黎凱 劉慧 王碩 蔡宇 王小紅 姬長(zhǎng)英

0 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，我國(guó)蔬菜的需求量日漸增加，蔬菜種植面積不斷擴(kuò)大。目前，蔬菜種植收割過(guò)程基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，但蔬菜捆扎裝置多為半自動(dòng)機(jī)械，工作效率低，生產(chǎn)成本高。因此，研發(fā)蔬菜實(shí)時(shí)全自動(dòng)捆扎裝置對(duì)提高我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平具有重大意義[1]。

1 技術(shù)研究現(xiàn)狀

捆扎機(jī)械廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、食品工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等，為現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)不可缺少的設(shè)備。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的捆扎機(jī)械在生產(chǎn)工藝、整機(jī)性能等方面都有了很大的提高，但與國(guó)外捆扎機(jī)械生產(chǎn)技術(shù)水平相比還存在差距，主要表現(xiàn)為品種單一，生產(chǎn)能力低，無(wú)法滿(mǎn)足一些特殊行業(yè)的需要。現(xiàn)有的捆扎機(jī)械基本上是獨(dú)立工作的，在蔬菜收割后，需要人工操作捆扎，并通過(guò)人工將捆扎好的蔬菜輸送至蔬菜收容器。此過(guò)程為半自動(dòng)收割捆扎過(guò)程，耗費(fèi)人工成本，且作業(yè)效率低。

為彌補(bǔ)傳統(tǒng)蔬菜收割捆扎技術(shù)中的不足，本文擬設(shè)計(jì)一款加裝在蔬菜收割機(jī)上的軌道常開(kāi)可閉合式捆扎裝置。此捆扎裝置與條形蔬菜收割機(jī)配合使用，可實(shí)現(xiàn)芹菜、韭菜等條形蔬菜收割捆扎一體化。

2 捆扎裝置設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1.1 設(shè)計(jì)要求

此捆扎裝置安裝于蔬菜收割機(jī)傳送帶上方，與蔬菜收割機(jī)配合使用。當(dāng)收割的蔬菜經(jīng)傳送帶傳送至捆扎軌道內(nèi)部區(qū)域時(shí)，蔬菜觸發(fā)感應(yīng)裝置，捆扎軌道閉合，送帶退帶傳動(dòng)裝置工作。捆扎完成后蔬菜垂直掉落于存儲(chǔ)裝置，感應(yīng)系統(tǒng)失去感應(yīng)，使軌道閉合的電路斷開(kāi)，軌道重回常開(kāi)可閉合狀態(tài)。收割機(jī)收割量巨大，傳送帶設(shè)有間隔，以保證蔬菜成捆進(jìn)入捆扎機(jī)?；诶υb置特殊的工作環(huán)境，提出以下要求：

1）蔬菜捆扎裝置采用寬12 mm、厚0.5～0.9 mm的塑料OPP帶，收緊力度為10～50 N，以保證蔬菜捆扎完整、不易受損，且運(yùn)輸過(guò)程中不易松散。

2）整機(jī)外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為460 mm×260 mm×380 mm；軌道閉合速度為1 s/次；捆扎速度為1.5 s/次，工作功率為330 W，以保證捆扎裝置的工作效率。

3）為保證蔬菜捆扎后掉落于存儲(chǔ)裝置，捆扎裝置軌道應(yīng)平行于地面放置在收割機(jī)上。

2.1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

擬設(shè)計(jì)一種用于蔬菜收割捆扎一體機(jī)上的捆扎裝置，以實(shí)現(xiàn)收割、捆扎的一體化，降低蔬菜收割捆扎的人工成本，提高工作效率。此捆扎裝置在現(xiàn)有捆扎機(jī)的基礎(chǔ)上，將捆扎軌道改裝為常開(kāi)可閉合式軌道，并完成電路控制設(shè)計(jì)。

2.2 張緊力的確認(rèn)

