蔬菜實時全自動捆扎裝置研究

黎凱 劉慧 王碩 蔡宇 王小紅 姬長英

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高，我國蔬菜的需求量日漸增加，蔬菜種植面積不斷擴大。目前，蔬菜種植收割過程基本實現(xiàn)機械化、自動化，但蔬菜捆扎裝置多為半自動機械，工作效率低，生產(chǎn)成本高。因此，研發(fā)蔬菜實時全自動捆扎裝置對提高我國農(nóng)業(yè)機械化水平具有重大意義[1]。

1 技術(shù)研究現(xiàn)狀

捆扎機械廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、食品工業(yè)、交通運輸業(yè)等，為現(xiàn)代工業(yè)社會不可缺少的設(shè)備。隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)生產(chǎn)的捆扎機械在生產(chǎn)工藝、整機性能等方面都有了很大的提高，但與國外捆扎機械生產(chǎn)技術(shù)水平相比還存在差距，主要表現(xiàn)為品種單一，生產(chǎn)能力低，無法滿足一些特殊行業(yè)的需要?，F(xiàn)有的捆扎機械基本上是獨立工作的，在蔬菜收割后，需要人工操作捆扎，并通過人工將捆扎好的蔬菜輸送至蔬菜收容器。此過程為半自動收割捆扎過程，耗費人工成本，且作業(yè)效率低。

為彌補傳統(tǒng)蔬菜收割捆扎技術(shù)中的不足，本文擬設(shè)計一款加裝在蔬菜收割機上的軌道常開可閉合式捆扎裝置。此捆扎裝置與條形蔬菜收割機配合使用，可實現(xiàn)芹菜、韭菜等條形蔬菜收割捆扎一體化。

2 捆扎裝置設(shè)計

2.1 設(shè)計要求與設(shè)計目標(biāo)

2.1.1 設(shè)計要求

此捆扎裝置安裝于蔬菜收割機傳送帶上方，與蔬菜收割機配合使用。當(dāng)收割的蔬菜經(jīng)傳送帶傳送至捆扎軌道內(nèi)部區(qū)域時，蔬菜觸發(fā)感應(yīng)裝置，捆扎軌道閉合，送帶退帶傳動裝置工作。捆扎完成后蔬菜垂直掉落于存儲裝置，感應(yīng)系統(tǒng)失去感應(yīng)，使軌道閉合的電路斷開，軌道重回常開可閉合狀態(tài)。收割機收割量巨大，傳送帶設(shè)有間隔，以保證蔬菜成捆進(jìn)入捆扎機?；诶υb置特殊的工作環(huán)境，提出以下要求：

1）蔬菜捆扎裝置采用寬12 mm、厚0.5～0.9 mm的塑料OPP帶，收緊力度為10～50 N，以保證蔬菜捆扎完整、不易受損，且運輸過程中不易松散。

2）整機外形尺寸（長×寬×高）為460 mm×260 mm×380 mm；軌道閉合速度為1 s/次；捆扎速度為1.5 s/次，工作功率為330 W，以保證捆扎裝置的工作效率。

3）為保證蔬菜捆扎后掉落于存儲裝置，捆扎裝置軌道應(yīng)平行于地面放置在收割機上。

2.1.2 設(shè)計目標(biāo)

擬設(shè)計一種用于蔬菜收割捆扎一體機上的捆扎裝置，以實現(xiàn)收割、捆扎的一體化，降低蔬菜收割捆扎的人工成本，提高工作效率。此捆扎裝置在現(xiàn)有捆扎機的基礎(chǔ)上，將捆扎軌道改裝為常開可閉合式軌道，并完成電路控制設(shè)計。

2.2 張緊力的確認(rèn)

以芹菜為例，研究蔬菜在蠕變實驗中應(yīng)變、應(yīng)力隨時間變化的關(guān)系，為捆扎裝置的研究提供理論基礎(chǔ)。

2.2.1 研究對象

當(dāng)季香芹。

2.2.2 實驗儀器

質(zhì)構(gòu)儀。

2.2.3 材料處理

將芹菜捆制成長20 cm、橫截面周長18 cm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，取距根部10 cm 處作為受力點。

2.2.4 實驗過程

將處理好的實驗材料放置于實驗臺上，使用壓縮探頭將儀器歸零，加載速度設(shè)置為30 mm/min,恒定載荷設(shè)置為10 N，實驗時間設(shè)置為7 200 s。當(dāng)試樣剛開始受到10 N 的載荷時，每隔一秒采集一個形變量，共采集10 個數(shù)據(jù)，此后每隔80 秒采集一個數(shù)據(jù),約采集90 個數(shù)據(jù)，直至實驗結(jié)束。

2.2.5 數(shù)據(jù)處理

用載荷達(dá)到10 N、應(yīng)力達(dá)到1 762 Pa 時的試驗結(jié)果來建立蠕變模型。采用三參數(shù)模型來擬合芹菜的蠕變模型。由三參數(shù)模型可導(dǎo)出蠕變方程[2]

