盆花自动包装机的研制与试验
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【摘要】为解决目前盆花包装人工劳动强度大，劳动效率低下，劳动成本高及花卉品质不一致等问题，北京京鹏环球科技股份有限公司研制了一种盆花全自动包装机，该机可完成盆花自动抓取、撑袋、套袋、排列等一系列连续动作，同时，为检验盆花全自动包装与盆花生产园艺的有效结合程度，对全自动包装的包装速度、机械手行程、整机额定功率等指标进行了测定，经试验表明，该机试验指标均达到要求，设计结构合理，功能完善，生产效率高，对提升北京市乃至中国现代花卉装备水平，促进北京建成十二五都市现代花卉产业具有重要意义。
引言
随着农业综合开发，多种经营的发展，盆花种植面积不断扩大，盆花生产趋于规模化、多样化、精确化[1-2]。2011年，我国花卉生产总面积102.4 万公顷，比2010年的91.76 万公顷增加11.6%；销售总额1068.54亿元，比2010年的861.96亿元增加24%；出口额4.8 亿美元，比2010年的4.63 亿美元增加3.7%。由此可见，花卉生产在促进经济发展，满足市场需要方面发挥着越来越重要的作用。但目前大部分盆花收获过程中的包装作业还主要依靠人工作业，这些都是大量重复繁重的劳动，易使工作人员疲劳，不仅工作效率下降，同时也会影响盆花采收和分级的品质。由于盆花收获期较短，其人工收获劳动强度大，效率较低，不能满足市场对盆花的品质和新鲜度的要求，简易的机械收获和包装易造成盆花外形的损伤，而国外相对成熟的盆花包装机又存在价格昂贵、设备维修困难、不适合我国国情等难题[3-4]。针对以上情况，北京京鹏环球科技股份有限公司设计开发一种适合我国国情的盆花全自动套袋包装机[5-6]，该包装机可完成盆花自动抓取、撑袋、套袋、排列等一系列连续动作，实现盆花包装的自动化，解决人工手动套袋造成花卉品质不一致、劳动效率低下等问题，提高盆花包装的品质和新鲜度，解放劳动力，改善劳动条件、降低作业费用和提高劳动生产率，增加产品附加值，促进花卉产业快速发展。
盆花自动包装机的研制
盆花自动包装机的总体设计
图1，图2为盆花自动包装机的整体外形，主要由三部分组成：盆花输入系统、盆花自动包装系统、盆花输出系统。每个系统都是一个独立的运动系统。整个系统具有方便操作、动作快捷、包装美观、无需人工等优点，此设备的投产将大大提高盆花包装的速度，达到节省劳动时间、节省生产成本的目的。其工作流程：
盆花自动包装机在电机的作用下驱动水平运输带上的盆花移动，当盆花移动至靠近水平运输带终部的光电开关反射区域时，终部的光电开关将信号传送至顶部电动滑台系统，顶部电动滑台系统移动至盆花上方，在气缸的驱动下，夹持爪将盆花抓住，与此同时，挂在支袋撑板上的包装袋被吸开，夹持爪将抓取的盆花缓慢进入撑开的包装袋中。待盆花完全落入包装袋中，气缸驱使气爪伸缩至合适位置并在气爪完全打开的状态下夹取套有包装袋的盆花，将盆花输送至盆钵中，实现盆花包装的自动化。当盆花完全落入包装袋后，气缸与气爪在底部纵向电动滑台的支撑下做纵向运动，当下降至与底部输送带同等高度的时候，沿着底部横向电动滑台的方向将带有包装袋的盆花放入底部输送带的盆钵中，由底部运输带运送出去，然后将套好包装袋的盆花放入指定的盆花储存架上或其他指定的位置。
盆花输入系统
盆花输入系统（如图3）主要包括盆花输入带，该机使用时通常与盆花分级系统共同连用，盆花分级系统输送过来的盆花由输入系统运送至盆花包装系统进行包装，因此，在设计时要协调好与上一系统环节的关键定位尺寸，应选择同一基准面，盆花输送带上面的高度要比上一级的花卉分级系统输送带上面的高度低2～8 mm，以便于盆花可以在输送带上正常的运动。当调整好输送带的运行速度后，安装调节光电感应开关的位置，使盆花在输送带停止运行后，能够停在气缸夹持爪可以夹持到的位置，且不会从皮带上掉落。
