冬棗自動包裝生產線設計

朱金達，劉慶磊，鄭帥杰，閻寧 ，牛虎利，鄧飛

1.河北科技大學機械工程學院（石家莊 050018）；2.中國電子信息產業集團有限公司（石家莊 050018）

冬棗是常見的一種水果，隨著對其營養價值的發掘，冬棗越來越受人們歡迎。人們對膳食結構的調整和飲食習慣的改變，促進了食品加工業的快速發展，增加了對高品質的包裝機械和食品加工機械的需求[1]。目前，我國大部分果農是以手工的方式對水果進行大小分類，效率低下，勞動強度大，不能滿足現代化農業生產的需要[2]。冬棗生產中非常重要的環節就是保鮮包裝，如今冬棗的加工企業人工地分選、稱重、包裝，存在包裝效率低、勞動強度大、衛生安全隱患等問題，嚴重影響了企業的生產效率。為此，有必要設計一條冬棗自動包裝生產線，完成冬棗的輸送、壞果剔除、分級分揀、稱重、打包等工序。

關于類似食品包裝機械的設計，侯志利等[3]提出了一種可控連桿手指式紙箱封箱機的設計，通過可控連桿手指機構中輸出軌跡的可控，完成不同規格紙箱搖蓋的折合和夾緊。劉丹丹等[4]設計開發了一種基于圖像處理的果蔬按大小分等及包裝的自動化生產線，

采用了滾筒傳輸帶輸送，通過圖像處理技術完成果蔬的大小分級包裝。韓芮等[5]設計可再封袋集合包裝生產線，采用差距輸送消除多袋重疊的問題，計算生產線節拍，合理規劃工序時間，實現可再封袋的合流、裝袋、貼標和堆碼等功能。借鑒現有包裝設備與類似生產線[6-8]設計，設計一款針對冬棗的自動包裝生產線，實現冬棗分揀到包裝，減少人工參與，實現機械化與自動化[9-10]。

1 冬棗自動包裝生產線設計

1.1 設計要求

冬棗自動包裝生產線在保證分級分揀的前提下，能夠實現冬棗的稱重，連續地完成冬棗包裝；包裝生產線應操作簡單、移動方便、穩定性好；能夠實現不同質量包裝箱的包裝；能夠充分借鑒現有包裝生產線；實現自動化冬棗包裝自動化，減輕勞動強度，能有效提高生產效率。冬棗的密度基本相同，按大小對冬棗進行分級分選是合理的方式；生產能力1～2箱/min（7.5 kg/箱）；生產動力來源電力。

1.2 總體布局

冬棗自動包裝生產線采用分段柔性直線型生產線的布局方式，以分級分選、分段包裝為設計理念。分選分揀為主線，三條包裝線為支線，三種不同規格的冬棗占用三條相同的包裝線，其中第一規格冬棗線包裝生產線的冬棗直徑在0～26 mm，這條支線的布局形式呈U型，第二規格冬棗包裝線包裝生產線的冬棗直徑在27～33 mm，該支線的布局形式呈L型，第三規格冬棗包裝線包裝生產線的冬棗直徑在33 mm以上，該支線的布局形式呈U型。生產線總體布局如圖1所示。

圖1 生產線總體布局圖

1.3 工藝流程

因每批冬棗的3個等級的數量不同，需增加冬棗的儲料裝置，以便合理設計生產節拍。冬棗自動包裝生產中，工藝流程主要包括分揀、包裝兩大部分。首先人工上料，冬棗通過輸送帶傳送至壞果剔除裝置，對壞果進行剔除。隨后進入分級分選工位。冬棗分選之后進行儲料裝、稱重、包裝與計數，完成冬棗的自動包裝過程。具體工藝流程見圖2。

圖2 工藝路線圖

1.4 分級分揀生產線

分級分揀生產線主要由輸送料機構、壞果剔除機構和分級分選機構組成，結構如圖3所示。此段生產線主要完成對冬棗的輸送，對工人采摘時未能剔除的外形不符合要求的冬棗予以剔除。分揀采用PVC輸送帶，V帶體彈性較好，使用過程中不易變形；使用優質全棉、尼龍等作帶芯，用無污染的純天然橡膠配合劑制成白色或淡色，無異味污染，不影響食品衛生；分揀過程中對冬棗損傷較小。冬棗從左邊進入分揀機構，在輸送帶的攜帶下自左向右運動，相鄰輸送帶間的距離就是該等級下冬棗的分揀尺寸極值。

圖3 分級分選生產線

圖4為壞果剔除機構。工作原理：工業攝像機1對正在運輸的冬棗進行拍照檢測，機器視覺系統對照片進行數據處理，識別出外形不符合要求的冬棗，而后將該冬棗的位置信息傳輸給X軸工作臺2和Y軸工作臺3，XY軸工作臺移動到相應位置后，氣缸4通過曲柄連桿機構推動夾板5將不符合要求的冬棗夾起，然后XY工作臺繼續工作，將夾板移動到廢料框6上方，這時氣缸4反向推動夾板5，將不符合要求的冬棗落入廢料框6。

