小型自動(dòng)伸縮便攜雙動(dòng)刃剪切式梨果采摘杯設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

祝懷志 李東方 祝惠一

摘 要 為解決梨果采摘過程中存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、果皮易損傷及高處不易采摘等問題，利用Inventor軟件，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款小型自動(dòng)伸縮便攜雙動(dòng)刃剪切式梨果采摘杯裝置，總體上改進(jìn)了現(xiàn)有技術(shù)的不足。在進(jìn)剪機(jī)構(gòu)中設(shè)置“側(cè)開豁口”式進(jìn)剪擋板與果枝導(dǎo)向條，實(shí)現(xiàn)果條精確定位與進(jìn)刀。試制樣機(jī)，兩刀刃最大開口度為13 mm；進(jìn)行剪切試驗(yàn)，果子完整率達(dá)到100%，完成單顆果子采摘過程約3.6 s。結(jié)果表明，本采摘杯快速、高效、便捷，適應(yīng)性強(qiáng)，柔性掉落系統(tǒng)可最大限度避免果子外皮損傷，滿足果園采摘作業(yè)各項(xiàng)需求，為水果采摘領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)機(jī)器代人提供了有力技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)采摘杯；雙動(dòng)刃剪；果枝導(dǎo)向條；氣動(dòng)伸縮桿；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH122；S225 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.29.076

近年來，國內(nèi)水果產(chǎn)量急劇增加，蘋果產(chǎn)量達(dá)到

4 312萬噸，2017年梨產(chǎn)量與2016年相比增長6%[1]。在如此巨大產(chǎn)量下，整個(gè)生產(chǎn)過程需大量勞動(dòng)力，其采摘作業(yè)耗費(fèi)勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過程所耗勞動(dòng)力的35%～45%[2]。何家成等[2]人設(shè)計(jì)了一種手持式電動(dòng)梨子采摘機(jī)，是一種機(jī)械輔助半自動(dòng)采摘工具。但剪切部分采用回轉(zhuǎn)動(dòng)刀片結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)繁瑣，費(fèi)用昂貴。為滿足采摘作業(yè)需求，提高采摘效率和果子完好率，降低人工采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度，利用Inventor軟件研發(fā)設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化程度高，農(nóng)民買得起、用得起的采摘杯裝置。

1 采摘杯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 采摘杯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型自動(dòng)手持伸縮便攜式多種水果采摘杯，主要由雙動(dòng)刃剪剪切機(jī)構(gòu)、果枝進(jìn)剪機(jī)構(gòu)、收納杯、自動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)、扶手機(jī)構(gòu)以及動(dòng)力控制單元等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

啟動(dòng)系統(tǒng)，按伸縮桿升降鈕，將采摘杯調(diào)整到果子所在高度，按自動(dòng)剪切按鈕，步進(jìn)擋板電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)擋板使得水果果座沿著果條導(dǎo)向條進(jìn)入剪口，氣動(dòng)剪進(jìn)氣，兩剪刃剪口閉合，剪下果條，果子通過柔性輸送袋滑落在果籃中。同時(shí)，擋板電機(jī)反轉(zhuǎn)，采摘杯復(fù)位。

2 主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 雙動(dòng)刃剪剪切機(jī)構(gòu)剪切力的理論計(jì)算

剪切機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要涉及氣動(dòng)強(qiáng)力雙動(dòng)刃剪剪刃的具體設(shè)計(jì)。據(jù)文獻(xiàn)[3]，動(dòng)刀刃所受外載荷F為：

式中：θ是刀刃角；φ是樹枝與刀片滑動(dòng)摩擦角；L是刀刃與樹枝接觸線長度；h是梁厚度；σ0是木材順紋抗拉強(qiáng)度；E是樹枝順紋抗拉彈性模量；E′′是樹枝橫紋抗壓彈性模量；E′是樹枝順紋抗彎彈性模量；t是未剪切部分樹枝高度；a是動(dòng)刀片切入深度；r是樹枝半徑；yc是距離；B1、B2和B3是參數(shù)。以雙動(dòng)刃剪刃剪切轉(zhuǎn)速為

40 r·min-1，果枝枝條直徑為φ3.5 mm為例，剪切力理論解為193.9 N。經(jīng)大量計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]，確定了剪切機(jī)構(gòu)主要參數(shù)，如表1所示。

2.2 防轉(zhuǎn)氣動(dòng)自動(dòng)快速伸縮桿及側(cè)開豁口式進(jìn)剪擋板的設(shè)計(jì)

伸縮桿在承受收納杯等零部件重量的同時(shí)，其強(qiáng)度以及整機(jī)重量、穩(wěn)定性都要考慮。此外，仍需考慮桿端軸向固定，因而，伸縮缸活塞桿橫截面采用六角形形式。為了將果座枝條送進(jìn)剪切結(jié)構(gòu)中，同時(shí)考慮到擋板“復(fù)位”，進(jìn)剪擋板設(shè)計(jì)為高精度步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。根據(jù)運(yùn)行軌跡，將擋板設(shè)計(jì)成側(cè)邊“豁口”式，提高進(jìn)剪可靠性。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為配合采摘杯各機(jī)構(gòu)之間運(yùn)動(dòng)，同時(shí)考慮控制系統(tǒng)硬件成本，特別設(shè)計(jì)了時(shí)間繼電器-步進(jìn)電機(jī)定長控制方案。時(shí)間繼電器-步進(jìn)電機(jī)定長控制原理圖及高精度步進(jìn)電機(jī)接線圖，如圖2所示。該方案簡單可靠、價(jià)格經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

4 結(jié)果與分析

試制了樣機(jī)，如圖3所示。隨機(jī)選取50個(gè)水晶梨果進(jìn)行采摘試驗(yàn)并統(tǒng)計(jì)，如表2所示。結(jié)果表明，本采摘杯自動(dòng)化程度高、采摘?jiǎng)幼餮杆佟O大地降低勞動(dòng)強(qiáng)度，果子完好率極高。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款小型自動(dòng)手持伸縮便攜式水果采摘杯，進(jìn)行了樣機(jī)試制及試驗(yàn)。剪刃在13 mm開口度范圍內(nèi)做剪切運(yùn)動(dòng)，和其他旋轉(zhuǎn)切割方式比，很好地避免剪刃剪切過程中對果皮損傷。采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，避免了電機(jī)驅(qū)動(dòng)剪切機(jī)構(gòu)堵轉(zhuǎn)帶來的設(shè)備損傷，安全性好、果子完整率達(dá)到100%。完成單顆果子采摘過程約3.6 s，采摘效率高。本采摘杯整機(jī)長度可調(diào)，適應(yīng)性極強(qiáng)。本采摘杯榮獲了2018年浙江省第十五屆“慧谷杯”大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽二等獎(jiǎng)，并申請了國家專利。

參考文獻(xiàn)：

[1] 武婕.水果生產(chǎn)消費(fèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化升級[J].農(nóng)產(chǎn)品市場周刊，2017（16）：29-30.

[2] 何家成，汪洋，劉宏博，等.便攜式果園采摘機(jī)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2018（5）：83-87.

[3] 王慰祖，吳良軍，楊洲，等.樹枝直刃剪切數(shù)學(xué)模型與試驗(yàn)[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，37（4）：105-111.

[4] 濮良貴，紀(jì)明剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2006.

（責(zé)任編輯：趙中正）