苹果保护网套自动包装设备的设计

胡俊磊，戴姚辉，吴海钰，杨 岩,2

（1.重庆理工大学 机械工程学院，重庆 400054；2.重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054）

0 引言

苹果产业是我国果业中的支柱产业，随着我国苹果产量的逐年增加，效益也在逐年提高。而苹果在其采摘、装箱、运输、贮藏等过程中都有可能因跌落、碰撞以及挤压等原因造成损毁，统计表明每年在运输过程中因机械损伤造成的苹果损失占总产量的25%～45%，大大降低的农民的经济收益。目前，减少果蔬采摘后的损耗已经成为了全世界农产品行业关心的主要问题之一。实践证明，对果蔬采用合适的缓冲包装可以有效降低果蔬在运输过程中的震动损伤。对苹果采用发泡塑料网、瓦楞纸板衬垫等缓冲包装进行振动试验并分析不同材料对苹果振动传递率与损伤的影响，结果表明，采用发泡塑料网作为缓冲包装时，可有效地降低苹果损伤率[1,2]。

目前在国内外都是采用人工对苹果进行网套包装的方式，随着逐年增加的苹果产量，人工成本也在不断上升。为了提高苹果产业给果农带来的经济效益，降低人工成本，设计一款能够实现苹果自动套网的装备势在必行。

近年来，国内外包装机械随着消费结构与形式的转变迅猛发展，包装机械的产量不断上升，然而针对果蔬包装的装备却很少，没有一款针对苹果进行网套包装的商品装备，相关文献专利稀少，其中存在无法连续对苹果进行网套包装、设备工作时震动大等问题。本文设计了一款苹果网套自动包装机，对果径80mm以下的苹果进行网套包装，解决了苹果网套包装的连续性问题、网套在包装过程中易破损等问题。

1 总体结构与工作原理

1.1 装置作业对象

本论文中设计的苹果网套自动包装机主要使用的包装材料是发泡塑料网，又称EPE珍珠棉，具有隔水防潮、防震、隔音、保温、可塑性能佳、韧性强、循环再造、环保、抗撞力强等诸多优点，亦具有很好的抗化学性能，如图1所示。经图2所示过程设计出包装目标为苹果果径小于80mm的苹果网套自动包装机。

图1 塑料发泡网示意图

1.2 整机结构与工作原理

苹果网套自动包装机主要由苹果输送装置、网套放置机构、网套包装机构、网套切断机构组成。包装机将PLC作为中央控制元件，通过检测元件传回的信号发出指令控制各个执行元件完成特定动作。苹果网套自动包装机结构示意图如图3所示。苹果输送装置位于机架的下方，用于输送未包装的苹果以及将包装好的苹果送出；网套放置机构位于机架的最上方，用于储存网套；网套包装机构位于机架的中心，用于对苹果进行包装；网套切断机构位于网套包装机构的下方，对套入网套的苹果进行网套切断。

图2 设计流程图

图3 苹果网套自动包装机结构示意图

苹果网套自动包装机的工作原理如图4所示，在苹果网套自动包装机作业时，塑料发泡网成卷的放置于网套放置装置上，发泡网向下延伸套入网套撑开器中，两个电动机械夹作为悬停机构夹紧套入了网套的撑开器，使撑开器悬停在固定位置，通过继电器模块控制电机的正反转来控制电动机械夹的开合，两个电动机械夹如图4上所示放置，上下间距50mm。将苹果放置在苹果托盘1位置处，苹果随圆盘的转动输送到网套包装点，凸轮分割器进入停止运动的阶段，固定装置a在电动伸缩推杆3的作用下向上移动直至与撑开器对接，电动伸缩推杆1和电动伸缩推杆2同时向下推进，两只夹紧撑开器的电动机械抓拖动网套在撑开器表面向下滑落，当网套将圆盘上方的固定装置包裹后，电动机械夹1与电动机械夹2松开撑开器回到初始位置后夹紧撑开器，随后固定装置复位，在固定装置开始复位动作时，网套切断装置开始执行切断网套的动作，固定装置复位后，网套将苹果包裹，准备开始下一个苹果的包装。红外传感器分别用于检测网套放置结构上的网套剩余量以及是否放入苹果进入苹果托盘或者是否取出已包装好的苹果，通过红外传感器的反馈到PLC中的信号来决定装备是否继续工作[3,4]。

