小型基質(zhì)自動包裝機的設計與試驗.pdf

小型基質(zhì)自動包裝機的設計與試驗 吳正哲 黨革榮 楊有剛 侯明星 鄧海濤 喬 停 蔡 端 陳德元 西北農(nóng)林科技大學 機械與電子工程學院 陜西 楊凌 712100 摘 要 為提高基質(zhì)包裝自動化程度 降低勞動強度和生產(chǎn)成本 試制了一種小型基質(zhì)自動包裝機 機器可通 過PLC可編程控制器控制多臺步進電機進行工作 集基質(zhì)攪拌 定量裝填 成型制袋 熱封切斷等功能為一體 可 實現(xiàn)基質(zhì)包裝全程自動化 同時 重點闡述和分析了包裝機的關(guān)鍵工作部件設計和工作原理 完成樣機試制并 進行了包裝試驗 試驗結(jié)果表明 整機結(jié)構(gòu)設計合理 運行平穩(wěn) 包裝效果良好 包裝速度為42袋 h 包裝成功 率為98 6 包裝優(yōu)質(zhì)率為93 2 作業(yè)質(zhì)量達到預期設計目標 機器的設計為基質(zhì)全自動化包裝提供了技術(shù) 參考 關(guān)鍵詞 基質(zhì)包裝 定量裝填 全程自動化 PLC 中圖分類號 S226 7 1 文獻標識碼 A 文章編號 1003 188X 2024 02 0108 05 0 引言 無土基質(zhì)栽培具有解決設施農(nóng)業(yè)與露地農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)爭地的矛盾 拓展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間 克服土壤連作障 礙及提高作物產(chǎn)量等優(yōu)點 有利于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化 在國外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛采用 1 5 目前 國內(nèi)主要 的無土栽培方式為槽式基質(zhì)栽培 其管理方式與傳統(tǒng) 土壤栽培相似 生產(chǎn)管理簡便 基質(zhì)袋栽培作為無土 栽培方式的一種 與槽式基質(zhì)栽培和土壤栽培相比省 去了施肥 整地 起壟 除草等勞動環(huán)節(jié) 可以節(jié)約人 力 提高生產(chǎn)效率 6 8 同時 生產(chǎn)中采用滴灌方式可 以避免土壤深層滲透和土面蒸發(fā)導致的水分流失 易 于實現(xiàn)水肥的精準控制 大大提高了水肥利用率 有 利于設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)標準化和現(xiàn)代化管理 9 11 因此 基質(zhì)袋栽培不論是從適用性 經(jīng)濟性的角度出 發(fā) 還是從環(huán)境要求 市場需求方面考慮 都有很好的 發(fā)展前景 現(xiàn)階段 基質(zhì)袋的包裝缺乏針對性較強的專業(yè)機 械 主要依靠人工進行生產(chǎn) 勞動強度大 生產(chǎn)效率 低 不能滿足市場需求和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展 部分食用 菌培養(yǎng)料裝袋機可實現(xiàn)基質(zhì)袋的定量裝填 但不能實 現(xiàn)定量 填充 制袋和封口等工序的全程自動化 占用 收稿日期 2022 02 25 基金項目 陜西省科技廳重點產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域 項目 2019TSLN Y01 01 作者簡介 吳正哲 1996 男 山東鄆城人 碩士研究生 E mail 1968644790 qq com 通訊作者 黨革榮 1968 男 陜西澄城人 副教授 碩士生導師 E mail dyhsy 163 com 人工多 生產(chǎn)效率低 12 14 一些大型散料包裝機械也 可對基質(zhì)進行包裝 但其體積大 價格貴 針對性不 強 未能得到廣泛應用 為解決以上問題 設計了一種針對個體種植戶的 小型基質(zhì)全自動包裝機 該機通過PLC可控制編程 器控制多臺步進電機進行工作 集基質(zhì)攪拌 定量裝 填 成型制袋 熱封切斷等功能為一體 可實現(xiàn)不同大 小基質(zhì)袋包裝全程自動化 具備體積小 可移動 成本 低 結(jié)構(gòu)合理 自動化程度高的優(yōu)點 工作中運行平 穩(wěn) 包裝效果良好 生產(chǎn)效率高 對基質(zhì)機械包裝行業(yè) 的發(fā)展起到一定的促進作用 1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理 1 1 整機結(jié)構(gòu) 