小型基质自动包装机的设计与试验.pdf

小型基质自动包装机的设计与试验 吴正哲 党革荣 杨有刚 侯明星 邓海涛 乔 停 蔡 端 陈德元 西北农林科技大学 机械与电子工程学院 陕西 杨凌 712100 摘 要 为提高基质包装自动化程度 降低劳动强度和生产成本 试制了一种小型基质自动包装机 机器可通 过PLC可编程控制器控制多台步进电机进行工作 集基质搅拌 定量装填 成型制袋 热封切断等功能为一体 可 实现基质包装全程自动化 同时 重点阐述和分析了包装机的关键工作部件设计和工作原理 完成样机试制并 进行了包装试验 试验结果表明 整机结构设计合理 运行平稳 包装效果良好 包装速度为42袋 h 包装成功 率为98 6 包装优质率为93 2 作业质量达到预期设计目标 机器的设计为基质全自动化包装提供了技术 参考 关键词 基质包装 定量装填 全程自动化 PLC 中图分类号 S226 7 1 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2024 02 0108 05 0 引言 无土基质栽培具有解决设施农业与露地农业生 产争地的矛盾 拓展农业生产空间 克服土壤连作障 碍及提高作物产量等优点 有利于实现农业现代化 在国外农业生产中被广泛采用 1 5 目前 国内主要 的无土栽培方式为槽式基质栽培 其管理方式与传统 土壤栽培相似 生产管理简便 基质袋栽培作为无土 栽培方式的一种 与槽式基质栽培和土壤栽培相比省 去了施肥 整地 起垄 除草等劳动环节 可以节约人 力 提高生产效率 6 8 同时 生产中采用滴灌方式可 以避免土壤深层渗透和土面蒸发导致的水分流失 易 于实现水肥的精准控制 大大提高了水肥利用率 有 利于设施农业生产实现标准化和现代化管理 9 11 因此 基质袋栽培不论是从适用性 经济性的角度出 发 还是从环境要求 市场需求方面考虑 都有很好的 发展前景 现阶段 基质袋的包装缺乏针对性较强的专业机 械 主要依靠人工进行生产 劳动强度大 生产效率 低 不能满足市场需求和现代农业的发展 部分食用 菌培养料装袋机可实现基质袋的定量装填 但不能实 现定量 填充 制袋和封口等工序的全程自动化 占用 收稿日期 2022 02 25 基金项目 陕西省科技厅重点产业创新 农业领域 项目 2019TSLN Y01 01 作者简介 吴正哲 1996 男 山东郓城人 硕士研究生 E mail 1968644790 qq com 通讯作者 党革荣 1968 男 陕西澄城人 副教授 硕士生导师 E mail dyhsy 163 com 人工多 生产效率低 12 14 一些大型散料包装机械也 可对基质进行包装 但其体积大 价格贵 针对性不 强 未能得到广泛应用 为解决以上问题 设计了一种针对个体种植户的 小型基质全自动包装机 该机通过PLC可控制编程 器控制多台步进电机进行工作 集基质搅拌 定量装 填 成型制袋 热封切断等功能为一体 可实现不同大 小基质袋包装全程自动化 具备体积小 可移动 成本 低 结构合理 自动化程度高的优点 工作中运行平 稳 包装效果良好 生产效率高 对基质机械包装行业 的发展起到一定的促进作用 1 整机结构及工作原理 1 1 整机结构 基质包装机主要由定量料仓 搅拌机构 成型装 置 包装材料行进系统 热封切断装置 传动系统等组 成 如图1所示 1 2 工作原理 设计的包装机可实现不同大小基质袋的全自动 化包装 并具备体积小 可移动 成本低 全自动等特 点 其工作过程主要分为准备阶段 搅拌定量下料 成型制袋 热封切断 成品袋输出5个过程 通过PLC 可编程控制器控制各执行电机完成各阶段工作 1 准备阶段 基质的包装工艺为上下膜包覆并 四边封口切断 包装前 上下包装膜需在包装膜行进 