毕业设计（论文）-水果自动分级包装机的设计

1 毕业设计毕业设计 设计设计 论文论文 题目 水果自动分级包装机的设计题目 水果自动分级包装机的设计 全套图纸加扣 3012250582 姓姓 名名 学学 号号 院院 系 系 专专 业业 2 指导教师指导教师 年年 月月 3 目 录 前前 言言 3 一 水果包装机的设计一 水果包装机的设计 4 1 1 包装的意义与目的 5 1 2 水果包装新趋势 5 1 3 包装容器必须具备的条件 6 1 4 包装容器的选择 6 1 5 封箱机的设计 7 1 5 1 封口机的发展概况 7 1 5 2不同的封口机的分类及特点 8 1 5 3 包装机结构方案的设计 8 1 5 4 包装机结构设计中遇到的问题及解决方案 13 二 水果分级机的设计二 水果分级机的设计 13 2 1 水果分级机的发展状况 14 2 2 水果分级机的作用 14 2 3 国内水果分级机的应用现状 15 2 4 水果分级机的系统分类 15 2 5 滚槽式分级机 17 2 5 1滚槽式分级机的结构 17 2 5 2 水果在滚槽中的运动分析 17 2 5 3 水果在承果槽中的受力分析 19 三 水果自动分级包装设备的总体设计三 水果自动分级包装设备的总体设计 23 四 包装机械发展的趋势和举措四 包装机械发展的趋势和举措 25 4 1 提高流程自动化 采用电脑控制设计 25 4 2 寻求提高生产率途径 降低工艺流程成本 25 4 3 适应包装市场变化 注重设备柔性灵活性 26 4 4 以用户需要为前提 提供完整成套设备 27 4 5 使用电脑仿真技术 缩短机械开发设计周期 27 五 结论五 结论 28 谢谢 辞辞 30 参考文献参考文献 31 4 前前 言言 随着农业综合开发 多种经营的发展 果树种植面积不断扩大 水果产速增加 水 果的收获后加工也就成为一项重要工作 为了对水果今后的销售 加工打下良好的基 础 收后首先对水果进行分级是必要的 而且同时对水果的及时包装也是很有必要的 经研究发现 无论采用何种保鲜方法 如果把物料进行一定量集合式的独立包装 其保鲜效果会得到明显提高 究其原因 独立式的包装不但对物料可起到保护屏障 的作用 而且能使大批量物料的堆叠保存空间分布均匀 以利于温控 湿控 药控 同时 独立式的包装还具有避免交叉感染的效能 阻碍腐败菌的快速蔓延 水果经 包装后 销售档次提高 达到产品增值的效果 最早水果的分选以自然方式为主 即在农民和商贩之间 采用手测的方法 例 如用手掌大小为分选标准 贴掌为一级 即一只手环握水果 另一掌帖满空隙处 二等称为帖四指 三等称帖三指 四等称帖二指 五等称帖一指 最小者不帖指 而普遍使用的水果分选方法为筛选法 至于水果包装机 它分为很多种类 如常用 的有封箱机 捆扎机 套袋机 水果清洗打蜡机等机种 介于设计的需要 水果封 箱机的发展过程早期是采用人工捆扎的 但是存在捆扎不牢靠 果实容易损坏 而 且效率不高等诸多缺点 随着技术的改进 人们开始采用手动钉箱机等设备协助水 果的包装 但是仍然存在劳动密集等缺点 从而运用自动机械包装水果有了快速的 发展 随着计算机和自动控制技术的迅速发展 农业技术将迈入高度自动化 流水线 时代 流水生产线已经逐步渗入到农业生产中特别是在实施农业的集中生产过程中 流水生产线中机器合理的配合使用将会成为农业向自动化和智能化发展的重要标志 21 世纪农村劳动力逐渐向社会其他行业转移 世界各国面临人口老龄化的问题 劳 动力的不足将成为事实 尤为重要的是温室内的环境较差 包装作业的劳动强度大 因此研究农业自动化机械特别是果实分级包装机械具有重要的意义 水果自动分级包装机是典型的流水线式组合化产品 工作环境是生产线式的连 续工作机器群 而由该机组构成的生产线涉及到多门学科知识 不确定的因素给分 级包装功能的实现带来了很大的困难 水果自动分级包装机在某种程度上代替了人 类的工作 但它的使用并没有达到普及的程度 这主要存在两个关键问题 1 水果自动分级包装机的智能化程度没有达到农业生产的要求 2 水果自动分级包装机的成本高 只有在大的生产强度下才能体现它的优越性 一 般的用户采用该方案 其生产成本太高 不合适 此外 该生产线的工作效率虽然较以前的提高了很多 但是在它其中任何一台 机器发生故障的情况下 将会同时迫使整条生产线停止工作 所以它的稳定性是有 5 待提高的 本设计中参考了一些食品机械 如分级机 的结构设计 在这基础上我根据分 级机的原理对整个机器的分级部分做了简单的设计 整体的设计涉及到机械 传感 控制 电子等方面的内容 整个生产线能实现分级和包装两个主要方面的功能 能 实现最基本的分级包装水果的动作要求 本设计需要解决的问题 1 机器对水果的自动分级和对水果的连续包装 2 减速方式的设计和选择 3 电动机的选择 4 中间生产线的布置和机器间运动的协调处理 针对本设计而制定的总体设计方案 1 进行水果自动分级包装机的结构设计 简单的受力分析 2 根据设计的需要合理布置机器中各杆组的空间位置 3 整体结构的安装方案 4 在设计中要综合考虑机构的设计 各种设备与机构不要干涉 要针对客观实 际综合进行设计 6 一 水果包装机的设计一 水果包装机的设计 1 1 包装的意义与目的包装的意义与目的 包装就是将产品用适当的材料 如纸箱 麻袋 竹蒌 网 