冬棗自動包裝生產(chǎn)線設(shè)計

朱金達(dá)，劉慶磊，鄭帥杰，閻寧 ，?；⒗囷w

1.河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（石家莊 050018）；2.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司（石家莊 050018）

冬棗是常見的一種水果，隨著對其營養(yǎng)價值的發(fā)掘，冬棗越來越受人們歡迎。人們對膳食結(jié)構(gòu)的調(diào)整和飲食習(xí)慣的改變，促進(jìn)了食品加工業(yè)的快速發(fā)展，增加了對高品質(zhì)的包裝機(jī)械和食品加工機(jī)械的需求[1]。目前，我國大部分果農(nóng)是以手工的方式對水果進(jìn)行大小分類，效率低下，勞動強(qiáng)度大，不能滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要[2]。冬棗生產(chǎn)中非常重要的環(huán)節(jié)就是保鮮包裝，如今冬棗的加工企業(yè)人工地分選、稱重、包裝，存在包裝效率低、勞動強(qiáng)度大、衛(wèi)生安全隱患等問題，嚴(yán)重影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率。為此，有必要設(shè)計一條冬棗自動包裝生產(chǎn)線，完成冬棗的輸送、壞果剔除、分級分揀、稱重、打包等工序。

關(guān)于類似食品包裝機(jī)械的設(shè)計，侯志利等[3]提出了一種可控連桿手指式紙箱封箱機(jī)的設(shè)計，通過可控連桿手指機(jī)構(gòu)中輸出軌跡的可控，完成不同規(guī)格紙箱搖蓋的折合和夾緊。劉丹丹等[4]設(shè)計開發(fā)了一種基于圖像處理的果蔬按大小分等及包裝的自動化生產(chǎn)線，

采用了滾筒傳輸帶輸送，通過圖像處理技術(shù)完成果蔬的大小分級包裝。韓芮等[5]設(shè)計可再封袋集合包裝生產(chǎn)線，采用差距輸送消除多袋重疊的問題，計算生產(chǎn)線節(jié)拍，合理規(guī)劃工序時間，實(shí)現(xiàn)可再封袋的合流、裝袋、貼標(biāo)和堆碼等功能。借鑒現(xiàn)有包裝設(shè)備與類似生產(chǎn)線[6-8]設(shè)計，設(shè)計一款針對冬棗的自動包裝生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)冬棗分揀到包裝，減少人工參與，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動化[9-10]。

1 冬棗自動包裝生產(chǎn)線設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

冬棗自動包裝生產(chǎn)線在保證分級分揀的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)冬棗的稱重，連續(xù)地完成冬棗包裝；包裝生產(chǎn)線應(yīng)操作簡單、移動方便、穩(wěn)定性好；能夠?qū)崿F(xiàn)不同質(zhì)量包裝箱的包裝；能夠充分借鑒現(xiàn)有包裝生產(chǎn)線；實(shí)現(xiàn)自動化冬棗包裝自動化，減輕勞動強(qiáng)度，能有效提高生產(chǎn)效率。冬棗的密度基本相同，按大小對冬棗進(jìn)行分級分選是合理的方式；生產(chǎn)能力1～2箱/min（7.5 kg/箱）；生產(chǎn)動力來源電力。

1.2 總體布局

冬棗自動包裝生產(chǎn)線采用分段柔性直線型生產(chǎn)線的布局方式，以分級分選、分段包裝為設(shè)計理念。分選分揀為主線，三條包裝線為支線，三種不同規(guī)格的冬棗占用三條相同的包裝線，其中第一規(guī)格冬棗線包裝生產(chǎn)線的冬棗直徑在0～26 mm，這條支線的布局形式呈U型，第二規(guī)格冬棗包裝線包裝生產(chǎn)線的冬棗直徑在27～33 mm，該支線的布局形式呈L型，第三規(guī)格冬棗包裝線包裝生產(chǎn)線的冬棗直徑在33 mm以上，該支線的布局形式呈U型。生產(chǎn)線總體布局如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線總體布局圖

1.3 工藝流程

因每批冬棗的3個等級的數(shù)量不同，需增加冬棗的儲料裝置，以便合理設(shè)計生產(chǎn)節(jié)拍。冬棗自動包裝生產(chǎn)中，工藝流程主要包括分揀、包裝兩大部分。首先人工上料，冬棗通過輸送帶傳送至壞果剔除裝置，對壞果進(jìn)行剔除。隨后進(jìn)入分級分選工位。冬棗分選之后進(jìn)行儲料裝、稱重、包裝與計數(shù)，完成冬棗的自動包裝過程。具體工藝流程見圖2。

