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隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,農(nóng)業(yè)勞動力不斷向其 他產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，導致其結(jié)構(gòu)性短缺日趨嚴重，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，不僅勞動強度高、 工作效率低、勞動力成本過高;另外，農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)勞動力 資源日益短缺的矛盾凸顯，無法滿足實際生產(chǎn)對人力 資源的需求。

在此背景下,一些學者針對糧食等農(nóng)產(chǎn)品設計了 自動包裝機械裝置3］,并且在包裝機械設計方法⑷、 包裝機械設計中的控制技術(shù)⑸、包裝機械裝備可靠性 技術(shù)⑹以及包裝機控制系統(tǒng)'湖等方面開展了研究, 取得了若干成果。

本文設計了針對谷物進倉、灌裝和封口過程的自 動化包裝設備，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,實現(xiàn)了谷物從 收割進倉到烘干出倉以及包裝稱質(zhì)量過程的自動化, 大大節(jié)省勞動力。測試結(jié)果顯示:所設計的自動流水 線能有效實現(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、運行穩(wěn)定等特點，擁有良好的市場推廣價值。

1自動流水線結(jié)構(gòu)設計

1.1總體結(jié)構(gòu)設計

 

稻屑分離裝置 自動上袋裝置 灌裝封口裝置                      圖1所示

包括:稻屑分離裝置、自動上袋裝置和灌裝封 口裝置3大部分。稻谷從田間收割之后，首先由稻屑 分離裝置進行次分離，進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 運送至烘谷機進行水分蒸發(fā)工序;上袋裝置實現(xiàn)谷物 包裝袋袋口的自動撐開,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 機將干燥的谷物裝入袋子后，由灌裝封口裝置實現(xiàn)袋 口的自動封合，完成谷物包裝。

1.2稻屑分離裝置結(jié)構(gòu)設計

在現(xiàn)代農(nóng)耕過程中,雖然收割機在田間作業(yè)時已 經(jīng)對稻谷進行第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烘干機的正常作業(yè)產(chǎn)生一定 的影響，所以在谷物進入烘干機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 部兩側(cè)通過轉(zhuǎn)軸與支架上軸承配合，能靈活轉(zhuǎn)動，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的進料口銜接。 工作時，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。因整個柵板與彈簧、棘輪構(gòu)成動配合關(guān)系，隨著 棘輪在電機的帶動下快速旋轉(zhuǎn),使柵板相對中部轉(zhuǎn)軸 產(chǎn)生高頻小幅度震動，進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 至烘干機進行谷物的烘干操作。

1.3自動上袋裝置結(jié)構(gòu)設計

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

 

圖2稻屑分離裝置

Figure 2 Rice and rice crumb separation device

 

板和機架組成。置物平臺用于放置谷物包裝袋，該平 臺的高度隨著包裝袋的數(shù)量減少可逐漸抬升,確保平 臺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 在運動過程中剛好穿過。撐袋機構(gòu)包括撐袋核心部件 和活動基座，活動基座主要由底座、升降臺、轉(zhuǎn)盤和連 接臂組成,連接臂的端部與撐袋機構(gòu)核心部件的桶體 活動餃接。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個開叉式“M”型三滾輪機構(gòu)，滾輪 機構(gòu)嵌在底座環(huán)形槽內(nèi).如圖4所示。

置物平臺滾軸隔板分離槽 連接臂升降臺螺桿

 

圖3自動上袋裝置

Figure 3 Automatic bag opening device

 

三滾輪機構(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)沿上運行，中間滾輪在環(huán)形 槽的底面上運行，外滾輪在環(huán)形槽底邊的外沿上運行。 升降臺通過螺桿旋轉(zhuǎn)帶動其沿導柱實現(xiàn)上下運動。

撐袋機構(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)軸與桶體活動連接，下部則由圓形彈性圈相連。工 作時，轉(zhuǎn)盤在電機帶動下轉(zhuǎn)動，拉動拉線使撐桿的頭部 內(nèi)縮,進而使整個撐桿相對中部轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，撐桿下部則 克服彈性圈的彈性變形力外展實現(xiàn)撐開姿態(tài)。在脫離 時，反向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤使拉線松弛，此時撐桿下部在圓形彈 性圈變形恢復力的作用下內(nèi)縮收攏，帶動撐桿回復 原位。

