水培生菜自動(dòng)縱向包裝裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

馬義東 王明輝 崔永杰，2 傅隆生，3 王文奇 徐 燦

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100；3.陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

水培生菜是植物工廠、設(shè)施園藝中的常見作物，生產(chǎn)規(guī)模日益增大[1-6]。為便于水培生菜物流運(yùn)輸、延長(zhǎng)保鮮期，國(guó)內(nèi)外常以帶包裝的形式進(jìn)行零售[4-5]。目前，國(guó)內(nèi)水培生菜的包裝仍以人工為主，效率低、勞動(dòng)力成本高。為提高水培生菜包裝作業(yè)效率、降低勞動(dòng)力成本，需研制水培生菜自動(dòng)包裝裝置。

國(guó)內(nèi)外果蔬包裝機(jī)械的常見形式有四折膜板式、負(fù)壓式等，包裝盒多采用托盤式，封膜機(jī)構(gòu)常采用熱切、冷切等方式[7-21]。鄭兆啟等[7-9]研制了一種負(fù)壓式生鮮食品包裝機(jī)，對(duì)包裝盒及物料損傷、切斷機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行了研究。高國(guó)華等[10]基于曲柄滑塊滾輪滑槽設(shè)計(jì)了蔬菜托盤式封膜裝置，對(duì)切桿速度等因素進(jìn)行了優(yōu)化。意大利FABBRI公司生產(chǎn)的四折膜板式包裝機(jī)已商業(yè)化應(yīng)用[11]。文獻(xiàn)[7-11]中，包裝物料多橫向放置，作業(yè)對(duì)象為帶有物料的包裝盒，缺少物料縱向放置、自動(dòng)裝盒等方面的研究。目前，果蔬包裝大多與收獲分離，增加了搬運(yùn)、裝盒等環(huán)節(jié)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。水培生菜因其無(wú)農(nóng)藥高品質(zhì)生產(chǎn)，收獲后一般直接包裝；又因其展開尺寸較大，不適宜在托盤內(nèi)橫向放置，市場(chǎng)上多采用縱向裝盒的包裝形式。綜上，為提升水培生菜生產(chǎn)全程機(jī)械化水平，需設(shè)計(jì)水培生菜自動(dòng)縱向包裝裝置，使其與收獲裝置配套，實(shí)現(xiàn)收獲后生菜的自動(dòng)卸菜、縱向裝盒、封膜等作業(yè)；減少人工裝盒等過(guò)渡環(huán)節(jié)，提升收獲包裝整體作業(yè)效率。

水培生菜自動(dòng)縱向裝盒是收獲包裝的過(guò)渡環(huán)節(jié)，對(duì)實(shí)現(xiàn)收獲包裝自動(dòng)化有重要意義。借助高速攝像技術(shù)可研究裝盒過(guò)程生菜偏移、翻轉(zhuǎn)等位姿特性。目前，利用高速攝像技術(shù)研究農(nóng)作物運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，多采用1個(gè)標(biāo)記點(diǎn)研究對(duì)象物的位置、速度、運(yùn)動(dòng)軌跡等[22-25]，無(wú)法分析生菜等形狀不規(guī)則對(duì)象的翻轉(zhuǎn)等姿態(tài)特性。至今，有關(guān)利用高速攝像技術(shù)量化水培生菜水平偏移、姿態(tài)角等位姿特性的方法尚未見報(bào)道。

本文提出一種水培生菜自動(dòng)縱向裝盒、封膜方法，并設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)具。對(duì)包裝盒、導(dǎo)向裝盒機(jī)構(gòu)、切膜與封膜機(jī)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)計(jì)；基于高速攝像，研究生菜水平偏移、姿態(tài)角等位姿特性量化方法；分析裝盒過(guò)程中導(dǎo)向環(huán)對(duì)生菜位姿特性的影響；搭建樣機(jī)，利用正交試驗(yàn)優(yōu)化切膜作業(yè)參數(shù)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

