基于UG的水果篩選封裝一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

董紹富 ， 劉成義 ， 張桐語 ， 樊 偉 ， 劉家全 ， 穆德敏，2

（1.沈陽工學(xué)院機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 撫順 113122；2.沈陽工學(xué)院遼寧省數(shù)控機(jī)床信息物理融合與智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

0 引言

自改革開放以來，我國科技發(fā)展勢頭迅猛，一舉躋身到了制造業(yè)大國的行列，并獲得了“世界工廠”的殊榮。隨著果園面積和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，果實(shí)的采收、篩選和封裝成為果農(nóng)的一大問題，大多數(shù)采用機(jī)械化采收。目前，一些篩選機(jī)構(gòu)與封裝機(jī)構(gòu)在位置精度的確定和占地面積上缺陷較多，如體積過大，不便移動[1]。

本文基于上述問題，設(shè)計了一款新型的水果篩選封裝一體機(jī)。應(yīng)用平行四連桿機(jī)構(gòu)、電動螺桿以及雙導(dǎo)軌導(dǎo)向定位等幾個功能模塊執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水果的篩選、封裝功能，并在此基礎(chǔ)上增強(qiáng)裝置機(jī)動性。采用噴霧器和電動毛刷對果實(shí)進(jìn)行清洗，以鋁型材作為支撐，使用Arduino微控制器完成各模塊間的運(yùn)動控制，滿足高精度、高承載和高效率的要求。

1 水果篩選封裝一體機(jī)項目概述

1.1 水果篩選封裝一體機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

設(shè)備整體采用立式布局，外殼使用車體結(jié)構(gòu)，外部設(shè)置推把，可通過人力推動，將其移動至不同的加工場景，滿足果農(nóng)對不同加工場景的需要[2]。

機(jī)身外殼設(shè)置多處檢修口，不僅便于檢修，還可用作耗材補(bǔ)充口，各檢修口上方設(shè)置有擋板，使用電動推桿完成進(jìn)給運(yùn)動，起到防塵的作用。機(jī)身及內(nèi)部各模塊設(shè)備使用具有優(yōu)良力學(xué)性能的鋁型材完成固定及支撐，由下至上，完成支撐結(jié)構(gòu)的建立，大大提升了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

篩選缸與清洗機(jī)構(gòu)緊貼，采用六點(diǎn)定位的方式被固定在機(jī)身外殼上，底部由鋁型材作為支撐，側(cè)面由螺栓完成螺紋夾緊固定工作。榨汁機(jī)構(gòu)設(shè)置在篩選缸下方，其上部漏斗緊貼篩選缸底部，與篩選口匹配，并起到了支撐作用[3]。封裝機(jī)構(gòu)使用三排料道，經(jīng)篩選后的果實(shí)分別落入軟管料道和漏斗中，起到了緩沖作用，避免果實(shí)因碰撞影響品質(zhì)。兩側(cè)為果實(shí)封箱料道，布置有電動傾斜板、送蓋機(jī)構(gòu)和壓蓋機(jī)構(gòu)。中間為果汁封裝料道，布置有榨汁機(jī)構(gòu)與果汁封裝機(jī)構(gòu)。并在傳送帶上布置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，防止箱體在運(yùn)行時發(fā)生位置偏移。在料道的傳送帶上布置限位擋板，防止在多工序同時運(yùn)行時相互干涉。設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 水果篩選封裝一體機(jī)的整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 水果篩選封裝一體機(jī)的工作原理

設(shè)備經(jīng)由人力推送到所需工作場景中后，可使用遙控器或按鍵開啟設(shè)備。設(shè)備開啟時，各擋板收起，準(zhǔn)備工作，其工作流程如圖2所示。

圖2 水果篩選封裝一體機(jī)工作流程圖

果實(shí)通過上蓋入口進(jìn)入清洗缸中。在果實(shí)被置入清洗缸的同時，壓力傳感器啟動，測算果實(shí)質(zhì)量。繼電器接收信號，電動毛刷與噴霧器啟動，先噴藥、再噴水，電動毛刷帶動果實(shí)，對果實(shí)進(jìn)行清洗消殺工作。經(jīng)清洗消殺后的果實(shí)被推入分選軌道，依照果實(shí)尺寸，由小到大，依次落入分選管道中。不滿足要求且尺寸較小的果實(shí)會被用于榨汁，其余符合要求的果實(shí)會經(jīng)由軟管料道落入箱體中，準(zhǔn)備封箱工作[4]。尺寸過大的果實(shí)可以打開機(jī)身外殼頂部設(shè)置的檢測口將其取出，再決定其用途。

