河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 梁博宇 田輝 葉芳 李蟒

平輿縣楊埠鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心 朱瑞霞

農(nóng)機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化建模及快速成型研究

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 梁博宇 田輝 葉芳 李蟒

平輿縣楊埠鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心 朱瑞霞

3D打印作為一種新興的成型制造技術(shù)，具有快速成型、綠色環(huán)保、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，與互聯(lián)網(wǎng)、新能源并稱為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。而將快速成型技術(shù)與農(nóng)業(yè)機(jī)械的結(jié)合則是農(nóng)業(yè)機(jī)械零件發(fā)展的一個(gè)方向之一。結(jié)合我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的現(xiàn)狀以及3D打印的應(yīng)用實(shí)際，本文以智能板栗脫蓬一體機(jī)為例，闡述3D打印技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新以及制造中的應(yīng)用，以最大程度地發(fā)揮3D打印技術(shù)的作用。

一、國(guó)內(nèi)板栗脫蓬一體機(jī)的應(yīng)用情況

在板栗主產(chǎn)區(qū)，板栗脫蓬機(jī)的應(yīng)用并不是很廣，主要原因：一是現(xiàn)有的脫蓬機(jī)費(fèi)用較高，容易出現(xiàn)故障，且使用的時(shí)候噪音大；二是現(xiàn)有的脫蓬機(jī)脫蓬后小刺和板栗容易混合在一起，還需要另外分揀板栗和刺殼，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；三是現(xiàn)有的脫蓬機(jī)進(jìn)料口設(shè)置的都比較高，需要費(fèi)很大的力才能把板栗送上去；四是現(xiàn)有的脫蓬機(jī)的輥?zhàn)邮芰Σ痪鶆?，容易折斷?/p>

目前，我國(guó)板栗脫蓬機(jī)雖然已有不少機(jī)型進(jìn)入實(shí)際使用領(lǐng)域，但總的來(lái)說(shuō)，技術(shù)成熟度較低，其表現(xiàn)為產(chǎn)品可靠性差，市場(chǎng)還沒(méi)有啟動(dòng)起來(lái)，制約其發(fā)展的諸多因素未解決。

二、智能板栗脫蓬一體機(jī)的工作原理及優(yōu)勢(shì)

（一）機(jī)械設(shè)計(jì)

運(yùn)用履帶傳送代替人工，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料過(guò)程，進(jìn)入脫蓬裝置。板栗脫蓬可以通過(guò)多種方式完成，但打碎式脫蓬不能保障栗子脫蓬后的完整性，我們采用擠壓式脫蓬，將軸制成一定梯度的蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，其半徑自前向后逐漸增大，可以使進(jìn)料順暢，且該結(jié)構(gòu)可將較大的蓬殘?jiān)葡蜓b置一側(cè)，板栗透過(guò)網(wǎng)狀彈簧板漏下。為防止蓬的碎屑進(jìn)入板栗中，技術(shù)人員在板栗脫蓬裝置的下側(cè)安裝風(fēng)扇，進(jìn)一步使蓬和板栗分離，得到較純凈的板栗。

技術(shù)人員將小板栗豎直放置時(shí)，鋼管最大厚度作為排列間距且按照一定的傾斜角度進(jìn)行擺列，將眾鋼管的一端與電機(jī)進(jìn)行鏈狀連接使它們能夠進(jìn)行同頻率、同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以防止板栗卡在鋼管間隙而造成的板栗堵塞、大小分級(jí)不準(zhǔn)確等現(xiàn)象。較小的板栗自鋼管間隙下落，掉落在與大小分級(jí)裝置相平行的軌道。利用一定的傾斜角度和機(jī)器本身的震動(dòng)，使板栗可以順利通過(guò)大小分級(jí)裝置進(jìn)入板栗質(zhì)量檢測(cè)裝置。

（二）檢測(cè)控制部分設(shè)計(jì)

板栗按照大小、好壞可以進(jìn)行分級(jí)，板栗脫蓬后的好壞可以由板栗表面的光澤度、黑點(diǎn)數(shù)量以及紅褐色程度來(lái)判斷，利用圖像識(shí)別可以就以上3個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行科學(xué)檢測(cè)。

