圆形水果自动包装一体机

圆形水果自动包装一体机

边佳慧 曾实现 纪光洋 王大志 程瑞伟 任胜鑫 邹昀臻

青岛黄海学院 山东青岛 266427

摘要：近年来水果的商品化逐步扩大，新鲜水果从采摘下树到售出，经历了挑选、清洗、分级、包装、装箱等一系列程序。由于大部分水果网套包装还只停留在人工包装的阶段，现设计一套基于PLC的联动式水果套网包装机，机器运行过程主要体现在由上传送带运输待包装水果，送网装置上的滚筒周期性旋转挤压网套至拨片，电热丝切割装置由电机带动同步带横向运动切割网套。推杆推动网套上升，拨片撑开网套，快门机构张开实现落果、套网，下传送带传送成品水果，为了更好的适应市场需求，符合消费者的消费想法，传送带在运输水果的同时会对水果进行一个检测，机器会对检测结果进行处理，由气缸带动拨板移动至一侧，水果掉落后装箱机构接住水果，使之落入果箱之中，该机构模拟的主要是在经过套网以及分类等一系列过程之后，对已经套好网套的水果进行装箱，进而实现对水果的大小进行分类。圆形水果自动包装机的研究设计，有助于提高发泡网的单位利用率，缓解资源的过度消耗，减轻环境压力；有利于解放生产力，促进水果套网包装方式的机械化、规模化，提高水果套网的工艺和机械化生产水平，减少在套网包装方面产生的的时间和人工成本[1]。

关键词：输送机构；送网机构；快门开合机构；套网机构

引言

我国是世界第一水果生产大国，水果栽培面积和产量约占世界总量的20%和15%，水果产业是我国农村经济的支柱产业之一，在农业产业调整、增加农民收入及出口创汇等方面发挥着重要作用。近年来水果的商品化逐步扩大，琳琅满目的新鲜水果占据了国民消费支出很大比重。苹果、梨、桃子、橙子等新鲜水果从采摘下树到售出，经历了挑选、清洗、分级、包装、装箱等一系列程序。

现在社会中大部分水果包装还只停留在人工包装的阶段，水果的销售价格正随着包装成本的增加而增加。当下，交通运输业的发展使得新鲜的时令水果可随时通往全国各大水果交易市场，所以在运输过程中如何保证损耗到最低是最为重要的，水果运输过程中的机械损伤是造成其大量损耗的主要原因之一，发泡塑料网作缓冲包装时，可有效地降低苹果损伤率。目前，水果在采收后立刻使用网套对水果进行保护是有效避免机械损伤的重要方式。现阶段，运输前的发泡网的套装程序，大都由在厂一线工人手工完成，随着产量的增加和人工成本的增加。由于塑料发泡网存在规格限定等问题，经常存在使用不正确出现过度浪费的情况，进而导致发泡网泛滥成灾，无法充分利用。

不同种类的水果适合生长的区域不尽相同，但单一品种水果适宜生长的地域则相对于集中，这就为水果包装的区域性发展提供了便利的条件。果农在苹果、梨、桃子等时令季节水果成熟的同时，大都开始准备以人工的方式对其进行套网包装。国外市场机械化程度普遍比国内包装市场高，已经可以一定程度上脱离人工来进行网套包装。在农村劳动人口流出大于流入的情况下，以机械作业代替人工的需求就显得尤为迫切[2]。

目前，国际上技术较为成熟的、高效率的新型水果套网包装设备正逐步被大面积应用，高效、便捷、低消耗等需求刺激着水果包装领域的技术革新。相关国家由于其自动化程度较高，产业流水线设计经验较为丰富[3]。在此基础上，结合水果包装市场对于套网技术的需求，极力设计研究和生产各种现代化和较专业化的水果套网包装设备，不仅提高了生产效率，并且整套设备只需一人独自操作完成，大大降低了人工成本。

水果包装行业作为水果消费的一个重要门类，在整个水果消费市场起着举足轻重的作用，传统的人力包装还没有大范围的被机械所更替[4]，在消费者眼中：种类齐全、易保存、品相好、价格实惠，是消费者对于自身所期望购买的水果的一个整合。我国的水果包装行业目前仍然缺少大型的营销公司和包装产业链[5],在系统化采购、包装、销售等方面与国外相比还存在不小的差距，这也是限制我国水果出口量的重要原因之一。

