蘋果采摘機的設計,蘋果,采摘,設計 蘋果采摘機的設計 郭曉東1 李傳鋒1 (1. 塔里木大學機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾 843300） 摘要：本文通過對采摘機的設計同時介紹了采摘機械的發(fā)展歷史、種類、工作原理及其主要參數(shù)。并詳細的分析了蘋果采摘機的構(gòu)成、以及采摘機的日常維護和基本安全操作規(guī)程，并分析了采摘機的日常檢修及其常見故障分析。通過自身的實踐，更加的認識到對采摘機專業(yè)理論知識的學習，提高操作技能，了解采摘機的內(nèi)部構(gòu)造，大概了解機的采摘觀運用，敘述了利用傳統(tǒng)的方法、結(jié)合先進的知識、科學的邏輯思維方法來客觀的闡述分析蘋果采摘機出現(xiàn)的一系列缺點以及設計的心得體會。并對蘋果采摘機的未來發(fā)展前景有著很好的憧憬。 關鍵詞：蘋果；蘋果采摘機；農(nóng)業(yè)機械 中圖分類號:TD451 文獻標識碼：A 0引言 蘋果原產(chǎn)歐洲中部、東南部，中亞西亞以及中國新疆。蘋果（Apple），是常見的水果之一。蘋果樹屬于薔薇科，落葉喬木，葉橢圓形，有鋸齒。其果實球形，味甜，口感爽脆，且富含豐富的營養(yǎng)，是世界四大水果之冠。蘋果通常為紅色，不過也有黃色和綠色。蘋果是一種低熱量食物，每100克只產(chǎn)生60千卡熱量。蘋果中營養(yǎng)成份可溶性大，易被人體吸收，故有“活水”之稱，其有利于溶解硫元素，使皮膚潤滑柔嫩。 中國是世界上最大的蘋果生產(chǎn)國和消費國，蘋果種植面積和產(chǎn)量均占世界總量的40%以上，在世界蘋果產(chǎn)業(yè)中占有重要地位。蘋果消費市場主要為鮮果和加工制品,鮮食的比例高達90%,加工制品僅占10%左右。為保證蘋果的品質(zhì),適時采摘是我國蘋果產(chǎn)業(yè)的重中之重。采摘工作量繁重與勞動力的缺乏使得適時采摘變得越來越困難。 采摘作業(yè)季節(jié)性強、勞動強度大、費用高，果品采摘作業(yè)是水果生產(chǎn) 鏈中最耗時、最費力的一個環(huán)節(jié)。故此保證果實適時采收、降低收獲作業(yè)費用是農(nóng)業(yè)增收的重要途徑。采摘作業(yè)非常復雜，目前，國內(nèi)水果采摘作業(yè)基本上都是人工 進行，其費用約占成本的50%-70%，并且時間較為集中。采摘機作為農(nóng)業(yè)機器的重要類型，其作用在于能夠降低工人勞動強度和生產(chǎn)費用、提高勞動生 產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、保證果實適時采收，因而具有很大發(fā)展?jié)摿Α? 1總體設計思路 作為畢業(yè)設計的研究課題，考慮到個人搜集、整理信息的局限，本設計致力形成完整的設計理念，不確保每個工作部分在任何工作環(huán)境下均可長時間、全負荷工作。 本設計致力于，蘋果采摘機械的機械結(jié)構(gòu)的設計與選型，完整的采摘機器包括機械部分和控制部分，設計過程難點是空間點的定位，與捕捉點的路徑控制與模擬，機械結(jié)構(gòu)的選擇，造型設計等。本設計的動力主要源于一臺功率足夠大的柴油發(fā)動機提供，保障蘋果輸送、機車移動，通過皮帶傳送和齒輪傳動實現(xiàn)動力傳輸。蘋果通過機械手抓取實現(xiàn)采摘過程，通關過輸送裝置實現(xiàn)輕柔裝筐等工作。 1.1設計原理 機械手接受控制中心信號，機械手在擬定路徑上移動，抓取目標蘋果，手臂收縮將抓取果實放置在導流盤內(nèi)，蘋果經(jīng)過導流盤以適當?shù)乃俣冗M入輸送裝置，經(jīng)提升到達裝筐輸送機構(gòu)，裝筐輸送機構(gòu)相對于輸送裝置反向轉(zhuǎn)動，承接板承接蘋果使其落于毛刷上再進入果筐，實現(xiàn)輕柔裝筐，保障蘋果損傷較小。 1.2設計總體結(jié)構(gòu) 蘋果采摘機的總體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。 蘋果采摘機械手是整個機械部分的核心部件，難點在于機械手造型設計，以及機械手抓取方式、移動方式的設計。此處機械手手指選型，利用仿生學原理，以及連桿機構(gòu)，模擬人手抓取動作，手指內(nèi)測均貼有力學傳感器應變片，向計算機控制中心實時反饋接觸果實部位受力變化，方便計算機運算，判斷并控制機械手舒張量。根據(jù)來自百度百科的數(shù)據(jù)，蘋果直徑一般在60—85mm，因此，機械手的抓取最大直徑設計標準不小于100mm,以確?？梢宰ト〗^大多數(shù)成熟蘋果果實。 機械手臂設計，仿生學難度較大，故而舍棄，那么為了能夠?qū)崿F(xiàn)平移以及上下、左右等空間運動，在我現(xiàn)在圖2-4 機械手臂圖例 的知識層次水平上，考慮使用機械滑臺，以機車前進方向為正方向，實現(xiàn)手臂上下、左右，配合機車前進或者后退，運用運動合成與分解原理（理論力學）實現(xiàn)機械手在有限三維空間的運動。 