王泽亮，周文禧，杨伟浩，李东阳，吴 泽

（内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010018）

我国拥有世界上最大最好的苹果适宜产区，苹果生产近年来发展迅猛，据2017年第十届中国陕西国际苹果博览会统计数据显示，中国已成为世界最大苹果生产国，种植面积和总产量均占全世界的50%左右，苹果为我国第一大水果品种。为了培育出优质高档苹果，果园科技工作者，发明了苹果套袋技术。苹果套袋后主要有以下几大方面的好处：一可以增进果面着色；二可以提高果面光洁度；三可以降低病虫侵害率，提高优质果率；四可以减少农药残留，提高食用安全性；五可以增强果面硬度，提高果实贮藏性。

但由于苹果的数量之多且作业时果农需要树上作业，劳动强度比较大，工作效率低，人工套袋效率仅为每小时100～150个，耗时耗力，再加上目前国内果园机械发展水平较低，每年的套袋作业都由果农手工完成，任务非常艰巨。因此，通过对传统手工套袋方式的研究，利用SW三维建模的方式，设计出一款轻便、实用的半自动苹果纸袋套袋机，减轻果农负担，提高作业效率。

1 设计思路

目前通用的纸袋尺寸结构图如图1所示，传统上人工套袋方法是，首先使全袋膨起，然后一手抓住果柄，一手托纸袋，把幼果套入袋口中部，将袋口从两边向中部果柄处挤摺，当全部袋口叠折到果柄处后，将袋口左侧铁丝卡反转90℃，弯成“V”形扎住袋口，最后用手往上托一下袋的中部使全袋膨鼓起来，两底角的出水气孔张开。

图1 果袋尺寸结构图

通过对传统套袋方式的了解，针对套袋过程中的步骤要点及套袋要求，完成对半自动苹果套袋机的设计。设计思想是根据传统作业过程和作业要求，确定该套袋机由取袋机构、输袋机构、张袋机构、封袋机构四大机构组成，如图2所示。

图2 机构组成图

2 取袋机构的设计

根据纸袋大小，设计内腔长宽高为150×180×100 mm的储袋室，用于存储纸袋，储袋室的底面四角上分别固定着四根性能完全相同的压缩弹簧，四根弹簧支撑起一块支撑板，用于在其上平稳放置纸袋，弹簧原长为140 mm，线径为1 mm，螺距为5 mm，在距存储盒底面156 mm的位置安装一个马达，马达杆端通过螺纹连接与搓纸轮相连。选用马达的转速为150r/min，搓纸轮直径为16mm。马达带动搓纸轮转动，依靠搓纸轮与纸袋之间的摩擦力，实现纸袋与纸袋的分离完成取袋动作。

3 输袋机构的设计

输袋机构主要由两个上下对称分布的搓纸轮组成，搓纸轮通过螺纹与马达相连，马达带动搓纸轮转动。选用马达的转速为150 r/min，搓纸轮直径为16 mm。上下两搓纸轮外表面轮廓接触，用以夹住纸袋，两搓纸轮转动方向相反，依靠搓纸轮与纸袋间的摩擦力，将纸袋运输到指定位置。

4 张袋机构的设计

张袋机构的主要动力源为压缩空气，由ZV10HS型真空发生器、真空吸盘、CJP2B16-10D型气缸、电磁阀组成。气缸通过螺母固定在机壳上，真空发生器通过螺栓连接固定在机体内壁上，气缸导杆和真空吸盘通过安装板，过渡连接在一起，压缩空气通过接气管输入到气缸及真空发生器中，进而实现气缸的动作和真空吸盘内的负压条件。该装置对称分布在机体的上下方，2个真空吸盘装配时同轴线安装，气缸初始状态为收缩状态。主体结构如图3所示。

图3 张袋机构结构图

5 纸袋封口材料的改进

热熔胶粘剂是一类无溶剂的热塑性高分子聚合物。常温时为固体.加热时熔融为流体，冷却时迅速硬化并产生胶接力，不需要任何溶剂性材料，胶合强度良好，具有一定的耐热性、韧性和耐寒性，渗透性小，硬化速度快，适合用于纸袋封口。

目前市面上的纸袋均是利用铁丝弯折将袋口扎住，若将纸袋袋口封口由之前的铁丝弯折式封口变为热熔式封口，一方面便于封口机构的设计，另一方面也能提高封口的质量，因此，对传统纸袋进行改进，取消铁丝，在袋口位置涂上热熔粘合剂，将纸袋封口方式改为热熔式封口存在一定的必要性。

6 封袋机构的设计

封袋机构主要由CJP2B16-25D型双作用气缸，电热片组成，主要动力源仍为压缩空气。气缸通过螺母固定在机体内壁上，电热片通过六角螺母与导杆螺纹端连接。该装置对称分布在机体上下方，装配时上下两个气缸导杆同轴线安装。主体结构如图4所示。

图4 封袋机构结构图

7 总体装配结构设计

由取袋机构、输袋机构、张袋机构、封袋机构组成的半自动苹果套袋机的装配结构图如图5所示。

图5 整机装配结构图

半自动苹果套袋机的工作过程是马达带动取袋搓纸轮旋转，凭借搓纸轮与纸面之间的摩擦力将纸袋从储袋室中单个取出，正在运动的纸袋末端离开取纸搓纸轮，取袋搓纸轮停止转动，取出后的纸袋在输袋搓纸轮的作用下继续向前运输，当纸袋末端即将离开成对布置的输袋搓纸轮时，感应器发生反应，单片机控制电磁阀1DT得电1 s和电磁阀2DT得电，气缸导杆带动真空吸盘伸出，真空吸盘将纸袋的上下表面吸住，1 s过后，电磁阀1DT失电常态位接入回路，气缸导杆带动真空吸盘回缩，纸袋上下表面被吸盘拉开。此时，人工将苹果放入张开的纸袋内，苹果位置确认放好之后，手动按住封袋按钮，使得电磁阀3DT得电，气缸导杆带动电热片伸出，同时单片机控制电磁阀2DT失电，吸盘吸力消失，纸面与吸盘分离，上下电热片将纸袋压住1s后热熔粘合剂融化胶结，放开按钮，电磁阀3DT失电，气缸带动电热片回缩，将已与苹果套好的纸袋从机器中取出，套带任务完成。气动系统整体回路如图6所示。

图6 气动系统整体回路图

8 半自动套袋机控制系统

半自动控制系统主要是通过单片机及感应器去控制电磁换向阀的得失电，来控制气路，实现气缸及其他气动元件的理想动作。控制系统以单片机为控制核心，打开空气压缩机开关，空压机开始工作，机器各气缸均归位到初始状态，使用者打开机器总开关，单片机通电处于待命状态，按下按键，单片机按表1指令开始运行，控制各个机构工作，完成套袋任务。

表1 I/O分配表

9 结语

通过SW三维建模确定了半自动苹果套袋机的主体结构，确定了各个机构内零部件的尺寸参数，明确了各个机构的安装布置，对机器的整体结构构造有了清晰的认识。该装置各执行机构的稳定性主要取决于控制系统的准确性，因此今后除了在结构方面进行优化设计外，最主要的还要实现控制系统的精准可靠，简化操作步骤，提高作业效率。