張力文ZHANG Li-wen

（攀枝花學院，攀枝花 617000）

0 引言

芒果原產于印度，曾被命名為“庵波羅果”，記錄在《大唐西域記》中，唐朝時引種至我國（羅豐雷，2014）。數年發(fā)展后，目前我國已成為全球第二大芒果生產國，主要分布在廣東、廣西、云南等地（梁偉紅，2008），四川與云南交界的攀西地區(qū)作為新興的芒果產業(yè)發(fā)展區(qū)，其優(yōu)勢地位明顯。攀西地區(qū)位于北緯26°附近，屬于南亞熱帶干熱河谷氣候，具有“南方熱量，北方光照”的優(yōu)越條件，晝夜溫差大，利于淀粉的積累和糖分的轉化，種植出的芒果具有“甜、大、鮮”的特點。經過數十年的發(fā)展，僅攀枝花一地2018 年芒果種植總面積超過27 萬畝，盛果期畝均產值1萬元以上，擁有多項榮譽稱號，比如“歐洲良好農業(yè)規(guī)范（GAP）”“全國百強特色農產品區(qū)域公用品牌”“消費者最喜愛的中國農產品區(qū)域公用品牌”等，已經成為當地脫貧攻堅，振興鄉(xiāng)村建設的重要途徑。

芒果的市場核心競爭力一方面取決于本身的品質如可溶性固形物含量、含糖量、果實可食率，另一方面取決于產后處理。目前攀西地區(qū)芒果品質已經達到國內頂尖水平，但與蓬勃發(fā)展的芒果種植不同，果實成熟后的篩選、分揀顯得較為落后，仍然處于較為初級的散裝散賣狀態(tài)，未能按照形狀、大小等進行品質分級分類，這其中最重要的原因是缺少價格低、效率高的分揀工具。通過查閱文獻和實地走訪調查，目前芒果市場主要采用工人手工分揀，分揀效率低，勞動強度大，芒果的形狀、重量完全依靠分揀工人經驗，分揀標準不一，對芒果產業(yè)未來發(fā)展十分不利。

近年來，農業(yè)機械智能技術發(fā)展意義重大、發(fā)展趨勢明顯（戴明文，2018）。由機械設備代替農民完成勞作，能夠減小人力工作量，節(jié)省大量的資源和成本，提升農業(yè)生產效率。為此，在現有各類分揀技術基礎上，根據芒果產業(yè)發(fā)展特點，重點解決稱重和分揀難題，研制專門針對中小型個體農戶的芒果自動稱重分揀機顯得尤為重要。

1 系統總體設計

芒果自動稱重分揀機依據芒果重量與品種的對應關系對芒果進行稱重分揀，主要由人工料倉、上料輸送、分離輸送、稱重裝置及分揀裝置組成，如圖1 所示。

圖1 芒果自動稱重分揀機結構圖

分揀機在機械結構上由四個獨立模塊組成，包括上料模塊、分離模塊、稱重模塊和分揀模塊，與分揀機的工作步驟一一對應。上料模塊通過電極帶動，循環(huán)運轉，能夠將芒果運送到分離模塊中；分離模塊使用滾筒滑動，將芒果進行單個分離，并運送到稱重模塊；稱重模塊能夠依據程序設定的參數，按照重量不同，將芒果運送到不同的成品倉實現分揀的效果，工作流程如圖2 所示。電控系統采用快速接頭設計，可實現快速現場拼裝。

圖2 工作流程簡圖

2 分揀機結構

分揀機由機械結構和電控系統兩部分組成。通過對分揀機機械結構的設計，可實現上料、分料、稱重和分揀；電控系統由Arduino 實現對分揀機運行的整體控制。

2.1 機械部分

機械部分包括上料機、分料機、分揀轉盤和料倉，如圖3 所示。其工作過程如下：

圖3 芒果分揀機機械部分

①上料模塊需人工將芒果倒入上料倉，其料倉承載量可根據芒果大小及重量靈活設計。

②分料模塊采用斜齒皮帶傳輸，有利于芒果分隔，達到自動輸送芒果的目的。分料模塊傳輸過程采用分段式滾筒輸送方式，第一段滾筒輸送帶與第二段滾筒輸送帶之間采用差速運行；經實驗測試，當第二段滾筒輸送帶傳輸速度V2 大于或等于第一段滾筒輸送帶傳輸速度V1 的1.5倍時，可實現良好的芒果分隔作用；利用交流變頻調速電機根據實際使用要求，調節(jié)傳輸速度，分段式滾筒輸送方式示意圖如圖4 所示。

圖4 分段式滾筒輸送方式

③稱重模塊采用獨立式稱重托盤，即每個托盤采用獨立的稱重傳感器，托盤數量=成品倉+1。

④分揀模塊采用翹板式分揀，采用翹翹板原理，實現果蔬分揀至對應的成品倉；利用電磁鐵吸合實現推桿動作。圓盤360 度旋轉循環(huán)接貨，配置旋轉編碼器，實現精確位置記錄，防止漏貨情況的發(fā)生；并配置電滑環(huán)，實現電氣連接。

接貨部分可根據輸送線出貨口處紅外傳感器信號；圓盤將空托盤旋轉至接貨口，圓盤式運動可以實現高速分揀，滿足1 秒分揀2 個芒果的分揀需求；等待貨物自動掉入托盤；托盤稱重傳感器自動稱重。