水培生菜自動(dòng)縱向包裝裝置如圖1所示，與前期設(shè)計(jì)的收獲裝置[6]配套，可完成自動(dòng)卸菜、生菜縱向裝盒、切膜、封膜等。包裝裝置主要包括包裝盒上料機(jī)構(gòu)、卸菜機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向環(huán)、拉膜輥、薄膜縱向切刀、封膜機(jī)構(gòu)、薄膜橫向切刀、包裝盒下料機(jī)構(gòu)等。通過(guò)真空泵吸取，取盒氣缸縱向提取，取盒無(wú)桿氣缸橫向輸送，推盒氣缸推送等，實(shí)現(xiàn)包裝盒自動(dòng)上料。收獲裝置[6]與包裝裝置通過(guò)卸菜機(jī)構(gòu)及導(dǎo)向環(huán)相銜接，實(shí)現(xiàn)生菜的自動(dòng)縱向裝盒。光電傳感器1檢測(cè)到生菜裝盒后，輸送帶、拉膜輥開始運(yùn)動(dòng)；拉膜過(guò)程中，薄膜縱向切刀執(zhí)行縱向切膜。光電傳感器2檢測(cè)到包裝盒后，輸送帶、拉膜輥停止，薄膜橫向切刀開始橫向切膜。封膜機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)，完成封膜。包裝盒封膜后，通過(guò)輸送帶運(yùn)送至包裝盒下料機(jī)構(gòu)，通過(guò)夾盒氣缸組、卸盒絲杠、卸盒氣缸等部件的作用，完成包裝盒自動(dòng)下料。

1.2 工作原理

利用卸菜機(jī)構(gòu)執(zhí)行生菜縱向裝盒，利用導(dǎo)向環(huán)減小裝盒過(guò)程生菜偏移、翻轉(zhuǎn)。利用封膜機(jī)構(gòu)中柔性毛刷對(duì)薄膜的梳刷作用及薄膜自粘性，使薄膜貼于包裝盒側(cè)面，實(shí)現(xiàn)包裝盒封膜。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 包裝盒及導(dǎo)向裝盒機(jī)構(gòu)

2.1.1包裝盒

包裝盒設(shè)計(jì)需考慮生菜尺寸、形狀及擠壓特性。統(tǒng)計(jì)測(cè)量得到，生菜展開尺寸范圍為250～345 mm，株高范圍170～210 mm。

為避免包裝盒擠壓損傷生菜，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)生菜進(jìn)行擠壓試驗(yàn)(圖2a、2b)，獲取生菜無(wú)損擠壓程度的極限。生菜展開尺寸差異較大，需根據(jù)生菜擠壓程度η設(shè)置擠壓板行程Δd，其計(jì)算公式為

(1)

式中d0——生菜原始展開尺寸，mm

d1——生菜側(cè)放高度(僅受重力)，mm

di——生菜擠壓狀態(tài)下展開尺寸，mm

擠壓試驗(yàn)中，擠壓板尺寸為250 mm×250 mm，擠壓速度設(shè)置為100 mm/min。試驗(yàn)結(jié)果顯示，生菜無(wú)損所能承受的最大擠壓程度為45%。因此，包裝盒內(nèi)徑d應(yīng)滿足

d≥0.55d0

(2)

由式(2)可得，包裝盒內(nèi)徑應(yīng)不小于190 mm?？紤]生菜形狀(中上部展開較大，根莖附近展開較小)，包裝盒設(shè)計(jì)為圓臺(tái)形(圖2c)，上底內(nèi)徑215 mm，下底內(nèi)徑190 mm，高220 mm。包裝盒材料選用PP食品級(jí)塑料，厚度1 mm。

圖2 生菜擠壓試驗(yàn)及包裝盒設(shè)計(jì)Fig.2 Lettuce extrusion test and packaging box design1.擠壓板 2.力傳感器 3.生菜

圖3 生菜裝盒導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及力學(xué)分析Fig.3 Lettuce packaging and guiding device and mechanical analysis1.輸送帶 2.包裝盒 3.光電傳感器 4.導(dǎo)向環(huán) 5.夾持桿 6.壓菜氣缸 7.聚攏氣缸 8.生菜

2.1.2導(dǎo)向裝盒機(jī)構(gòu)

為保證縱向裝盒過(guò)程中生菜偏移、翻轉(zhuǎn)等位姿的要求，設(shè)計(jì)導(dǎo)向裝盒機(jī)構(gòu)(圖3a)。生菜裝盒過(guò)程可分為2個(gè)階段：卸菜階段、導(dǎo)向裝盒階段。

卸菜階段，生菜先隨夾持桿向上運(yùn)動(dòng)，壓菜氣缸作用后向下運(yùn)動(dòng)。由于生菜為非嚴(yán)格對(duì)稱的幾何體，生菜受夾持桿壓力(FN1、FN2)、壓菜氣缸壓力(FN3)、重力(G)的作用會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如圖3b所示，其中O為生菜質(zhì)心。該階段生菜所受力矩M1為