盆花输入系统的水平运输带上有一组光电反射开关，当盆花输送至包装机即将进行包装时，光电开关将信号传递给盆花机械手进行抓取盆花等动作。该输入带速度为0～1 m/s可调节。
盆花自动包装系统
盆花自动包装系统为此设备的关键工作环节，主要包括盆花套袋机械手、撑袋与落袋系统、盆花夹持结构、气动与电动滑台系统等。该系统可以利用机械手完成自动抓紧、撑袋、套袋、排列等一系列顺序连续动作，实现盆花的自动套袋包装过程。
盆花套袋机械手
盆花套袋机械手悬挂于顶部横向和纵向电动滑台上，当盆花传递过来时，根据信号在横向或纵向电动滑台上移动，完成夹取盆花、并将盆花放入包装袋中等动作（如图4）。
撑袋与落袋系统
撑袋与落袋系统，包括储袋系统、真空吸盘、静电消除器及缓冲气缸，当盆花套袋机械手将盆花抓起并移动至包装袋上方位置时，真空吸盘将储袋库中的包装袋吸开，此时静电消除器喷射气体将包装袋进行预撑开并具有消除包装袋之间静电的作用，储袋系统由一个带有缓冲功能的气缸支撑，目的是吸收真空吸盘与支袋撑板之间的撞击力，包装袋完全打开后，盆花即可顺利落入其中（如图5）。
盆花夹持结构
由气缸和气爪组成，气缸带动气爪的伸缩运动，气爪开闭可实现对套完包装袋的花盆自由夹取并将花盆送入指定的穴盘内（如图6）。
气动与电动滑台系统
包括6个电动滑台，3个气缸；其中，盆花套袋机械手上有横向和纵向2个滑台，用于带动机械手自由走动；盆花夹持结构有2个纵向，1个横向共3个滑台，用于带动盆花夹持结构自由走动；撑袋机构的缓冲气缸上有1个滑台，用于带动撑袋机构自由走动。3个气缸分别用于对盆花机械手的夹持爪进行驱动、气爪的驱动、储袋系统的缓冲作用。
盆花输出系统
综合考虑输出带安装的最低位置要求，及花盆抓取后所能下放的空间，以及抱盆爪运动的轨迹等因素，调整输出带的位置高度，及前后输送距离。使调整好的输送带，适合下一工作环节使用。该输出带与输入带运行速度一样，均为0～1 m/s可调节（如图7）。
盆花自动包装机控制系统的设计[7-8]
对盆花自动包装机来说，机械结构决定了该设备的功能，控制系统决定了该设备的功能是否能够正常工作。随着设备功能的越来越强大，控制系统技术不断更新，核心组件越来越小，逐渐向集成化、小型化、智能化发展。对于本设计，控制系统是包装机提高自动化程度的关键技术。
在此设计中，盆花自动包装机主要由输送带系统、套袋机械手、撑袋与落袋系统、夹持系统、启动与电动滑台系统等5部分组成。因此，控制系统完成的运动功能大体上可以分为以下几部分：传送带的启停运动、套袋机械手的展开与收拢、夹持爪的收拢与展开动作、夹持爪的收拢与展开动作、电动滑台的来回滑动动作。这几部分运动都按照设定好的工作流程运行，彼此交叉进行。
该包装机控制系统主要由硬件系统和软件系统构成。
盆花自动包装机硬件系统的设计
PLC机型的选择
在选择PLC型号时，应在满足控制系统功能要求的前提下，选择最可靠、最稳定、使用维护最方便以及性价比最优的机型。本设计中，选择西门子S7200系列CPU226的PLC控制，这个型号的PLC有24点的开关量输入和16点的开关量输出。选用这款PLC还需要配备功能扩展模块来与上位机进行通信；上位机可以通过GX-Developer编程软件来对FX1N进行编程，或者可以直接对可编程控制的运行情况进行监控。
PLC容量估算
由于在I/O点数选择时，需要留有一定数量的备用（如图4）I/O点（大约为输入/输出点数的15%～20%），根据包装机工作要求，需增加2个模块EM222进行扩展，该模块输出点数为8，因此，该包装机PLC容量为24+16+8x2=56个。
控制系统的要求：在盆花自动包装过程中，由PLC控制系统统一协调各执行机构完成相应动作。PLC控制系统要可靠性高、稳定性好，还应性价比高、易于扩展，并有良好的开发环境。包装机控制系统的主要执行元件是步进电机、气缸和液压马达，而要想控制这些执行元件动作，系统首先要控制电磁换向阀按预定的时序开闭。此外，控制系统还应具有简单的数据处理功能，以计算排种器转速。控制系统还应能控制播种机的开启、暂停、设定、状态指示、停止等（如图8）。