袋 塑料箱等容器装 起来 用以保证产品品质 便利运输及销售的一种工作 其目的为 1 保证产品品质 不受伤害 以便利长程运输 2 为了搬运装卸 交易作业方便 促进产品流通速度 3 透过包装来增进产品销售量 创造需要 提高产品在市场的竞争能力 4 以包装设计塑造产品形象 建立优良产品品牌 1 2 水果包装新趋势水果包装新趋势 水果包装是销售水果的重要环节之一 为与水果市场需求变化相适应 近年来 水果在包装上呈现出以下新趋势 小包装 随着家庭的小型化 城镇居民一般为 3 口之家 和对水果品种需求的 多样化 以及为了保持水果新鲜 水果包装箱 袋 有逐渐向 小 发展的趋势 如 柑橘市场上原来的 50 公斤 40 公斤的包装逐渐淡出 比较多见的是 20 公斤的包 装 近年来 还陆续出现 5 公斤 2 5 公斤的小包装 并具有一定竞争力 一些不 耐贮藏的时鲜小水果还出现了 0 5 公斤 1 公斤的小包装 便携式包装 近年来提篮式 提网式 提袋式 提包式等携带式小包装在市场 上频频亮相 并逐渐成为市场新宠 如精美的小提篮 塑料 葡萄或南丰蜜柑 小 巧的柑橘小提箱 金黄色的小网袋溪蜜柚等 绿色 包装 适应人们返璞归真 崇尚自然以及绿色消费的心理 果农就地取 材 利用树藤 树条 竹片等材料 编织水果篮 作为水果包装 很讨消费者喜欢 多样包装 针对当前水果多采用机制方形纸箱包装的现象 有些果农做了新的尝 试 促销效果很理想 产先 从材料入手 试用木箱 塑料箱 金属箱替代纸箱 其次 从形状入手 用圆形 向形 连体形等形状替代方形有 其三 从制作工艺 入手 变机制馐物为手工艺馐物 有些经销商从用途上着眼 推出自用廉价型 馈 赠祝福型 旅行方便型 产地纪念型等多种包装 总之 每一种新变化 都能刺激 一种新的消费欲望 从而达到扩大销售的目的 礼品包装 不仅小巧玲珑 而且包装精美 并附具祝福 祝寿 贺喜 祝您早 日康复 等字样 礼品水果及其包装成为当前礼品发展的重要方向 透明包装 不仅通过透明塑料包装 提篮式包装 提网式包装 让包装购买者 7 可以真切看到水果的颜色 大小等外观品质 而且纸箱等封闭式包装也采用了部分 透明材料 让消费者可以大致窥见箱中的水果 在当前诚实服务呼声渐高的水果市 场上 这无疑迎合了消费者 买个明白 的消费心理 组合包装 随着消费水平的提高 人们消费水果呈现出多样化 在同一包装袋 箱 中盛有多种水果的组合包装应运而生 消费者只要买上一袋 便可品尝多种 水果 而且多种水果放在一起相映成趣 给人们以美的感受 无形中增加了水果的 附加值 1 3 包装容器必须具备的条件包装容器必须具备的条件 1 能够防止机械 光线的破坏 保证产品品质 2 具有开箱容易 内容物检查方便的优点 3 一般运输搬运系以重量 体积 件数来衡量 故容器应考虑体积小 重量轻 件数少 方便装车 卸货 免回收等良好的装卸 运输适合性 4 要有产品装填 封箱 打包 标示等良好的包装作业适合性 以节省包装人 力 5 包装材料费应与产品价值作适当的配合 即价值低者 包装费不宜过高 6 产品标示容易 亦即包装应有明显的品牌 品名及必要的标示文字 其图案 色彩鲜明 7 良好的包装容器应考虑其废弃物的处理 避免再污染的发生 1 4 包装容器的选择包装容器的选择 果品包装作为包装产业的一个重要分支具有良好的发展空间 果品的外包装主 要有筐 木箱 瓦楞纸箱 泡沫塑料箱等 随着社会的发展和人们生活水平的提高 符合生态 环保 健康的产品成为消费的主流 绿色包装凭借其自身优势已成为果 品包装未来发展的重要方向 果品绿色包装应考虑是否有利于节约资源 能源 人 力 物力和流通力量 是否会对果品 环境 各流通环节中的操作人员和果品消费 者造成污染 是否有利于回收 循环或再生利用等 此外 果品用瓦楞纸箱还应符 合国际瓦楞纸箱联盟环保法规的要求 即瓦楞制品应没有覆膜或未经其他处理 可 直接制浆造纸 目前 果品主产区的果品包装业在实际生产中也越来越注重选择可 回收 无污染的包装材料 以逐步实现果品的绿色包装 果品包装用绿色瓦楞纸箱 的推广对于优质果品走出国门 突破国际贸易的绿色壁垒 进入国际市场 将起到 巨大的推动作用 8 综合以上方面的考虑 选择瓦楞纸箱作为包装容器 因为它由木纤维构成 而木 纤维是可经自然作用分解 它有多层的黏合体 它最少由一层波浪形芯纸夹层 俗称 坑张 或 瓦楞纸 及一层纸板 俗称 牛皮咭 构成 它有很高的机械强 度 能抵受搬运过程中的碰撞和摔跌而且重量轻 缓冲性能好 造型结构可塑性强 无废弃公害 符合环保等优点 广泛使用于果品包装 瓦楞纸箱的实际表现取决于 三项因素 芯纸和纸板的特性及纸箱本身的结构 根据不同组合 瓦楞纸板可以分 为下列五种类型 1 由一层芯纸及牛皮咭组成的纸板称为 露瓦楞的纸板 露瓦 楞的纸板 一般只用作垫层 间隔及包裹形状不规则物体 2 由一层芯纸及上下两 层牛皮咭组成的纸板称为 单坑纸板 3 两层芯纸分夹于三层牛皮咭内的称为 双坑纸板 双坑纸板可由不同坑宽及纸质相异的坑纸组成 比如以 B 坑纸配 C 坑纸 4 三层芯纸分夹于四层牛皮咭内的叫做 三坑纸板 5 特强双体纸 板乃由单坑纸板发展而来 它中间的一层芯纸由两块厚芯纸相叠黏合而成 总之 评价一种果品包装成功与否主要是根据被包物的具体要求 它包括 保 护作用 调节温度 防止水分散失等 