一種小型水果分揀裝置的設(shè)計及仿真研究

邱顯焱 郭士超 雷磊

【摘? 要】針對我國水果種植行業(yè)中大多為小農(nóng)戶型的特點，論文研制了一款可搬運、操作簡單的全自動水果分揀小型化設(shè)備，可減輕分揀的勞動量，提高分揀的準(zhǔn)確度。論文主要對全自動水果分揀裝置的整體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，包括水果自動上料裝置、穩(wěn)定傳輸?shù)妮斔脱b置、分揀執(zhí)行裝置以及機架等。本設(shè)計可讓果農(nóng)提高工作效率和經(jīng)濟效益，具有一定的市場競爭力。

【Abstract】In view of the characteristics that most of the fruit planting industry in China belong to the type of small farmers， this paper develops a full- automatic fruit sorting miniaturized equipment that can be transported and operated easily， which can reduce the amount of sorting labor and improve the accuracy of sorting. This paper mainly designs the overall structure of the full-automatic fruit sorting device， including automatic fruit feeding device， conveying device for stable transmission， sorting execution device and frame. The design can enable fruit farmers to improve work efficiency and economic benefits， and has a certain market competitiveness.

【關(guān)鍵詞】水果分揀裝置;小型化設(shè)備;結(jié)構(gòu)設(shè)計;仿真分析

【Keywords】fruit sorting device; miniaturized equipment; structural design; simulation analysis

【中圖分類號】TS255.35? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）10-0182-03

1 引言

目前，對于水果外觀品質(zhì)檢測并分揀的技術(shù)研究和設(shè)備研制以及投入使用已得到極大的發(fā)展，對于減輕果農(nóng)看果辨識果質(zhì)的勞動強度具有重要意義，同時，提升了我國水果產(chǎn)后處理能力和水果生產(chǎn)的整體國際競爭力。本文設(shè)計了一種全自動小型水果分揀裝置，適用于國內(nèi)小農(nóng)戶型果農(nóng)，可減輕工作量并且操作簡單、便于搬運，也使得這種小型化設(shè)備在市場上具有競爭力。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的小型水果分揀裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。將水果放入送料裝置，裝置將水果自動推入傳輸裝置，傳送到設(shè)備的檢測區(qū)域。經(jīng)過近紅外光譜檢測后，給出信號指令到分揀執(zhí)行裝置，實現(xiàn)對水果的分揀，最后將水果送往分揀箱當(dāng)中。本設(shè)備運行1min能夠分揀20～30個水果。

3 上料裝置設(shè)計

針對水果的大小和特性，本文設(shè)計了一種水果自動上料裝置、穩(wěn)定傳輸?shù)妮斔脱b置和分揀執(zhí)行裝置，并利用現(xiàn)有檢測技術(shù)的要求結(jié)合設(shè)備、控制系統(tǒng)實現(xiàn)快速、無損害、高效地進行水果等級分揀，并且在上料、輸送和分揀的過程當(dāng)中盡量避免水果的磕碰、擦傷、翻滾等損傷，因此，適當(dāng)添加了一些柔性好、能起緩沖作用的材料，同時，保證設(shè)備的平穩(wěn)運行。

上料裝置的工作流程是將水果倒往漏斗當(dāng)中，水果沿漏口掉落到軌道并滾到推料的位置，推料裝置啟動舵機，驅(qū)動推板將水果推往托盤中。將輸料槽當(dāng)中的水果推向托盤當(dāng)中，本文選用了曲柄滑塊機構(gòu)進行送料。設(shè)定較大的水果直徑為90mm，半徑為45mm，要求曲柄滑塊機構(gòu)的行程要比水果的半徑略大，設(shè)為60mm。根據(jù)計算得出曲柄和搖桿的尺寸，尺寸如圖2所示。本文的動力元件采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)的DG-995 15kg扭矩的進口數(shù)字舵機，控制部分由單片機單獨控制，通過三維建模設(shè)計出的自動上料裝置的模型圖如圖3所示。

4 托盤及底座設(shè)計

該分揀裝置用于輸送的傳動裝置中運用托盤對水果在自動上料裝置進行裝載，并隨著傳送裝置沿導(dǎo)軌運動，經(jīng)過檢測區(qū)域，再到分揀執(zhí)行裝置區(qū)域，由分揀執(zhí)行裝置對托盤中的水果進行卸載。為完成該卸載動作，托盤采用平開合頁鉸鏈方式進行側(cè)翻傾倒的任務(wù)。并且根據(jù)實際情況，卸載水果時要求鉸鏈可轉(zhuǎn)動的角度一般在30°～45°，防止角度過大導(dǎo)致托盤倒翻不能恢復(fù)到原來位置，也可以在托盤添加一塊配重塊，可在托盤傾倒后由于配重塊的原因恢復(fù)到原來位置。

