果園采摘平臺傳送裝箱系統(tǒng)設(shè)計與試驗

楊 貞，韓 冰，靳紅玲，陳 軍

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

在蘋果種植生產(chǎn)過程中，采摘約占整個作業(yè)量的40%，而機(jī)械化收獲可以解放勞動力、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本[1]。收獲機(jī)器人雖然具有很高的自動化水平，但由于其技術(shù)復(fù)雜、效率低下、成本高昂，很難在短時間內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[2-4]?？梢詳喽?，在短時間內(nèi)，基于人工采摘的半自動化果園作業(yè)平臺將得到優(yōu)先發(fā)展。果園采摘平臺的核心裝置是將人工摘下的蘋果進(jìn)行傳送、匯集裝箱，以提高生產(chǎn)效率[5]。但是，在機(jī)械傳輸過程中，碰撞、跌落、滾動會對蘋果造成一定的損傷，影響作業(yè)質(zhì)量[6]，因此研究蘋果傳送裝箱機(jī)構(gòu)顯得尤為重要。

國外在1983年研制了首臺采摘機(jī)器人，其后日本、法國、荷蘭等國相繼研發(fā)了多種具有機(jī)器視覺技術(shù)和人工智能的采摘機(jī)器人[7-13]。但是，目前的采摘機(jī)器人研究仍然無法克服機(jī)器人采摘效率低下、識別率低、成本高昂的短板，因而目前果園應(yīng)用型的作業(yè)設(shè)備多以半自動機(jī)械平臺為主[11，14]。國內(nèi)許多科研院校通過跟蹤國外先進(jìn)技術(shù)和自主創(chuàng)新，取得了一定的突破，但總體均處于試驗研究階段，投入果園實際生產(chǎn)仍然需要解決很多問題[15-19]。

國外的采摘機(jī)器人成本高、采摘效率低下；國內(nèi)的果園作業(yè)平臺基本不能實現(xiàn)蘋果的自動傳送裝箱。因此，本文根據(jù)矮砧密植果園的園藝種植特點設(shè)計了一種適用于采摘平臺上的傳送裝箱系統(tǒng)，為果園采摘平臺的研究提供參考。

1 基本機(jī)構(gòu)與工作原理

1.1 機(jī)構(gòu)組成

采摘平臺傳送裝置主要由定傳送裝置、動傳送裝置、氣缸、裝箱機(jī)架、彈簧和箱子組成，如圖1所示。其中，箱子采用適用于果園采收作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化果箱。

1.定傳送裝置 2.動傳送裝置 3.箱子 4.裝箱機(jī)架 5.彈簧 6.氣缸圖1 采摘平臺傳送裝箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of conveying and packing box system

1.2 工作原理

調(diào)速電機(jī)帶動傳送帶工作，傳送帶上有柔性擋板，傳送架邊上有鋁制擋板，防止蘋果滾落傳送架；動傳送裝置工作面加有柔性蓋板，防止蘋果向下傳送時脫離傳送帶；時間繼電器和電磁閥自動控制氣缸的伸縮，然后控制動輸送裝置做循環(huán)往復(fù)擺動，使蘋果落入箱子內(nèi)底面的各個位置，不形成錐狀堆積，減少了蘋果在箱子中滾動碰撞。箱子置于箱架上，箱架由特定的彈簧牽拉，并隨箱子中蘋果質(zhì)量的增大豎直向下移動，使蘋果從傳送帶末端到箱子中的落差基本保持不變，減小了蘋果的跌落碰撞損傷。果園采摘平臺傳送裝箱系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)如表1所示。

表1 果園采摘平臺傳送裝箱系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)Table 1 Structural and working parameters conveying and packing system

2 主要部件設(shè)計

2.1 傳送裝置

2.1.1 結(jié)構(gòu)

傳送裝置的作用是將采摘者收獲的蘋果傳送到箱子中，主要由輸送帶、電機(jī)、邊框、擋板、蓋板和氣缸組成，如圖2所示。根據(jù)實際需求設(shè)定，定傳送裝置長200cm，動傳送裝置長90cm，動傳送裝置由氣缸推動做循環(huán)往復(fù)擺動；整個傳送裝置用一條輸送帶，確保蘋果輸送過程中沒有卡頓現(xiàn)象，根據(jù)箱子尺寸和蘋果大小，設(shè)定傳送帶寬度為80cm，傳送帶上柔性擋板間距30cm,柔性擋板高度為5cm；邊框上的鋁制擋板高6cm，動輸送裝置上的柔性蓋板確保蘋果輸送過程中不脫離輸送帶。

2.1.2 傳送裝置擺動控制系統(tǒng)