電機(jī)帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，將塑料布置于塑料盒上，熱封頭開始升溫，將塑料布熔化。此時螺桿運(yùn)動，完成下壓工作，移至最大行程處，保壓1 s～2 s，冷卻頭工作，塑料布冷卻凝固。

經(jīng)篩選后的小果實(shí)落入榨汁機(jī)構(gòu)的漏斗中，完成榨汁工作，果汁流入下方塑料盒中，經(jīng)由反射式光電傳感器檢測液位高度，當(dāng)液面處于一定高度，且果汁封裝工序內(nèi)未檢測到箱體存在時，限位擋板開啟，塑料盒進(jìn)入果汁封裝機(jī)構(gòu)。

經(jīng)篩選后的大果實(shí)通過軟管料道落入下方箱體中，壓力傳感器啟動，測算果實(shí)質(zhì)量，箱體下方電動傾斜板上的電機(jī)接收反饋信號，依據(jù)箱體內(nèi)果實(shí)質(zhì)量控制轉(zhuǎn)動角度，采取往復(fù)運(yùn)動的形式，并在此基礎(chǔ)上控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，完成簡單的碼放工作[5]。滿足箱體內(nèi)部質(zhì)量要求后，電動傾斜板上電機(jī)轉(zhuǎn)動至最大角度，箱體即會從電動傾斜板上滑下。箱體從電動傾斜板上滑下后，進(jìn)入傳送帶，檢測到送蓋機(jī)構(gòu)下無箱體時，限位擋板開啟，傳送帶將其送入送蓋機(jī)構(gòu)中。

送蓋機(jī)構(gòu)上方設(shè)置有耗材補(bǔ)充口，可將蓋子存入機(jī)構(gòu)內(nèi)，接收到限位擋板開啟的信號后，上方電動推桿啟動，滑塊將上蓋推至箱口對應(yīng)位置，擋片撤出，蓋子落下，完成蓋子的放置工作。完成放置工作后，檢測到箱體封裝裝置下無箱體時，限位擋板開啟，傳送帶將其送入箱體封裝裝置中。

箱體進(jìn)入箱體封裝機(jī)構(gòu)后電動機(jī)啟動，帶動螺桿轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)螺紋傳動，壓板下壓，完成箱體封裝工作。完成箱體封裝工作后，限位擋板打開，傳送帶將箱體送出設(shè)備。

2 水果篩選封裝一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

2.1 水果篩選封裝一體機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)要求

電源：220 V，50 Hz；功率：370 W；工作方式：電動；生產(chǎn)能力：150 kg/h左右；篩選果實(shí)：蘋果；直徑d：1）d≤75 mm，2）75 mm＜d≤85 mm，3）85 mm＜d≤95 mm，4）95 mm＜d≤120 mm；外形尺寸：長1 750 mm×寬1 190 mm×高1 455 mm。

2.2 清洗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 清洗機(jī)構(gòu)的控制部分

清洗機(jī)構(gòu)由Arduino微控制器完成整個流程的控制工作，水果篩選封裝一體機(jī)需依靠Arduino微控制器完成整個機(jī)體的控制，但其額定電壓僅有5 V，而外接電源和用電器的額定電壓皆為220 V。因此，需加裝繼電器，達(dá)到弱電控制強(qiáng)電和保護(hù)電路的效果。

清洗機(jī)構(gòu)中，Arduino微控制器主要被應(yīng)用在電動毛刷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、壓力傳感器的測算、噴霧器的噴灑和儲水箱的液位監(jiān)測工作上。

2.2.2 篩選缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計部分

在篩選裝置中，篩選缸緊貼清洗缸，并在缸體底部設(shè)有緩沖管道。其布置形式如圖3所示，采用六點(diǎn)定位的形式對篩選裝置進(jìn)行完全定位。清洗缸與篩選缸在水果的運(yùn)動軌跡上布置膠皮，不僅起到了保護(hù)果實(shí)表皮的作用，還在表面有水為潤滑條件的情況下，起到減小摩擦的作用[6]。