1整体方案

该
机器主体结构由传送装置、快门开合机构、送网装置、品质检测机构、装箱机构等组成。为了适应恶劣的冷链运输以及库存环境，该产品以西门子S7-200PLC作为主控制器，产品的体验结果通过显示屏显示，整套装置由主控制器作为核心构架，来控制水果输送、套袋以及装箱的过程。圆形水果自动包装一体机采用流水线式包装，可由一人单独操控完成，该装置较人工有明显的优势，可很好地适应市场。主体结构系统框图如图1所示

图1主体结构系统框图

2设计方案

2.1电气部分

2.1.1 PLC选型

本
次PLC型号的选择主要从I/O口数量，能否扩展等方面综合考虑。主要控制设备电机驱动，行程开关检测及水果检测等功能，其中输出信号转换为电机的正转，反转和停转。该设计所需的输入点数为6个,输出点数为11个。选用西门子公司生产的S7-200系列中的CPU 224xp，该控制器有14路数字量输入，10路数字量输出，两路模拟量输入，1路模拟量输出满足设计要求。PLC如图2所示。

图2 S7-200

2.1.2 单片机选型

选用STM32F103RCT6，是一种嵌入式-微控制器的集成电路(IC)，芯体尺寸是32位，速度是72MHz，程序存储器容量是256KB，程序存储器类型是FLASH，RAM容量是48K。内部功能强大，该产品设计需要使用I2C、串口、定时器、GPIO口等功能，该芯片完全满足设计要求。STM32F103RCT6单片机如图3所示。

图
3 STM32F103RCT6

2.1.3 其他硬件选型

wifi模块采用Esp8266，功能简单来讲就是：从WIFI接收到数据，串口输出；从串口接收数据，WIFI输出数据。串口无线 WIFI（COM-AP） 串口无线 WIFI（COM-AP）模式，模块作为无线 WIFI 热点，允许其他 WIFI 设备连接 到本模块，实现串口与其他设备之间的无线（WIFI）数据转换互传。该模式下，根据应用场景的不同，可以设置3个子模式：TCP 服务器、TCP 客户端，UDP。wifi模块如图4所示。

图4 WiFi模块

步进电机采用42型号通过TB6600控制，42系列两相步进电机步距角度1.8°精度5%，可通过TB6600进行细分实现更精确的转动角度。步进电机如图5所示

图5 42步进电机和TB6600控制器

2.2机械部分

2.2.1撑网、落果机构的选择

方案一：采用机械臂仿人手来实现水果的套网。利用机械臂的多自由度之间的相互配合代替人手完成水果的套网工作。但是由于水果网套的物理特性以及机械臂运动编程的复杂性，不易准确无误的完成对每一个水果的套网工作。

方案二：采用机械套筒。采用一定直径的套筒对网套预撑开，利用传送带与推动气缸的精准配合使水果达到指定位置，下降套筒对水果套网。该结构由于联动装置较多，对于程序调试有很高的要求，且整体运行速度较慢，无法达到连续性工作的目的。

方案三：采用仿制照相机快门结构。相机快门的通孔可以实现在有限区域内开关以达到指定曝光量的目的。该机构主要模仿的是通孔的开合这一功能来达到使水果有序通过的目的。该机构简单易操作，只需要在下部加装简单的抓手便可实现在机构张开的同时达到撑网、落果的功能。

经过多次理论数据分析以及实验判断，选取第三种方案更能有效实现快速准确的套网过程。

2.2.2机械快门结构

利用一种机械快门开合结构，这种开合机构的特点是开合区域始终在中心位置，通过识别不同规格的水果来设定落果孔径的大小，以适应不同规格的水果自动落果，进一步提升套网的速度。由电机带动摇柄构成曲柄摇杆机构，简化了整体结构，由单一运动带动整体机械结构的运转。机构下部加装抓手，可将撑网与落果过程同步化。快门结构如图6：