M1=FN1l1+Gl4-(FN2l2+FN3l3)

(3)

導(dǎo)向裝盒階段，夾持桿與生菜脫離，生菜僅受壓菜氣缸壓力(FN3)、導(dǎo)向環(huán)壓力(FN4)、重力(G)的作用，如圖3c所示。該階段，生菜所受力矩M2為

M2=FN3l3+FN4l5-Gl4

(4)

由式(3)、(4)可知，M2與M1方向相反，導(dǎo)向環(huán)對(duì)翻轉(zhuǎn)生菜起到扶正導(dǎo)向作用。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)，導(dǎo)向環(huán)內(nèi)徑選為180 mm，導(dǎo)向環(huán)與包裝盒上平面距離設(shè)置為30 mm。

2.2 切膜與封膜機(jī)構(gòu)

生菜縱向裝盒后，為實(shí)現(xiàn)包裝盒封膜，設(shè)計(jì)切膜與封膜機(jī)構(gòu)，如圖4所示。切膜過(guò)程包括縱向切膜和橫向切膜。縱向切膜與步進(jìn)電機(jī)2拉取薄膜卷同步完成。橫向切膜前，步進(jìn)電機(jī)1鎖定薄膜卷。封膜氣缸下降一定距離完成壓膜，利用柔性毛刷擠壓薄膜使其張緊并貼于包裝盒上表面。壓膜后，橫向切膜氣缸繼續(xù)下降，完成橫向切膜。最后，封膜氣缸下降至底部，利用柔性毛刷的梳刷作用及薄膜自粘性，使薄膜貼于包裝盒側(cè)面，完成封膜。

圖4 切膜與封膜機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of film cutting and covering1.包裝盒 2.步進(jìn)電機(jī)1 3.薄膜卷 4.縱向切刀 5.橫向切刀 6.橫向切膜氣缸 7.封膜氣缸 8.固定板 9.毛刷 10.橫向割刀架 11.壓膜輥 12.步進(jìn)電機(jī)2 13.輸送帶

薄膜選用PE材料，具有自粘性，厚度0.01 mm，寬度600 mm?？v向切刀選用11號(hào)手術(shù)刀片。橫向切刀為0.5 mm厚碳鋼鋸齒刀。橫向切膜及壓膜氣缸均選用缸徑16 mm的三軸氣缸。

2.2.1切膜機(jī)構(gòu)

圖5為橫向及縱向切膜示意圖。根據(jù)包裝盒尺寸及預(yù)試驗(yàn)，封膜所用薄膜尺寸設(shè)計(jì)為450 mm×450 mm。

圖5 切膜示意圖Fig.5 Diagram of film cutting1.縱向切刀 2.橫向切刀 3.薄膜

為避免拉膜過(guò)程薄膜變形超過(guò)其彈性極限、保證后續(xù)拉膜連續(xù)性，縱向切膜時(shí)薄膜預(yù)留寬度L需滿足

(5)

式中Fmax——薄膜卷最大拉取力，N

δ——薄膜彈性極限，MPa

h0——薄膜厚度，mm

預(yù)試驗(yàn)得到：薄膜卷最大拉取力為2.20 N，薄膜彈性極限為7.27 MPa。由式(5)可知，薄膜預(yù)留寬度L應(yīng)不小于15 mm，本文L為75 mm，滿足拉膜要求。相鄰兩塊薄膜的間距設(shè)置為200 mm。

2.2.2封膜機(jī)構(gòu)

圖6為包裝盒封膜示意圖，主要包括壓膜和封膜。壓膜深度h1設(shè)置為10 mm，封膜深度h2設(shè)置為120 mm。根據(jù)包裝盒尺寸，封膜圓環(huán)內(nèi)徑設(shè)計(jì)為240 mm，毛刷長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為50 mm。

圖6 包裝盒封膜示意圖Fig.6 Diagram of film covering packaging box1.柔性毛刷 2.封膜圓環(huán) 3.薄膜 4.包裝盒

2.3 控制系統(tǒng)

圖7 自動(dòng)包裝控制系統(tǒng)電路圖及時(shí)序圖Fig.7 Circuit diagram of control system and sequence chart for packaging