系统进行绕行张紧 工作当中上下包装膜分别由各自 牵引步进电机进行拉送 上包装膜初始平铺在搅拌 定量料仓和热封装置下方 成型装置上方 下膜位于 801 2024年2月 农 机 化 研 究 第2期 DOI 10 13427 ki njyi 2024 02 038 料仓前部 热封装置下方 下膜上方 各执行部件处 于包装初始位置 即成型装置位于料仓正下方 热封 装置处于其工作运动范围最上方 热封切断装置为 电热扁丝加热 需进行提前预热 2 搅拌定量下料过程 基质通过人工或输送装 置装填进搅拌定量料仓 经搅拌机构充分搅拌 填充 至定量转仓中 随定量装置做回转运动至料仓出口 3 成型制袋过程 基质出料仓后随即装填进成 型装置 会将成型装置上方的下膜压覆在成型装置内 表面 完成基质的半包覆 并留有一定余量覆盖在成 型装置的热封边用于封口 切断 基质装填完成后 成型装置水平移动至热封装置正下方 4 热封切断过程 成型装置到位后 预热完成的 热封装置向下运动 将成型装置下方的上膜压覆在成 型装置上表面完成对基质的完全包覆 热封切断结束 后 热封装置返回初始位置 基质袋制作完成 5 成品袋输出过程 热封装置返回的同时成型 装置开始返回至料仓下方 成型装置底托板下垂 装 置内的基质袋下落至成品出口 成型装置继续运动至 料仓下方 底托板回复初始状态 包装行进系统进行 重新铺膜 包装机单个包装周期完成 对于不同大小基质袋的包装 可通过更换不同成 型装置完成制作 1 成型装置 2 脚轮 3 机架 4 包装材料行进系统 5 热封切断装置 6 定量搅拌料仓 7 搅拌机构 8 传动系统 图1 基质包装机结构图 Fig 1 Structural diagram of the matrix packing machine 2 关键工作部件的设计 2 1 搅拌定量料仓的设计 搅拌定量料仓在基质包装过程中发挥搅拌基质 定体积填充的作用 固定安装在成型装置的上方和热 封装置前部的机架上 设有进料口和出料口 仓内竖 直方向平行安装有搅拌机构和定量转仓 如图2所 示 搅拌机构如图3所示 工作中 电机驱动其做回 转运动 对基质进行搅拌以防堵塞 定量转仓对基质 进行体积定量 为十字隔板结构 将其做回转运动的 空间分为4个等大隔间 如图4所示 工作时 由电 磁离合器控制做间歇性回转运动 料仓满仓时可最多包装4个最大尺寸为960mm 300mm 200mm的基质袋 9个最小尺寸为300mm 200mm 100mm的基质袋 工作中 基质经搅拌机构 搅拌后下落至定量转仓 随定料转仓的转动填充满各 个隔间 定量转仓回转中依次与仓壁形成密闭隔间完 成体积定量 再将基质填充至下方的成型装置中 通 过不同数量隔间体积的基质装填 完成不同大小基质 袋的装填 1 料仓安装支架 2 定量转仓安装孔 3 搅拌机构安装孔 4 装料口 5 出料口 图2 搅拌定量料仓 Fig 2 Stirring xing quantitative warehouse 图3 搅拌机构 Fig 3 Mixing mechanism 图4 十字式定量转仓 Fig 4 Cross type feed transfer warehouse 901 2024年2月 农 机 化 研 究 第2期 2 2 成型装置的设计 成型装置用于基质袋热封切断前的填充成型工 作 根据成型包装袋尺寸形状要求 设计成型装置为 一面敞口的长方盒体 由盒体 侧挡板和底托板3部 分组成 盒体由压膜边 封膜边 近U型面和托膜板 组成 如图5所示 其中 通过与侧挡板和底托板的 配合完成基质袋的装填成型过程 侧挡板为独立个 体可单独运动 形状近似为L型 短折边为热封切断 边 中间开有切刀槽 将其分割为压膜边和封膜边 长 折面下部开有底托板插槽 用于底托板水平位置插 入 