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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， 阿拉爾 843300）
摘要：本文通過(guò)對(duì)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(jiàn)故障分析。通過(guò)自身的實(shí)踐，更加的認(rèn)識(shí)到對(duì)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(lái)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(duì)蘋果采摘機(jī)的未來(lái)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(guó)。蘋果（Apple），是常見(jiàn)的水果之一。蘋果樹(shù)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(yíng)養(yǎng)，是世界四大水果之冠。蘋果通常為紅色，不過(guò)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(yíng)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(rùn)滑柔嫩。
中國(guó)是世界上最大的蘋果生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，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(chǎng)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(guó)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(lái)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(guó)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(zhǎng)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(guò)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(guò)皮帶傳送和齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸。蘋果通過(guò)機(jī)械手抓取實(shí)現(xiàn)采摘過(guò)程，通關(guān)過(guò)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(guò)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(duì)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(cè)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(lái)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(guò)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(wàn)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(guò)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(guò)錐頂點(diǎn) O 的任一直線 OK 的軌跡即為漸開(kāi)錐面。漸開(kāi)錐面與以 O 為球心，以錐長(zhǎng) R 為半徑的球面的交線 AK 為球面漸開(kāi)線，它應(yīng)是錐齒輪的大端齒廓曲線。但球面無(wú)法展開(kāi)成平面， 這就給錐齒輪的設(shè)計(jì)制造帶來(lái)很多困難。為此產(chǎn)生一種代替球面漸開(kāi)線的近似方法。
圖2
由于直齒錐齒輪大端的尺寸大，測(cè)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(zhǎng)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(jiǎn)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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