翻轉(zhuǎn)式哈密瓜分級裝置設(shè)計(jì)

董冬冬 ，馬本學(xué),2 ，胡洋洋 ，蔣 偉，李小霞，孫靜濤，黃成偉 ，畢智健

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832000)

翻轉(zhuǎn)式哈密瓜分級裝置設(shè)計(jì)

董冬冬1，馬本學(xué)1,2，胡洋洋1，蔣 偉1，李小霞1，孫靜濤1，黃成偉1，畢智健1

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832000)

針對新疆哈密瓜分級中自動化程度低、分級結(jié)果不穩(wěn)定及效率低下等問題，設(shè)計(jì)了一種翻轉(zhuǎn)式哈密瓜分級裝置。首先通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)水果托盤，增加哈密瓜在傳輸過程中的穩(wěn)定性；然后設(shè)計(jì)分級執(zhí)行裝置，實(shí)現(xiàn)哈密瓜的翻轉(zhuǎn)；最后對控制系統(tǒng)原理進(jìn)行闡述，以實(shí)現(xiàn)哈密瓜的準(zhǔn)確分級。通過控制系統(tǒng)驅(qū)動分級執(zhí)行裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水果托盤的翻轉(zhuǎn)，使哈密瓜滾動至分級區(qū)域，大大降低了哈密瓜在分級過程中的機(jī)械損傷。

哈密瓜；翻轉(zhuǎn)；分級

0 引言

哈密瓜是新疆地區(qū)的名優(yōu)特產(chǎn)，素有“瓜中之王”的美稱，含糖量高，奇香襲人，不僅香甜可口，而且營養(yǎng)成分十分豐富，被譽(yù)為“水果皇后”。然而，目前哈密瓜采摘后的檢測方式主要采用人工分揀方法，效率低下，隨意性大，往往帶有人的主觀因素，造成分選不規(guī)范，分選精度低；同時(shí)分揀時(shí)間長，水果腐爛變質(zhì)及客戶等待時(shí)間較長等問題突出，造成資源和時(shí)間的雙重浪費(fèi)，致使經(jīng)濟(jì)效益下降，最終影響了哈密瓜在市場上的競爭力。因此，對哈密瓜進(jìn)行自動化分級顯得尤為重要。

目前，國內(nèi)對水果分級裝備的研究起步較晚，商品化的水果品質(zhì)檢測分級設(shè)備比較少；但是，隨著機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展，有越來越多的學(xué)者開始對蘋果、柑橘、黃桃等水果的品質(zhì)特征進(jìn)行研究，并研制了部分水果檢測分級裝備[1-7]。由于國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的不成熟，現(xiàn)有的檢測分級裝置檢測研究對象多為蘋果、芒果、獼猴桃、柑橘等小型水果[8-12]，而目前針對哈密瓜的分級研究基本上處在理論層面，還沒有應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，仍需要進(jìn)行繼續(xù)深入的研究。目前，哈密瓜的市場需求量在逐年增加，因此迫切需要一種針對哈密瓜大小分級的設(shè)備及技術(shù)解決當(dāng)前的問題。

本研究針對目前新疆哈密瓜主要依靠人工在田間地頭進(jìn)行分級的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種翻轉(zhuǎn)式哈密瓜分級裝置。

1 總體設(shè)計(jì)

本裝置主視結(jié)構(gòu)如圖1所示，俯視結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.主動鏈輪 2.鏈條輸送帶 3.凸輪 4.棘輪 5.承載水果裝置 6.支撐軸 7.調(diào)速電機(jī) 8.對射式激光傳感器 9.傳感器支撐架 10.從動鏈輪 11.機(jī)架 12.PLC支撐架 13.三菱PLC 14.分級執(zhí)行裝置支撐架 15.同步皮帶 16.電動機(jī)圖1 裝置主視結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The main view structure of equipment

1.卸料口 2.鏈條 3.鏈條長銷軸 4.進(jìn)料口圖2 裝置俯視結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Planform of structure equipment

1.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1、圖2所示，本裝置包括機(jī)架、進(jìn)料口、卸料口、傳送系統(tǒng)、承載水果裝置、控制系統(tǒng)和分級執(zhí)行裝置。傳送系統(tǒng)包含電動機(jī)、同步皮帶、主動鏈輪、從動鏈輪和鏈條輸送帶；控制系統(tǒng)包含對射式激光傳感器、傳感器支撐架、三菱PLC和PLC支撐架；分級執(zhí)行裝置包含分級執(zhí)行裝置支撐架、支撐軸、調(diào)速電機(jī)、凸輪和棘輪。

