草莓快速采摘機(jī)設(shè)計

樂海文,劉 對,陳水泉，劉文謙

（九江學(xué)院，江西 九江 332005）

引言

草莓作為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，營養(yǎng)價值豐富，在中國屬于比較廣泛栽培的漿果類水果。中國是世界上最大的草莓生產(chǎn)國，但大部分的草莓種植規(guī)模不大。由于大型的草莓采摘機(jī)械手昂貴，因此大都還是采用人工的方式采摘，機(jī)械化、自動化程度低。草莓作為一種季節(jié)性經(jīng)濟(jì)作物，這就導(dǎo)致人工采摘工作強(qiáng)度大，人手不足，采摘效率低等問題。并隨著人工成本的上升，給種植草莓的果農(nóng)帶來了巨大的困擾。通過認(rèn)真分析研究發(fā)現(xiàn)手工采摘草莓有以下不足：

（1） 草莓作為一種季節(jié)性經(jīng)濟(jì)作物，成熟期短，因此到了成熟的時候需要雇傭大量臨時工人來專門采摘，并且由于成熟期集中在幾個固定時間段，工人供不應(yīng)求，成為稀缺資源。

（2） 采摘環(huán)境較差，大棚環(huán)境溫度較高，人很難長時間在大棚內(nèi)采摘。

（3） 人工采摘效率差異化很大，采摘效率無法保證。

針對以上問題，我們應(yīng)該考慮設(shè)計產(chǎn)品功能包含以下幾個方面[1]：

（1） 草莓的采摘與收集實現(xiàn)自動化，高效率完成采摘。

（2） 巧妙設(shè)計采摘機(jī)構(gòu)及收集機(jī)構(gòu)，靈活好用。

（3） 價格便宜，操作簡單

1 設(shè)計方案

1.1 總體設(shè)計構(gòu)想

要實現(xiàn)草莓采摘的高效率、易操作、體積小、成本低等特點，首先采摘機(jī)構(gòu)的效率要優(yōu)于人工采摘，為此采用三爪旋轉(zhuǎn)刀具來作為采摘機(jī)構(gòu)，其效率可以達(dá)到人工的三四倍，基本實現(xiàn)了目的。其移動定位機(jī)構(gòu)參考機(jī)床的x y z 軸移動方式，采用了兩軸聯(lián)動，能比較精準(zhǔn)的實現(xiàn)對草莓的定位。收集機(jī)構(gòu)采用皮帶傳輸。總體設(shè)計見圖1。

圖1 草莓采摘機(jī)總體設(shè)計三維圖

1.2 采摘機(jī)構(gòu)的選用

經(jīng)過前期調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大多采用機(jī)械臂和傳感器實現(xiàn)采摘功能，這種方法缺點在于成本高、操作繁瑣而且不適用于我國小型農(nóng)戶的草莓壟設(shè)計。因此在采摘機(jī)構(gòu)的選擇上提出方案構(gòu)想：采用三爪旋轉(zhuǎn)刀具利用旋轉(zhuǎn)和刀片給草莓的扭矩和切割力達(dá)到采摘的目的。此方案源自多次的實地考察，觀察草莓的特性以及向農(nóng)戶的咨詢中了解到草莓莖脆且只需很小的力就可以完成采摘。因此制作了三爪旋轉(zhuǎn)刀具，當(dāng)草莓卡在刀片縫里時，刀片同時在繞中間軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)過一定角度時，草莓莖在扭矩和刀片的切割力下就會斷裂，完成采摘過程。此方案優(yōu)點在于易控制，而且可以通過控制機(jī)構(gòu)實現(xiàn)不同高度的草莓采摘，效率也遠(yuǎn)勝于人工采摘，經(jīng)過各個機(jī)構(gòu)之間協(xié)調(diào)的工作可以實現(xiàn)采摘功能[2]。

采摘機(jī)構(gòu)由：鋁制刀片，圓柱棒料（長：100 mm直徑：30 mm），小型減速電機(jī)（額定轉(zhuǎn)速為120 r/min）和聯(lián)軸器組成。鋁制刀片鑲嵌在開槽的圓柱棒料上，棒料通過聯(lián)軸器和電機(jī)相連。整體運(yùn)作：當(dāng)采摘機(jī)構(gòu)通過控制機(jī)構(gòu)定位后，通過控制按鈕啟動電機(jī)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)動力通過聯(lián)軸器傳遞給圓柱棒料，圓柱棒料的旋轉(zhuǎn)帶動鑲嵌在棒料上的刀片旋轉(zhuǎn)，刀片轉(zhuǎn)過一定角度后，草莓卡在V 型的刀片底部，刀片繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，草莓受到扭矩和刀片底部一定的切割力，從而和草莓莖脫離，實現(xiàn)采摘。

1.3 控制機(jī)構(gòu)的選用

根據(jù)設(shè)計要求對處于不同垂直度和水平方向上草莓的需精準(zhǔn)定位，選擇滾珠絲桿和電動推桿來實現(xiàn)縱橫向運(yùn)動。

（1） 滾珠絲桿由螺桿、螺母、鋼球、預(yù)壓片、反向器、防塵器組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動，用電機(jī)驅(qū)動，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為垂直方向的上下運(yùn)動，來控制垂直方向上的定位而且它具有摩擦損失小、傳動效率高、精度高、軸向剛度高、不能自鎖、具有傳動的可逆性等能滿足我們在作業(yè)過程中的一切運(yùn)動要求[3]。

