手提式多种水果套袋机.pdf

手提式多种水果套袋机蒋仁云马登秋梁祖瑜叶振环张 旭(遵义师范学院 工学院 贵州 遵义)摘 要:为解决人工套袋质量参差不齐、套袋过程繁琐、效率低以及现有水果套袋装置局限性较大、仅能使用单一规格的果袋对特定水果进行套袋等问题设计了一款能适用于多种水果套袋的手提式多种水果套袋机 本文针对上述问题对水果套袋装置进行了模块化设计、结构设计、三维建模以及 运动学仿真分析完成了手提式多种水果套袋机的设计不仅能够对多种水果进行套袋还能够对不同尺寸规格的果袋进行套袋关键词:水果套袋机 模块化设计 结构设计 三维建模 运动学仿真分析中图分类号:文献标识码:文章编号:():.:引言随着人民生活水平的不断提高高品质水果的市场需求也越来越大 为提高水果品质水果幼果套袋技术被广泛应用套袋可以在改善品质的同时提升水果价值 对水果幼果进行套袋有助于改善水果品质例如:果袋可以为幼果的生长提供一个局部的温室效应温室效应有助于提高水果的品质果袋可以为幼果提供保护避免幼果被树枝刮伤、蚊虫叮咬和鸟类啄食等果袋可避免幼果与空气中的有害物质相接触、可最大限度隔绝农药对幼果的接触减少农药残留套袋可以使水果着色度得到提升让水果不仅品质好而且有一个好的卖相等等 因此水果套袋机械化、智能化成了水果幼果套袋技术研究的重大趋势 目前已有的水果套袋机仅适用于对单一水果进行套袋适用范围较窄果农使用极为不便所以本文将对可适用于多种水果套袋的装置进行研究并对该装置进行结构设计及运动学分析 水果套袋机模块化分析.水果生长特性及适用果袋分析根据设计要求本文首先对各种水果的生长特性进行研究确定装置的适用范围本文根据水果的生长特性对水果的形状进行了划分并确定了以椭球状及球状的水果为研究对象来对水果套袋机进行研究设计目前市面上针对人工套袋而设计的果袋种类繁多仅有少部分果袋是针对水果套袋机进行设计的而不同的水果套袋机适用的果袋也不同 因此在对水果套袋机进行结构设计前需要对适用的果袋进行设计 具体设计如图 所示CBDNNNNNNNNNNNNNNNN6 NN NN图 果袋尺寸图.水果套袋机模块化设计模块化设计是绿色设计方法之一它已经从理念转变为较成熟的设计方法 采用模块化设计一方面可以缩短产品研发与制造周期增加产品系列提高产品质量快速应对市场变化另一方面可以减少或消除对环境的不利影响方便重用、升级、维修和产品废弃后的拆卸、回收和处理对于手提式多种水果套袋机而言模块化设计就是将各个机构分别作为一个模块然后将其组合在一起共同构成水果套袋机 对水果套袋机进行模块化设计如图 所示图 手提式多种水果套袋机模块示意图 水果套袋机机构设计.果袋存储机构结构设计果袋存储机构主要用于存储待使用的果袋便于水果套袋机连续工作 根据果袋的设计方案可知 存储机构的长度应该在 内可调宽为 考虑到设计时存袋与取袋的便捷性以及果袋的规格尺寸根据打印机存储机构的原理对果袋存储机构进行设计如图 所示 果袋存储机构由抬升板、侧挡板以及底板等零部件组成图 果袋存储机构模型图果袋存储机构可通过底部的滑轨与箱体上的滑槽相配合实现抽屉式的移动达到存储机构进出装袋的目的如图 所示 抬升板底部的弹簧与侧面的联动开关共同控制抬升板的升降从而可将果袋抬升抬升板工作原理是根据打印机进纸机构进行设计的 此设计便于果袋分离和传输机构对果袋进行分离抽取使果袋可周期性的送到下一个工作区域图 果袋存储机构侧视图.果袋分离传输机构结构设计按照果袋分离和果袋传输的功能需求将原定划分的果袋分离机构和果袋传输机构合并为一个机构即果袋分离传输机构 根据功能需求研究分析后本机构的分离部分可以选用辊轮式分离的原理进行设计传输部分可以选用滚轮式传输的原理进行设计 辊轮式分离常用在纸张打印机的进纸机构中结合果袋的材质来看辊轮式分离非常符合使用的需求 滚轮式传输常用在输送装置中一般利用多组滚轮配合完成工作其中对于分离部分辊轮和分页器的作用极为重要 其工作原理是辊轮旋转提供动力将果袋向前分离使用分页器来提供阻力在果袋的输送过程中分页器对所接触到的果袋提供一定大小的阻力使第一个果袋能够顺利通过阻止第二个果袋向前输送从而实现单个果袋的分离 果袋分离传输机构的设计如图 所示 果袋分离传输机构由辊轮、分页器、压纸轮和滚轮组等零部件组成图 果袋分离传输机构模型图果袋存储在果袋存储机构内通过抬升板将果袋抬升至辊轮所能接触到的位置使其便于果袋分离传输机构工作 果袋分离传输机构的工作流程如图 所示图中粗线条代表果袋序号代表工作的步骤箭头代表果袋运行的方向 当抬升板将果袋抬升至分离机构的工作区域后果袋分离传输机构的工作分为三步第一步辊轮利用摩擦力将果袋向前传输第二步在辊轮将果袋向前推时果袋与轨道底部的分页器接触利用上下的摩擦力差将果袋分离第三步滚轮组通过旋转将输送上来的单个果袋利用轨道上的上下滑轮组向前传输输送至撑口机构工作区域图 果袋分离传输机构工作流程图.