對于底座的設(shè)計要結(jié)合導(dǎo)軌以及同步帶的選型尺寸進行設(shè)計，如圖4所示。由于是連接同步帶進行移動，存在半圓弧狀的移動路線，常規(guī)的直線面接觸導(dǎo)軌及滑塊并不適合，需要自行設(shè)計。對于這個托盤底座沿導(dǎo)軌的移動，采用一種類似軌道小車的設(shè)計，采用軸承滾動在導(dǎo)軌橫向滾動。因為軸承所承受的軸向和徑向載荷較小，選用S725 GB 292-94角接觸球軸承。并針對軸承與導(dǎo)軌的配合對托盤底座進行設(shè)計。如果采用2排雙輪，由于有半圓弧狀的路線軌道兩側(cè)輪轂間隙應(yīng)大于安裝時導(dǎo)軌的間隙，防止托盤在過半圓弧狀導(dǎo)軌時卡死，不僅增大間隙又會導(dǎo)致托盤在沿導(dǎo)軌移動過程中容易產(chǎn)生抖動現(xiàn)象。采用2排單輪，過半圓狀的導(dǎo)軌路線時不會產(chǎn)生卡死現(xiàn)象。但是前后易產(chǎn)生晃動，經(jīng)綜合考慮，在2排單輪的基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計。底座還應(yīng)該設(shè)計出與同步帶連接的槽型。根據(jù)需要適當(dāng)?shù)卦谕斜P上添加卸載水果的槽口，避免水果卡在托盤中不掉出，且槽口設(shè)計在鉸鏈的一側(cè)。

5 導(dǎo)軌及分揀執(zhí)行裝置設(shè)計

導(dǎo)軌的截面形狀根據(jù)托盤底座軸承位置進行設(shè)計。但是采用分段式安裝，由2個直線型和半圓弧型導(dǎo)軌，考慮到托盤底座的設(shè)計，不能直接將托盤與之先配合再安裝，將整個托盤安裝后才能放入導(dǎo)軌上。

曲柄滑塊機構(gòu)可以利用滑塊對托盤進行側(cè)推，而且豎向空間較大。曲柄滑塊搖桿機構(gòu)雖然也可以利用搖桿對托盤進行側(cè)推動作，由于設(shè)計的結(jié)構(gòu)原因（如圖5所示），有同步帶的阻擋，如采用曲柄滑塊搖桿機構(gòu)會導(dǎo)致?lián)u桿打到同步帶，有干涉而不能到達到托盤底面進行推動側(cè)翻。而正切機構(gòu)雖然可以實現(xiàn)，但是考慮到空間布局，需要設(shè)計一個長度很長的搖桿，按照已有的空間布局來看，放置的搖桿長度有限，可能達不到行程要求。

經(jīng)過考慮，在選定曲柄滑塊機構(gòu)的基礎(chǔ)上還要對曲柄滑塊機構(gòu)加以改進。對于曲柄來說，由于是豎直方向傳動，也為了提高整個機構(gòu)的剛度，方便原動機的安裝與傳動，將曲柄換為圓盤。而滑塊要制作導(dǎo)向槽，從而進行定位防止松動。由于空間布局，僅靠滑塊頂托盤底面會發(fā)生與同步帶和托盤底座碰撞，需要設(shè)計一個安裝在滑塊上的彎折的頂桿，使它能夠恰巧穿插在托盤底面和托盤底座的縫隙之中，不對其他的部件產(chǎn)生影響。此外，要考慮曲柄滑塊機構(gòu)的死點位置來確定起始點。初步的設(shè)計尺寸如圖6所示。

整個分揀執(zhí)行裝置中有4個小裝置均勻分布，每個間隔190mm，且由驅(qū)動器控制，根據(jù)檢測技術(shù)的數(shù)據(jù)處理，得出的數(shù)據(jù)大小分2～4個等級進行區(qū)分，例如，經(jīng)過檢測的水果是第1等級，驅(qū)動器控制第1個分揀執(zhí)行裝置將在幾秒后運行。運行過程是頂桿從縫隙中進入托盤底面的一邊，電機帶動頂桿上升，旋轉(zhuǎn)90°，到最高位置后剛好同步帶可以帶動托盤移動到分揀軌道正中心位置，將水果側(cè)倒進入分揀軌道后，頂桿下降旋轉(zhuǎn)90°后，頂桿剛好到達托盤底面的另一邊，并離開托盤，再反向旋轉(zhuǎn)180°回到起始位置，然后等待下一控制信號的發(fā)出。

