陳 聰，錢 茹，尤蒙翔，曹可煒

（東南大學成賢學院 機械與電氣工程學院，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著前往果園、農(nóng)家樂休閑娛樂人數(shù)的不斷增加，水果摘桿開發(fā)具有廣闊的經(jīng)濟利益和市場前景[1]。目前，國內(nèi)市場常見的采摘設備，多使用拉拽采摘設備，采摘桿結(jié)構(gòu)簡單，使用效果差，對樹木破壞嚴重，而在棚內(nèi)的中低果樹采摘工具仍留在徒手摘或剪刀摘，容易損壞果樹。本文設計了一款安全可靠操作簡單的水果采摘裝器，旨在解決采摘過程中不破壞、無接觸等問題，其中刀頭是結(jié)構(gòu)設計重點。

1 水果采摘桿結(jié)構(gòu)

便攜式水果采摘器主要包括旋轉(zhuǎn)刀頭、驅(qū)動齒輪、電機、伸縮桿體和月牙形的驅(qū)動部件，如圖1所示。刀片和月牙形驅(qū)動部件安裝在收納筒的頂端，果實收納筒與伸縮桿相連接。旋轉(zhuǎn)刀頭由5個形狀相同大小一致的鳶尾形刀片組成，刀片閉合形成一個正圓。刀頭驅(qū)動部件共有5個，月牙形連桿結(jié)構(gòu)相同。收果筒內(nèi)裝有電機、開關、小齒輪，旋轉(zhuǎn)刀頭恢復張開，伸縮桿由底部電機控制伸縮。

2 旋轉(zhuǎn)刀頭結(jié)構(gòu)及組成

圖1 便攜式水果采摘器結(jié)構(gòu)

采摘過程需對果柄以上部分進行機械斷裂處理，本設計選擇將果柄從果實中分離出來，并保留一定長度的果柄于果實上[2]。末端執(zhí)行器的采摘結(jié)構(gòu)如圖2所示。選擇五片環(huán)形刀片與攝像頭光圈類似排列的方式，對果柄進行剪切處理，選擇適合的連桿機構(gòu)設置末端動作方式，以人力為動力源，提升游客的采摘趣味性。該旋轉(zhuǎn)刀頭對剪枝采果起著決定性的作用。5枚鳶尾花形刀片的設計靈感來自于鳶尾花花瓣的形狀和相機光圈，應用UG NX軟件進行結(jié)構(gòu)三維模型設計。旋轉(zhuǎn)刀頭包含固定環(huán)，5個刀片，5個月牙形驅(qū)動連桿，連桿驅(qū)動槽，限位銷和定位環(huán)。定位環(huán)上有5個孔，便于減小摩擦。定位環(huán)底部固定于存果筒筒口，定位環(huán)外有驅(qū)動齒輪，5個月牙形驅(qū)動連桿的一側(cè)固定在定位環(huán)上部，月牙形驅(qū)動連桿另一側(cè)用定位銷連接刀片前根，刀片后根定位于固定環(huán)上，固定環(huán)固定于存果筒上部。5片大小相同的刀片閉合后形成一個圓，可以剪斷果枝。

圖2 旋轉(zhuǎn)刀頭結(jié)構(gòu)

3 采摘桿工作原理

采摘桿旋轉(zhuǎn)刀頭中心圓部分對齊果實并將果實容納其中，按壓電動機開關，電動機驅(qū)動齒輪帶動月牙形連桿搖擺運動，連桿驅(qū)動刀片圖張緊進行剪切果實樹枝干，目標果實滾入果實收納筒后關閉電動機，將采摘桿倒置可將果實取出。當目標果實高度不一可按壓伸縮桿開關，重新調(diào)整伸縮桿長度進行定位和繼續(xù)采摘。

4 力學理論分析

水果采摘桿由電動機帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪驅(qū)動連桿帶動刀片進行張閉運動進行切割剪斷果枝。果樹枝干所受切應力τ為：

式中：Ft為剪切力；As為果樹枝干截面面積。

由于果樹枝干橫截面近似正圓，則截面積As為：

式中：R為果樹枝干截面半徑。

式中：M為轉(zhuǎn)矩，L為切割點到連桿端的距離。

5 伸縮桿及電機參數(shù)

考慮到電源的供應方便性，依靠電池提供動力，決定采用直流電機作為電源的選擇?？紤]到采摘水果對轉(zhuǎn)速，扭矩等要求較低，采摘果實實際情況與戶外采摘工況相結(jié)合，選擇了XD-37GB520減速機機型。伸縮桿的電機參數(shù)是：電壓為12 V，伸縮速度為15 mm/s，電流為0.6～2 A，推力為1 000 N。

6 運動仿真分析

UG NX是三維建模和仿真等于一體的制圖軟件[3]。本文應用軟件選定連桿，添加運動副，選定驅(qū)動組件，進行刀片開合運動仿真，并選定簡諧運動方式。采摘桿刀頭組件移動的位移大小以及刀片伸縮速度對采摘安全性以及效率有很大的影響?；谲浖玫饺鐖D3—4所示的速度與時間仿真圖像，連桿位移與時間仿真圖像。結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)刀頭可以按照確定的路線運動，并且安全可靠。

圖3 刀片速度與時間圖像

圖4 連桿位移和時間圖像

7 結(jié)語

該采摘桿通過對現(xiàn)有采摘桿進行改進，針對現(xiàn)在農(nóng)家樂大棚采摘的興起，設計的一款面向無采摘經(jīng)驗人群使用的實用型采摘器。該水果采摘桿加工成本低，適用于采摘不同規(guī)格大小果蔬，旋轉(zhuǎn)刀頭設計易于實現(xiàn)剪斷枝干，使用安全可靠。