果袋撑口及封口机构结构设计按照果袋撑口和果袋封口的功能需求将原定划分的果袋撑口机构和果袋传输机构合并为一个机构即果袋撑口及封口机构 根据功能需求研究分析后结合果袋所具有的特征对果袋撑口及封口机构进行设计 果袋撑口是根据磁吸原理对果袋上的细铁丝进行吸附再通过杆件的抬升运动进行撑口果袋封口同样是利用细铁丝当水果幼果放入果袋中后杆件向下运动压住果袋利用钩型的杆件对细铁丝进行翻折使细铁丝发生塑性变形实现封口根据方案设计对机构进行初步构想得到机构运动简图如图 所示图 果袋撑口封口机构运动简图根据机构运动简图将滑块的垂直运动转变为杆件的旋转运动使驱动杆为主动件进行机构的驱动 压板的两侧分别垂直设置有弹簧导杆放置弹簧驱动杆沿弹簧导向杆上下垂直运动压板的中间位置放置有磁铁用于磁吸撑口压合部分的前方设置有钩型板可进行翻折 驱动杆在弹簧导杆的轴向压缩弹簧具有弹性压缩间距驱动杆在弹性压缩间距的压缩行程中钩型板会向下翻转将果袋口弯折封口由于驱动杆杆件做的是旋转运动所以压板是以斜面接触果袋而且在压板压住果袋后驱动杆继续运动从而使弹簧导杆有向前运动的趋势会出现果袋整体被向前拽的弊端为避免封口时果袋整体会被向前拽的弊端在弹簧导杆与驱动件的连接处增加旋转环旋转环与驱动杆连接的方式为滑轨与滑槽旋转杆为滑轨驱动杆为滑槽 机构在驱动杆下降的同时旋转环会在驱动杆滑槽内运动从而使得弹簧导杆位置不变解决了果袋会被向前拽的弊端如图 所示图 果袋撑口及封口机构.水果套袋机整体结构设计手提式多种水果套袋机整体结构设计是结合果袋存储机构、果袋分离传输机构和果袋撑口及封口机构来对动力系统、控制系统、机体结构以及外观包装进行设计对于动力系统和控制系统而言采用单一动力源传动会使装置结构过于复杂且经过多级传动后传动效率变低不利于装置续航 所以为实现精准且高效的传动分别为果袋分离传输机构和果袋撑口及封口机构设置单独的动力源为便于控制拟选用可自由调速电动马达作为驱动对于机体结构设计需结合各个机构的结构尺寸进行设计使其空间尺寸满足使用要求尽量使装置轻量化对于外观包装设计主要以原有机体结构为基础进行美化设计 其中市面上有的水果套袋机多为手持式或佩戴式手提式的较少 分析其特点各有优劣 为减少工人劳动的负担及压力结合实际的工作环境本装置选取手提式对水果套袋机进行设计根据各个机构的功能及结构尺寸对机体结构的设计如图 所示按照工作流程将各个机构合理分布放置图 机体结构设计图 图 手提式多种水果套袋 机模型图根据 机 体 的形状特点在设计外壳对机体进行包络的同时使其具有一定的美观将外包装与机体装配组合后得到手提式多种水果套袋机如图 所示 水果套袋机运动学分析本章主要是基于运动学仿真分析软件 对手提式多种水果套袋机中的果袋撑口及封口机构进行运动学仿真分析 观察机构的运动轨迹分析机构中重要构件的运动参数图像验证机构设计的合理性.水果套袋机的工作流程结合手提式多种水果套袋机的工作流程示意图(图)对工作流程介绍如下:图 手提式多种水果套袋机的工作流程示意图()利用果袋存储机构存储一定量的果袋根据果袋存储机构的结构尺寸可以存储 个果袋()果袋分离传输机构对果袋进行分离传输对果袋进行分离时辊轮转动 圈即可将果袋运输至分离轮正下方 传输轮的直径为 对果袋进行传输时需将果袋传输至前叉前端 处与传输轮的轴线距离为 所以传输轮需要旋转的圈数为:.()果袋撑口及封口机构对果袋进行撑口及封口 当果袋运输至工作区域后机构向下运动压板上的磁铁吸附住果袋后机构向上运动实现撑口 待果农将水果幼果放入袋中后机构向下运动 压板压合果袋后钩型板进行翻折实现封口()机构重复步骤()和()为下次套袋做准备根据工作流程一个套袋周期的各个机构所需进行的运动对各个机构的动力源即电机的转速进行拟定即可得出水果套袋机实现一个套袋周期所需的时间 因此对各个机构运动的转速进行拟定就可以得到装置实现一个套袋周期所需的时间为.