樂(lè)海文,劉 對(duì),陳水泉，劉文謙

（九江學(xué)院，江西 九江 332005）

引言

草莓作為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，在中國(guó)屬于比較廣泛栽培的漿果類水果。中國(guó)是世界上最大的草莓生產(chǎn)國(guó)，但大部分的草莓種植規(guī)模不大。由于大型的草莓采摘機(jī)械手昂貴，因此大都還是采用人工的方式采摘，機(jī)械化、自動(dòng)化程度低。草莓作為一種季節(jié)性經(jīng)濟(jì)作物，這就導(dǎo)致人工采摘工作強(qiáng)度大，人手不足，采摘效率低等問(wèn)題。并隨著人工成本的上升，給種植草莓的果農(nóng)帶來(lái)了巨大的困擾。通過(guò)認(rèn)真分析研究發(fā)現(xiàn)手工采摘草莓有以下不足：

（1） 草莓作為一種季節(jié)性經(jīng)濟(jì)作物，成熟期短，因此到了成熟的時(shí)候需要雇傭大量臨時(shí)工人來(lái)專門采摘，并且由于成熟期集中在幾個(gè)固定時(shí)間段，工人供不應(yīng)求，成為稀缺資源。

（2） 采摘環(huán)境較差，大棚環(huán)境溫度較高，人很難長(zhǎng)時(shí)間在大棚內(nèi)采摘。

（3） 人工采摘效率差異化很大，采摘效率無(wú)法保證。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們應(yīng)該考慮設(shè)計(jì)產(chǎn)品功能包含以下幾個(gè)方面[1]：

（1） 草莓的采摘與收集實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，高效率完成采摘。

（2） 巧妙設(shè)計(jì)采摘機(jī)構(gòu)及收集機(jī)構(gòu)，靈活好用。

（3） 價(jià)格便宜，操作簡(jiǎn)單

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)構(gòu)想

要實(shí)現(xiàn)草莓采摘的高效率、易操作、體積小、成本低等特點(diǎn)，首先采摘機(jī)構(gòu)的效率要優(yōu)于人工采摘，為此采用三爪旋轉(zhuǎn)刀具來(lái)作為采摘機(jī)構(gòu)，其效率可以達(dá)到人工的三四倍，基本實(shí)現(xiàn)了目的。其移動(dòng)定位機(jī)構(gòu)參考機(jī)床的x y z 軸移動(dòng)方式，采用了兩軸聯(lián)動(dòng)，能比較精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓的定位。收集機(jī)構(gòu)采用皮帶傳輸?？傮w設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 草莓采摘機(jī)總體設(shè)計(jì)三維圖

1.2 采摘機(jī)構(gòu)的選用

經(jīng)過(guò)前期調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大多采用機(jī)械臂和傳感器實(shí)現(xiàn)采摘功能，這種方法缺點(diǎn)在于成本高、操作繁瑣而且不適用于我國(guó)小型農(nóng)戶的草莓壟設(shè)計(jì)。因此在采摘機(jī)構(gòu)的選擇上提出方案構(gòu)想：采用三爪旋轉(zhuǎn)刀具利用旋轉(zhuǎn)和刀片給草莓的扭矩和切割力達(dá)到采摘的目的。此方案源自多次的實(shí)地考察，觀察草莓的特性以及向農(nóng)戶的咨詢中了解到草莓莖脆且只需很小的力就可以完成采摘。因此制作了三爪旋轉(zhuǎn)刀具，當(dāng)草莓卡在刀片縫里時(shí)，刀片同時(shí)在繞中間軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)過(guò)一定角度時(shí)，草莓莖在扭矩和刀片的切割力下就會(huì)斷裂，完成采摘過(guò)程。此方案優(yōu)點(diǎn)在于易控制，而且可以通過(guò)控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同高度的草莓采摘，效率也遠(yuǎn)勝于人工采摘，經(jīng)過(guò)各個(gè)機(jī)構(gòu)之間協(xié)調(diào)的工作可以實(shí)現(xiàn)采摘功能[2]。

采摘機(jī)構(gòu)由：鋁制刀片，圓柱棒料（長(zhǎng)：100 mm直徑：30 mm），小型減速電機(jī)（額定轉(zhuǎn)速為120 r/min）和聯(lián)軸器組成。鋁制刀片鑲嵌在開槽的圓柱棒料上，棒料通過(guò)聯(lián)軸器和電機(jī)相連。整體運(yùn)作：當(dāng)采摘機(jī)構(gòu)通過(guò)控制機(jī)構(gòu)定位后，通過(guò)控制按鈕啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力通過(guò)聯(lián)軸器傳遞給圓柱棒料，圓柱棒料的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鑲嵌在棒料上的刀片旋轉(zhuǎn)，刀片轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，草莓卡在V 型的刀片底部，刀片繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，草莓受到扭矩和刀片底部一定的切割力，從而和草莓莖脫離，實(shí)現(xiàn)采摘。

1.3 控制機(jī)構(gòu)的選用

根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)處于不同垂直度和水平方向上草莓的需精準(zhǔn)定位，選擇滾珠絲桿和電動(dòng)推桿來(lái)實(shí)現(xiàn)縱橫向運(yùn)動(dòng)。