瓦楞纸箱结构有二层 三层和五层之分 若有 特殊需要还可有七层或更多层的高强瓦楞纸板 随着人们对果品包装要求的不断提 高 瓦楞纸箱除了具备传统的包装功能外 还应具备一定的特殊功能如保鲜 智能 等 因此 人们越来越趋向于将目前先进技术应用到瓦楞纸箱中以提升纸箱的功能 优势 例如 将纳米技术和纳米材料应用于瓦楞纸箱可以大大提升纸箱的保鲜功能 它是制造高性能果品包装箱的最新技术 远红外瓦楞纸水果包装箱是在由 100 的天 然纸浆制造的纸板上涂抹一层可以释放远红外线的陶瓷 该种瓦楞纸箱盛装新鲜水果 保 鲜期比用普通瓦楞纸水果包装箱包装延长一倍左右 1 5 封箱机的设计封箱机的设计 利用粘贴胶带封合是目前最为广泛的封箱方法 折合好封口折片或是已采用黏 合封口的纸箱 是卷盘式压敏胶带跨着封口折片的折合缝粘贴 并对其施加一定的压力 使箱口封牢 纸箱体各端头与粘接胶带的粘接长度一般应大于 50mm 1 5 1 封口机的发展概况封口机的发展概况 封口机是指在包装容器内盛装产品后 对容器进行封口的机器 包装容器的封 口 是包装工艺不可缺少的工序 封口的好坏将直接影响包装产品的外观质量和包 质期 因此 包装质量在很大程度上取决于封口质量 而选用合适的封口机以实现 封口工序的机械化 自动化操作是提高封口质量的重要依据 改革开放以来 我国包装容器的封口技术水平不断提高 目前我国生产的封口 9 机已达上百个规格品种 机械功能也从单一的封口功能向抽气 封气 封口 除尘 封口 封口 打印等多功能方向发展 1 5 2 不同的封口机的分类及特点不同的封口机的分类及特点 不同的包装容器有不同的封口方式 如塑料袋多采用接触式加热加压封口或非 接触式的超声波熔焊封口 麻袋 布袋 编织袋多采用缝合的方式封口 瓶类容器 多采用压盖或旋盖封口 罐类容器多采用卷边封口 箱类容器多采用钉封或胶带粘 封 按照封口方式的不同 封口机可分为以下几中类型 1 热压式封口机 采用加热加压的方式封口被包装容器的机器 所使用的加 热元件有加热板 加热环带 加热辊等 2 熔焊式封口机 通过加热使包装容器封口处熔融而将包装容器封闭的机器 常用的加热方式偶超声波 电磁感应和热辐射等 3 缝合式封口机 是指使用缝线缝合包装容器的机器 多用于麻袋 布袋 复合编织袋等的封口 4 卷边式封口机 用滚轮将金属盖与包装容器开口处相互卷曲勾合以封闭包 装容器的机器 卷边式封口机又称封罐机 是罐头食品生产过程中的重要机械设备 之一 5 滚压式封口机 是指通过滚轮滚压作用以封闭包装容器的机器 如对纸包装 箱的封口 6 旋合式包装机 是通过旋转封口器材以封闭包装容器的机器 封口器材通常 是指带有螺纹的瓶盖或带有向内卷曲的盖挝的罐盖 以旋转的方式旋紧在带有螺纹 的瓶口或罐口上 7 结扎式封口机 使用线绳等结扎材料封闭包装容器的机器 1 5 3 包装机结构方案的设计包装机结构方案的设计 在水果包装机的机械结构设计过程中 首先要确定它的运动方式及传动方案 可行性方案的筛选方法提要及研究方法的思路 在包装机的结构设计中 可以采用每个运动机构各自有一个原动机 也可以采 用多个运动机构共用一个原动机 那么这时需要采用合适的传动结构来实现机械的 运动功能 研究方法思路如下 参照其他农业机械的运动原理结构 适当进行改进完成功能要求 整个方案的 设计总线路是 原动机构的选择 驱动结构 执行机构 先确定执行机构 由 10 执行机构和驱动机构选择原动机构 因此 对于整台机械而言 胶带切割机是执行机构 传送带是驱动机构 切割 刀片和传送带上的电动机是原动机构 本设计是对包装机的运动结构进行设计 开始假设胶带切割机的运动速度为某 一定值 从而计算电动机在运动范围内力矩最大值 选择机器各部件的材料 通过计 算它们的强度和刚度来选择各零件的尺寸 胶带粘贴的方案的选择 通过参考相关资料及在网上搜索了一些关于包装机方面的一些内容 在这一步 的设计中 最简单的方法是通过传送带上包装箱的运动进而带动圆支杆上的胶带轮 的装动 通过底部圆导杆的滚压作用 最后进行胶带的分段切割 从而实现封箱包 装的运动要求 具体的工作流程如下图所示 胶带封箱机是一种用卷筒贴胶带自动将纸箱的上底封口的包装设备 技术上要求 纸箱在工作台上通过时的速度应达到 40 50 箱 min 确保刀片能一次性切断多余的 封口胶带 电动机分别带动侧面和顶式皮带运行 变速传动时应确保皮带的速度一致 在这个环节的结构设计中 就关于如何对包装箱上的胶带进行切割 有以下几 种设想 方案一 我们可以借助齿轮齿条来实现对胶带的切割工作 其中的刀片可 以焊接齿条上 通过它们的直线运动 就可以达到预定的功能要求 方案二 结合 电学的知识 我们还可以利用金属通电后能产生磁性的特点 在金属上缠绕一些线 圈 固定其在传送带的一边 使其沿着纵向导轨方向安装在传送带的一边 在带的 另一边同时安排一个金属块 并把刀片焊接在其下面 使其沿导轨做直线运动 尾 端用弹簧连接 当通上电源后 由于电磁力的作用 活动的一端金属块 带刀片 沿着导轨完成切割动作 当通电结束后 磁力消失 在弹簧的拉力作用下 刀片恢 复到原来的位置 从而实现对包装箱两侧来回的切割动作 如此反复的运动 即能 达到预期的切割功能 方案三 由于是进行胶带的切割 所需作用力不大 因此可以选 择用刀片的旋转来实现切割动作 