圖3 篩選缸俯視圖

篩選裝置采用螺旋軌道，使用圓角作導(dǎo)向，降低果實(shí)表皮的破損風(fēng)險，且可分散應(yīng)力，防止應(yīng)力集中，在受力上更便于實(shí)現(xiàn)果實(shí)的運(yùn)輸工作。

篩選缸可篩選的果實(shí)直徑有以下四種：1）d≤75 mm，2）75 mm＜d≤85 mm，3）85 mm＜d≤95 mm，4）95 mm＜d≤120 mm。

篩選裝置中的每個篩選口都比被篩選果實(shí)的直徑大5 mm，并在篩選口處設(shè)置45°倒角，保障滿足尺寸要求的果實(shí)在通過相應(yīng)篩選口時進(jìn)入下方管道。篩選缸中的導(dǎo)向板間距為120 mm，相對常規(guī)尺寸大5 mm，有少部分超過正常水平的果實(shí)可通過機(jī)體外殼上方的檢測口將其取出，具體用途，可參考果農(nóng)實(shí)際需求將其置于不同的機(jī)構(gòu)內(nèi)[7]。

d≤75 mm的果實(shí)被用于制作果汁，經(jīng)清洗消殺工作后，果實(shí)落入榨汁機(jī)構(gòu)中，完成榨汁工作。75 mm＜d≤95 mm的果實(shí)會被送入箱體，進(jìn)行碼放作業(yè)。

2.3 封裝部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

果實(shí)的封裝機(jī)構(gòu)包含壓力板、壓力傳感器、送蓋機(jī)構(gòu)等，如圖4所示。主要運(yùn)動依靠電機(jī)帶動螺桿，通過螺紋的有效距離，將曲線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，完成封裝壓蓋部分的直線進(jìn)給運(yùn)動[8]。

圖4 封裝機(jī)構(gòu)

2.4 其他零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.4.1 送蓋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

送蓋機(jī)構(gòu)包括支撐架、直線導(dǎo)軌、滑塊、擋片和擋板等，采用立式布局，主要運(yùn)動依靠電動推桿帶動滑塊，完成箱蓋存儲和輸入的進(jìn)給運(yùn)動。

在果實(shí)完成篩選工作后，通過管道置入箱體的過程中，壓力傳感器對箱體重量進(jìn)行測算，每增加一定的重量，電機(jī)便會旋轉(zhuǎn)一定的角度，直至最終傾斜角度足夠使箱體滑入傳送帶中，再經(jīng)由橫梁完成箱體的導(dǎo)向，進(jìn)入壓蓋輸送口下方[9]。

送蓋機(jī)構(gòu)起到了將上蓋置于箱體上的作用，另外可通過側(cè)口及時補(bǔ)充壓蓋，當(dāng)機(jī)構(gòu)中的壓蓋不足時，紅外傳感器反饋信號，提醒果農(nóng)及時補(bǔ)充壓蓋，機(jī)體檢測到電機(jī)反轉(zhuǎn)時將箱體送至壓蓋機(jī)構(gòu)。

2.4.2 壓蓋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

壓蓋機(jī)構(gòu)采用推送的原理，使用電機(jī)帶動螺桿，將曲線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動。下方使用滾子下壓四邊封裝扣，使用彈簧作為壓力的緩沖，完成壓蓋封裝工作，機(jī)體檢測到電機(jī)反轉(zhuǎn)后，傳送帶將箱體送出[10]。

3 結(jié)論

本文經(jīng)過對水果篩選封裝一體機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，得出以下結(jié)論：

1）采用了機(jī)械式自動分級技術(shù)完成篩選工作，雖在檢測指標(biāo)上具有一定的局限性，但極大地提高了生產(chǎn)率，且相對更容易實(shí)現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上增加了清洗消殺的功能。

2）本設(shè)備的封裝定位主要通過阻擋裝置、導(dǎo)向板、導(dǎo)向裝置和平行四連桿等機(jī)構(gòu)完成。進(jìn)給運(yùn)動主要靠電機(jī)帶動螺桿，使曲線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動完成。另外，由下至上，使用鋁型材結(jié)合三角架的支撐方法，極大地提升了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3）本設(shè)備采用Arduino微控制器完成各執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的運(yùn)動控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測，其體積小、適用范圍廣的特點(diǎn)符合設(shè)備設(shè)計要求。