苹果自动套袋机结构设计

文祎祥， 呼延鹏飞， 李鹏超， 黄雨霖

(西安工程大学 机电工程学院， 陕西 西安 710048)

随着农业科技的发展，我国水果总产量已然位居世界前列[1]，但出口量仅占总产量的4.14%，影响对外贸易的主要因素为水果的品质。苹果套袋技术于20世纪90年代传入我国，现在该技术已得到广泛运用。苹果套袋技术可以有效降低病虫害，减少果面的农药残留，并使果实着色均匀，避免果实生长期出现擦伤和裂果等现象[2-6]。然而，传统人工套袋方式费时、费力，且套袋质量良莠不齐。

为此，学者们研发了一系列的水果套袋机。目前，市面上的水果套袋机主要分为3种：①采用塑料薄膜袋的热封封口式；②内置订书钉的装订封口式；③内置橡胶绳的自动封口式。

2017年某自动化设备有限公司设计制造了一种装订封口式的水果自动套袋机并配套使用一种专用果袋，其装置可以实现自动上袋、自动开口、自动套袋等功能；但装订后的果袋在果实成熟期不便于取袋，若操作失误易造成果面擦伤甚至落果等现象。西南大学孙亚平研制的一种便携式水果套袋机，采用橡胶绳实现封口的新型果袋，通过机器开口和橡胶绳自动封口来实现套袋作业；但橡胶绳经长时间的日晒雨淋容易腐蚀，在使用过程中会出现自动脱袋的现象[7-11]。

针对传统苹果自动套袋机存在的诸多问题，课题组设计了一种新型苹果自动套袋机，采用市面上的一般果袋，能够有效解决后期拆袋难、果袋寿命短等问题。

1 总体设计方案

苹果自动套袋机的工作流程可分为储袋、送袋、开袋、套袋、束口和扎袋6个步骤。

苹果自动套袋机结构示意图如图1所示，总体尺寸约为350 mm×176 mm×148 mm(除去握把)。考虑苹果树经疏果后幼果生长间距约为100 mm，套袋机的尺寸设计可以满足作业要求。为保证主体结构强度，主体结构件材料选用铝合金1060，部分非受力部件使用ABS树脂，以减轻装置整体质量。苹果自动套袋机由储存机构及输送机构、开口机构、束口机构和检测装置4部分组成。

图1 苹果自动套袋机结构Figure 1 Apple automatic bagging machine

1．1 储存机构

储存机构的作用是储存并输送果袋至开口机构处，储存机构如图2所示。储存机构的总体尺寸为长185 mm，宽154 mm，高52 mm，由储存箱，压盖和输送机构组成。

图2 储存机构Figure 2 Storage mechanism

压盖与剪刀型连杆机构连接(连接点为a,b,O3)，机构上端与箱体相连(连接点为O1,c,d)，连杆相接处(O2)有转动弹簧，为其提供扭力，压盖由此获得下压力，压紧果袋。压盖机构运动简图如图3所示。

图3 压盖机构运动简图Figure 3 Schematic diagram of capping mechanism

输送机构位于储存箱下方，输送机构由输送电机、1对主动橡胶轮和1对从动支撑轮组成，输送电机转动带动主动轮转动，依靠摩擦力可带动果袋运动；从动轮在其中起支撑作用，用以减少果袋与下箱体的接触。

1.2 开口机构

开口机构是对果袋进行开口作业并将果袋输送到束口机构处，开口机构如图4所示。开口机构的总体尺寸为长139 mm，宽176 mm，高140 mm，由减速舵机、连杆、推动滑轮、导轨、上下吸嘴以及红外检测装置组成。

图4 开口机构Figure 4 Opening mechanism

开口机构需完成果袋的开口作业。果袋2面被上、下吸嘴吸附，上、下吸嘴通过软管与外部小型离心式抽气机连接，通过图5所示的四连杆(1,2,3,4)与曲柄滑块机构(b,d)的运动实现开口。果袋开口的上下距离约为46 mm，同时机器在开口时需要将果袋朝束口机构处移动。为实现这一复杂运动，设计出一种四连杆与曲柄滑块相结合的机构。四连杆机构的转动角度为60°(a,c与垂线夹角)，其与上吸嘴结合，在四连杆机构运动时可实现果袋的开口与向前运动；曲柄连杆机构与四连杆机构通过滑轨与滑轮实现同步运动，曲柄连杆机构与下吸嘴结合，曲柄连杆机构只有1个自由度即与上吸嘴保持竖直方向同步，保证果袋下端位置形状不变，使果袋在套袋时能够实现更好的套袋效果。

图5 开口机构运动简图Figure 5 Schematic diagram of opening mechanism movement

1.3 束口机构

束口机构需要对果袋进行束口和扎口工作，束口机构如图6所示。束口机构的总体尺寸为长30 mm，宽175 mm，运行空间占高120 mm，由上合口丝杠电机、左/右合口减速电机、上合口齿轮齿条支架和左/右凹凸V型块组成。

图6 束口机构Figure 6 Tying mechanism

上合口支架与丝杠电机连接，丝杠电机转动带动上合口向下移动。左、右合口通过齿轮齿条与减速电机连接，电机转动时带动左、右合口相向运动；左、右合口由凹凸V型块组成，啮合时可挤压果袋内置铁丝，实现封口。

