可充電便攜式水果采摘機(jī)的設(shè)計(jì)

陳艷 田克耘

摘要? ? 針對(duì)當(dāng)前我國(guó)果園采摘作業(yè)效率低、勞動(dòng)量大、機(jī)械化程度低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可充電便攜式水果采摘機(jī)。該采摘機(jī)利用點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)性剪切運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)果柄剪切，具有質(zhì)量小、成本低廉、操作簡(jiǎn)單、人工勞動(dòng)量低、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞? ? 采摘機(jī);連桿機(jī)構(gòu);便攜式;設(shè)計(jì)原理

中圖分類號(hào)? ? S225? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A? ? ? ? 文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）10-0129-02

1? ? 水果采摘作業(yè)現(xiàn)狀

水果采摘作業(yè)所用勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所用勞動(dòng)力的33%～50%，采摘作業(yè)較為復(fù)雜，季節(jié)性較強(qiáng)[1]，若使用傳統(tǒng)采摘機(jī)器，不僅易對(duì)水果造成破壞，而且工作效率低，而現(xiàn)代大型采摘機(jī)器（圖1）成本昂貴，通常果農(nóng)也不予考慮[2]。目前，國(guó)內(nèi)主要基于人工手持剪刀進(jìn)行采摘（圖2），采摘效率低下，很大程度上浪費(fèi)了勞動(dòng)力。

2? ? 設(shè)計(jì)總體構(gòu)思

2.1? ? 設(shè)計(jì)目標(biāo)

旨在設(shè)計(jì)一種可充電便攜式水果采摘機(jī)，能夠降低手工握力剪枝和現(xiàn)有機(jī)器附蓄電池等局限性，同時(shí)提高對(duì)操作手臂的安全保護(hù)性能，實(shí)現(xiàn)低成本高質(zhì)量的采摘功能。

2.2? ? 方案描述

本設(shè)計(jì)主要采用連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)采摘剪枝動(dòng)作，具體是由電機(jī)作為動(dòng)力源，帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，滑塊帶動(dòng)四連桿實(shí)現(xiàn)將直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為搖桿旋轉(zhuǎn)剪切，從而完成水果采摘工作。

爪式或切割式采摘手容易損傷果皮，導(dǎo)致采摘質(zhì)量下降;而便攜式采摘機(jī)通過(guò)人工單手握持采摘，不易破壞果皮，且在采摘過(guò)程中不易造成果實(shí)掉落[2]。采摘過(guò)程中，通過(guò)一鍵按鈕實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)保護(hù)與整機(jī)聯(lián)動(dòng)，操作簡(jiǎn)便。

3? ? 詳細(xì)設(shè)計(jì)與制作

3.1? ? 總體結(jié)構(gòu)

便攜式水果采摘機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括電控部分、機(jī)械聯(lián)動(dòng)部分。電控部分包括充放電電路板、控制開(kāi)關(guān)等。機(jī)械聯(lián)動(dòng)部分包括曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)。

3.2? ? 工作原理

3.2.1? ? 電控部分。使用時(shí)先將可充電電路板上的電源保護(hù)開(kāi)關(guān)打開(kāi)（電源保護(hù)開(kāi)關(guān)可以在本產(chǎn)品停止工作30 s后自動(dòng)斷電，減小電流損耗，可充電電路板上配有指示燈供電量顯示），使可充電電路板輸入電流，電池輸出電壓是3.7 V，經(jīng)可充電電路板轉(zhuǎn)換為5 V，可充電電路板輸出至升壓模塊，將 5 V電壓升為12 V供電動(dòng)機(jī)使用。

3.2.2? ? 機(jī)械聯(lián)動(dòng)部分。當(dāng)按下點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，電動(dòng)機(jī)通電正常工作，并帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的曲柄做圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿將運(yùn)動(dòng)傳遞給滑塊，使滑塊在導(dǎo)軌上做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)滑塊上的銷軸與四連桿機(jī)構(gòu)相連，帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，借助弧形槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡約束，將滑塊直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)前端刀頭鉸接位置處進(jìn)行支撐，從而實(shí)現(xiàn)剪刀做剪枝伸張運(yùn)動(dòng)。

3.3? ? 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

電機(jī)轉(zhuǎn)速60 r/min，采摘水果規(guī)格0.25～0.30 kg，整機(jī)長(zhǎng)度210 mm，整機(jī)寬度88 mm，整機(jī)高度24 mm，整機(jī)質(zhì)量<1 kg，采摘量約20個(gè)/min，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度0.019 m/s，運(yùn)行功率 62.8 W。

3.4? ? 主要部件設(shè)計(jì)

采摘裝置在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮質(zhì)量輕、穩(wěn)定性強(qiáng)、方便采摘、易于拆卸更換?；谏鲜隹紤]，整機(jī)材料選用有機(jī)玻璃。中間鏤空的設(shè)計(jì)可以減輕整個(gè)裝置的自重，易于握持，方便拆卸更換。機(jī)械傳動(dòng)裝置最初采用有機(jī)玻璃，但在實(shí)際操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電機(jī)所連桿件因力臂過(guò)短，材料強(qiáng)度不夠而難以帶動(dòng)前端桿件運(yùn)動(dòng)，故該連桿采用鍍鉻碳鋼，可更好地傳遞剪切力。在刀刃設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用弧線刃口。與直線刃口相比，弧線刃口刀具在剪切過(guò)程中，不論枝莖粗細(xì)以及果枝在刃口的位置，都具有較大的滑切角，利于切削。在滑塊導(dǎo)軌設(shè)計(jì)中，四連桿與滑塊通過(guò)鉸鏈連接，分別在弧形槽和直槽中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)剪切[3-4]。樣機(jī)三維模型圖見(jiàn)圖4，實(shí)物圖如圖5所示。

4? ? 結(jié)論

可充電便捷式水果采摘機(jī)利用機(jī)電一體化，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)剪刀自動(dòng)剪枝，克服手工握力剪枝和現(xiàn)有市場(chǎng)上剪枝器攜帶大型蓄電池的局限性，具有操作簡(jiǎn)單、方便攜帶、采摘過(guò)程中保護(hù)果實(shí)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，裝置具有如下特點(diǎn)：①利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可靠的機(jī)械式剪切方案;②利用現(xiàn)有圓弧刀刃進(jìn)行有效剪切，自適應(yīng)果枝大小，工作穩(wěn)定;③采用鋰離子聚合物可充電電池，體積小重量輕，放置于剪刀握柄處，有效地提高了空間利用率，突破了現(xiàn)有電動(dòng)剪刀需另配大型蓄電池的局限性;④剪刀刀頭以及充電電池具有可更換性，本體結(jié)構(gòu)使用壽命長(zhǎng);⑤環(huán)保、無(wú)污染;⑥與傳統(tǒng)手動(dòng)剪刀相比，有效保護(hù)操作者手臂，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，性價(jià)比高，實(shí)用性高。該裝置適用于小型果園，成本低、體積小、實(shí)用性強(qiáng)、應(yīng)用面廣，可實(shí)現(xiàn)提高采摘效率、降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度等目的，值得推廣應(yīng)用。

5? ? 參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介? ?陳艷（1989-），男，湖北荊州人，助教。研究方向：起重運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)制造。

收稿日期? ?2019-02-19