圖7為自動(dòng)包裝控制系統(tǒng)電路圖及時(shí)序圖，選用AT89C52單片機(jī)作為控制器；采用C語(yǔ)言在KeiluVision2軟件中進(jìn)行編程。供電系統(tǒng)主要包括24 V直流電(為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電磁閥供電)和單片機(jī)的5 V直流電(為繼電器、光電傳感器、霍爾傳感器、限位開關(guān)供電)。單次包裝作業(yè)順序主要為包裝盒上料、輸送帶運(yùn)盒、切膜、封膜、包裝盒下料，各控制器件時(shí)序及信號(hào)傳遞如圖7b所示。

3 包裝試驗(yàn)

3.1 裝盒位姿特性試驗(yàn)

為研究裝盒過(guò)程中生菜偏移、翻轉(zhuǎn)等位姿特性的量化方法，分析導(dǎo)向環(huán)對(duì)生菜位姿特性的影響，基于高速攝像機(jī)(i-SPEED型，OLYMPUS)進(jìn)行生菜裝盒位姿特性試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖8所示，聚攏氣缸及壓菜氣缸的速度均設(shè)置為100 mm/s[6]；高速攝像機(jī)拍攝頻率設(shè)置為500 f/s。

圖8 裝盒位姿特性試驗(yàn)裝置Fig.8 Test device for putting lettuce into packaging box1.壓菜氣缸 2.聚攏氣缸 3.夾持桿 4.導(dǎo)向環(huán) 5.包裝盒

3.1.1試驗(yàn)材料與方法

選取10株長(zhǎng)勢(shì)良好的水培生菜進(jìn)行裝盒位姿特性試驗(yàn)，分為2組：5株用于無(wú)導(dǎo)向環(huán)裝盒試驗(yàn)，5株用于有導(dǎo)向環(huán)裝盒試驗(yàn)。

圖9展示了基于高速攝像的生菜裝盒位姿特性(水平偏移、姿態(tài)角)量化方法，用于表征生菜的偏移、翻轉(zhuǎn)。在生菜豎直方向標(biāo)記7個(gè)特征點(diǎn)(相鄰點(diǎn)間距5 mm)，選取裝盒全程可見的3個(gè)連續(xù)特征點(diǎn)(H、K、Q)用于計(jì)算水平偏移、姿態(tài)角。

利用K點(diǎn)計(jì)算生菜水平偏移ΔXi，其方程為

ΔXi=xKi-xK0

(6)

式中xKi——第i步K點(diǎn)橫坐標(biāo)值，mm

xK0——初始狀態(tài)K點(diǎn)橫坐標(biāo)值，mm

利用H、Q點(diǎn)計(jì)算生菜姿態(tài)角，其方程為

(7)

式中 Δx——H點(diǎn)與Q點(diǎn)橫坐標(biāo)差值，mm

Δy——H點(diǎn)與Q點(diǎn)縱坐標(biāo)差值，mm

φi——第i步生菜姿態(tài)角，(°)

xQi、xHi——第i步Q、H點(diǎn)橫坐標(biāo)值，mm

yQi、yHi——第i步Q、H點(diǎn)縱坐標(biāo)值，mm

裝盒位姿特性試驗(yàn)中，均由生菜運(yùn)動(dòng)至最高處開始標(biāo)記特征點(diǎn)，每隔2步(0.006 s)標(biāo)記1組(3個(gè)特征點(diǎn))。無(wú)導(dǎo)向環(huán)裝盒試驗(yàn)中，共標(biāo)記50組特征點(diǎn)；有導(dǎo)向環(huán)裝盒試驗(yàn)中，特征點(diǎn)標(biāo)記至生菜進(jìn)入導(dǎo)向環(huán)(特征點(diǎn)因?qū)颦h(huán)阻擋而不可見)結(jié)束。裝盒位姿特性試驗(yàn)中，均將標(biāo)記的高速攝像最后一幀視為生菜入盒。

3.1.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)無(wú)導(dǎo)向環(huán)裝盒試驗(yàn)結(jié)果

由圖10可知，生菜入盒時(shí)水平偏移、姿態(tài)角較大，致使包裝盒傾斜，無(wú)法完成縱向裝盒，該狀況視為裝盒失敗。為研究無(wú)導(dǎo)向環(huán)裝盒過(guò)程生菜的位姿特性，對(duì)5組試驗(yàn)中生菜的水平偏移、姿態(tài)角進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)，如圖11所示，圖中1～5表示試驗(yàn)號(hào)。水平偏移的正值代表向右偏移，姿態(tài)角為正表示逆時(shí)針?lè)D(zhuǎn)。