1.4 检测装置

检测装置安装位置如图7所示。检测装置共有3个，分别为果袋检测装置、幼果检测装置和合口检测装置。

图7 检测装置安装位置Figure 7 Installation position of detection device

果袋检测装置位于开口机构中侧，其为红外检测装置，用于检测输送机构是否将果袋输送到位。当检测装置检测到果袋时，其发出信号控制输送电机停转，同时控制开口机构开始工作。

幼果检测装置为红外检测装置，位于束口机构与开口机构间隙处，用于检测幼果是否到达可以束口的位置。当检测装置检测到幼果时，会解开束口机构的限制，此时操作人员按下开关即可控制束口机构运行。幼果检测装置是一个保险装置，其目的是为了防止幼果还未进入束口位置时束口机构便开始运行，避免因束口机构提前束口使得幼果受到撞击脱落。

合口检测装置位于上合口支架处，用于检测果袋扎口是否完成。当检测装置检测到扎口工作完成时，控制所有机构归位，套袋动作完成，开始下一工作循环。

2 工作过程

苹果自动套袋机的运行方式分为4个步骤。

2.1 装袋

储存箱后盖打开，将果袋放入储存箱中，压盖会将果袋挤压，保证果袋与输送机构能够紧密接触。

2.2 送袋

打开准备开关后，输送电机开始运作，橡胶输送轮转动，将果袋输送到开口机构处，开口机构前端安装有检测装置，当检测到果袋前端超过开口机构上吸嘴30 mm时，检测装置控制输送电机停止运转，同时控制开口机构开始运作。

2.3 开口

开口机构的上、下吸嘴与外置抽气机连接，检测装置检测到果袋到达开口位置后，抽气机上、下阀门打开，此时上、下吸嘴吸附住果袋的上、下表面，开口舵机开始运行，四连杆转动带动曲柄滑块机构向前运动即可实现果袋的开口工作。

2.4 束口

束口动作由三合口机构实现，束口机构处安装有幼果检测装置，检测装置检测到束口机构下槽口对准幼果后，解开对束口机构的限制，操作人员按下手把处的开关即可控制束口机构开始运作。首先控制上合口的丝杠电机运作，使上合口向下运动，对果袋进行纵向束口，上合口向下运动25 mm后，停止运动；接着控制左、右合口电机开始运作，左、右合口向中间移动，左、右合口为凹凸V型块设计，当左、右合口相向运动直至最终啮合时，果袋内的铁丝被弯折，即可实现最终的束口、扎口工作。

套袋机的运动仿真如图8所示。

图8 套袋机运动仿真Figure 8 Motion simulation of bagging machine

3 强度校核

主动连杆在开口机构中起关键性作用，它与舵机连接，舵机带动主动连杆转动，是实现开口功能的主要部件。开口机构在开口完成状态时主动连杆承力最大，对其进行强度校核可以验证其结构设计的可靠性和合理性。主动连杆受到扭力0.078 4 N·m，合力方向垂直于连杆向下。

3.1 三维模型建立

根据设计尺寸，通过SolidWorks建立三维模型。

3.2 材料选择

本次主动连杆的静力学分析中，主动连杆的主要作用是转递扭力。作为一个过渡部件，对其强度要求较高的同时也应尽量减轻质量。主动连杆的材料为1060合金，其他参数在系统数据库中调用。

3.3 添加约束力

主动连杆在运动过程中处于悬臂梁状态，将主动连杆大端固定，对其添加相关约束力。

3.4 网格划分

使用Simulation插件中的自动网格划分，划分程度选择为优[12]。

3.5 计算结果

设置结束后，运行此算例，得到静应力分析结果，所得强度校核示意图如图9所示。应力分析结果如图9(a)所示，最大应力为487.8 kPa，远远小于屈服应力27 574 kPa，即使有其他未考虑到的损失，其最终结果仍然满足要求；位移分析如图9(b)所示，其最大位移发生在主动连杆中心位置，最大位移为0.000 11 mm，其产生的位移可忽略不计，符合要求；应变分析如图9(c)所示，其最大应变为0.000 005 49，其应变结果可忽略不计，满足要求。

图9 主动连杆静力学分析Figure 9 Static analysis of active connecting rod

4 结语

对于传统苹果自动套袋机存在的后期拆袋难、果袋寿命低等问题，课题组针对市面上常用的果袋设计了一种新型苹果自动套袋机。采用四连杆与曲柄滑块相结合的开口机构提高开袋效率；束口、扎口采用三合口束口、扎口机构，提高机器的泛用性。仿真模拟表明所设计的苹果自动套袋机操作简单、使用方便。

该设计相较于其他套袋机，解决了需要使用套袋机专用果袋的问题，降低了生产成本。苹果自动套袋机理论上可以对中大型果园进行套袋工作，并且可以延伸到如梨、橘子、桃等水果的套袋工作中。

在模拟验证中，套袋机只对单层果袋具备有效的开袋效果，对双层果袋实现开袋仍需进一步改进设计。另外，在未来的设计中，应对输送机构和束口机构进行进一步优化，以满足不同大小、种类的果袋的套袋需求，真正意义上达到一机多用。