便攜式雙刀片電動果園采收裝置設(shè)計(jì)

何家成　汪洋　蔣猛

摘要 [目的]解決華南丘陵山區(qū)水果摘采機(jī)械化難度大的問題。[方法]采用計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)了一款便攜式雙刀片電動果園采收機(jī)具。首先通過建立力學(xué)模型的方式，論證了方案的可行性，排除了一次剪切不成功的情況；其次對機(jī)具的硬件選擇和電路控制，計(jì)算機(jī)工作程序等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。[結(jié)果]設(shè)計(jì)的雙刀片機(jī)械輔助果園采收機(jī)具，由兩片切割刀片，兩臺直流伺服電機(jī)、可伸縮支架桿等組成，工作時(shí)刀片始終在水果筐范圍內(nèi)移動，不會出現(xiàn)因?yàn)榈镀苿拥娇鹜舛鴵p傷其余未摘水果的情況，可有效降低因采收機(jī)具而產(chǎn)生的產(chǎn)量損失。[結(jié)論]該設(shè)計(jì)方案通過切割力分析驗(yàn)證，不存在一次切割不成功的情況；該機(jī)具搭載的直流電機(jī)，選用12V/6AH電池，每次可工作10 h，可滿足山地工作需求。

關(guān)鍵詞 便攜式；電動；水果采摘

中圖分類號 S225 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）05-01563-03

Abstract [Objective] To solve the problems in fruit picker mechanization in the hilly region of southern China. [Method] A portable double blade electric orchard recovery device was designed using computer simulation. First， we set up a model of physics to prove the feasibility of this project and also prove that the blade can cut off the branch in one time. Then we discuss the design of circuitry and software with this project. [Result] The designed recovery device consists of double blades， two DC servo motor， the telescopic support rod. [Conclusion] The design scheme was verified by cutting force； the DC motor used 12V/6AH battery， which can work 10 h each time and satisfy mountain work demands.

Key words Portable； Electric； Fruit

中國作為水果生產(chǎn)大國，截止2009年我國水果生產(chǎn)量為1.14億t，占全世界水果產(chǎn)量的19.42%，其中蘋果、梨、橙等生長在果樹上的水果產(chǎn)量均占世界前三[1]。整個(gè)水果生產(chǎn)過程中，果園采摘所占勞動力占其整個(gè)生產(chǎn)過程的35%～45%[2]，但是我國果園采摘機(jī)械化程度較低。農(nóng)業(yè)機(jī)械化對提高單位耕地面積的農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、降低農(nóng)業(yè)勞動力的使用量、提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率，以及優(yōu)化農(nóng)業(yè)的種植結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮著十分重要的作用[3]。因此研制水果采摘機(jī)械改善果園作業(yè)方式具有重要而實(shí)際的意義。

當(dāng)前果園機(jī)械采摘方法主要分為：機(jī)械輔助采收和機(jī)械化采收兩種形式[4]。國內(nèi)機(jī)械化采收存在著效率不高，容易損傷果實(shí)、產(chǎn)量損失大等問題[4]。尤其是在我國南方丘陵山區(qū)地帶，這一地區(qū)恰好又是水果采摘園的所在地。這片地區(qū)由于地形限制，拖拉機(jī)等大型機(jī)械難以工作，加大了實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采收的難度。但是在未來的日子里對于這一地區(qū)，機(jī)械輔助采收作將為主流的采收形式。基于這種情況，課題組設(shè)計(jì)了雙刀片機(jī)械輔助果園采收機(jī)械。采用了兩片刀片，使得刀片進(jìn)行切割工作時(shí)始終在水果筐范圍移動，不會出現(xiàn)因?yàn)榈镀苿拥剿鹜舛鴵p傷其余未摘水果的情況，有效地降低了因采收水果而產(chǎn)生的產(chǎn)量損失。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及原理

該裝置由兩片切割刀片、兩臺直流伺服電機(jī)、可伸縮支架桿、切割按鈕、控制器、電池、軟質(zhì)管組成。其裝配方式為：切割刀片安裝在直流伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，直流伺服電機(jī)安裝在支架桿的頂端，在支架干的手持部分安裝有切割按鈕以及電池。工作時(shí)，由控制器檢測到切割按鈕被按下后，控制器啟動伺服電機(jī)帶動切割刀片切割。

1.1 供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 考慮到整套裝置的移動性能，不宜采用220 V交流電直接供電，考慮電瓶重量的因素也不宜采用高于24 V的電瓶供電。故裝置采用12 V電瓶供電，其重量輕，且持續(xù)工作時(shí)間長。

1.2 電機(jī)的選擇 考慮到系統(tǒng)的工作特性，即需要切割刀片能夠快速啟動和切割完成后刀片快速停止旋轉(zhuǎn)并且切割刀片返回初始位置。由于伺服電機(jī)具有快速啟動以及停止的的特點(diǎn)，并且配合光電傳感器易于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。鑒于以上特性，該系統(tǒng)采用伺服電機(jī)，而不采用步進(jìn)電機(jī)。