图4 包装机工作原理图

2 部件结构设计

2.1 苹果输送装置

苹果输送装置需要实现将未包装的苹果送到网套包装点位，在网套包装过程完成后再将包装好的苹果送出的功能，由于本文设计的苹果网套自动包装机的目标用户是中小型果农商户，考虑到设备的占用体积，采用立体式结构设备，在直线输送结构与圆周转动输送结构之间，本装备选择圆周转动结构来输送苹果；在圆周运动过程中苹果会受到离心力而发生位置变化，因此需要设计一个小托盘来保证苹果在运动过程中不会随着圆周运动而在圆周转动结构上发生位置滑动；苹果达到网套包装点位时，输送装置需要停止运动让苹果完成网套的包装过程，驱动转动结构的装置需要满足精确的、频繁的启停要求，普通电机长时间频繁的带动机构启停会对电机造成损伤，所以本装备选择凸轮分割器搭配电机来作为苹果输送装置的动力元件。为满足以上条件设计出如图5所示的苹果输送装置，它由电机、凸轮分割器、转动圆盘、苹果托盘组成。凸轮分割器由电机驱动，转动圆盘安装在凸轮分割器的法兰盘上，转动圆盘的半径为220mm，厚度5mm，在其上表面半径为160mm的圆弧上均匀分布着6个半径为40mm、厚度为2mm、壁高为10mm、壁厚为2mm的苹果托盘，在托盘周围分布着四个通孔，在网套包装过程中支撑机构的不锈钢柱体穿过通孔与撑开器下表面接触。托盘与转动圆盘通过螺栓进行固定，转动圆盘与苹果托盘由ABS材料制成，已知ABS材料密度为1.05g/cm3～1.18g/cm3，算得转动圆盘与苹果托盘的总质量为1.60kg。在转动圆盘上装载6个苹果时，以一个苹果0.25kg计算，满负载状态时，其总质量约为为3.1kg，根据其负载重量，选用45DF型的凸轮分割器作为驱动装置。工作时，电机通电，凸轮分割器带动转动圆盘旋转，将放入的苹果送至网套包装点位，在凸轮分割器的间歇期间，网套包装结构对苹果进行网套包装。

图5 苹果输送装置示意图

2.2 网套结构

网套结构由网套放置装置、网套包装机构以及网套切断机构组成。

2.2.1 网套放置装置

塑料发泡网因自身材质原因，堆积在一起时易蓬松，在连续包装的过程中网套堆积在一起可能发生打结、折叠扭曲等问题，苹果网套自动包装机又为立体式，因此本设计中选择将塑料发泡网成卷的放置在可滚动的轴上，安装在机架的最上方，设计出如图6所示的网套放置结构。将两个半径35mm、宽40mm的H型尼龙轮与一根长140mm、半径5mm的轴进行连接，轴能够随着H型尼龙轮中的转动轴承而转动，其中轴上供网套放置的长度为110mm，市面上农户常用的塑料发泡网最大规格为100mm，本设计能够放置任意规格的发泡塑料网。

图6 网套放置装置示意图

2.2.2 网套包装机构

网套包装机构如图7所示。用于包装的发泡网是呈封闭圆状，作业对象是果径小于80mm的苹果，在对苹果进行网套包装时，首先撑开呈扁平状的网套，再将被撑开的网套套在苹果上，用于撑开塑料发泡网的机构，称为网套撑开器。整台装备是一个自上而下的结构，网套从最上方的网套放置机构落入到网套撑开器中，网套撑开器应是一个独立的机构，它不与任何机构有直接连接[5]，最终通过撑开器的网套开口大于所包装苹果的果径，并且网套撑开器与塑料发泡网之间应有较小的摩擦力，这样在机构拖动塑料发泡网在撑开器表面滑动时才不会发生无法拖动网套或者网套破损的情况，将塑料发泡网与铸铁、不锈钢、PVC塑料等材料进行摩擦对比试验，试验结果表明塑料发泡网与PVC塑料接触时产生的摩擦力最小，因此本装备中选用PVC塑料作为网套撑开器的原材料。为了进一步减小网套与撑开器之间的摩擦力且满足包装要求，将撑开器的上部分设计为半径45mm、壁厚5mm的空心半球，下部分为半径45mm、高250mm、壁厚5mm的空心圆柱，圆柱表面均匀分布着半径2.5mm的圆孔以减小撑开器与苹果网套的接触面积，下表面有着镂空部位与其他构件连接，如图7中所示。在撑开器不与其他机构直接接触的条件下，网套能够在撑开器表面向下滑动，并且撑开器能够悬停在固定位置，因此在未进行网套包装时需有夹持机构来对撑开器进行位置固定，在包装过程中需要有拖动网套在撑开器表面滑动的机构，在拖动网套滑动时需要有能够对撑开器进行位置固定的机构。本设计中选用了质量0.25KG、工作电压24V、夹持力为10N的电动机械夹作为它的夹持机构，该电动机械夹能够稳定夹持1kg以内的规则物品，通过继电器控制电机的正反转来驱动电动机械夹的开合，经试验表明，在该电动机械夹在夹紧套入网套的撑开器时，给与竖直方向大于24.1N的推力，它能够拖动网套在撑开器表面滑动，即一个元件能够实现夹持撑开器和拖动网套移动两个功能。驱动电动机械夹做上下运动的执行元件满足持续提供稳定的推力、合适的行程、合适的移动速度即可，本文选择行程为150mm、速度65mm/s、推力30N、工作电压24V、质量2kg的带有自锁功能以及断电保护功能的电动伸缩推杆来作为它的驱动元件。左右两边各一个电动机械夹能够精确的将网套撑开器定位，拖动网套滑动时也不会因网套单边受力而导致拉扯破损[6]，在电动机械夹拖动网套下移过程中，撑开器会受到向下的作用力，此时下方需要一个抵消反作用力的装置，同时该装置能够保证在包装网套在滑落过程中完美包住苹果，该装置如图7中所示，固定机构向上移动，与撑开器下表面镂空部分对接，起到固定作用，网套顺着固定装置继续滑动，当固定机构向下移动时，套在固定机构上的网套将苹果包裹住，完成苹果的包装。同样采用上述规格的电动伸缩推杆，在固定机构到达位置时，推杆成锁死状态，能够抵消反作用力。