基質(zhì)包裝機主要由定量料倉 攪拌機構(gòu) 成型裝 置 包裝材料行進系統(tǒng) 熱封切斷裝置 傳動系統(tǒng)等組 成 如圖1所示 1 2 工作原理 設計的包裝機可實現(xiàn)不同大小基質(zhì)袋的全自動 化包裝 并具備體積小 可移動 成本低 全自動等特 點 其工作過程主要分為準備階段 攪拌定量下料 成型制袋 熱封切斷 成品袋輸出5個過程 通過PLC 可編程控制器控制各執(zhí)行電機完成各階段工作 1 準備階段 基質(zhì)的包裝工藝為上下膜包覆并 四邊封口切斷 包裝前 上下包裝膜需在包裝膜行進 系統(tǒng)進行繞行張緊 工作當中上下包裝膜分別由各自 牽引步進電機進行拉送 上包裝膜初始平鋪在攪拌 定量料倉和熱封裝置下方 成型裝置上方 下膜位于 801 2024年2月 農(nóng) 機 化 研 究 第2期 DOI 10 13427 ki njyi 2024 02 038 料倉前部 熱封裝置下方 下膜上方 各執(zhí)行部件處 于包裝初始位置 即成型裝置位于料倉正下方 熱封 裝置處于其工作運動范圍最上方 熱封切斷裝置為 電熱扁絲加熱 需進行提前預熱 2 攪拌定量下料過程 基質(zhì)通過人工或輸送裝 置裝填進攪拌定量料倉 經(jīng)攪拌機構(gòu)充分攪拌 填充 至定量轉(zhuǎn)倉中 隨定量裝置做回轉(zhuǎn)運動至料倉出口 3 成型制袋過程 基質(zhì)出料倉后隨即裝填進成 型裝置 會將成型裝置上方的下膜壓覆在成型裝置內(nèi) 表面 完成基質(zhì)的半包覆 并留有一定余量覆蓋在成 型裝置的熱封邊用于封口 切斷 基質(zhì)裝填完成后 成型裝置水平移動至熱封裝置正下方 4 熱封切斷過程 成型裝置到位后 預熱完成的 熱封裝置向下運動 將成型裝置下方的上膜壓覆在成 型裝置上表面完成對基質(zhì)的完全包覆 熱封切斷結(jié)束 后 熱封裝置返回初始位置 基質(zhì)袋制作完成 5 成品袋輸出過程 熱封裝置返回的同時成型 裝置開始返回至料倉下方 成型裝置底托板下垂 裝 置內(nèi)的基質(zhì)袋下落至成品出口 成型裝置繼續(xù)運動至 料倉下方 底托板回復初始狀態(tài) 包裝行進系統(tǒng)進行 重新鋪膜 包裝機單個包裝周期完成 對于不同大小基質(zhì)袋的包裝 可通過更換不同成 型裝置完成制作 1 成型裝置 2 腳輪 3 機架 4 包裝材料行進系統(tǒng) 5 熱封切斷裝置 6 定量攪拌料倉 7 攪拌機構(gòu) 8 傳動系統(tǒng) 圖1 基質(zhì)包裝機結(jié)構(gòu)圖 Fig 1 Structural diagram of the matrix packing machine 2 關(guān)鍵工作部件的設計 2 1 攪拌定量料倉的設計 攪拌定量料倉在基質(zhì)包裝過程中發(fā)揮攪拌基質(zhì) 定體積填充的作用 固定安裝在成型裝置的上方和熱 封裝置前部的機架上 設有進料口和出料口 倉內(nèi)豎 直方向平行安裝有攪拌機構(gòu)和定量轉(zhuǎn)倉 如圖2所 示 攪拌機構(gòu)如圖3所示 工作中 電機驅(qū)動其做回 轉(zhuǎn)運動 對基質(zhì)進行攪拌以防堵塞 定量轉(zhuǎn)倉對基質(zhì) 進行體積定量 為十字隔板結(jié)構(gòu) 將其做回轉(zhuǎn)運動的 空間分為4個等大隔間 如圖4所示 工作時 由電 磁離合器控制做間歇性回轉(zhuǎn)運動 料倉滿倉時可最多包裝4個最大尺寸為960mm 300mm 200mm的基質(zhì)袋 9個最小尺寸為300mm 200mm 100mm的基質(zhì)袋 工作中 基質(zhì)經(jīng)攪拌機構(gòu) 攪拌后下落至定量轉(zhuǎn)倉 隨定料轉(zhuǎn)倉的轉(zhuǎn)動填充滿各 個隔間 定量轉(zhuǎn)倉回轉(zhuǎn)中依次與倉壁形成密閉隔間完 成體積定量 再將基質(zhì)填充至下方的成型裝置中 通 過不同數(shù)量隔間體積的基質(zhì)裝填 完成不同大小基質(zhì) 袋的裝填 1 料倉安裝支架 2 定量轉(zhuǎn)倉安裝孔 3 攪拌機構(gòu)安裝孔 4 裝料口 5 出料口 圖2 攪拌定量料倉 Fig 2 Stirring xing quantitative warehouse 圖3 攪拌機構(gòu) Fig 3 Mixing mechanism 圖4 十字式定量轉(zhuǎn)倉 Fig 4 Cross type feed transfer warehouse 901 2024年2月 農(nóng) 機 化 研 究 第2期 2 2 成型裝置的設計 成型裝置用于基質(zhì)袋熱封切斷前的填充成型工 作 根據(jù)成型包裝袋尺寸形狀要求 設計成型裝置為 一面敞口的長方盒體 由盒體 側(cè)擋板和底托板3部 分組成 盒體由壓膜邊 