以芹菜為例，研究蔬菜在蠕變實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變、應(yīng)力隨時(shí)間變化的關(guān)系，為捆扎裝置的研究提供理論基礎(chǔ)。

2.2.1 研究對(duì)象

當(dāng)季香芹。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

質(zhì)構(gòu)儀。

2.2.3 材料處理

將芹菜捆制成長(zhǎng)20 cm、橫截面周長(zhǎng)18 cm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，取距根部10 cm 處作為受力點(diǎn)。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將處理好的實(shí)驗(yàn)材料放置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，使用壓縮探頭將儀器歸零，加載速度設(shè)置為30 mm/min,恒定載荷設(shè)置為10 N，實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為7 200 s。當(dāng)試樣剛開(kāi)始受到10 N 的載荷時(shí)，每隔一秒采集一個(gè)形變量，共采集10 個(gè)數(shù)據(jù)，此后每隔80 秒采集一個(gè)數(shù)據(jù),約采集90 個(gè)數(shù)據(jù)，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2.2.5 數(shù)據(jù)處理

用載荷達(dá)到10 N、應(yīng)力達(dá)到1 762 Pa 時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)建立蠕變模型。采用三參數(shù)模型來(lái)擬合芹菜的蠕變模型。由三參數(shù)模型可導(dǎo)出蠕變方程[2]

式中：σ——應(yīng)力，Pa；

X——應(yīng)變,%；

E1——三參數(shù)模型中彈簧1 的彈性系數(shù)；

E2——三參數(shù)模型中彈簧2 的彈性系數(shù)；

f——材料的特征時(shí)間參數(shù),s；

t——時(shí)間,s。

當(dāng)t=0 時(shí)，X0=11.33%。

當(dāng)t=∞ 時(shí)，X∞=19.28%。

計(jì)算得E1=22 163.52，E2=15 551.63。

當(dāng)t=3 600 s 時(shí)，X3600=17.54%。

計(jì)算得f=2 369.53。

芹菜的蠕變模型如圖1 所示。

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合效果，將測(cè)量值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖2）。

經(jīng)檢驗(yàn)，t=3 600 s 時(shí)，理論值與測(cè)量值誤差最小。將該模型與應(yīng)力為882 Pa 和應(yīng)力為2 646 Pa 的兩組蠕變?cè)囼?yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差均在5%以?xún)?nèi)，說(shuō)明該模型擬合效果良好。

圖1 芹菜的蠕變模型

圖2 測(cè)量值與計(jì)算值的對(duì)比

上述實(shí)驗(yàn)表明，捆扎裝置的張緊力范圍最好在10～50 N 之間，以保證在降低蔬菜損傷度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)蔬菜流通過(guò)程中不松散。

2.3 常開(kāi)可閉合軌道的研究

2.3.1 常開(kāi)可閉合軌道的設(shè)計(jì)方案

常開(kāi)可閉合軌道的設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，并且保證軌道平滑，響應(yīng)速度快，可靠性強(qiáng)。基于以上工作要求，本文擬采用小型化、高精度的嵌入式電動(dòng)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道的旋轉(zhuǎn)控制。電動(dòng)舵機(jī)[3]是控制轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)執(zhí)行部件，帶有輸出軸，工作時(shí)采用直流脈沖信號(hào)，可以通過(guò)調(diào)整周期信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的控制。為適用于此捆扎裝置，將單邊舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度設(shè)定為30°，以半圓形轉(zhuǎn)動(dòng)軸體作為舵機(jī)的外艙體。