动力由电机提供 方案四 由于是对胶带进行切割 所以可以选择用弹簧的复原性能实现来回运动 进而带动刀片对胶带进行切割 其 中刀片可以用冲压模具的方法来成型 综合对比以上四种方法 结合我们自身的知 识结构 采用第四种方案比教理想 介于是对胶带的切割 所用的作用力不需要很 大 若采用方案一 虽然可以满足动作要求 但整体机构庞大 不方便在整机内的 安放 而且电动机富余功过多 浪费大 使生产成本提高 选择方案二 虽然较方 案一有所改善 但结合自身的知识体系 对其中的一些细节技术要领把握不够 而 且其中所用的弹簧部分要经常更换 否则会影响其整体功能的实现 方案三虽然较 前面两种方案好 但由电动机提供动力 而且中间传动功率有所损失 传动准确性不够 综 合以上的方案进行对比 选择方案四比较合理科学 它即能满足工作性能要求 又不 11 需要动力源 可以依靠自身的结构特性来实现切割性能 更重要的是其只需要焊接在 机构上就可以了 为安装提供了很大的便利 图 1 水果封箱机机构原理图 1 5 3 1 技术参数 最大封箱尺寸 240 350 封箱速度 40 50 箱 min 电源 220V 50 60Hz 总功率 180W 整机尺寸 2205 380 605 整机重量 180Kg 1 5 3 2 封箱敷贴机构 该机构主要用来将有胶质的胶带贴到箱子折页的接缝上来完成封箱 根据封箱 时的不同要求可分为上贴 下贴和上下同贴三种 该机构所采用的是单面胶质带或 黏胶带 胶带不同 装置结构也不同 用胶质带时 要有浸润胶质带胶层的装置 12 用黏胶带时则不要浸润和加热装置 它只要将黏胶带以手工松展引导粘贴到箱子的 封口处 随后纸箱送进时受到牵拉松展 如图 1 所示为胶质带封条敷贴机构的原理图 纸箱按图所示箭头方向输送 胶带卷挂在上 下架子上 胶带经导辊到达热水槽 受温水作用胶层熔化恢复黏性 在压贴轮 或封刷 作用下粘贴在外折页接缝处 胶带随着纸箱的送进被牵拉松展 经过切断刀下面时 带封刷的切断刀下降 在切断胶带的同时把前后两个箱子侧面 的封条刷贴牢固 图 2 胶带剪切器 如下图所示为黏胶带封箱机构原理图 从看图的习惯性出发 将图倒置 方便 看懂图 图 2 表示机构的工作开始状态 胶带先被松展 经导向辊和张紧 辊并穿过导向板到达敷贴工位 当纸箱 6 由传送皮带 3 送到图示位置时 第一个直 立敷贴辊 5 贴到箱子的前侧面 箱子在输送带的带动下在前进中使第一个直立敷贴辊 5 沿支点向下旋转 在此 过程中敷贴辊始终沿箱壁滚动 使胶带更加紧密地贴到箱子的上部 见图 3 13 图 3 胶带剪切器 受连杆 8 的作用 第二敷贴辊 2 和第三敷贴辊 1 顺时针转动 分别与箱顶和箱 前壁接触 到图 4 所示位置 箱子已完全脱离了第一敷贴辊 切刀 4 在弹簧作用 下复位 将封带切断 而敷贴辊 1 2 继续沿箱顶滚动 直至将箱顶完全贴好 当箱 子越过敷贴辊 2 1 时 辊 1 2 在复位时将剩下的一段胶带贴到箱子的后侧面 从 而完成胶带压紧并剪切的全过程 为保证自动封箱机的正常运行 常辅有自动拉带 自动报警 自动停车等装置 图 4 胶带剪切器 1 5 3 3 刀片的设计 为了确保刀片对胶带的切断的可靠性 确保一次性切断胶带 刀片设计如图 5 所示 胶带在切断前被绷得很紧 只要断口处有一点先被切破 断口就会迅速扩大 直 到全部断开 为了增强切断瞬间的压强的作用效果 设计刀齿的排列有一定的斜度 其 斜度为 3 度 从而使瞬间的接触面积大大减少 尽可能地使刀片一次性切断胶带 14 图 5 刀片 1 5 4 包装机结构设计中遇到的问题及解决方案包装机结构设计中遇到的问题及解决方案 经过以上的方案论证 在胶带的拉带环节 我们选择经过传送带的运动来带动 粘性胶带的运动 比热敏胶带需经热水槽熔化后恢复黏性操作更加方便 而关于胶 带切割环节 最初选择了两个主要的方案 即方案三和方案四 在方案三的结构设 计过程中 也有许多的设计思路 比如在刀具设计安装环节 原本是打算在旋转轮 上焊接一个刀片 后来由于考虑到是对胶带进行切割的实际情况 经过认真的思考 最后决定采用经模具冲压而形成的异型轮的旋转而实现对胶带的切割 减速环节用 皮带轮进行 最终确定了方案三的整体设计思路 至于方案四的确定 是由于考虑 到方案三是中采用电动机提供动力 无论是从生产成本角度考虑 还是从切割环节 机构的安装角度考虑 设计的结构都不是很突出和简洁 于是经过认真的思考 全 面的资料查询和不断的修改 最终才得出方案四中切割胶带机器结构的形成 15 二二 水果分级机的设计 水果分级机的设计 2 1 水果分级机的发展状况水果分级机的发展状况 随着水果储藏加工业的发展和人们生活水平的提高 对水果质量的要求也越来 越高 水果采后分级工作显得日益重要 而采后分级工作时效性强 作业质量标准 高 因此 实现机械化 自动化作业势在必行 生产优质 美观 新鲜的水果及其 分级技术显得尤为重要 国外在水果的加工过程中 大多采用微机控制机电一体化 设备来代替人工作业 由于生活节奏加快和饮食结构的改变 对进入市场的水果要 按规定分级 分级和包装将是必然的趋势 因此 可以说水果分级机在我国有着很 大的潜在市场 为了提高分选的标准和统一性 降低产品的成本和改善劳动条件 同时在激烈的世界市场竞争中取得立足之地 研究和开发水果采后自动化处理系列 