6 控制方案及仿真分析

本文引用光譜儀采集技術(shù)，其應(yīng)用的原理和工作過程是：當(dāng)水果由托盤運行到檢測控制機箱中時，近紅外光譜儀照射到水果上并采集光譜數(shù)據(jù)，然后通過接口將波長信號傳送到PC機上，得到波長信號后，通過軟件系統(tǒng)處理截取水果特定的波長范圍，同時，對波長信號進行降噪平滑和校正處理，再進行數(shù)據(jù)組合計算，得出每個波長上的吸光度數(shù)據(jù)并列出矩陣，將每個吸光度值數(shù)據(jù)排列為矩陣與建立的模型矩陣相乘，從而得出水果特定物質(zhì)的含量（酸甜度）。根據(jù)用戶需求設(shè)定等級，每個等級對應(yīng)一定的數(shù)據(jù)范圍，而每個等級對應(yīng)一個分揀執(zhí)行裝置和分揀軌道，所以這項技術(shù)結(jié)合PC機的精準(zhǔn)算法所得的結(jié)果可為控制分揀執(zhí)行裝置的運行提供數(shù)據(jù)支持。之后可將處理的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂瓢鍓K，由控制板塊執(zhí)行對分揀執(zhí)行裝置上電機的控制。

對于電機的控制，本文設(shè)計的控制板采用STC89S52單片機，對酸甜度數(shù)據(jù)進行時實時接收，并利用Keil軟件編寫程序代碼。

在分揀過程中，比較重要的部分就是對水果的上料，因為在上料過程中托盤是隨著同步帶一起移動的，一直處于移動狀態(tài)，而上料裝置只有配合托盤的移動速度，才能將水果推進托盤中，這樣才能確保后續(xù)的檢測與分揀工作的正常進行。本文進行了仿真模擬，驗證設(shè)備是否能夠按照設(shè)想的軌跡運動。這里主要仿真設(shè)備上隨同步帶移動的托盤和上料裝置舵機運轉(zhuǎn)完成推送水果的配合動作。

按照同步帶輪的轉(zhuǎn)速計算出同步帶的移動速度是V帶=161.75mm/s，因為托盤的移動是隨同步帶同步移動的，所以v托盤=V帶=161.75mm/s，2個托盤之間的間距是L均=264.58mm，通過計算得出，t間隔=1.63s，則舵機配合運作的周期是T=1.63s。而根據(jù)選擇的舵機型號，選擇的是4.8V的工作電壓，則舵機的轉(zhuǎn)動參數(shù)為60°/0.13s，舵機旋轉(zhuǎn)360°，完成推動復(fù)位的效果，耗時0.78s，并停轉(zhuǎn)0.85s。以此為一個周期進行周期性運轉(zhuǎn)。根據(jù)這些參數(shù)對設(shè)備進行一個簡單仿真模擬。

此次仿真采用SolidWorks軟件插件當(dāng)中的Motion分析，主要添加旋轉(zhuǎn)馬達與路徑配合馬達。設(shè)置仿真動畫時長為20s，大約是托盤沿軌道走上一圈的時間。旋轉(zhuǎn)馬達1、2的轉(zhuǎn)速設(shè)置為7.96rpm，路徑配合馬達1、2、3配合同步帶輪的速度為161.75mm/s，旋轉(zhuǎn)馬達3為一個周期性間歇運轉(zhuǎn)的舵機，需要插入數(shù)據(jù)點（見圖7）。

設(shè)置好馬達后進行一個仿真模擬分析，根據(jù)動畫結(jié)果，托盤小車與設(shè)想一致，能夠準(zhǔn)確地按照導(dǎo)軌進行移動，并且在托盤移動時，舵機準(zhǔn)確間歇性旋轉(zhuǎn)，在托盤到達位置上料位置出處，推料板剛好升到最長位置處。且根據(jù)圖8可知，曲柄滑塊機構(gòu)中滑塊（推料板）的行程恰好也是60mm。仿真分析結(jié)果表明，本文設(shè)計的設(shè)備結(jié)構(gòu)比較合理，能按照設(shè)想的運行方式運轉(zhuǎn)。

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