圖3 為常開(kāi)可閉合式軌道示意圖。此軌道半徑為300 mm，單邊軌道的常開(kāi)角度為30°，以實(shí)現(xiàn)條形蔬菜順利進(jìn)入。為實(shí)現(xiàn)平滑進(jìn)帶，半圓形轉(zhuǎn)動(dòng)軸體與走帶軌道架為一整體，內(nèi)部開(kāi)有的走帶槽與半邊軌道走帶槽為一整體，且在捆扎裝置內(nèi)部焊接一進(jìn)帶槽，此進(jìn)帶槽在軌道張開(kāi)時(shí)與走帶軌道槽底部成30°夾角，當(dāng)軌道轉(zhuǎn)動(dòng)閉合時(shí)，進(jìn)帶槽與走帶軌道槽底部的夾角為0°，從而實(shí)現(xiàn)平滑聯(lián)接。

圖3 常開(kāi)可閉合式軌道示意圖

2.3.2 走帶系統(tǒng)與常開(kāi)可閉合軌道配合的工作過(guò)程

走帶系統(tǒng)是捆扎裝置重要的組成部分之一。本文設(shè)計(jì)的捆扎裝置中的走帶系統(tǒng)主要由送退帶裝置、熱熔裝置、夾壓剪切裝置組成（見(jiàn)圖4）。走帶系統(tǒng)將蔬菜捆緊，以增加包裝強(qiáng)度，減少散開(kāi)的損失。常開(kāi)可閉合式軌道在走帶系統(tǒng)的幫助下完成對(duì)收獲作物的捆扎。走帶系統(tǒng)的主要工作流程為：蔬菜定位→送帶收緊→剪切熱熔。

1）蔬菜定位。在蔬菜到達(dá)捆扎裝置之前，軌道為張開(kāi)狀態(tài)，可接納在收割機(jī)上運(yùn)行的蔬菜順利進(jìn)入軌道工作空間內(nèi)。當(dāng)安裝于裝置前端的光電傳感器感應(yīng)到蔬菜時(shí)，軌道在電路系統(tǒng)的控制下閉合，構(gòu)成平滑的送帶軌道。

圖4 走帶系統(tǒng)示意圖

2）送帶收緊[4]。軌道閉合后，捆扎裝置進(jìn)入工作狀態(tài)，皮帶輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過(guò)與皮帶輪的摩擦力將皮帶收緊，直到皮帶端接觸制動(dòng)器的微動(dòng)開(kāi)關(guān)為止。在收到傳感器的指令后，捆扎裝置將捆扎帶收緊，右爪上升緊壓住帶頭，隨后送帶輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，捆扎帶沿軌道退回，同時(shí)約束捆扎帶位置的葉片隨捆扎帶退出的拉力打開(kāi)，捆扎帶從捆扎軌道中下落至蔬菜表面，隨后張緊臂向下轉(zhuǎn)動(dòng)，捆扎帶繼續(xù)退回，直至緊貼于蔬菜表面，呈拉緊狀態(tài)。當(dāng)捆扎帶對(duì)蔬菜的壓力達(dá)到預(yù)先設(shè)定好的壓力值時(shí)，完成收緊過(guò)程。

3）搭接退帶[5]。在完成對(duì)蔬菜的收緊捆繞后，為了使蔬菜在流通過(guò)程中不松散，就必須將捆扎帶的兩端牢固連接，讓左爪上升至捆扎帶表面，壓住兩層捆扎帶使其保持緊密接觸狀態(tài)。此時(shí)，隔離塊退出，燙頭塊跟進(jìn)。燙頭塊將膠帶兩端加熱到熔融狀態(tài)，用于粘接，壓力塊上升壓斷膠帶。燙融結(jié)束后回到起始位置。壓力塊繼續(xù)上升，使兩層加熱后的包層兩端緊密結(jié)合。至此，走帶系統(tǒng)已完成對(duì)蔬菜的一周期捆扎工作，軌道重回常開(kāi)狀態(tài)。

走帶系統(tǒng)與常開(kāi)可閉合軌道配合的工作過(guò)程如圖5 所示。

2.4 光電感應(yīng)及電路控制

2.4.1 光電感應(yīng)