傳送裝置的擺動控制系統(tǒng)主要由空壓機(jī)、單向止回閥、減壓閥、電磁閥、調(diào)速閥、氣缸及時間繼電器組成，控制原理如圖3所示。

1.輸送帶 2.電機(jī) 3.邊框 4.擋板 5.氣缸 6.蓋板圖2 傳送裝置機(jī)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of conveyor device

1.空壓機(jī) 2.單向止回閥 3.減壓閥 4.電磁閥 5.調(diào)速閥 6.氣缸 7.時間繼電器圖3 氣壓控制原理圖Fig.3 Diagram of air pressure control

2.2 裝箱機(jī)架

2.2.1 結(jié)構(gòu)

裝箱機(jī)架是承載箱子及蘋果質(zhì)量的裝置，主要由叉架、門架、滑槽、繩輪組、鋼繩、彈簧及底座組成，如圖4所示。

根據(jù)果箱尺寸，設(shè)定叉架水平方向長度為1.2m，滑槽高度為1.2m。彈簧和箱架通過傳動比為1∶2的繩輪組連接，與彈簧相連的鋼繩繞在較小的繩輪上，與門架相連的鋼繩繞在較大的繩輪上。

1.叉架 2.門架 3.滑槽 4.鋼繩 5.繩輪 6.彈簧 7.底座圖4 裝箱機(jī)架結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure diagram of frame of packing box

2.2.2 彈簧選型

由傳動比和物理特性關(guān)系可得

FN=2G

(1)

2ΔL=Δh

(2)

G=ρ·V·g

(3)

V=S·h

(4)

(5)

式中FN—彈簧彈力變化量(N)；

G—箱子中所裝蘋果質(zhì)量(N)；

ΔL—彈簧形變量(m)；

Δh—箱子中所裝蘋果高度(m)；

ρ—蘋果裝箱的容積密度(kg/m3)；

V—箱子中所裝蘋果體積(m3)；

K—彈簧彈性系數(shù)。

所用箱子底面積為1.276 9m2，蘋果的容積密度為544～608kg/m3[20]，這里取580kg/m3，則彈簧彈性系數(shù)K=29.032N/mm。由于采用兩個彈簧并聯(lián)，所以每個彈簧彈性系數(shù)為14.516N/mm。由果箱的最大裝箱高度0.6m，得彈簧極限形變量需大于0.3m。

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗條件與裝置

試驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心進(jìn)行，選用紅富士蘋果，直徑大小為70～90mm。

試驗所用儀器與設(shè)備：游標(biāo)卡尺；DM6236P智能轉(zhuǎn)速表，深圳市勝利高電子科技有限公司，測試范圍0.05～1 999.9m/min；秒表等。果園采摘平臺傳送裝箱機(jī)架樣機(jī)如圖5所示。

圖5 果園采摘平臺傳送裝箱機(jī)構(gòu)樣機(jī)Fig.5 Prototype of conveying and packing system on orchard picking platform

3.2 試驗設(shè)計與方法

表2 正交試驗因素水平Table 2 Factors and levels

試驗中選蘋果損傷率為試驗指標(biāo)，計算公式為

式中NS—蘋果破損、變軟等的個數(shù)(個)；

NZ—蘋果總數(shù)(個)。

3.3 試驗結(jié)果與分析

正交試驗各組試驗結(jié)果及對試驗指標(biāo)的極差分析如表3所示。

表3 試驗結(jié)果與分析Table 3 Test results and analysis

對蘋果損傷率的各因素水平進(jìn)行分析，A1B1C1為較優(yōu)組合。各考察因素的極差值越大，說明該因素對試驗指標(biāo)的影響越大[21]。由此確定了對蘋果損傷率影響順序為動傳送裝置擺動頻率、輸送效率、輸送帶線速度。

由表4方差分析結(jié)果可看出：動傳送裝置擺動頻率和輸送效率對蘋果損傷率影響極顯著(P<0.01)，輸送帶線速度對蘋果損傷率有顯著影響(0.01

表4 方差分析結(jié)果Table 4 Results of variance analysis

P<0.01(極顯著)，0.010.05 (不顯著)。

4 結(jié)論

1)根據(jù)矮砧密植果園的種植模式，設(shè)計了果園采摘平臺傳送裝箱系統(tǒng)，通過動傳送裝置的擺動系統(tǒng)和箱架的彈簧控制，可有效減少蘋果傳送裝箱過程中的碰撞損傷。

2)通過正交試驗確定了影響蘋果傳送裝箱系統(tǒng)的3個主次因素為動傳送裝置擺動頻率、輸送效率、輸送帶線速度；較優(yōu)組合為動傳送裝置擺動頻率0.1Hz、輸送效率3個/s、輸送帶線速度0.1m/s。在此條件下，蘋果傳送裝箱系統(tǒng)適配的果園采摘平臺的采摘效率為10 800個。