1.2 工作原理

工作時(shí)，電動機(jī)帶動傳送系統(tǒng)工作，傳送系統(tǒng)帶動承載水果裝置工作，哈密瓜由進(jìn)料口進(jìn)入承載水果裝置。當(dāng)承載水果裝置通過對射式激光傳感器區(qū)域時(shí)，哈密瓜觸發(fā)對射式激光傳感器，按照所觸發(fā)的對射式激光傳感器的對數(shù)將哈密瓜分為大、中、小3個等級；對射式激光傳感器將信號傳給三菱PLC，通過預(yù)先設(shè)置好的程序使三菱PLC控制相應(yīng)的調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)動，調(diào)速電機(jī)控制凸輪轉(zhuǎn)動；凸輪通過轉(zhuǎn)動使相應(yīng)的水果托盤翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而使哈密瓜進(jìn)入相應(yīng)的卸料口，實(shí)現(xiàn)哈密瓜的分級；拉伸彈簧拉動水果托盤回到初始位置，凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動至初始位置后通過與棘輪作用停止轉(zhuǎn)動，等待下一次轉(zhuǎn)動。

1.3 裝置特點(diǎn)

該裝置的主要特點(diǎn)：①實(shí)現(xiàn)哈密瓜的大小分級；②通過翻轉(zhuǎn)式承載哈密瓜裝置的設(shè)計(jì)使哈密瓜實(shí)現(xiàn)滾動分級，滾動摩擦相對于滑動摩擦對哈密瓜所造成的機(jī)械損傷更小，大大降低了哈密瓜在分級過程中的機(jī)械損傷；③減少工人勞動強(qiáng)度，提高哈密瓜的分級效率。

2 哈密瓜承載裝置設(shè)計(jì)

2.1 材料與方法

本次試驗(yàn)材料選用品種為“金皇后(欣源蜜6號)”的成熟哈密瓜樣本(見圖3)，樣本個數(shù)為100個，產(chǎn)地為新疆兵團(tuán)農(nóng)六師103團(tuán)哈密瓜種植基地。根據(jù)當(dāng)?shù)毓限r(nóng)的經(jīng)驗(yàn)和哈密瓜的全生育期(85～110天左右)，在哈密瓜成熟期對此種哈密瓜進(jìn)行兩批次采收，每次均采收50個，且采收時(shí)間間隔不能超過3天，共得到100組有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)哈密瓜國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T23398-2009[13]，在哈密瓜試驗(yàn)樣本采摘過程中,通過目測和與有經(jīng)驗(yàn)的瓜農(nóng)溝通，剔除掉樣本中具有缺陷的哈密瓜。其中，缺陷哈密瓜主要由畸形瓜、網(wǎng)紋不規(guī)則或不均勻，以及人為或受外力影響所造成的碰壓傷、裂縫和病蟲斑等。

1)試驗(yàn)儀器：包括刻度尺(量程30cm)、毛刷、毛巾、小刀、記號筆、標(biāo)簽紙、筆記本。

圖3 試驗(yàn)樣本Fig.3 Collection of test sample

2)試驗(yàn)方法。

(1)哈密瓜表面清理及編號。對所采收的哈密瓜使用干毛巾進(jìn)行表面清洗，用小刀切除果梗，并對哈密瓜進(jìn)行編號，將編號為1～100的記號紙貼在哈密瓜果梗處。

(2)哈密瓜外形尺寸測量。對已經(jīng)編號的哈密瓜樣本，使用高度劃線游標(biāo)卡尺測量哈密瓜樣本縱向長軸的長度a、橫向短軸的兩個長度b和c。其中，短軸的兩個長度b、c測量方式是短軸處相互垂直的兩個位置進(jìn)行測量，通過公式(1)求出哈密瓜的球度φ。在測量哈密瓜縱徑時(shí)需要人工將哈密瓜豎立，由于豎立過程人工參與，可能存在一定的偏差，故此處均采取多次測量取平均值的方法。每個哈密瓜樣本的尺寸數(shù)據(jù)測量3次并詳細(xì)記錄每次所測量的數(shù)據(jù)，將每個哈密瓜樣本的3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值作為哈密瓜的尺寸數(shù)據(jù)，并最終以100個哈密瓜的平均橫縱經(jīng)值做為哈密瓜的理論橫縱經(jīng)值。

(1)

單個哈密瓜樣本的縱徑(以編號為1的哈密瓜樣本為例)為

(2)

單個哈密瓜樣本的橫徑(以編號為1的哈密瓜樣本為例)為

(3)

(4)