該捆扎裝置采用歐姆龍光電傳感器[6]。傳感器由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和檢測(cè)電路組成，通過(guò)將光束的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)控制功能。歐姆龍光電傳感器能檢測(cè)各種形狀及材料的物體，實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)，減少蔬菜受損度，響應(yīng)速度快，適用于此捆扎裝置。

圖5 走帶系統(tǒng)與常開(kāi)可閉合軌道配合的工作過(guò)程

2.4.2 電路控制

控制電路由雙單片機(jī)系統(tǒng)控制模塊、光電感應(yīng)器模塊、舵機(jī)控制模塊、捆扎電動(dòng)機(jī)控制模塊、送退帶控制模塊、聲音提示模塊和電源模塊組成。

系統(tǒng)控制模塊由AT89S52 單片機(jī)組成。AT89S52 是一種低功耗、高性能的CMOS 8 位單片機(jī)，工作時(shí)，啟動(dòng)電源，開(kāi)關(guān)閉合，由單片機(jī)控制整個(gè)過(guò)程。光電感應(yīng)器模塊是一種漫反射式光電開(kāi)關(guān)，由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和檢測(cè)電路組成。當(dāng)檢測(cè)對(duì)象通過(guò)時(shí)，它會(huì)擋住光并將光反射回來(lái)。光接收器接收光信號(hào)，經(jīng)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)給單片機(jī)芯片。芯片由大量的晶體管組成，晶體管分開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)，在電路傳輸數(shù)據(jù)中兩種狀態(tài)分別使用1、0 來(lái)表示，然后通過(guò)1 和0 來(lái)傳遞信號(hào)，傳輸數(shù)據(jù)。芯片在通電之后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)指令，所有的晶體管就會(huì)開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，將特定的指令和數(shù)據(jù)輸出。芯片對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理分析，進(jìn)而輸出指令通過(guò)接口電路傳輸?shù)杰壍篱]合調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，完成軌道閉合。軌道閉合后主控制芯片AT89S52 繼續(xù)輸出信號(hào)，通過(guò)接口電路傳輸?shù)捷o控制芯片AT89C52，進(jìn)行信號(hào)處理分析。輸出信號(hào)通過(guò)接口電路傳輸?shù)剿屯藥Юυ鷻C(jī)構(gòu)裝置，實(shí)現(xiàn)送帶捆扎。捆扎完成后，輸出信號(hào)反饋給輔控制芯片AT89S52，繼續(xù)對(duì)送退帶裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)退帶。退帶完成后，輔控制芯片將信號(hào)反饋給主控制芯片，進(jìn)而對(duì)舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)軌道張開(kāi)。由此完成一個(gè)周期的捆扎工作。

3 仿真分析

3.1 模型制作

基于對(duì)常開(kāi)可閉合式捆扎裝置的設(shè)計(jì)，建立三維模型（見(jiàn)圖6）。三維模型考慮了機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作原理，以確保模型可以符合機(jī)器設(shè)計(jì)的相關(guān)原則,可以應(yīng)用于實(shí)際工作。

圖6 捆扎裝置三維模型

3.2 仿真分析

將捆扎裝置三維模型導(dǎo)入到仿真軟件中，對(duì)捆扎裝置的實(shí)際工作場(chǎng)景進(jìn)行模擬工作，采用ADAMS 仿真軟件對(duì)捆扎裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后對(duì)捆扎裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)部分進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，仿真結(jié)果表明：運(yùn)動(dòng)無(wú)干涉現(xiàn)象，裝置滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

此捆扎裝置的創(chuàng)新之處為在現(xiàn)有捆扎裝置的基礎(chǔ)上，將全閉合性捆扎軌道改裝為常開(kāi)可閉合性軌道，并改裝電路控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)蔬菜定位、軌道閉合、送帶扎緊以及軌道張開(kāi)的一周期工作過(guò)程。仿真結(jié)果表明，此捆扎裝置滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可與蔬菜收割裝置相配合，實(shí)現(xiàn)收割捆扎一體化，提高工作效率，降低人工成本。