張艷龍 ，李祥輝 ，聶馨晨 ，肖愛玲 ※

（1.塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院）

0 引言

現(xiàn)階段，針對農(nóng)產(chǎn)品定向上料裝置少，國內(nèi)定向上料還普遍存在半機(jī)械化現(xiàn)狀，對于大量雜亂無序形狀相同的物料，傳統(tǒng)的人工分級存在效率低、費(fèi)用昂貴、耗時(shí)長的缺點(diǎn)[1]。農(nóng)產(chǎn)品自動定向的好處在于可以減少自動分級和加工的誤差，具有精度高、運(yùn)動簡單、使物料近似等“姿態(tài)”，易于檢測的特點(diǎn)。參考蘋果、番茄、禽蛋等農(nóng)產(chǎn)品的定向上料技術(shù)對研發(fā)農(nóng)產(chǎn)品自動分級機(jī)具有非常重要的意義[2-4]。

1 上料定向排序裝置研究現(xiàn)狀

目前，機(jī)械定向大體可以分為兩類：對于外形方正或規(guī)則的物料利用機(jī)械手，它能適用多種外形規(guī)整物料的抓取，但由于設(shè)備成本高，限制了推廣應(yīng)用；而對于外形復(fù)雜多變，無法獲得單個(gè)物料精確尺寸的農(nóng)產(chǎn)品，多是利用其自身所具有的物理特性，加以簡單的機(jī)械裝置約束實(shí)現(xiàn)定向。迄今為止，已經(jīng)取得一定成果[5-8]。

1.1 通過果盤與摩擦輪實(shí)現(xiàn)自動定向

2017年馬垚[9]設(shè)計(jì)了針對蘋果的定向裝置，（圖1）。當(dāng)蘋果處于任意位姿時(shí)，蘋果與定向輪接觸，蘋果在摩擦力作用下轉(zhuǎn)動，當(dāng)蘋果花軸或者果萼與定向輪接觸，摩擦力減小，不足以帶動蘋果旋轉(zhuǎn)，位姿由此確定。與蘋果表面接觸的定向輪外圓上設(shè)置有橡膠圈，橡膠圈能夠有效避免蘋果表面在轉(zhuǎn)動定向過程中被劃傷，增大與蘋果表面的摩擦力，便于蘋果的轉(zhuǎn)動和定向。

圖1 定向機(jī)構(gòu)三維模型

2016年羅建清，王春耀[10]設(shè)計(jì)出蘋果定向裝置。將蘋果以隨機(jī)姿態(tài)放入輸送定向殼中，當(dāng)蘋果落入定向殼后，殼底部的定位輪和機(jī)構(gòu)中側(cè)向定位帶通過摩擦力的作用，使蘋果在定向殼上做無規(guī)律的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，當(dāng)定向成功后，底部定位輪恰好在蘋果果?；蚬嗵?，且與底輪無相對接觸，蘋果只受側(cè)向皮帶的摩擦力作用而做垂直于輸送前進(jìn)方向的水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。定向前后姿態(tài)見圖2。

圖2 蘋果定向前后圖

2014年黃亮[11]等研制了中心定位和扶正機(jī)構(gòu)，見圖3。該裝置是主要由U型槽和旋轉(zhuǎn)槽組成定位機(jī)構(gòu)。當(dāng)山楂運(yùn)動到扶正機(jī)構(gòu)正中心下面時(shí)，扶正機(jī)構(gòu)高速旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動，如果山楂沒有在中心位置，導(dǎo)向筒的旋轉(zhuǎn)可以給山楂施加一個(gè)力，使其到達(dá)中心位置。接著旋轉(zhuǎn)弧型槽塊接觸到山楂，帶動山楂一起轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)山楂的扶正。

圖3 中心定位和扶正機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

2009年5月李晶、張東興、劉寶[12]等人設(shè)計(jì)的果盤結(jié)構(gòu)見圖4。此果盤分為內(nèi)外結(jié)構(gòu)，內(nèi)果盤相對外果盤向上翻轉(zhuǎn)45°，并裝有可以自由旋轉(zhuǎn)且上下兩端分別有旋轉(zhuǎn)輪和摩擦輪2個(gè)。外果盤一側(cè)與傳送鏈連接，另一側(cè)由滾動輪在軌道上支撐。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)定位在定位區(qū)，設(shè)置在果盤傳送帶的下方，并裝有定位摩擦帶，通過上側(cè)皮帶與果盤的定位外輪接觸，提供摩擦力并驅(qū)動定位輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動定向。

2008年黃秀玲[13]研究蘋果自動定向系統(tǒng)提出蘋果自動定向小車，見圖5。小車固定在鏈條的關(guān)節(jié)上，隨著鏈條的運(yùn)動而運(yùn)動，定向輪與其正下方的固定托條經(jīng)摩擦產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，當(dāng)蘋果果萼凹陷區(qū)與定向輪重合時(shí)，達(dá)到定向目的。