（1） 滾珠絲桿由螺桿、螺母、鋼球、預(yù)壓片、反向器、防塵器組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為垂直方向的上下運(yùn)動(dòng)，來(lái)控制垂直方向上的定位而且它具有摩擦損失小、傳動(dòng)效率高、精度高、軸向剛度高、不能自鎖、具有傳動(dòng)的可逆性等能滿足我們?cè)谧鳂I(yè)過(guò)程中的一切運(yùn)動(dòng)要求[3]。

（2） 電動(dòng)推桿是一種新型的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動(dòng)推桿主要由電機(jī)、推桿和控制裝置等機(jī)構(gòu)組成的一種新型直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動(dòng)推桿在一定范圍行程內(nèi)作往返運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪減速后，帶動(dòng)一對(duì)絲桿螺母，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，利用電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推桿伸出和收縮運(yùn)動(dòng)，推桿的這些特性能很好的滿足水平方向的定位要求。

滾珠絲桿和電動(dòng)推桿均采用點(diǎn)動(dòng)控制，能高精度的達(dá)到要采摘的草莓位置。在絲桿的一側(cè)采用光桿和絲桿，光桿在這里是代替絲桿所承受的機(jī)械部件的壓力，增加了絲桿的剛性。

1.4 傳送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

皮帶傳動(dòng)：具有恒定的傳動(dòng)比，工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)，傳動(dòng)準(zhǔn)確。傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98%，節(jié)能效果顯著。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，安裝維護(hù)方便。皮帶富于彈性，可以緩和沖擊和振動(dòng)，因此運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作時(shí)噪聲較低。制造和安裝精度不像嚙合傳動(dòng)要求那樣嚴(yán)格。結(jié)合要實(shí)現(xiàn)傳送草莓，以及減少成本，安裝精度等要求選用皮帶傳動(dòng)。采用張緊的環(huán)形的皮帶，套在兩根傳動(dòng)軸的皮帶輪上，它依靠皮帶和皮帶輪張緊時(shí)產(chǎn)生的摩擦力，將一軸的動(dòng)力傳給另一軸。

整體運(yùn)作：草莓在滑道的引導(dǎo)下掉落在傳送帶較低的一端，通過(guò)皮帶輪的傳送，運(yùn)輸?shù)綆ぽ喌牧硪粋?cè)然后掉落在籃子里實(shí)現(xiàn)收集功能。

2 草莓采摘機(jī)重要零部件的有限元分析

2.1 采摘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了保證草莓的順利采摘制作了三爪旋轉(zhuǎn)刀具，草莓采摘機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 草莓采摘機(jī)構(gòu)三維圖

2.2 三爪旋轉(zhuǎn)刀具的受力

三爪旋轉(zhuǎn)刀具的主要受力來(lái)自其旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下與草莓的撞擊，但由于這個(gè)工作狀態(tài)下受力比較復(fù)雜，我們要對(duì)其受力作以下簡(jiǎn)化[4]。見圖3。

圖3 三爪旋轉(zhuǎn)刀具受力簡(jiǎn)化圖

（1） 刀具以一個(gè)較低的角速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在半徑較小的情況下線速度同樣較小，將其簡(jiǎn)化為靜態(tài)模型。

（2） 由于刀具的結(jié)構(gòu)可知刀具的危險(xiǎn)截面在根部和兩齒之間的中間截面。將草莓的落點(diǎn)簡(jiǎn)化集中在刀尖處，并簡(jiǎn)化其作用力的大小為草莓的重力，大小為1 N，方向垂直刀片平面。

2.3 模型建立與網(wǎng)格劃分

在Solidworks 中繪制三維圖另存為x_t 后綴文件，再導(dǎo)入ANSYS Workbench 中，劃分網(wǎng)格見圖4。網(wǎng)格劃分采用自動(dòng)方式劃分，單元格尺寸設(shè)置為5 mm，網(wǎng)格劃分產(chǎn)生了個(gè)17 463 單元網(wǎng)格和34 914個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 5 mm 網(wǎng)格

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)有限元仿真分析，三爪旋轉(zhuǎn)刀具的等效應(yīng)力和在形變分布，見圖5。

圖5 三爪旋轉(zhuǎn)刀具應(yīng)力分析結(jié)果

從等效應(yīng)力分析的結(jié)果最大應(yīng)力為3.126 4 Mpa，小于該材料的許用應(yīng)力，因此三爪旋轉(zhuǎn)刀具在工作狀態(tài)下是安全的。

形變分析結(jié)果見圖6，由圖6 得出最大形變量為0.015 mm,最大變形遠(yuǎn)小于三爪旋轉(zhuǎn)刀具的失效形變量，所以不影響其正常工作。

圖6 形變分析結(jié)果

3 實(shí)物驗(yàn)證

根據(jù)solidworks 繪制的三維結(jié)構(gòu)圖尺寸采用合適的材料制作出實(shí)物，采用plc 控制草莓采摘機(jī)的自動(dòng)運(yùn)行。前期對(duì)零部件實(shí)物裝配性和干涉進(jìn)行了試驗(yàn)，后期在實(shí)地進(jìn)行模擬采摘，采摘效果良好，實(shí)物試驗(yàn)見圖7。

圖7 實(shí)物試驗(yàn)演示

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的草莓采摘方式效率低勞動(dòng)強(qiáng)度大，采摘時(shí)間長(zhǎng), 影響草莓的新鮮度及口感, 既然草莓的生長(zhǎng)周期不能縮短, 需求又大, 高效快速的采摘草莓就顯得尤為重要。草莓采摘機(jī)在商業(yè)上有著極大的需求。