式中：σ——應(yīng)力，Pa；

X——應(yīng)變,%；

E1——三參數(shù)模型中彈簧1 的彈性系數(shù)；

E2——三參數(shù)模型中彈簧2 的彈性系數(shù)；

f——材料的特征時間參數(shù),s；

t——時間,s。

當(dāng)t=0 時，X0=11.33%。

當(dāng)t=∞ 時，X∞=19.28%。

計算得E1=22 163.52，E2=15 551.63。

當(dāng)t=3 600 s 時，X3600=17.54%。

計算得f=2 369.53。

芹菜的蠕變模型如圖1 所示。

為檢驗?zāi)Ｐ偷臄M合效果，將測量值與計算值進(jìn)行對比（見圖2）。

經(jīng)檢驗，t=3 600 s 時，理論值與測量值誤差最小。將該模型與應(yīng)力為882 Pa 和應(yīng)力為2 646 Pa 的兩組蠕變試驗的結(jié)果進(jìn)行對比，誤差均在5%以內(nèi)，說明該模型擬合效果良好。

圖1 芹菜的蠕變模型

圖2 測量值與計算值的對比

上述實驗表明，捆扎裝置的張緊力范圍最好在10～50 N 之間，以保證在降低蔬菜損傷度的同時實現(xiàn)蔬菜流通過程中不松散。

2.3 常開可閉合軌道的研究

2.3.1 常開可閉合軌道的設(shè)計方案

常開可閉合軌道的設(shè)計應(yīng)實現(xiàn)定角度轉(zhuǎn)動，并且保證軌道平滑，響應(yīng)速度快，可靠性強?；谝陨瞎ぷ饕螅疚臄M采用小型化、高精度的嵌入式電動舵機實現(xiàn)對軌道的旋轉(zhuǎn)控制。電動舵機[3]是控制轉(zhuǎn)動的一個執(zhí)行部件，帶有輸出軸，工作時采用直流脈沖信號，可以通過調(diào)整周期信號的占空比實現(xiàn)對舵機旋轉(zhuǎn)角度的控制。為適用于此捆扎裝置，將單邊舵機旋轉(zhuǎn)角度設(shè)定為30°，以半圓形轉(zhuǎn)動軸體作為舵機的外艙體。

圖3 為常開可閉合式軌道示意圖。此軌道半徑為300 mm，單邊軌道的常開角度為30°，以實現(xiàn)條形蔬菜順利進(jìn)入。為實現(xiàn)平滑進(jìn)帶，半圓形轉(zhuǎn)動軸體與走帶軌道架為一整體，內(nèi)部開有的走帶槽與半邊軌道走帶槽為一整體，且在捆扎裝置內(nèi)部焊接一進(jìn)帶槽，此進(jìn)帶槽在軌道張開時與走帶軌道槽底部成30°夾角，當(dāng)軌道轉(zhuǎn)動閉合時，進(jìn)帶槽與走帶軌道槽底部的夾角為0°，從而實現(xiàn)平滑聯(lián)接。

圖3 常開可閉合式軌道示意圖

2.3.2 走帶系統(tǒng)與常開可閉合軌道配合的工作過程

走帶系統(tǒng)是捆扎裝置重要的組成部分之一。本文設(shè)計的捆扎裝置中的走帶系統(tǒng)主要由送退帶裝置、熱熔裝置、夾壓剪切裝置組成（見圖4）。走帶系統(tǒng)將蔬菜捆緊，以增加包裝強度，減少散開的損失。常開可閉合式軌道在走帶系統(tǒng)的幫助下完成對收獲作物的捆扎。走帶系統(tǒng)的主要工作流程為：蔬菜定位→送帶收緊→剪切熱熔。

1）蔬菜定位。在蔬菜到達(dá)捆扎裝置之前，軌道為張開狀態(tài)，可接納在收割機上運行的蔬菜順利進(jìn)入軌道工作空間內(nèi)。當(dāng)安裝于裝置前端的光電傳感器感應(yīng)到蔬菜時，軌道在電路系統(tǒng)的控制下閉合，構(gòu)成平滑的送帶軌道。

圖4 走帶系統(tǒng)示意圖

2）送帶收緊[4]。軌道閉合后，捆扎裝置進(jìn)入工作狀態(tài)，皮帶輪逆時針旋轉(zhuǎn)，通過與皮帶輪的摩擦力將皮帶收緊，直到皮帶端接觸制動器的微動開關(guān)為止。在收到傳感器的指令后，捆扎裝置將捆扎帶收緊，右爪上升緊壓住帶頭，隨后送帶輪順時針旋轉(zhuǎn)，捆扎帶沿軌道退回，同時約束捆扎帶位置的葉片隨捆扎帶退出的拉力打開，捆扎帶從捆扎軌道中下落至蔬菜表面，隨后張緊臂向下轉(zhuǎn)動，捆扎帶繼續(xù)退回，直至緊貼于蔬菜表面，呈拉緊狀態(tài)。當(dāng)捆扎帶對蔬菜的壓力達(dá)到預(yù)先設(shè)定好的壓力值時，完成收緊過程。