图
6 快门结构

2.2.3截网装置的设计

截网装置采用滚筒挤压输送装置，从底端输入长网套，滚筒进行旋转，顶部安装有镍铬合金加热电阻丝，由电路板控制电机带动电阻丝对挤压上来的网套进行可调式裁切，剪裁好的网套继续向上进入撑网区。这样设计的优势是，连续性强，可根据所识别的水果不同规格调节截取的网套的长度，以达到充分利用以及环保的要求。截网装置如图7：

图7 截网装置

2.2.4传送带的设计

传送带采用挡板式设计，后部转盘采用中间高四周低的软质圆盘设计方法。将水果放入后部圆盘中，软质圆盘旋转使水果贴壁转动， 依次进入挡板传送带，传送带对水果进行传送可使水果依次进入，挡板的设计可使各水果之间距离相同，便于后期在落果区进行程序化落果套网。底部传送带加装有分拣机构，可根据所识别的水果的大小以及所截取网套的长度分拣出不同级别的水果。传送带如图8：

图8 传送带

3理论设计计算

3.1主轴的设计计算

确定最小轴径主轴带动传送带传动，依据轴承、电机、联轴器传递效，则传递功率为：

转速，利用轴的最小直径设计公式：

则
设定传送带的主轴直径为32mm

3.2曲柄摇杆的设计计算

曲柄摇杆机构运动简图

当曲柄摇杆机构的极位夹角 θ= 0°时，行程速比系数 K=1，此时曲柄摇杆机构无急回特性。如图 1 所示，在△ ADC1和△ ADC2 中，θ1=θ2，由余弦定理可得a2+d2=b2+d2

在
图中，C1、C2 分别是摇杆的两个极限位置，在极限位置处，曲柄与连杆共线，因此 AC1=b-a，AC2=a+b。在△ AC1C2 中由余弦定理得：

曲柄与机架共线时传动角取得最小值。在△ B0C0D 中：

最优传动角 γmin 的值可近似取：γmin=80° -φ/2。联立

式（1）、式（3）、式（4）得：

当 γmin 为 48.5°时算得曲柄 a、连杆 b、机架 d 长度分别为 160.59mm、285.19mm、447.15mm。

4 结论

本实验设计了一套基于PLC的圆形水果自动包装一体机，运行过程主要体现在由上传送带运输待包装水果，可调式电热丝截网机构根据水果的大小截取相应长度的网套，推杆推动网套上升，拨片撑开网套，机械快门机构可根据水果掉落情况依次开合，实现落果、套网，下传送带传送成品水果，分拣机构可根据识别的水果的大小实现分级装箱。机械主体结构由传送装置，机械快门机构，可调式电热丝截网机构，分拣机构等组成。控制主要器件采用CPU为224xp的S7-200CN作为主控制器，STM32RCT6作为辅助控制器，k210摄像头，Esp8226等。开发平台环境有Solikworks、keil uvision5、STEP 7-MicroWIN 、OneNET等。此外，还可通过蓝牙，对于操控系统进行控制，来实现对已套网水果数量的读取，使操作更加智能、便捷。

圆形水果自动包装一体机采用流水线式包装，可由一人单独操控；由机械快门结构代替人手对水果套网；可调式电热丝切割机构可根据水果的大小来调节截取网套的长度；分拣机构可根据水果的大小分拣出不同级别的水果进行分级装箱，省却了人力。该产品目标旨在解决农户及中小型厂商套网难等问题，并在这一基础上，结合现代农业特点，增加产品科技含量，提高产品认知度。

参考文献

[1]彭宝良, 胡志超, 吕小莲,等. 我国农产品加工装备产业概况与发展[J]. 中国 农机化学报, 2013, 34(1):12-16.

[2]丁礼灯,李晓娜.汽车碰撞建模与仿真软件综述[J].湖南农机,2017,044(011):85-87.

[3]蒋俊杰,沈星宇.两层升降横移式立体车库钢结构有限元分析及优化设计[J]. 起重运输机械,2016(7):10-14.

[4]张帆.一种自动水果网套包装机的制作方法:中国,CN201911097329.3[P]. 2019-11-12.

[5]邓涛.一种套剪式高空水果采摘装置的研究与设计[J].酒城教育,2019(03):69-72.

作者简介：边佳慧（2002－）,女,山东省菏泽市人,学士，研究方向:机械工程。

该项目由省级创新创业训练项目《圆形水果自动包装一体机》（S202113320078X）支持。