盆花自动包装机软件系统的设计
盆花自动包装机的PLC控制系统的硬件主要由PLC及外部设备组成。软件部分主要涉及系统程序、应用程序和编程语言。PLC支持的FX系列编程语言有指令表、梯形图以及顺序功能图SFC（Sequential Function Chart）。SFC是一种先进的设计方法，具有很好的通用性和规范性，使用它可以节约大量的系统开发时间，提高开发效率。PLC在系统中的主要功能是协调各子系统按照播种要求进行工作。因此，它既要完成各种逻辑控制，还要进行系统的监控。盆花自动包装机工作流程示意图如图9所示。
盆花自动包装机的试验
试验的目的、要求
根据使用要求，对盆花自动包装机的包装速度、机械手行程、整机额定功率指标进行检测。
试验条件
（1）试验应有检测部门、设计单位和承担试验的用户参加。
（2）试验的数据实测由具备试验设备及条件的有关国家科研单位的检测部门进行并出示检测报告。试验地点在北京市通州区双埠头村北京农机所试验示范基地。
（3）试验用仪器、仪表（主要是秒表和卷尺）由测试部门准备，其性能指标应符合国家有关条件的规定。
试验测试指标要求
（1）包装速度（单爪）≥100盆/h；
（2）机械手行程≥500 mm；
（3）整机额定功率≤1.5 kW（不含空压机）。
试验内容、方法、步骤、记录及数据处理
（1）试验内容：进行JPBZJ-1型盆花自动包装机包装速度、机械手行程、整机额定功率测定。
（2）试验方法、步骤：对于JPBZJ-1型盆花自动包装机，国家目前尚无成文的检测测试规范。
（3）试验步骤
① 本试验用的盆花是红掌盆花。装红掌的花盆尺寸为：上口直径170 mm，下口直径120 mm，高150 mm。
待JPBZJ-1型盆花自动包装机运行平稳后，控制系统启动，入口盆花输送带电机启动，盆花包装出口输送带电机启动，盆花夹持抓取机械手和盆花夹持摆放机械手自动归位于起始点，将试验的盆花放在包装机入口盆花输送带上，输送带带着花盆运行到光电开关感应的位置，开始启动秒表，盆花包装机连续完成10盆盆花包装后，停止秒表记录，将完成的时间记为T（s），连续测试5次，将每次完成10盆盆花包装的时间Ti（s）记录在表格内，对五次包装的时间取平均值B= （s），由此可以计算出包装1盆盆花平均时间为A=B/10（s/盆），每小时JPBZJ-1型盆花自动包装机的包装速度为Q=3600/A（盆/h）。
② 待JPBZJ-1型盆花自动包装机运行平稳后，控制系统启动，入口盆花输送带电机启动，盆花包装出口输送带电机启动，盆花夹持抓取机械手和盆花夹持摆放机械手自动归位于起始点，将试验的盆花放在包装机入口盆花输送带上，输送带带着花盆运行到光电开关感应的位置，夹持抓取机械手撑开移动到盆花的正上方，收紧机械手抱紧盆花向上抬起，记录机械手起始位置，后平移到撑袋机构上方，机械手将盆花垂直送到花袋内，停止机械手动作，用卷尺测量包装机机械手的行程距离L（mm），连续测试5次，每次测量的机械手行程距离Li（mm）记录在数据表内，对五次包装机机械手行程距离取平均值P= （mm）。
综上所述，测定的盆花自动包装机的包装速度为226盆/h，机械手行程为570 mm，整机功率为1kW，均达到预定指标。
结论
北京京鹏环球科技股份有限公司研制的盆花全自动包装机，经过北京市农业机械试验鉴定推广站鉴定后，指标合理，性能稳定，已在京鹏智慧温室里的花卉车间里进行了数月的试运行，在试运行期间，盆花全自动包装机与盆花栽培进行了有效的结合，解决了传统包装过程中人工劳动强度大，生产效率低，劳动成本高等问题，实现了鲜花多样化、工厂化、规模化、精确化生产，满足了市场对于盆花品质和观感的要求，大大提高了盆花的核心竞争力，为北京市建成十二五都市现代花卉产业提供了坚实的保障。
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