设备 选出高质量的水果并进行保鲜处理 已成为当前我国农业机械化重要的研究 课题 针对我国果蔬生产所存在的许多问题 果蔬生产主要以加大投入 多种多收为 手段 产品结构单一 生产效率提高缓慢 科技进步效率低 传统的生产技术仍占 主导地位 以户为主的经营方式落后 资源利用率低 产品附加值小 加速果蔬生 产和加工的现代化 产业化 国际化 是当前果蔬业发展过程中的一个重大课题 2 2 水果分级机的作用水果分级机的作用 由于消费者对于作为商品的水果的观念将发生改变 由原来的只注重其 实质 到将来的实质和 形式 并重 而形式就是指水果的外观 包括大小 形状 颜 色 整齐度 无序的水果销售形式不利之处在于 采收无计划 不利于大规模组织外调或外销 不进行采后处理 水果大小不一 着色不一 成熟度不一 商品性较差 由于未及时清洗杀菌和预热 使外调 储藏性能不好 运输途损失大 没有统一商标品牌 与进口水果的品牌果相比 在国内市场都缺乏竞争力 很难走出国门 可以说 水果分级是水果进入流通的一个重要环节 直接关系到水果的包装 运输 储藏和销售的效果和效益 在市场商品经济高度发达的今天 异地销售 大 宗农产品交易和农产品国际贸易等均离不开标准化 而水果分级就是实现水果商品 标准化的最为基础的一步 16 目前我国各水果产地水果的等级仍以手工分级为主 不但速度慢 劳动强度大 而且分级质量易受人为因素的影响 从技术角度上看 人工分级时对水果的等级判 定是根据个人的经验 瞬间判断的结果 其结果必然是因人而异 同时还受人的情 绪和疲劳程度的影响 不仅人工劳动量大 生产率低 还造成打蜡标准难以实现 分级精度不稳定 致使水果表面蜡液不匀 光泽暗淡 果径不一致 并造成水果保 鲜期短 腐烂严重 这严重影响了水果的竞销能力 为提高我国水果在国际销售市场上的竞争力 提高水果品质和保鲜期限 水果 在上市场成为商品之前 就必须对收获后的产品进行清洗 加工等处理 然后按大 小尺寸及品质等级标准等进行分级 分类和包装 一方面 水果的分级不仅可为以 促进市场流通的需要 提高食品的卫生安全以及产地的信誉 而且通过分级 整理 提高产品档次 达到优质优价 这是生产者和经营者平等竞争 增加效率的唯一办 法 另一方面 如能在销售 储藏或加工前对水果进行喷蜡和分级 既能避免分级 过程中的损伤 增加水果的储藏时间 提高水果的加工质量和出口等级 减少损失 又能提高储藏质量 免受细菌感染 对于满足各消费阶层的需要 增加我国水果的 出口竞争能力具有十分重要的经济和现实意义 2 3 国内水果分级机的应用现状国内水果分级机的应用现状 为了实现水果机械自动化分级 我过在 70 年代研制过有关机械 当时主要是筛 孔式分级原理 结果由于水果损伤严重而停止使用 随后 我国在一段时间里 由 国家投资分别从日本 澳大利亚等国引进了部分机械称重式分级设备 用于重点出 口基地 按重量进行分级 虽然伤果率低 但是误差却较大 而且设备结构过于复 杂 为此 在 80 年代中期 我国有关部门开始进行辊 带间隙式水果分级方式的研 究 并于 1987 年通过了第一台样机鉴定 该设备较受用户的欢迎 目前占有较大的 市场分额 近内来 随着计算机视觉技术的发展 在 90 年代初期 国内外都已进行 了计算机视觉技术在水果外观检测与分级中的应用研究 目前已在尺寸检测方面取 得比较满意的成果 有较成熟的计算机尺寸与颜色分级生产线 2 4 水果分级机的系统分类水果分级机的系统分类 根据不同的用途 采用不同的分级原理 具体的分类如下图所示 经过以上的 图形 我们得知 水果分级的方法有按水果的大小 重量 外观 内部品质等方法 其中 按水果大小进行分级 选出水果大小形状基本一致 有利于包装储藏和加工 处理 故在水果分级技术中应用很广泛 目前 苹果类圆形水果种类很多 但同一种类圆形水果的密度差异甚小 因此 17 按大小对此类水果分级是科学的 通过大量调查 分析研究 目前可用于苹果类圆 形水果分级的方法有筛子分级法 回转带分级法 双辊分级法 滚槽式 滚筒式分 级法等 重量分级法一般采用机械式称重 利用了杠杆原理对水果进行分级称重 2 1 设备工作时 杠杆的一端装有盛果斗 盛果斗与杠杆间是铰链连结 杠杆的另一端 上部由平衡重压住 下部有支撑导杆以保证水平状态 杠杆中间由铰链点支撑 当 盛果斗的水果重量超过平衡重时 杠杆倾斜 盛果斗翻倒 抛出水果 承载较轻水 果的杠杆越过此平衡重的位置沿着导杆继续前移 当遇到小于水果重量的平衡重时 杠杆才倾斜 盛果斗翻倒在新的位置抛出较轻的水果 因此 水果可按重量不同被分 成若干等级 目前 机械式重量分选机主要有两种机型 1 固定衡量秤 运动输送盘式 2 固定 限位装置 运动衡量秤体式 根据水果外观的不同 如色泽和表面缺陷读等标准 对 水果进行分级的方式称法和计算机图象处理分级法 按水果内部品质分级水果包括 水果的糖分 酸度和缺陷等指标 一般来说 水果的成熟程度可以用水果的颜色间 18 接地代表 但表示成熟度根本是水果内部的糖度 酸度 果肉软硬度程度等指标 糖酸度的破坏性检测技术早已被人们掌握 而无损伤检测是近年来发展起来的高科 技技术 水果品种多种多样 不同水果有时需要不同的检测方式方法 检测方法按 检测项目大致可分为近红外糖酸度分析法 力学成熟度分析法 可见光成熟度分析 法 激光分析法 射线分析法 