(5)

哈密瓜的理論平均縱徑為

(6)

哈密瓜的理論平均橫徑為

(7)

通過對每一個哈密瓜樣本基本物料數(shù)據(jù)的測定，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、整理和小數(shù)位處理，得到100個哈密瓜樣本的球度及外形尺寸數(shù)據(jù)。球度值分布圖如圖4所示，縱徑a尺寸分布如圖5所示，橫徑l尺寸分布如圖6所示。

圖4 哈密瓜樣本球度分布圖Fig.4 Sphericity Distribution of Hami melon samples

圖5 哈密瓜樣本縱徑分布圖Fig.5 The longitudinal distribution of Hami melon samples

圖6 哈密瓜樣本橫徑分布圖Fig.6 The transverse diameter distribution of Hami melon samples

通過對所采集的哈密瓜數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算可知：哈密瓜果實(shí)縱徑最大值為25.10cm，最小值為19.80cm，理論均值為22.34cm；橫徑的最大值為17.50cm，最小值為15.00cm，理論均值為16.17cm；球度φ理論均值為80.67%。

2.2 水果托盤曲線確定

通過對哈密瓜球度的計(jì)算，可以看出“金皇后(欣源蜜6號)”品種哈密瓜形狀規(guī)則，接近于球形，因此需要設(shè)計(jì)一種類球形的水果托盤。

選取哈密瓜理論平均縱徑做為橢圓的長軸r1，哈密瓜理論平均橫徑做為橢圓的短軸r2，并選定用于設(shè)計(jì)水果托盤的曲線，如圖7所示。

圖7 水果托盤設(shè)計(jì)曲線選擇示意圖Fig.7 The design curve selection diagram of fruit tray

圖7中,r1為哈密瓜理論平均縱徑；r2為哈密瓜理論平均橫徑。以哈密瓜理論平均縱徑r2為直徑作圓并與橢圓內(nèi)切，選取角a所對應(yīng)的圓弧作為設(shè)計(jì)水果托盤的曲線。

2.3 承載水果裝置設(shè)計(jì)

承載水果裝置由轉(zhuǎn)動軸、減震彈簧、水果托盤支撐座、水果托盤緩沖墊、裝置支撐座、拉伸彈簧和水果托盤組成。其中，裝置支撐座與鏈條長銷軸相聯(lián)，減震彈簧固定在水果托盤支撐座和裝置支撐座之間；水果托盤通過轉(zhuǎn)動軸與水果托盤支撐座聯(lián)接，其緩沖墊固定在水果托盤支撐座上，拉伸彈簧用于聯(lián)接水果托盤和水果托盤支撐座。承載水果裝置是哈密瓜分級裝置中的關(guān)鍵部件，該裝置中水果托盤的主要作用是實(shí)現(xiàn)哈密瓜承載傳送和翻轉(zhuǎn)；減震彈簧和水果托盤緩沖墊主要作用是當(dāng)哈密瓜由進(jìn)料口傳送至水果托盤時(shí)實(shí)現(xiàn)減震和緩沖，避免哈密瓜出現(xiàn)損傷；拉伸彈簧的主要作用是當(dāng)水果托盤翻轉(zhuǎn)后將水果托盤拉回原位置。如圖8為承載水果裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

3 分級系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 分級執(zhí)行裝置設(shè)計(jì)

分級執(zhí)行裝置由凸輪、棘輪、支撐軸和調(diào)速電機(jī)組成，如圖9所示。其中，支撐軸固定在分級執(zhí)行裝置支撐架上，棘輪固定在支撐軸上，凸輪繞支撐軸轉(zhuǎn)動。通過固定在分級執(zhí)行裝置支撐架上的調(diào)速電機(jī)帶動凸輪繞支撐軸轉(zhuǎn)動，凸輪在轉(zhuǎn)動過程中通過與水果托盤作用，驅(qū)動水果托盤翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而使哈密瓜翻轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)哈密瓜的分級；凸輪每次工作后都回到初始位置，通過與棘輪的作用實(shí)現(xiàn)凸輪靜止。

1.承載水果裝置 2.轉(zhuǎn)動軸 3.減震彈簧 4.水果托盤支撐座 5.水果托盤緩沖墊 6.裝置支撐座 7.拉伸彈簧 8.水果托盤圖8 承載水果裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of structure for carrying fruit

1.凸輪 2.棘輪 3.支撐軸 4.調(diào)速電機(jī)圖9 分級執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of classification execution

3.2 分級執(zhí)行裝置工作特點(diǎn)