封膜邊 近U型面和托膜板 組成 如圖5所示 其中 通過與側(cè)擋板和底托板的 配合完成基質(zhì)袋的裝填成型過程 側(cè)擋板為獨立個 體可單獨運動 形狀近似為L型 短折邊為熱封切斷 邊 中間開有切刀槽 將其分割為壓膜邊和封膜邊 長 折面下部開有底托板插槽 用于底托板水平位置插 入 底托板結(jié)構(gòu)為矩形鐵板 與盒體等長 寬度為盒 體寬度的2 3 通過合頁與盒體底面相連 可實現(xiàn)水平 面至豎直面的來回擺動 成型裝置通過滑塊滑軌將 其安裝在攪拌定量料倉和熱封裝置下方 可實現(xiàn)在料 倉和熱封裝置的下方來回移動 不同尺寸基質(zhì)袋一 一對應相同結(jié)構(gòu)不同尺寸的成型裝置 工作時 成型裝置初始位置位于攪拌定量料倉正 下方 此時側(cè)擋板緊靠盒體 底托板水平插入側(cè)擋板 中 如圖5所示 基質(zhì)填充時將下膜壓入定量裝置 中 裝填結(jié)束后成型裝置整體由步進電機驅(qū)動水平運 動至熱封裝置的下方 待熱封切斷結(jié)束 盒體先行返 回 此時從側(cè)擋板中抽出并受重力作用下垂 包裝完 成的基質(zhì)袋順勢掉落出成型裝置 隨后 底托板被機 架頂至水平位置并插入返回的側(cè)擋板當中 成型裝置 結(jié)束單周期包裝工作 1 底托板 2 側(cè)擋板 3 壓膜邊 4 熱封邊 5 托膜板 6 盒體 圖5 成型裝置 Fig 5 A molding device 2 3 熱封切斷裝置的設計 熱封切斷裝置完成基質(zhì)袋封口和切斷工作 位于 成型裝置上方 料倉前方 與機架通過滑塊滑軌安裝 可由電機驅(qū)動進行豎直方向上下運動 熱風裝置由 安裝架 切膜刀彈簧 熱封扁絲安裝槽 壓膜邊 切膜 刀安裝架 切膜刀 耐熱橡膠及熱封扁絲組成 如圖6 所示 1 壓膜邊 2 熱封扁絲 3 切膜刀 4 切膜刀安裝架 5 安裝架 6 切膜刀彈簧 7 熱封扁絲安裝槽 8 耐熱橡膠 圖6 熱封裝置組合圖 Fig 6 Combination diagram of the heat sealing device 基質(zhì)袋封口和切斷兩個工序并同時進行 工作 時 步進電機驅(qū)動預熱完成的熱封裝置快速下移 壓 膜邊和熱封扁絲同時將上膜壓在下方成型裝置的壓 膜邊和熱封邊上進行熱封 熱封裝置繼續(xù)下壓 切膜 刀彈簧受壓縮短 此時加熱的切膜刀從壓膜邊和熱封 扁絲之間伸出并插入成型裝置的切刀槽完成四邊切 膜 隨后 熱封裝置上移 切膜刀縮回 壓膜邊和熱封 扁絲脫離成型裝置 完成熱封切斷過程 熱封扁絲和 熱封邊外覆有耐熱防粘特氟龍布 以防止熱封過程中 包裝膜粘連 3 主要技術(shù)參數(shù) 基質(zhì)四面封包裝機的性能指標及技術(shù)參數(shù)如表1 所示 表1 基質(zhì)四面封包裝機性能指標及技術(shù)參數(shù) Table 1 Performance indexes and technical parameters of matrix sealing packing machine 技術(shù)參數(shù)單位指標 外形尺寸 長 寬 高 mm 2000 1700 1600 整機質(zhì)量kg 187 總功率kW 2 1 包裝速度袋 h 40 包裝材料 聚乙烯 基質(zhì)袋規(guī)格 長 寬 高 mm 960 600 300 300 200 960 600 300 250 160 960 600 300 200 160 960 600 300 200 100 操作人員人1 011 2024年2月 農(nóng) 機 化 研 究 第2期 4 試驗驗證 4 1 試驗條件與方法 樣機試制組裝完成后 為驗證小型可移動基質(zhì)自 動包裝機的機械性能和運行效果是否達到預先設計 目標 在西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院汽車 拖拉機實驗室進行試驗 試驗設備采用自行設計的樣機 如圖7所示 選 取包裝材料厚度為0 06mm的PE膜 試驗環(huán)境溫度 為16 23 由于我國還沒有制定基質(zhì)包裝機械性 能試驗方法的國家標準 故設計的小型可移動基質(zhì)自 動包裝機選用包裝行業(yè)較為重視的參數(shù)作為此次試 驗指標 分別為包裝速度 包裝成功率 包裝優(yōu)質(zhì)率 試驗熱封溫度為145 熱封時間為0 5s 觀察試驗現(xiàn) 象并記錄機器的包裝情況 圖7 小型基質(zhì)包裝機樣機 Fig 7 Small matrix packaging machine prototype 4 2 試驗結(jié)果 小型可移動基質(zhì)自動包裝樣機的試驗結(jié)果如表2 所示 由表2可知 包裝速度為42袋 h 包裝成功率 為98 6 包裝優(yōu)質(zhì)率為93 2 表2 小型可移動基質(zhì)自動包裝機試驗結(jié)果 Table 2 Test results of small portable matrix automatic packaging machine 試驗指標單位試驗結(jié)果 包裝速度袋 h 42 包裝成功率 98 6 包裝優(yōu)質(zhì)率 93 2 試驗過程中 物料和包裝材料輸送順暢 各執(zhí)行機 構(gòu)運行平穩(wěn) 協(xié)調(diào)性良好 可完成基質(zhì)袋的設計尺寸包 裝 達到預期設計效果 且試驗中機器未出現(xiàn)其他異常 狀況 5 結(jié)論 1 設計了一種小型可移動基質(zhì)自動包裝機 確定 了包裝機整機結(jié)構(gòu)和包裝工藝 提高了基質(zhì)包裝的生 產(chǎn)效率 2 采用PLC可編程控制器對整機運行進行控制 實現(xiàn)了基質(zhì)袋制袋 定量 裝填 熱封 封切全過程自 動化 3 樣機試驗結(jié)果表明 整機結(jié)構(gòu)良好 運行平穩(wěn) 包裝速度為42袋 h 包裝成功率為98 6 包裝優(yōu)質(zhì) 率為93 2 滿足基質(zhì)包裝機的作業(yè)要求 參考文獻 1 白永娟 徐煒南 常曉曉 等 不同碳氮比及氮源對菇渣 發(fā)酵的影響 J 浙江大學學報 農(nóng)業(yè)與生命科學版 2016 42 6 760 768 2 王柳 張福墁 魏秀菊 不同氮肥水平對日光溫室黃瓜品 質(zhì)和產(chǎn)量的影響 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2007 12 225 229 3 李靜 張富倉 方棟平 等 水氮供應對滴灌施肥條件下 黃瓜生長及水分利用的影響 J 中國農(nóng)業(yè)科學 2014 47 22 4475 4487 4 李銀坤 武雪萍 吳會軍 等 水氮條件對溫室黃瓜光合 日變化及產(chǎn)量的影響 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2010 26 S1 122 129 5 蔣靜靜 常曉曉 胡曉輝 供氮水平對基質(zhì)袋培黃瓜養(yǎng)分 吸收分配和產(chǎn)量的影響 J 浙江大學學報 農(nóng)業(yè)與生命 科學版 2018 44 6 678 686 6 屈鋒 張佼 朱玉堯 等 基質(zhì)供應量和基質(zhì)袋擺放高度 對黃瓜產(chǎn)量 品質(zhì)和養(yǎng)分利用的影響 J 中國土壤與肥 料 2020 2 184 191 7 鄭劍超 智雪萍 董飛 等 槽式栽培下不同基質(zhì)配比對 黃瓜生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響 J 浙江農(nóng)業(yè)科學 2018 59 11 2038 2039 8 王彩云 武春成 閆立英 等 不同營養(yǎng)基質(zhì)栽培對黃瓜 生長及產(chǎn)量的影響 J 安徽農(nóng)業(yè)科學 2018 46 26 51 53 9 王君正 張琪 高子星 等 兩種微生物菌劑對有機基質(zhì) 袋培秋黃瓜產(chǎn)量 品質(zhì)及根際環(huán)境的影響 J 中國農(nóng)業(yè) 科學 2021 54 14 3077 3087 10 張佼 屈鋒 楊甲甲 等 基質(zhì)深度及基質(zhì)袋擺放方式 對春季袋培番茄產(chǎn)量 品質(zhì)和養(yǎng)分吸收的影響 J 中國 農(nóng)業(yè)大學學報 2020 25 8 43 53 11 耿國明 邵青旭 李悅鵬 等 KNO 3濃度對基質(zhì)袋培 薄皮甜瓜產(chǎn)量和風味品質(zhì)的影響 J 沈陽農(nóng)業(yè)大學學 報 2020 51 1 52 61 12 王鵬飛 王利源 何建華 等 基于AIP的食用菌培養(yǎng) 料裝袋機設計 J 河北農(nóng)業(yè)大學學報 2018 41 2 110 115 13 林靜 陳英心 白雪衛(wèi) 等 基于SolidWorks培養(yǎng)料仿 生裝袋機的優(yōu)化設計 J 農(nóng)機化研究 2010 32 1 111 2024年2月 農(nóng) 機 化 研 究 第2期 102 105 14 范景峰 梅二召 李江艷 等 新型液動食用菌裝袋機 的設計 J 包裝與食品機械 2019 37 5 46 49 Design and Testing of Small Matrix Automatic Packaging Machine Wu Zhengzhe Dang Gerong Yang Yougang Hou Mingxing Deng Haitao Qiao Ting Cai Duan Chen Deyuan School of Mechanical and Electronic Engineering Northwest A quantitative filling full automation PLC 上接第107頁 Abstract ID 1003 188X 2024 02 0103 EA Design and Experiment of Intelligent Robot System for Excrement Cleaning Gao Yanyu1 Luo Tuyu1 Bian Feng1 Zhou Kunle2 Zhong Rikai1 1 Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment Guangzhou 510630 China 2 Guangdong GuangXing Ani mal Husbandry Machinery Equipment Co Ltd Guangzhou 510520 China Abstract In order to solve the problem that the excrement on the leaking board can not fall into the excrement collecting trough completely in the modern enclosed culture house an intelligent excrement cleaning robot is designed The robot is designed based on ROS system and Lidar SLAM algorithm using small industrial computer as upper controller and ARM chips as bottom controller fusing infrared and ultrasonic sensor technology to achieve the required functions The univer sal wheel and two symmetrical driving wheels are used to form a three point supporting walking frame to keep the body running stably The water spray heads are arranged at the front and rear of the machine for drying and fixing the excre ment and cleaning the excrement leakage board after scraping The excrement board is made of wear resistant rubber avoid scraping with the ground affect the floor of the leaking board flat and the service life of the leaking board the lea king board is placed in front of the lower part of the fuselage follow the whole machine to achieve the cleaning function The experiment shows that the robot can realize automatic walking independent drawing automatic charging and water adding has better function of recognizing obstacles and path planning and can clean the piggery waste in real time re duce labor and the intensity of labor The research content can provide equipment reference for intelligent cleaning of ex crement on the leaking board in the livestock and poultry breeding house Key words livestock and poultry breeding excrement robot excrement clean mapping and navigation 211 2024年2月 農(nóng) 機 化 研 究 第2期