農(nóng)機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化建模及快速成型研究

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 梁博宇 田輝 葉芳 李蟒

平輿縣楊埠鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心 朱瑞霞

農(nóng)機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化建模及快速成型研究

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平輿縣楊埠鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心 朱瑞霞

3D打印作為一種新興的成型制造技術(shù)，具有快速成型、綠色環(huán)保、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，與互聯(lián)網(wǎng)、新能源并稱為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。而將快速成型技術(shù)與農(nóng)業(yè)機(jī)械的結(jié)合則是農(nóng)業(yè)機(jī)械零件發(fā)展的一個(gè)方向之一。結(jié)合我國農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的現(xiàn)狀以及3D打印的應(yīng)用實(shí)際，本文以智能板栗脫蓬一體機(jī)為例，闡述3D打印技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新以及制造中的應(yīng)用，以最大程度地發(fā)揮3D打印技術(shù)的作用。

一、國內(nèi)板栗脫蓬一體機(jī)的應(yīng)用情況

在板栗主產(chǎn)區(qū)，板栗脫蓬機(jī)的應(yīng)用并不是很廣，主要原因：一是現(xiàn)有的脫蓬機(jī)費(fèi)用較高，容易出現(xiàn)故障，且使用的時(shí)候噪音大；二是現(xiàn)有的脫蓬機(jī)脫蓬后小刺和板栗容易混合在一起，還需要另外分揀板栗和刺殼，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；三是現(xiàn)有的脫蓬機(jī)進(jìn)料口設(shè)置的都比較高，需要費(fèi)很大的力才能把板栗送上去；四是現(xiàn)有的脫蓬機(jī)的輥?zhàn)邮芰Σ痪鶆?，容易折斷?/p>

目前，我國板栗脫蓬機(jī)雖然已有不少機(jī)型進(jìn)入實(shí)際使用領(lǐng)域，但總的來說，技術(shù)成熟度較低，其表現(xiàn)為產(chǎn)品可靠性差，市場還沒有啟動(dòng)起來，制約其發(fā)展的諸多因素未解決。

二、智能板栗脫蓬一體機(jī)的工作原理及優(yōu)勢

（一）機(jī)械設(shè)計(jì)

運(yùn)用履帶傳送代替人工，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料過程，進(jìn)入脫蓬裝置。板栗脫蓬可以通過多種方式完成，但打碎式脫蓬不能保障栗子脫蓬后的完整性，我們采用擠壓式脫蓬，將軸制成一定梯度的蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，其半徑自前向后逐漸增大，可以使進(jìn)料順暢，且該結(jié)構(gòu)可將較大的蓬殘?jiān)葡蜓b置一側(cè)，板栗透過網(wǎng)狀彈簧板漏下。為防止蓬的碎屑進(jìn)入板栗中，技術(shù)人員在板栗脫蓬裝置的下側(cè)安裝風(fēng)扇，進(jìn)一步使蓬和板栗分離，得到較純凈的板栗。

技術(shù)人員將小板栗豎直放置時(shí)，鋼管最大厚度作為排列間距且按照一定的傾斜角度進(jìn)行擺列，將眾鋼管的一端與電機(jī)進(jìn)行鏈狀連接使它們能夠進(jìn)行同頻率、同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以防止板栗卡在鋼管間隙而造成的板栗堵塞、大小分級不準(zhǔn)確等現(xiàn)象。較小的板栗自鋼管間隙下落，掉落在與大小分級裝置相平行的軌道。利用一定的傾斜角度和機(jī)器本身的震動(dòng)，使板栗可以順利通過大小分級裝置進(jìn)入板栗質(zhì)量檢測裝置。

（二）檢測控制部分設(shè)計(jì)

板栗按照大小、好壞可以進(jìn)行分級，板栗脫蓬后的好壞可以由板栗表面的光澤度、黑點(diǎn)數(shù)量以及紅褐色程度來判斷，利用圖像識別可以就以上3個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行科學(xué)檢測。