采摘機構(gòu)動力傳輸主要依靠異步步進電機實現(xiàn)，絲桿滑臺由一臺小功率直線步進電機，兩臺較大功率步進電機控制，機械手抓取與舒張由一臺絲桿直線步進電機通過牽動絲桿套沿軸向往復運動驅(qū)動機械手手指握緊與舒張。 蘋果定位裝置設計主要結(jié)合角度傳感器，視頻攝像頭，物理伸縮桿，計算機運算模擬控制，最終實現(xiàn)三維空間坐標系的建立，運用伽利略坐標變換等知識原理，尋找機械手臂抓取果實的最優(yōu)路徑。 圖1蘋果采摘機的總體結(jié)構(gòu)示意圖 1、后橋 2、機車機架 3、換向小帶輪 4、蘋果倒流盤 5、機械滑臺 6、機械手 7、大帶輪8、裝筐輸送機構(gòu)9、機械手II 10、大直齒錐齒輪 11、小直齒錐齒輪 12、齒輪箱 13、換向大帶輪 14、調(diào)節(jié)臂15、縱向輸送機構(gòu) 16、柴油發(fā)動機 17、轉(zhuǎn)向液壓缸 18、制動液壓缸 19、前輪 20、萬向聯(lián)軸器傳動軸 2關鍵部件的設計 2.1電機的選擇 采摘機構(gòu)動力傳輸主要依靠異步步進電機實現(xiàn)，絲桿滑臺由一臺小功率直線步進電機，兩臺較大功率步進電機控制，機械手抓取與舒張由一臺絲桿直線步進電機通過牽動絲桿套沿軸向往復運動驅(qū)動機械手手指握緊與舒張。 2.2齒輪的設計 直齒錐齒輪齒廓曲面的形成與圓柱齒輪類似。如下圖所示，發(fā)生平面 1 與基錐 2 相切并作純滾動， 該平面上過錐頂點 O 的任一直線 OK 的軌跡即為漸開錐面。漸開錐面與以 O 為球心，以錐長 R 為半徑的球面的交線 AK 為球面漸開線，它應是錐齒輪的大端齒廓曲線。但球面無法展開成平面， 這就給錐齒輪的設計制造帶來很多困難。為此產(chǎn)生一種代替球面漸開線的近似方法。 圖2 由于直齒錐齒輪大端的尺寸大，測量方便。因此，規(guī)定錐齒輪的參數(shù)和幾何尺寸均以大端為準。 大端的模數(shù) m 的值為標準值，按下表選取。在 GB12369-90 中規(guī)定了大端的壓力角 a=20。，齒 頂高系數(shù) ha*=1，頂隙系數(shù) c*=0.2。 當量齒輪的齒數(shù) 稱為錐齒輪的當量齒數(shù)。與錐齒輪的齒數(shù) z 的關系可由上圖求出，由圖可 得當量齒輪的分度圓半徑 。 有 式中：d 為錐齒輪的分度錐角。 直齒圓錐齒輪傳動的幾何關系, 如圖3-3 、、和、、分別為小齒輪和大齒輪的大端分度圓直徑、平均直徑、分度圓錐角；R為錐距;b為齒寬。小端、大端分度圓直徑; 齒數(shù)比 平均直徑 2.3 輸送裝置的選擇 帶式輸送機的傾角一般小于18°，本設計縱向輸送帶，不需要很大的提升角，提升工作強度不大，故而設定輸送帶傾角為10o，輸送帶長1.5米，寬0.6米，前端與導流盤吻接。 3總結(jié) 在李傳峰老師的指導下，以及各位老師和同學的支持和幫助下，我在現(xiàn)有的知識水平層次完成了我的畢業(yè)設計“蘋果采摘機械的設計”。 本設計致力于蘋果采摘及機械結(jié)構(gòu)的選型與設計，運用所學專業(yè)知識，采用運動合成原理，簡化機械手臂的設計，降低機械手臂設計技術難度，方便設計采摘機的控制程序。本設計機械結(jié)構(gòu)，基本滿足蘋果的采摘，初步清理，輸送，裝筐，運輸?shù)裙ぷ鳝h(huán)節(jié)，實現(xiàn)蘋果果實較低損傷收獲，利于提高果園產(chǎn)品品質(zhì)，提高經(jīng)濟效益。 本設計由于采用新的設計思路，必然存在很多不足之處，仍需進行優(yōu)化設計。 參考文獻 [1]常有宏,呂曉蘭,藺經(jīng),薛新宇,王中華. 我國果園機械化現(xiàn)狀與發(fā)展思路[J]. 中國農(nóng)機化學報,2013,06:21-26. [2]劉國華. 果樹的適時采摘與管理分析[J]. 農(nóng)民致富之友,2015,07:74. [3]張杰,姬長英,顧寶興,沈子堯,董芒.三自由度蘋果采摘機器人本體設計[J].計算機工程與應用 [4]鄧小蕾.果園信息獲取現(xiàn)代傳感方法及裝置研究[D].中國農(nóng)業(yè)大學,2014. [5]張麒麟,姬長英,高峰,趙文旻.蘋果采摘機械手對果實損傷的影響[J].食品工業(yè)科技,2011,12:404-405. [6]崔鵬.蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器的設計研究[D].中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院,2010. [7]劉兆祥,劉剛,喬軍.蘋果采摘機器人三維視覺傳感器設計[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2010,02:171-175