底托板结构为矩形铁板 与盒体等长 宽度为盒 体宽度的2 3 通过合页与盒体底面相连 可实现水平 面至竖直面的来回摆动 成型装置通过滑块滑轨将 其安装在搅拌定量料仓和热封装置下方 可实现在料 仓和热封装置的下方来回移动 不同尺寸基质袋一 一对应相同结构不同尺寸的成型装置 工作时 成型装置初始位置位于搅拌定量料仓正 下方 此时侧挡板紧靠盒体 底托板水平插入侧挡板 中 如图5所示 基质填充时将下膜压入定量装置 中 装填结束后成型装置整体由步进电机驱动水平运 动至热封装置的下方 待热封切断结束 盒体先行返 回 此时从侧挡板中抽出并受重力作用下垂 包装完 成的基质袋顺势掉落出成型装置 随后 底托板被机 架顶至水平位置并插入返回的侧挡板当中 成型装置 结束单周期包装工作 1 底托板 2 侧挡板 3 压膜边 4 热封边 5 托膜板 6 盒体 图5 成型装置 Fig 5 A molding device 2 3 热封切断装置的设计 热封切断装置完成基质袋封口和切断工作 位于 成型装置上方 料仓前方 与机架通过滑块滑轨安装 可由电机驱动进行竖直方向上下运动 热风装置由 安装架 切膜刀弹簧 热封扁丝安装槽 压膜边 切膜 刀安装架 切膜刀 耐热橡胶及热封扁丝组成 如图6 所示 1 压膜边 2 热封扁丝 3 切膜刀 4 切膜刀安装架 5 安装架 6 切膜刀弹簧 7 热封扁丝安装槽 8 耐热橡胶 图6 热封装置组合图 Fig 6 Combination diagram of the heat sealing device 基质袋封口和切断两个工序并同时进行 工作 时 步进电机驱动预热完成的热封装置快速下移 压 膜边和热封扁丝同时将上膜压在下方成型装置的压 膜边和热封边上进行热封 热封装置继续下压 切膜 刀弹簧受压缩短 此时加热的切膜刀从压膜边和热封 扁丝之间伸出并插入成型装置的切刀槽完成四边切 膜 随后 热封装置上移 切膜刀缩回 压膜边和热封 扁丝脱离成型装置 完成热封切断过程 热封扁丝和 热封边外覆有耐热防粘特氟龙布 以防止热封过程中 包装膜粘连 3 主要技术参数 基质四面封包装机的性能指标及技术参数如表1 所示 表1 基质四面封包装机性能指标及技术参数 Table 1 Perance inds and technical parameters of matrix sealing packing machine 技术参数单位指标 外形尺寸 长 宽 高 mm 2000 1700 1600 整机质量kg 187 总功率kW 2 1 包装速度袋 h 40 包装材料 聚乙烯 基质袋规格 长 宽 高 mm 960 600 300 300 200 960 600 300 250 160 960 600 300 200 160 960 600 300 200 100 操作人员人1 011 2024年2月 农 机 化 研 究 第2期 4 试验验证 4 1 试验条件与方法 样机试制组装完成后 为验证小型可移动基质自 动包装机的机械性能和运行效果是否达到预先设计 目标 在西北农林科技大学机械与电子工程学院汽车 拖拉机实验室进行试验 试验设备采用自行设计的样机 如图7所示 选 取包装材料厚度为0 06mm的PE膜 试验环境温度 为16 23 由于我国还没有制定基质包装机械性 能试验方法的国家标准 故设计的小型可移动基质自 动包装机选用包装行业较为重视的参数作为此次试 验指标 分别为包装速度 包装成功率 包装优质率 试验热封温度为145 热封时间为0 5s 观察试验现 象并记录机器的包装情况 图7 小型基质包装机样机 Fig 7 Small matrix packaging machine prototype 4 2 试验结果 小型可移动基质自动包装样机的试验结果如表2 所示 由表2可知 包装速度为42袋 h 包装成功率 为98 6 包装优质率为93 2 表2 小型可移动基质自动包装机试验结果 Table 2 Test results of small portable matrix automatic packaging machine 试验指标单位试验结果 包装速度袋 h 42 包装成功率 98 6 包装优质率 93 2 试验过程中 物料和包装材料输送顺畅 各执行机 构运行平稳 协调性良好 可完成基质袋的设计尺寸包 装 达到预期设计效果 且试验中机器未出现其他异常 状况 5 结论 1 设计了一种小型可移动基质自动包装机 确定 了包装机整机结构和包装工艺 提高了基质包装的生 产效率 2 采用PLC可编程控制器对整机运行进行控制 实现了基质袋制袋 定量 装填 热封 封切全过程自 动化 3 样机试验结果表明 整机结构良好 运行平稳 包装速度为42袋 h 包装成功率为98 6 包装优质 率为93 2 满足基质包装机的作业要求 参考文献 1 白永娟 徐炜南 常晓晓 等 不同碳氮比及氮源对菇渣 发酵的影响 J 浙江大学学报 农业与生命科学版 2016 42 6 760 768 2 王柳 张福墁 魏秀菊 不同氮肥水平对日光温室黄瓜品 质和产量的影响 J 农业工程学报 2007 12 225 229 3 李静 张富仓 方栋平 等 水氮供应对滴灌施肥条件下 黄瓜生长及水分利用的影响 J 中国农业科学 2014 47 22 4475 4487 4 李银坤 武雪萍 吴会军 等 水氮条件对温室黄瓜光合 日变化及产量的影响 J 农业工程学报 2010 26 S1 122 129 5 蒋静静 常晓晓 胡晓辉 供氮水平对基质袋培黄瓜养分 吸收分配和产量的影响 J 浙江大学学报 农业与生命 科学版 2018 44 6 678 686 6 屈锋 张佼 朱玉尧 等 基质供应量和基质袋摆放高度 对黄瓜产量 品质和养分利用的影响 J 中国土壤与肥 料 2020 2 184 191 7 郑剑超 智雪萍 董飞 等 槽式栽培下不同基质配比对 黄瓜生长发育和产量的影响 J 浙江农业科学 2018 59 11 2038 2039 8 王彩云 武春成 闫立英 等 不同营养基质栽培对黄瓜 生长及产量的影响 J 安徽农业科学 2018 46 26 51 53 9 王君正 张琪 高子星 等 两种微生物菌剂对有机基质 袋培秋黄瓜产量 品质及根际环境的影响 J 中国农业 科学 2021 54 14 3077 3087 10 张佼 屈锋 杨甲甲 等 基质深度及基质袋摆放方式 对春季袋培番茄产量 品质和养分吸收的影响 J 中国 农业大学学报 2020 25 8 43 53 11 耿国明 邵青旭 李悦鹏 等 KNO 3浓度对基质袋培 薄皮甜瓜产量和风味品质的影响 J 沈阳农业大学学 报 2020 51 1 52 61 12 王鹏飞 王利源 何建华 等 基于AIP的食用菌培养 料装袋机设计 J 河北农业大学学报 2018 41 2 110 115 13 林静 陈英心 白雪卫 等 基于SolidWorks培养料仿 生装袋机的优化设计 J 农机化研究 2010 32 1 111 2024年2月 农 机 化 研 究 第2期 102 105 14 范景峰 梅二召 李江艳 等 新型液动食用菌装袋机 的设计 J 包装与食品机械 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页 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 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 农 机 化 研 究 第2期