便攜式多用水果采摘器的設(shè)計(jì)與研究

陳 聰，錢 茹，尤蒙翔，曹可煒

（東南大學(xué)成賢學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著前往果園、農(nóng)家樂(lè)休閑娛樂(lè)人數(shù)的不斷增加，水果摘桿開發(fā)具有廣闊的經(jīng)濟(jì)利益和市場(chǎng)前景[1]。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)常見的采摘設(shè)備，多使用拉拽采摘設(shè)備，采摘桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用效果差，對(duì)樹木破壞嚴(yán)重，而在棚內(nèi)的中低果樹采摘工具仍留在徒手摘或剪刀摘，容易損壞果樹。本文設(shè)計(jì)了一款安全可靠操作簡(jiǎn)單的水果采摘裝器，旨在解決采摘過(guò)程中不破壞、無(wú)接觸等問(wèn)題，其中刀頭是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

1 水果采摘桿結(jié)構(gòu)

便攜式水果采摘器主要包括旋轉(zhuǎn)刀頭、驅(qū)動(dòng)齒輪、電機(jī)、伸縮桿體和月牙形的驅(qū)動(dòng)部件，如圖1所示。刀片和月牙形驅(qū)動(dòng)部件安裝在收納筒的頂端，果實(shí)收納筒與伸縮桿相連接。旋轉(zhuǎn)刀頭由5個(gè)形狀相同大小一致的鳶尾形刀片組成，刀片閉合形成一個(gè)正圓。刀頭驅(qū)動(dòng)部件共有5個(gè)，月牙形連桿結(jié)構(gòu)相同。收果筒內(nèi)裝有電機(jī)、開關(guān)、小齒輪，旋轉(zhuǎn)刀頭恢復(fù)張開，伸縮桿由底部電機(jī)控制伸縮。

2 旋轉(zhuǎn)刀頭結(jié)構(gòu)及組成

圖1 便攜式水果采摘器結(jié)構(gòu)

采摘過(guò)程需對(duì)果柄以上部分進(jìn)行機(jī)械斷裂處理，本設(shè)計(jì)選擇將果柄從果實(shí)中分離出來(lái)，并保留一定長(zhǎng)度的果柄于果實(shí)上[2]。末端執(zhí)行器的采摘結(jié)構(gòu)如圖2所示。選擇五片環(huán)形刀片與攝像頭光圈類似排列的方式，對(duì)果柄進(jìn)行剪切處理，選擇適合的連桿機(jī)構(gòu)設(shè)置末端動(dòng)作方式，以人力為動(dòng)力源，提升游客的采摘趣味性。該旋轉(zhuǎn)刀頭對(duì)剪枝采果起著決定性的作用。5枚鳶尾花形刀片的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于鳶尾花花瓣的形狀和相機(jī)光圈，應(yīng)用UG NX軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)三維模型設(shè)計(jì)。旋轉(zhuǎn)刀頭包含固定環(huán)，5個(gè)刀片，5個(gè)月牙形驅(qū)動(dòng)連桿，連桿驅(qū)動(dòng)槽，限位銷和定位環(huán)。定位環(huán)上有5個(gè)孔，便于減小摩擦。定位環(huán)底部固定于存果筒筒口，定位環(huán)外有驅(qū)動(dòng)齒輪，5個(gè)月牙形驅(qū)動(dòng)連桿的一側(cè)固定在定位環(huán)上部，月牙形驅(qū)動(dòng)連桿另一側(cè)用定位銷連接刀片前根，刀片后根定位于固定環(huán)上，固定環(huán)固定于存果筒上部。5片大小相同的刀片閉合后形成一個(gè)圓，可以剪斷果枝。

圖2 旋轉(zhuǎn)刀頭結(jié)構(gòu)

3 采摘桿工作原理

采摘桿旋轉(zhuǎn)刀頭中心圓部分對(duì)齊果實(shí)并將果實(shí)容納其中，按壓電動(dòng)機(jī)開關(guān)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)月牙形連桿搖擺運(yùn)動(dòng)，連桿驅(qū)動(dòng)刀片圖張緊進(jìn)行剪切果實(shí)樹枝干，目標(biāo)果實(shí)滾入果實(shí)收納筒后關(guān)閉電動(dòng)機(jī)，將采摘桿倒置可將果實(shí)取出。當(dāng)目標(biāo)果實(shí)高度不一可按壓伸縮桿開關(guān)，重新調(diào)整伸縮桿長(zhǎng)度進(jìn)行定位和繼續(xù)采摘。

4 力學(xué)理論分析

水果采摘桿由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪驅(qū)動(dòng)連桿帶動(dòng)刀片進(jìn)行張閉運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切割剪斷果枝。果樹枝干所受切應(yīng)力τ為：

式中：Ft為剪切力；As為果樹枝干截面面積。

由于果樹枝干橫截面近似正圓，則截面積As為：

式中：R為果樹枝干截面半徑。

式中：M為轉(zhuǎn)矩，L為切割點(diǎn)到連桿端的距離。

5 伸縮桿及電機(jī)參數(shù)

考慮到電源的供應(yīng)方便性，依靠電池提供動(dòng)力，決定采用直流電機(jī)作為電源的選擇。考慮到采摘水果對(duì)轉(zhuǎn)速，扭矩等要求較低，采摘果實(shí)實(shí)際情況與戶外采摘工況相結(jié)合，選擇了XD-37GB520減速機(jī)機(jī)型。伸縮桿的電機(jī)參數(shù)是：電壓為12 V，伸縮速度為15 mm/s，電流為0.6～2 A，推力為1 000 N。

6 運(yùn)動(dòng)仿真分析

UG NX是三維建模和仿真等于一體的制圖軟件[3]。本文應(yīng)用軟件選定連桿，添加運(yùn)動(dòng)副，選定驅(qū)動(dòng)組件，進(jìn)行刀片開合運(yùn)動(dòng)仿真，并選定簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)方式。采摘桿刀頭組件移動(dòng)的位移大小以及刀片伸縮速度對(duì)采摘安全性以及效率有很大的影響?；谲浖玫饺鐖D3—4所示的速度與時(shí)間仿真圖像，連桿位移與時(shí)間仿真圖像。結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)刀頭可以按照確定的路線運(yùn)動(dòng)，并且安全可靠。

圖3 刀片速度與時(shí)間圖像

圖4 連桿位移和時(shí)間圖像

7 結(jié)語(yǔ)

該采摘桿通過(guò)對(duì)現(xiàn)有采摘桿進(jìn)行改進(jìn)，針對(duì)現(xiàn)在農(nóng)家樂(lè)大棚采摘的興起，設(shè)計(jì)的一款面向無(wú)采摘經(jīng)驗(yàn)人群使用的實(shí)用型采摘器。該水果采摘桿加工成本低，適用于采摘不同規(guī)格大小果蔬，旋轉(zhuǎn)刀頭設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)剪斷枝干，使用安全可靠。