1)采用凸輪作為執(zhí)行部件。其中，凸輪、水果托盤和支撐架3個基本構(gòu)件組成高副機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)水果托盤所需要的運(yùn)動規(guī)律設(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線。

2)通過齒式棘輪機(jī)構(gòu)與凸輪的作用，可以實(shí)現(xiàn)該裝置的單向間歇式運(yùn)動，使凸輪在每次完成工作后停在初始水平位置，從而縮短驅(qū)動水果托盤翻轉(zhuǎn)的運(yùn)動時(shí)間。

3)調(diào)速電機(jī)是利用改變電機(jī)的級數(shù)、電壓、電流和頻率等方法改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過使用調(diào)速電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)凸輪根據(jù)所需要的運(yùn)動速度轉(zhuǎn)動。

3.3 分級控制系統(tǒng)工作原理

分級控制系統(tǒng)由多對對射式光電傳感器、三菱PLC和調(diào)速電機(jī)組成。首先，通過試驗(yàn)獲取哈密瓜相關(guān)數(shù)據(jù)建立哈密瓜質(zhì)量-縱徑數(shù)學(xué)模型，根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型確定對射式光電傳感器的安裝位置，并確定哈密瓜經(jīng)過傳感器時(shí)觸發(fā)傳感器個數(shù)與哈密瓜質(zhì)量的關(guān)系；然后，PLC通過獲取傳感器被觸發(fā)個數(shù)的信息間接獲取哈密瓜的等級信息，并根據(jù)間接獲取的哈密瓜等級信息控制相應(yīng)的調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)動；調(diào)速電機(jī)控制凸輪旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動水果托盤翻轉(zhuǎn)，最后完成哈密瓜的分級。

4 結(jié)論

1)通過試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了水果托盤，確定了其曲線，符合水果托盤的設(shè)計(jì)要求。其具有較強(qiáng)的實(shí)用性，使得哈密瓜與水果托盤能夠更好地貼合，防止因局部壓強(qiáng)過大導(dǎo)致哈密瓜的損傷。通過緩沖墊和減震彈簧的設(shè)計(jì)，可以有效地避免哈密瓜的機(jī)械損傷。

2)分級執(zhí)行裝置采用凸輪和棘輪設(shè)計(jì)，并利用凸輪與棘輪的相互作用實(shí)現(xiàn)該裝置單向間歇式轉(zhuǎn)動，同時(shí)可根據(jù)水果托盤所需要的運(yùn)動規(guī)律設(shè)計(jì)適合的凸輪構(gòu)件，使水果托盤按照合理的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)哈密瓜穩(wěn)定、高效的分級。

3)本裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了哈密瓜大小的自動分級功能，為新疆哈密瓜的自動化檢測分級奠定基礎(chǔ)。

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更正

在《農(nóng)機(jī)化研究》2017年第10期256～262頁《中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展模式》(第一作者為白學(xué)峰)一文中，第256頁左下角作者簡介中作者名字有誤，應(yīng)將“白雪峰”改為“白學(xué)峰”。另外，通訊作者魯植雄的籍貫有誤，應(yīng)將“湖北武學(xué)人”改為“湖北武穴人”。

特此更正。

《農(nóng)機(jī)化研究》編輯部

2017年2月7日

ID:1003-188X(2018)02-0128-EA

Design of Flip - type Classification Device for Hami Melon

Dong Dongdong1, Ma Benxue1,2, Hu Yangyang1, Jiang Wei1, Li Xiaoxia1,Sun Jingtao1, Huang Chengwei1, Bi Zhijian1

(1. Mechanical and Electrical Engineering College, Shihezi University, Shihezi 832000, China; 2.The Key Laboratory of Xinjiang Production and Construction Group, Shihezi University, Shihezi 833200, China)

Abstract： Poor levels of automation,disunity criterion,unstable results,low efficiency exists in the classification of Hami melon. A flip-type classification device of Hami melon designed.First,fruit tray designed by experimental to increases the stability of hami melon during the transport;Then,the grading execution device is designed to realize the turnover of Hami melon;Finally,the principle of control system was expounded to realize accurate classification of Hami melon.The classification execution devices are driven by the control system to realized the fruit tray flip,making Hami melon rolling to the classification area,and greatly reduced the mechanical damage of Hami melon in the classification process.

Hami melon; flip; classification

2016-12-09

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD19B03)

董冬冬(1992-)，男，陜西銅川人，碩士研究生，(E-mail)993479345@qq.com。

馬本學(xué)(1970-)，男，新疆石河子人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)mbx_shz@163.com。

S226.5

A

1003-188X(2018)02-0128-04