圖4 壞果剔除機構

工業相機為壞果剔除裝置的關鍵部件，相機和鏡頭的選型關系著剔除效果，因此對相機與鏡頭進行計算與選型。

輸送機的寬度為400 mm，因此檢測視野的寬度為400 mm；根據機構的設備空間布局，檢測高度最大為300 mm。取檢測精度為0.3。

將數據帶入上述公式，即：

根據冬棗的檢測要求，以及上述對分辨率和幀率的限制，選擇AI-SU500M相機。

鏡頭的焦距：

式中：h為相機靶面邊長，mm；H為拍攝視野的范圍邊長，mm；WD為工作距離，mm。

則焦距f=（h×WD）/H=6.75 mm。就近選擇焦距8 mm，則鏡頭型號選擇LB0828-10M，相機與鏡頭參數見表1。

表1 相機與鏡頭參數

通過已經選好AI-SU500M相機與鏡頭LB0828-10M對冬棗外形進行圖像采集，經數據分析，形成如圖5所示的圖樣，滿足設計要求。根據不同的生產要求，能夠設置不同的缺陷大小閥值，實現對不同等級冬棗的分揀需求。

圖5 缺陷檢測示意圖

1.5 冬棗包裝生產線

冬棗包裝采用泡沫箱，此段生產線主要完成對冬棗的裝箱、稱重與封箱等功能，主要由提升機、儲料機構、包裝箱供送和稱量機構、封箱機構和輸送與計數機構等組成。包裝生產線如圖6所示。提升機通過電機和輸送帶將分揀后的冬棗提升至料倉，提升高度為1.9 m，輸送帶速度為0.9 m/s。提升機上方添加擋板，具有一定的防塵效果，采用橡膠輸送帶防止傷果，提升機兩端水平位置有張緊設置，轉彎處有導向輪固定皮帶。工作流程：包裝箱供送到稱重機構，稱重機構先由兩端氣缸夾緊泡沫箱，頂端氣缸將箱蓋吸起，料倉蓋開啟，冬棗落下，達到重量傳感器達到設定質量后[11-13]，關閉料倉蓋，停止落料，頂端氣缸將箱蓋合上；包裝箱進入橫向自動膠帶封口機，電機帶動主動軸轉動，主動軸帶動主動滾子轉動，主動滾子帶動輸送帶轉動，輸送帶將泡沫箱帶到導向壓緊板下面，沿著壓緊板進入兩機芯之間，泡沫箱沿輸送帶向前平移，機芯工作完成封口工作；通過計數器進行計數，人工碼垛。

圖6 包裝生產線

此段生產線為柔性生產線，儲料機構目的是為了增加生產線整體的穩定性和安全性，當生產線上某臺設備發生故障時，不會立刻影響其余設備的正常工作[14]，儲料機構如圖7所示。其中料倉是儲料機構中的關鍵部件，根據使用泡沫箱的體積0.02 m3，設計的料倉體積要大于此體積。為了節省動力和資源，料倉采用斜斗式設計，以便于物料流出。取料倉外壁尺寸為1000 mm×1000 mm×1000 mm，材料為304不銹鋼。

料倉打開后的等待時間為2 s，則冬棗流量：

每個冬棗質量約為20 g，3.75 kg冬棗大約有188個，則：

試取出口截面0.2 m×0.2 m，單個冬棗的平均直徑為30 mm，平均最大截面積為0.0007 m2，則截面冬棗數量最大為：

將冬棗看作一個整體，冬棗與鐵板之間的摩擦忽略不計，則出口行程：

倉門通過氣缸驅動，進行水平上的往復運動，其運動形式如圖8所示。打開倉門時，氣缸推動C使其沿直線CA達到C′位置，使B點繞軸點A進行順時針旋轉85°達到B′，倉門打開；倉門關閉時，氣缸回拉，C′點沿直線AC平移至C點，B′點繞軸點A逆時針旋轉85°到B點。至此，一個完整的開關門動作結束。

圖8 倉門動作示意圖

取AB=100 mm，BC=200 mm。計算得AC=170 mm，CC′=70 mm。

2 生產線時間同步化設計

在冬棗自動包裝生產線中，所生產兩箱封口的冬棗之間的時間間隔是一個工作循環。由基本工藝時間Tk和輔助時間Tf組成自動機的工作循環時間Tp，對于任何執行機構的運動循環，輔助時間進而可劃成為等待時間To和空行程時間Td兩個部分：

生產線的理論生產率：

由式（10）和（11）可知，減少自動機械的輔助時間Tk、Td和To能夠提高自動機械的理論生產率，Td與執行機構的運動規律有關；Tk與工藝流程中的工藝參數有關，能夠通過高速平穩的運動來縮短；通過設計合理的循環圖可以減少等待時間To。冬棗分揀自動包裝機各執行機構運動同步化設計如圖9所示。經計算，包裝效率為40 s/箱，極大地提高了冬棗的包裝效率[15]。

圖9 自動包裝機各執行機構運動同步化設計

3 結語

針對冬棗分揀機械化程度低、分揀效率低，人工分揀存在安全、衛生等問題，提出了分級分揀、分段打包的設計理念；設計的冬棗自動包裝生產線實現了冬棗的壞果剔除、自動分揀和自動包裝功能。通過對相機測試結果驗證與生產節拍計算可知設計方案可行，今后可通過樣機制作實現冬棗自動包裝生產線的產業化應用。