圖2 工藝路線圖

1.4 分級分揀生產(chǎn)線

分級分揀生產(chǎn)線主要由輸送料機(jī)構(gòu)、壞果剔除機(jī)構(gòu)和分級分選機(jī)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。此段生產(chǎn)線主要完成對冬棗的輸送，對工人采摘時未能剔除的外形不符合要求的冬棗予以剔除。分揀采用PVC輸送帶，V帶體彈性較好，使用過程中不易變形；使用優(yōu)質(zhì)全棉、尼龍等作帶芯，用無污染的純天然橡膠配合劑制成白色或淡色，無異味污染，不影響食品衛(wèi)生；分揀過程中對冬棗損傷較小。冬棗從左邊進(jìn)入分揀機(jī)構(gòu)，在輸送帶的攜帶下自左向右運(yùn)動，相鄰輸送帶間的距離就是該等級下冬棗的分揀尺寸極值。

圖3 分級分選生產(chǎn)線

圖4為壞果剔除機(jī)構(gòu)。工作原理：工業(yè)攝像機(jī)1對正在運(yùn)輸?shù)亩瑮椷M(jìn)行拍照檢測，機(jī)器視覺系統(tǒng)對照片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，識別出外形不符合要求的冬棗，而后將該冬棗的位置信息傳輸給X軸工作臺2和Y軸工作臺3，XY軸工作臺移動到相應(yīng)位置后，氣缸4通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)推動夾板5將不符合要求的冬棗夾起，然后XY工作臺繼續(xù)工作，將夾板移動到廢料框6上方，這時氣缸4反向推動夾板5，將不符合要求的冬棗落入廢料框6。

圖4 壞果剔除機(jī)構(gòu)

工業(yè)相機(jī)為壞果剔除裝置的關(guān)鍵部件，相機(jī)和鏡頭的選型關(guān)系著剔除效果，因此對相機(jī)與鏡頭進(jìn)行計算與選型。

輸送機(jī)的寬度為400 mm，因此檢測視野的寬度為400 mm；根據(jù)機(jī)構(gòu)的設(shè)備空間布局，檢測高度最大為300 mm。取檢測精度為0.3。

將數(shù)據(jù)帶入上述公式，即：

根據(jù)冬棗的檢測要求，以及上述對分辨率和幀率的限制，選擇AI-SU500M相機(jī)。

鏡頭的焦距：

式中：h為相機(jī)靶面邊長，mm；H為拍攝視野的范圍邊長，mm；WD為工作距離，mm。

則焦距f=（h×WD）/H=6.75 mm。就近選擇焦距8 mm，則鏡頭型號選擇LB0828-10M，相機(jī)與鏡頭參數(shù)見表1。

表1 相機(jī)與鏡頭參數(shù)

通過已經(jīng)選好AI-SU500M相機(jī)與鏡頭LB0828-10M對冬棗外形進(jìn)行圖像采集，經(jīng)數(shù)據(jù)分析，形成如圖5所示的圖樣，滿足設(shè)計要求。根據(jù)不同的生產(chǎn)要求，能夠設(shè)置不同的缺陷大小閥值，實(shí)現(xiàn)對不同等級冬棗的分揀需求。

圖5 缺陷檢測示意圖

1.5 冬棗包裝生產(chǎn)線

冬棗包裝采用泡沫箱，此段生產(chǎn)線主要完成對冬棗的裝箱、稱重與封箱等功能，主要由提升機(jī)、儲料機(jī)構(gòu)、包裝箱供送和稱量機(jī)構(gòu)、封箱機(jī)構(gòu)和輸送與計數(shù)機(jī)構(gòu)等組成。包裝生產(chǎn)線如圖6所示。提升機(jī)通過電機(jī)和輸送帶將分揀后的冬棗提升至料倉，提升高度為1.9 m，輸送帶速度為0.9 m/s。提升機(jī)上方添加擋板，具有一定的防塵效果，采用橡膠輸送帶防止傷果，提升機(jī)兩端水平位置有張緊設(shè)置，轉(zhuǎn)彎處有導(dǎo)向輪固定皮帶。工作流程：包裝箱供送到稱重機(jī)構(gòu)，稱重機(jī)構(gòu)先由兩端氣缸夾緊泡沫箱，頂端氣缸將箱蓋吸起，料倉蓋開啟，冬棗落下，達(dá)到重量傳感器達(dá)到設(shè)定質(zhì)量后[11-13]，關(guān)閉料倉蓋，停止落料，頂端氣缸將箱蓋合上；包裝箱進(jìn)入橫向自動膠帶封口機(jī)，電機(jī)帶動主動軸轉(zhuǎn)動，主動軸帶動主動滾子轉(zhuǎn)動，主動滾子帶動輸送帶轉(zhuǎn)動，輸送帶將泡沫箱帶到導(dǎo)向壓緊板下面，沿著壓緊板進(jìn)入兩機(jī)芯之間，泡沫箱沿輸送帶向前平移，機(jī)芯工作完成封口工作；通過計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，人工碼垛。