按安装方式可分为随身携带式和在线固定式 结合实际情况及需要 我们选择用滚槽式分级法对水果进行分级工作 即按水 果的大小进行分级 其分级设备简易 应用广 较容易实现 2 5 滚槽式分级机滚槽式分级机 2 5 1 滚槽式分级机的结构滚槽式分级机的结构 对水果可以按大小 也可以按重量进行分级 对于形状规则的类球形水果 例如 3 广泛种植的梅 李 橄榄等 按大小分级是简单易行的方法 按水果大小 即直径不同 来分级 通常是利用不断变化的孔隙 当孔隙超过水果直径时 水果就穿过孔隙下落或 滚出 从而达到分级的目的 有多种实现孔隙变化的分级机构 选择何种机构 应当考 虑 分级精度 即孔隙的稳定程度 对水果的损伤程度 结构复杂程度 制造成本和 工艺性 所分级水果批量等多种因素 在很多地方 还很少对某一地区内生产的水果集中地进行分级处理 多是食品加 工企业在水果成熟季节的短时期内对特定品种水果进行分级 分级量较小 机器年使 用时间短 因此 构造简单 制造容易 成本低廉 调整使用方便的分级机更受欢迎 通过一与水平面保持倾角 的半圆槽构成的滚槽分级机构 图 6 是一种结构 简单 制造容易的分级装置 由于有斜度 在重力作用下球形水果沿孔滚下 落入分级 承果槽 完成水果分级工作 2 5 2 水果在滚槽中的运动分析水果在滚槽中的运动分析 该分级方法尽管简单 但与其它分级装置相比 不足之处是水果仅靠重力作用下 滚 没有一个机构强制施加外力来保证水果按要求的规律运动 这种下滚很复杂 且不 稳定 很有可能一个水果停在辊间 然后后续水果再不断堵塞 堆积 整个机构就无法 正常工作等缺点 为此 在设计的过程中 必须仔细研究水果在槽间的运动规律 找出 各设计参数对运动状态的影响 2 5 2 1 滚动阻力矩 M 19 水果不是绝对球形 且为刚度有限的生物材料 在沿斜面向下滚动时 影响滚动阻 力矩的因素比较复杂 由水果形状 自重变形引起的阻力矩 M1 类球形水果沿斜面滚 动时 存在 动态稳定滚动角 即当斜面倾角为 时 水果沿此面匀速下滚 4 主要与水果不圆度 水果自重变形 接触表面特性有关 图 6 滚槽式分级装置简图 20 a 动态稳定角 对应的阻力矩 M1 b 压缩变形阻力矩 M2 图 7 水果滚动阻力矩 由图 7 a 可以求出此时水果下滚的恒定阻力矩为 M1 sin r G N sin r e r sin 2 5 3 水果在承果槽中的受力分析水果在承果槽中的受力分析 采收后的水果往往是过于成熟 刚成熟和未成熟的相混杂 目前 国内外水果 分级主要是重量或大小分级 在分级后水果下落到承果槽的过程中 由于水果成 5 熟度与硬度有较大相关性 所以对它的下落冲击力测试是很有必要的 它关系到 6 水果的受损情况 由于不同水果受冲击力的影响不同 我们选择我们比较熟悉的桃子作为试验对 象 如图 8 所示 整个测试系统由压力传感器 信号放大器 A D 转换 486 计 算机 平板及其他附件如抓果机 触发器 电源稳压器等组成 压力传感器采用压 电式压力传感器 水果下落时 由触发器启动记录 打印 图 8 测试系统示意图 1 平板 2 压力传感器 3 信号放大器 4 A D 转换 5 计算机 6 触发器 7 抓果器 21 图 9 冲击力特性图 如图 9 是典型的桃子冲击力特性图 从中可得冲击力学特性值 力峰值 F P 达到力峰值所需时间 T 力总作用时间 T 并由此可算出冲击力时间特性二个参数 P C F T 和 F T 值 PPP 图 10 F T 与硬度 H 的关系 PP 桃子在一定高度 相同质量条件下 硬度高 峰值大 到达峰值时间短 总作用时间 也短 C 和 C 值大 2 5 3 1 不同高度和成熟度对冲击特性的影响 根据桃子成熟度和硬度的关系 且为便于分析 将桃子按硬度 H 不同分成 3 个 等级 1 过于成熟 H 35N cm 2 刚成熟和已成熟 35 H 55 N cm 3 2 2 未成熟 H 55 N cm 然后按不同高度 3cm 6cm 9cm 质量为 120g 左右 不 2 同等级的桃子组成 9 个处理试验 结果见表 1 22 对 不同 硬度 等级 T 和 P T 呈 极显著 F T 值呈显著 且硬度增加 T 和 T 减少 F T 值增加 故可考虑 PPPPP 这 3 个指标作为按硬度采用冲击力分级参数 对不同高度 F 和 T 分别呈极显著和显著 其它指标受高度影响较小 故考 P 虑 T F T 为分级参数时 宜采用低高度 3cm 分级 以防冲击损伤 PPP 以 3 个硬度等级和 3 个质量 95 120 145g 左右 组成 9 个处理按高度 3cm 下落 结果见表 2 F T 值受硬度等级的影响极显著 其 F 值远大于其它指标 且受质量影 PP 响极小 F 0 02 表明一定高度下 采用 F T 按硬度分级比 T 和 T 更适宜 PPP 在表 1 中 因成熟度 F T 值呈显著 而表 2 中呈极显著 这是由 PP 于前者在不同高度时冲击的结果 F T 受高度影响颇大 PP 23 2 5 3 2 F T 与桃子硬度关系 PP 如图 9 硬度增加 F T 值变大 其关系极显著呈双曲线规律 也表明二 PP 者相关性极大 2 5 3 3 损伤体积 桃子在 3cm 下落后 放置自然环境中 24h 让其损伤组织变褐 采用文献 18 方 法计算损伤量 