蘋果采摘機(jī)的設(shè)計(jì)
蘋果采摘機(jī)的設(shè)計(jì),蘋果,采摘,設(shè)計(jì)
蘋果采摘機(jī)的設(shè)計(jì)
郭曉東1 李傳鋒1
(1. 塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院, 新疆 阿拉爾 843300)
摘要:本文通過對采摘機(jī)的設(shè)計(jì)同時(shí)介紹了采摘機(jī)械的發(fā)展歷史、種類、工作原理及其主要參數(shù)。并詳細(xì)的分析了蘋果采摘機(jī)的構(gòu)成、以及采摘機(jī)的日常維護(hù)和基本安全操作規(guī)程,并分析了采摘機(jī)的日常檢修及其常見故障分析。通過自身的實(shí)踐,更加的認(rèn)識(shí)到對采摘機(jī)專業(yè)理論知識(shí)的學(xué)習(xí),提高操作技能,了解采摘機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造,大概了解機(jī)的采摘觀運(yùn)用,敘述了利用傳統(tǒng)的方法、結(jié)合先進(jìn)的知識(shí)、科學(xué)的邏輯思維方法來客觀的闡述分析蘋果采摘機(jī)出現(xiàn)的一系列缺點(diǎn)以及設(shè)計(jì)的心得體會(huì)。并對蘋果采摘機(jī)的未來發(fā)展前景有著很好的憧憬。
關(guān)鍵詞:蘋果;蘋果采摘機(jī);農(nóng)業(yè)機(jī)械
中圖分類號(hào):TD451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shí)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(fèi)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(fèi)市場主要為鮮果和加工制品,鮮食的比例高達(dá)90%,加工制品僅占10%左右。為保證蘋果的品質(zhì),適時(shí)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(dòng)力的缺乏使得適時(shí)采摘變得越來越困難。
采摘作業(yè)季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)用高,果品采摘作業(yè)是水果生產(chǎn) 鏈中最耗時(shí)、最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)。故此保證果實(shí)適時(shí)采收、降低收獲作業(yè)費(fèi)用是農(nóng)業(yè)增收的重要途徑。采摘作業(yè)非常復(fù)雜,目前,國內(nèi)水果采摘作業(yè)基本上都是人工 進(jìn)行,其費(fèi)用約占成本的50%-70%,并且時(shí)間較為集中。采摘機(jī)作為農(nóng)業(yè)機(jī)器的重要類型,其作用在于能夠降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)費(fèi)用、提高勞動(dòng)生 產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、保證果實(shí)適時(shí)采收,因而具有很大發(fā)展?jié)摿Α?
1總體設(shè)計(jì)思路
作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究課題,考慮到個(gè)人搜集、整理信息的局限,本設(shè)計(jì)致力形成完整的設(shè)計(jì)理念,不確保每個(gè)工作部分在任何工作環(huán)境下均可長時(shí)間、全負(fù)荷工作。
本設(shè)計(jì)致力于,蘋果采摘機(jī)械的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選型,完整的采摘機(jī)器包括機(jī)械部分和控制部分,設(shè)計(jì)過程難點(diǎn)是空間點(diǎn)的定位,與捕捉點(diǎn)的路徑控制與模擬,機(jī)械結(jié)構(gòu)的選擇,造型設(shè)計(jì)等。本設(shè)計(jì)的動(dòng)力主要源于一臺(tái)功率足夠大的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供,保障蘋果輸送、機(jī)車移動(dòng),通過皮帶傳送和齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸。蘋果通過機(jī)械手抓取實(shí)現(xiàn)采摘過程,通關(guān)過輸送裝置實(shí)現(xiàn)輕柔裝筐等工作。
1.1設(shè)計(jì)原理
機(jī)械手接受控制中心信號(hào),機(jī)械手在擬定路徑上移動(dòng),抓取目標(biāo)蘋果,手臂收縮將抓取果實(shí)放置在導(dǎo)流盤內(nèi),蘋果經(jīng)過導(dǎo)流盤以適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)入輸送裝置,經(jīng)提升到達(dá)裝筐輸送機(jī)構(gòu),裝筐輸送機(jī)構(gòu)相對于輸送裝置反向轉(zhuǎn)動(dòng),承接板承接蘋果使其落于毛刷上再進(jìn)入果筐,實(shí)現(xiàn)輕柔裝筐,保障蘋果損傷較小。
1.2設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)
蘋果采摘機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖,如圖1所示。
蘋果采摘機(jī)械手是整個(gè)機(jī)械部分的核心部件,難點(diǎn)在于機(jī)械手造型設(shè)計(jì),以及機(jī)械手抓取方式、移動(dòng)方式的設(shè)計(jì)。此處機(jī)械手手指選型,利用仿生學(xué)原理,以及連桿機(jī)構(gòu),模擬人手抓取動(dòng)作,手指內(nèi)測均貼有力學(xué)傳感器應(yīng)變片,向計(jì)算機(jī)控制中心實(shí)時(shí)反饋接觸果實(shí)部位受力變化,方便計(jì)算機(jī)運(yùn)算,判斷并控制機(jī)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(jī)械手的抓取最大直徑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不小于100mm,以確??梢宰ト〗^大多數(shù)成熟蘋果果實(shí)。