如表 所示表 手提式多种水果套袋机的工作流程时序图工作流程运动零部件拟定转速所需时间/果袋分离辊轮/果袋传输传输轮/果袋撑口驱动杆下压/驱动杆抬升/幼果装入果袋果袋封口驱动杆下压./.驱动杆抬升/合计.仿真分析进行运动学仿真分析的目的是验证结构设计的合理性提出改进的措施 根据常见的建模仿真方法拟定具体的仿真方案 由于本文先前利用 对手提式多种水果套袋机进行三维建模故利用 建模然后导入到 中根据果袋封口的运动进行仿真根据拟定的方案利用 建模然后导入 中进行仿真 具体操作如下:()将在 中建立的三维建模导出为(.)格式后导入 中()根据各零部件的运动关系添加约束 需要使用的连接命令有固定副、旋转副和平移副以及拉压弹簧阻尼器()由于壳体是静止的压板进行压袋时会与壳体产生碰撞因此需要给压板和壳体进行接触力的设置()为驱动件设置旋转驱动的同时利用 函数对运动的时间以及转动的角度进行设置设置的参数为()()即 旋转下压 旋转上升()进行仿真将仿真参数设置为:持续 步长 图 果袋撑口及封口机构的 虚拟样机模型图根据拟定方案按照仿真操作流程设置后可得到果袋撑口及封口机构的虚拟样机模型如图 所示 开始仿真后可看到果袋撑口及封口机构运行的画面以及通过后处理得到机构中各零部件的运动参数 通过运行的画面观察可以看出机构的运行轨迹基本符合设计要求由此需要分析后处理的结果对机构的运行状态做进一步的研究结合果袋撑口及传输机构的结构特点选取了驱动杆、钩型板和压板的运动参数以及弹簧和接触的力来对机构运行的合理性进行分析RVEPOHHBOC$.OHVMBS7FMPDJUZ.BHTET图 驱动杆角速度图RVEPOHHBOC$.7FMPDJUZ.BHTN T图 驱动杆线速度图结合对驱动的设置的 函数的参数分析驱动杆的角速度图与线速度图可知在 .时驱动杆旋转下压.时驱动杆抬升且运动过程没有干涉分析压板的位移图可知压板随着驱动杆运动到.时压板开始与前叉接触到.时与前叉分离 由.间压板位移曲线可以看出压板在压合后有轻微的波动结合弹簧弹力图可知是由弹簧弹力变化引起的ZBCBOB$.1PTJUJPO.BHNT图 压板位移图从压板和壳体的接触力图来分析可以明显看出在.处接触力瞬间增大到峰值其原因是由于具有一定速度的压板与壳体碰撞产生的 在.间接触力缓慢下降压板逐步放松壳体$0/5$5&MFNFOUPSDF.BH/T图 接触力图结合接触力的变化分析弹簧弹力变化图可知在 时弹簧被压缩弹力瞬间上升 时弹簧继续被压缩弹力逐步上升到峰值 时驱动杆抬升弹簧解除压缩由于作用力的关系在 时弹簧被拉伸又恢复原长413*/(GPSDF/T图 弹簧弹力图结合弹簧弹力图的变化从钩型板线速度图和角速度图分析可知在 间由于驱动杆和弹簧的影响钩型板的速度随之变化 时压板与前叉接触钩型板开始翻折速度迅速上升到 时完成翻折 间随着驱动杆抬升和弹簧逐步恢复原长钩型板逐步复位对果袋撑口及封口机构进行仿真分析后可以确认机构基本符合运动的轨迹能够实现预定的功能HPVYJOHCBOB$.7FMPDJUZ.BHTN T图 钩型板线速度图TE THPVYJOHCBOB$.OHVMBS7FMPDJUZ.BH图 钩型板角速度图 总结本文针对人工套袋存在的问题通过调查研究、模块化设计、结构设计、三维建模以及 运动学仿真分析设计了能适用于多种水果套袋的手提式多种水果套袋机弥补了现有水果套袋机局限性较大、仅能使用单一规格的果袋对特定水果进行套袋的缺陷使其满足了能够对多种水果进行套袋与能够使用不同尺寸规格的果袋的功能需求参考文献 文亦骁王志明万勇等.水果套袋机发展研究综述.中国农机化学报():.李梅.水果套袋技术.现代农村科技():.朱东煌.浅谈南方水果套袋技术.中国南方果树():.王宇.模块化理论与应用.民营科技():.唐涛刘志峰刘光复等.绿色模块化设计方法研究.机械工程学报():.基金项目:年省级大学生创新创业训练计划项目()作者简介:蒋仁云()男汉族贵州盘州人本科生主要从事机械结构设计研究工作通讯作者:马登秋()男硕士高级实验师主要从事机电一体化系统设计研究工作收稿日期: