陳啟優(yōu)，姚克恒，劉世豪

(1.海南職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)與信息學(xué)院，海南?？?570216； 2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇南京 210014；3.海南大學(xué)機電工程學(xué)院，海南?？?570228)

芒果是著名的熱帶水果，因品質(zhì)極佳，營養(yǎng)價值高，被譽為熱帶水果之王。近年來，世界芒果栽培面積不斷擴大，產(chǎn)量也逐年上升，在熱帶水果中排名第3，已成為世界五大水果之一[1]。我國是世界芒果生產(chǎn)大國之一，種植和生產(chǎn)主要分布在海南、廣東、廣西、福建、云南等地區(qū)。其中，海南的收獲面積和產(chǎn)量均居全國第一，收獲面積為2.46萬hm2占全國的40.05%；產(chǎn)量為31.01萬t，占全國的36.58%；單產(chǎn)為 8.4 t/hm2，高于全國水平[2]。由于我國目前在芒果采摘這方面機械化水平還比較低，大部分還靠人工摘采，這就使得在生產(chǎn)芒果這一塊所需的勞動量很大。

針對上述問題，為了減輕勞動者的工作強度，提高芒果采摘的效率，需要設(shè)計一種針對芒果采摘的機器。本研究根據(jù)芒果生長的實際情況設(shè)計了一種集升降、轉(zhuǎn)動、擺動、夾持、剪斷和收集于一體的芒果采摘機來提高采摘效率、降低勞動量。

1 芒果采摘機的整體設(shè)計

本研究設(shè)計的芒果采摘機主要由升降機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、擺動機構(gòu)、伸縮機構(gòu)、末端執(zhí)行器以及芒果收集欄和電機等部分組成(圖1)。芒果采摘機采用電液共同驅(qū)動。采摘機的轉(zhuǎn)動和擺動動作需要由電機驅(qū)動，升降、伸縮、夾取、剪斷這4個動作需要由液壓完成。整個芒果采摘機的采摘流程如下：將機器運送到采摘地點，首先通過電動機帶動剪叉式升降機構(gòu)的液壓泵，將整個工作臺調(diào)整到合適的高度；然后由電機帶動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)以及擺動機構(gòu)，慢慢將剪刀等部件轉(zhuǎn)動到適當(dāng)?shù)慕嵌?，再由液壓馬達將剪刀等末端執(zhí)行器推到芒果果柄的位置；最后通過采用小型液壓缸帶動推桿來驅(qū)動連桿機構(gòu)，從而帶動柔性末端執(zhí)行器夾緊果實并剪斷果柄。芒果采摘機夾取并剪斷果柄后，夾持手打開，芒果自由下落，落入柔性收集欄中，最終落入收集桶中。

2 芒果采摘機主要機構(gòu)設(shè)計

2.1 剪叉式升降裝置的設(shè)計

2.1.1 剪叉式升降裝置的結(jié)構(gòu)形式 剪叉式升降裝置廣泛用于高空作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、故障率低、運行可靠、安全高效、維護簡單等特點。在農(nóng)業(yè)作業(yè)中剪叉式升降裝置配合移動設(shè)備可滿足果實采摘的要求。該升降裝置固定到移動設(shè)備上，可實現(xiàn)不同地方的采摘工作。由于芒果樹品種的不同，采摘高度有所不同，可以通過增加或減少級數(shù)達到調(diào)整工作高度的目的。本研究中以二級剪式升降為設(shè)計對象，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

2.1.2 剪叉式升降裝置數(shù)學(xué)模型的建立 以A點為坐標(biāo)原點，AB為x軸，AN為y軸建立直角坐標(biāo)系，P代表上平臺單側(cè)負重，剪叉升降架的一條邊AC長度為L，拆去油缸，以油缸的推力F作用于J、I各銷軸處，下端耳環(huán)分別標(biāo)記為B、J，上端耳環(huán)分別標(biāo)記為D、I，下端耳環(huán)的長度為l1，上端耳環(huán)長度為l2，建立數(shù)學(xué)模型(圖3)，然后用虛位移法求1個油缸所需的推力。

各點坐標(biāo)值：

B點：Bx=L·cosα，βy=0，

J點：Jx=L·cosα-l1·cos(φ1-α)，Jy=-l1·sin(φ1-α)，

D點：Dx=0，Dy=L·sinα，

I點：Ix=l2·cos(φ2+α)，ly=L·sinα+l2·sin(φ2+α)，

W點：Wx=2L·cosα，Wy=2L·sinα。

假設(shè)負重P在y方向的虛位移為δw=2L·sinα·δy，由此得出I、J2點在x、y方向的虛位移：

δJx=[-L·sinα-l1·sin(φ1-α)]·δy；

δJy=-l1·cos(φ1-α)·δy；

δIy=-l2·cos(φ2+α)·δy；

δIx=[L·cosα+l2·cos(φ2+α)]·δy。

在I點處：y方向微位移與x方向微位移之間的夾角為β，J點處y方向微位移與x方向微位移之間的夾角為θ，得出：

列出虛位移方程：

-P·δwy+F·cosβ·δIx+F·sinβ·δIy-F·cosθ·δJx-F·sinθ·δJy=0。

求出液壓缸所需推力F，根據(jù)實際情況，選用HSGF型號的伸縮液壓缸。由此完成對該剪叉式升降架的設(shè)計以及液壓缸的選取。

2.2 底座轉(zhuǎn)動裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)芒果采摘機的功能，在底座部分加入轉(zhuǎn)動機構(gòu)，并且具有減速的功能，由于齒輪傳動具有工作可靠、壽命長、傳動比穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，根據(jù)芒果采摘機的特點，選用齒輪傳動。

動力由電機輸出經(jīng)過一級齒輪減速，將動力傳送到行星減速機構(gòu)的太陽輪進行減速，最終行星架輸出動力傳給底座，使芒果采摘機可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。行星減速設(shè)計是將內(nèi)齒圈固定，太陽輪作為主動輪，行星輪做周轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，行星架作為動力輸出，行星減速結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 采摘機擺動裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

采摘機擺動裝置在整個采摘機工作過程中起著很重要的作用。本研究按照機構(gòu)布局合理、機械簡單易造以及通用性良好的原則設(shè)計了圖5的擺動裝置。其中，由于電機的額定轉(zhuǎn)速較高，輸出轉(zhuǎn)矩有限，無法滿足機械的運動要求，因此采用諧波減速器和電動機直接配套，滿足工作要求。

由于要靈活地完成采摘工作，因此同時有2個可以實現(xiàn)擺動的機構(gòu)，然而在擺動裝置的設(shè)計中，采用軸線相交且軸交角為90°的直齒錐齒輪作為動力的傳動部件，主動直齒錐齒輪齒數(shù)Z1=18，從動直齒錐齒輪齒數(shù)Z2=32，擺動裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

擺動裝置的工作原理為固聯(lián)在機架的伺服電機通過聯(lián)軸器，再經(jīng)過諧波減速器減速后，將動力傳輸?shù)街饼X錐齒輪Ⅰ，直齒錐齒輪Ⅱ通過與直齒錐齒輪Ⅰ嚙合來帶動固聯(lián)在轉(zhuǎn)軸上的連接件，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。

2.4 伸縮裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足芒果采摘的需求，并且驅(qū)動末端執(zhí)行器，采用了1個伸縮機構(gòu)。伸縮機構(gòu)的驅(qū)動方式一般有機械式和液壓式2種，在同等功率下，液壓傳動的體積小、質(zhì)量輕，更符合芒果采摘工作的需求。因此本設(shè)計采用液壓式。伸縮裝置結(jié)構(gòu)如圖6。

2.5 柔性末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.5.1 柔性末端執(zhí)行器的工作分析 在進行采摘作業(yè)時，執(zhí)行器常直接與芒果接觸，由于芒果個體差異較大，而且果皮容易受損，因此芒果采摘機的末端執(zhí)行器的設(shè)計也是整個采摘機的重點。芒果的大小、形狀有著較大的區(qū)別，導(dǎo)致采摘過程中的夾持力有所不同，所以設(shè)計的末端執(zhí)行器就須要有一定的通用性。同時，夾持力的大小將會影響采摘芒果的品質(zhì)，要注意不能損壞芒果的外觀。因此，根據(jù)實際情況，一方面在設(shè)計過程中要有創(chuàng)新，來更好地滿足現(xiàn)狀，另一方面要更加注重設(shè)計的通用性，這就須要利用更加簡單的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)不同的功能，從而滿足果農(nóng)的多樣化需求。

2.5.2 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形式 圖7為末端執(zhí)行器機構(gòu)，主要負責(zé)芒果的摘取。它的主要工作原理是利用連桿機構(gòu)來實現(xiàn)抓取和夾斷果柄的操作，連桿機構(gòu)的驅(qū)動是利用1個小型液壓缸來帶動的。由于夾持裝置的存在，該末端執(zhí)行器對不同類型的水果都能使用，保證了整個裝置的通用性。另外，為了保護芒果表皮不會在釆摘過程被破壞，在本設(shè)計中還增加了柔性抓取功能，而且抓取剛度可以調(diào)節(jié)。

2.5.3 夾持機構(gòu)設(shè)計與分析 夾持機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖8所示，其工作原理主要是通過連桿機構(gòu)帶動支持手，控制支持手的開合，從而實現(xiàn)對芒果的抓取與釋放。其中在支持手與果實接觸的那一面覆蓋了1層彈性膠層，為芒果抓取過程提供了足夠的摩擦力，同時對芒果表皮的損傷也較小[3]。

該機構(gòu)設(shè)計原理如下：固定在固定板上的伸縮液壓缸做伸縮運動，帶動焊接在伸縮液壓缸上的推桿做直線往復(fù)運動，同時通過軸銷定位的連桿也做平面運動，使固定在固定板的平行四邊形連桿機構(gòu)也做往復(fù)運動，固定在平行四邊形連桿機構(gòu)上的夾持手就能夠?qū)崿F(xiàn)開閉動作，即實現(xiàn)了抓取動作。在該機構(gòu)中增加彈簧的作用是實現(xiàn)了末端執(zhí)行器的柔性抓取，通過調(diào)節(jié)螺母可以調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力，也可以通過換取不同彈性系數(shù)的彈簧實現(xiàn)柔性抓取[4]，這樣就避免了采摘過程中由于抓取力過大導(dǎo)致芒果表面損壞的問題。

2.5.4 果柄剪斷機構(gòu)的設(shè)計 通過試驗得到芒果果柄的剪斷力(表1)。

表1 果柄剪斷力數(shù)據(jù)

針對表1中的數(shù)據(jù)，比較剪切和扭斷2種方式，在扭斷的過程中果柄和果實接觸部分最先分離，在此過程中果柄中的汁液會灑落在果實表面，裸露在空氣中，會使果實表面變黑，影響芒果質(zhì)量，所以不適合芒果的采摘，最終選用剪斷收獲。本研究設(shè)計的果柄剪斷機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖9。

該機構(gòu)的工作原理如下：由伸縮液壓缸提供動力，推動推桿做往復(fù)直線運動，使用軸銷連接在推桿上的連桿Ⅰ做平面運動，從而使通過軸銷連接在支撐板的剪刀做剪斷運動。

3 基于SoildWorks-Simulation的零件強度有限元分析

3.1 芒果采摘機靜力學(xué)分析

對芒果采摘機進行靜力學(xué)分析的目的主要是獲得齒輪和軸的受力情況。進行靜力學(xué)分析計算時，只需要計算各個節(jié)處在最極端情況下扭矩的大小即可，把計算所得扭矩作為零件所受最大扭矩的標(biāo)準(zhǔn)[5]。由于該采摘機中2個擺動機構(gòu)所選擇結(jié)構(gòu)和材料均相同，因此只需要計算受力最大的一個。在SoildWorks可以對裝配體的質(zhì)量屬性進行測量，但必須對各個零件進行材料編輯，其材料明細如表2所示。

利用SoildWorks對模型進行質(zhì)量分析，在受力最大的狀態(tài)(圖10)，得出質(zhì)量m=90.58 kg，重心位置x=963.16 mm、y=585.709 mm、z=-16.529 mm，測量出重心距離齒輪和軸中心的距離l=600.34 mm。

表2 材料明細

根據(jù)公式可以得出最大轉(zhuǎn)矩：

Tmax=m·g·l=90.58×10×600.34×10-3=543.79 N·m

3.2 直齒錐齒輪強度分析

根據(jù)計算公式如下：

Fr=Ft·tanα·cosδ；

Fa=Ft·tanα·sinδ。

帶入數(shù)據(jù)求得：

Ft=8 965.62N；

Fr=1 599.87N；

Fa=2 844.22N。

3.2.2 有限元分析求解 使用SoildWorks-Simulation對零件模型進行網(wǎng)格化處理。其中網(wǎng)格質(zhì)量和密度對有限元的計算結(jié)果影響較大。因此網(wǎng)格劃分時，對計算精度貢獻較大的部分的網(wǎng)格應(yīng)細化，而適當(dāng)粗化對計算精度貢獻不大的部分[6]。所生成的齒輪網(wǎng)格如圖11、圖12所示。

經(jīng)過SoildWorks Simulation模塊分析處理后，得到錐齒輪應(yīng)力云圖如圖13、圖14所示，觀察2個齒輪的應(yīng)力圖解得出主動直齒錐齒輪范式等效應(yīng)力(von Mises)最大值為481.006 MPa、從動直齒錐齒輪范式等效應(yīng)力最大值為 518.237 MPa。根據(jù)對齒輪定義材料為40 Cr，材料的屈服強度為785.000 MPa，均大于上述值，二錐齒輪滿足應(yīng)力要求，選用合理。

3.3 傳動軸強度分析

軸的分析情況與齒輪的分析類似，對軸施加轉(zhuǎn)矩、力。生成網(wǎng)格如圖15所示，根據(jù)求解得到的應(yīng)力云圖(圖16)，得出范式等效應(yīng)力最大值為408.256 MPa，根據(jù)對軸定義材料為20Cr，材料的屈服強度為540.000 MPa，540.000 MPa>408.256 MPa，軸滿足應(yīng)力要求，選用合理。

4 結(jié)束語

本研究提出了一種芒果采摘機的總體設(shè)計，其中對芒果采摘機的剪式升降裝置、轉(zhuǎn)動裝置、擺動裝置、伸縮裝置和柔性末端執(zhí)行器這幾個主要部分進行了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用數(shù)學(xué)建模等方法進行輔助設(shè)計；運用SoildWorks-Simulation插件對關(guān)鍵零件強度進行有限元分析，得出應(yīng)力圖，與所選材料的屈服強度進行比，驗證了零件選用的合理性。本研究設(shè)計的芒果采摘機在人為操作配合下能夠?qū)崿F(xiàn)對芒果的采摘，減輕果農(nóng)的工作強度，能夠為芒果采摘自動化的發(fā)展提供參考。