3）搭接退帶[5]。在完成對蔬菜的收緊捆繞后，為了使蔬菜在流通過程中不松散，就必須將捆扎帶的兩端牢固連接，讓左爪上升至捆扎帶表面，壓住兩層捆扎帶使其保持緊密接觸狀態(tài)。此時，隔離塊退出，燙頭塊跟進(jìn)。燙頭塊將膠帶兩端加熱到熔融狀態(tài)，用于粘接，壓力塊上升壓斷膠帶。燙融結(jié)束后回到起始位置。壓力塊繼續(xù)上升，使兩層加熱后的包層兩端緊密結(jié)合。至此，走帶系統(tǒng)已完成對蔬菜的一周期捆扎工作，軌道重回常開狀態(tài)。

走帶系統(tǒng)與常開可閉合軌道配合的工作過程如圖5 所示。

2.4 光電感應(yīng)及電路控制

2.4.1 光電感應(yīng)

該捆扎裝置采用歐姆龍光電傳感器[6]。傳感器由發(fā)射機、接收機和檢測電路組成，通過將光束的變化轉(zhuǎn)化為電信號的變化，實現(xiàn)控制功能。歐姆龍光電傳感器能檢測各種形狀及材料的物體，實現(xiàn)非接觸檢測，減少蔬菜受損度，響應(yīng)速度快，適用于此捆扎裝置。

圖5 走帶系統(tǒng)與常開可閉合軌道配合的工作過程

2.4.2 電路控制

控制電路由雙單片機系統(tǒng)控制模塊、光電感應(yīng)器模塊、舵機控制模塊、捆扎電動機控制模塊、送退帶控制模塊、聲音提示模塊和電源模塊組成。

系統(tǒng)控制模塊由AT89S52 單片機組成。AT89S52 是一種低功耗、高性能的CMOS 8 位單片機，工作時，啟動電源，開關(guān)閉合，由單片機控制整個過程。光電感應(yīng)器模塊是一種漫反射式光電開關(guān)，由發(fā)射機、接收機和檢測電路組成。當(dāng)檢測對象通過時，它會擋住光并將光反射回來。光接收器接收光信號，經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸出一個開關(guān)信號給單片機芯片。芯片由大量的晶體管組成，晶體管分開、關(guān)兩種狀態(tài)，在電路傳輸數(shù)據(jù)中兩種狀態(tài)分別使用1、0 來表示，然后通過1 和0 來傳遞信號，傳輸數(shù)據(jù)。芯片在通電之后會產(chǎn)生一個啟動指令，所有的晶體管就會開始傳輸數(shù)據(jù)，將特定的指令和數(shù)據(jù)輸出。芯片對數(shù)字信號進(jìn)行處理分析，進(jìn)而輸出指令通過接口電路傳輸?shù)杰壍篱]合調(diào)節(jié)機構(gòu)，完成軌道閉合。軌道閉合后主控制芯片AT89S52 繼續(xù)輸出信號，通過接口電路傳輸?shù)捷o控制芯片AT89C52，進(jìn)行信號處理分析。輸出信號通過接口電路傳輸?shù)剿屯藥Юυ鷻C構(gòu)裝置，實現(xiàn)送帶捆扎。捆扎完成后，輸出信號反饋給輔控制芯片AT89S52，繼續(xù)對送退帶裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)退帶。退帶完成后，輔控制芯片將信號反饋給主控制芯片，進(jìn)而對舵機執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)軌道張開。由此完成一個周期的捆扎工作。

3 仿真分析

3.1 模型制作

基于對常開可閉合式捆扎裝置的設(shè)計，建立三維模型（見圖6）。三維模型考慮了機械結(jié)構(gòu)的工作原理，以確保模型可以符合機器設(shè)計的相關(guān)原則,可以應(yīng)用于實際工作。

圖6 捆扎裝置三維模型

3.2 仿真分析

將捆扎裝置三維模型導(dǎo)入到仿真軟件中，對捆扎裝置的實際工作場景進(jìn)行模擬工作，采用ADAMS 仿真軟件對捆扎裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。最后對捆扎裝置的機械設(shè)計部分進(jìn)行了運動學(xué)仿真，仿真結(jié)果表明：運動無干涉現(xiàn)象，裝置滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

此捆扎裝置的創(chuàng)新之處為在現(xiàn)有捆扎裝置的基礎(chǔ)上，將全閉合性捆扎軌道改裝為常開可閉合性軌道，并改裝電路控制系統(tǒng)，實現(xiàn)蔬菜定位、軌道閉合、送帶扎緊以及軌道張開的一周期工作過程。仿真結(jié)果表明，此捆扎裝置滿足設(shè)計要求，可與蔬菜收割裝置相配合，實現(xiàn)收割捆扎一體化，提高工作效率，降低人工成本。