圖4 果盤結(jié)構(gòu)示意

圖5 蘋果自動定向小車

2005年周欽紅、張東興[14]設(shè)計(jì)出一種蘋果輸送定位系統(tǒng)。工作原理：雙面齒同步帶驅(qū)動果杯在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，定位輪在傳動鏈的間接驅(qū)動下繞水平軸旋轉(zhuǎn)（果杯與定位輪旋轉(zhuǎn)方向垂直），見圖6。蘋果在果杯和定位輪的摩擦力及摩擦力偶的共同作用下向任意方向運(yùn)動，當(dāng)蘋果梗萼凹陷與定位輪重合時(shí)，由于定位輪的作用力很小，此時(shí)蘋果僅在果杯摩擦力的作用下在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而使得蘋果果梗垂直于水平面。

圖6 蘋果輸送定位系統(tǒng)

1.2 通過兩輸送帶定位實(shí)現(xiàn)自動定向

圖7 水果定向裝置簡圖

2015年4月黃春陽[15]、王春耀等人提出了一種杏子簡單定向裝置，見圖7。裝置主要由夾持帶從動軸、彈簧片和底部傳送帶組成。當(dāng)杏子在輸送帶上從任意位置以任意姿態(tài)通過時(shí)，利用其物理特性與夾持帶軸產(chǎn)生摩擦進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終杏子會逐漸的實(shí)現(xiàn)同方向排列。2007年針對杏果定向問題，陳文亮[16]等也采用夾持帶夾持杏果，與黃春陽設(shè)計(jì)原理相似，如圖8。運(yùn)用差速原理和杏果自身特性，使杏果在運(yùn)輸過程中不停地轉(zhuǎn)動直到受力均勻，實(shí)現(xiàn)定向的目的。

圖8 自動定向裝置簡圖

2011年李如虎[17]等設(shè)計(jì)的柚子定向系統(tǒng)利用柚子有圓頭和尖頭的物理特性和輸送帶的寬窄不一的特點(diǎn)設(shè)計(jì)，在柚子通過2條傳送帶形成的逐漸增大、接著又逐漸減小的間隙時(shí)，較寬的間隙使得柚子的尖端旋轉(zhuǎn)下垂，而圓端則在傳送帶的作用下繼續(xù)向前移動，最終實(shí)現(xiàn)柚子尖端在后、圓端在前的目的，見圖9。

圖9 柚子輸送機(jī)構(gòu)俯視圖

2011年梁勤安，劉向東，張杰，李勝[18]等人設(shè)計(jì)了自動定向工作部件，見圖10。該部件由2條平行布置的平面輸送帶（以下稱夾持帶）構(gòu)成水果定向通道，在定向通道的下方裝有定向帶。工作時(shí)夾持帶以某一速度向切割刀具方向移動，位于兩夾持帶中間的杏果實(shí)在夾持帶張力的作用下隨夾持帶向前運(yùn)動，位于定向通道下面的摩擦定向帶以另一速度向前移動，由于夾持帶與摩擦定向帶之間存在速度差，在杏果重力，杏果與夾持帶和摩擦定向帶之間的摩擦力的共同作用下，做既有轉(zhuǎn)動又有平動的復(fù)合運(yùn)動，最后做繞對稱軸的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)自動定向。

2008年梁勤安，劉向東[19]設(shè)計(jì)出關(guān)于番茄自動定向系統(tǒng)，見圖11。該裝置主要由夾持帶和摩擦定向帶構(gòu)成。位于兩根夾持帶構(gòu)成的自動定向通道中的番茄在夾持帶的作用下向切割裝置方向作直線運(yùn)動，并在摩擦定向帶的作用下繞番茄自身某一軸線轉(zhuǎn)動。由于夾持帶與摩擦定向帶之間有較大的速度差，番茄在自動定向通道中快速旋轉(zhuǎn)，使番茄作既有直線運(yùn)動又有轉(zhuǎn)動的平面運(yùn)動，最后在通過番茄質(zhì)心的某一軸線作穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)番茄的自動定向。

圖10 自動定向工作部件結(jié)構(gòu)示意

圖11 6QFF-3型制干番茄切分機(jī)總體結(jié)構(gòu)

1.3 通過輥?zhàn)訉?shí)現(xiàn)自動定向

2014年8月李長友[20]、馬興灶等利用荔枝的重心偏移果頂一側(cè)和外表面的結(jié)構(gòu)特征，通過兩個(gè)同向轉(zhuǎn)力的對輥實(shí)現(xiàn)具體姿態(tài)自動調(diào)整和定向輸送并保證單排列輸送，見圖12。荔枝在摩擦力和自身重力的作用下產(chǎn)生旋進(jìn)，由于荔枝徑向轉(zhuǎn)動與對輥轉(zhuǎn)動相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)定向。

圖12 荔枝定向喂料原理

2013年11月史鵬濤、文懷興、王寧俠[21]等采用輥?zhàn)渔溳斔蜋C(jī)構(gòu)進(jìn)行輸送定向，見圖13。通過鏈輪、鏈條帶動輥?zhàn)渔溳斔蜋C(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，即可完成輸送，在輸送過程中上面一側(cè)輥?zhàn)酉路窖b上摩擦板，可使輥?zhàn)釉诠D(zhuǎn)的同時(shí)產(chǎn)生自轉(zhuǎn)。輥?zhàn)拥淖詡鲙哟髼棶a(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，使大棗軸線與輥?zhàn)虞S線平行，實(shí)現(xiàn)自動定向。

