鮮食葡萄袋中袋包裝裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉 平 高德政 王春穎 李雙雙

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械化、智能化的發(fā)展，機(jī)械臂取代人工是鮮食葡萄采收的趨勢(shì)[1-4]，由于鮮食葡萄含水量較高，在采收、包裝和運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)因缺少有效保護(hù)造成磨損、擠壓、破裂和脫粒等損傷。亟需設(shè)計(jì)一款聯(lián)合機(jī)械臂協(xié)同采摘的包裝裝置，采摘后即時(shí)收集，避免上述損傷。

徐勤超等[5]設(shè)計(jì)球形水果塑料發(fā)泡網(wǎng)套包裝機(jī)，采用柔性擴(kuò)膜錐體擴(kuò)膜，倒刺卡桶下膜包裝；張克平等[6]設(shè)計(jì)氣動(dòng)式水果包裝機(jī)，編寫(xiě)PLC程序?qū)ο到y(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行控制，完成水果網(wǎng)套過(guò)程中的連續(xù)動(dòng)作；而鮮食葡萄果實(shí)表皮較薄，汁水豐富，上述設(shè)計(jì)并不適用。張虎等[7]研究了不同機(jī)械損傷對(duì)葡萄果實(shí)質(zhì)地的影響，肖越等[8]研究了不同包裝下的葡萄在貯運(yùn)過(guò)程中跌落與震動(dòng)損傷，為合理選擇葡萄包裝提供理論基礎(chǔ)，但均未做出包裝裝置，且針對(duì)鮮食葡萄機(jī)械采摘后自動(dòng)包裝機(jī)械相關(guān)研究較少。

目前，越來(lái)越多的鮮食葡萄種植戶選擇氣體包裝進(jìn)行緩沖[9-13]，其中袋中袋的包裝方式可有效避免葡萄運(yùn)輸過(guò)程中的損傷，且充氣完畢無(wú)需封口，提高鮮食葡萄包裝效率。但其充氣過(guò)程是人工依據(jù)經(jīng)驗(yàn)完成，沒(méi)有統(tǒng)一的充氣標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致充氣氣壓不同而保護(hù)效果參差不齊。因此本文分析袋內(nèi)氣壓與鮮食葡萄保護(hù)效果的關(guān)系，設(shè)計(jì)鮮食葡萄袋中袋包裝裝置，聯(lián)合機(jī)械臂采摘鮮食葡萄，取代人工采收和充氣包裝，提高葡萄采摘效率，減少運(yùn)輸過(guò)程中的損傷。

1 鮮食葡萄袋中袋采收末端結(jié)構(gòu)與工作原理

鮮食葡萄袋中袋采收末端主要包含鮮食葡萄袋中袋包裝裝置和機(jī)械臂，兩者協(xié)同工作，完成葡萄的無(wú)損采摘、收集和包裝過(guò)程。

1.1 鮮食葡萄袋中袋包裝裝置結(jié)構(gòu)

針對(duì)籬壁種植模式的鮮食葡萄，設(shè)計(jì)了鮮食葡萄袋中袋包裝裝置，如圖1，主要由儲(chǔ)袋箱、取袋機(jī)構(gòu)、撐袋機(jī)構(gòu)和充氣機(jī)構(gòu)組成。儲(chǔ)袋箱前部開(kāi)有取袋窗口，便于取袋，推袋板與儲(chǔ)袋箱后部彈簧連接，通過(guò)彈簧擠壓向前推袋。取袋轉(zhuǎn)板和撐袋平板安裝于儲(chǔ)袋箱的兩側(cè)，取袋轉(zhuǎn)板由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，撐袋平板由撐袋電缸驅(qū)動(dòng)，取袋轉(zhuǎn)板和撐袋平板均安裝真空吸盤(pán)，通過(guò)空壓機(jī)連接真空發(fā)生器提供負(fù)壓。電動(dòng)推桿固定于取袋轉(zhuǎn)板內(nèi)側(cè)，推桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)高壓充氣噴頭上下移動(dòng)，完成充氣動(dòng)作，具體參數(shù)如表1。

圖1 鮮食葡萄袋中袋包裝裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Fresh grapes bag-in-bag packaging device structure diagram1.旋轉(zhuǎn)電機(jī) 2.吸盤(pán) 3.電動(dòng)推桿 4.高壓充氣噴頭 5.取袋轉(zhuǎn)板 6.儲(chǔ)袋箱 7.推袋板 8.聯(lián)軸器 9.撐袋平板 10.撐袋電缸 11.底座