圖6 包裝生產(chǎn)線

此段生產(chǎn)線為柔性生產(chǎn)線，儲料機(jī)構(gòu)目的是為了增加生產(chǎn)線整體的穩(wěn)定性和安全性，當(dāng)生產(chǎn)線上某臺設(shè)備發(fā)生故障時，不會立刻影響其余設(shè)備的正常工作[14]，儲料機(jī)構(gòu)如圖7所示。其中料倉是儲料機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，根據(jù)使用泡沫箱的體積0.02 m3，設(shè)計的料倉體積要大于此體積。為了節(jié)省動力和資源，料倉采用斜斗式設(shè)計，以便于物料流出。取料倉外壁尺寸為1000 mm×1000 mm×1000 mm，材料為304不銹鋼。

料倉打開后的等待時間為2 s，則冬棗流量：

每個冬棗質(zhì)量約為20 g，3.75 kg冬棗大約有188個，則：

試取出口截面0.2 m×0.2 m，單個冬棗的平均直徑為30 mm，平均最大截面積為0.0007 m2，則截面冬棗數(shù)量最大為：

將冬棗看作一個整體，冬棗與鐵板之間的摩擦忽略不計，則出口行程：

倉門通過氣缸驅(qū)動，進(jìn)行水平上的往復(fù)運(yùn)動，其運(yùn)動形式如圖8所示。打開倉門時，氣缸推動C使其沿直線CA達(dá)到C′位置，使B點(diǎn)繞軸點(diǎn)A進(jìn)行順時針旋轉(zhuǎn)85°達(dá)到B′，倉門打開；倉門關(guān)閉時，氣缸回拉，C′點(diǎn)沿直線AC平移至C點(diǎn)，B′點(diǎn)繞軸點(diǎn)A逆時針旋轉(zhuǎn)85°到B點(diǎn)。至此，一個完整的開關(guān)門動作結(jié)束。

圖8 倉門動作示意圖

取AB=100 mm，BC=200 mm。計算得AC=170 mm，CC′=70 mm。

2 生產(chǎn)線時間同步化設(shè)計

在冬棗自動包裝生產(chǎn)線中，所生產(chǎn)兩箱封口的冬棗之間的時間間隔是一個工作循環(huán)。由基本工藝時間Tk和輔助時間Tf組成自動機(jī)的工作循環(huán)時間Tp，對于任何執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動循環(huán)，輔助時間進(jìn)而可劃成為等待時間To和空行程時間Td兩個部分：

生產(chǎn)線的理論生產(chǎn)率：

由式（10）和（11）可知，減少自動機(jī)械的輔助時間Tk、Td和To能夠提高自動機(jī)械的理論生產(chǎn)率，Td與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律有關(guān)；Tk與工藝流程中的工藝參數(shù)有關(guān)，能夠通過高速平穩(wěn)的運(yùn)動來縮短；通過設(shè)計合理的循環(huán)圖可以減少等待時間To。冬棗分揀自動包裝機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動同步化設(shè)計如圖9所示。經(jīng)計算，包裝效率為40 s/箱，極大地提高了冬棗的包裝效率[15]。

圖9 自動包裝機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動同步化設(shè)計

3 結(jié)語

針對冬棗分揀機(jī)械化程度低、分揀效率低，人工分揀存在安全、衛(wèi)生等問題，提出了分級分揀、分段打包的設(shè)計理念；設(shè)計的冬棗自動包裝生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了冬棗的壞果剔除、自動分揀和自動包裝功能。通過對相機(jī)測試結(jié)果驗(yàn)證與生產(chǎn)節(jié)拍計算可知設(shè)計方案可行，今后可通過樣機(jī)制作實(shí)現(xiàn)冬棗自動包裝生產(chǎn)線的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。