（2） 電動推桿是一種新型的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動推桿主要由電機(jī)、推桿和控制裝置等機(jī)構(gòu)組成的一種新型直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動推桿在一定范圍行程內(nèi)作往返運(yùn)動，電動機(jī)經(jīng)齒輪減速后，帶動一對絲桿螺母，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動，利用電動機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推桿伸出和收縮運(yùn)動，推桿的這些特性能很好的滿足水平方向的定位要求。

滾珠絲桿和電動推桿均采用點動控制，能高精度的達(dá)到要采摘的草莓位置。在絲桿的一側(cè)采用光桿和絲桿，光桿在這里是代替絲桿所承受的機(jī)械部件的壓力，增加了絲桿的剛性。

1.4 傳送機(jī)構(gòu)的設(shè)計

皮帶傳動：具有恒定的傳動比，工作時無滑動，傳動準(zhǔn)確。傳動效率高，一般可達(dá)98%，節(jié)能效果顯著。結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，安裝維護(hù)方便。皮帶富于彈性，可以緩和沖擊和振動，因此運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作時噪聲較低。制造和安裝精度不像嚙合傳動要求那樣嚴(yán)格。結(jié)合要實現(xiàn)傳送草莓，以及減少成本，安裝精度等要求選用皮帶傳動。采用張緊的環(huán)形的皮帶，套在兩根傳動軸的皮帶輪上，它依靠皮帶和皮帶輪張緊時產(chǎn)生的摩擦力，將一軸的動力傳給另一軸。

整體運(yùn)作：草莓在滑道的引導(dǎo)下掉落在傳送帶較低的一端，通過皮帶輪的傳送，運(yùn)輸?shù)綆ぽ喌牧硪粋?cè)然后掉落在籃子里實現(xiàn)收集功能。

2 草莓采摘機(jī)重要零部件的有限元分析

2.1 采摘機(jī)構(gòu)的設(shè)計

為了保證草莓的順利采摘制作了三爪旋轉(zhuǎn)刀具，草莓采摘機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 草莓采摘機(jī)構(gòu)三維圖

2.2 三爪旋轉(zhuǎn)刀具的受力

三爪旋轉(zhuǎn)刀具的主要受力來自其旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下與草莓的撞擊，但由于這個工作狀態(tài)下受力比較復(fù)雜，我們要對其受力作以下簡化[4]。見圖3。

圖3 三爪旋轉(zhuǎn)刀具受力簡化圖

（1） 刀具以一個較低的角速度旋轉(zhuǎn)，同時在半徑較小的情況下線速度同樣較小，將其簡化為靜態(tài)模型。

（2） 由于刀具的結(jié)構(gòu)可知刀具的危險截面在根部和兩齒之間的中間截面。將草莓的落點簡化集中在刀尖處，并簡化其作用力的大小為草莓的重力，大小為1 N，方向垂直刀片平面。

2.3 模型建立與網(wǎng)格劃分

在Solidworks 中繪制三維圖另存為x_t 后綴文件，再導(dǎo)入ANSYS Workbench 中，劃分網(wǎng)格見圖4。網(wǎng)格劃分采用自動方式劃分，單元格尺寸設(shè)置為5 mm，網(wǎng)格劃分產(chǎn)生了個17 463 單元網(wǎng)格和34 914個節(jié)點。

圖4 5 mm 網(wǎng)格

2.4 計算結(jié)果分析

通過有限元仿真分析，三爪旋轉(zhuǎn)刀具的等效應(yīng)力和在形變分布，見圖5。

圖5 三爪旋轉(zhuǎn)刀具應(yīng)力分析結(jié)果

從等效應(yīng)力分析的結(jié)果最大應(yīng)力為3.126 4 Mpa，小于該材料的許用應(yīng)力，因此三爪旋轉(zhuǎn)刀具在工作狀態(tài)下是安全的。

形變分析結(jié)果見圖6，由圖6 得出最大形變量為0.015 mm,最大變形遠(yuǎn)小于三爪旋轉(zhuǎn)刀具的失效形變量，所以不影響其正常工作。

圖6 形變分析結(jié)果

3 實物驗證

根據(jù)solidworks 繪制的三維結(jié)構(gòu)圖尺寸采用合適的材料制作出實物，采用plc 控制草莓采摘機(jī)的自動運(yùn)行。前期對零部件實物裝配性和干涉進(jìn)行了試驗，后期在實地進(jìn)行模擬采摘，采摘效果良好，實物試驗見圖7。

圖7 實物試驗演示

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的草莓采摘方式效率低勞動強(qiáng)度大，采摘時間長, 影響草莓的新鮮度及口感, 既然草莓的生長周期不能縮短, 需求又大, 高效快速的采摘草莓就顯得尤為重要。草莓采摘機(jī)在商業(yè)上有著極大的需求。