表1 鮮食葡萄袋中袋包裝裝置參數(shù)Tab.1 Parameter of bag-in-bag packaging device for fresh grapes

由于袋中袋是軟性材料，其充氣孔與充氣噴頭之間易因受力不均產(chǎn)生形變，市面上的噴頭均較粗，無(wú)法滿足充氣需求。因此設(shè)計(jì)充氣機(jī)構(gòu)，3D打印符合袋中袋充氣口尺寸的高壓充氣噴頭和袋口支撐環(huán)。袋口支撐環(huán)放置袋中袋充氣通道頂部，將軟性袋口撐開(kāi)，確保高壓充氣噴頭下降時(shí)能夠順利插入。

1.2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

機(jī)械臂選擇Denso 6軸6自由度機(jī)械臂，底座尺寸160 mm×160 mm，手臂寬度為110 mm，響應(yīng)速度快，定位精度高。為滿足采摘需求，設(shè)計(jì)了拍攝—剪切—夾持機(jī)構(gòu)，主要包括深度相機(jī)、舵機(jī)、異型齒盤(pán)、單面刀片、連接桿和夾持片等零件[14]，如圖2。

圖2 拍攝—剪切—夾持機(jī)構(gòu)實(shí)物圖Fig.2 Photo-shear-holding mechanism physical picture1.夾持片 2.深度相機(jī) 3.SAIBO舵機(jī) 4.異型齒盤(pán) 5.連接桿 6.單面刀片

1.3 鮮食葡萄袋中袋采收末端工作原理

鮮食葡萄袋中袋包裝裝置與機(jī)械臂協(xié)同工作，完成葡萄的無(wú)損采收，如圖3。在葡萄采摘過(guò)程中，首先，位于機(jī)械臂末端的深度相機(jī)識(shí)別到葡萄后，將深度相機(jī)與葡萄的距離信息反饋到PC端，不斷調(diào)節(jié)拍攝—剪切—夾持機(jī)構(gòu)位置與葡萄距離為250 mm，正對(duì)葡萄進(jìn)行拍攝，將圖像傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)圖像處理后獲取葡萄位置和果實(shí)面積信息，通過(guò)控制舵機(jī)開(kāi)合完成剪切和夾持動(dòng)作，機(jī)械臂夾持葡萄移動(dòng)至袋口上方。

圖3 鮮食葡萄袋中袋包裝裝置與機(jī)械臂協(xié)同工作示意圖Fig.3 Schematic of bag-in-bag packaging device for fresh grapes worked in tandem with robotic arm

機(jī)械臂采摘葡萄同時(shí)，鮮食葡萄袋中袋包裝裝置的旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)取袋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動(dòng)90°至儲(chǔ)袋箱窗口，吸盤(pán)將袋中袋吸牢，取袋轉(zhuǎn)板復(fù)位至初始位置，將袋中袋取出(圖4a)；撐袋電缸驅(qū)動(dòng)撐袋平板伸出，撐袋平板的吸盤(pán)接觸到袋中袋后，真空發(fā)生器為吸盤(pán)提供負(fù)壓，將袋中袋吸牢，撐袋電缸帶動(dòng)吸盤(pán)回縮，保持袋口撐開(kāi)，等待鮮食葡萄落入(圖4b)。

機(jī)械臂夾持裝置釋放葡萄落入袋中后，給袋中袋包裝裝置發(fā)送信號(hào)，電動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)高壓充氣噴頭下落(圖4c)。開(kāi)始充氣，按照果實(shí)圖像大小與充氣時(shí)間關(guān)系確定充氣時(shí)間，完成充氣過(guò)程(圖4d)。充氣完畢后，吸盤(pán)停止提供負(fù)壓，包裝完畢的葡萄落入收集筐，完成鮮食葡萄收集過(guò)程。