如圖1所示，圖像識別技術(shù)可以通過不同波段的光將板栗進(jìn)行掃描，將掃描的圖像結(jié)果進(jìn)行數(shù)字圖像處理，將灰度圖像的判斷指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)范圍相比較，控制系統(tǒng)對此作出響應(yīng)。同時(shí)，利用多種傳感器監(jiān)控機(jī)器的工作狀態(tài)和包裝控制量?；诠S流水線工作模式，設(shè)計(jì)體現(xiàn)了自動(dòng)化、一體化的理念，該作品包含了板栗自動(dòng)送料、脫蓬過濾、大小好壞分級、出料、包裝共5個(gè)環(huán)節(jié)。剛摘下帶有蓬的板栗放在送料箱，送料機(jī)將其送到脫蓬機(jī)，在脫蓬機(jī)里脫蓬處理后，經(jīng)過大小震動(dòng)網(wǎng)濾出小型板栗，大板栗經(jīng)過圖像檢測平臺(tái)濾出不好的部分，最后板栗堆積一定程度可以自動(dòng)裝箱。

控制系統(tǒng)以PLC為中心，使用總線連接并控制外部設(shè)備。控制的輸出單元是電機(jī)機(jī)組的控制器，該電機(jī)組包括有脫蓬的主電機(jī)（市電輸入）、傳送電機(jī)（步進(jìn)指令控制）、圖像檢測盤電機(jī)（DC12V供電）。

圖像傳感器是由攝像端、光源部分和數(shù)據(jù)傳輸部分組成，可以將板栗的高光譜成像圖傳輸給圖像處理模塊，模塊內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、比較、計(jì)算，將檢測結(jié)果的控制命令回傳給系統(tǒng)處理器。利用高光譜圖像技術(shù)采集板栗高光譜圖像，提取霉?fàn)€板栗的光譜曲線，并通過偏最小二乘法判別分析（PLS-DA）建立霉?fàn)€板栗的識別模型，為板栗的無損分級提供一種新方法。偏最小二乘法判別分析在樣品光譜信息的判別分析中具有很好的識別能力，是一種常用的模式判別方法。

三、智能板栗脫蓬一體機(jī)的3D打印模型

利用三維軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，雖方便快捷易操作，但過于理想化，不利于開發(fā)者發(fā)現(xiàn)及改進(jìn)設(shè)計(jì)中的問題；如果利用傳統(tǒng)的制作方式進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)體化過程，那么將面臨如在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的非標(biāo)件難以購買，一些特定零件造價(jià)昂貴等問題。3D打印技術(shù)的引入，以上問題將迎刃而解，如圖2為利用3D打印技術(shù)完成的智能板栗脫蓬一體機(jī)的實(shí)物模型?；?D打印技術(shù)的快速成型制作的特點(diǎn)，開發(fā)者可以根據(jù)自己設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行特定零件的打印，完成機(jī)器的組裝工作，在進(jìn)行實(shí)體運(yùn)動(dòng)仿真的過程中，可以快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問題，即時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)改良、調(diào)整，大大降低了設(shè)計(jì)制作的難度，可以把更多的精力投入如何改進(jìn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容上。

四、總結(jié)

實(shí)現(xiàn)板栗脫蓬機(jī)械智能一體化，為響應(yīng)國家創(chuàng)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)作出了貢獻(xiàn)。自動(dòng)化板栗脫蓬一體機(jī)不僅能夠減少人工勞動(dòng)量，而且有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，市場的需求壓力，現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造技術(shù)發(fā)生了很大變化，為了提高產(chǎn)品開發(fā)速度，合理壓縮制作周期，在農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)開發(fā)及其制造中應(yīng)用3D打印技術(shù)可以快速制造形狀復(fù)雜的零件及新產(chǎn)品首版樣件的技術(shù)，可快速、準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛄慵瑪[脫了制造業(yè)傳統(tǒng)模式的制造流程，以便進(jìn)行快速評估、修改及功能測試，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期，減少開發(fā)投入費(fèi)用。

圖1 控制系統(tǒng)流程圖

圖2 智能板栗脫蓬一體機(jī)的3D打印模型