 

圖5撐袋機構(gòu)核心部件

Figure 5 Key parts of bag opening device

另外，撐袋機構(gòu)與張口機構(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。當撐袋機構(gòu)核心 部件隨活動基座轉(zhuǎn)動到弧形支撐面處時，因桶體與弧 形支撐面上表面相互擠壓，撐袋機構(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的運動進行 調(diào)節(jié)。

工作時,包裝袋事先疊放于置物平臺上,包裝袋上 方的滾軸在電機帶動下旋轉(zhuǎn)，其上的鉤齒將鉤住一個 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，以便于撐袋機構(gòu)的各撐 桿伸入」當撐袋機構(gòu)隨活動基座轉(zhuǎn)動到張口機構(gòu)一側(cè) 時,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，各支撐桿下部同時外展使包裝袋 袋口處于張開狀態(tài)。隨著滾軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動，與上袋口相 連的鉤齒進入到分離隔板上的分離槽,使鉤齒與包裝 袋脫離。撐袋機構(gòu)核心部件則帶著包裝袋隨活動基座 繼續(xù)運轉(zhuǎn)至灌裝機的正上方，此時活動基座的升降臺 下降將包裝袋放入灌裝機工作腔內(nèi)。隨后烘谷機出料 口將已烘干的谷物裝入包裝袋中，當質(zhì)量檢測裝置反 饋的質(zhì)量到達設定值時，各支撐桿同時收攏，升降臺上 升使支撐桿脫離進行新的上袋操作。

1.4灌裝封口裝置結(jié)構(gòu)設計

與以往的結(jié)構(gòu)不同”們，本文根據(jù)工作過程設計了 全新的灌裝封口裝置的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。作為谷物 進倉與灌裝自動流水線的最后一個環(huán)節(jié)，自動灌裝封 口裝置要完成灌裝和封口 2個過程。

U型封口支架升降氣缸緊固件氣缸夾板氣缸質(zhì)量檢測裝置

 

圖6灌裝封口裝置

Figure 6 Packing and sealing device

灌裝機構(gòu)上內(nèi)外間隔分布的2個履帶，在驅(qū)動輪 帶動下進行間歇性的運轉(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 工作腔在外履帶側(cè)有一個進料口。工作腔內(nèi)安置一類 “L”型的谷物質(zhì)量檢測裝置，可根據(jù)獲得的谷物質(zhì)量 信號來控制谷物烘干機的下料操作。

在完成谷物灌裝過程后，由封口機構(gòu)進行袋口密 封,完成谷物的整個包裝過程。封口機構(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，分別實現(xiàn)谷物包裝 袋袋口的夾緊以及緊固件的運動。整個支架由升降氣 缸驅(qū)動，實現(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，通過該氣缸帶動卡扣定 位架上的卡扣進入到封口支架中。在卡扣定位架前端 面的滑槽上有2個滑塊，滑塊可沿著滑槽移動。卡扣放置在滑塊的對側(cè)面中，兩滑塊之間有復位彈簧。

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應，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。這種結(jié)構(gòu)設計一方面有利于卡扣的 順利卡合,另一方面可以減少進入卡槽阻力的同時提 高卡頭的卡合力.防止脫鉤。

 

圖7卡扣 Figure 7 Snap joint

 

工作時，自動灌裝機上工作腔的進料口運行到烘 干機出料導管出口的正下方，灌裝機隨即停止移動，烘 干機開始往進料口中的包裝袋進行下料操作。與此同 時,谷物質(zhì)量檢測裝置根據(jù)獲得的質(zhì)量信號來控制谷 物烘干機的下料操作和自動灌裝機的間歇性運轉(zhuǎn)。當 包裝袋內(nèi)谷物質(zhì)量達到預期目標，撐袋機構(gòu)核心部件 的撐桿同時內(nèi)收，從灌裝機處脫離。隨后在履帶帶動 下,包裝袋底部從檢測裝置上脫離到內(nèi)履帶上被運至 封口機構(gòu)中。此時,夾板氣缸動作，使兩夾板夾緊包裝 袋袋口；升降氣缸帶動整個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兩滑塊沿著卡扣定位架上的 滑槽運動，帶動卡扣的公插頭和母插座相向運動，使得 公插頭穿透編織袋并與母插座實現(xiàn)卡合，完成袋口的 密封,封口完成的谷物進一步干燥儲藏。