图7 网套包装装置示意图

2.2.3 网套切断机构

网套切断机构如图8所示。塑料发泡网由于自身韧性强，使用传统刀具直接进行切割会发生图8所示的情况，在网套包裹苹果后，这样的切割方式会使得网套脱离苹果，为了快速切断网套，本装备采用热电丝来作为切割刀具[7,8]。塑料发泡网的熔点为50℃～60℃，使用调温电热丝切割不会在工作中产生大量热量从而使得设备工作环境温度升高进而影响设备各构件稳定性，选用的调温电热丝工作电压为12V，同时内部隔离变压器确保电热丝只有低压12V远低于人体安全电压36V，工作时电热丝工作温度为70℃，确保操作人员的安全[9]。推动电热丝切割机构的执行元件依旧选择上述的电动伸缩推杆，电热丝切割机构与电动伸缩推杆连接水平安装在转动圆盘之上[10]，当固定机构与撑开器分离后，对网套进行切断。

图8 网套切断机构示意图

2.3 控制装置

一般中小型设备选择使用单片机或者PLC作为中央控制元件，PLC相比单片机来说，成本相对要高一点，而抗干扰能力、故障率、维护的难易程度远优于单片机，综合考虑本设备选择使用西门子S7-200smart PLC，其功能满足本装备的控制需求。前文提到电动机械夹的开合、电动伸缩推杆的伸缩都是改变它们内部电机的正反转来实现的，因此采用直流电机自动正反转继电器模块来控制机械夹和推杆的动作。在机器工作过程中，需要检测网套放置机构上的网套剩余量、包装好的苹果是否已经取出、网套包装点位是否有苹果，本包装机直接采用红外传感器，依靠距离判定来检测以上信息，将结果反馈到PLC中，PLC控制工作过程以及整台设备的启停。建立人机界面，控制方式分为自动、手动控制两种模式，可根据不同使用情况自行选择，其控制系统结构示意图如图9所示[11]。系统中PLC处理传感器反馈的信号数据，再将处理结果反馈给各个执行元件，其控制流程图如图10所示。

图9 控制系统结构示意图

图10 控制流程图

3 性能试验

3.1 试验方法和指标

由于苹果自动套网机目前在国内还属于萌芽阶段，尚未出现商业化的苹果自动套网机，我国还没有制定苹果自动套网机机械性能试验方法的国家标准，因此针对本文设计的苹果自动套网机，选取包装率和包装速度两个方面作为考察苹果自动套网机的作业质量和工作性能指标。套网机作业试验中，包装率主要反映装备的包装质量，包装速度主要反映装备的生产能力和生产效率[12]。

包装率，是指在包装过程中包装作业能够顺利完成，计算公式为：

包装速度，是指在包装过程中每分钟能够完成的苹果包装数量，计算公式为：

式中：N1为套网机作业后成功包装的苹果数量；

N为套网机作业后进行包装作业过程的苹果的总数量；

t为包装机作业时间，min。

3.2 实验结果与分析

苹果自动套网机包装实验结果如表1所示。

自动套网机包装号的苹果因切割刀具为电热丝，在网套切断处会呈现焦黑色，在套上苹果的网套中占比面积不大，不影响美观效果。样机对于苹果的包装速度为13个/min，包装率为98.4%，高于人工包装速度，并且省去了对网套进行裁剪的过程，进一步降低了生产成本。

表1 样机试验结果

4 结语

设计了一种苹果自动套网机，确定了套网机整机结构，对果径小于80mm的苹果进行包装，降低了果农的劳动强度，为后续苹果自动套网机商品化提供了设备平台。解决了苹果网套包装的连续性问题，包装过程中不会造成网套破损，缩小了苹果网套包装机的体积。苹果自动套网机样机包装试验表明，对苹果的包装速度为13个/min，包装率为98.4%，高于人工包装速，该装置结构紧凑，成本低廉，具有较好的应用性和市场推广前景。本设备还有一定的不足之处，包装速度从长时间来看高于人工包装速度，但包装速度还有提升空间，电热丝切割切割方便但会提高工作环境的温度，尚需改进。