速度：

(9)

2.2 分选滚筒主要参数的确定

分选滚筒设计参数的确定一定要满足所要求的生产率和分选效率。

(10)

所以滚筒的最优转速值约为临界转速的0.76倍，根据以上计算和实际调查，分选滚筒的转速适宜范围为4～20 r/min，并且可使用变频调速器进行速度调节。

2.2.2 滚筒的直径 分选滚筒的直径也是影响分选效率和生产率的重要因素。但是由于安装情况、使用环境等因素，分选滚筒的直径很难使用明确的公式得到。所以直径的大小可根据已有的分选滚筒直径计算经验公式确定[19]。

2.2.3 滚筒的安装倾角 分选滚筒的安装倾角θ会直接影响到水果在滚筒内完成一个循环所前进的距离和时间，进而会影响分选的效率等。在保证筒长和转速一定的情况下，增加安装倾角会增大水果前进方向的重量分力，提高了水果的分选量。但是安装倾角过大，水果在滚筒内的时间减少，循环次数也相应减少，降低了分选效率。根据已有资料[20]显示，安装倾斜角在5°～15°时最好。

2.2.4 滚筒的长度 分选滚筒的长度L由L1、L2、L3和L4组成，结构如图7所示。为了便于分选孔的布置和滚筒的制造，一般L2、L3段的长度取3D～5D(D为筛筒体的直径)[18]。增加分选滚筒的长度，可以延长水果在分选滚筒内的时间，提高分选效率。但是过长的分选滚筒会增加占地面积和成本，所以分选滚筒的L1、L4段可根据实际安装情况进行选择。

3 样机试验

3.1 试验样机

根据计算后的设计数据，通过三维软件SolidWorks建立了滚筒式自动分选和贴标签机的三维模型[21]见图8。根据本试验中只对中等大小水果贴标签的工作要求进行了样机的加工制作。

图7 分选滚筒结构图Figure 7 Structure diagram of sorting drum

图8 三维模型Figure 8 3D model and test prototype

在样机制作时，滚筒式自动分选机的整体结构是采用25 mm×25 mm的镀锌铁管搭建焊接而成，整体尺寸为1 500 mm×50 mm×1 000 mm。分选滚筒选择直径初值为325 mm、总长度初值为1 000 mm(此长度可以根据实际工作情况决定)的PPC管，并将其搭放在主框架上，与水平面夹角初值暂定为5°。在距滚筒左端160 mm处用专用打孔器依次交叉打5排直径为75 mm的圆孔，排间距为65 mm，每排中均等分打12个孔，在距离滚筒的右端用打孔器依次交叉打4排直径为100 mm的圆孔，排间距为99 mm，每排中均等分打10个孔。

图8中滚筒左边缘有3个支撑轮，左端包括3个支撑轮和1个定位支撑轮，其中下方的4个支撑轮均用M5的螺栓连接到主框架上，上方的支撑轮用一根滚珠丝杠连接到主框架上，这样就可以灵活调节支撑轮的高度，方便滚筒的拆装。在滚筒左边缘的定位支撑轮既可为滚筒旋转导向，又可以起一定的支撑作用，可防止滚筒在自身重力的作用下向右滑动。

分选滚筒右端646 mm处安装有同步带，该同步带通过胶紧黏连在分选滚筒上，主要是为了和同步带轮上的同步带进行啮合，从而才能带动分选滚筒的转动，结构见图7。

在实际分选贴标签的过程中，由于考虑到水果在运动过程中可能会出现碰撞损伤等问题，因此需要对圆孔边缘进行去毛刺处理并在边缘粘贴气泡防震垫。水果接盘和水果箱中均会根据实际情况铺放一层防震海绵垫，以减少水果损伤。

3.2 试验

试验在烟台某苹果加工车间进行，试验中选择500个圆形苹果作为试验对象，采用正交试验方法，并且选择综合评分中的排队评分法、公式评分法进行试验结果评价[22]。

3.2.1 排队评分法 排队评分法是综合考虑各项指标的优劣，排序给出评分值，并把它作为单指标进行数据分析[22]。该方法可先把每项指标的优秀值定为满分，对其他试验所得的该指标值，根据其与该优秀值的差异按比例打分，然后对每次试验的所有指标的分数相加即得综合评分。

3.2.2 公式评分法 公式评分法是利用一个包含有各项指标加权系数的公式计算每号试验结果的综合评分。加权系数的大小由试验指标的重要程度来决定，指标越重要加权系数越大[22]。在本试验中，水果损伤率、标签合格率及分选正确率为试验最终关注的目标，因此权数分别取2。对于分选时间相对于其他试验目标而言，权重相对较低，故权数选1。

根据生产实践经验，影响试验指标的因素很多，本试验进行四因素三水平正交试验，考察滚筒转速、滚筒直径、滚筒长度、滚筒倾角对试验结果的影响。正交试验因素水平表见表1。

本试验根据L9(34)正交表安排，为了提高准确性，每个试验号都采用实物样机试验。试验方案及评分结果见表2。

表1 圆形水果分选和贴标签机性能试验因素水平表Table 1 Table of performance test factors of fruit sorting and labeling machine

表2 试验结果统计表Table 2 Statistical table of test results

根据表2可得排队评分法和公式评分法试验中评分较高的均为第8次试验，试验条件均为A3B2C2D2。根据极差分析比较好的试验顺序可选择A3B3C1D1。因此样机的最优组合参数为A3B3C1D1，即转速30 r/min、滚筒直径100 cm、倾斜角5°、长度1 m。

样机采取优组合设计数据和工人同时对一定量苹果进行分选和贴标签，分别重复3次试验，试验结果见表3、4。

表3 分选试验结果Table 3 Results of sorting experiment

试验结果表明，对于同等数量的苹果，样机用时明显少于人工用时，正确率和标签合格率均优于人工且损伤率相近，样机能够完成预先的设计目标。

4 结论

(1) 该设计在理论方面，对水果在滚筒内的运动轨迹及受力进行详细的分析，更加精确地确定分选滚筒的各个参数。在结构设计方面，通过SolidWorks软件对样机进行三维建模并且对整体结构进行运动学仿真分析，加快设备的设计与开发。

表4 贴标签试验结果Table 4 Results of labeling experiment

(2) 样机的实际车间试验表明：转速n=30 r/min，滚筒直径D=100 cm、倾斜角θ=5°以及长度L=1 m为最优选择，此条件下滚筒式自动分选机能够有效地完成不同大小水果的分选任务且分选效率不低于97%，自动贴标签机也能够实现贴标签的无人化、精准化，准确率达98.7%，整机工作性能稳定。

(3) 该设计思路为小型农户自种圆形水果的分选和贴标签提供了创新技术，同时也可以应用到其他圆形物品分选和贴标签机器的研发设计中，有利于加快自动化食品包装的国产化进程。