機(jī)械手臂設(shè)計(jì),仿生學(xué)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(yùn)動(dòng),在我現(xiàn)在圖2-4 機(jī)械手臂圖例
的知識(shí)層次水平上,考慮使用機(jī)械滑臺(tái),以機(jī)車前進(jìn)方向?yàn)檎较?,?shí)現(xiàn)手臂上下、左右,配合機(jī)車前進(jìn)或者后退,運(yùn)用運(yùn)動(dòng)合成與分解原理(理論力學(xué))實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在有限三維空間的運(yùn)動(dòng)。
采摘機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳輸主要依靠異步步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn),絲桿滑臺(tái)由一臺(tái)小功率直線步進(jìn)電機(jī),兩臺(tái)較大功率步進(jìn)電機(jī)控制,機(jī)械手抓取與舒張由一臺(tái)絲桿直線步進(jìn)電機(jī)通過牽動(dòng)絲桿套沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手手指握緊與舒張。
蘋果定位裝置設(shè)計(jì)主要結(jié)合角度傳感器,視頻攝像頭,物理伸縮桿,計(jì)算機(jī)運(yùn)算模擬控制,最終實(shí)現(xiàn)三維空間坐標(biāo)系的建立,運(yùn)用伽利略坐標(biāo)變換等知識(shí)原理,尋找機(jī)械手臂抓取果實(shí)的最優(yōu)路徑。
圖1蘋果采摘機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖
1、后橋 2、機(jī)車機(jī)架 3、換向小帶輪 4、蘋果倒流盤 5、機(jī)械滑臺(tái) 6、機(jī)械手 7、大帶輪8、裝筐輸送機(jī)構(gòu)9、機(jī)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(jī)構(gòu) 16、柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 17、轉(zhuǎn)向液壓缸 18、制動(dòng)液壓缸 19、前輪 20、萬向聯(lián)軸器傳動(dòng)軸
2關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)
2.1電機(jī)的選擇
采摘機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳輸主要依靠異步步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn),絲桿滑臺(tái)由一臺(tái)小功率直線步進(jìn)電機(jī),兩臺(tái)較大功率步進(jìn)電機(jī)控制,機(jī)械手抓取與舒張由一臺(tái)絲桿直線步進(jìn)電機(jī)通過牽動(dòng)絲桿套沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手手指握緊與舒張。
2.2齒輪的設(shè)計(jì)
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(dòng), 該平面上過錐頂點(diǎn) 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(yīng)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(shè)計(jì)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(zhǔn)。 大端的模數(shù) m 的值為標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)量齒輪的齒數(shù) 稱為錐齒輪的當(dāng)量齒數(shù)。與錐齒輪的齒數(shù) z 的關(guān)系可由上圖求出,由圖可 得當(dāng)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(dòng)的幾何關(guān)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(jī)的傾角一般小于18°,本設(shè)計(jì)縱向輸送帶,不需要很大的提升角,提升工作強(qiáng)度不大,故而設(shè)定輸送帶傾角為10o,輸送帶長1.5米,寬0.6米,前端與導(dǎo)流盤吻接。
3總結(jié)
在李傳峰老師的指導(dǎo)下,以及各位老師和同學(xué)的支持和幫助下,我在現(xiàn)有的知識(shí)水平層次完成了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)“蘋果采摘機(jī)械的設(shè)計(jì)”。
本設(shè)計(jì)致力于蘋果采摘及機(jī)械結(jié)構(gòu)的選型與設(shè)計(jì),運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí),采用運(yùn)動(dòng)合成原理,簡化機(jī)械手臂的設(shè)計(jì),降低機(jī)械手臂設(shè)計(jì)技術(shù)難度,方便設(shè)計(jì)采摘機(jī)的控制程序。本設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu),基本滿足蘋果的采摘,初步清理,輸送,裝筐,運(yùn)輸?shù)裙ぷ鳝h(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)蘋果果實(shí)較低損傷收獲,利于提高果園產(chǎn)品品質(zhì),提高經(jīng)濟(jì)效益。
本設(shè)計(jì)由于采用新的設(shè)計(jì)思路,必然存在很多不足之處,仍需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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