圖4 包裝過(guò)程示意圖Fig.4 Packaging process diagrams

2 鮮食葡萄袋中袋包裝裝置關(guān)鍵參數(shù)確定

2.1 葡萄力學(xué)特性分析

選擇多種果穗形態(tài)的巨峰葡萄12串，每串隨機(jī)挑選帶果梗葡萄10粒，共計(jì)120粒，測(cè)量其單粒平均赤道直徑為28.88 mm，用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量所選葡萄縱向破裂力，試驗(yàn)過(guò)程中將葡萄放置于試驗(yàn)臺(tái)，保持果梗與試驗(yàn)臺(tái)平行，選取圓形平面壓頭，直徑50 mm，以0.25 mm/s的加載速率緩慢加載，探頭首先與葡萄赤道部分接觸，隨著探頭的下降，葡萄頭部先發(fā)生破裂，記錄破裂時(shí)載荷，如圖5和圖6，所測(cè)葡萄的平均破裂力為18.63 N，最小破裂力為16.25 N，因此袋內(nèi)充氣氣壓對(duì)葡萄的壓力應(yīng)小于16.25 N。

圖5 單粒葡萄擠壓示意圖Fig.5 Single grape squeeze diagram1.試驗(yàn)臺(tái) 2.破裂位置 3.質(zhì)構(gòu)儀平板探頭 4.果梗 5.赤道直徑

圖6 單粒葡萄擠壓試驗(yàn)Fig.6 Single grape squeeze test

2.2 最佳充氣氣壓確定

袋中袋充氣完畢后，內(nèi)袋完全緊貼在葡萄上，如圖7，袋內(nèi)氣壓會(huì)對(duì)葡萄產(chǎn)生一定的壓力，氣壓越大，壓力越大，為了避免在充氣時(shí)將葡萄擠裂，對(duì)單個(gè)葡萄的力學(xué)特性進(jìn)行分析，確定最大充氣氣壓。

圖7 葡萄受袋中袋內(nèi)袋擠壓力示意圖Fig.7 Grapes subjected to bag-in-bag inner bag squeeze pressure diagram

充氣完畢后的袋中袋將葡萄完全包裹，袋中袋內(nèi)袋與葡萄接觸處的葡萄受到的力最大，最容易破裂[15]，如圖8。

圖8 單粒葡萄受力分析圖Fig.8 Single grape force analysis diagrams

接觸點(diǎn)處的葡萄與袋中袋內(nèi)袋接觸，接觸力為F，與相鄰葡萄對(duì)接觸點(diǎn)處葡萄作用的合力∑Fi相等。接觸點(diǎn)處葡萄對(duì)相鄰葡萄的作用力Fi3等于內(nèi)部其他葡萄對(duì)該葡萄的合力∑Fj，根據(jù)力的傳遞性和作用力與反作用力可得F>Fi3>Fj3，因此，若與內(nèi)袋接觸的葡萄未發(fā)生破裂，內(nèi)部葡萄也不會(huì)發(fā)生破裂，因此依據(jù)單粒葡萄擠壓破裂試驗(yàn)，確定單粒葡萄的擠壓破裂力，充氣氣壓產(chǎn)生的壓力應(yīng)小于單粒葡萄的擠壓破裂力。確保充氣的氣壓所產(chǎn)生的壓力應(yīng)小于單粒葡萄的最小破裂力要求。

由于葡萄排列緊湊，其最外層單粒葡萄與袋中袋內(nèi)袋接觸的面積Sg范圍為

(1)

式中S——單粒葡萄表面積，mm2

取單粒葡萄為研究對(duì)象，根據(jù)公式

(2)

S=4πr2

(3)

S1=πr2

(4)

式中Fmax——內(nèi)袋對(duì)最外層葡萄最大壓力，N

pmax——袋內(nèi)氣體最大氣壓，Pa

S1——葡萄赤道橫截面積，mm2

r——葡萄赤道部分半徑，mm

最大氣壓產(chǎn)生的壓力Fmax與葡萄破裂最小力相同，均為16.25 N，赤道部分半徑為14.44 mm，袋中袋內(nèi)袋與單粒葡萄接觸面積取S/2，計(jì)算得pmax=24.8 kPa，即充氣氣壓不能超過(guò)24.8 kPa。