分揀模塊可根據客戶自定義的分揀重量，自動判斷出需分揀出的成品倉；待圓盤將托盤旋轉至對應的成品倉位置處，控制推桿動作實現分揀動作。循環(huán)執(zhí)行以上步驟直至完成所有芒果的分揀。

2.2 電控系統

該分揀機的電控系統由Arduino、串口、步進電機、組態(tài)觸摸屏、稱重傳感器、轉盤及托盤信號檢測等部件組成，分揀機電控系統控制架構如圖5 所示。其控制架構以Arduino 為核心，通過RS232 串口與組態(tài)觸摸屏MT4434T通信，信號傳輸部分包含6 個模擬量輸入、5 個數字量輸入、9 個數字量輸出和轉盤及托盤信號，以發(fā)送PWM 脈沖信號的方式驅動步進電機，完成對芒果的自動分揀。

圖5 分揀機電控系統控制架構圖

該分揀機電氣控制設計包含Arduino 及其外圍電路設計；傳感器數據傳輸、傳感器信號放大調理、數字信號與模擬信號轉換、電源電路、電平轉換電路及開關硬件電路設計；步進電機控制系統、步進電機選型、步進電機與Arduino 連接硬件電路設計。

如圖6 所示，本文自動分揀機通過稱重傳感器完成信號采集，利用傳感器對芒果進行重量檢測。至此得到信號較為微弱的重量信號，再經濾波、放大、模數轉換等信號處理電路對芒果重量微弱信號進行處理。經處理后的信號作為Arduino 控制器的輸入信號，并將其存儲到存儲單元中。Arduino 控制器對芒果重量信號進行處理并且確定其對應成品倉位，隨后控制步進電機旋轉，實現對芒果的自動稱重分揀。

圖6 電氣原理圖

3 試驗與結果分析

選用重量、品種不同的芒果作為自動分揀機的試驗材料，通過不同重量與品種間的對應關系，如表1 所示，測試分揀機根據芒果重量是否能高速、準確地按品種區(qū)分芒果。

表1 芒果種類與重量對應關系

試驗分為4 組，每組3 次，每次試驗選用40 個芒果。試驗芒果中分別包含椰香、海頓、金煌三個品種，重量0.1-0.3kg 的椰香芒果400 個，0.3-0.5kg 的海頓芒果500 個，0.5-1.5kg 的金煌芒果300 個，使得試驗預備芒果數量遠大于實際試驗使用數量，以確保試驗對象的隨機性和試驗結果的有效性。試驗組次及選用芒果種類、數量如表2 所示。

表2 試驗組次及選用芒果種類、數量設置

第1 組第1 次試驗，選用40 個芒果，其中包含重量0.1-0.3kg 的椰香芒果10 個，0.3-0.5kg 的海頓芒果20 個，0.5-1.5kg 的金煌芒果10 個。將上述芒果倒入上料機中，經上料、運輸、分隔、稱重、分揀等試驗步驟，得到如下結果：①5 個分揀機成品倉中，3 個成品倉（成品倉I、成品倉II、成品倉III）分揀出芒果，2 個成品倉（成品倉IV、成品倉V）空；試驗結果表明本文分揀機能夠實現芒果分類。②成品倉I、II、III 中單個芒果平均重量分別為：0.203kg、0.446kg，0.976kg，表明本文分揀機能夠實現按重量分揀芒果。③成品倉I 中芒果數量為13 個，其中包括10 個重量為0.1-0.3kg 的椰香芒果和3 個重量為0.285-0.32kg 的海頓芒果；成品倉I 試驗結果（倉中芒果數量）比預期多3 個。④成品倉II 芒果數量為18 個，其中包括17 個重量為0.3-0.5kg 的海頓芒果和1 個重量為0.505kg 的金煌芒果；成品倉II 試驗結果（倉中芒果數量）比預期少2 個。⑤成品倉III 芒果數量為9 個，均為重量在0.5-1.5kg 區(qū)間的金煌芒果；成品倉III 試驗結果（倉中芒果數量）比預期少1 個。⑥上述結果③④⑤表明本文分揀機能夠根據重量區(qū)分芒果的種類，但分揀結構仍存在偏差。第1 組第1 次試驗分揀出錯芒果數量為4 個，試驗芒果總數為40 個，試驗結果偏差為10%。⑦進而進行多組多次試驗，最終試驗測試結果偏差如表3 所示。

表3 芒果分揀試驗結果偏差

試驗測試結果表明：

①將40 個待分揀的芒果倒入上料機，由于設計中沒有上料振動裝置，上料機可能存在積壓芒果的情況，此時需手動協助上料。②芒果通過上料漏斗下滑至分料機，在三段式分料結構的差速運行下，可實現將芒果逐個分離。③試驗結果表明：芒果自動分揀機能夠根據芒果的重量實現對芒果種類的分揀，一組試驗時間在20-35 秒，即分選速度可達每秒2±1 個芒果。④試驗結果表明：該分揀機分選偏差可控制在8%±0.5%，滿足農忙時節(jié)芒果分揀需求。

4 結論

該芒果自動分揀機采用模塊化設計，結構簡單，適用性強，便于維護。在理論推演和試驗驗證中，均可達到農忙時節(jié)對芒果分揀高速高效的需求。該芒果自動分揀機填補了目前市場上中小型芒果分揀機械的空缺，可在芒果種植基地廣泛地推廣應用。