圖10 無(wú)導(dǎo)向環(huán)特征點(diǎn)軌跡及入盒效果Fig.10 Feature points and entering box effect without guiding annulus

圖11 無(wú)導(dǎo)向環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Results of packaging without guiding annulus

由圖11可知，生菜裝盒過(guò)程前期水平偏移、姿態(tài)角均相對(duì)穩(wěn)定，隨步數(shù)的增加，水平偏移和姿態(tài)角增大。上述現(xiàn)象由生菜所受外力變化造成，高速攝像發(fā)現(xiàn)：裝盒前期，生菜受壓菜氣缸和2個(gè)夾持桿共同作用，所受力矩較小(圖3b)。由于生菜非完全對(duì)稱幾何體，隨步數(shù)增加，生菜先與一側(cè)夾持桿分離，壓菜氣缸繼續(xù)作用下，生菜繞另一側(cè)夾持桿翻轉(zhuǎn)(圖10)，所受力矩增大，因此水平偏移和姿態(tài)角均增大。上述分析表明：無(wú)導(dǎo)向環(huán)裝盒過(guò)程中生菜偏移、翻轉(zhuǎn)嚴(yán)重；需添加導(dǎo)向環(huán)，減小生菜入盒時(shí)的水平偏移和姿態(tài)角以保證縱向裝盒成功。

(2)有導(dǎo)向環(huán)裝盒試驗(yàn)結(jié)果

由圖12可知，生菜入盒狀態(tài)(偏移、翻轉(zhuǎn))明顯優(yōu)于無(wú)導(dǎo)向環(huán)時(shí)(圖10)，可保證縱向裝盒成功。對(duì)5組有導(dǎo)向環(huán)試驗(yàn)中生菜的水平偏移、姿態(tài)角進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)，如圖13所示。

圖12 有導(dǎo)向環(huán)特征點(diǎn)軌跡及入盒效果Fig.12 Feature points and entering box effect with guiding annulus

圖13 有導(dǎo)向環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Results of packaging with guiding annulus

由圖13可知，裝盒過(guò)程生菜的水平偏移、姿態(tài)角前期振蕩變化，后期趨于穩(wěn)定且小于無(wú)導(dǎo)向環(huán)試驗(yàn)。裝盒前期，由于導(dǎo)向環(huán)對(duì)生菜的作用，生菜偏移、翻轉(zhuǎn)趨勢(shì)減小，所以水平偏移、姿態(tài)角振蕩變化。由于導(dǎo)向環(huán)對(duì)生菜的力矩與其翻轉(zhuǎn)的方向相反(圖3c)，生菜入盒時(shí)，水平偏移、姿態(tài)角均小于無(wú)導(dǎo)向環(huán)試驗(yàn)。

(3)入盒效果對(duì)比分析

對(duì)比分析2組裝盒試驗(yàn)(有、無(wú)導(dǎo)向環(huán))生菜入盒時(shí)的水平偏移和姿態(tài)角(均不考慮方向)，如圖14所示，方差分析如表1所示。生菜入盒時(shí)，有導(dǎo)向環(huán)水平偏移平均值為5.8 mm，比無(wú)導(dǎo)向環(huán)時(shí)減小75.0%；有導(dǎo)向環(huán)水平偏移變異系數(shù)為46.8%，小于無(wú)導(dǎo)向環(huán)時(shí)，說(shuō)明其水平偏移更穩(wěn)定。有導(dǎo)向環(huán)姿態(tài)角平均值為17.9°，比無(wú)導(dǎo)向環(huán)時(shí)減小74.2%；有無(wú)導(dǎo)向環(huán)時(shí)，姿態(tài)角變異系數(shù)基本相同，均較穩(wěn)定。上述分析表明，導(dǎo)向環(huán)可減小生菜入盒時(shí)的偏移、翻轉(zhuǎn)，保證生菜縱向裝盒成功。

圖14 生菜入盒水平偏移及姿態(tài)角Fig.14 Horizontal excursion and attitude angle when lettuce entering box

有無(wú)導(dǎo)向環(huán)水平偏移姿態(tài)角平均值/mm標(biāo)準(zhǔn)差/mm變異系數(shù)/%平均值/(°)標(biāo)準(zhǔn)差/(°)變異系數(shù)/%無(wú)23.017.174.469.214.320.7有5.82.746.817.93.117.6