考慮到充氣完畢后葡萄在落入收集筐的瞬間，袋內(nèi)氣壓會(huì)由于撞擊急劇增大，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定最佳充氣氣壓。選擇大小相近、成熟度一致的巨峰葡萄60串，分為12組，每組5串。1組作為對(duì)照組，不做處理，其余11組作為試驗(yàn)組，試驗(yàn)跌落高度設(shè)置600 mm(鮮食葡萄袋中袋包裝裝置與收集筐高度為300～600 mm可調(diào)節(jié)，600 mm為最高跌落高度)。對(duì)照組不跌落，試驗(yàn)組同時(shí)進(jìn)行跌落試驗(yàn)，其余11組向袋內(nèi)充氣至袋內(nèi)氣壓分別為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 kPa。跌落保護(hù)效果通過(guò)表面破裂指數(shù)[16]、表面硬度[17]、質(zhì)量損失率[18]和穿刺破裂力4個(gè)損傷指標(biāo)來(lái)衡量：

(1)表面破裂指數(shù)反映破裂損傷。把跌落后葡萄裂縫長(zhǎng)度劃為4個(gè)等級(jí)：0級(jí)，未破裂；1級(jí)，裂縫長(zhǎng)度占葡萄縱向直徑的0～10%；2級(jí)，裂縫長(zhǎng)度占葡萄縱向直徑的10%～30%；3級(jí)，裂縫長(zhǎng)度超過(guò)30%。通過(guò)細(xì)線測(cè)量裂縫長(zhǎng)度和葡萄周長(zhǎng)，計(jì)算表面破裂指數(shù)，表面破裂指數(shù)的計(jì)算公式為

(5)

式中Is——表面損傷指數(shù)

li——破裂級(jí)別mt——總果實(shí)數(shù)

mi——該級(jí)破裂果實(shí)數(shù)

(2)表面硬度反映擠壓損傷。采用島津(日本)質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量跌落試驗(yàn)后未破裂的葡萄赤道部分表面硬度，設(shè)定圓形平板探頭(直徑50 mm)，速度為0.25 mm/s。每串取10粒未破裂的葡萄進(jìn)行測(cè)量。

(3)質(zhì)量損失率反映脫粒損傷。用天平測(cè)量每串葡萄跌落前后的質(zhì)量。計(jì)算公式為

(6)

式中rm——質(zhì)量損失率，%

mf——跌落前質(zhì)量，kg

ma——跌落后質(zhì)量，kg

(4)穿刺破裂力反映果實(shí)口感[19]。采用島津(日本)質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量跌落后未破裂的赤道部分穿刺破裂力，選取柱形探頭(直徑2 mm)，速度為0.25 mm/s。每串取10粒未破裂的葡萄進(jìn)行測(cè)量。

對(duì)照組表面破裂指數(shù)為0，表面硬度為18.63 N，質(zhì)量損失率為0，穿刺破裂力為3.25 N。試驗(yàn)組的損傷指標(biāo)平均值和方差如圖9。

圖9 不同充氣氣壓下跌落保護(hù)效果試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test results of fall protection effect under different inflation air pressures

充氣氣壓為4 kPa時(shí)，表面破裂指數(shù)低于其他幾組，只有2.3%，保護(hù)效果最好。

充氣氣壓低于2 kPa時(shí)，葡萄的表面硬度較低，說(shuō)明充入氣壓較低，葡萄果粒與地面發(fā)生碰撞導(dǎo)致保護(hù)效果不佳，充氣氣壓超過(guò)6 kPa，表面硬度下降，說(shuō)明充入氣壓過(guò)高，葡萄在跌落過(guò)程中袋中袋受到撞擊時(shí)氣壓過(guò)大，內(nèi)袋擠壓葡萄，表面硬度下降。

充氣氣壓為3～5 kPa時(shí)，質(zhì)量損失率較低，均保持在5%上下，4 kPa時(shí)質(zhì)量損失率最低，為3.1%，低于2 kPa或超過(guò)6 kPa，質(zhì)量損失率較高，說(shuō)明充入氣壓過(guò)低或過(guò)高，在跌落的瞬間造成葡萄較為嚴(yán)重的脫粒損傷。

對(duì)于跌落未破裂的葡萄，充入氣壓對(duì)穿刺破裂力基本無(wú)影響，即口感基本不會(huì)改變。

綜上所述，充氣氣壓為4 kPa時(shí)，表面破裂指數(shù)為2.3%，表面硬度為15.1 N，質(zhì)量損失率為3.1%，穿刺破裂力為2.95 N，保護(hù)效果最佳。