2.2 系統(tǒng)電路部分設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用PIC系列單片機(jī)為主控芯片。系統(tǒng)整個(gè)電路可分為兩個(gè)單元：控制及監(jiān)測單元與伺服電機(jī)驅(qū)動單元。

2.2.1 伺服電機(jī)驅(qū)動單元。

伺服電機(jī)驅(qū)動單元主要功能為，驅(qū)動伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及立即停轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)以上功能，系統(tǒng)采用橋式驅(qū)動電路，當(dāng)個(gè)驅(qū)動單元電路如圖5所示。若伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)：Q1，Q4接通，Q2，Q3關(guān)斷；若伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)：Q2，Q3接通，Q1，Q4關(guān)閉。當(dāng)需要伺服電機(jī)立即停轉(zhuǎn)則：Q3，Q4接通，Q1，Q2關(guān)斷。由于Q3，Q4接通伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢經(jīng)Q3，Q4形成感應(yīng)電流，所以伺服電機(jī)內(nèi)部形成一個(gè)巨大的停轉(zhuǎn)扭矩迫使伺服電機(jī)電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。

2.2.2 控制及監(jiān)測單元。

系統(tǒng)主控芯片采用美國microchip公司的PIC18F23K20該芯片具有：支持3.3 V低壓工作，最大工作頻率64 MHz，支持PWM輸出，支持CCP捕捉等特性。功率驅(qū)動芯片采用美國IR公司的IR2136，其最大支持驅(qū)動6個(gè)場效應(yīng)管工作。當(dāng)需要電機(jī)工作時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令給IR2136，IR2136接收到指令以后，控制相關(guān)場效應(yīng)管導(dǎo)通以及關(guān)閉，伺服電機(jī)也就執(zhí)行相應(yīng)的動作。

伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角監(jiān)測是通過伺服電機(jī)尾部光電編碼器傳出的脈沖信號以便計(jì)算轉(zhuǎn)角以及伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。該單元的電路圖如圖6所示。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 主程序設(shè)計(jì)。

主程序主要功能為：完成整個(gè)系統(tǒng)的初始化以及等待采摘按鈕按下?？刂破鳈z測到采摘按鈕按下后，主程序?qū)⑦M(jìn)入采摘子程序，采摘子程序會自動控制系統(tǒng)進(jìn)行采摘作業(yè)。完成本次采摘作業(yè)后，將繼續(xù)等待采摘按鈕的下一次按下（圖7）。

2.3.2 采摘子程序設(shè)計(jì)。 采摘子程序流程如圖8所示。采摘子程序主要功能為：控制切割刀片完成一次采摘作業(yè)。完成采摘作業(yè)后，控制刀片回到初始位置以便進(jìn)行下一次采摘作業(yè)。在完成上述功能后采摘子程序自動返回主程序，并且等待主程序下一次調(diào)用。

由于在前面在切割力分析時(shí)，已經(jīng)論證了不存在刀片一次切割無法割斷果柄的情況。因此，該程序主要是通過：控制伺服電機(jī)啟動、計(jì)算切割刀片轉(zhuǎn)過的角度、急停以及反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)該程序的設(shè)計(jì)功能，無需考慮切割刀片一次切割切不斷的情況。

3 結(jié)論

便攜式雙刀片電動果園采收裝置的設(shè)計(jì)及控制進(jìn)的關(guān)鍵在于：由于采用了雙刀片的形式，刀片始終在水果筐范圍移動，有效地避免了由于刀片旋轉(zhuǎn)而誤傷。通過切割力分析論證了，不存在切割刀片一次切割行程無法切斷果柄的情況。經(jīng)試驗(yàn)測定，系統(tǒng)搭載的伺服電機(jī)作電流為0.3 A。由于系統(tǒng)采用的12V/6AH電池，即系統(tǒng)工作支持連續(xù)工作10 h，并且，由于雙刀片的設(shè)計(jì)思路，有效地降低了因采摘過程而產(chǎn)生的水果產(chǎn)量損失。

參考文獻(xiàn)

[1] 2009年世界主要國家豆類、蔬菜、水果產(chǎn)量[J].世界農(nóng)業(yè)，2012（1）：103-104.

[2] SANDERS K F.Orange harvesting systems review[J].Biosystems Engineering，2005，90（2）：115-125.

[3] 盧明湘.農(nóng)業(yè)機(jī)械化對區(qū)域農(nóng)業(yè)的影響[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（2）：180-182.

[4] 段潔利，陸華忠，王慰祖，等.水果采收機(jī)械的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，39（16）：189-192.

[5] 曾正明.實(shí)用有色金屬材料手冊[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：572-573.