2013年10月，姜松[22-23]利用禽蛋在輸送支撐輥?zhàn)由系妮S向運(yùn)動使禽蛋進(jìn)入進(jìn)料段后實(shí)現(xiàn)分列。禽蛋從進(jìn)料到分列區(qū)后禽蛋指向隨機(jī)，由于禽蛋重心偏向小頭端，在支撐輥?zhàn)铀饔玫哪Σ亮︱?qū)動下，沿小頭端所指的方向在兩支撐輥?zhàn)由献鬏S向運(yùn)動。形成大小頭方向一致的兩列。到達(dá)待翻轉(zhuǎn)區(qū)主要對未完成分列的禽蛋進(jìn)行調(diào)整。到達(dá)翻轉(zhuǎn)區(qū)后靠左側(cè)限位導(dǎo)向桿的禽蛋開始翻轉(zhuǎn)，小頭逐漸抬起最終實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，而靠在右側(cè)限位導(dǎo)向桿的禽蛋無需翻轉(zhuǎn)。最終使兩列合并，從而實(shí)現(xiàn)定向，見圖14。

圖13 輥?zhàn)渔溳斔蜋C(jī)設(shè)備示意

圖14 禽蛋大小頭自動定向排列裝置

2012年12月史鵬濤[24]同樣設(shè)計(jì)了應(yīng)用于大棗切片機(jī)的定向機(jī)構(gòu)，見圖15。輸送定向機(jī)構(gòu)由鏈輪、鏈條、輥?zhàn)右约鞍惭b在上面一側(cè)輥?zhàn)酉路降哪Σ涟褰M成。調(diào)整毛刷高度，使之只能使一排大棗通過。當(dāng)大棗通過毛刷時(shí)，輥?zhàn)釉谳斔痛髼椀耐瑫r(shí)，在摩擦板的作用下產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，并帶動大棗旋轉(zhuǎn)，使大棗軸線與輥?zhàn)虞S線平行，實(shí)現(xiàn)自動定向。

2010年呂長安[25]采用鏈傳動的方式，見圖16。輸送鏈帶動輥轉(zhuǎn)動，進(jìn)料口進(jìn)入的大棗在輥的轉(zhuǎn)動下均勻分布在輸送輥之間，夾在輸送輥之間緊貼輸送輥的大棗長軸與輸送輥平行，滾筒上部的毛刷將堆積的大棗擋回，重新在后續(xù)的輸送輥上均勻分布，從而達(dá)到大棗橫向排列的目的。

圖15 大棗切片機(jī)定向設(shè)備示意

圖16 大棗自動定向輸送切片機(jī)

1.4 通過三角錐形定位實(shí)現(xiàn)自動定向

2018年6月耿愛軍[26]設(shè)計(jì)了蒜種定向裝置。三級錐形料斗的尖錐半頂角從上至下依次遞減，蒜種在料斗內(nèi)經(jīng)過調(diào)整后鱗芽方向變化過程為：水平→傾斜→向上，最終利用插播器，保持直立姿態(tài)，見圖17。

圖17 蒜種定向裝置結(jié)構(gòu)示意

2 分析

通過對以上裝置的綜述，機(jī)械定向上料裝置結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，定向效率和定向精度較人工定向高[27]。果盤式主要針對中型物料的定向，可以實(shí)現(xiàn)對物料“姿態(tài)”的矯正，果盤成流水線式運(yùn)轉(zhuǎn)，具有單排列出料的優(yōu)點(diǎn)，但效率低。輥?zhàn)邮?、差速式自動定向通過傳送帶摩擦實(shí)現(xiàn)定向，適用于中型、大型物料定向，不適用于易損傷物料自動定向，自動定向機(jī)體積較大，不利于操作，輸送帶間的寬度是影響水果定向成功率的主要因素之一，但效率較高。三角錐式定向適用范圍窄，并不常見。

國內(nèi)的自動定向裝置正處于一個(gè)發(fā)展階段，研究種類及數(shù)量有限，果盤式上料裝置可以通過多通道并行的方式提高定向效率。通過選用不同大小型號的果盤裝置，提高定向裝置的應(yīng)用范圍。

縱觀近20年國內(nèi)針對自動定向上料機(jī)研制的狀況，國內(nèi)較國外研制此裝置起步晚[27-32]。國外最早可以追溯到1985年Rehkugler[33]等針對蘋果檢測提出了一種導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。國內(nèi)1998年10月任煥琴發(fā)表了第一篇關(guān)于定向裝置的研究，2006年馮和平，高利軍等國內(nèi)學(xué)者對定向裝置研究取得了新的突破性進(jìn)展，定向研究再次進(jìn)入了一個(gè)新的階段。現(xiàn)階段，應(yīng)積極借鑒國內(nèi)外的研究成果，研究適當(dāng)簡單、成本低的自動定向上料系統(tǒng)是未來發(fā)展的關(guān)鍵。