3.2 切膜作業(yè)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)裝置與方法

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的包裝裝置，優(yōu)化切膜作業(yè)參數(shù)，研制了試驗(yàn)樣機(jī)，如圖15所示。試驗(yàn)樣機(jī)集成了水培生菜收獲、包裝裝置。

圖15 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.15 Test prototype1.包裝盒上料機(jī)構(gòu) 2.收獲裝置 3.導(dǎo)向裝盒機(jī)構(gòu) 4.包裝裝置 5.包裝盒下料機(jī)構(gòu)

選取薄膜縱向切刀與薄膜夾角X1、拉膜輥拉膜速度X2、薄膜橫向切刀速度X33個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，求解包裝成功率最高的參數(shù)組合。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)選取各因素水平值，如表2所示。選用L9(34)正交表安排試驗(yàn)，共9組，每組試驗(yàn)重復(fù)100次，統(tǒng)計(jì)其成功率。

表2 正交試驗(yàn)因素水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal tests

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示(A、B、C為因素水平值)，其中，包裝成功率最高為95.0%(第8組)。正交試驗(yàn)方差分析如表4所示，由F值可知，試驗(yàn)因素影響包裝成功率的顯著性次序?yàn)椋罕∧M向切刀速度、拉膜輥拉膜速度、薄膜縱向切刀與薄膜夾角。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of orthogonal tests

表4 正交試驗(yàn)方差分析Tab.4 Analysis of variance for orthogonal tests

注：*表示在0.1水平上顯著。

利用極差分析求解作業(yè)參數(shù)最優(yōu)組合，如圖16所示，最優(yōu)參數(shù)組合為A2B2C3。

圖16 包裝成功率隨因素變化曲線Fig.16 Variation curves of packaging success rate with factors

3.2.3驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)正交試驗(yàn)所得最優(yōu)參數(shù)組合(薄膜縱向切刀與薄膜夾角30°、拉膜輥拉膜速度300 mm/s、薄膜橫向切刀速度500 mm/s)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，重復(fù)100次，統(tǒng)計(jì)其成功率。利用秒表測(cè)量樣機(jī)作業(yè)時(shí)間(由卸菜開始至封膜結(jié)束)、相同包裝效果下人工作業(yè)時(shí)間。

驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果顯示，最優(yōu)參數(shù)組合下，包裝成功率為96%，包裝效果如圖17所示。樣機(jī)單次包裝用時(shí)10.5 s，其中裝盒用時(shí)1.2 s、輸送帶與縱向拉膜5.5 s、橫向切膜與封膜3.8 s。人工單次包裝用時(shí)25 s，樣機(jī)作業(yè)時(shí)間比人工縮短58%。

圖17 包裝效果Fig.17 Packaging effects

4 結(jié)論

(1)提出了一種水培生菜收獲后自動(dòng)縱向裝盒、封膜方法，并研制了樣機(jī)。利用聚攏氣缸、壓菜氣缸及導(dǎo)向環(huán)執(zhí)行生菜縱向裝盒，利用封膜機(jī)構(gòu)中柔性毛刷對(duì)薄膜的梳刷作用及薄膜自粘性完成封膜。

(2)基于高速攝像，提出了利用3個(gè)特征點(diǎn)量化生菜水平偏移、姿態(tài)角的方法；研究了導(dǎo)向環(huán)對(duì)生菜裝盒位姿特性的影響。裝盒位姿特性試驗(yàn)結(jié)果顯示：生菜入盒時(shí)，有導(dǎo)向環(huán)水平偏移平均值為5.8 mm，比無(wú)導(dǎo)向環(huán)時(shí)減小75.0%；有導(dǎo)向環(huán)姿態(tài)角平均值為17.9°，比無(wú)導(dǎo)向環(huán)時(shí)減小74.2%。導(dǎo)向環(huán)可減小生菜裝盒過(guò)程的偏移、翻轉(zhuǎn)，保證生菜縱向裝盒成功。

(3)正交試驗(yàn)結(jié)果顯示：切膜作業(yè)最優(yōu)參數(shù)組合為薄膜縱向切刀與薄膜夾角30°、拉膜輥拉膜速度300 mm/s、薄膜橫向切刀速度500 mm/s。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果顯示：最優(yōu)參數(shù)組合下，包裝成功率為96%，樣機(jī)單次包裝用時(shí)10.5 s，比人工縮短58%。