2.3 吸盤(pán)直徑和撐袋距離確定

為保證機(jī)械臂夾持鮮食葡萄釋放落入袋中時(shí)撐袋過(guò)程能夠保持袋中袋不掉落，對(duì)撐袋過(guò)程中袋中袋受力分析，如圖10所示。在撐袋過(guò)程中，4個(gè)吸盤(pán)與袋中袋形成4點(diǎn)接觸，果實(shí)重力為G，袋中袋的質(zhì)量可以忽略，吸盤(pán)與袋中袋的摩擦力為Ff，吸盤(pán)吸力為Fs，吸盤(pán)吸牢袋中袋且不掉落的臨界條件：果實(shí)重力小于等于袋中袋與吸盤(pán)之間產(chǎn)生的最大靜摩擦力[20-21]。

圖10 撐袋過(guò)程袋中袋受力分析Fig.10 Force analysis of bag-in-bag in process of bag propping

4個(gè)吸盤(pán)吸住袋中袋時(shí)產(chǎn)生的最小吸力Fs滿足

(7)

式中μ——真空吸盤(pán)與袋中袋的摩擦因數(shù)

葡萄質(zhì)量在0.2～2 kg之間，μ在0.8左右，取葡萄質(zhì)量為2 kg，摩擦因數(shù)為0.8，可得Fs=6.125 N，即在選擇氣動(dòng)裝置時(shí)，為保證撐袋裝置穩(wěn)定性，要求每個(gè)吸盤(pán)均至少能提供6.125 N的吸力?？諌簷C(jī)氣壓為800 kPa，真空發(fā)生器最大負(fù)壓為-800 kPa，采用豎直起吊方式，如圖11，所購(gòu)買(mǎi)吸盤(pán)內(nèi)負(fù)壓為真空發(fā)生器負(fù)壓的70%。

圖11 起吊方式示意圖Fig.11 Diagram of lifting method

為保證撐袋過(guò)程中葡萄落入袋內(nèi)時(shí)袋中袋不跌落，需確定吸盤(pán)直徑。

根據(jù)機(jī)器人真空泵選型得吸盤(pán)直徑的計(jì)算公式為

(8)

其中pk=(0.63～0.95)pv

(9)

式中D——吸盤(pán)直徑，mm

W——吸盤(pán)吸取物體的重力，N

t1——安全系數(shù)，水平起吊時(shí)，t1≥4，豎直起吊時(shí)，t1≥8

ni——吸盤(pán)個(gè)數(shù)

pk——吸盤(pán)內(nèi)真空度，kPa

pv——真空發(fā)生器或真空泵最大負(fù)壓，kPa

得出吸盤(pán)直徑應(yīng)大于28.46 mm，因此，選擇標(biāo)準(zhǔn)吸盤(pán)直徑為30 mm。

撐袋過(guò)程中為了保證袋口能夠撐至最大，需要對(duì)撐袋距離和同側(cè)吸盤(pán)距離進(jìn)行確定，撐袋過(guò)程中吸盤(pán)移動(dòng)俯視圖如圖12，同側(cè)吸盤(pán)距離為c，兩側(cè)吸盤(pán)距離為a，撐袋距離為b，在撐袋過(guò)程中，撐袋電缸控制撐袋吸盤(pán)回縮，慢慢將袋中袋打開(kāi)，袋口周長(zhǎng)保持500 mm不變，為了使袋口內(nèi)接圓直徑最大，在吸盤(pán)移動(dòng)過(guò)程中，內(nèi)接圓直徑r=min(a,b)不斷變化，當(dāng)a=b時(shí)，內(nèi)接圓直徑最大，r=125 mm，同側(cè)吸盤(pán)距離c為95 mm。

圖12 撐袋過(guò)程中吸盤(pán)移動(dòng)俯視圖Fig.12 Top view of suction cup movement in process of bag support

2.4 最佳充氣時(shí)間確定

不同體積的葡萄裝到相同大小的袋中，為保證充氣完畢后能夠達(dá)到最優(yōu)的保護(hù)效果，向袋內(nèi)充氣時(shí)間是不同的，由于袋中袋單向進(jìn)氣的特點(diǎn)，不將其戳破很難得到其內(nèi)部的氣壓，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)分析葡萄體積與充氣時(shí)間的關(guān)系，根據(jù)葡萄體積自調(diào)節(jié)最優(yōu)充氣時(shí)間，保證每一串葡萄在包裝完畢后都能達(dá)到最佳的保護(hù)效果。