见表 3 只有过于成熟的个别桃子有损伤 且其损伤量极小 小于原体积 2 这些桃子不 耐储藏 本身需通过分级及时食用或加工处理 2 5 3 4 水果运动分析总结 用圆槽呈一定倾角 并附有不同大小的圆孔 进而来对水果进行分级的滚槽式分 级机 由于结构简单 是一种比较适用的分级装置 为保证滚槽式分级机的正常工作 应设置送果机构 以保证水果以一定间距进入分级槽 24 三 水果自动分级包装设备的总体设计三 水果自动分级包装设备的总体设计 分级与包装是一个整体的两面 两者必须相互配合才能做得彻底 原始的分级 包装可以分为农友个别来做和共同来做两种方式 个别农民来做分级包装 因受个 别农友供应数量少 加上农友主观的判定 不易建立统一的分级标售 同时在个别 农友零售货场的销售方面 由于不易塑造产品品牌与信誉 竞争能力较为薄弱 为 了弥补上项缺点 后来较为进步的作法 就是由农友将采收后的果菜 在田间自行 初步整理后以塑胶容器送达集货分级包装 也可因实际情形加以变通 例如葡萄 枇杷 花胡菜等果菜 为了避免多次翻动造成擦伤 则可由农民在田间依据制定之 分级标准实施分级 并装入规定容器送达集货场 再由集货场评级员评定等级后捆 包 不须送达集货场再由专人分级 但随着科技的发展 该方法生产效率低 成本 高 根本不能够满足社会化大生产的要求 必须有特定的机械来进行水果的分级和 包装 才能满足市场的要求 满足生产率的需要 针对圆形水果组织结构的特点 设备的设计必须避免引起果实的机械损伤 否 则无法保存 使包装失去意义 重点考虑两个方面 其一 分级方法 如果采用传统的筛选分级办法 由于受到频繁碰撞 极易损 伤水果表皮 因此提出采用滚槽式分级法 这是一种简单易行的方法 而且能满足 分级的功能 其二 包装形式 对于像苹果 橘子 梅 李 橄榄等水果 我们可以采用纸 盒包装形式进行包装 该包装容器不但具有一定的刚性 而且可方便实现运输中安 全搬运的功能 整个包装过程基本实现了自动化的要求 生产流程为 水果 平带输送 整理排列 分级 储料斗 纸箱 平带 输送 封箱机 输出 分级包装前的水果首先由人工剪去枝叶 通过平带输送机 进入生产线 然后自动完成整理排列 分级 装填和成型盒封箱包装的全部工序 25 本生产线设计为直线式布置 全线包括平带输送机 整理排列装置 分级机 储料斗 分配装填机 封箱包装机 卸料输送机以及编程电控系统等部分 图 11 水果自动分级包装机系统工作流程图 图 11 所示是水果自动分级包装设备工作流程图 平带输送机用于输送人工 剪枝叶后的水果 并可作拣果台 把腐烂的果品剔除 整理排列装置可将杂乱无章 的果品整理成整齐的单个列队 分级包装机对果实进行大小分类 储料斗将分好的 水果进行储存 果实按设定重量装箱 确保单体包装重量 再经包装机自动封箱 最后包装箱将产品由卸料输送机送出 在总体的包装机生产线的布置过程中 也曾遇到过一些问题 如在分箱机工作 完成后对在其上面安装一个储料箱还是另设一个储料机构问题的思考 经过仔细的 思考 最后还是觉得还是另设储料箱比较好 因为在分箱机上安装一个储料箱会出 现很多问题 比如它会涉及到在分箱机上必须有一个水果漏关的控制装置 而且在 充填的过程中 不一定能保证充填时有足够的水果供送 所以 在充填之前 另行 安装一个储料斗是和合理的 而且能够简化分箱机的机器结构 除此之外 整条生产线很多地方都用到了焊接 如封箱机中固定剪切胶带的机 构及其支撑支梁 导棍 压轮和分级机中的承果槽等结构的固定都是采用焊接 它 具有强度高 工艺简单 由于联接而增加的质量小 工人劳动条件较好等优点 是比较适合设计需要的连接方式 为了保证焊接的质量 在设计焊件时 应注意恰 当选择母体材料及焊条 根据被焊件厚度选择接头及坡口型式 合理布置焊缝及焊 缝长度 正确安排焊接工艺 以便避免施工不便及残余应力源 对于那些有强度要 求的重要焊缝 必须按照有关行业的强度规范进行焊缝尺寸的校核 同时还应规定 一定技术水平的焊工进行焊接 并在焊后仔细地进行质量检验 26 四 包装机械发展的趋势和举措四 包装机械发展的趋势和举措 目前 世界各国对包装机械发展十分重视 高新技术产品不断涌现 生产高效 率化 资源高利用化 产品节能化 高新技术实用化 科研成果商业化已成为世界 各国包装机械发展的趋势 具体的举措有以下五个方面 4 1 提高流程自动化 采用电脑控制设计提高流程自动化 采用电脑控制设计 几年前 自动化技术只占包装机械设计的 30 现在已占 50 以上 大量使用了 微电脑设计和机电一体化控制 包装机械自动化设计有以下两个主要特点 第一 每个机械手均由单独电脑控制 一台包装机械为完成复杂的包装动作 需由 多个机械手完成 完成包装动作时 在电脑控制的摄像机摄取信息和监控下 机械手 按电脑程序的指令完成规定动作 确保包装的质量 第二 具有对材质及厚度的高分辨能力 在包装过程中 包装材料的厚度及材质 变化不易为人眼所辨别 所以在设计包装机械时常采用由电脑控制的摄像机和探测器 来分辨包装材料厚度及材料的变化 摄像机现已发展到能自行检查和辨别摄取的图 片 并在显示屏上显示 目前 机器在加工时转速是不能变的 今后应根据材料的变 化经辨别后能改变转速 从而控制在最优化状态下工作 以最短时间完成包装工序 并 且实现自动清理 自动消毒和自动清洁 4 2 