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隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不斷向其 他產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性短缺日趨嚴(yán)重，人工作業(yè)成 本不斷攀升⑴。以谷物包裝過程為例，該過程涉及稻 屑二次分離、谷物烘干、稱質(zhì)量、灌裝和封口等步驟。 目前,這些過程大都依靠人力完成，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度高、 工作效率低、勞動(dòng)力成本過高;另外，農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)勞動(dòng)力 資源日益短缺的矛盾凸顯，無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)對(duì)人力 資源的需求。

在此背景下,一些學(xué)者針對(duì)糧食等農(nóng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)了 自動(dòng)包裝機(jī)械裝置3］,并且在包裝機(jī)械設(shè)計(jì)方法⑷、 包裝機(jī)械設(shè)計(jì)中的控制技術(shù)⑸、包裝機(jī)械裝備可靠性 技術(shù)⑹以及包裝機(jī)控制系統(tǒng)'湖等方面開展了研究, 取得了若干成果。

本文設(shè)計(jì)了針對(duì)谷物進(jìn)倉(cāng)、灌裝和封口過程的自 動(dòng)化包裝設(shè)備，包括:稻屑分離裝置、上袋裝置和灌裝 封口裝置。在控制系統(tǒng)的協(xié)同指令下,實(shí)現(xiàn)了谷物從 收割進(jìn)倉(cāng)到烘干出倉(cāng)以及包裝稱質(zhì)量過程的自動(dòng)化, 大大節(jié)省勞動(dòng)力。測(cè)試結(jié)果顯示:所設(shè)計(jì)的自動(dòng)流水 線能有效實(shí)現(xiàn)稻屑分離、撐袋、灌裝、稱質(zhì)重和封口，具 有結(jié)構(gòu)緊湊、裝調(diào)容易、靈活便捷、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，擁有良好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

1自動(dòng)流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

 

稻屑分離裝置 自動(dòng)上袋裝置 灌裝封口裝置                      圖1所示

包括:稻屑分離裝置、自動(dòng)上袋裝置和灌裝封 口裝置3大部分。稻谷從田間收割之后，首先由稻屑 分離裝置進(jìn)行次分離，進(jìn)一步去除收割過程混雜在 稻谷中的稻桿、稻屑或泥塊等雜質(zhì);接著谷物由傳輸帶 運(yùn)送至烘谷機(jī)進(jìn)行水分蒸發(fā)工序;上袋裝置實(shí)現(xiàn)谷物 包裝袋袋口的自動(dòng)撐開,并將撐開狀態(tài)的包裝袋安置 于灌裝封口裝置工作腔內(nèi)的質(zhì)量檢查裝置上;待烘谷 機(jī)將干燥的谷物裝入袋子后，由灌裝封口裝置實(shí)現(xiàn)袋 口的自動(dòng)封合，完成谷物包裝。

1.2稻屑分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代農(nóng)耕過程中,雖然收割機(jī)在田間作業(yè)時(shí)已 經(jīng)對(duì)稻谷進(jìn)行第1次稻桿和谷粒的分離，但是并不徹 底,而這些殘留的稻桿對(duì)烘干機(jī)的正常作業(yè)產(chǎn)生一定 的影響，所以在谷物進(jìn)入烘干機(jī)之前增加稻屑分離這 道工序，用于保證烘干過程的有效作業(yè)。圖2所示為 稻屑分離裝置，主要由漏斗、柵板和輸送帶組成。柵板 通過支架傾斜安裝于漏斗下方,整個(gè)柵板上均勻分布 過濾孔，過濾孔的尺寸可供谷粒恰好通過。柵板的中 部?jī)蓚?cè)通過轉(zhuǎn)軸與支架上軸承配合，能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，柵板 下邊緣與彈簧相連，上邊緣則與棘輪相抵。輸送帶位 于柵板下方,輸送帶的輸出端與烘干機(jī)的進(jìn)料口銜接。 工作時(shí)，將混有稻桿、稻屑等雜質(zhì)的稻谷倒入漏斗中， 稻谷在自身重力的作用下由漏斗底部下落到傾斜的柵 板中。因整個(gè)柵板與彈簧、棘輪構(gòu)成動(dòng)配合關(guān)系，隨著 棘輪在電機(jī)的帶動(dòng)下快速旋轉(zhuǎn),使柵板相對(duì)中部轉(zhuǎn)軸 產(chǎn)生高頻小幅度震動(dòng)，進(jìn)而使谷粒從柵板的過濾孔穿 過掉落，稻桿和稻屑則沿著傾斜的柵板滑落,實(shí)現(xiàn)稻屑 等雜質(zhì)與谷粒的分離。谷粒落到傳輸帶上，直接輸送 至烘干機(jī)進(jìn)行谷物的烘干操作。