準(zhǔn)備25串體積不同、新鮮的巨峰葡萄，通過(guò)深度相機(jī)正對(duì)葡萄250 mm拍照，圖像處理獲取果實(shí)圖像大小信息(白色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)表示圖像中葡萄面積)，如圖13，通過(guò)排水法測(cè)量葡萄體積，再將已知體積的葡萄裝入袋中袋內(nèi)，進(jìn)行充氣，通過(guò)氣壓表連接氣針，將袋戳破，實(shí)時(shí)測(cè)量袋內(nèi)氣壓，當(dāng)氣壓為4 kPa時(shí)，停止充氣，記錄充氣時(shí)間。

圖13 圖像處理獲得葡萄像素點(diǎn)數(shù)Fig.13 Image processing to obtain number of grape pixel points

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立果實(shí)圖像大小與充氣時(shí)間的關(guān)系模型

t=6.89×10-10Pi-2.37×10-4Pi+25.99

(10)

式中t——充氣時(shí)間，s

Pi——葡萄圖像像素點(diǎn)數(shù)

擬合曲線如圖14所示。

圖14 葡萄像素點(diǎn)數(shù)與充氣時(shí)間關(guān)系曲線Fig.14 Curve of grape pixel count versus inflation time

鮮食葡萄袋中袋包裝裝置的自調(diào)節(jié)充氣原理如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)接收到PC端返回的果實(shí)圖像大小信息，根據(jù)式(10)計(jì)算該串葡萄所需充氣時(shí)間，通過(guò)控制電磁閥的關(guān)斷時(shí)間來(lái)控制充氣時(shí)間，完成自動(dòng)充氣過(guò)程。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鮮食葡萄袋中袋包裝裝置與機(jī)械臂協(xié)同工作，可實(shí)現(xiàn)鮮食葡萄的無(wú)損采收包裝，整體控制流程如圖15。

圖15 控制系統(tǒng)流程圖Fig.15 Control system flow chart

機(jī)械臂通過(guò)PC端控制，袋中袋包裝裝置控制系統(tǒng)程序采用C語(yǔ)言在Keil u Vision 5開(kāi)發(fā)環(huán)境中編寫(xiě)，以正點(diǎn)原子STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板為核心，主程序調(diào)動(dòng)相應(yīng)的若干模塊實(shí)現(xiàn)整個(gè)袋中袋收集、充氣和包裝過(guò)程。

控制過(guò)程：在葡萄采摘過(guò)程中，首先，位于機(jī)械臂末端的深度相機(jī)識(shí)別到葡萄后移動(dòng)至距離葡萄25 cm處，正對(duì)葡萄拍攝圖像，將圖像傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)圖像處理后獲取葡萄位置和果實(shí)圖像大小信息，同時(shí)，袋中袋包裝裝置完成取袋和撐袋動(dòng)作，當(dāng)撐袋準(zhǔn)備完畢后，裝置向單片機(jī)發(fā)送完成指令，單片機(jī)判斷機(jī)械臂是否移動(dòng)到袋中袋上方，若未完成，繼續(xù)等待，若已就位，機(jī)械臂釋放葡萄，落入袋中。高壓充氣噴頭下落，等待單片機(jī)發(fā)送充氣時(shí)間信息，接收到信息后，按照此時(shí)間控制充氣噴頭的開(kāi)關(guān)，完成充氣過(guò)程，實(shí)現(xiàn)鮮食葡萄無(wú)損采收。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

選購(gòu)40串成熟度一致、表面無(wú)損傷的巨峰葡萄進(jìn)行包裝跌落保護(hù)試驗(yàn)，樣品質(zhì)量為0.30～0.65 kg，機(jī)械與人工各包裝20串后進(jìn)行跌落保護(hù)試驗(yàn)，跌落高度設(shè)置為300 mm。袋中袋包裝裝置樣機(jī)如圖16。

圖16 鮮食葡萄袋中袋包裝裝置Fig.16 Fresh grapes bag-in-bag packaging device1.單面刀片 2.充氣機(jī)構(gòu) 3.電缸支架 4.袋中袋 5.儲(chǔ)袋箱 6.聯(lián)軸器 7.旋轉(zhuǎn)電機(jī) 8.連接桿 9.深度相機(jī) 10.真空吸盤(pán) 11.機(jī)械臂

通過(guò)包裝試驗(yàn)考核樣機(jī)的平均包裝時(shí)長(zhǎng)、平均氣壓偏差率、平均表面破裂率、平均脫粒率、工作效率和包裝合格率。機(jī)械包裝結(jié)果如圖17，包裝試驗(yàn)結(jié)束后將葡萄取出，機(jī)械包裝與人工包裝的鮮食葡萄損傷情況對(duì)比如圖18，試驗(yàn)結(jié)果如表2。

圖17 包裝結(jié)果Fig.17 Packaging result1.袋中袋 2.氣針 3.巨峰葡萄 4.軟PU管 5.數(shù)字氣壓表

圖18 機(jī)械與人工包裝對(duì)比Fig.18 Mechanical and manual packaging comparison charts

表2 機(jī)械與人工包裝試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Mechanical and manual packaging test results

平均包裝時(shí)長(zhǎng)ts為

(11)

式中ti——第i串葡萄包裝時(shí)長(zhǎng)，s

n——試驗(yàn)葡萄串?dāng)?shù)，取20

最大氣壓偏差pm為

pm=max(|pi-ps|)

(12)

式中pi——第i串葡萄袋內(nèi)氣壓，Pa

ps——標(biāo)準(zhǔn)氣壓，取4 kPa

平均氣壓偏差率dp為

(13)

平均表面破裂率rd為

(14)

式中ci——第i串葡萄破裂粒數(shù)

ai——第i串葡萄總粒數(shù)

平均脫粒率rf為

(15)

式中fi——第i串葡萄脫粒數(shù)

工作效率e為

(16)

包裝合格率dq為

(17)

式中nq——未脫粒、未破裂的葡萄總串?dāng)?shù)

4.2 結(jié)果分析

由表2可知，鮮食葡萄袋中袋包裝裝置平均包裝時(shí)長(zhǎng)為28.4 s，試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)械連續(xù)工作，運(yùn)行平穩(wěn)，最大氣壓偏差為0.2 kPa，平均氣壓偏差率為1.1%，平均表面破裂指數(shù)為1.5%，平均脫粒率為0.2%，每小時(shí)可包裝126串，包裝合格率為95%。人工平均單果包裝時(shí)間為24.6 s，最大氣壓偏差為1.8 kPa,平均氣壓偏差率為11.4%，平均表面破裂率為6.1%，平均脫粒率為0.8%，每小時(shí)可包裝145串，包裝合格率為70%。袋中袋包裝裝置包裝的最大氣壓偏差、平均氣壓偏差率、平均表面破裂指數(shù)和平均脫粒率指標(biāo)都遠(yuǎn)低于人工，充入氣壓穩(wěn)定，保護(hù)效果好。但機(jī)械包裝的工作效率略低于人工，可通過(guò)改進(jìn)包裝過(guò)程，或者多組機(jī)械同時(shí)作業(yè)提高效率。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了鮮食葡萄袋中袋包裝裝置，以葡萄表面硬度、質(zhì)量損失率、表面破裂指數(shù)和穿刺破裂力為損傷指標(biāo)，確定袋中袋包裝裝置最佳充氣氣壓為4 kPa，通過(guò)撐袋過(guò)程袋中袋受力分析與袋口形狀分析，確定吸盤(pán)直徑、撐袋距離和同側(cè)吸盤(pán)距離為30、125、 95 mm。

(2)建立葡萄果實(shí)圖像大小與充氣時(shí)間的關(guān)系模型，保證不同體積的葡萄在充氣包裝完畢后都能達(dá)到最優(yōu)的保護(hù)效果。

(3)樣機(jī)試驗(yàn)表明，樣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，平均單果包裝時(shí)長(zhǎng)為28.4 s，最大氣壓偏差為0.2 kPa，平均氣壓偏差率為1.1%，平均表面破裂指數(shù)為1.5%，平均脫粒率為0.2%，每小時(shí)可包裝126串，包裝合格率為95%。

(4)機(jī)械包裝效果明顯優(yōu)于人工，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，但作業(yè)效率略低，可通過(guò)改進(jìn)包裝過(guò)程或者多組機(jī)械共同工作提高作業(yè)效率，可為鮮食葡萄自動(dòng)化無(wú)損采收提供參考。