寻求提高生产率途径寻求提高生产率途径 降低工艺流程成本降低工艺流程成本 德国包装机械 尤其是饮料 啤酒罐装机械和食品包装机械 具有高速 成套 自动化程度高和可靠性好等特点 其饮料罐状速度高达 1200 瓶 小时 香烟包装 27 12000 支 分 提高机械转速是一个复杂问题 速度越快 单件生产成本越低 但厂房 使用面积随之增高 另外 电动机速度也是有限度的 所以不能想多快就多快 一般而言 转速提高 15 20 就将带来一系列复杂问题 其中提高生产率除提 高转速外 还可从另外的渠道设法解决 第一 采用连续工作或多头工作方式 包装机械工作方式有间歇式和连续式 设 计时 应争取设计成连续式工作 也就提高了生产率 一台设备内也可有多条生产线 生产 生产同一产品或几种不同产品 但必须提高可靠性 第二 降低废品率 提供故障分析系统 废品给生产造成的损失是巨大的 不仅产 品损失 也有材料损失 因此要尽量大幅度降低废品率 包装机械出售时还应为维修 服务提供故障分析系统 即进行模态分析寻找故障 或通过因特网进行远程诊断 最大 限度满足客户需要 今后要使包装机械进一步智能化 即设备自己寻找故障 自己去 解决故障 以降低废品率及故障率 使正常的生产率得以提高 第三 使产品生产机械和包装机械一体化 许多产品生产完结时接着就进行包装 这 样也有利于提高产品的生产率 如德国生产的巧克力生产设备及包装设备就是由一个 系统控制完成的 两者一体化关键是要解决好在生产率上相互匹配 其中包装机械往 往成为生产的 瓶劲 因此要提供不同种生产率的设备 4 3 适应包装市场变化适应包装市场变化 注重设备柔性灵活性注重设备柔性灵活性 许多包装产品为适应市场激烈竞争 更新换代的周期越来越短 如化妆品生产 三年一变 甚至一个季度一变 是量又都很大 因而要求包装机械具有良好的柔性和灵 活性 使包装机械的寿命远大于产品的寿命周期 这样才能符合经济的要求 为使包装机械具有良好的柔性和灵活性 提高自动化程度 须大量采用微电脑技 术 模块技术和单元组合形式 为适应包装产品品种和包装类型的变化 包装机械设 备的柔性和灵活性常表现在以下三个方面 1 量的灵活性 既能包装单个产品 也能适应不同批量产品的包装 2 构造的灵活性 即整台设备采用单元组成 换用一个或几个单元 即可适应产 品的变化 3 供货的灵活性 采用单元组合 将各单元组合在一起供货 如糖果包装机 在 一个共同基础上 组合不同的单元 三个进料口 四种不同的折叠包装形式 这样一台 机器就可同时包装 8 10 种不同的糖果 由多个机械手操作 在一台摄像机的监控下 指 挥其动作 按指令以不同的方式对不同种类的糖果进行包装 若产品改变了 只要改 变摄像机内的程序即可 从而使设备具有良好的柔性和灵活性 28 4 4 以用户需要为前提以用户需要为前提 提供完整成套设备提供完整成套设备 包装机械设计 以用户需要为前提 为生产企业提供结构性及经济性完整的系统 方案 并用电脑仿真技术演示操作给用户看 征求用户意见后进行修改 在为用户提 供自动生产线或生产流水线设备时尤其注重成套设备的完整性 无论是高技术 高附 加值设备 还是较简单的设备 都按配套性要求提供 当前包装机械生产一大弱势就 是生产单机多 而成套流水线少 主机多 辅机少 配套性差 德国的这种做法很值得 我们借鉴 包装机械厂家应将提供成套设备作为自己的努力的目标 4 5 使用电脑仿真技术使用电脑仿真技术 缩短机械开发设计周期缩短机械开发设计周期 随着新产品开发速度不断加快 包装机械设计普遍采用了电脑仿真技术 即将 各种机器元素以数据库方式存入电脑 电脑即可自动合成为三维模型 再把实际生 产时的数据和指标输进去 电脑三维模型即可仿照真实工作情况进行操作 演示出 能达到的生产率是多少 废品有多少 生产线个环节是否能匹配生产 瓶颈 在何 处 使客户根据显示屏上显示的曲线一目了然 并可根据客户的意见修改模型 电 脑合成速度很快 因此修改工作迅速方便 直到使客户或设计者满意 采用电脑仿 真设计技术 大大缩短了包装机械的开发设计周期 包装机械设计不仅要重视其功能和效率 也要注重其经济性 但是经济能不完 全是机械设备本身的成本 更重要的运转成本 因为设备折久费只站成本的 6 8 其他的就是运转成本 29 五 结论五 结论 水果自动分级包装机是一套复杂的自动化生产设备 采用多台机器联合工作 虽然本设备主要针对圆形水果而设计 在实际应用中可适应多种水果 如李子 龙 眼 板栗 核桃 橘子等类似的体积较小的果品分级包装加工 其使用范围广 适 应性宽 使用效率高 是提高产品档次 增值创收的理想设备 通过对水果分级机和包装机的设计 能够有效的提高水果的分级和包装的工作 效率 减轻人工的劳动力 使对水果的分级和包装能够同时实现 提高了其保鲜性 能 利于集体装箱和储藏管理 虽然国内外已经研制出各种类型的水果分选机 但在该技术领域仍存在许多尚 待解决的问题 就目前水果分选包装机的发展状况来看 应该重点研究以下几个方 面 1 分选机的柔软性 分选机的对象物是很容易损伤的水果 其传送和搬运机构要有柔软装置 能适 应对象物的各种形状 保证在传送和搬运过程中不能有损伤现象的发生 同时还要 保持对象物的新鲜度 30 2 分选机的通用性和适应性 适合非专业人员使用 能够通过机对话的形式实行分选标准的调整