2工作流程

整個流水線分為谷物分離、谷物烘干和谷物包裝 3個過程。工作流程如圖8所示。

 

             如圖8所示

 

 

上電后，檢測所有機械及電氣設備是否復位。稻 屑分離裝置和烘谷機首先啟動,含有雜物的谷物進入 料斗，在自身重力作用下落到傾斜的柵板之上，通過柵 板的高頻振動谷粒進一步落到下方傳輸帶,進而被運 輸至烘谷機進艙口，實現(xiàn)谷物的一次轉(zhuǎn)移。料斗內(nèi)谷 物量由傳感器自動監(jiān)控,谷物過滿時停止進料,過少時 提醒繼續(xù)進料。此過程直到烘谷機內(nèi)稻谷量達到容量 的極限值為止，之后，稻屑分離裝置停止工作,進入谷 物烘干工序。

在烘谷機完成稻谷烘干任務時，系統(tǒng)將啟動自動 上袋裝置。裝置首先檢測置物平臺上是否有包裝袋, 然后轉(zhuǎn)動滾軸張開袋口，接著轉(zhuǎn)盤運動,使得撐袋機構(gòu) 進入袋口完成撐袋任務，并等待包裝封口裝置信號。

包裝封口裝置在完成上一個谷物袋工作任務后隨 即向撐袋裝置發(fā)送更新包裝袋指令，此時，自動上袋裝 置將處于撐開狀態(tài)的袋子轉(zhuǎn)移至灌裝機構(gòu)處，當?shù)竭_ 指定位置后，向烘谷機發(fā)送谷物出倉指令。當袋子中 谷物達到預設質(zhì)量后，烘谷機停止岀倉作業(yè)，撐袋機構(gòu) 復位，谷物包裝袋被運輸至封口機構(gòu)處，完成包裝袋二 次輸送。

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

3試驗測試

對樣機進行了高中低3檔速度下各200個谷物包 裝袋測試，記錄出錯次數(shù)及岀錯原因，結(jié)果列于表1。

表1運行穩(wěn)定性結(jié)果

Table 1 Results of running stability

速度	動作類型及故障次數(shù)/次
	鉤齒未 有效勾住	撐袋機構(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，導致運行過程故障原因主要出現(xiàn)在上 袋張口、夾口和卡扣3個環(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,撐袋機構(gòu)未進入袋口也是另一個重要故障現(xiàn)象, 主要是外界(如風)因素干擾，影響工作穩(wěn)定性。在夾 口環(huán)節(jié)，夾板氣缸動作后，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,4次夾口質(zhì)量 導致卡扣過程均失敗;在中速時,3次夾口質(zhì)量差導致 2次卡扣過程的失敗。在測試過程中，出現(xiàn)1次因卡 扣質(zhì)量問題導致無法有效穿透包裝袋,不過這個出錯 具有一定的偶然性。另外發(fā)現(xiàn):這些故障出現(xiàn)頻次與 運行速度大小的關(guān)系并不大。

4結(jié)論

設計了谷物進倉、灌裝和封口過程的自動化設備, 給出設備的工作流程，各部分在以PLC為核心的控制 系統(tǒng)統(tǒng)一指令下,實現(xiàn)谷物從收割進倉到烘干出倉以 及包裝過程的自動化。通過樣機試驗測試該機構(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個環(huán)節(jié)。出錯概率與運行速度關(guān) 聯(lián)性不大，存在一定偶然性。通過分析,今后將在以上 3個環(huán)節(jié)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以便提高自動流水線工作性 能,解決工作過程的故障問題。

 

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