1.3自動(dòng)上袋裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)上袋裝置的核心部件為張口機(jī)構(gòu)和撐袋機(jī) 構(gòu)，如圖3所示。張口機(jī)構(gòu)主要由置物平臺(tái)、滾軸、隔

 

圖2稻屑分離裝置

Figure 2 Rice and rice crumb separation device

 

板和機(jī)架組成。置物平臺(tái)用于放置谷物包裝袋，該平 臺(tái)的高度隨著包裝袋的數(shù)量減少可逐漸抬升,確保平 臺(tái)上最上層包裝袋被鉤齒有效勾住。鉤齒位于滾軸 上,滾軸前側(cè)上方分離隔板上有一排分離槽,可使鉤齒 在運(yùn)動(dòng)過程中剛好穿過。撐袋機(jī)構(gòu)包括撐袋核心部件 和活動(dòng)基座，活動(dòng)基座主要由底座、升降臺(tái)、轉(zhuǎn)盤和連 接臂組成,連接臂的端部與撐袋機(jī)構(gòu)核心部件的桶體 活動(dòng)餃接。轉(zhuǎn)盤通過中心轉(zhuǎn)軸定位在底座上,轉(zhuǎn)盤下 方圓周均勻分布3個(gè)開叉式“M”型三滾輪機(jī)構(gòu)，滾輪 機(jī)構(gòu)嵌在底座環(huán)形槽內(nèi).如圖4所示。

置物平臺(tái)滾軸隔板分離槽 連接臂升降臺(tái)螺桿

 

圖3自動(dòng)上袋裝置

Figure 3 Automatic bag opening device

 

三滾輪機(jī)構(gòu)中的滾輪與環(huán)形槽接觸面不同，其中 內(nèi)滾輪在環(huán)形槽底邊的內(nèi)沿上運(yùn)行，中間滾輪在環(huán)形 槽的底面上運(yùn)行，外滾輪在環(huán)形槽底邊的外沿上運(yùn)行。 升降臺(tái)通過螺桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)其沿導(dǎo)柱實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)。

撐袋機(jī)構(gòu)核心部件如圖5所示，其外形輪廓為圓 柱形桶體,桶體外壁上均勻分布4個(gè)撐桿，撐桿頭部連

 

圖4轉(zhuǎn)盤與底座

Figure 4 Dial and base

接拉線，該拉線穿過圓環(huán)上的孔與轉(zhuǎn)盤連接，中部通過 轉(zhuǎn)軸與桶體活動(dòng)連接，下部則由圓形彈性圈相連。工 作時(shí)，轉(zhuǎn)盤在電機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，拉動(dòng)拉線使撐桿的頭部 內(nèi)縮,進(jìn)而使整個(gè)撐桿相對(duì)中部轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，撐桿下部則 克服彈性圈的彈性變形力外展實(shí)現(xiàn)撐開姿態(tài)。在脫離 時(shí)，反向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤使拉線松弛，此時(shí)撐桿下部在圓形彈 性圈變形恢復(fù)力的作用下內(nèi)縮收攏，帶動(dòng)撐桿回復(fù) 原位。

 

圖5撐袋機(jī)構(gòu)核心部件

Figure 5 Key parts of bag opening device

另外，撐袋機(jī)構(gòu)與張口機(jī)構(gòu)之間有一弧形支撐面, 該弧形支撐面外形為中間高兩側(cè)低。當(dāng)撐袋機(jī)構(gòu)核心 部件隨活動(dòng)基座轉(zhuǎn)動(dòng)到弧形支撐面處時(shí)，因桶體與弧 形支撐面上表面相互擠壓，撐袋機(jī)構(gòu)核心部件的姿態(tài) 將由垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)化為水平狀態(tài)再轉(zhuǎn)化為垂直狀態(tài)。桶 體與弧形支撐面的接觸情況可由升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行 調(diào)節(jié)。

工作時(shí),包裝袋事先疊放于置物平臺(tái)上,包裝袋上 方的滾軸在電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，其上的鉤齒將鉤住一個(gè) 包裝袋的上袋口，使包裝袋袋口在上袋口鉤齒和下袋 口重力共同作用下完全打開，以便于撐袋機(jī)構(gòu)的各撐 桿伸入」當(dāng)撐袋機(jī)構(gòu)隨活動(dòng)基座轉(zhuǎn)動(dòng)到張口機(jī)構(gòu)一側(cè) 時(shí),其桶體在弧形支撐面的作用下上抬,撐桿逐漸伸入 到包裝袋中。此時(shí)，各支撐桿下部同時(shí)外展使包裝袋 袋口處于張開狀態(tài)。隨著滾軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，與上袋口相 連的鉤齒進(jìn)入到分離隔板上的分離槽,使鉤齒與包裝 袋脫離。撐袋機(jī)構(gòu)核心部件則帶著包裝袋隨活動(dòng)基座 繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)至灌裝機(jī)的正上方，此時(shí)活動(dòng)基座的升降臺(tái) 下降將包裝袋放入灌裝機(jī)工作腔內(nèi)。隨后烘谷機(jī)出料 口將已烘干的谷物裝入包裝袋中，當(dāng)質(zhì)量檢測(cè)裝置反 饋的質(zhì)量到達(dá)設(shè)定值時(shí)，各支撐桿同時(shí)收攏，升降臺(tái)上 升使支撐桿脫離進(jìn)行新的上袋操作。

1.4灌裝封口裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與以往的結(jié)構(gòu)不同”們，本文根據(jù)工作過程設(shè)計(jì)了 全新的灌裝封口裝置的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。作為谷物 進(jìn)倉(cāng)與灌裝自動(dòng)流水線的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，自動(dòng)灌裝封 口裝置要完成灌裝和封口 2個(gè)過程。

U型封口支架升降氣缸緊固件氣缸夾板氣缸質(zhì)量檢測(cè)裝置

 

圖6灌裝封口裝置

Figure 6 Packing and sealing device

灌裝機(jī)構(gòu)上內(nèi)外間隔分布的2個(gè)履帶，在驅(qū)動(dòng)輪 帶動(dòng)下進(jìn)行間歇性的運(yùn)轉(zhuǎn)，內(nèi)外履帶之間通過隔板連 接。從圖6可知，在隔板和履帶間有若干工作腔，每個(gè) 工作腔在外履帶側(cè)有一個(gè)進(jìn)料口。工作腔內(nèi)安置一類 “L”型的谷物質(zhì)量檢測(cè)裝置，可根據(jù)獲得的谷物質(zhì)量 信號(hào)來控制谷物烘干機(jī)的下料操作。

在完成谷物灌裝過程后，由封口機(jī)構(gòu)進(jìn)行袋口密 封,完成谷物的整個(gè)包裝過程。封口機(jī)構(gòu)包括一倒 “U”型封口支架和卡扣定位架,其中封口支架上安裝 2組氣缸:夾板氣缸和緊固件氣缸，分別實(shí)現(xiàn)谷物包裝 袋袋口的夾緊以及緊固件的運(yùn)動(dòng)。整個(gè)支架由升降氣 缸驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)封口支架上下起降。而卡扣定位架位于 封口支架正下方并與緊固件保持同一高度?？鄱ㄎ?架的后端安裝在卡扣氣缸上，通過該氣缸帶動(dòng)卡扣定 位架上的卡扣進(jìn)入到封口支架中。在卡扣定位架前端 面的滑槽上有2個(gè)滑塊，滑塊可沿著滑槽移動(dòng)?？鄯胖迷诨瑝K的對(duì)側(cè)面中，兩滑塊之間有復(fù)位彈簧。

卡扣結(jié)構(gòu)如圖7所示，由公插頭和母插座組成:公 插頭兩端分別有一個(gè)由“人”字型的頭部和“Y”形的 支座構(gòu)成的卡頭。該卡頭與母插座上的卡槽配合，卡 槽由位于里面的“V”型槽和位于口部的直通槽構(gòu)成, 且“V”型槽的最大寬度與卡頭的最大寬度對(duì)應(yīng)，直通 槽的寬度小于“V”型槽的最大寬度而在兩者的連接部 位形成鎖定凸臺(tái)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面有利于卡扣的 順利卡合,另一方面可以減少進(jìn)入卡槽阻力的同時(shí)提 高卡頭的卡合力.防止脫鉤。

 

圖7卡扣 Figure 7 Snap joint

 

工作時(shí)，自動(dòng)灌裝機(jī)上工作腔的進(jìn)料口運(yùn)行到烘 干機(jī)出料導(dǎo)管出口的正下方，灌裝機(jī)隨即停止移動(dòng)，烘 干機(jī)開始往進(jìn)料口中的包裝袋進(jìn)行下料操作。與此同 時(shí),谷物質(zhì)量檢測(cè)裝置根據(jù)獲得的質(zhì)量信號(hào)來控制谷 物烘干機(jī)的下料操作和自動(dòng)灌裝機(jī)的間歇性運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng) 包裝袋內(nèi)谷物質(zhì)量達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，撐袋機(jī)構(gòu)核心部件 的撐桿同時(shí)內(nèi)收，從灌裝機(jī)處脫離。隨后在履帶帶動(dòng) 下,包裝袋底部從檢測(cè)裝置上脫離到內(nèi)履帶上被運(yùn)至 封口機(jī)構(gòu)中。此時(shí),夾板氣缸動(dòng)作，使兩夾板夾緊包裝 袋袋口；升降氣缸帶動(dòng)整個(gè)封口支架上升而上提被夾 緊的袋口；接著卡扣氣缸將卡扣定位架伸至袋口，使得 卡扣公插頭和母插座分別位于袋口兩側(cè)；最后緊固件 氣缸壓迫緊固件從而推動(dòng)兩滑塊沿著卡扣定位架上的 滑槽運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)卡扣的公插頭和母插座相向運(yùn)動(dòng)，使得 公插頭穿透編織袋并與母插座實(shí)現(xiàn)卡合，完成袋口的 密封,封口完成的谷物進(jìn)一步干燥儲(chǔ)藏。

2工作流程

整個(gè)流水線分為谷物分離、谷物烘干和谷物包裝 3個(gè)過程。工作流程如圖8所示。

 

             如圖8所示

 

 

上電后，檢測(cè)所有機(jī)械及電氣設(shè)備是否復(fù)位。稻 屑分離裝置和烘谷機(jī)首先啟動(dòng),含有雜物的谷物進(jìn)入 料斗，在自身重力作用下落到傾斜的柵板之上，通過柵 板的高頻振動(dòng)谷粒進(jìn)一步落到下方傳輸帶,進(jìn)而被運(yùn) 輸至烘谷機(jī)進(jìn)艙口，實(shí)現(xiàn)谷物的一次轉(zhuǎn)移。料斗內(nèi)谷 物量由傳感器自動(dòng)監(jiān)控,谷物過滿時(shí)停止進(jìn)料,過少時(shí) 提醒繼續(xù)進(jìn)料。此過程直到烘谷機(jī)內(nèi)稻谷量達(dá)到容量 的極限值為止，之后，稻屑分離裝置停止工作,進(jìn)入谷 物烘干工序。

在烘谷機(jī)完成稻谷烘干任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)自動(dòng) 上袋裝置。裝置首先檢測(cè)置物平臺(tái)上是否有包裝袋, 然后轉(zhuǎn)動(dòng)滾軸張開袋口，接著轉(zhuǎn)盤運(yùn)動(dòng),使得撐袋機(jī)構(gòu) 進(jìn)入袋口完成撐袋任務(wù)，并等待包裝封口裝置信號(hào)。

包裝封口裝置在完成上一個(gè)谷物袋工作任務(wù)后隨 即向撐袋裝置發(fā)送更新包裝袋指令，此時(shí)，自動(dòng)上袋裝 置將處于撐開狀態(tài)的袋子轉(zhuǎn)移至灌裝機(jī)構(gòu)處，當(dāng)?shù)竭_(dá) 指定位置后，向烘谷機(jī)發(fā)送谷物出倉(cāng)指令。當(dāng)袋子中 谷物達(dá)到預(yù)設(shè)質(zhì)量后，烘谷機(jī)停止岀倉(cāng)作業(yè)，撐袋機(jī)構(gòu) 復(fù)位，谷物包裝袋被運(yùn)輸至封口機(jī)構(gòu)處，完成包裝袋二 次輸送。

隨后，夾板氣缸動(dòng)作將袋口夾住,升降氣缸動(dòng)作將 袋口上提，卡扣到位后緊固件氣缸動(dòng)作實(shí)現(xiàn)卡合，完成袋口的封口作業(yè)。

3試驗(yàn)測(cè)試

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了高中低3檔速度下各200個(gè)谷物包 裝袋測(cè)試，記錄出錯(cuò)次數(shù)及岀錯(cuò)原因，結(jié)果列于表1。

表1運(yùn)行穩(wěn)定性結(jié)果

Table 1 Results of running stability

速度	動(dòng)作類型及故障次數(shù)/次
	鉤齒未 有效勾住	撐袋機(jī)構(gòu) 未伸入袋口	夾口未能 完整夾住	卡扣質(zhì) 量問題	夾口過程 質(zhì)量問題
低速	3	1	4	0	4
中速	1	2	3	1	2
高速	2	3	3	0	3

從結(jié)果看，導(dǎo)致運(yùn)行過程故障原因主要出現(xiàn)在上 袋張口、夾口和卡扣3個(gè)環(huán)節(jié)。在上袋張口環(huán)節(jié)，主要 是由于鉤齒沒能有效勾住上袋口致使袋口沒有張開; 另外,撐袋機(jī)構(gòu)未進(jìn)入袋口也是另一個(gè)重要故障現(xiàn)象, 主要是外界(如風(fēng))因素干擾，影響工作穩(wěn)定性。在夾 口環(huán)節(jié)，夾板氣缸動(dòng)作后，谷物袋袋口未能被完整夾 住，影響卡扣過程的成功率。如低速時(shí),4次夾口質(zhì)量 導(dǎo)致卡扣過程均失敗;在中速時(shí),3次夾口質(zhì)量差導(dǎo)致 2次卡扣過程的失敗。在測(cè)試過程中，出現(xiàn)1次因卡 扣質(zhì)量問題導(dǎo)致無(wú)法有效穿透包裝袋,不過這個(gè)出錯(cuò) 具有一定的偶然性。另外發(fā)現(xiàn):這些故障出現(xiàn)頻次與 運(yùn)行速度大小的關(guān)系并不大。

4結(jié)論

設(shè)計(jì)了谷物進(jìn)倉(cāng)、灌裝和封口過程的自動(dòng)化設(shè)備, 給出設(shè)備的工作流程，各部分在以PLC為核心的控制 系統(tǒng)統(tǒng)一指令下,實(shí)現(xiàn)谷物從收割進(jìn)倉(cāng)到烘干出倉(cāng)以 及包裝過程的自動(dòng)化。通過樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試該機(jī)構(gòu)的工 作穩(wěn)定性，結(jié)果顯示:該裝置的不穩(wěn)定主要發(fā)生在上袋 張口、夾口和卡扣3個(gè)環(huán)節(jié)。出錯(cuò)概率與運(yùn)行速度關(guān) 聯(lián)性不大，存在一定偶然性。通過分析,今后將在以上 3個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以便提高自動(dòng)流水線工作性 能,解決工作過程的故障問題。

 

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