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1、武汉工业学院 毕业设计 设计(论文)题目：水果自动分级包装机的设计姓 名 学 号 院 （系）专 业 指导教师 2014 年 6 月前 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
2、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，
3、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
4、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
5、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。一、水果包装机的设计1.1、包装的意
6、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
7、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
8、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，让包装购买者可以真切看到水果的颜色、大小等外
9、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（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
10、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
11、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。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
12、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
13、”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
14、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
15、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
16、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
17、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，由执行机构和驱动机构选择原动
18、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
19、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4050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
20、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
21、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
22、术参数最大封箱尺寸240350；封箱速度：40-50箱/min；电源:220V,50/60Hz；总功率:180W；整机尺寸:2205380605；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，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
23、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
24、上部，见图（3）。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
25、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。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
26、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。二.水果分级机的设计2.1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
27、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
28、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
29、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。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
30、，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
31、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
32、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
33、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。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
34、，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
35、易，应用广，较容易实现。2.5 滚槽式分级机2.5.1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
36、,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
37、各设计参数对运动状态的影响。2.5.2.1 滚动阻力矩M 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。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(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=sinrG=Nsinre=rsin2.5.3 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
38、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 图（9）冲击力特
39、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,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:C= F/ T和F/T值。 图（10）F/ T与硬度H的关系桃子在一定高度,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，H35N/cm;(2)刚成熟和已成熟，35H55 N/cm；（3）未成熟，H55 N/cm。然后按不同高度（3cm、6cm、9cm,质量为120g左右）、不同等级
40、的桃子组成9个处理试验，结果见表1。对不同硬度等级，T和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。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。 在表（1）中，因成熟度，F/ T值呈显著，而表（2
41、）中呈极显著。这是由于前者在不同高度时冲击的结果，F/ T受高度影响颇大。2.5.3.2 F/ T与桃子硬度关系如图（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
42、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。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
43、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
44、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。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
45、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
46、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。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