如圖1所示，圖像識(shí)別技術(shù)可以通過(guò)不同波段的光將板栗進(jìn)行掃描，將掃描的圖像結(jié)果進(jìn)行數(shù)字圖像處理，將灰度圖像的判斷指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)范圍相比較，控制系統(tǒng)對(duì)此作出響應(yīng)。同時(shí)，利用多種傳感器監(jiān)控機(jī)器的工作狀態(tài)和包裝控制量?；诠S流水線工作模式，設(shè)計(jì)體現(xiàn)了自動(dòng)化、一體化的理念，該作品包含了板栗自動(dòng)送料、脫蓬過(guò)濾、大小好壞分級(jí)、出料、包裝共5個(gè)環(huán)節(jié)。剛摘下帶有蓬的板栗放在送料箱，送料機(jī)將其送到脫蓬機(jī)，在脫蓬機(jī)里脫蓬處理后，經(jīng)過(guò)大小震動(dòng)網(wǎng)濾出小型板栗，大板栗經(jīng)過(guò)圖像檢測(cè)平臺(tái)濾出不好的部分，最后板栗堆積一定程度可以自動(dòng)裝箱。

控制系統(tǒng)以PLC為中心，使用總線連接并控制外部設(shè)備?？刂频妮敵鰡卧请姍C(jī)機(jī)組的控制器，該電機(jī)組包括有脫蓬的主電機(jī)（市電輸入）、傳送電機(jī)（步進(jìn)指令控制）、圖像檢測(cè)盤電機(jī)（DC12V供電）。

圖像傳感器是由攝像端、光源部分和數(shù)據(jù)傳輸部分組成，可以將板栗的高光譜成像圖傳輸給圖像處理模塊，模塊內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、比較、計(jì)算，將檢測(cè)結(jié)果的控制命令回傳給系統(tǒng)處理器。利用高光譜圖像技術(shù)采集板栗高光譜圖像，提取霉?fàn)€板栗的光譜曲線，并通過(guò)偏最小二乘法判別分析（PLS-DA）建立霉?fàn)€板栗的識(shí)別模型，為板栗的無(wú)損分級(jí)提供一種新方法。偏最小二乘法判別分析在樣品光譜信息的判別分析中具有很好的識(shí)別能力，是一種常用的模式判別方法。

三、智能板栗脫蓬一體機(jī)的3D打印模型

利用三維軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，雖方便快捷易操作，但過(guò)于理想化，不利于開發(fā)者發(fā)現(xiàn)及改進(jìn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題；如果利用傳統(tǒng)的制作方式進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)體化過(guò)程，那么將面臨如在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的非標(biāo)件難以購(gòu)買，一些特定零件造價(jià)昂貴等問(wèn)題。3D打印技術(shù)的引入，以上問(wèn)題將迎刃而解，如圖2為利用3D打印技術(shù)完成的智能板栗脫蓬一體機(jī)的實(shí)物模型?；?D打印技術(shù)的快速成型制作的特點(diǎn)，開發(fā)者可以根據(jù)自己設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行特定零件的打印，完成機(jī)器的組裝工作，在進(jìn)行實(shí)體運(yùn)動(dòng)仿真的過(guò)程中，可以快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，即時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)改良、調(diào)整，大大降低了設(shè)計(jì)制作的難度，可以把更多的精力投入如何改進(jìn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容上。

四、總結(jié)

實(shí)現(xiàn)板栗脫蓬機(jī)械智能一體化，為響應(yīng)國(guó)家創(chuàng)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)作出了貢獻(xiàn)。自動(dòng)化板栗脫蓬一體機(jī)不僅能夠減少人工勞動(dòng)量，而且有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)的需求壓力，現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造技術(shù)發(fā)生了很大變化，為了提高產(chǎn)品開發(fā)速度，合理壓縮制作周期，在農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)開發(fā)及其制造中應(yīng)用3D打印技術(shù)可以快速制造形狀復(fù)雜的零件及新產(chǎn)品首版樣件的技術(shù)，可快速、準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛄慵?，擺脫了制造業(yè)傳統(tǒng)模式的制造流程，以便進(jìn)行快速評(píng)估、修改及功能測(cè)試，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期，減少開發(fā)投入費(fèi)用。

圖1 控制系統(tǒng)流程圖

圖2 智能板栗脫蓬一體機(jī)的3D打印模型